1、生物質(zhì)顆粒燃料的意義
我國(guó)每年產(chǎn)生有7億噸左右的農(nóng)作物秸稈，林業(yè)“三剩物”的總量在8～10億噸左右，生物質(zhì)原料儲(chǔ)備豐富。此外，經(jīng)致密成型加工后的生物質(zhì)成型燃料，其粒度均勻、單位密度和強(qiáng)度增加，便于運(yùn)輸和貯存，且燃燒性能明顯改善，對(duì)生物質(zhì)原料成為商品真正進(jìn)入流通領(lǐng)域具有重要意義。我國(guó)的《農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃( 2007-2015)》和《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》中明確提出“重點(diǎn)發(fā)展生物質(zhì)固體成型燃料”，到2010年結(jié)合解決農(nóng)村基本能源需要和改變農(nóng)村用能方式，全國(guó)將建成500個(gè)左右秸稈致密成型燃料應(yīng)用示范點(diǎn)，秸稈致密成型燃料年利用量達(dá)到100萬(wàn)噸左右，到2015年，秸稈致密成型燃料年利用量達(dá)到2000萬(wàn)噸左右，到2020年，生物質(zhì)固體成型燃料年利用量達(dá)到5000萬(wàn)噸t。國(guó)家發(fā)改委出臺(tái)了生產(chǎn)生物質(zhì)成型燃料150元／噸的補(bǔ)貼政策，國(guó)家制定了標(biāo)準(zhǔn)GB/T21923-2008<:固體生物質(zhì)燃料檢驗(yàn)通則》，已于2008年11月1日開始實(shí)施。目前，農(nóng)業(yè)部正在制定多項(xiàng)生物質(zhì)固體成型燃料的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。但據(jù)統(tǒng)計(jì)2009年我國(guó)生物質(zhì)成型燃料全國(guó)產(chǎn)量仍不到20萬(wàn)噸，生物質(zhì)顆粒燃料產(chǎn)業(yè)依然任重道遠(yuǎn)。
2、生物質(zhì)成型燃料高壓致密成型技術(shù)引進(jìn)》項(xiàng)目成果簡(jiǎn)介
2005年北京林業(yè)大學(xué)俞國(guó)勝教授主持的‘生物質(zhì)成型燃料高壓致密成型技術(shù)引進(jìn)》項(xiàng)目，對(duì)生物質(zhì)常溫高壓致密成型方式進(jìn)行了研究。其成型設(shè)備引自德國(guó)RUF公司的RB110型成型機(jī)，對(duì)成型過(guò)程中的主要因素（壓力、原料含水率、原料種類等）進(jìn)行的研究結(jié)果表明，常溫高壓致密成型時(shí)，含水率最好控制在5%～l5%范圍內(nèi)，最高不能超過(guò)22%：壓力控制在15-- 35NIPa之間即可滿足存放、運(yùn)輸要求；秸稈類生物質(zhì)易成型、灌木由于原料本身纖維硬、韌性好而不易成型。選用體視顯微鏡對(duì)成型塊進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)粘結(jié)機(jī)理主要是粒子間的機(jī)械鑲嵌。俞國(guó)勝教授在研究生物質(zhì)常溫成型機(jī)理的基礎(chǔ)上，研制、開發(fā)了一種液力雙向擠壓的生物質(zhì)成型燃料常溫成型機(jī)（如圖1）。該機(jī)的裝機(jī)功率為22kW，加工能力為500～600kg/h，實(shí)際成型能耗不大于40kW - h/t。生物質(zhì)成型塊的密度可通過(guò)調(diào)節(jié)成型設(shè)備液壓系統(tǒng)的壓力來(lái)調(diào)整，既能滿足加工畜牧業(yè)養(yǎng)殖所需的粗飼料要求，又可滿足生物質(zhì)成型燃料加工的要求，最大密度可達(dá)到1. 2g/cm3，目前已投入到生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)中。
3、加熱成型技術(shù)和常溫成型技術(shù)對(duì)比研究
按成型過(guò)程是否對(duì)原料加熱，分為常溫成型和加熱成型。目前國(guó)內(nèi)多足對(duì)加熱成型技術(shù)進(jìn)行研究。
3.1成型機(jī)具
活塞擠壓式塊狀燃料成型機(jī)為例，原料成型靠活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，其進(jìn)料、壓縮和出料過(guò)程都是間歇式的，在成型機(jī)的成型模腔外有加熱圈的為加熱成型方式，沒(méi)有的為常溫成型。由于加熱成型過(guò)程是在200℃以上的溫度完成的，所以加熱成型機(jī)的成型部件較常溫成型的易磨損，維修周期在200小時(shí)左右，較常溫成型的維修成本有所增加。
