我國是農業(yè)大國，農林廢棄物資源十分豐富。我國每年總量約有7×108t的農作物秸稈，另外，我國每年還有大量的林業(yè)采伐和林木制品加工廠產生的廢棄物，如枝椏、小徑木、板片、木屑等，總量也近1×108t。我國生物質資源（農作物秸稈）豐富，但利用率不高。為了高效利用生物質資源，本文就生物質成型顆粒燃料的加工技術與裝備進行初步研究，以探討綜合利用生物質資源的技術途徑。
1、生物質成型燃料國內外發(fā)展現狀
國外生物質成型燃料開發(fā)工作始于20世紀。1948年日本申報了利用木屑為原料采用螺旋擠壓方法生產棒狀成型燃料的第1個專利，60年代成立了成型燃料行業(yè)協(xié)會。70年代初，美國研究開發(fā)了環(huán)模擠壓式顆粒機，并在國內形成大量生產。瑞土、瑞典、西歐等發(fā)達國家先后開發(fā)研究了沖壓式成型機、輥模擠壓式顆粒成型機。其中已有120多年歷史的世界著名飼料機械生產企業(yè)——德國卡爾公司(Kahl)生產的動輥式平模制粒機，不僅能生產中低密度的顆粒飼料，而且還能生產較優(yōu)高密度的顆粒燃料，成品產量大、能耗低而且質量好，在歐洲和東南亞國家使用較為廣泛。在最早開發(fā)螺旋擠壓成型燃料生產技術的日本也有采用環(huán)模顆粒成型機加工木屑成型燃料的大型生產企業(yè)。如今，固化成型燃燒在日本、歐、美等地已經商品化，在丹麥的一座叫阿文多的發(fā)電廠，還利用木屑壓縮顆粒來發(fā)電。1985年日本平均每戶家庭消耗成型燃料達750kg。1985年美國生產成型燃料達2×106t以上。
我國從20世紀80年代中期起開始了成型燃料的開發(fā)研究，一方面組織科技攻關，另一方面引進國外先進機型，經消化、吸收，研制出各種類型的適合我國國情的生物質壓縮成型機，用以生產棒狀、塊狀或顆粒狀生物質成型燃料。全國現有生物質壓縮成型廠35個。生物質成型燃料的種類按其密度分為中密度(800—1100kg/m3)和高密度(1100—1400kg/m3)=種，前者適宜于家庭爐灶或小型鍋爐用，也可滿足自動爐排機械加料的大型鍋爐用，后者更適于進一步加工成為炭化產品。
2、生物質成型燃料的特點與使用對象
生物質成型燃料是將生物質原料經過粉碎、調質等處理，在高壓條件下壓縮成顆粒狀且質地堅實的成型物，除應具有比重大、便于貯存和運輸、著火易、燃燒性能好、熱效率高（是直接燃燒的5倍以上1的優(yōu)點外，還應具有灰分小、燃燒時幾乎不產生S02、不會造成環(huán)境污染等優(yōu)點，可作為工業(yè)鍋爐、住宅區(qū)供熱、農業(yè)暖房、戶用炊事和取暖的燃料。
3、生物質成型燃料加工技術與設備現狀
3.1生物質成型燃料加工技術分類
生物質成型燃料有顆粒狀和棒狀兩大類。根據成型主要工藝特征的差別，國內外生產生物質壓縮燃料的工藝大致可劃分為濕壓（冷壓）成型、熱壓成型、碳化成型等3種。按成型加壓的方法不同來區(qū)分，技術較為成熟、應用較多的成型燃料加工機有輥模擠壓式（包括環(huán)模式和平模式）、活塞沖壓式（包括機械式、液壓式）、螺旋擠壓式等三種機型，其中輥模擠壓式成型機采用的是濕壓（冷壓）成型工藝，活塞沖壓式、螺旋擠壓式成型機都采用的是熱壓成型工藝。
3.2國內生物質成型燃料生產技術現狀
總體來看，目前我國的生物質固化成型裝備在設備的實用性、系列化、規(guī)�；线�很不足，距國際先進水平還有不小的差距。這一問題以成型機最為突出，表現在生產率低、成型能耗高、主要工作部件壽命短、機器故障率多、費用高等方面。國內主要的幾種生物質成型燃料生產技術的現狀分述如下。
3.2.1 螺旋擠壓技術
螺旋擠壓成型技術是目前生產生物質成型燃料最常采用的技術，尤其是以機制炭為最終產品的用戶，大都選用螺旋擠壓成型機。
