[科普中国]-生物质固化成型燃料技术现状及前景分析

生物质固化成型燃料技术是在一定温度和压力作用下，将各类分散的、没有一定形状的农林生物质经过收集、干燥、粉碎等预处理后，利用特殊的生物质固化成型设备挤压成规则的、密度较大的棒状、块状或颗粒状等成型燃料，从而提高其运输和贮存能力，改善秸秆燃烧性能，提高利用效率，扩大应用范围。生物质原料挤压成型后，密度可达0.8—1.3吨／立方米，热值可达15～17兆焦／千克，燃烧特性明显改善，且贮存、运输、使用方便，是在一定领域代替煤炭的理想燃料。生物质固化成型燃料可以部分替代煤炭、燃气等作为民用燃料进行炊事、取暖等，也可作为工业锅炉或生物质发电站的燃料。我国生物质固化成型燃料技术起步较晚，但发展迅速。目前，北京、河南、河北、山东、江苏、安徽、辽宁、吉林、黑龙江等省、直辖市推广生物质固化成型燃料技术较多，据不完全统计，推广使用的各类固化成型燃料设备约有30多处(不含机制木炭)，其中包括部分由生产饲料转制生产燃料的企业，年总生产能力约5万～6万吨。(一)国内外技术研发现状1．国外技术研发现状 早在20世纪30年代，美国就开始研究固化成型燃料技术并研制了螺旋式成型机。在1976年，开发出了生物质颗粒燃烧设备。日本于20世纪50年代引进固化成型技术后进行了改进，发展成了日本固化成型燃料的工业体系，研制出了棒状燃料成型机及相关的燃烧设备。20世纪70年代后期，由于出现世界能源危机，石油价格上涨，欧洲许多国家如芬兰、比利时、法国、德国、意大利等也开始重视固化成型燃料技术的研究。当前，日本、美国及欧洲一些国家生物质固化成型燃料燃烧设备已经定型并形成了产业，在加热、供暖、干燥、发电等领域普遍推广应用。在亚洲，泰国、印度、菲律宾等国家从20世纪80年代开始先后研制成了加黏结剂和不加黏结剂的生物质固化成型机。目前，国外生物质固化成型燃料技术的成型设备主要有四种，即环模颗粒成型机、螺杆挤压成型机、机械驱动冲压成型机和液压驱动冲压成型机。原料以木屑等林业废弃物为主，欧美国家一般不利用秸秆作原料生产成型燃料。国外成型燃料的发展大体分为三个阶段。20世纪30年代至50年代为研究、示范、交叉引进阶段，研究的着眼点以代替化石能源为目标。20世纪70年代至90年代为第二阶段，各国普遍重视了化石能源对环境的影响，对数量较大的、可再生的生物质能源产生了兴趣，开展生物质固化成型燃料的研究，到90年代，欧洲、美洲和亚洲的一些国家在生活领域中比较大量地应用生物质固化成型燃料。20世纪90年代后期至今为第三阶段，首先以丹麦为首开展了规模化利用的研究工作，丹麦著名的能源投资公司BWE率先研制成功了第一座生物质固化成型燃料发电厂，随后瑞典、德国、奥地利等国先后开展了利用生物质固化成型燃料发电和作为锅炉燃料研究，丹麦已经建立了130座发电厂。目前，美国已经在25个州兴建了树皮成型燃料加工厂，每天生产燃料超过300吨。但生物质固化成型燃料以欧洲的一些国家如丹麦、瑞典、奥地利发展最快。例如，瑞典人均生物质固化成型燃料消耗量达到160千克／年。欧洲现有近百家生物质固化成型燃料加工厂，农场以秸秆为原料，靠近城市的加工厂以木屑为原料。南非在2003年建成了4座以木柴加工废弃物为原料，年产量达到20万吨的成型燃料加工厂。总之，国外生物质固化成型燃料技术发展有如下特点：原料以木屑等林业废弃物为主，一般不利用农作物秸秆；生产技术大部分已经成熟，并达到规模化和商品化；成型燃料的用途已经由烧壁炉等生活用能为主转向了生产应用；设备制造比较规范，但能耗高，价格高。2．我国技术研发现状(1)研发现状。我国从20世纪80年代起开始致力于生物质固化成型燃料技术的研究，主要引进韩国、日本、中国台湾等成套设备。