生物質原料收儲運以及成型燃料技術概述

1、生物質原料收儲運及成型燃料技術概述生物質原料收儲運及成型燃料技術概述摘要：化石能源的開采和利用推動了世界的工業(yè)革命和社會發(fā)展，然而到了今天，人類卻不得不面臨能源枯竭和化石燃料使用過程中帶來的環(huán)境污染這兩大全球性問題。開發(fā)利用更加清潔、可再生的新能源便成為了人們關注的焦點。于是在一場轟轟烈烈的化石燃料替代能源的研究浪潮中，生物質能源脫穎而出。在眾多的生物質能源利用技術中，生物質燃料備受關注。本文主要就生物質燃料技術發(fā)展中的原料收、儲、運問題和生物質成型燃料技術的研究現(xiàn)狀兩大方面，進行綜合的概述。關鍵詞：生物質，原料收、儲、運，成型燃料1. 前言 生物質是指通過光合作用而形成的各種有機體,包括所有

2、的動植物和微生物。生物質能是太陽能以化學能形式貯存在生物質中的能量形式,以生物質為載體的能量。它直接或間接地來源于綠色植物的光合作用,可轉化為常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料,取之不盡、用之不竭,是一種可再生能源。一般來講,生物質能是指利用自然界的植物、糞便以及城鄉(xiāng)有機廢物轉化成的能源,主要包括農(nóng)業(yè)生物質資源、林業(yè)生物質資源和工業(yè)廢水及城市固體廢棄物,通過燃燒、熱化學法、生化法、化學法和物理化學法等利用技術,可轉化為二次能源,分別為熱量或電力、固體燃料（木炭或成型燃料）、液體燃料（生物柴油、生物原油、甲醇、乙醇和植物油等）和氣體燃料（沼氣、生物質燃氣和氫氣等）。 自20世紀70年代以來,為了應對日益

3、突出的能源危機和氣候變化,世界各國高度重視生物質能的開發(fā)與利用,提出了明確的發(fā)展目標,制定了完整的法規(guī)和政策體系,生物質能技術水平不斷提高,產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐漸擴大,成為促進能源多元化和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。中國能源儲備少、產(chǎn)量低,而需求卻在大幅增加,供需矛盾日益尖銳。生物質能具有清潔、安全、可持續(xù)等特點,開發(fā)和使用生物質能,符合可持續(xù)的科學發(fā)展觀和循環(huán)經(jīng)濟理念。針對國內(nèi)外能源供求緊張的形勢,開發(fā)利用生物質能,既是實行能源戰(zhàn)略多元化,解決中國能源問題的有效途徑,又是拓展農(nóng)民就業(yè)領域,促進農(nóng)民增收的重要渠道。中國政府歷來重視生物質能的開發(fā)利用,自20世紀70年代以來,先后實施了一批生物質能利用研

4、究項目和示范工程。“十一五”期間,國家又將生物質能的開發(fā)利用列入“國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十一個五年規(guī)劃”。但是,目前中國生物質能發(fā)展還存在著許多問題。本文就其中的生物質原料收、儲、運和生物質成型燃料的發(fā)展兩大方面，進行全面綜合的概述。2. 原料收、儲、運 原料的收集、儲存和運輸是任何一項技術生產(chǎn)流程之首，占據(jù)著重要的地位。而在我國，原料收、儲、運同時也是生物質利用技術發(fā)展的難點之首，是各個研究機構和專家力圖攻克的難關之一。2.1 原料收集 近十幾年來，生物質作為可替代化石燃料的清潔能源受到各國政府的重視而快速發(fā)展，如今，在各國能源結構中占據(jù)重要地位。但其快速發(fā)展的過程中也遇到很多困難，其中一個制

5、約因素便是原料收集困難。據(jù)了解，我國生物燃料產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的最大挑戰(zhàn)是原料資源基礎任然薄1。生物質成型燃料作為生物質燃料的一大分支，因此，其發(fā)展同樣受制于原料收集。生物質原料收集的分析探討對繼續(xù)大力發(fā)展生物質燃料至關重要。用于生物質成型燃料的資源主要來源于農(nóng)作物秸稈、農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)的副產(chǎn)品及林業(yè)廢棄物等2 。農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)的副產(chǎn)品和林業(yè)廢棄物由于產(chǎn)地相對集中，主要來源于加工廠，數(shù)量多且容易收集。我國擁有豐富的農(nóng)作物秸稈資源，但由于地域遼闊，自然村分散，土地承包制，農(nóng)作物品種多，換種期較短，小農(nóng)經(jīng)營，農(nóng)業(yè)機械化水平低等原因3 ，一直以來，原料收集困難、收集率低導致成本高，大量的農(nóng)作物秸稈收集成為生物質

6、燃料加工生產(chǎn)工程中的“瓶頸”，制約著生物質的大范圍大規(guī)模收集利用。2.1.1 生物質原料收集面臨的問題（1）原料自然密度低，收集量大農(nóng)作物秸稈不同于煤炭資源，其分布比較分散。中國土地實行家庭承包責任制，包產(chǎn)到戶的模式，且自然村和農(nóng)戶都比較分散，各農(nóng)戶種植的農(nóng)作物不一，導致同一種類的農(nóng)作物秸稈自然密度低，這使得原料收集工程量大。謝光輝4等人折算獲得禾谷類作物在中國大陸主產(chǎn)區(qū)的秸稈系數(shù)，利用這一系數(shù)估計每畝可收集到的風干玉米秸稈約為0.5噸，但目前1/3直接還田，1/3用作其他（如飼料、堆肥等），僅有1/3可收集作為生物質燃料。因此，要收集一定數(shù)量的秸稈是一個龐大的工程。很多農(nóng)民不愿耗時耗力收集廉

7、價的秸稈，而是直接焚燒還田。（2）收集時間緊促且難以控制 農(nóng)作物的季節(jié)性很強，我國大部分農(nóng)作物主產(chǎn)區(qū)是一年兩熟，南方少數(shù)地區(qū)可一年三熟，換種期較短，為騰地換種下一季作物，要求在比較短的時間內(nèi)完成收集。另外，在收集過程中會受到天氣的影響，農(nóng)作物秸稈一般含水率不一，在收集時需要晾曬到一定程度才可以打包打捆，如遇陰雨天將會拖延收集時間。天氣變化難以控制，這加大農(nóng)作物生物質收集的難度。（3）機械化程度低 我國的農(nóng)作物秸稈收獲機任處在中試階段。目前，我國還沒有研制出一種適合我國土地耕種模式的秸稈收獲機，80%以上的秸稈收集是通過人工打包打捆，這不但耗時耗力而且還增加了原料收集成本。2.2.2 我國生物質