3.2成型工藝
熱壓成型技術(shù)的工藝流程一般為：原料→預(yù)處理（粉碎）→干燥→加熱成型→冷卻包裝，常溫成型技術(shù)的工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，工藝流程一般為：原料→預(yù)處理（削片或粉碎）→成型→包裝，比加熱成型技術(shù)減少了原料烘干、成型時(shí)加熱和降溫等3道工序，可節(jié)約能耗44%～67%。
3.3成型影響因素
影響生物質(zhì)致密成型的主要因素有：原料種類、原料含水率、原料粒度、成型壓力與模具尺寸，而加熱成型方式還包括加熱溫度。
3.3.1成型壓力
常溫成型沒(méi)有原料加熱軟化過(guò)程，所以成型所需壓力較加熱成型大。在《生物質(zhì)成型燃料高壓致密成型技術(shù)引進(jìn)》項(xiàng)目中，進(jìn)行了多種生物質(zhì)原料的常溫成型試驗(yàn)，這里只引用四倍體刺槐枝成型塊的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
粉碎后的刺槐枝，粒度分布為1 - 2mm的占70%左右，5～10mm的占20%，大于10mm的占10%左右，含水率為7. 65%，成型前原料密度為0. 195g/cm3。主油缸壓力在10～60MPa之間，每隔2. 5MPa做一次實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2。在壓力較低時(shí)(10～20MPa)壓塊密度隨成型壓力的增大以較大的幅度增大，壓力大于20MPa的條件下，壓塊密度隨成型壓力的增大變化趨于穩(wěn)定，壓縮前后的體積比分布在5. 16---5. 97乏間。四倍體刺槐枝韌性好，纖維含量高，在較小壓力下壓制的成型塊也很堅(jiān)實(shí)。
3.3.2原料含水率
生物質(zhì)致密成型燃料技術(shù)對(duì)原料要求包括含水率和粒度，加熱和常溫成型技術(shù)的區(qū)別主要表現(xiàn)在對(duì)原料含水率的要求不同，熱壓成型技術(shù)對(duì)原料含水率要求較嚴(yán)格，由于絕干的生物質(zhì)傳熱性差，水分是生物質(zhì)原料中最好的傳熱介質(zhì)，所以從理論上講，熱壓成型中生物質(zhì)原料的含水率越高傳熱越好，木質(zhì)素和半纖維素軟化程度越高，越容易成型；然而，含水率過(guò)高在壓縮過(guò)程中易產(chǎn)生高壓蒸汽，會(huì)出現(xiàn)“放氣”或“放炮”現(xiàn)象，中斷成型過(guò)程。熱壓成型要求原料含水率控制在8～12%，成型效果最好。常溫成型技術(shù)要求原料最大含水率可達(dá)22%左右，物料成型過(guò)程中不會(huì)發(fā)生“放炮”現(xiàn)象。
3.3.3原料種類
熱壓成型技術(shù)對(duì)原料種類適應(yīng)性較差，由于不同原料木質(zhì)素和半纖維素含量不同，所以相同加熱溫度下，原料的軟化程度不同。當(dāng)成型壓力一定時(shí)，不同原料需調(diào)節(jié)成不同的加熱溫度，這樣對(duì)操作技術(shù)要求較高。農(nóng)作物秸稈所含木質(zhì)素較少(約為15～25%)，不適宜通過(guò)加熱使木質(zhì)素軟化而成型，采用常溫高壓致密成型具有優(yōu)勢(shì)；林木類生物質(zhì)原料的纖維長(zhǎng)且韌性強(qiáng)，成型時(shí)較困難．但通過(guò)常溫高壓致密成型也可達(dá)到存放、運(yùn)輸要求，成型效果也很好，且壓塊密度值相對(duì)集中。
3.4成型機(jī)理
纖維素是構(gòu)成生物質(zhì)原料細(xì)胞壁的主要組分之一，約占細(xì)胞壁物質(zhì)總量的50%左右，纖維素大分子鏈的結(jié)合鍵主要是氧鍵、范德華力和碳氧鍵，在生物質(zhì)成型燃料生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)生物質(zhì)原料的機(jī)械壓縮，可以縮短纖維之間的距離，以利于形成氫鍵和范德華力，使生物質(zhì)原料易于成型。
3.4.1加熱成型機(jī)理