1990年中國林科院林產化學工業(yè)研究所與，完成了國家“七五”攻關項目——木質棒狀（螺旋擠壓）成型機的開發(fā)研究工作，并建立了1000t/年棒狀成型燃料生產線。1993年前后，中國大陸的一部分企業(yè)從日本、中國臺灣、比利時、美國引進了近20條生物質壓縮成型生產線，基本上都采用螺旋擠壓式，以鋸木屑為原料，生產“炭化”燃料。棒狀成型燃料的形狀為直徑50mm左右、長度450mm左右，橫截面為圓形或六角形，每根重約1kg，用于蒸發(fā)量≤1000kg/h工業(yè)生物質鍋爐或民用爐灶。國內現已有包括陜西武功縣輕工機械廠、河南省鞏義合英實業(yè)公司等在內的近十家廠家生產此種類型的設備。
螺旋擠壓成型機的優(yōu)點：一是成品密度高。以木
屑、稻殼、麥草等為原料，國內生產的幾種螺旋擠壓成
型機加工的成型棒料的密度都在1100—1400kg/m3。
二是成品質量好、熱值高，更適合再加工成為炭化燃料。
螺旋擠壓成型機的缺點：一是產量低。目前國產設備的最高臺時產量不到150kg/h，距離規(guī)模化生產的產量要求相差較大。二是能耗高。粉料在螺旋擠壓成型前先要經過電加溫預熱，擠壓成型過程的噸料電耗就在90kWh以上。三是易損件壽命短。國產設備主要工作部件——螺桿的最高壽命不超過500h，距離國際先進水平1000h以上還有不小的差距。四是原料要求苛刻。螺旋擠壓成型機采用連續(xù)擠壓，成型溫度通常調整在220—280℃之間。為了避免成型過程中原料水分的快速汽化造成成型塊的開裂和“放炮”現象發(fā)生，一般要將原料含水率控制在8%～12%之間，所以對有的物料要進行預干燥處理，增加了加工成本。這一點，對于移動式的成型燃料加工系統(tǒng)來說是一個致命傷，因為與旋擠壓成型工藝相銜接還需有配套的烘干機。
3.2.2活塞沖壓技術
這種設備的優(yōu)點是成型密度較大，允許物料水分高達20%左右；但因為是油缸往復運動，間歇成型，生產率不高，產品質量不太穩(wěn)定，不適宜炭化�；钊降某尚湍Ｇ蝗菀啄p，一般lOOh要修一次，有的含Si02少的生物質材料可維持300h。
另據報道，2003年，河南農業(yè)大學承擔完成了科技部研究項目“秸稈壓塊成型燃料產業(yè)化生產的可行性研究”，開發(fā)了HPB-Ⅲ型液壓驅動式秸稈成型機，采用活塞套筒雙向擠壓間歇成型。生產率為400kg/h；噸料成型電耗為60kWh/t左右。
另外北京三升集團研發(fā)了機械傳動、活塞擠壓成型技術，在工業(yè)化生產中密度飼料塊的同時，還生產高密度(>900kg/m3)的燃料塊。
3.2.3輥模擠壓技術
生物質顆粒燃料的輥模擠壓成型技術是在顆粒飼料生產技術基礎上發(fā)展起來的，二者的主要區(qū)別在于纖維性物料含量的多少和成型密度的高低。用輥模擠壓式成型機生產顆粒成型燃料一般不需要外部加熱，依靠物料擠壓成型時所產生的摩擦熱，即可使物料軟化和黏合。對原料的含水率要求較寬，一般在10%~40%之間均能成型，最佳水分成型條件為18%左右。相比于螺旋擠壓和活塞沖壓而言，輥模擠壓成型法對物料的適應性最好。因此，國內一些生產秸稈顆粒飼料的企業(yè)在生產顆粒飼料的同時也生產顆粒燃料，以提高設備的利用率。
以國內知名飼料機械生產企業(yè)——為代表的我國飼料機械業(yè)界，目前在環(huán)模制粒機和平模制粒機的設計、制造方面，已積累了豐富的經驗，某些方面已達到世界先進水平。在生物質顆粒成型燃料加工機械的研發(fā)方面也進行了多年的探索，并取得了可喜的成績。
3.2.4環(huán)模擠壓成型技術
