生物質(zhì)固化成型設(shè)備的最新研究進(jìn)展

郝永俊，張曙光，王 剛，劉彥博，張秀璋

（1．天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072；2．天津泰達(dá)環(huán)保有限公司，天津 300350）

生物質(zhì)固化成型設(shè)備的最新研究進(jìn)展

郝永俊1，2，張曙光2，王 剛2，劉彥博2，張秀璋2

（1．天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072；2．天津泰達(dá)環(huán)保有限公司，天津 300350）

闡述了生物質(zhì)固化成型工藝的研究現(xiàn)狀及影響因素，對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)成型設(shè)備的技術(shù)性能進(jìn)行了分析和比較，對(duì)應(yīng)用狀況進(jìn)行了總結(jié)和評(píng)述，對(duì)制約其利用的方面提出了初步的解決方案；并討論了我國(guó)生物質(zhì)成型技術(shù)的發(fā)展前景。

生物質(zhì)；生物質(zhì)成型；成型設(shè)備

2009年的哥本哈根國(guó)際氣候會(huì)議上提出了“減少碳足跡”的倡議，我國(guó)承諾2020年單位生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%、非化石能源占一次能源消費(fèi)比例達(dá)到15%左右，而2009年這一比例僅為7．44%。2009年我國(guó)能源消費(fèi)總量約為31億t標(biāo)準(zhǔn)煤，其中水電、核電、風(fēng)電等非化石能源消費(fèi)量約為2．3億t標(biāo)準(zhǔn)煤，約占能源消費(fèi)總量的7%，而作為僅次于煤炭、石油和天然氣的世界第4大能源的生物質(zhì)能的利用卻不足1%。

隨著《可再生能源法》和相關(guān)可再生能源電價(jià)補(bǔ)貼政策的出臺(tái)和實(shí)施，我國(guó)生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)全面加速的發(fā)展態(tài)勢(shì)。截至2009年底，國(guó)內(nèi)有生物質(zhì)固體成型燃料生產(chǎn)廠260余家，生產(chǎn)能力約76．6萬(wàn)t/a，秸稈直燃發(fā)電總裝機(jī)容量為265萬(wàn)kW。但是生物質(zhì)直接燃燒效率不高，熱效率僅為10%～30%，而生物質(zhì)壓制成型燃料的燃燒效率可達(dá)90%。但我國(guó)生物質(zhì)固體成型的研究起步較晚，投入較少，成型設(shè)備穩(wěn)定性和可靠性較低，制約了我國(guó)生物質(zhì)能源的發(fā)展。

1 生物質(zhì)固化成型技術(shù)

1.1 生物質(zhì)固化成型國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外生物質(zhì)成型燃料開(kāi)發(fā)工作始于20世紀(jì)30年代，目前，日本、美國(guó)及歐洲一些國(guó)家的生物質(zhì)成型燃料設(shè)備已經(jīng)定型。我國(guó)生物質(zhì)固體成型的研究起步較晚，始于20世紀(jì)80年代。近年來(lái)加大了這方面的投入，水平也有了很大提高。研制開(kāi)發(fā)的適宜于農(nóng)作物秸稈的HM-485型環(huán)模式成型機(jī)，生產(chǎn)率達(dá)1．5 t/h，關(guān)鍵部件壽命達(dá)400 h以上，已達(dá)到國(guó)際同類產(chǎn)品先進(jìn)水平。利用該技術(shù)工藝和設(shè)備已在北京市大興區(qū)建成了年產(chǎn)2萬(wàn)t的生物質(zhì)固體成型燃料生產(chǎn)線并投產(chǎn)運(yùn)行，截至2009年12月，已累計(jì)生產(chǎn)和銷售秸稈固體成型燃料1．23萬(wàn)t。

1.2 生物質(zhì)固化成型的影響因素

影響生物質(zhì)燃料固化成型的因素主要有生物原料、成型壓力、成型溫度、成型方式［1］、成型過(guò)程的滯留時(shí)間［2］、黏結(jié)劑等。黏結(jié)劑使生物質(zhì)更易成型，也可以使成型塊維持致密的結(jié)構(gòu)和既定的形狀。目前常用的黏結(jié)劑有石英砂、粉煤灰、淀粉、廢紙漿等。針對(duì)現(xiàn)在的添加劑或者價(jià)格太高或者可能造成污染，可以利用處理污水得到的污泥作為秸稈壓制中的黏結(jié)劑［3-4］，因?yàn)樗俏⑸锿ㄟ^(guò)胞外多聚物黏結(jié)而成的絮狀物，而胞外多聚物的主要成分為糖類、脂肪和蛋白質(zhì)等，它可增強(qiáng)物料顆粒之間的相互黏結(jié)性，既有效地利用了污泥，又達(dá)到了以廢治廢的目的。

