李保謙，牛振華，張百良

（河南農業(yè)大學，河南鄭州，450002）

摘　要：隨著經濟的高速發(fā)展，能源的消耗也隨之增加，能源短缺已經嚴重影響了世界經濟乃至人類的發(fā)展，發(fā)展新能源已經迫在眉睫。生物質成型燃料作為生物質能源的一種，具有原料來源廣泛、可以再生、比煤炭清潔等優(yōu)點。雖然國內目前的利用率較低，但是最近幾年成型燃料技術得到了快速發(fā)展，關鍵技術和配套設備已基本解決，國家政策對可再生能源的循環(huán)利用提供了良好的開發(fā)環(huán)境。在未來幾年里，生物質成型燃料的生產和利用將會在國內廣大農村和城鎮(zhèn)迅速展開，應用前景十分廣闊。

1生物質成型燃料技術的研究現(xiàn)狀

1.1能源短缺與過分依賴礦物燃料帶來了嚴重的環(huán)境污染

隨著經濟的快速發(fā)展，礦物能源的消耗量逐年增加，2001年我國CO2排放量達到30億t，占全球排放量的13%，居世界第二位。我國環(huán)境污染問題日趨嚴重。

1.2生物質資源豐富，目前利用率很低，浪費嚴重

我國生物質（秸稈、林木殘余物等）有機物資源總量達9億多噸[1]。生物質能源具有清潔、可以再生、含S很低、CO2零排放、分布廣的特點。由于生物質成型燃料設備的穩(wěn)定性和可靠性較低、加工成本偏高。目前對生物質的利用率仍然很低，荒燒現(xiàn)象屢禁不止，浪費嚴重。

1.3國外生物質成型燃料技術的研究現(xiàn)狀

美國秸稈利用主要是打捆技術，用途不是作燃料，而是飼料或其他工業(yè)的原料。歐洲國家主要把生物質用作燃料和發(fā)電，替代油和煤，加工設備、鍋爐、熱風爐、發(fā)電設備等都已產業(yè)化、規(guī)?；?。日本、美國及歐洲一些國家生物質成型燃料的燃燒設備已經定型，且已產業(yè)化，在加熱、供暖、干燥、發(fā)電等領域已普遍推廣應用[2]。

目前國外生物質成型方式有4種，即環(huán)模和平模式、螺旋擠壓、機械活塞及液壓活塞式。螺旋擠壓成型研制最早，在印度、泰國、馬來西亞等東南亞國家和我國一直占據(jù)著主導地位。

1.4國內生物質成型燃料技術研究現(xiàn)狀

中國從20世紀80年代引進螺旋式生物質成型機。1990年以后，陜西武功、河南鞏義、湖南農村能源辦等單位先后研制和生產了幾種不同規(guī)格的生物質成型機和碳化機組。20世紀90年代，河南農業(yè)大學、中國農機能源動力所分別研究出PB－I型機械沖壓式、HPB系列液壓驅動式和CYJ機械沖壓式成型機。21世紀以來，生物質顆粒成型技術發(fā)展日趨成熟。江蘇正昌公司、吉林省華光所、河南省科學院能源所、河南德潤等國內幾十家企業(yè)在顆粒飼料機的基礎上先后研究出了多種類型的環(huán)模、平模顆粒成型機。同時開發(fā)了配套的生物質專用鍋爐和生活用爐。

2生物質成型燃料的關鍵技術

2.1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。

2.2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)及氣候不同變化問題，所以原料水分問題成為制約熱壓成型的一大難題。

2.3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。

2.4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。

2.5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溫度降低，高揮發(fā)分含量的秸稈會有大量焦油析出，在短期內使煙囪、爐口等部位堵塞。

3生物質成型燃料成型工藝與設備

3.1生物質秸稈成型燃料循環(huán)利用技術

（1）工藝流程

生物質原料的收集→干燥→粉碎→成型→燃燒（如圖1所示）。

（2）流程設備

流程所用設備包括收集設備、烘干設備、粉碎設備、成型設備、生物質專用燃燒爐、各種生活用爐及燃燒器。其中成型機是關鍵設備，根據(jù)成型方式的不同，生物質成型機可分為螺旋擠壓成型、模壓（平模及環(huán)模）成型、活塞沖壓（機械及液壓）成型和壓塊成型等。

3.2HPB系列生物質秸稈液壓成型機

河南農業(yè)大學1998年開始研制液壓活塞式HPB系列成型機及專用燃燒爐；2000年得到國家科技部的資金轉化支持；2001年向企業(yè)轉讓了技術；2003年河南省財政廳進行了試點示范；2004年后在國內北京、新疆、吉林、遼寧、江蘇、山東、鄭州農業(yè)高技術園區(qū)等地進行了推廣應用，對成型燃料在小型鍋爐、溫室塑料大棚供熱、農戶生活用爐等方面進行了試驗研究[3-4]。試驗結果證明，秸稈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。中央7套科技苑和每日農經欄目及國內部分報刊先后進行了專題報導。目前技術已轉讓給4家企業(yè)，共開發(fā)了5代HPB系列生物質秸稈液壓成型機，第5代產品市場運行良好。

