生物质秸秆成型燃料的制备、应用与市场

周 斌，雷建国，魏 然

(1.四川理工学院材料与化学工程学院，四川 自贡 643000；2.四川雷鸣生物环保工程有限公司，四川 自贡 643000)

生物质秸秆成型燃料的制备、应用与市场

周 斌1，雷建国2，魏 然1

(1.四川理工学院材料与化学工程学院，四川 自贡 643000；2.四川雷鸣生物环保工程有限公司，四川 自贡 643000)

介绍了国内外生物质能源技术的应用及生物质燃料的研发制备情况，分析了目前生物质燃料制备技术、资源化利用的现状以及存在的问题，针对符合中国国情的生物质（秸秆）成型燃料生产技术及市场需求进行了分析探讨。

生物质;（秸秆）成型燃料;制备技术;市场需求

当前，环境问题和能源紧缺已对人类的生存和发展形成了严重挑战，石油、天然气、煤炭等化石燃料在日益剧烈的消耗中，不断污染环境。同时，化石燃料已不再是人类所能长久依赖的理想资源。近年来，我国的石油对外依存度在不断提高，能源安全问题凸显。因此为了保障国家能源安全，保持经济快速发展，只有积极发展包括生物质能源在内的替代能源，才能弥补快速扩大的石油供需缺口，才能有效解决区域性能源品种短缺问题，才能实现科学发展、清洁发展、安全发展和可持续发展。

根据生物学家估计，地球陆地每年生产1000～1250亿吨生物质；海洋每年生产500亿吨生物质。生物质能源的年生产量远远超过全世界总能源需求量，相当于世界总耗能的10倍。从补充和替代能源的角度讲，生物质能作为仅次于煤炭、石油和天然气的世界第四大能源，是替代由石油制取的汽油和柴油，成为可再生能源开发利用的重要方向。我国是一个农业大国，生物质资源极为丰富，开发利用潜力巨大。据专家测算，我国生物质能源每年可用总量折合标煤约5亿吨（其中农作物秸秆约有3亿吨，折合标煤约1.5亿吨），若能利用其一半，就相当于找到一个年产5000万吨石油的大油田。从环境保护的角度讲，合理利用农林生物质能源，不仅可减少农业秸秆、林业加工废弃物等自然腐烂所产生的CH4，也可避免就地焚烧而直接造成的环境污染；而且生物质本身N含量比煤少得多，这对于减少氮氧化物的生成非常有利；同时生物质本身含S量极低（一般少于0.1%），不到煤的1/10[1]，因此不需要烟气脱硫装置，既可降低成本，又有利于环境；燃烧过程中排放出的CO2与其生长过程光合作用中所吸收的一样多，实现了CO2的零排放；生物质燃料的使用还可降低重金属污染物的排放，并可间接减少因燃煤产生的废气、废渣等污染。因此，生物质能源是国际公认的清洁能源。

1 国内外生物质能源技术应用现状

受世界石油资源、价格、环保和全球气候变化的影响，20世纪70年代以来，许多国家日益重视生物燃料的发展，制定了相应的开发研究计划，并取得了显著的成效。如日本的阳光计划、印度的绿色能源工程、美国的能源农场和巴西的酒精能源计划等。其它诸如丹麦、荷兰、德国、法国、加拿大、芬兰等国，多年来一直也在进行研究与开发，并形成了各具特色的生物质能源研发体系，拥有各自的技术优势。目前，全球生物质能发电装机容量已超过5000万千瓦，可代替9000多万吨标准煤。其中美国生物质能发电在世界上处于领先地位，生物质能发电总装机容量超过1万兆瓦，占美国可再生能源发电装机容量的40%以上。有关资料显示，预计到2020年，西方发达国家15%的电力将来自生物质能发电。

近年来，我国高度重视生物质能源利用工作，相继出台了一系列政策法规，鼓励和支持相关产业的发展，中国科学院制定的2050年我国生物质资源科技发展路线图指出，中国要由生物质资源大国向生物质资源及生物经济强国转变，要实现大规模商业化应用生物质能源，以替代30%左右的石油进口，以生物质能源替代部分化石能源。为了促进可再生能源的发展，根据《可再生能源法》的要求，国家发展改革委已组织编制了《可再生能源中长期发展规划》，提出了2010年和2020年可再生能源发展目标和任务，其中生物质能是重要的发展领域。规划提出的全国生物质能开发利用的主要目标是：到2010年，生物质能发电装机容量达到550万千瓦，沼气年利用量达到190亿立方米，燃料乙醇年利用量达到200万吨，生物柴油年利用量达到20万吨，生物质固体成型燃料达到100万吨，建成50个绿色能源示范县。到2020年，生物质能发电装机容量达到3000万千瓦[2]，沼气年利用量达到400亿立方米，燃料乙醇年利用量达到1000万吨，生物柴油年利用量达到200万吨。生物质固体成型燃料达到5000万吨，绿色能源县普及到500个[3]。同时，为促进节能减排、加快建设节约型社会，我国政府又通过税收等多种方式，合理调节和支持生物质等可再生能源产业的发展，如对属于生物质能源的垃圾发电实行增值税即征即退政策、对生物质燃料发电实行电价补贴政策等。

我国生物质固体成型燃料技术得到明显的进展，生产和应用已初步形成了一定的规模。截至2009年底，国内有生物质固体成型燃料生产厂260余处，生产能力约76.6万吨/年。主要用于农村居民炊事取暖用能、工业锅炉和发电厂的燃料等。相当于替代38.3万tce，减少温室气体排放83万吨/年，为农民增收节支2.3亿元，社会、生态和环境效益显著[4]。