2 生物質(zhì)固化成型工藝

2.1 生物質(zhì)固化成型的工藝分類

根據(jù)主要工藝特征的差別，國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)生物質(zhì)固化燃料的工藝大致可劃分為冷壓（濕壓）成型、熱壓成型和炭化成型3種主要形式。

不管是冷壓成型還是熱壓成型，在實(shí)際生產(chǎn)中都發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)成型耗能主要分布在粉碎和成型2個(gè)環(huán)節(jié)上，以1臺(tái)處理能力為2 t/h的成型設(shè)備為例，配置相應(yīng)的電力成型設(shè)備，按成型固體計(jì)算，平均耗電達(dá)1．5 kW·h/kg。若借鑒制繩的絞制機(jī)械裝置，固化制取繩狀秸稈束，則相同產(chǎn)量的鉸制秸稈成型設(shè)備的電力配置是粉碎固化秸稈固體成型設(shè)備的1/4［5］，以達(dá)到低能耗固化儲(chǔ)運(yùn)的目的。

意大利研發(fā)出的ETS新型木質(zhì)顆粒制粒生產(chǎn)系統(tǒng)是一種常溫成型技術(shù)，對(duì)原料的濕度適應(yīng)性強(qiáng)，濕度為10%～35%，所以大部分原料不需要干燥即可直接用于制粒；成粒時(shí)機(jī)器的升溫只有10～15℃，壓制出的顆粒溫度一般只有55～60℃，所以無(wú)須冷卻即可直接進(jìn)行包裝，這樣就可以省掉干燥和冷卻2道工序，ETS系統(tǒng)在整個(gè)制粒過(guò)程的單位能耗為25～60 kW·h/t，而傳統(tǒng)工藝的單位能耗為80～180 kW·h/t，單位能耗減少60%～70%，且機(jī)器磨損也大大減小，總成本降低很多。

2.2 生物質(zhì)固化成型常用設(shè)備

按成型加壓的方法不同來(lái)區(qū)分，技術(shù)較為成熟、應(yīng)用較多的成型燃料加工技術(shù)有輥模擠壓式、活塞沖壓式、螺旋擠壓式等。輥模擠壓式成型機(jī)采用的是冷壓成型工藝，活塞沖壓式、螺旋擠壓式成型機(jī)采用的是熱壓成型工藝。

2.2.1 螺旋擠壓成型設(shè)備

螺旋擠壓成型機(jī)是開(kāi)發(fā)最早，當(dāng)前應(yīng)用最為普遍的設(shè)備，它利用螺桿擠壓生物質(zhì)，靠外部加熱。螺旋擠壓成型機(jī)工作時(shí)要求溫度在150～300℃，原料含水率8%～12%，原料粒度小于40 mm。螺旋擠壓機(jī)的生產(chǎn)能力多在100～200 kg/h，單位能耗為70～120 kW·h/t，產(chǎn)品成型密度一般在1 100～1 400 kg/m3，產(chǎn)品規(guī)格為50～70 mm的棒狀。

螺旋擠壓成型機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)行平穩(wěn)，連續(xù)成型，成型品質(zhì)量好，成型壓力可通過(guò)調(diào)整螺桿的進(jìn)套尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)。缺點(diǎn)：①單位產(chǎn)品能耗高，一般2 t秸稈才能生產(chǎn)出1 t壓塊成品；②產(chǎn)品成本較高，以當(dāng)前設(shè)備生產(chǎn)的成本價(jià)格計(jì)算，固定成本在280元/t以上。

螺旋擠壓成型機(jī)使用時(shí)成型部件磨損嚴(yán)重，尤其是螺桿，耐熱材料使用時(shí)間不超過(guò)80 h，新的造價(jià)高達(dá)1 000元/個(gè)，這嚴(yán)重阻礙了螺旋擠壓成型機(jī)的規(guī)?；l(fā)展，可將整體螺桿分拆為螺桿頭和螺桿主體2部分，通過(guò)更換螺桿頭來(lái)達(dá)到降低生產(chǎn)磨損的目的［6］，不但更換更方便，而且可以節(jié)省設(shè)備更新成本。

2.2.2 活塞沖壓成型設(shè)備

活塞沖壓成型設(shè)備按驅(qū)動(dòng)動(dòng)力可以分為2類，機(jī)械驅(qū)動(dòng)活塞式成型機(jī)和液壓驅(qū)動(dòng)活塞式成型機(jī)?；钊麤_壓成型機(jī)工作時(shí)允許物料水分高達(dá)20%左右，單位能耗在80～140 kW·h/t，使用壽命在200 h以上，產(chǎn)品是密度介于0．8～1．1 g/cm3的塊狀或條棒狀。