3.3生物質成型燃料特征及用途

原料豐富，農林廢棄物、各類作物秸稈等；纖維素含量高，70%左右；S含量大大低于煤；燃料密度大，0.8～1.3，便于貯存和運輸；產品形狀規(guī)格多，顆粒、棒、塊狀等，利用范圍廣；熱值與中質煤相當，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；可形成產業(yè)，經濟和社會環(huán)保效益明顯。

可取代煤作為生物質專用燃爐、鍋爐、壁爐、茶水爐、發(fā)電爐及農村生活用爐的燃料，能有效地解決農村荒燒秸稈、緩解部分地區(qū)能源短缺問題，保護大氣環(huán)境，具有良好的產業(yè)前景。

4生物質成型燃料技術的發(fā)展前景

（1）生物質秸稈從田間收集→干燥→粉碎→成型→燃燒所需設備必須配套，才能在農村、城鎮(zhèn)推廣應用[5]。收集環(huán)節(jié)是瓶頸，必須配套發(fā)展生物質秸稈收集設備。

（2）生物質秸稈資源量大充足，覆蓋面廣，價格低，可以再生。農藝專家已提出秸稈應適量還田，不能連年全部還田，飼料化處理量有限，多數(shù)地區(qū)都采取了禁燒秸稈措施，為成型燃料技術的發(fā)展提供了原料保證。

（3）我國城市燃煤污染嚴重，大中城市已取締2t以下燃煤鍋爐，急于尋求清潔的替代能源，改燃天然氣或電，成本較高，而天然氣、石油短缺，大量依賴進口，已影響國家能源安全[6-7]。這給生物質成型燃料技術的發(fā)展帶來了機遇。

（4）據(jù)預測，地下石油、天然氣及煤的貯量，按目前的利用速度只夠用60年左右。按FAO2000年的最新報道，到2050年前后，生物質發(fā)電及高品位能源利用要占40%?？梢?，生物質成型后作燃料，是未來國際可再生能源的發(fā)展方向。

（5）國家已制定了生物質能源中長期發(fā)展目標：在生物質成型燃料的利用方面由目前的不足50萬噸/年，提高到2020年的2000萬噸/年。這給生物質成型燃料技術的應用找到了市場。

（6）國家先后出臺了很多生物質能源利用的相關法律法規(guī)，一些地區(qū)已把生物質成型燃料設備列入了農機補貼目錄。《可再生能源法》2006年1月1日已正式實施。2009年農業(yè)部將頒布實施生物質成型燃料與成型設備技術條件、試驗方法的標準。生物質成型設備和成型燃料的加工和生產將更加規(guī)范。

（7）生物質成型燃料燃燒后的灰塵及排放指標比煤低，可實現(xiàn)CO2、SO2降排，減少溫室效應，有效地保護生態(tài)環(huán)境。生物質成型燃料進入規(guī)?；a后，不僅環(huán)保效益明顯，而且還可安排農民就業(yè)，增加收入，經濟和社會效益顯著。

（8）從成型設備分析，成型燃料設備操作簡單，使用方便，適合農村使用。粉碎機、成型機的加工工藝并不復雜，液壓式成型機易損件的使用壽命已達1000h以上，粉碎與成型單位產品能耗可降至60kWh/t。生物質成型燃料的生產放在農村，成型燃料爐的使用可設在中、小城鎮(zhèn)或農村，這樣秸稈從粉碎、成型到燃燒即可形成產業(yè)化。

（9）生物質專用燃燒爐及鍋爐已基本成熟。設計的小型生物質燃燒爐（生活和取暖）已在農村應用，燃燒效果好，封火時間達12～24h。

（10）通過前幾年的試點示范，已取得了生物質成型燃料規(guī)模化生產的一些經驗，探索了多種規(guī)?；a示范模式和管理模式。生物質成型燃料設備的穩(wěn)定性、可靠性及主要性能指標都有較大提高。

參考文獻：

[1]宋中界，牛振華，連萌等.液壓式生物質成型機的試驗研究[J].糧油加工，2008,10:133-135.

[2]李保謙.秸稈成型燃料技術的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].農機推廣與安全，2006，9:10-12

[3]張百良，樊峰鳴，李保謙等.生物質成型燃料技術及產業(yè)化前景分析[J].河南農業(yè)大學學報，2005，39(1)：111-115.

[4]李保謙，張百良，夏祖璋.PB-Ⅰ型活塞式生物質成型機的研制[J].河南農業(yè)大學學報，1997，31(2):112-117.

[5]李保謙.秸稈致密化成型燃料設備產業(yè)化技術分析[J].中國科技成果，2006，21:21-23.

[6]吳岐山，趙一錦.技術經濟學[M].成都：四川大學出版社.1986.

[7]張百良.農村能源技術經濟與管理[M].北京：農業(yè)出版社.1995.

作者：李保謙教授，博士生導師，河南農業(yè)大學機電工程學院，鄭州市文化路95號，E-mail：nj280@163.com