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秸稈類生物質能源屬可再生能源，熱壓成型后作燃料，使其得到高品位的利用，是替代化石能源的理想能源之一，具有廣闊的發(fā)展前景。全文在論述了國內外生物質成型燃料技術發(fā)展現狀的基礎上，分析了中國生物質成型燃料技術發(fā)展中的關鍵技術問題。提出了中國生物質成型燃料技術的發(fā)展必須進行工程化研究，發(fā)展市場應立足于農村，同時需要國家的產業(yè)政策支持，對生物質成型機磨損部位材料的快速磨損、熱處理工藝、運行參數試驗優(yōu)化、生產系統(tǒng)中的可靠性等關鍵技術問題需有待于進一步突破，最終實現產業(yè)化。
1前言
目前，全球能源消耗平均每年以3%的速度遞增[1]，隨著化石能源資源的逐年減少，凸顯出了生物質能源資源巨大的市場潛力，在經歷了多次世界性石油危機之后，國際上對生物質能的廣泛利用重新得到了認識和發(fā)展。中國是一個農業(yè)大國，8億多人口生活在農村，一方面是生物質資源的及其豐富，資源總量達6.5億t標準煤以上[2]，農村生活用能還處在依賴低品位利用的生物質能源。另一方面是農村能源的普遍短缺，尤其是優(yōu)質能源，能源供求矛盾十分突出，每年約有2億多t的生物質秸稈被廢棄或荒燒，造成了嚴重的空氣污染和霧霾，極大地影響了社會、經濟、環(huán)境、生態(tài)和人們的生活，成為各級政府關切的一個嚴重社會問題[3]。
生物質成型燃料技術可將結構疏松的生物質秸稈成型后作為高品位的能源加以有效利用，是解決能源短缺問題的支柱能源之一，它可以再生，排放物中含S很低，CO2零排放，遍布農村，便于規(guī)模化收集和貯存，實現生物質成型燃料的規(guī)模化生產和應用既能緩解農村優(yōu)質能源短缺問題，又是減少生物質秸稈荒燒、改善空氣環(huán)境質量的有效途徑。
2生物質成型燃料技術的發(fā)展現狀
2.1國外生物質成型燃料技術的發(fā)展現狀
歐洲一些國家把秸稈加工技術主要用在了燃料和發(fā)電上，目的是作為油和煤的替代燃料。秸稈加工設備、鍋爐、熱風爐、發(fā)電設備等都已產業(yè)化，同時還把秸稈出口到中東一些國家。而美國是將秸稈作為重要的工業(yè)原料或飼料加工和出口，加工出的產品大多不是燃料，加工過程實現了全程機械化或工廠化，秸稈在田間的收集方式主要是“秸稈打捆”技術。
國際上生物質成型的主要方式有4種，即環(huán)模和平模式顆粒成型、螺旋擠壓式成型和活塞沖壓式成型。螺旋擠壓式成型機是最早研制生產的生物質熱壓成型機，有比利時BMD、美國Spodance、奧地利pini&kay、日本等生產螺旋擠壓式成型機，但螺旋桿的磨損修復周期僅60h左右。這類成型機以其運行平穩(wěn)、生產連續(xù)、所產成型棒易燃(由于其空心結構以及表面的炭化層)等特性，在成型機市場中尤其是在印度、泰國、馬來西亞等東南亞國家和中國一直占據著主導地位。
日本從20世紀30年代就開始研究機械活塞沖壓式成型技術處理木材廢棄物，1983年又從美國引進了顆粒成型燃料生產技術。西歐一些國家在20世紀70年代已有了活塞沖壓式成型機和顆粒成型機。活塞沖壓式成型機改變了成型部件與原料的作用方式，大幅度提高了成型部件的使用壽命，顯著降低了單位產品能耗。根據驅動力來源不同，該類成型機可分為機械活塞沖壓式和液壓活塞沖壓式成型機[4]。生產機械活塞沖壓式成型機的有瑞典Bogma、丹麥Dester、德國Drupp、瑞士Pawert等，這類產品最大問題是一次性投入大，每臺最少需10萬歐元以上，且曲軸偏磨問題很難解決。生產液壓沖壓式成型機的有英國Comafer、美國FBN、荷蘭RSN等，設備生產率較低，一般為為65～100kg/h。
2.2中國生物質成型燃料技術的發(fā)展現狀