8、原料收集模式的研究現(xiàn)狀針對以上原料收集過程中的諸多問題，我國各生物質企業(yè)以及很多研究學者紛紛提出多樣化的生物質原料收集模式。方艷茹等人5將小麥秸稈的收儲運分為4種模式，分別為人工散桿模式、人工打包模式、機械散桿模式、機械打包模式。王品學等人6將農(nóng)作物生物質原料的收集分為廠家自行收購、設立固定基地收購站、以村為單位設立收購站點3種模式。南京農(nóng)業(yè)大學陳麗歡7將生物質原料收集按燃料收購與運輸形式分為田間打捆運至料場、田間打包運至料場以及收購點壓塊運至料場。中國農(nóng)業(yè)大學魏巧云8對秸稈供應鏈中收獲成本關鍵影響因素秸稈收獲量和秸稈打捆方式進行了估算和相關成本分析。2.2 原料儲存根據(jù)文獻9和10可以歸納出

9、主要的存儲方法有四種：開放式存儲法、覆蓋式存儲法、倉庫式存儲法和厭氧式存儲法。下文將對各種存儲方法進行介紹。（1）開放式存儲法開放式存儲方法通常將生物質原料置于露天環(huán)境下，不再專門采用覆蓋物對原料進行覆蓋，既省去了覆蓋材料的消耗，同時也節(jié)約資源和人力成本，因此，采用這種方法的存儲成本最小。然而問題也隨之出現(xiàn)，主要體現(xiàn)在原料損耗上，而損耗程度主要受天氣情況的影響，同時也與存放于精煉廠中的時間長短相關。例如，在冬天干物質的損耗會有所下降，這時可以適當?shù)牟捎瞄_放式存儲。而在雨季，對于某些生物質原料例如玉米秸稈，由于材料的形狀不規(guī)則，無法形成緊密的堆垛，會導致較多的雨水滲入其中或是將水氣吸收入內(nèi)，這將

10、會導致很高的變質率和干物質的損失，從而降低原料的總體品質。（2）覆蓋式存儲法覆蓋式存儲法即在生物質堆垛的頂部覆蓋一層防紫外線的聚乙烯織物或者塑料膜等，可以防止雨季時多余的水分進入存儲堆或者日曬造成的生物質原料損耗。采用覆蓋式存儲時，需要對堆放原料的地面進行選擇、整理并對堆放棧進行配置和建設，投入使用后，需要進行長期的維護。因此，與開放式存儲方法相比，覆蓋式存儲還需要額外的投入覆蓋材料以及堆棧建設、維護費用，增加了原料的存儲成本，但也相應地提高存儲質量。當 初始水分含量低于18%時，高質量的覆蓋式存儲可以令干物質損耗水平在 5%-7%之間。（3）倉庫式存儲法與上文所提到的兩種方式相比，將生物質原

11、料存儲在倉庫等常設性結構中有其獨特的優(yōu)勢。在倉庫中進行存儲將大大有助于減少水分滲入生物質堆垛，也能在原料堆的頂部達到自然通風(覆蓋式存儲在堆垛的頂端形成了一道蒸汽屏障，會阻礙水蒸氣的自然散發(fā)），令成捆的生物質原料脫去水氣。（4）厭氧式存儲/青貯法厭氧式存儲也叫青貯法，需要將生物質裝入密封的塑料裝置中以減少其暴露在氧氣中的可能性，從而降低其有氧呼吸率，減少干物質損耗。厭氧存儲法已在含水分的青綠飼草的保存中廣泛使用。由于含水分的青綠飼草或糟渣在厭氧環(huán)境下發(fā)酵產(chǎn)生酸乳酸菌，當乳酸積累到一定程度時，將 pH 值控制在 3.5-4.2 之間，使各種微生物活動被抑制，原料便能長期保存。這一方法可以將存儲中

12、干物質的2損失控制在 3%-10%之間，其變化幅度取決于存儲過程中塑料包裝的數(shù)量或強度?？傊@四種存儲方式各有其優(yōu)劣之處。從成本的角度，采用開放式成本進行存儲單價較低，且之后不存在一系列的維護費。而覆蓋式、倉庫式存儲則需要較高的費用進行初始投資，并且在投入使用后為了保證存儲效果和延長使用年限，仍會產(chǎn)生維護的成本。厭氧法對堆放點的建設和條件要求并不高，但是進行存儲之前需要機器輔助操作，從而引入了一定的成本。從存儲效果的角度來說，開放式存儲的損耗率是最高的，其次是覆蓋式存儲、厭氧式和倉庫式存儲。所以精煉廠在進行原料儲存時，需要綜合地權衡存儲的投資成本和存儲效果2.3 原料運輸我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以家庭承

13、包為主，戶均種植面積小，作物秸稈分布分散；同時由于秸稈密度低，體積大，收獲季節(jié)性強，秸稈收集、儲存和運輸成為制約其大規(guī)模利用的主要瓶頸。因此，如何建立合理、高效的秸稈收儲運體系是秸稈生物質能產(chǎn)業(yè)發(fā)展必須首先解決的關鍵問題。進過多年的探索實踐，我國秸稈收儲運系統(tǒng)已經(jīng)有了一定的發(fā)展基礎，主要有分散型和集中型兩種模式1112。2.3.1 分散型收儲運模式分散型收儲運模式以農(nóng)戶、專業(yè)戶或秸稈經(jīng)紀人為主體，把分散的秸稈收集后直接提供給企業(yè)，可以分為“公司+ 散戶”型和“公司+ 經(jīng)紀人”型等兩種形式。（1）“公司+ 散戶”型“公司+ 散戶”型是由分散的農(nóng)戶將秸稈送到公司。農(nóng)戶僅僅需要在田地里收割、裝車，運