1994—1998年，江蘇正昌集團公司聯合中國林科院林產化學工業(yè)研究所承擔了國家林業(yè)局下達的項目“林業(yè)剩余物制造顆粒成型燃料技術研究”。該項目以生產的KYW32型環(huán)模式飼料顆粒機為基本結構，研究成功了以木屑和刨花粉為主要原料的顆粒燃料成型機，臺時產量在250kg/h左右，產品規(guī)格：直徑6×10-3111，長度為(8—15)×10m，顆粒密度>1000kg/m3，其熱值為4800kcal/kg左右。產品質量達到日本”全國燃料協(xié)會”公布的顆粒成型燃料標準的特級或一級。但是由于當時在材料和加工工藝等方面的原因，主要易損件環(huán)模在面對粗纖維物料時，暴露出了使用壽命短的缺陷。使用成本高，成為環(huán)模式制粒機難以在生物質成型燃料領域大面積推廣的重要原因。但是，該項目的開展，為我國今后在輥模擠壓成型燃料技術的發(fā)展打下丁良好的基礎。
3.2.5平模擠壓成型技術
由于在平模制造工藝水平和主要加工物料對象方面與國外的差距等原因，以前國內在對平模式制粒機的研究方面不夠深入，國內能生產的最大平模直徑只有400mm。2000年，農業(yè)部南京農業(yè)機械化研究所承擔了農業(yè)部引進國際先進農業(yè)科學技術項目（簡稱“948”項目卜—秸稈顆粒飼料加工技術與設備的引進，在引進國際上著名的德國卡爾公司(Kahl)的38-780型大型平模式制粒機的基礎上，結合我國實際，又進行了多處技術改進和創(chuàng)新。2003年12月，該項目通過了農業(yè)部“948”項目辦公室的驗收。
與其他生物質成型顆粒（塊）加工技術相比，大型平模式制粒機的優(yōu)點在于：一是原料適應性廣。平模式制粒機的壓制室空間較大，可采用大直徑壓輥，因而能將諸如秸稈、干甜菜根、稻殼、木屑等體積粗大、纖維較長的原料強行壓碎后壓制成粒，對原料的粉碎度要求降低了。另外，平模式制粒機在壓縮纖維性物料時，原料水分在15%—25%(最佳18%左右)都能被壓縮成型，大多數情況下，不需要對原料進行干燥。二是產量大。經江蘇省農機鑒定站檢測，SZLP-780型平模制粒機在以100%苜蓿草粉為原料時，產量可達2100kg/h，在此后進行的以木屑為原料的制粒試驗時，當成型顆粒密度在1100kg/m3時，產量達到1500kg/h，是國內現有成型顆粒燃料加工設備所達到的最大產量。三是噸料耗電低。一方面，平模式制粒機由于壓制室空間大、壓輥直徑大的原因，能將粒度相當大的原料制成顆粒，因而能克服環(huán)模擠壓制粒機和螺旋式擠壓機在這方面的局限，減少了物料在粉碎工段的能耗；另一方面，與環(huán)模制粒機相比，平模的�？讕娣e比值高，出料孔多，而且出料顆粒密度和大小比較一致。四是輥模壽命長。由于工作原理的差異，平模式制粒機壓輥的線速度比環(huán)模式的低，因而輥、模的磨損比較慢。而且，平模在一側面工作面磨損后可翻過來使用另一側面，可以提高使用壽命。五是成型密度可調。壓輥和壓模之間的工作間隙和壓力可通過液壓式中央螺母調節(jié)裝置使壓輥同步升降，操作簡單省時，既可生產中低密度的顆粒飼料，也可生產較高密度的顆粒燃料，一機多用。
4、生物質成型燃料的發(fā)展趨勢
進入21世紀以來，人們愈加感覺到石化能源漸趨枯竭，在對可持續(xù)發(fā)展、保護環(huán)境和循環(huán)經濟的追求中，世界開始將目光聚焦到了可再生能源與材料，“生物質經濟”已經浮出水面。以生物能源和化工產品生產為主的生物質產業(yè)正在興起，引起了世界各國政府和科學家的關注。許多國家都制定了相應的計劃，如日本的“陽光計劃”、美國的“能源農場”、印度的“國家戰(zhàn)略行動”等，2005年“可再生能源法”在我國正式頒布實施。所有這些，預示著各國在包括生物質成型燃料開發(fā)在內的生物質技術領域的競爭進入一個白熱化時代。
雖說生物質產業(yè)是世界發(fā)展之大勢和新興的朝陽產業(yè)，但其當前成本與價格尚難與石油基產品競爭，這一點對于成型燃料來說，表現得尤其明顯。因此，以降低儲運成本和壓縮成型成本為目的，尋求技術上的創(chuàng)新、突破，成為生物質成型燃料領域最大的命題；降低顆粒燃料的噸料能耗、降低設備的使用成本，也成為設備研發(fā)所追求的最大目標。
