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1、5 6 6 2 0 0 6 年中田农学会学术年会 生物质压缩成型技术进展及产业化发展前景探讨 郑戈1 ，李景明1 ，孙玉芳1 ，刘耕2 ( t 农业部科技发展中心，1 0 0 0 2 6 ：z 河南省农村能源环保总站，4 5 0 0 0 2 ) 擅要：生物质压缩成型技术生产生物质燃料是农林业废弃物资源化高效利用和改善农村生态环境的重 要途径。本文系统阐述了生物质压缩成型技术的基本原理、工艺过程和关键技术，对成型燃料产业化发 展前景和存在的主要问题进行分析并提出一些合理化意见和建议。 关键词：生物质；压缩成型；燃料；产业化 1 概述 化石能源作为现代人类文明发展的支柱能源，在 为人类的发展作出巨
2、大贡献的伺时，也在对人类的生 存和进一步发展带来严重的威胁。如“温室效应酸雨 现象，等问题一直在困扰着人类文明的进步，同时也阻 碍了社会I 盼进一步发展。化石能源的储量也是十分有 限的，尤其近些年我国广大人民日益增长的物质需求 与能源供应紧张之间的矛盾显得更加突出。据专家预 测，若按当前经济发展速度对能源的需求，地球上蕴藏 的可开采利用的石油、天然气和煤炭三种化石能源，分 别将在4 0 年、6 0 年和2 0 0 年内耗尽【l 】，开发和利用新 的可再生能源能源已经成为人类发展中的紧迫课题。 另一方面，生物质能作为一种可再生资源，具有资源丰 富和碳量低的特点，一直是人类赖以生存的重要能源， 仅
3、次于上述3 种常规能源而位列第4 位圆。我国生物 质资源非常丰富，仅各类农业废弃物( 如秸秆、薪柴和 农林废弃物等) 的资源量每年折合约有6 亿多吨标煤； 相当于1 9 9 5 年全国能源消费总量的1 2p 】。2 0 0 4 年全 国农村地区能源消费总量为8 3 ，8 9 6 7 5 亿吨标准煤，其 中薪柴和秸秆能源消费总量为2 9 ，8 9 9 6 5 亿吨标准煤， 约占总农村地区用能总量的3 5 6 5 t 4 ( 见图1 ) 。然而， 目前我国对生物质能得主要利用方式还停留在直接燃 图12 0 0 4 年我国农村地区能源消费结构 烧等比较低的水平，这种利用方式会产生以下主要问 题： 能
4、量转换效率极低，一般只有1 3 左右，造成巨 大的能源浪费； 燃烧不完全导致大量的烟尘产生，直接造成环境 污染和影响正常的生产生活秩序； 导致森林植被的大量砍伐和破坏，造成严重的水 土流失； 不能满足人们对高频为能源的需求。 巨大的生物质能资源如何利用，直接涉及当前我 国面临的三农问题，能源短缺问题和环境污染问题。此 外，随着国际社会对温室气体减排联合行动的京都议 定书开始生效，研究和开发利用生物质能转换技术日 益成为摆在我们面前的一个重大课题。如何高效利用 生物质能资源，是保护生态环境、调整农业产业结构、 改善农民生活质量的有效途径，对于改善我国以化石 燃料为主的能源结构，保障我国能源安全，
5、特别是为农 村地区因地制宜地提供清洁方便的生产生活用能，发 展循环和农业提高农业地位，建设社会主义新农村具 有十分重要的意义。 作者简介：郑戈，1 9 7 5 年5 月出生，现在农业部科技发展中心能源生态建设处工作，高级项目管理师，从事农村可 再生能源开发利用和农业资源环境保护工作。地址：北京市朝阳区麦子店街1 8 号楼8 1 0 房间。邮编：1 0 0 0 2 6 。电 话：0 1 0 - - 6 4 1 9 5 1 3 7 ：传真；0 1 0 - - 6 4 1 9 5 1 3 8 。电子信箱：z h e n g g e a g r i g o v c a 循环农让与新农村建设 5 6 7
