陳正宇¹，張雷²，陸辛¹，徐德民³

（1.機(jī)械科學(xué)研究總院先進(jìn)制造技術(shù)研究中心，北京100083；2.北京機(jī)電研究所，北京100083；3.北京菲美得機(jī)械有限公司，北京100068）

　　摘要：生物質(zhì)成型燃料是一種高效的清潔能源，可以部分替代化石燃料，緩解人類面臨的能源和環(huán)境危機(jī)。從生物質(zhì)原料、成型設(shè)備與工藝和需求與效益要求3方面介紹了我國的發(fā)展優(yōu)勢。結(jié)果表明，我國發(fā)展生物質(zhì)成型燃料產(chǎn)業(yè)的前景廣闊。同時(shí)，提出產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的各種障礙，并建議繼續(xù)成型燃料關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)和配套鍋爐的設(shè)計(jì)，制定相關(guān)政策和加大宣傳力度。

　　近年，石油、煤炭價(jià)格大幅上漲，能源短缺十分嚴(yán)重，能源形勢日益緊張，同時(shí)，大量使用化石能源引起了日益嚴(yán)重的環(huán)境問題，開發(fā)適用的可再生能源產(chǎn)品已成了當(dāng)務(wù)之急。生物質(zhì)能是指來源于木材、秸稈、動物糞便等生物質(zhì)的能源。與化石能源不同，它們來自新近生存過的生物，從生物圈循環(huán)角度來看，使用生物質(zhì)能是基本不產(chǎn)生污染物的。

　　可以通過直接燃燒來獲取能量，也可以轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)燃料，如生物柴油、沼氣、成型顆粒等。生物質(zhì)能是唯一可以儲存、運(yùn)輸?shù)目稍偕茉?，是替代化石燃料的首選，具有清潔、可再生、含S很低、CO₂零排放、分布廣的特點(diǎn)。但由于散碎的生物質(zhì)料不易于收藏、運(yùn)輸、儲存和運(yùn)輸，必須經(jīng)過一定的加工。

　　生物質(zhì)能由于其成型工藝不完善、設(shè)備磨損嚴(yán)重，人們環(huán)保意識差及生物質(zhì)能自身特點(diǎn)致使其沒有得到廣泛利用。馬昊認(rèn)為農(nóng)村生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有外部性、不確定性等因素，并從國家財(cái)稅政策的角度分析了我國生物質(zhì)能的發(fā)展和不足；劉祖軍等對生物質(zhì)成型燃料的產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景進(jìn)行了分析，提出了解決成型機(jī)生產(chǎn)技術(shù)瓶頸、用戶環(huán)保意識與產(chǎn)品認(rèn)知度薄弱、產(chǎn)業(yè)政策過于宏觀等問題的策略建議；閆昌國等研究了可移動生物質(zhì)顆粒燃料設(shè)備系統(tǒng)，并做了其經(jīng)濟(jì)技術(shù)性能分析。

　　O'Dogherty MJ等討論了顆粒燃料長久保存的問題，分析了壓力、水分、模具長徑比等因素對成型顆粒松弛密度的影響規(guī)律，并推導(dǎo)出了壓力與密度的關(guān)系。相關(guān)專家學(xué)者做了很多方面的研究，但系統(tǒng)介紹我國生物質(zhì)能發(fā)展與應(yīng)用的文章還很少，本文在生物質(zhì)成型顆粒燃料研究的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)介紹生物質(zhì)能在我國的發(fā)展與應(yīng)用，從生物質(zhì)能原料豐富、成型設(shè)備與工藝的改進(jìn)和需求與效益要求3方面介紹我國的發(fā)展優(yōu)勢；從人們環(huán)保意識薄弱、成型設(shè)備與配套設(shè)施不完善2個(gè)方面介紹其發(fā)展與應(yīng)用的障礙。