14、至公司即可，由公司進行后續(xù)的秸稈晾曬、儲存，保管和運輸?shù)热蝿?。這種形式中，農(nóng)戶會急于將秸稈運至公司，因而供應期集中，所以僅適用于需求量小且離田地距離近的公司企業(yè)。（2）“公司+ 經(jīng)紀人”型“公司+ 經(jīng)紀人”型主要以秸稈經(jīng)紀人為主體，由秸稈經(jīng)紀人把分散農(nóng)戶組織起來，為企業(yè)常年提供秸稈原料。公司從周邊農(nóng)村挑選有經(jīng)濟頭腦、有啟動資金的農(nóng)民，培育為秸稈經(jīng)紀人，專門負責秸稈原料的收集、晾曬、儲存、保管、運輸?shù)热蝿?，由一批秸稈?jīng)紀人負責為企業(yè)提供秸稈原料。秸稈經(jīng)紀人一般采取兩種方式收購秸稈：一是經(jīng)紀人自己購置運輸車輛，設立簡易儲料場，從農(nóng)戶手中收購秸稈，存放在儲料場，定期向企業(yè)供應原料； 二是秸稈經(jīng)紀人培

15、育一批秸稈收購戶， 并定期預支給收購戶周轉資金， 用來收購秸稈、購買手扶拖拉機等農(nóng)用運輸工具，由這些收購戶常年走村串巷收購秸稈， 并負責直接運送到發(fā)電廠。由經(jīng)紀人負責與電廠定期結算，并與小散戶們進行利潤分紅。秸稈經(jīng)紀人的存在使得秸稈供應時間大大延長，也便于企業(yè)資金的流轉，適用于需求量大的公司和企業(yè)。分散型的優(yōu)缺點： 農(nóng)作物秸稈屬于量大輕泡物品，晾曬、存儲需要占用大量空閑地方，采用分散型收儲運模式，將收儲運分散問題轉移到廣大農(nóng)村和農(nóng)戶來解決，將收曬儲存問題化整為零解決。公司企業(yè)不需投資建設收儲運系統(tǒng)，大大降低了企業(yè)的投資、管理和維護成本。但這種模式的缺點是企業(yè)的原料供應在很大程度上受制于秸稈經(jīng)紀

16、人，而秸稈經(jīng)紀人不隸屬于任何組織，管理相對松散。隨著企業(yè)數(shù)量的增加和規(guī)模的擴大， 秸稈需求量增加，企業(yè)之間存在原料競爭，秸稈經(jīng)紀人為了追求最大利潤，會隨機抬高收購價，或將秸稈送到其他競爭性企業(yè)， 而發(fā)電企業(yè)為了確保原料的常年供應，不得不抬高收購價，致使原料成本大幅度增加，甚至面臨因原料缺乏而停產(chǎn)的危機。2.3.2 集中型收儲運模式集中型收儲運模式以專業(yè)秸稈收儲運公司或農(nóng)場為主體，負責原料的收集、晾曬、儲存、保管和運輸?shù)热蝿?，并按照企業(yè)的要求，對農(nóng)戶或秸稈經(jīng)紀人交售秸稈的質量把關，然后統(tǒng)一打捆、堆垛、存儲，可以分為“公司+ 基地”集中型和“公司+ 收儲運公司”集中型等兩種形式。（1）“公司+ 基

17、地”集中型公司與農(nóng)場簽訂協(xié)議，由農(nóng)場進行秸稈原料的收集、晾曬、儲存、保管和運輸?shù)热蝿?。這樣可以一定程度上減低儲運成本，提高原料質量。適用于需求量較小的公司。（2）“公司+ 收儲運公司”集中型集約型秸稈收儲運模式主要以專業(yè)秸稈收儲運公司為主體，負責原料的收集、晾曬、儲存、保管、運輸?shù)热蝿眨?并按照企業(yè)規(guī)定的統(tǒng)一質量標準，對農(nóng)戶或秸稈經(jīng)紀人交售秸稈的含水、含沙和霉變程度進行質檢、稱重、支付貨款、打捆（標準捆）、堆垛、統(tǒng)一防潮、防火和保存。秸稈收儲公司，一般是以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為中心，按照一定儲量規(guī)模，在一定區(qū)域范圍內(nèi)，分散設立一個或若干個秸稈收儲點，形成一個收儲網(wǎng)絡系統(tǒng)， 調控秸稈收儲量并按企業(yè)原料使用需求，

18、及時、保質、保量運送秸稈到廠。秸稈收儲公司對秸稈實行分散收集、統(tǒng)一儲運管理。以現(xiàn)有農(nóng)戶或秸稈經(jīng)紀人作為秸稈的主要收集者，將秸稈收集、晾曬后，按照收儲公司的要求統(tǒng)一運送到秸稈收儲點進行儲存、保管。還有些收儲公司通過培育秸稈農(nóng)民合作組織， 與合作組織簽訂合同，規(guī)定收購的數(shù)量、質量、價格等內(nèi)容，由專業(yè)合作組織把分散農(nóng)戶組織起來，負責原料收集、預處理和小規(guī)模儲存，然后根據(jù)需要定期運送到收儲站， 逐步形成從農(nóng)民合作組織到秸稈收儲公司再到發(fā)電企業(yè)這樣一個秸稈收儲運體系，保證了原料的長期有效供應。通過調查發(fā)現(xiàn)， 目前我國專業(yè)秸稈收儲公司一般由發(fā)電企業(yè)自己投資建立， 自己經(jīng)營秸稈收集、儲運、管理各個環(huán)節(jié)的工作

19、。集中型收儲運的優(yōu)缺點：采用集中型收儲運模式， 秸稈收儲運公司需要建設大型秸稈收儲站，占用土地多，還要進行防雨、防潮、防火和防雷等設施建設，并需投入大量人力、物力進行日常維護和管理， 一次性投資較大，折舊費用和財務費用等固定成本較高。但秸稈發(fā)電企業(yè)通過與收儲公司簽訂供貨合同， 使秸稈的供應變成企業(yè)法人之間的商業(yè)活動， 從根本上解決了秸稈供應的隨意性和風險， 能夠確保秸稈原料的長期穩(wěn)定供應。而且秸稈收儲公司采用先進的設備和技術對秸稈原料進行質檢、粉碎、打捆等，確保秸稈質量，提高了秸稈利用效率。隨著秸稈的規(guī)模化利用和市場需求的增加， 集中型模式將成為主要發(fā)展方向。3. 成型燃料技術現(xiàn)狀作為能源，生