活塞沖壓成型設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)：明顯改善了成型部件磨損嚴(yán)重的問(wèn)題，成型密度較大，原料不需要加熱烘干，產(chǎn)品成本較低。缺點(diǎn)：產(chǎn)品質(zhì)量不太穩(wěn)定，機(jī)器運(yùn)行穩(wěn)定性差，噪音較大，潤(rùn)滑油污染嚴(yán)重，成型模腔容易磨損，一般使用100 h就要修1次，含SiO2少的生物質(zhì)材料可維持300 h，生產(chǎn)率比螺桿式高，不過(guò)還是偏低，僅為300 kg/h，而且其造價(jià)高達(dá)10萬(wàn)元/臺(tái)。

2.2.3 輥模擠壓成型設(shè)備

輥模擠壓成型機(jī)一般不需要外部加熱，依靠物料擠壓成型時(shí)所產(chǎn)生的摩擦熱，即可使物料軟化和黏合。輥模擠壓成型機(jī)主要生產(chǎn)顆粒成型燃料，成型時(shí)要求含水率在10%～40%，以當(dāng)前設(shè)備生產(chǎn)的成本價(jià)格計(jì)算，固定成本約150～200元/t［7］。

與螺旋擠壓式和活塞沖壓式成型技術(shù)相比較，模輥式成型技術(shù)工藝實(shí)現(xiàn)了自然含水率生物質(zhì)不用任何添加劑常溫下壓縮成型，生產(chǎn)率較高，具備了規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的條件；但還是存在產(chǎn)品的耐濕性較差，遇水容易松散，設(shè)備的能耗較高，模具磨損較為嚴(yán)重的問(wèn)題。

國(guó)外模輥式成型機(jī)設(shè)備自動(dòng)化程度高，生產(chǎn)技術(shù)大部分已經(jīng)成熟。瑞士的Buhlwelwe公司、英國(guó)的UMT Andritz Group公司、丹麥的Sprout-Matador公司以及瑞典的Power Chippers AB公司等多采用模輥式成型技術(shù)生產(chǎn)生物質(zhì)固體成型機(jī)，關(guān)鍵部件壽命達(dá)到1 000 h以上，生產(chǎn)率達(dá)到2 t/h以上，并實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；蜕唐坊a(chǎn)。

3 適合我國(guó)國(guó)情的生物質(zhì)成型設(shè)備

目前，雖然我國(guó)上馬了很多生物質(zhì)電廠，但由于生產(chǎn)成本太高，生物質(zhì)電廠需要國(guó)家大量的補(bǔ)貼以維持運(yùn)營(yíng)。收運(yùn)體系中秸稈存在的問(wèn)題，使發(fā)電廠的運(yùn)營(yíng)成本大大增加，如果能改變秸稈的形態(tài)，既可降運(yùn)輸成本，也便于存放，既節(jié)約了土地和廠房，也使發(fā)電廠的成本下降。所以我國(guó)需要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用、易操作的設(shè)備，使用費(fèi)用低。就我國(guó)的國(guó)情而言，需要的設(shè)備應(yīng)以中小型為主，自動(dòng)化程度不必太高，便于搬運(yùn)，方便農(nóng)民自行操作使用，便于在田間就地使用［8-9］。

但現(xiàn)在成型機(jī)多以木屑等林業(yè)剩余物為主要原料，且設(shè)備價(jià)格高，并不適合我國(guó)以秸稈為原料的國(guó)情。目前市場(chǎng)上開(kāi)發(fā)出了秸稈成型機(jī)如秸稈壓塊機(jī)，對(duì)莖稈類生物質(zhì)進(jìn)行壓塊，塊體密度為 0．6～1．0 g/cm3，滿足了商品化的要求。

為了適應(yīng)市場(chǎng)的需求，目前開(kāi)發(fā)出了生物質(zhì)常溫固化成型技術(shù)（＜40℃） （簡(jiǎn)稱CZSN技術(shù)），即在常溫下把粉碎后的生物質(zhì)材料壓縮成熱值達(dá)11 913～18 810 kJ/kg的高密度成型燃料，由于生產(chǎn)過(guò)程中不需要加熱，所以能耗比同類產(chǎn)品降低50%，成型設(shè)備體積減少70%，綜合生產(chǎn)成本降低60%以上。并且CZSN成型設(shè)備只用一臺(tái)機(jī)器，可大可小，移動(dòng)與操作非常簡(jiǎn)便，可在農(nóng)村建立各種規(guī)模的加工廠，還可與聯(lián)合收割機(jī)配套使用，直接將原料壓縮成固體顆粒。

