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林吳薇，高永偉
(合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009)
摘要：生物質(zhì)成型燃燒成本較低，且經(jīng)過(guò)致密成型后的生物質(zhì)燃料密度和強(qiáng)度都得到提高，便于運(yùn)輸和燃燒。生物質(zhì)致密成型技術(shù)按加熱溫度可以分為加熱成型和常溫高壓成型兩種。應(yīng)用較多的成型燃料加工機(jī)有活塞沖壓式、輥模擠壓式、螺旋擠壓式3種形式。很多發(fā)達(dá)國(guó)家早在20世紀(jì)初就已開(kāi)始研究生物質(zhì)成型技術(shù)，這些國(guó)家的成型設(shè)備專業(yè)化程度高，自動(dòng)化程度好，熱效率高，污染小，有合理的加工工藝。但由于設(shè)備價(jià)格高、耗電高、易結(jié)渣、原料產(chǎn)品單一，并不適合我國(guó)。我國(guó)在生物質(zhì)成型方面的研究起步較晚，目前主要的生物質(zhì)成型技術(shù)包括螺旋擠壓技術(shù)、活塞沖壓技術(shù)和輥模擠壓成型技術(shù)，但與西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有較大差距。為了進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)生物質(zhì)成型燃料的發(fā)展，建議國(guó)家應(yīng)不斷完善對(duì)生物質(zhì)成型燃料研究及生產(chǎn)的扶持政策；生物質(zhì)成型燃料裝備不僅要考慮到節(jié)能，還應(yīng)該與指定的原料基地相結(jié)合；加強(qiáng)生物質(zhì)成型機(jī)理的研究，減少設(shè)備易損件的數(shù)量，降低能耗；開(kāi)發(fā)研制以生物質(zhì)成型物為原料的發(fā)電、供電一體化集成設(shè)備；在設(shè)備實(shí)用性、系列化上下功夫，不斷降低成本，提高技術(shù)水平。
1前言
生物質(zhì)能是一種可再生能源，它作為化石能源的補(bǔ)充能源，越來(lái)越受到人們的關(guān)注。目前，生物質(zhì)能利用有3種方法：第一種是燃燒，可以將生物質(zhì)直接燃燒或者是將生物質(zhì)成型后再燃燒；第二種是生物化學(xué)轉(zhuǎn)化，將生物質(zhì)水解或酸解，然后通過(guò)微生物發(fā)酵制取氣體燃料或液體燃料；第三種是熱化學(xué)轉(zhuǎn)化，其最終產(chǎn)物是木炭、生物油和可燃?xì)怏w。相比較而言，生物質(zhì)成型燃燒成本較低，且經(jīng)過(guò)致密成型后的生物質(zhì)燃料密度和強(qiáng)度都得到提高，便于運(yùn)輸和燃燒，是可選擇的利用方法之一。
2生物質(zhì)致密成型技術(shù)
生物質(zhì)致密成型技術(shù)是指將分散的、沒(méi)有固定形狀的生物質(zhì)原料經(jīng)機(jī)械加壓的方法制成密度較高的、具有具體形狀的固體燃料的過(guò)程。按加熱溫度可以分為加熱成型和常溫高壓成型兩種[1]。
2.1加熱成型
生物質(zhì)加熱成型燃料是將干燥和粉碎后的松散生物質(zhì)原料在壓縮成型設(shè)備內(nèi)經(jīng)過(guò)加壓和加溫，得到具有一定形狀和規(guī)格的成型燃料。其工藝流程為：原料→預(yù)處理(粉碎)→干燥→加熱、成型→冷卻包裝。
2.2常溫成型
常溫成型技術(shù)的工藝流程為：原料→預(yù)處理(削片或粉碎)→成型→包裝。相對(duì)于加熱成型減少了烘干、加熱、降溫等工序，更節(jié)約能源，所以是主要發(fā)展方向。
而根據(jù)生物質(zhì)成型燃料制造工藝又可分為濕壓成型、熱壓成型和炭化成型3種形式。按照成型過(guò)程中加壓方法的不同來(lái)區(qū)分，應(yīng)用較多的成型燃料加工機(jī)有活塞沖壓式(包括機(jī)械式、液壓式)、輥模擠壓式(包括環(huán)模式和平模式)、螺旋擠壓式3種形式，其中活塞沖壓式和螺旋擠壓式采用的是熱壓成型工藝，輥模擠壓式采用的是濕壓成型工藝。