20、物質的利用技術一般有三類：一是燃燒技術，通過直接燃燒或將生物質加工成成型燃料（如顆粒、塊狀、棒狀燃料）然后燃燒，其主要目的是為了獲取熱量；二是生物化學轉化技術，通過將不同原料（木材、小麥、甜菜等）先酸解或水解，然后微生物發(fā)酵，制取液體燃料或氣體燃料；三是熱化學轉化技術，其可獲得木炭、生物油和可燃氣體等高品位能源產(chǎn)品，該項技術按其加工工藝的不同 ，又分為高溫干餾、熱解、生物質液化和氣化等幾種方法。相對而言，通過燃燒利用生物質能的成本較低，是林木生物質能源轉化的可選擇技術途徑之一。目前，生物質成型燃料已是生物質能利用的重要方式之一。生物質成型燃料技術又分為生產(chǎn)技術和應用技術，生產(chǎn)技術已日益成熟，如

21、何更有效的利用生產(chǎn)出的生物質固體燃料也愈加受到關注和重視13。3.1 生物質成型燃料生產(chǎn)技術生物質致密成型技術是指應用機械加壓（加熱或不加熱）的方法，將各類原來分散、沒有一定形狀、密度低的生物質原料壓制成具有一定形狀、密度較高的各種固體成型燃料的過程。它具有以下主要特征：原料豐富，農(nóng)林廢棄物、各類作物秸稈等；纖維素含量高，70%左右；硫含量大大低于煤；有比較高的密度，一般為1.01.3g/cm3，便于貯存和運輸；產(chǎn)品形狀規(guī)格多，顆粒、棒、塊狀等，利用范圍廣；熱值一般為1600017000J/kg，與中質煤相當；燃燒速度比煤快11%以上，燃燒充分、黑煙少、灰分低、環(huán)保衛(wèi)生，可高品位利用；可以實現(xiàn)

22、CO2的零排放；可形成產(chǎn)業(yè)，經(jīng)濟和社會環(huán)保效益明顯1314。按成型溫度可分為加熱成型和常溫高壓成型兩種。（1）加熱成型：植物中含有的木質素是具有芳香族特性的結構單體，屬非晶體，沒有熔點但有軟化點，當溫度達70110時開始軟化且粘合力開始增加，在200300時，軟化程度加劇達到液化，此時施加一定的壓力，使其與纖維素緊密粘接，并與鄰近顆?；ハ嗄z接，冷卻后即可固化成型。生物質加熱成型燃料就是利用生物質的這種特性，用壓縮成型設備將經(jīng)過干燥和粉碎的松散生物質原料在加壓（0.51t/cm2）、加溫（110300）的條件下，使木質素軟化并經(jīng)擠壓而成型，得到具有一定形狀和規(guī)格的成型燃料。其固化成型的工藝流程一

23、般為：原料預處理（粉碎）干燥加熱、成型冷卻包裝。（2）常溫成型：生物質原料是由纖維構成的，被粉碎后的生物質原料質地松散，在受到一定的外部壓力后，原料顆粒先后經(jīng)歷位置重新排列、顆粒機械變形和塑性流變等階段，。開始壓力較小時，有一部分粒子進入粒子間的空隙內(nèi)，粒子間的相互位置不斷改變，當粒子間所有較大的空隙都被能進入的粒子占據(jù)后，再增加壓力，只有靠粒子本身的變形去充填其周圍的空隙。這時粒子在垂直于最大主應力的平面上被延展，當粒子被延展到與相鄰的兩個粒子相互接觸時，再增加壓力，粒子就會相互結合，這樣，原來分散的粒子就被壓縮成型，同時其體積大幅度減小，密度則顯著增大。由于非彈性或粘彈性的纖維分子之間的相

24、互纏繞和咬合，在外部壓力解除后，一般都不能再恢復到原來的結構形狀。應用這一原理，可以實現(xiàn)自然狀態(tài)下的常溫壓縮成型。該成型技術的工藝流程為：原料預處理（削片或粉碎）成型包裝。它比加熱成型技術減少了原料烘干、成型時加熱和降溫等3道工序，可節(jié)約能耗44%67%。在能源緊缺的今天，常溫成型是生物質成型燃料的發(fā)展方向。 生物質成型燃料按形狀可以分為顆粒狀（直徑5 12m m，長度1030m m的小圓柱體）、方塊狀（截面為30×30m m的正方型，長度一般為3080m m）和中空棒狀（截面一般為六 棱型，直徑5060m m，長度500mm左右，中心帶有直徑為20的通孔）。（1）生物質棒狀燃料固化

25、系統(tǒng)的工藝流程是：生物質原料經(jīng)過粉碎機粉碎，再經(jīng)過干燥或噴淋水（不同固化設備對原料的含水率要求不同，當原料含水較高需經(jīng)過干燥設備，當原料含水過低則用噴淋水提高原料水分），滿足要求的原料再進行固化制棒機組生產(chǎn)出生物質成型燃料，如需對產(chǎn)品做進一步深加工，可進行炭化，生產(chǎn)出機制炭高熱值產(chǎn)品。制棒機組為螺旋沖壓式和擠壓式成型2種：沖壓式成型機是通過往復式活塞雙向擠壓生產(chǎn)成型燃料；螺旋擠壓式固化成型機組以螺旋擠壓方式生產(chǎn)棒狀高密度中空成型燃料，可以改善松散廢棄物的燃燒性能，提高廢棄物的價值品位，棒狀燃料經(jīng)炭化可制得優(yōu)質木炭。生物質成型燃料以林產(chǎn)品加工廢棄物（鋸末、刨花、砂光粉等）和農(nóng)作物廢棄物（秸稈、稻