北京慧眾實(shí)科技有限公司研制開(kāi)發(fā)了車載式生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)（簡(jiǎn)稱Highzones技術(shù)），實(shí)現(xiàn)了生物質(zhì)常溫壓縮成型設(shè)備的小型化和移動(dòng)化，同時(shí)若與聯(lián)合收割機(jī)配套，可以實(shí)現(xiàn)能源與糧食一起收獲。它利用生物質(zhì)材料中纖維素分子團(tuán)在剪切力的作用下錯(cuò)位、變形、延展成薄片，較小的壓力下即可重新組合成型的原理。該技術(shù)既可解決松散狀生物質(zhì)能應(yīng)用的收集半徑問(wèn)題，又大大降低了壓縮成型燃料的綜合成本，解決生物質(zhì)能大規(guī)模應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性問(wèn)題。

4 生物質(zhì)固化成型設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)

生物質(zhì)成型燃料加工裝備的先進(jìn)性主要體現(xiàn)在以下方面：①理想的加工耗能量；②適當(dāng)?shù)年P(guān)鍵部件的使用壽命；③良好的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成等。

綜合來(lái)看，我國(guó)生物質(zhì)固化成型技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向主要有：①大力發(fā)展便于在生物質(zhì)原料產(chǎn)地推廣使用的成型設(shè)備［10］，消除生物質(zhì)燃料規(guī)?；瘧?yīng)用中存在的收、運(yùn)、儲(chǔ)存成本高這一“瓶頸”；②加大生物質(zhì)致密成型設(shè)備的基礎(chǔ)研究，改變成型方式，盡可能以常溫固化成型技術(shù)為主，解決關(guān)鍵部件的材料失效問(wèn)題，減少成型時(shí)的能量損耗，增加成型模具的使用壽命，降低成本。

［1］何元斌．生物質(zhì)壓縮成型燃料及成型技術(shù)（一）［J］．農(nóng)村能源，1995（5）：12-14．

［2］李源，張小輝，郎威，等．生物質(zhì)固化成型技術(shù)的研究進(jìn)展［J］．沈陽(yáng)工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，5（4）：301-304．

［3］郝永俊，張曙光，高亮，等．一種復(fù)合式生物質(zhì)壓制成型設(shè)備：中國(guó)，200910250089．6［P］．2011-04-27．

［4］郝永俊，張曙光，高亮，等．兩步式生物質(zhì)壓制成型設(shè)備：中國(guó)，200920293524．9［P］．2010-08-25．

［5］姜敬祿．鉸制機(jī)械在秸稈類生物質(zhì)能壓縮儲(chǔ)運(yùn)中的應(yīng)用［J］．現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2010（12）：226-227．

［6］王森．新型螺桿擠壓式生物質(zhì)成型機(jī)的優(yōu)化與設(shè)計(jì)［D］．鄭州：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2008．

［7］陳乃超，馮巧波．生物質(zhì)電廠燃料成型設(shè)備的技術(shù)現(xiàn)狀［J］．上海電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，26（3）：227-229．

［8］張艷麗，王飛，趙立欣，等．我國(guó)秸稈收儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)模式、存在問(wèn)題及發(fā)展對(duì)策［J］．可再生能源，2009，27（1）：1-5．

［9］丁翔文，張樹(shù)閣，李吉．黃淮海地區(qū)小麥玉米農(nóng)作物秸稈能源化利用收加儲(chǔ)運(yùn)模式實(shí)驗(yàn)研究［J］．中國(guó)農(nóng)機(jī)化，2010（4）：14-19．

［10］孔雪輝，王述洋．生物質(zhì)燃料固化成型設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)［J］．機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2010，23（2）：12-13．

The Latest Research Progress on Biomass Curing Equipments

Hao Yongjun1,2,Zhang Shuguang2,Wang Gang2,Liu Yanbo2,Zhang Xiuzhang2
（1．School of Environmental Science and Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072;2．Tianjin Teda Environmental Protection Co．,Ltd,Tianjin 300350）

Research status and influencing factors of biomass curing technology were expounded．Technical performances of biomass curing equipments at home and abroad were analyzed and compared,its application status was summarized and commented,preliminary solution of its restriction in application was put forward,and its development prospects in China were discussed．

biomass；biomass curing；curing equipment

TQ330．4；S216．2

A

1005-8206（2011） 04-0044-03

2011-01-20

郝永俊（1975—），天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院在站博士后，現(xiàn)供職于天津泰達(dá)環(huán)保有限公司。

E-mail：yongjunhao@sina．com。

（責(zé)任編輯：張藝）