3國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)致密成型技術(shù)研究進(jìn)展
3.1國(guó)外研究進(jìn)展
早在20世紀(jì)初，很多發(fā)達(dá)國(guó)家就已開(kāi)始研究生物質(zhì)成型技術(shù)。例如20世紀(jì)30年代，美國(guó)成功研制了螺旋式擠壓成型機(jī)，能把木屑在溫度110～350℃、壓力10MPa的條件下壓縮成固體成型燃料。而后日本又成功引進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)并對(duì)此進(jìn)行了改進(jìn)，使之更趨于實(shí)用化，形成了日本壓縮固體成型燃料的工業(yè)體系。發(fā)展到1984年，日本的生物質(zhì)成型燃料廠家已達(dá)到172家，生產(chǎn)總量達(dá)到26×104t。這時(shí)泰國(guó)、印度和菲律賓也研制成功了加粘接劑的生物質(zhì)致密成型機(jī)。
在歐洲，由于20世紀(jì)70年代的能源危機(jī)，一些國(guó)家(如瑞典、德國(guó)、意大利、芬蘭、法國(guó)等)開(kāi)始重視生物質(zhì)成型技術(shù)的研究。在這些國(guó)家中，瑞典是使用生物質(zhì)成型技術(shù)最好的國(guó)家之一，生物質(zhì)固體成型燃料的年生產(chǎn)量達(dá)到200×104t，截至2006年，生物質(zhì)占總能耗的25%，熱效率也達(dá)到80%～95%；法國(guó)則在近年來(lái)促使由多種林業(yè)廢棄物生產(chǎn)的壓縮成型燃料進(jìn)入實(shí)用階段；德國(guó)現(xiàn)在已經(jīng)擁有100多家顆粒成型燃料廠，主要以木屑、木片等生物質(zhì)為原料。這些國(guó)家的生物質(zhì)燃料主要都用于熱電聯(lián)產(chǎn)、社區(qū)供暖和家庭采暖等，熱效率都達(dá)到了80%～95%。所用的主要成型設(shè)備有顆粒成型機(jī)(Pellet press)、螺旋式成型機(jī)(Extruder press)、機(jī)械驅(qū)動(dòng)沖壓式成型機(jī)(Piston presses with mechanical drive)和液壓驅(qū)動(dòng)沖壓式成型機(jī)(Piston presses with hydraulicdrive)。按其規(guī)格可分為小型爐、大型鍋爐和熱電聯(lián)產(chǎn)鍋爐；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、其他燃料鍋爐；按燃燒形式可分為片燒爐、捆燒爐、顆粒層燃爐等。
這些歐美國(guó)家的成型設(shè)備專業(yè)化程度高，自動(dòng)化程度好，熱效率高，污染小，有合理的加工工藝。但是并不適合我國(guó)引進(jìn)，主要原因是相對(duì)于我國(guó)成型設(shè)備價(jià)格高、耗電高、易結(jié)渣、原料產(chǎn)品單一。而對(duì)于東南亞國(guó)家的成型設(shè)備，其勞動(dòng)強(qiáng)度大、專業(yè)化程度低、污染嚴(yán)重、熱效率較低，所以也不適合我國(guó)引進(jìn)。
總之，國(guó)外的成型技術(shù)有如下幾個(gè)特點(diǎn)：
①生物質(zhì)成型技術(shù)都已發(fā)展相當(dāng)成熟，大部分已達(dá)到了規(guī)模化生產(chǎn)的程度；
②成型燃料的用途也都轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)應(yīng)用；
③設(shè)備規(guī)范，但是價(jià)格高，能耗也高。
3.2國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展