26、殼等）為原料，用于工業(yè)和日常生活或作為生產(chǎn)活性炭的原料。生產(chǎn)試驗和分析結果表明，該種成型機可提高易損件的使用壽命，降低單位產(chǎn)品能耗，工作平穩(wěn)，成型可靠，成本低，投入回收期短，經(jīng)濟效益和環(huán)境效益明顯，生產(chǎn)原料以秸稈為主，推廣前景廣闊。但該類型設備所生產(chǎn)的燃料密度仍比較低，如何解決燃料的高密度問題是未來的研究重點。（2）生物質顆粒燃料固化系統(tǒng)在我國處于研究示范和試點階段，設備的技術原理比較先進，成本低廉，適合我國國情；但還存在著規(guī)模化和市場化程度不高、管理不規(guī)范、支持政策缺乏和推廣速度比較緩慢等問題。其設備大致分為環(huán)模擠壓成型機、平模擠壓成型機、雙環(huán)模式顆粒成型機。環(huán)模壓輥的原理是利用環(huán)模的內(nèi)部體

27、系，通過壓輥由內(nèi)向外施加壓力使得燃料成型擠出。其成型機是采用內(nèi)環(huán)模壓輥擠壓成型顆粒燃料的設備。平模擠壓成型是由飼料成型設備改進而成，設備采用常溫成型，主要適用原料為木屑等，產(chǎn)品為顆粒狀。設備生產(chǎn)能力50300 kg/h，平模工作壽命約400 h，在國內(nèi)已有少量應用。而雙環(huán)模對輥擠壓成型也是由飼料成型設備改進而來，設備采用常溫成型，適用原料為秸稈、木屑等各種農(nóng)林廢棄物，原料過于干燥不易成型，成型后需要干燥處理，有黏結劑易于成型，產(chǎn)品為顆粒狀。目前的顆粒燃料固化系統(tǒng)原理幾乎一致，顆粒成型設備系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了在實際生產(chǎn)中的應用。但是其共同的缺點在于對原料的處理前的物理性質要求較高，如濕度、硬度等，因此

28、如何攻克原料的適應性問題是未來要進一步深入研究的方向15。3.2 生物質成型燃料應用技術（1）對生物質成型燃料進行深加工。經(jīng)過固化成型的生物質燃料可繼續(xù)加工生產(chǎn)機制木炭，生產(chǎn)出來的木質炭可代替天然木炭作為燃料炭；炭中不含致癌物質，特別適合食品熏烤；對其進行二次活化加工，還可以生產(chǎn)出合格的工業(yè)活性炭，用于冶金還原物和滲碳劑；還可以作為吸附劑，用于環(huán)保工業(yè)；用炭粉施田，可以有效提高地溫、地力和防病蟲害。利用炭粉生產(chǎn)各種型炭，成本較低，而且具有很強的市場競爭力。（2）生物質成型燃料的民用。民用爐灶是以燃燒顆粒燃料為主，在設計中以小型半氣化取暖爐和炊事爐具為主。在氣化區(qū)，利用空氣使顆粒成型燃料轉變?yōu)榭?/p>

29、燃性氣體（木煤氣），空氣中的氧與炭相互作用，發(fā)生如下反應:C+O2CO2+408.86 kJ/mol （1）C+1/2O2CO+ 123.30 kJ/mol （2）C+CO22CO+162.7 kJ/mol （3）為保證得到高質量的木煤氣，在設計氣化爐灶時，必須充分考慮應有足夠灼熱炭層，使式（1）產(chǎn)生的CO2通過式（3）反應，轉變成CO。顆粒成型燃料民用爐灶與普通爐灶相比，無論使用顆?；虺尚腿剂线€是木片作為燃燒原料，其熱效率都顯著提高16。（3）生物質成型燃料的鍋爐應用。大部分生產(chǎn)出來的生物質固化燃料都可以直接或與煤混燃，并不需要改造鍋爐。有少部分燒煤鍋爐由于鼓風、溫度、燃燒形式等原因須經(jīng)改造

30、方可進行生物燃料使用。3.3 生物質成型燃料技術難點（1）原料收集是制約成型燃料技術發(fā)展的技術瓶頸（收、運、儲）。中國生物質原料在收集方面與國外不同。管理制度不同、地塊小而分散，收集機械化水平低，打捆和定向收集沒有提到日程，收集是難點。沒有充足的原料，生物質成型燃料技術就不可能迅速發(fā)展。原料的收集是制約成型燃料技術發(fā)展的技術瓶頸。（2）生物質原料自身的多樣性及復雜性。生物質原料的種類繁多，其木質素、纖維素、果膠質等成分含量有較大差別。生物質原料的力傳導性很差，反彈性很強，被壓縮成型的條件也有很大差異。生物質原料由低密度壓縮成高密度的原料喂料問題，原料的含水量隨原料種類、地域、季節(jié)及氣候不同變化

31、問題，所以原料水分問題成為制約熱壓成型的一大難題。（3）成型燃料設備工作環(huán)境的惡劣性。生物質原料在收集過程中攜帶的許多粉塵、泥土砂粒，不僅會加劇成型部件的磨損，還會造成成型設備潤滑系統(tǒng)的污染，影響設備的使用壽命和穩(wěn)定運行。所以提高成型部件的使用壽命是成型技術的又一難題。（4）成型燃料燃燒過程中的結渣與玷污傾向。生物質原料中含有較多的鉀、鈣、鐵、硅、鋁等成分，在高溫下極易燃燒沉灰，易于在傳熱壁面形成結渣和沉積，直接影響熱量的傳導和爐具的熱利用率。（5）成型燃料燃燒過程中低溫條件下的焦油析出問題。間斷燃燒是農(nóng)村生活用能的主要特點，生物質爐具的封火性能要好，并且由于封火后爐內(nèi)溫度降低，高揮發(fā)分含量的

32、秸稈會有大量焦油析出，在短期內(nèi)使煙囪、爐口等部位堵塞17。3.4 國外發(fā)展現(xiàn)狀國外成型燃料的發(fā)展分為三個階段。從20世紀3050年代為研究、示范、交叉引進階段，研究的著眼點以代替化石能源為目標。20世紀7090年代為第二階段，各國普遍重視了化石能源對環(huán)境的影響，對數(shù)量較大的、可再生的生物質能源產(chǎn)生了興趣，開展生物質致密成型燃料的研究，到90年代，歐洲、美洲，亞洲的一些國家在生活領域比較大量地應用生物質致密成型燃料。首先，美國在20世紀30年代就開始研究壓縮固體成型燃料技術及燃燒技術，并研制了螺旋式擠壓成型機及相應的燃燒設備，在加熱溫度為110350、壓力10MPa的條件下，能把木屑和刨花壓縮成