随后，荷兰、比利时等国家的技术和设备也相继引入我国，并以螺杆成型机为主。1999年，辽宁省能源研究所承担的“九五”国家科技攻关(重点)项目“秸秆的能源转化与利用综合系统”——生物质固化成型机组通过省级技术和投产鉴定，标志着我国棒状生物质固化成型燃料生产设备达到国际先进水平。随后，河南农业大学、中国林业科学研究院林产化学工业研究所等单位也推出了类似的产品。21世纪初，河南农业大学等又推出活塞冲压式成型设备，辽宁省能源研究所则在国内率先推出产量大、能耗低、原料适应性广的颗粒燃料设备。不久前，该所又成功研制开发出可移动生物质固化成型燃料设备。至此，我国已成功研制出各种类型的生物质固化成型燃料生产设备。(2)各类型设备性能介绍。①活塞冲压式成型机。该机由河南农业大学和中国农业机械化科学研究院研制。河南农业大学率先对冲压式生物质固化成型设备进行了应用研究，所设计的往复式活塞双向挤压成型机具有创新性。生产试验和分析结果表明：该成型机可显著提高易损件的使用寿命，降低单位产品能耗，工作平稳，成型可靠，成本低，投入回收期短，经济效益和环保效益明显，生产以秸秆为主的生物质原料，推广前景广阔。但该类型设备所生产的燃料密度比较小。②螺旋挤压式成型机。中国林业科学研究院林产化学工业研究所率先开始研制螺旋挤压式棒状燃料成型机，主要由加热装置、螺旋挤压装置和控制装置组成。但这些设备存在着一些诸如成型筒及螺旋轴磨损严重、寿命较短、电耗大等缺点。1999年辽宁省能源研究所成功研制开发生物质固化成型机组，该机组包括干燥、成型、炭化等设备。2005年又研制开发了BIO—37型生物质固化成型机，该机产量可达到500千克／时，是目前国内产量最大的固化成型设备。使用该设备可以大大减少人工成本，提高经济效益。③压辊式颗粒成型机。北京老万生物质能科技有限公司从2000年开始研发农作物秸秆类生物质颗粒燃料，其固化成型技术主要从瑞典引进。但是在生物质颗粒燃料加热成型过程中，能量消耗较大。为了降低颗粒燃料成型的能耗，辽宁省能源研究所研制开发了BIO—C55型颗粒燃料生产设备，这是一种在常温下生产颗粒燃料的成型机，采用环模压辊式结构，由一台55千瓦的主电机驱动环模和压辊执行颗粒成型的挤压，通过调整上料电机的转速而实现供料量的控制，颗粒燃料的生产效率可达到700—900千克／时。另外，通过对不同物料成型机理的研究，总结出不同物料不同含水率情况下最佳的成型条件。该成果已通过了省级科技成果鉴定。④环模挤压成型。主要有两种，一种采用内环模压辊挤压成型，一种采用双环模对辊挤压成型，这两种都是由饲料成型设备改进而来。前者以北京盛昌绿能科技有限公司改进美国技术为代表，是目前欧美国家的主流技术，设备采用常温成型，适用原料为秸秆、木屑等各种农林废弃物；产品为颗粒状及方块状，设备生产能力1～4吨，环模工作寿命约600小时，根据配置其售价30万～60万元／套。在北京市大兴区礼贤镇建有年产2万吨的示范工厂。后者以国能惠远公司为代表，常温成型，主要适用原料为木屑，过于干燥不易成型，成型后需要干燥处理，有黏结剂易于成型，产品为颗粒状，生产能力约300～500千克／时，模具工作寿命约400小时，售价约30万元／套。北京怀柔区建有示范工厂。⑤平模挤压成型。由饲料成型设备改进而成，以吉林华光研究所为代表。设备采用常温成型，主要适用原料为木屑等，产品颗粒状，设备生产能力50～300千克／时，平模工作寿命约400小时，售价5万～15万元／套。在国内有少量应用。总体来说，我国的生物质固化成型燃料有如下特点：在全国范围内，还处于研究示范试点阶段，设备的技术原理比较先进，成本低廉，适合我国国情；规模化和市场化较差；管理不规范，支持政策缺乏，推广速度缓慢。编辑：张琳霞审核专家：省农业生态环境建设总站研究员   刘文涌