6、 2 生物质压缩成型技术进展 生物质压缩成型技术是生物质能转换技术的一个 重要分支。其研究开发可以追溯到1 9 4 0 年，为了解决 战时能源紧张的状况，德国曾将一些废弃的生物质资 源经润湿后采用杠杆机构压缩成块，作为民用燃料加 以利用。进入2 0 世纪8 0 年代以来，随着全球性石油危 机的冲击和环保意识的提高，世界各国越来越认识到 开发和高效转换生物质能的重要性，相应地投入一定 的资金和技术力量研究开发生物质成型和炭化技术及 设备。 日本到1 9 8 4 年生物质成型燃料生产厂家已经达 到1 7 2 家，生产总量达2 6 x1 0 - s t t s 。印度可再生能源发 展署对从事生物质压
7、缩成型设备研制和试验的企业给 予5 0 的拨款，政府还在税收等方面给予优惠政策 6 1 。 美国为了缓解常规能源紧张以及环境污染的压力，在 2 5 个州兴建了日产量为2 5 0 3 0 0 t 的成型燃料加工厂。 西欧国家也非常重视生物质可再生能源的开发利用， 从1 9 7 0 年开始就研制生产了冲压式成型机、颗粒成型 机等，意大利、丹麦、法国、德国、瑞典、瑞士等国相继建 成生物质颗粒燃料成型生产厂家3 0 个，机械驱动活塞 式成型燃料生产厂家4 0 多个。泰国、越南、菲律宾等国 在1 9 8 0 也建成了不少生物质固化、碳化专业生产厂。 这些国家生物质成型燃料技术已经趋于成熟，并形成 了产业
8、化规模。 从2 0 世纪8 0 年代引进螺旋推进式秸秆成型机， 中国生物质压缩成型技术的研究开发已有二十多年的 历史。南京林业化工研究所在“七五”期间设立了对生 物质压缩成型机及生物质成型理论研究课题。湖南省 衡阳市粮食机械厂于1 9 8 5 年试制了第一台Z T - 6 3 型 生物质压缩成型机用于处理谷壳。江苏省连云港市东 海粮食机械厂于1 9 8 6 年引进了一台O B M 8 8 棒状燃 料成型机。1 9 9 8 年东南大学与江苏省科技学情报所研 制出了M D 1 5 型固体燃料成型机。1 9 9 0 年以后，河南 农业大学先后研制出P B 1 型机械冲压式成型机、 H P B I 型
9、至型液压驱动活塞式成型机。进入2 0 0 0 年以后，河南农业大学研制的H P B I V 型液压驱动活 塞式成型机和合肥天炎绿色能源开发有限公司n 依 I I 秸秆成型机秸秆成型机均采用一级螺旋预热预压， 二级活塞压缩技术，解决了普通成型机对原料含水率 要求较高和模具易磨损的不足。此外，压辊式颗粒成型 机也得到了长足的发展并已经商业化，其中的代表是 清华大学和北京惠众实科技有限公司开发的H i 曲 z o n e s 生物质压缩成型技术及北京老万生物科技有限 公司研发的生物质颗粒燃料成型机等。 目前，我国成型机的生产和应用已初步形成了一 定的规模，生物质成型燃料设备在我国也有不少厂家 已进行
10、批量生产和市场化，并形成研究、生产、开发的 良好势头。 3 生物质压缩成型技术基本原理及工艺 3 1 基本原理 植物细胞中除含有纤维素、半纤维素还含有木质 素，当温度为7 0 , - - - , 1 1 0 时木质素粘合力开始增加，在 适当温度下( 2 0 0 - - 一3 0 0 ) 会软化、液化，此时加以一定 的压力使其与纤维素紧密粘接并与相邻颗粒互相胶 接，冷却后即可压缩成型。因此采用热压法成型秸秆 ( 或木屑) 燃料可不用任何添加剂、粘接剂，大大降低了 加工成本，而且利用木质素软化、液化的特点，适当提 高热压成型时的温度有利于减小挤压动力。生物质压 缩成型技术就是在一定温度与压力作用下
11、，将各类原 来分散的、没有定形状的经干燥和粉碎的生物质压 制成具有一定形状的、密度较大的各种成型燃料的高 新技术。 3 2 成型工艺 生物质压缩成型技术发展至今，已开发了许多种 成型工艺和机械。根据主要工艺特征的差别，可将这些 工艺从广义上分为：湿压成型、热压成型、炭化成型和 捆扎成型 7 1 。其中，热压成型上目前普遍采用的生物质 压缩成型工艺，也是本文主要探讨的技术模式。生物质 压缩成型对原料的种类、粒度、含水率都有一定的要 求。通常情况下秸秆、麦秸等需经专用设备粉碎至粒度 在1 0 m m 以下；木屑、稻壳等由于粒度细小，筛除杂物 即可直接使用。所有原料必须经过干燥工艺，干燥方式 一般宜