　　1生物質(zhì)在我國的發(fā)展優(yōu)勢

　　1.1生物質(zhì)能原料豐富

　　我國的農(nóng)業(yè)廢棄物資源分布廣泛，其中可用作能源使用的秸稈年產(chǎn)量折合約3億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，再加上農(nóng)產(chǎn)品加工、森林和林業(yè)剩余物、城市垃圾、沼氣等生物質(zhì)能資源，可開發(fā)利用生物質(zhì)能的資源量約5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。農(nóng)業(yè)方面，只是河南省全年的秸稈產(chǎn)量就達(dá)到6023萬噸，以前秸稈用來燒火做飯、飼養(yǎng)牲畜，現(xiàn)在秸稈一部分直接還田，一部分賣給造紙廠，其余的大部分秸稈作為廢棄物一焚了之。對此，各級政府都做了許多工作，禁止焚燒秸稈，雖說取得了一定成效，但收效卻非常有限，關(guān)鍵是要找到秸稈的出路。秸稈還田和作為能源利用看似矛盾，實(shí)際上保護(hù)性耕作的秸稈還田量在30％左右，大量的秸稈還是可以充分回收利用的，這樣秸稈不僅有了出路還創(chuàng)造了效益。林業(yè)方面，我國林木生物質(zhì)能資源也比較豐富，薪炭林、森林撫育間伐、苗木截桿、經(jīng)濟(jì)林和城市綠化修枝、油料樹種果實(shí)和林業(yè)三剩物等林木生物質(zhì)資源都是成型生物質(zhì)成型燃料很好的原材料。并且隨著科技的進(jìn)步與管理的改進(jìn)，單位面積的農(nóng)作物產(chǎn)出和林業(yè)蓄積都會增加；同時(shí)，我國還有大量的宜林荒山荒地、沼澤地、鹽堿地等可作為生物質(zhì)原料作物的培育基地，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展、壯大提供后備支撐，這些都說明了我國生物質(zhì)原料會越發(fā)豐富，為生物質(zhì)在我國的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

　　1.2成型設(shè)備與工藝的改進(jìn)

　　設(shè)備方面。首先在我國得到廣泛應(yīng)用的是螺旋式擠壓成型機(jī)，由于其成型溫度高達(dá)220～280℃，并且有較高的擠壓力，造成螺旋桿和成型套筒磨損嚴(yán)重，使用壽命短；單位產(chǎn)品能耗高，并且生產(chǎn)率相對較低，成型過程對物料含水率、顆粒大小等有嚴(yán)格要求，造成成型成本較高。其次是活塞式成型機(jī)，它在較大程度上解決了螺旋擠壓式成型方式存在的成型件磨損嚴(yán)重、能耗高的問題，但機(jī)械驅(qū)動活塞成型機(jī)存在運(yùn)行穩(wěn)定性差、噪音大和潤滑油污染較嚴(yán)重等問題；液壓驅(qū)動活塞成型機(jī)成型密度偏低，制品機(jī)械性能較低。目前，最常用的生物質(zhì)顆粒成型機(jī)是壓輥式成型機(jī)，模具磨損程度較低，其生產(chǎn)流程如圖1所示。但其出料不均勻，尤其是木屑等堆積密度較大的原料，進(jìn)而造成生產(chǎn)率低，如圖2所示，A處明顯比B處成型效果差。本課題組通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)出立式環(huán)模成型機(jī)，較大程度上解決了出料不均的問題（圖3），在實(shí)際生產(chǎn)中得到應(yīng)用，并取得了良好效果。另外，閆昌國等考慮到生物質(zhì)原料的分散性特點(diǎn)，運(yùn)輸成本較高。

　　開發(fā)了高度集成的可移動式成型設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)在原料產(chǎn)地生產(chǎn)成型燃料，這對于生物質(zhì)原料產(chǎn)地過于分散的地區(qū)是一個(gè)很好的選擇，節(jié)省原料運(yùn)輸成本，從而提高生物質(zhì)的經(jīng)濟(jì)效益。

　　工藝方面。生物質(zhì)固化成型工藝有多種形式，根據(jù)其主要工藝特性的差別，可分為濕壓成型、熱壓成型、冷壓成型和碳化成型4種基本類型。

　　（1）濕壓成型就是先對生物質(zhì)能原料進(jìn)行一定程度的腐化，即增加原料的熟化程度，然后擠壓成型，其成型性能會有一定的改善，但存在有能量損失、成型燃料密度低、成型模具磨損較快等缺陷，并且成型產(chǎn)品還要經(jīng)過干燥才能存放，致使成本升高。