生物質成型燃料技術在中國之所以得到應用和發(fā)展，是因為成型后的燃料產品具有一定的形狀和密度，密度可達0.8～1.3t/m3，能量密度與中質煤相當，燃燒特性明顯改善，火力持久、黑煙少、爐膛溫度高，且貯存、運輸、使用方便，干凈衛(wèi)生，可代替礦物能源用于工業(yè)生產和生活領域[4]。因此，作為生物質能轉化的重要手段和方法，在中國越來越受到政府的重視。
縱觀中國生物質成型燃料技術的發(fā)展過程，主要有下列特征：
(1)雖然經歷了30多年的發(fā)展歷程，由于多種因素的影響至今仍然落后。中國從20世紀80年代才開始引進螺旋式生物質成型機，至今已有30多年的歷史。近些年來，中國加大了在生物質能源領域的投資力度，取得了顯著成效，但多數生物質成型燃料技術企業(yè)仍處于工程化研究的初級階段，距離技術推廣的產業(yè)化目標仍然相差甚遠。
(2)生物質成型燃料技術初期發(fā)展速度慢，后期發(fā)展速度快。在20世紀末的20年，生物質成型燃料技術的發(fā)展雖然沒有大的突破，但在多家高等院校、研究院所、企業(yè)的示范作用下，吸引了上百家企業(yè)加入了這個行業(yè)，為生物質成型燃料技術的快速發(fā)展奠定了基礎。近幾年，生物質成型燃料技術的應用和燃料的生產已初步形成了一定的規(guī)模。從2009年生物質成型燃料生產能力不足50萬噸/年，每年以翻番的速度遞增，到2013年，生物質成型燃料的生產能力已超過400萬噸/年，生物質成型燃料設備生產企業(yè)近700家，生物質成型燃料主要用作農村居民炊事取暖、工業(yè)鍋爐等。
(3)生物質成型燃料設備的生產企業(yè)多，種類、型號繁雜，發(fā)展初期模仿的多，具有自主知識產權的少。生物質成型燃料設備主要有螺旋式、環(huán)模式、平模式、機械(液壓)沖壓式和對輥式;生產的燃料產品有塊狀、棒狀、顆粒狀等;有的研究單位和企業(yè)根本沒有掌握關鍵技術，就盲目進行低水平擴張或低端競爭，不利于行業(yè)的長遠發(fā)展;有的企業(yè)直接利用顆粒飼料機改造出了多種類型的環(huán)模式、平模式生物質顆粒成型機，其生產率低、單位產品能耗高、易損件的使用壽命短，技術性能參差不齊，基本無法推廣。
(4)生物質成型燃料行業(yè)的興起促進了生物質爐具的快速發(fā)展，且生物質成型燃料燃燒技術比成型技術成熟。河南農業(yè)大學從秸稈燃燒特性試驗入手，研究出了“雙室燃燒、分級供氣”理論，用創(chuàng)新結構設計方法主動消除“結渣和沉積”現象，只需在8000h后檢查表面清理即可。經鍋爐燃燒應用表明，生物質成型燃料是一種燃燒特性優(yōu)于普通燃煤、價格低于煤、燃燒尾氣污染成分少于煤的可再生優(yōu)質燃料[5-6]。
(5)國家農業(yè)部、國家能源局等部委先后立項制定生物質成型燃料技術與設備方面的相關標準，規(guī)范了生物質成型燃料技術行業(yè)市場。2010年9月農業(yè)部頒布實施了生物質固體成型燃料術語、生物質固體成型燃料和成型設備技術條件、生物質固體成型燃料和成型設備試驗方法等多項生物質成型燃料技術方面的標準。2012年河南農業(yè)大學從國家能源局獲批立項了環(huán)模式塊狀、平模式塊狀和活塞沖壓式棒狀生物質燃料成型設備技術條件3個標準的制定，預計2014年5月頒布實施。
(6)分體模塊式環(huán)模生物質燃料成型技術是國內的最新研究成果，形成了中國特色。常用的環(huán)模結構形式有整體式、套筒式和分體模塊式3種，環(huán)模以套筒和分體模塊方式組合后，套筒和模塊的結構尺寸可以單體設計，分別加工，產品易于實現“三化”(標準化、系列化、通用化)。分體模塊式環(huán)模是由若干個模塊組合而成，分體模塊的結構尺寸、加工質量和精度直接影響環(huán)模的使用壽命和成型設備的產量以及燃料產品的質量，對用戶的使用成本也有很大影響[7]。
3生物質成型燃料技術發(fā)展中的關鍵技術