12、采用气流式干燥。为进一步提高成型燃料的使 用价值，扩展应用领域，也可进行碳化。生物质压缩成 型技术工艺流程如下： 原料收集_ 预处理一干燥一粉碎_ 成型_ 成品 ( 或炭化) _ 燃烧_ 供热 生物质经压缩后的成型燃料密度可达 0 8 1 4 9 c m 3 ，便于贮存和运输。而且其热性能优于木 材，热值为1 6 ，7 2 0 k J k g 左右，相当于中质烟煤，可直接 燃烧，同时具有黑烟少、火力旺、燃烧充分，不飞灰、干 净卫生等优点，N O X 、S O X 极微量排放嘲。成型后的燃 料还可深加工制成机制木炭，与传统木炭相比具有形 状规则、强度高、孔隙多、易燃耐烧、无污染等优点翻。 根据工
13、艺过程中原料被加热的部位不同，可将工 艺划分为二类：一类是原料只在成型部位被加热，称为 “非预热热压成型工艺”，目前在生物质压缩成型技术 领域内占据着主导地位。用于生物质成型的设备主要 5 6 8 2 0 0 6 年中固农学会学术牟会 有螺旋挤压式、机械活塞冲压式、液压活塞冲压式和压 辊式颗粒成型机【1 0 】。从其主要技术指标来看，压辊式可 以实现自然含水率生物质不用任何添加剂、粘结剂的 常温压缩成型，具有生产率高和成本低的特点，但是生 产技术和设备成本要求相对较高。是机械活塞与液压 活塞成型机技术也比较成熟，比较而言后者主要工作 部件寿命可长于前者2 倍，但最高生产能力低于前者 的l 2
14、；总体产品成本液压活塞成型较低【- t 】，这几种类 表1 螺旋挤压式成型机不同工艺条件对比试验 - 2 】 螺杆寿命( h )单位产品能耗( k w h t ) 生物质种类 生产率( k g h ) 预热非预热预热非预热 锯末 3 6 04 41 74 57 0 稻壳( 粉碎) 5 0 03 1 1 3 5 5 7 0 型都基本具备商业推广价值。 另一类是原料在进入压缩机构之前和在成型部位 被分别加热，称为“预热热压成型工艺”。这种成型工艺 并未对成型机做结构上的改变，与上述非预热热压成 型工艺的不同之处在于这种工艺采用了在原料进入成 型机以前对其进行了预热处理，即将原料加热到一定 的温度(
15、 1 0 0 左右) ，使其所含的木质素软化，这不仅 使木质素起到了内部粘结剂的作用，而且在后续的压 缩过程中，减少了成型部件与原料间的摩擦作用，降低 了成型所需压力，从而大幅度提高了成型部件的使用 寿命，显著降低了单位产品能耗。 表l 为采用螺旋挤压式成型机，选取不同种类原 料，对非预热热压成型工艺和预热热压成型工艺做了 对比试验。 采用锯末作原料，利用螺旋式成型机对预热热压 成型工艺进行了研究，研究结果表明：在将原料预先加 热到1 1 5 的条件下，采用该工艺与非预热热压成型 工艺相比，用于驱动电机、加热成型套、以及整个系统 的能耗分别下降了5 4 、3 0 6 和4 0 2 t 1 3
16、。 从上述研究结果可以看出，预热热压成型将是一 种很有发展前途的生物质压缩成型工艺。 4 生物质压缩成型燃料产业化障碍分析 经过多2 0 多年的开发与应用，生物质压缩成型技 术开发与应用已经取得了阶段性成果，其中预热式液 压成型技术和压辊式颗粒成型技术已经趋于成熟并开 始市场化运作，各种配套设备和技术及适用炉灶也在 逐渐开发完善。同时，生物质压缩成型技术在我国还没 有产业化的经验，仍然缺少生产实用的技术数据，距离 商品化推广实用还有相当长的路要走。为了探索一条 适合我国国情的生物质成型技术产业化路子，真正实 现生物质成型技术和成型燃料产业化，还有一些突出 的制约因素和技术障碍亟待解决。 4 1 成型设备机组可靠性能较差 一是主要工作部件的工作寿命短，二是设备系统 配合协调能力差，运行不稳定。目前的国内生物质成型 机多为低产率的单机生产，普遍生产规模小，系统效率 低，单位能耗过大，成型设备的工作可靠性差，不能满 足商业化和规模化生产要求。 4 2 成