與西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)在生物質(zhì)成型方面的研究起步較晚，直到20世紀(jì)80年代，我國(guó)才開(kāi)始致力于生物質(zhì)致密成型技術(shù)的研究。我國(guó)引進(jìn)了相當(dāng)一批國(guó)外先進(jìn)機(jī)型，并經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)母脑煲赃m應(yīng)中國(guó)國(guó)情。到目前為止，我國(guó)的幾種主要生物質(zhì)成型技術(shù)如下。
3.2.1螺旋擠壓技術(shù)
螺旋擠壓技術(shù)是目前生產(chǎn)生物質(zhì)固體燃料最常用的技術(shù)，它主要由擠出螺旋、擠出套筒、加熱圈等組成，如圖1所示。被粉碎的生物質(zhì)原料在擠出螺旋的作用下被推入擠出套筒，而生物質(zhì)原料中的木質(zhì)素則在加熱圈的作用下加熱到軟化狀態(tài)，生物質(zhì)原料在加熱和擠壓的雙重作用下而成型。成型后的成品為棒狀，棒狀燃料被源源不斷地送出，可根據(jù)需要截?cái)?sup>[2]。
螺旋擠壓成型技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)，比如成品密度高，成型棒料的密度都在1100～1400kg/m3；生產(chǎn)連續(xù)性好；成品質(zhì)量好，熱值高，適合于加工成炭化材料。然而其缺點(diǎn)也是較為明顯的，比如產(chǎn)量低、能耗高、螺旋桿易磨損等，原料要求苛刻。螺旋擠壓成型機(jī)成型溫度一般在220~280℃，為了避免成型過(guò)程中原料水分快速汽化造成型塊開(kāi)裂，一般將原料的含水率控制在8%～12%，所以要對(duì)物料進(jìn)行干燥處理，從而增加了成本。這一點(diǎn)也限制了螺旋擠壓成型技術(shù)的發(fā)展。
3.2.2活塞沖壓技術(shù)
活塞沖壓式成型機(jī)主要由加熱圈、活塞和成型喉管組成，其活塞可由機(jī)械或液壓驅(qū)動(dòng)，如圖2所示。被粉碎的生物質(zhì)原料中的木質(zhì)素由在驅(qū)動(dòng)力作用下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞推入加熱圈內(nèi)，在加熱圈的作用下軟化，并在喉管處擠壓成型，之后壓力釋放形成棒狀排出。
活塞沖壓技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是成型密度大，允許物料的含水率較高。但其缺點(diǎn)是活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致生產(chǎn)率不高且產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，不適合炭化，活塞容易磨損，維修頻率高。
3.2.3輥模擠壓成型技術(shù)
輥模擠壓成型技術(shù)按其壓模形狀的不同可分為平模擠壓成型機(jī)和環(huán)模擠壓成型機(jī)，其特點(diǎn)是不需要外加熱，僅依靠物料成型時(shí)所產(chǎn)生的摩擦熱即可將木質(zhì)素軟化。優(yōu)點(diǎn)是對(duì)物料的適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)含水率的要求較寬，一般10%~40%均可成型[3]。
①平模擠壓成型機(jī)。我國(guó)的平模擠壓成型技術(shù)依然與國(guó)外有較大差距，以前國(guó)內(nèi)能生產(chǎn)的最大平模直徑只有0.4m。而在2000年，農(nóng)業(yè)部的“948”項(xiàng)目引進(jìn)了國(guó)際著名的德國(guó)卡爾公司的38-780型大型平模式制粒機(jī)，并結(jié)合我國(guó)國(guó)情進(jìn)行了許多改進(jìn)和創(chuàng)新，2003年該項(xiàng)目已經(jīng)通過(guò)驗(yàn)收。大型平模式制粒機(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如原料適應(yīng)性廣、產(chǎn)量大、噸料耗電低、輥模壽命長(zhǎng)、成型密度可調(diào)等。