(1)單位產品能耗高的問題。能耗隨著成型燃料尺寸的減小而增加，顆粒成型耗能高，棒狀或塊狀成型耗能較低。套筒式平模和環(huán)模、分體模塊式環(huán)模結構的成型設備，單位產品能耗在28～35kWh/t;活塞沖壓式成型設備單位產品能耗在40～50kWh/t。目前棒狀或塊狀成型加工過程中的能耗問題已基本解決。
(2)成型可靠性低的問題。成型設備能否連續(xù)運轉主要取決于成型機組的可靠性。有些企業(yè)由于沒有自己的知識產權，僅憑幾張照片或一段錄像起家就開始步入生物質成型燃料技術行業(yè)，這樣開發(fā)出的成型設備往往是經過無數次反復試驗才形成樣機，在企業(yè)(公司)內部技術人員的精心操作下還勉強運行，到了用戶手中幾乎無法正常運行，用戶極不滿意。這樣的企業(yè)往往是多年不見經濟效益，最終轉行。
(3)易損件耐磨性問題。生物質成型燃料設備的快速磨損問題是制約產業(yè)化發(fā)展遇到的重要瓶頸問題，不同類型的成型設備，磨損部位也不相同，選用的材料不同，設備推廣狀況也不盡相同。螺旋擠壓式成型設備，其磨損的主要部位為螺旋桿頭部和成型套筒內壁。由于螺旋桿與物料始終處于高速摩擦狀態(tài)，螺旋桿螺紋的磨損非常劇烈，尤其以螺旋桿頭部最后一圈螺旋葉片，磨損最為嚴重;環(huán)模及平模式成型設備是依靠壓輥與生物質之間的高速相對運動從而把生物質壓入成型模孔內，壓輥外緣與成型?？卓焖倌p情況同樣嚴重;活塞沖壓式成型設備的成型套筒是主要磨損部件，通常設計成錐形筒，錐角的選擇最為關鍵，由于采用了往復沖壓成型，在往復運動速度較低的條件下成型錐筒的磨損速度較慢;對輥式成型設備中的一對成型輥最耐磨。目前最大的問題仍是成型模具的材料問題，國內市場上生物質成型設備使用維修周期一般在300h左右，耐磨性較低，使用壽命短。
(4)原料的收集和預處理問題。由于國內地塊面積小且分散，秸稈收集機械化水平較低，打捆和定向收集沒提到日程，秸稈粉碎還田常作為政府的行政指令。因此目前秸稈收集是難點，有技術問題，也有社會認識的問題，要想把原料收集起來必須從管理和技術體系上創(chuàng)新，并配以得力的政策和法規(guī)。沒有收集后充足的原料生物質成型燃料技術就不可能迅速發(fā)展，生物質原料的收集和預處理一直是制約成型燃料技術發(fā)展的技術瓶頸[4]。
(5)生物質原料自身的多樣性及復雜性。一是生物質原料的種類繁多，其木質素、纖維素、半纖維素、果膠質等成分含量有較大差別，受力變形情況也不一樣。二是生物質原料力傳導性很差，反彈性很強，被壓縮成型的條件也有很大差異;三是生物質原料堆積密度只有0.1～0.15g/cm3，要將其壓縮成密度為1.0～1.3g/cm3，如何提高原料喂入量是一個大難題;最后是生物質原料的含水率隨季節(jié)、氣候、地域及秸稈種類不同相差很大，而成型工藝對原料含水率的要求又較嚴格，所以原料含水率問題成為制約熱壓成型的又一難題[4]。
(6)生物質成型設備工作環(huán)境的不穩(wěn)定及多變性。生物質原料在收集和存放過程中不可避免的會帶有一些泥土、粉塵和砂粒，這些物質的存在一方面加劇了成型部件的快速磨損;另一方面還污染了成型設備的潤滑系統(tǒng)，影響設備的使用壽命和穩(wěn)定運行。因此，在生物質原料在收集和存放過程中減少泥土、粉塵和砂粒的含量，可以提高成型設備易損件的使用壽命。
(7)與國際上同類研究、同類技術的差異。與國際上同類研究和技術綜合比較后，有下列不同點：
①規(guī)?；潭炔煌?。國內生物質成型燃料設備的生產主要以單機為主，生物質成型燃料的生產多以農戶為經營單元;國外生物質成型燃料的生產是以生產線的方式進行規(guī)?；a。
②產業(yè)方向不同。國內以秸稈成型燃料為主，用于多種代煤燃爐;國外以木質原料為主，用于發(fā)電和家用高檔取暖設備，成型加工秸稈比木質原料技術難度大。
③成型燃料形狀不同。國內環(huán)模和平模式機型多以成型棒狀(直徑30mm左右)或塊狀為主;國外以成型木質顆粒(直徑10mm左右)環(huán)模成型機為主。