　?。?）熱壓成型是目前普遍采用的成型工藝，壓縮過程中加熱，一方面可使原料中含有的木質(zhì)素軟化，起到黏結(jié)劑的作用，另一方面還可使原料本身變軟，容易壓縮，但加熱的同時(shí)也增加了其功率的損耗，并且只有加熱到220～260℃之間才能較快成型，這樣不但耗能大而且對設(shè)備損壞嚴(yán)重，成型顆粒還需要經(jīng)過專門的冷卻干燥設(shè)備處理，才能包裝儲存。

　　（3）冷壓成型是近年來研究利用的一種生物質(zhì)成型工藝，成型時(shí)原料和機(jī)器部件之間的摩擦作用能使原料加熱到100℃左右，也能起到軟化木質(zhì)素的作用，并且在一定程度上解決了以往成型設(shè)備對含水率和加熱溫度要求的限制，但其成型所需壓力偏高，達(dá)幾十個(gè)兆帕，也存在耗能大和設(shè)備損耗嚴(yán)重的問題。

　　（4）碳化成型主要是制得機(jī)制木炭，與本文使用方向不同，不做討論。

　　本課題組綜合考慮冷、熱壓縮成型工藝的特點(diǎn)，一定程度上降低熱壓溫度、提高壓力。通過改進(jìn)的熱壓成型試驗(yàn)，考察了玉米秸稈、鋸末、棉桿3種典型原料的影響因素，找出的最佳成型范圍為：粒度0～2mm、含水率15％～23％、溫度130～150℃和長徑比5.28，并通過微觀角度探討了不同成型條件下顆粒的微觀型貌，其微觀特征與試驗(yàn)結(jié)果相符。

　　在本課題組設(shè)計(jì)立式環(huán)模成型機(jī)時(shí)，充分考慮了以上最佳工藝參數(shù)。改進(jìn)的熱壓成型工藝，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗、延長設(shè)備使用壽命的目的，從而增強(qiáng)了生物質(zhì)顆粒燃料的市場競爭力。

　　生物質(zhì)燃料壓縮成型生產(chǎn)的一般工藝流程如圖4所示。步驟如下：

　　（1）從加工廠附近收集生物質(zhì)；

　?。?）通過粉碎機(jī)粉碎至一定的粒度；

　?。?）對原料進(jìn)行干燥處理，使含水率處于最佳范圍；

　　（4）輸送原料的螺旋推進(jìn)器可同時(shí)做預(yù)壓工作，提高生產(chǎn)率；

　?。?）在模具和環(huán)模的共同作用下壓縮成型；

　?。?）在成型過程中對原料進(jìn)行加熱，提高成型性能；

　?。?）對成型顆粒進(jìn)行保型，穩(wěn)定其形狀；

　　（8）對成型顆粒進(jìn)行切割、包裝和儲運(yùn)處理，供應(yīng)市場。

　　1.3需求與效益要求

　　市場是檢驗(yàn)一切產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品只有在市場上有需求，才能獲得市場的認(rèn)可與接受，最終帶動產(chǎn)業(yè)良性發(fā)展。市場需求是生物質(zhì)成型燃料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最終驅(qū)動力。我國生物質(zhì)成型燃料的市場需求主要來自于廣大嚴(yán)重依賴煤炭資源的企業(yè)，依賴秸稈、林業(yè)剩余物等非商品能源的農(nóng)村居民和部分城鎮(zhèn)的餐飲店、理發(fā)店、洗浴中心等服務(wù)業(yè)小經(jīng)營業(yè)主。北京菲美得機(jī)械有限公司抓住生物質(zhì)能利用的機(jī)遇，已研發(fā)了多種生物質(zhì)成型燃料機(jī)，其公司的下屬廠都在使用自己生產(chǎn)的生物質(zhì)成型燃料，不僅應(yīng)用于飲水、取暖等生活方面，而且在鑄件烤漆的工業(yè)領(lǐng)域有了應(yīng)用（圖5），每年比以前少用3000～4000t煤，有一定的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。

　　同樣有很多類似的企業(yè)認(rèn)識到環(huán)境污染的危害和國家對生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的支持，有很大的積極性。我國農(nóng)村地區(qū)傳統(tǒng)、低效的生活用能方式不僅浪費(fèi)資源，也導(dǎo)致農(nóng)村室內(nèi)空氣惡劣，破壞生態(tài)環(huán)境，影響人們身心健康。隨著人們生活水平不斷提高和生態(tài)環(huán)保意識逐步增強(qiáng)，部分農(nóng)村居民有改變目前不良生活用能方式的愿望。北京、河南、山西等?。ㄊ校┯?2％的農(nóng)戶已經(jīng)意識到目前用能方式的環(huán)境和健康代價(jià)，愿意改變當(dāng)前的用能方式。