②環(huán)模擠壓成型機(jī)。早在1994~1998年，江蘇正昌集團(tuán)公司聯(lián)合中國(guó)林科院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所便承擔(dān)了“林業(yè)剩余物制造顆粒成型燃料技術(shù)研究”項(xiàng)目，該項(xiàng)目成功研制了以木屑和刨花粉為主要原料的顆粒燃料成型機(jī)，其產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到了日本“全國(guó)燃料協(xié)會(huì)”公布的顆粒成型燃料標(biāo)準(zhǔn)的特級(jí)或一級(jí)。但是也暴露出了許多缺點(diǎn)，如生產(chǎn)成本高、壽命短等。但是它為我國(guó)環(huán)模擠壓成型機(jī)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
4對(duì)我國(guó)發(fā)展生物質(zhì)成型燃料的建議
生物質(zhì)能源是可再生能源，在化石燃料日益枯竭的今天，其在能源結(jié)構(gòu)中的地位顯得尤為重要。許多國(guó)家已經(jīng)制定了相應(yīng)的計(jì)劃，如日本的“陽(yáng)光計(jì)劃”、美國(guó)的“能源農(nóng)場(chǎng)”、印度的“國(guó)家戰(zhàn)略行動(dòng)”等，所有這些，都預(yù)示著國(guó)際上各個(gè)國(guó)家對(duì)生物質(zhì)成型燃料技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)將進(jìn)入一個(gè)白熱化階段。由于我國(guó)在生物質(zhì)成型技術(shù)領(lǐng)域起步較晚，現(xiàn)在仍處于起步階段，因此與西方發(fā)達(dá)國(guó)家仍有較大差距。筆者針對(duì)如何促進(jìn)我國(guó)生物質(zhì)成型燃料的發(fā)展提出以下建議：
①國(guó)家應(yīng)不斷完善對(duì)生物質(zhì)成型燃料研究及生產(chǎn)的扶持政策。一些歐洲國(guó)家(如瑞典、芬蘭等)對(duì)生物質(zhì)成型燃料都有特殊的補(bǔ)貼和免稅政策。相信隨著國(guó)際上對(duì)二氧化碳減排的呼聲越來(lái)越高以及化石能源的日益枯竭，國(guó)家對(duì)生物質(zhì)成型燃料的特殊政策也會(huì)逐步出臺(tái)。
②生物質(zhì)成型燃料裝備的發(fā)展應(yīng)該與原料的來(lái)源相結(jié)合。生物質(zhì)成型燃料的成本很大一部分取決于原料的成本，而原料的價(jià)格在很大程度上又取決于其運(yùn)輸過(guò)程。所以，生物質(zhì)成型燃料制取裝備不僅應(yīng)考慮到節(jié)能等，而且應(yīng)該與指定的原料基地相結(jié)合。
③加強(qiáng)生物質(zhì)成型機(jī)理的研究，減少設(shè)備易損件的數(shù)量，降低能耗。目前市場(chǎng)上的成型機(jī)大多是加熱成型的，其主要缺點(diǎn)就是能耗高，易損件多。應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)生物質(zhì)成型機(jī)理的研究工作，改進(jìn)或改變成型方式。
④結(jié)合我國(guó)國(guó)情，開(kāi)發(fā)研制以生物質(zhì)成型物為原料的發(fā)電、供電一體化集成設(shè)備，充分利用各個(gè)地方的生物質(zhì)原料，減少原料運(yùn)輸距離，解決人民生活的相關(guān)問(wèn)題。
⑤目前生物質(zhì)成型燃料領(lǐng)域最主要的發(fā)展方向是降低儲(chǔ)運(yùn)成本和壓縮成型成本，尋求技術(shù)上的創(chuàng)新和突破。應(yīng)該在設(shè)備實(shí)用性、系列化上下功夫，不斷降低成本，提高技術(shù)水平。
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