33、固體成型燃料。70年代初，美國又研制開發(fā)了內(nèi)壓滾筒式顆粒成型機。日本在20 世紀30 年代開始研究機械活塞式成型技術處理木材廢棄物，20世紀50年代從國外引進螺旋擠壓成型技術后進行了改進，研制出棒狀燃料成型機及相關的燃燒設備，1983年前后從美國引進顆粒成型燃料成型技術及相應燃燒設備，并形成了日本壓縮固體成型燃料的工業(yè)體系，推廣到了臺灣、泰國乃至歐洲和美國。從20世紀80年代開始，日本對生物質壓縮成型燃料技術進行了探討，對壓縮過程中的動力消耗、壓模的結構與尺寸、壓縮燃料的含水率、壓縮時的溫度和壓力以及原料的顆粒大小等進行了實驗研究，進一步改進了生物質壓縮成型技術，使之更趨于實用化18。1984

34、年日本的生物質成型燃料生產(chǎn)廠達到 172 家，生產(chǎn)總量達 2.6×105t。50年代，現(xiàn)代化的活塞成型機在瑞典、德國得到推廣，以鋸末為原料的燃料塊在市場上有了競爭力，之后相繼產(chǎn)生了以油壓、水壓為動力的活塞式生物質壓縮成型設備。70年代后期, 由于出現(xiàn)世界能源危機，西歐許多國家如芬蘭、比利時、法國、德國、意大利等國家也開始重視壓縮成型技術及燃燒技術的研究，法國開始時用秸稈的壓縮粒作為奶牛飼料，近年來也開始研究、生產(chǎn)塊狀燃料，由多種林業(yè)廢棄物生產(chǎn)的壓縮成型燃料已經(jīng)達到了實用階段。德國研制的 KAHI系列顆粒成型機可生產(chǎn)直徑為 340mm 的生物質顆粒燃料，按生產(chǎn)率不同，所用電機的功率（2

35、0400kW）也不同19。泰國、印度、菲律賓等國從20世紀80年代開始也先后研制成了加粘結劑的生物質致密成型機。國外成型的主要設備有顆粒成 型機（Pellet press）、螺旋式成型機（Extruder press）、機械驅動沖壓成型機（Piston presses with mechanical drive）和液壓驅動沖壓式成型機（Piston presses with hydraulic drive）。20世紀90年代后期至今為第三階段，首先以丹麥為首開展了規(guī)?；玫难芯抗ぷ?，丹麥著名的能源投資公司BWE率先研制成功了第一座生物質致密成型燃料發(fā)電廠，隨后，瑞典、德國、奧地利等國先后開展

36、了利用生物質致密成型燃料發(fā)電和作為鍋爐燃料研究，目前在加熱、供暖、干燥、發(fā)電等領域已普遍推廣應用20。按其規(guī)范可分為: 小型爐、大型鍋爐和熱電聯(lián)產(chǎn)鍋爐（Small scale, Large boilers , Combined heat and power boilers）。按用途與燃料品種可分為: 木材爐、壁爐、顆粒燃料爐、薪柴鍋爐、木片鍋爐、顆粒燃料鍋爐、秸稈鍋爐、其它燃料鍋爐（Wood stoves, Fireplaces, Pellet stoves, Boilers for wood chips、Boilers for pellets and grain、Boilers for st

37、raw Boilers for other fuels）。按燃燒形式可分為: 片燒爐、捆燒爐、顆粒層燃爐等（Chip fired boilers or cutting string- fired boilers, Batch- fired boilers or small bale- fired boilers , Pellet- fired boilers etc.）。美國已經(jīng)在25個州興建了樹皮成型燃料加工廠，每天生產(chǎn)燃料超過300噸。但生物質成型燃料以歐洲的一些國家如丹麥、瑞典、奧地利發(fā)展最快。例如，丹麥已經(jīng)建立了130座發(fā)電廠。瑞典是應用生物質成型燃料最好的國家之一，年生產(chǎn)生物質固體成

38、型燃料總量超過200萬t，截止到2009年，應用生物質能源的總量已達到總能耗的31.7%，而石油消費總量只占30.8%，瑞典人均生物質致密成型燃料消耗量達到160公斤/年。歐洲現(xiàn)有近百家生物質致密成型燃料加工廠，農(nóng)場主以秸稈為原料，靠近城市的加工廠以木屑為原料。南非在2003年建成了4座以木柴加工廢棄物為原料，年產(chǎn)量達到20萬噸的成型燃料加工廠?？傮w而言，國外生物質成型燃料技術發(fā)展有如下幾個特點:（1）生產(chǎn)技術大部分已經(jīng)成熟，并達到規(guī)?；蜕唐坊?；（2）成型燃料的用途已經(jīng)由燒壁爐等生活用能為主轉向了生產(chǎn)應用；（3）設備制造比較規(guī)范，但能耗高，價格高21。3.5 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀相對而言，我國在這方

39、面的研發(fā)和生產(chǎn)起步較晚。我國從 20 世紀 80 年代起開始致力于生物質致密成型技術的研究?！捌呶濉逼陂g，中國林業(yè)科學院林產(chǎn)化工所通過對引進的樣機消化吸收，系統(tǒng)地進行了成型工藝條件實驗, 完成了木質成型設備的試制，并建成了年產(chǎn)1 000t棒狀燃料生產(chǎn)線。其后西北農(nóng)業(yè)大學對該技術的工藝做了進一步的研究和探討。先后研制出了X-7.5，JX- 11，SZJ- 80A三種型號的秸稈燃料成型機?！鞍宋濉逼陂g，作為國家重點攻關項目，中國農(nóng)機院能源動力研究所，遼寧省能源研究所、中國林業(yè)科學院林產(chǎn)化工所、中國農(nóng)業(yè)工程研究設計院，對生物質沖壓擠壓式壓塊技術裝置進行了攻關，推進了我國對固化成型研究工作。隨著生物質

