生物质成型燃料加工装备发展现状及趋势

摘要：从世界化石能源面临枯竭的角度出发，介绍了中国生物质资源状况和国内外生物质成型燃料成型技术及成型设备的应用现状，并针对中国的国情，提出了发展生物质成型燃料的途径和方法，以便充分、有效地利用农林剩余物等生物质资源。
关键词：生物质能源；成型燃料；常温成型
1生物质燃料及其成型技术
石油、天然气和煤炭等化石能源是世界经济的三大支柱能源，然而，这些能源的利用是以消耗地球的资源为代价的。据有关资料介绍，按目前矿物能源的消耗量，地球上的煤炭、石油、天然气、核能分别还可以使用220年、40年、60年和260年。生物能源由于具有可再生性、使用无公害等优点，被普遍认为是未来能源开发的热门领域。如今在世界范围内，生物质能仅次于煤炭、石油和天然气而居于能源消费总量的第4位，在整个能源系统中占有重要的地位，是人类赖以生存的能源之一。
我国森林面积17490.92万hm2，森林覆盖率18.21%，森林蓄积124.56亿m3。根据2005年3～6月由国家林业局能源办公室进行的“中国林木生物质资源调研”得出的数据表明：目前我国陆地林木生物质资源总量在180亿t以上，可用于生产生物质能源的约13亿t，主要是薪炭林（0.7亿t）、林业三剩物（10.3亿t）和平茬复壮的灌木（2亿t）。另外，据国家林业局2005年森林资源调查统计显示，还有2000万hm2的土地可用来种植能源林，这些能源林不仅每年能生产1.5亿t的木质生物质，同时还能起到环境治理和改善气候的作用。生物质作为能源利用的技术一般有三类：一是燃烧技术，通过直接燃烧或将生物质加工成成型燃料（如颗粒、块状、棒状燃料）然后燃烧，其主要目的是为了获取热量；二是生物化学转化技术，通过将不同原料（木材、小麦、甜菜等）先酸解或水解，然后微生物发酵，制取液体燃料或气体燃料；三是热化学转化技术，其可获得木炭、生物油和可燃气体等高品位能源产品，该项技术按其加工工艺的不同，又分为高温干馏、热解、生物质液化和气化等几种方法。相对而言，致密成型技术和直接燃烧技术成本较低，是林木生物质能源转化的可选择技术途径之一。
由于生物质原料产地分散、质地疏松、能量密度小，给采集、储运和使用带来许多不便。经致密成型加工后的生物质固体成型燃料，其粒度均匀、单位密度（可达到0.8～1.4g/cm3）和强度增加，便于运输和贮存，且燃烧性能明显改善。因此，生物质致密成型燃料是一种很有发展前景的可再生能源。
生物质致密成型技术是指应用机械加压（加热或不加热）的方法，将各类原来分散、没有一定形状、密度低的生物质原料压制成具有一定形状、密度较高的各种固体成型燃料的过程。按成型温度可分为加热成型和常温高压成型两种。
①加热成型：植物中含有的木质素是具有芳香族特性的结构单体，属非晶体，没有熔点但有软化点，当温度达70～110℃时开始软化且粘合力开始增加，在200～300℃时，软化程度加剧达到液化，此时施加一定的压力，使其与纤维素紧密粘接，并与邻近颗粒互相胶接，冷却后即可固化成型。生物质加热成型燃料就是利用生物质的这种特性，用压缩成型设备将经过干燥和粉碎的松散生物质原料在加压（0.5～1t/cm2）、加温（110～300℃）的条件下，使木质素软化并经挤压而成型，得到具有一定形状和规格的成型燃料。其固化成型的工艺流程一般为：原料→预处理（粉碎）→干燥→加热、成型→冷却包装。
②常温成型：生物质原料是由纤维构成的，被粉碎后的生物质原料质地松散，在受到一定的外部压力后，原料颗粒先后经历位置重新排列、颗粒机械变形和塑性流变等阶段，见图1。开始压力较小时，有一部分粒子进入粒子间的空隙内，粒子间的相互位置不断改变，当粒子间所有较大的空隙都被能进入的粒子占据后，再增加压力，只有靠粒子本身的变形去充填其周围的空隙。这时粒子在垂直于最大主应力的平面上被延展，当粒子被延展到与相邻的两个粒子相互接触时，再增加压力，粒子就会相互结合，这样，原来分散的粒子就被压缩成型，同时其体积大幅度减小，密度则显著增大。由于非弹性或粘弹性的纤维分子之间的相互缠绕和咬合，在外部压力解除后，一般都不能再恢复到原来的结构形状。应用这一原理，可以实现自然状态下的常温压缩成型。该成型技术的工艺流程为：原料→预处理（削片或粉碎）→成型→包装。它比加热成型技术减少了原料烘干、成型时加热和降温等3道工序，可节约能耗44%～67%。在能源紧缺的今天，常温成型是生物质成型燃料的发展方向。

图1生物质颗粒致密成型图解