④磨損后維修方法不同。國內環(huán)模和平模式機型磨損后實行模塊維修或單孔換件維修;國外實行整體更換模盤維修，磨具多為高質合金，維修成本高。
⑤成型設備價格不同。國外成型燃料設備整體比國內的成型設備價格高出8～10倍。
4生物質成型燃料技術的發(fā)展方向
(1)中國生物質成型燃料技術的發(fā)展必須首先進行工程化研究。生物質燃料成型技術的發(fā)展是一項系統(tǒng)工程，“工程化”研究不是整臺樣機的研究，是在集成多項技術基礎上的“再創(chuàng)新”，在集成多項技術構成新的設備系統(tǒng)后必須進行工程化試驗，提煉成熟的指標，解決新的技術問題。生物質的收集、干燥、粉碎、成型、燃燒所需技術與設備必須配套、協(xié)同發(fā)展。
(2)中國生物質成型燃料技術的發(fā)展應立足于農村(場)或城鄉(xiāng)結合部。中國鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農村的秸稈、農林廢棄物量大充足，屬可再生資源，價格低廉，是生物質成型燃料技術發(fā)展良好的基礎條件。工程化成型技術立足于農村可減少生物質原料和成型燃料產品的收集、貯存、運輸及供應問題。
(3)中國生物質成型燃料技術的發(fā)展需要國家產業(yè)政策的支持。從國家政策分析，該項技術符合中國能源、環(huán)保及建設節(jié)約型社會的要求。生物質成型燃料燃燒后的灰塵及其它指標的排放均比煤低，可實現CO2、SO2降排，減少溫室效應，是保護生態(tài)環(huán)境、減少霧霾現象的有效途徑，環(huán)保效益突出。中國政府應調整扶持政策，支持有創(chuàng)新能力的大型企業(yè)投入這項產業(yè)，鼓勵農機行業(yè)的生產和技術單位參加收集、貯存、加工成型、燃燒利用等環(huán)節(jié)的生產和創(chuàng)新活動。從規(guī)范市場的角度分析，要求國內農業(yè)、能源和環(huán)保部門盡快出臺包括農業(yè)生產環(huán)節(jié)在內的相關行業(yè)標準，規(guī)范生物質成型燃料技術、設備和產銷市場，提高投資者的經濟效益。
(4)生物質成型燃料的關鍵技術還有待于突破。生物質成型燃料生產設備(秸稈收集、粉碎、成型等設備)的加工工藝并不復雜，成本較低，操作簡單，使用方便。雖然一些企業(yè)生產的生物質成型機易損件的使用壽命已達300～500h，粉碎與成型單位產品能耗已降至50kWh/t以下，但與產業(yè)化和規(guī)模化的要求仍相差甚遠。還需要進一步研究解決生物質原料的收集、貯存問題;成型機磨損部位材料的快速磨損、熱處理工藝、運行參數試驗優(yōu)化等問題，如在環(huán)模、平模式成型機上改變成型?？着c輥輪之間切線的角度、增加正壓力，模輥間隙可調，降低輥輪的轉速，提高輥輪軸承的密封性，選擇耐磨性好的模輥材料，合適的原料粉碎粒度與含水率等，以提高成型燃料生產系統(tǒng)中的可靠性。
(5)中國生物質成型燃料技術行業(yè)的發(fā)展最終是實現產業(yè)化。據國際可再生能源組織的預測，地下石油、天然氣及煤的貯量，按目前的利用速率只夠用60年左右。而秸稈類生物質能源屬可再生能源，熱壓成型后作燃料，使其得到高品位的利用，是替代化石能源的理想能源之一。根據中國能源發(fā)展規(guī)劃，在生物質成型燃料的利用方面由目前的不足500萬t/年，到2020年要提高到2000萬t/年。因此，加大生物質成型燃料的利用力度，提高生物質成型燃料的生產能力和技術水平，實現生物質成型燃料的利用目標，改善和提高我國農業(yè)資源利用效率具有重要意義。因此，生物質成型燃料技術行業(yè)的發(fā)展實現產業(yè)化是中國生物質能源利用的根本出路。
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