40、致密技術和碳化技術的研究成果出現(xiàn)，我國生物質致密成型產(chǎn)業(yè)也有一定的發(fā)展。1990年前后，一些單位先后研制和生產(chǎn)了幾種不同規(guī)格的生物質成型機和碳化機組，這些設備包括機械沖壓式成型機、液壓驅動活塞式成型機、電加熱螺桿成型機等。但這些設備存在著一些諸如成型筒及螺旋軸磨損嚴重、壽命較短、電耗大等缺點。比如，1998 年江蘇正昌糧機集團公司開發(fā)了內(nèi)壓環(huán)模式顆粒成型機，其生產(chǎn)能力為 250300kg/h，生產(chǎn)的顆粒成型燃料可用于家庭或暖房取暖；同年南京市平亞取暖器材有限公司從美國引進適用于家庭使用的取暖爐，通過國內(nèi)消化吸收，形成了工業(yè)化生產(chǎn)，另外，還從美國引進了一套生產(chǎn)能力為1.5t/h 的顆粒成型燃料生

41、產(chǎn)線，1999 年開始正式生產(chǎn)。我國發(fā)展的壓縮成型機可分為2種：螺旋擠壓式成型和液壓沖壓式成型機22。進入21世紀，化石能源價格連續(xù)攀升，環(huán)境污染日益加劇，國家開始對各種可再生清潔能源開發(fā)重視，生物質成型燃料也進入了良好的發(fā)展階段，顆粒狀、小方塊狀成型燃料也引起高度關注。目前，包括國內(nèi)很多企業(yè)和大專院校、科研院所開發(fā)成功擠壓式、液壓沖擊式、螺桿式成型燃料生產(chǎn)設備，并在取暖爐、鍋爐、機制木炭生產(chǎn)等方面廣泛使用。總體來說，我國的生物質成型燃料有如下特點:（1）在全國范圍內(nèi)，還處于研究示范試點階段，規(guī)模化和市場化較差;（2）設備的技術原理比較先進，成本低廉，適合我國國情;（3）設備穩(wěn)定運行能力不高;

42、（4）管理不規(guī)范，支持政策缺乏，推廣速度緩慢。3.6生物質成型燃料應用過程中的障礙3.6.1 應用領域分析農(nóng)村經(jīng)濟的迅速發(fā)展使農(nóng)民的生活水平大幅度提高, 一個顯著的特征就是農(nóng)村對優(yōu)質能源和商品能源的需求劇增。1980 年, 我國農(nóng)村地區(qū)能源消費總量為3.3 億噸標煤, 2002年達到7.9 億噸, 其中生產(chǎn)用能由0.67 億噸增加到3.3 億噸。在農(nóng)村能源消費中, 商品能源由1980 年的30.2%增加到2002 年63.3%, 2002 年, 農(nóng)村生產(chǎn)用能中的93%是商品能源,生活用能中42%時商品能源。按照這樣的增長速度, 2010 年我國農(nóng)村生活用能中商品能源要達到6 億噸標準煤。由此可

43、見, 農(nóng)村對優(yōu)質能源的需求巨大, 采用致密成型技術將秸稈等加工成優(yōu)質燃料供應給農(nóng)民, 可以大幅度減少農(nóng)村對其他商品能源的依賴。我國每年排放的二氧化硫達2500 萬噸且逐年增加, 因燃煤二氧化硫排放量占二氧化硫排放總量的90%以上。大型燃煤鍋爐的除塵率和脫硫率可以達到90%, 但中小型鍋爐的除塵率和脫硫率只有50%, 因此, 控制并逐步取締小型燃煤鍋爐成為解決二氧化硫污染的重要步驟。在中小型燃煤鍋爐逐漸不能使用而燃油、氣在經(jīng)濟上又無法承受的情況下, 那些熱、汽用戶燃用生物質顆粒燃料是相對經(jīng)濟的選擇23。3.6.2 資金及價格障礙 以成型燃料作為農(nóng)村的生活用能, 必須考慮農(nóng)民的經(jīng)濟承受能力, 包括

44、消費能力、成型燃料的成本價格、銷售市場等。在目前的條件下, 如果得不到政府的財政補貼, 在農(nóng)村發(fā)展成型燃料存在建設資金和成型燃料的價格障礙。（1）生產(chǎn)線建設投資較大。如果單純考慮農(nóng)民自己消費,小型設備生產(chǎn)能力完全可以滿足一村使用, 但這樣的設備包括廠房等投資也要2030 萬元。這個投資水平對于一個只有300400 戶的農(nóng)村來說是很大的。（2）投資渠道單一。成型燃料屬于可再生能源項目, 理應受到國家的支持和補貼。但從長遠發(fā)展角度, 需要多種融資渠道來發(fā)展這個產(chǎn)業(yè)。（3）各種政策補貼不落實。可再生能源法頒布1 年多了, 但是對于已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模的項目的補貼政策都不能落實, 農(nóng)村地處偏遠, 更無人問

45、津。（4）農(nóng)民的適應過程。對于我國尤其是農(nóng)村成型燃料還是新生事物, 農(nóng)民已經(jīng)適應了燃燒免費的秸稈, 突然對高出秸稈價格2- 3 倍的成型燃料不能接受。另外, 一些經(jīng)濟條件稍好的地方燃煤取暖, 因為成型燃料的熱值比煤要低, 而價格稍高于煤炭, 即便是他們對優(yōu)勢燃料有需求, 也不會選擇成型燃料。這就要求各級政府從環(huán)境效益和社會效益的角度出發(fā), 對使用成型燃料的農(nóng)民給予合理的補貼。3.6.3 管理障礙（1）管理體制不健全, 責任目標不明確。國家發(fā)改委和農(nóng)業(yè)部都即將分別頒布可再生能源發(fā)展中長期規(guī)劃和農(nóng)業(yè)生物質能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃, 其中對成型燃料的發(fā)展目標做出了安排。但是如何實施、階段性目標、任務分解、責任