在生物質固化成型技術裝備的研究開發(fā)方面，國內外的發(fā)展趨勢是裝備生產專業(yè)化、產品生產批量擴大化、生產裝備系列化和標準化。在國內，尤其應在設備實用性、系列化上下功夫，不斷降低成本并提高技術水平，為21世紀大規(guī)模開發(fā)利用生物質能提供必要的技術儲備。
5、生物質成型燃料加工設備的設計要點
5.1生物質成型燃料加工設備的原料適應性
國內生物質成型燃料是以枝條、樹皮、秸稈等農林剩余物為原料，這些原料來源廣泛、分散、種類多、質地不統(tǒng)一。原料來源的多、雜、散等特點，決定了成型燃料加工技術與裝備的設計必須做到滿足原料來源的廣泛性、多樣性和方便靈活性。在具體成型燃料加工技術與裝備的設計時必須在充分考慮生物質原料特點的基礎上，保證生物質原料的粉碎細度達到成型的要求和燃料成型的密度；成型設備的有關模板、�？�、壓輥等成型關鍵部件，在盡可能滿足噸料加工能耗較少、加工關鍵設備使用壽命較長、加工的成型燃料性能具有較好的燃燒性能的要求下，應具有實用性、適應性和經濟性。
1)生物質原料壓縮特性。粉碎后的生物質原料（秸稈）在壓縮過程中，是在一定壓力下，通過秸稈的塑性變形和其本身的木質素軟化固化成型的。在壓縮過程中可分為3個階段：松軟階段、過渡階段和壓緊階段。在壓力較小時，成型密度隨壓力的增大顯著增大，但達到壓緊階段后，變化緩慢，趨于常數。一般情況下，在壓力為85MPa時，制粒的成型效果就較好，將壓力控制在85～100MPa范圍內就可以達到較理想的成型要求。同時通過試驗，探索了生物質壓縮力和壓縮密度的關系，確定了壓縮力、壓縮密度、壓縮量的關系；
2)生物質原料的特性對成型的影響。生物質原料具有流動性差、相互牽連力較大的特性，是成型喂入和壓縮的瓶頸。對于不同的原料、不同的含水率、不同的粒度，壓縮特性有很大的差異，并對成型過程和產品質量有很大的影響。當原料水分過高時，加熱過程中產生的蒸汽不能順利地從燃料中心孔排出，造成表面開裂，嚴重時產生爆鳴。但含水率太低，成型也很困難，這是因為微量水分對木素的軟化、塑化有促進作用。成型原料的含水率一般在16%左右。植物秸稈易壓縮，在壓力作用下變形較大，壓縮比在9～12之間，木屑廢料較難壓縮，壓縮比在5～9之間。粒度小的原料輕易成型，粒度大的較難壓縮。試驗與研究的結果表明，生物質的特性對于解釋和說明物質的機械變化過程很有價值。
3）成型能耗。對于生物質成型燃料加工系統(tǒng)來說，能耗是一個非常重要的性能指標，能耗是指在單位時間內生產成型燃料所消耗的能量與該時間內生產的成型燃料質量的比值。壓縮成型的能耗主要包括三部分：原料喂人所消耗的能量；物料與成型部件內壁摩擦所消耗的能量；克服物料彈性變形所需的能量。影響成型機能耗的主要因素有：成型燃料的密度，生產率，物料的種類，粒度和含水率等。
5.2生物質成型燃料加工設備的先進性與性價比
生物質成型燃料加工技術與設備先進程度的高低必須與其性價比有機地結合起來綜合考慮。單一講究技術和設備的先進性，不考慮技術的投入成本和市場的接受程度，不考慮技術和設備的性能與市場接受的價格合理之比，再先進的技術在市場上如得不到應用，也得不到用戶的認可，這種技術起碼可以說是不完全適用的技術。生物質成型燃料加工技術與裝備的先進性主要體現在以下幾方面：一是理想的噸料加工耗能量；二是適度的關鍵部件的使用壽命；三是良好的產品結構組成；四是合理的加工工藝路線等等。因此，在研究和設計生物質成型燃料加工技術和加工設備時，要在盡可能低的噸料耗能的前提下，使得產品的結構優(yōu)化與合理，在產品得到較高的使用壽命的基礎上，保證產品的價格盡可能適應市場的接受程度，使生物質成型燃料加工技術與裝備的先進性與產品的性價比有機結合與統(tǒng)一，以利于推廣應用。
富通新能源生產銷售的木屑顆粒機、秸稈顆粒機專業(yè)壓制生物質成型顆粒燃料。