植物中的半纖維素和木質(zhì)素屬無(wú)定形的熱塑性高聚物，具有玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化性質(zhì)，當(dāng)溫度達(dá)70～110℃時(shí)開始軟化且粘合力開始增加，在200～300℃時(shí)軟化程度加劇達(dá)到熔融，此時(shí)施加一定的壓力，使其與纖維素緊密粘接，并與鄰近顆�；ハ嗄z接，冷卻后即可固化成型。生物質(zhì)加熱成型燃料就是利用生物質(zhì)的這種特性，用壓縮成型設(shè)備將經(jīng)過(guò)干燥和粉碎的松散生物質(zhì)原料進(jìn)行加壓和加熱，使半纖維素和木質(zhì)素軟化并經(jīng)擠壓而成型，得到具有一定形狀和規(guī)格的成型燃料。
3.4.2常溫成型機(jī)理
生物質(zhì)原料是由纖維構(gòu)成的，被粉碎后的生物質(zhì)原料質(zhì)地松散，在受到一定的外部壓力后，原料顆粒先后經(jīng)歷位置重新排列、顆粒機(jī)械變形和塑性流變等階段。開始?jí)毫^小時(shí)，有一部分粒子進(jìn)入粒子間的空隙內(nèi)，粒子間的相互位置不斷改變，當(dāng)粒間所有較人的空隙都被能進(jìn)入的粒子占據(jù)后，再增加壓力，只有靠粒子本身的變形去充填其周圍的空隙。這時(shí)粒子在垂直于最大主應(yīng)力的平面上被延展，當(dāng)粒r被延展到與相鄰的兩個(gè)粒子相且接觸時(shí)，再增加雎力，粒子就會(huì)相瓦結(jié)合。這樣，原來(lái)分散的粒子就被壓縮成型，同時(shí)其體積大幅度減小，密度則顯著增大。由于非彈性或粘彈性的纖維分子之間的相瓦纏繞和咬合，在外部壓力解除后，一般都不會(huì)恢復(fù)到原來(lái)的結(jié)構(gòu)形狀。
北京林業(yè)大學(xué)某碩士，借鑒德國(guó)的Rumpf提出的粉粒體成型的有關(guān)理論，選用體視顯微鏡對(duì)成型塊進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)常溫致密成型過(guò)程中，生物質(zhì)原料顆粒山十受到高壓作用而互相鑲嵌在一起，顆粒間的結(jié)合力主要米自相互間的機(jī)械鑲嵌。四倍體刺槐枝成型塊的微觀結(jié)構(gòu)如圖3，從左至右依次是10Mpa、30Mpa和60Mpa壓力下的成型塊微觀結(jié)構(gòu)。
3.5產(chǎn)品質(zhì)量
衡量生物質(zhì)燃料塊的質(zhì)量指標(biāo)有許多，主要包括發(fā)熱量、成型燃料密度和機(jī)械強(qiáng)度等。強(qiáng)度與密度相關(guān)，密度與成型壓力有關(guān)，在此不作論述。加熱成型技術(shù)會(huì)造成產(chǎn)品表面炭化燒焦，生物質(zhì)的熱能損耗；常溫致密成型產(chǎn)晶不破壞原料的分子結(jié)構(gòu)，無(wú)化學(xué)反應(yīng)和加熱裂解分化的作用，因此成型燃料可以保持原物料的熱值，幾乎沒(méi)有熱量的損耗。
4、結(jié)論及展望
生物質(zhì)常溫致密成型燃料技術(shù)具有較加熱成型對(duì)成型部件的磨損小，對(duì)生物質(zhì)原料的預(yù)處理要求低，成型燃料產(chǎn)品保持原物質(zhì)性質(zhì)、無(wú)熱能損耗的優(yōu)點(diǎn)．因此，在研究和推，使用上，有很高的價(jià)值。通過(guò)對(duì)燃料塊成型過(guò)程中的影響因素和成型后的微觀圖像兩方面進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，常溫成型機(jī)理是生物質(zhì)顆粒的移動(dòng)、變形和機(jī)械鑲嵌，揭示了生物質(zhì)致密成型的規(guī)律。此外，常溫成型技術(shù)較加熱成型技術(shù)具有更好的經(jīng)濟(jì)性，有利于生物質(zhì)成型技術(shù)的商業(yè)化推廣。
目前我國(guó)的生物質(zhì)成型燃料技術(shù)還處于研究示范試點(diǎn)階段，規(guī)�；褪袌�(chǎng)化較差，推廣速度緩慢。為促進(jìn)我國(guó)生物質(zhì)成型燃料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，呼吁政府制定更加完善的生物質(zhì)成型燃料產(chǎn)業(yè)政策和標(biāo)準(zhǔn)，研制更加高效節(jié)能且自動(dòng)化程度高的常溫成型設(shè)備，是相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的努力方向。
三門峽富通新能源生產(chǎn)銷售顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)、飼料顆粒機(jī)等生物質(zhì)燃料飼料成型機(jī)械設(shè)備。