46、單位等很不明確, 這就給執(zhí)行這個規(guī)劃帶來一系列的問題。（2）缺乏相應的質量標準。生物質成型燃料已經(jīng)呈現(xiàn)蓬勃興起的態(tài)勢, 各種設備、燃料產(chǎn)品魚龍混雜, 亟需政府有關部門制定相應的質量標準, 規(guī)范設備、燃料產(chǎn)品市場。3.6.4 政策障礙政策障礙主要指經(jīng)濟激勵政策和強制性環(huán)境政策障礙。（1）目前, 我國還沒有針對生物質能開發(fā)利用的完善的經(jīng)濟激勵政策, 更沒有專門針對生物質成型燃料的經(jīng)濟激勵政策。（2）我國農(nóng)村, 還沒有燃燒化石燃料的污染物排放標準,相關法律、法規(guī)對此幾乎沒有任何的約束力。4. 生物質成型燃料技術的發(fā)展前景生物質能源被稱為“零碳能源”，可為應對氣候變化、保證能源獨立和經(jīng)濟增長作出重要貢

47、獻。中國是當今世界燃煤工業(yè)鍋爐生產(chǎn)和使用最多的國家。工業(yè)鍋爐總量已超過50 萬臺120 萬噸,每年燃用全國原煤產(chǎn)量的1/ 3。燃煤使工業(yè)鍋爐的熱效率降低, 而且造成對環(huán)境的嚴重污染。據(jù)統(tǒng)計: 我國每年排入大氣的污染物中, 80% 的CO2、79% 的塵埃、87% 的SO2、69% 的NOx 來源于煤的直接燃燒。針對這種狀況, 為了提高鍋爐熱效率和減少污染排放, 在改進工業(yè)鍋爐及配套產(chǎn)品結構的同時, 應同時改變工業(yè)鍋爐長期燃用原煤的狀況, 而發(fā)展和推廣潔凈生物質成型燃料是經(jīng)濟而有效的途徑。我國生物質能發(fā)展“十二五”規(guī)劃顯示，中國可作為能源利用的生物質資源總量每年約4.6億噸標準煤，目前已利用量約

48、2200萬噸標準煤。在全球范圍，直到2014年6月，世界生物質能協(xié)會(WBA)才發(fā)布了目前第一份專門針對全球生物質能發(fā)展情況的統(tǒng)計報告。 生物質的來源和用途廣泛，2013年的生物質能總供應量大約為56.6艾焦(1艾焦=1018焦或23.9百萬噸油當量)。大約有60%的生物質能以傳統(tǒng)的方式被利用，且主要在發(fā)展中國家用于烹飪和制熱。其余被稱為現(xiàn)代生物質能(22.6艾焦)，主要用于制熱(13艾焦)、生物燃料(5艾焦)、發(fā)電(4.6艾焦)。按固體生物質、液體生物質、氣體生物質以及廢棄物分類，2011年生物質能供應量的占比分別為89%、5%、2%以及4%。根據(jù)國際能源署的最新數(shù)據(jù)，2011年，全球一次能

49、源供應總量約為552艾焦，可再生能源提供了13%，其中10%來自于生物質能。終端能源消費總量為339艾焦，可再生能源提供了18%，其中14%來自于生物質能。2011年的生物質能供應量相比2000年增長了11.7艾焦，是所有可再生能源中增長最大的類型。同期，其它可再生能源的增長總量只有5.9艾焦24。國家林業(yè)局發(fā)布全國林業(yè)生物質能源發(fā)展規(guī)劃（20112020年）。該規(guī)劃提出，到2015年全國建設能源林834萬公頃，林業(yè)剩余物能源化利用率達15%以上，林業(yè)生物質能源替代1070萬噸標準煤的化石能源，占可再生能源的比例1.52%。到2020年，能源林建設達到1678萬公頃，林業(yè)生物質能源可替代202

50、5萬噸標準煤的化石能源，占可再生能源的比例2%。 全國林業(yè)生物質能源發(fā)展規(guī)劃（20112020年）提出，到2020年我國林業(yè)生物質能源可替代2025萬噸標準煤的化石能源，占可再生能源的比例達到2%，其中，生物質熱利用貢獻率為70%，生物柴油貢獻率為25%，燃料乙醇貢獻率為5%。同時明確提出了今后一個時期林業(yè)生物質能源建設的主要目標和重點任務：“十二五”期間我國林業(yè)生物質能源發(fā)展將強化良種繁育，發(fā)展鄉(xiāng)土樹種，積極引進適宜的能源植物，通過定向培育、定向利用形成生物質燃料提供國家能源項目，著力發(fā)展以固體成型燃料、生物柴油、生物質發(fā)電和燃料乙醇為代表的林業(yè)生物質能源產(chǎn)業(yè)。目前，我國生物質能源的利用率尚

51、不到能源總量的0.5%，林業(yè)生物質能源所占比例更是微乎其微。隨著我國林業(yè)生物質能源今后10年發(fā)展目標和主要原則的確定，我國林業(yè)生物質能源將進入一個前所未有的快速發(fā)展時期。盡管在生物質能源發(fā)展方面，美國、巴西已經(jīng)取得了顯著的成效，瑞典生物質能源利用率更是占到總能源的40%，我國林業(yè)生物質能源的發(fā)展前景非常樂觀，因為我們比瑞典更具備發(fā)展林業(yè)生物質能源的條件。建議國家在開發(fā)利用新能源時，應該把林業(yè)生物質能源放在主導地位，特別是在“十二五”時期，應該將發(fā)展林業(yè)生物質能源作為一項國家戰(zhàn)略，在緩解能源供需矛盾的同時，增加可再生綠色能源的生態(tài)效益?？偟膩碚f, 我國在生物質成型燃料研究與國外相比還存在著一定的差距, 需要對我國生物質成型燃料的燃燒特性和燃燒技術等方面做大量的基礎性工作, 也需要繼續(xù)不斷的努力推廣成型燃料制造設備及燃燒裝置。參考文獻1 陳雅瓊, 原料收集難度大 生物質能發(fā)展受限N. 證券日報, 2012.2 張妍, 趙立欣, 郭占斌, 楊宏志, 孟海波, 姚宗路, 農(nóng)林生物質原料篩分技術與設備發(fā)展現(xiàn)狀, 農(nóng)機化研究, (2015) 243-247+253.3 馮彥明, 生物質能發(fā)電廠原料收集存在的問題及其對策, 中國高新技術企業(yè), (2009) 157-158.4 謝光輝, 韓東倩, 王曉玉, 呂潤海, 中國禾谷類大田作物收獲指數(shù)和秸稈系