　　政府方面的需求，政府機(jī)關(guān)和國有企業(yè)的工廠在洗浴和燒水方面也可以用生物質(zhì)成型燃料代替煤，但更多的是一種基于改善生態(tài)環(huán)境、獲取生態(tài)效益的需求。生物質(zhì)成型燃料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著明顯的正外部性，對充分利用自然資源、改善自然生態(tài)環(huán)境有積極的意義，符合國家的發(fā)展戰(zhàn)略。政府會從財(cái)稅、金融、保險(xiǎn)等方面給予政策支持，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展拓寬空間，理清障礙。

　　目前，在國內(nèi)只有生物質(zhì)成型燃料產(chǎn)業(yè)的示范工程，沒有大規(guī)模的生產(chǎn)、消費(fèi)，缺乏像國外那樣完善的標(biāo)準(zhǔn)體系。張百良等對中國固體生物質(zhì)成型燃料標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)行了研究，指出了構(gòu)建該標(biāo)準(zhǔn)體系的必要性和迫切性，并提出了一些具體建議。生物質(zhì)成型產(chǎn)業(yè)的市場沒有激活，造成外部資金注入較少，致使生產(chǎn)規(guī)模小和產(chǎn)品成本難于降低。國家通過自然科學(xué)基金資助、減免相關(guān)產(chǎn)業(yè)稅收、給予企業(yè)和消費(fèi)者一定補(bǔ)助等措施在一定程度上促進(jìn)了該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，但只有這些是不夠的，要想產(chǎn)生生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益，就必須有較大范圍的推廣?？梢詫?shí)行由省農(nóng)機(jī)推廣站負(fù)責(zé)，召開各鄉(xiāng)鎮(zhèn)長、縣農(nóng)業(yè)局、交通局、環(huán)保局、財(cái)政局、***局及公路局等單位的主管領(lǐng)導(dǎo)和各鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)辦主任、農(nóng)機(jī)站長、農(nóng)技站長現(xiàn)場會，加大宣傳力度，制定的方案層層落實(shí)，各種補(bǔ)貼確保及時(shí)發(fā)放。

　　2存在的發(fā)展障礙

　　公眾對開發(fā)利用生物質(zhì)能的關(guān)注程度不夠。人們普遍認(rèn)為開發(fā)利用生物質(zhì)能僅僅是農(nóng)民的事情，與己無關(guān)，沒有形成全社會積極參與和支持可再生能源發(fā)展的局面。某些地方政府的認(rèn)識存在誤區(qū)，對如何開發(fā)利用生物質(zhì)能知之甚少，甚至不屑于管理，沒有明確的發(fā)展方向和目標(biāo)。對生物質(zhì)成型燃料認(rèn)知度調(diào)查發(fā)現(xiàn)，58％受訪對象不了解或從未聽說過生物質(zhì)成型燃料，僅有部分人從電視節(jié)目或平面媒體上看過相關(guān)介紹，而真正使用過的用戶更寥寥無幾。

　　雖然生物質(zhì)成型燃料的生產(chǎn)工藝和設(shè)備有了很大進(jìn)步，但仍然存在模具磨損較嚴(yán)重、連續(xù)加工能力不足、模具孔洞易堵塞等問題。配套爐具不能充分考慮產(chǎn)品特點(diǎn)，存在易結(jié)渣、熱效率低、排煙中的污染物含量高等缺陷。

　　3結(jié)語

　　生物質(zhì)成型燃料的發(fā)展前景很廣闊，潛力很大，但目前存在一些問題亟需解決。建議如下：

　?。?）繼續(xù)成型燃料關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)和配套爐具的設(shè)計(jì)。改進(jìn)生物質(zhì)固化成型的工藝，提高模具耐磨性和連續(xù)生產(chǎn)能力，從生產(chǎn)上降低成本；提高鍋爐中煙氣熱量的利用率，降低鍋爐的結(jié)渣性。

　?。?）各地政府、企業(yè)應(yīng)因地制宜，制定相應(yīng)的發(fā)展模式和有利政策，加大相關(guān)方面的宣傳力度。