2 我国生物质成型燃料制备技术的特点及存在的问题

2.1 我国生物质成型燃料制备技术的特点

生物质成型燃料加工技术是按成型加压的方法不同来区分的，目前国内外技术较为成熟、应用较多的生物质成型燃料加工机有螺旋挤压式、活塞冲压式（包括机械式、液压式）、辊模碾压式（包括环模式和平模式）等。按照其成型过程是否对原料辅助加热，上述三种加工方式又分为冷成型和热成型两类工艺；螺旋挤压式、活塞冲压式都属于热压成型工艺，辊模碾压式采用的是冷压成型工艺[5]。各类固体成型技术综合比较见表1。

表1 各类固体成型技术综合比较

2.2 我国生物质成型燃料制备存在的问题

在生物质成型燃料的制备过程中也暴露了一些问题。总体来说，目前我国的生物质固化成型装备在设备的实用性、系列化、规模化上还很不足，距国际先进水平还有不小的差距。主要表现在生产率低、成型能耗高、主要工作部件寿命短、机器故障率多、费用高等方面。

（1）产量低，目前国产设备的最高台时产量不到1500千克，距离规模化生产的产量要求较大；如山东田农机械生产的环模造粒机420型，配套动力95千瓦，生产能力仅为800～1000千克/小时。

（2）能耗高，粉料在螺旋挤压成型前先要经过电加温预热，挤压成型过程每吨料电耗就在90kW·h以上；系统配套能耗更高。

（3）易损件寿命短，国产设备主要工作部件螺杆的最高寿命不超过500小时，距离国际先进水平1000小时以上还有不小的差距[6]。

（4）原料要求苛刻，螺旋挤压成型机采用连续挤压，成型温度通常调整在220℃～280℃之间，为了避免成型过程中原料水分的快速汽化造成成型块的开裂和“放炮”现象发生，一般要将原料含水率控制在8%～12%之间，所以有的物料要进行预干燥处理，，增加了加工成本；环模、平模冷压造粒成型，对原材料的选择要求较高，国内大部分使用锯末、稻壳类制造生物质颗粒燃料，更多更广泛的生物质得不到利用，一次性使用原生秸秆生物料生产生物质（秸秆）成型燃料难度更大。

（5）原生秸秆连续工业化生产国内还处于空白，如大量的玉米秸秆、稻秸、棉花秸、小麦桔、树皮、树枝类等，由于含水量高，粗粉碎难度大无法得到有效利用。国内原生秸秆连续工业化生产的成套设备还在研究开发中。

（6）生物质（秸秆）成型燃料因传统加工工艺和装备原因造成了成本过高，限制了生物质（秸秆）成型燃料在我国的发展。

3 生物质（秸秆）成型燃料

3.1 生物质（秸秆）成型燃料的产生

原生生物质燃料和煤碳等直接燃料相比，存在许多的不足[7]：

（1）含碳量较少，含固定碳少。生物质燃料中含碳量最高的也仅50%左右，相当于生成年代较少的褐煤的含碳量。特别是固定碳的含量明显地比煤炭少。因此，生物质燃料不抗烧，热值较低。

（2）含氢量稍多，挥发分明显较多。生物质燃料中的碳多数和氢结合成低分子的碳氢化合物，遇一定的温度后热分解而折出挥发物。所以，易被引燃，燃烧初期，析出量较大，在空气和温度不足的情况下易产生镶黑边的火焰。

（3）含氧量多。生物质燃料含氧量明显多于煤炭，这使生物质燃料热值低，但易于引燃。在燃烧室需氧量相对较低。

（4）密度小。生物质燃料的密度比煤炭低，质地比较疏松，特别是农作物秸秆和粪类。这使得燃料易于燃烧和燃尽，灰烬中残留的碳量较燃用煤炭少。

（5）含硫量低。生物质燃料含硫量大多少于0.2%。

3.2 生物质（秸秆）成型燃料与原生物质燃料的比较

相比之下，原生物质经过干燥、粉碎，在经生物质成型转化为颗粒成型燃料，其密度可达到0.8～1.35g/cm3，体积压缩比为7～10倍，便于储存、运输和处理；同时生物质成型燃料的设备简单，易于操作，价格相对低廉，易于推广。成型的（秸秆）成型燃料的燃烧与分散的生物质的燃烧相比具有以下优点：

（1）成型的（秸秆）成型燃料的密度远远大于原生物质，其结构与组织特征决定了挥发分的逸出速度与传热速度都大大降低，挥发分逸出速度变慢，燃烧速度适中，能够使挥发分放出的热量及时传递给受热面。

（2）挥发分燃烧所需要的氧气与外界扩散的氧气能够很好的匹配，挥发分能够充分燃尽，又不过多的加入空气，减少了大量气体不完全燃烧的损失及排烟的热损失。

（3）挥发分燃烧后，剩余的焦炭骨架结构一样，运动的气流不能使骨架解体悬浮，这时炭的燃烧所需要的氧与静态渗透扩散的氧相当，从而减少了固体不完全燃烧与排烟热损失，燃烧时间明显延长，燃烧相对稳定。

3.3 生物质（秸秆）成型燃料的应用技术优势

在生物质（秸秆）成型燃料的制备中，生物质（秸秆）成型燃料在不添加任何粘结剂条件下成型，并保证较高强度是一大技术难题。国内有多家公司对此进行了技术研发和创新，其中四川雷鸣生物环保工程有限公司通过多年技术攻关，从工艺和装备技术上创新，研发出一套新型工艺装备。该工艺技术成套设备的优点是：能一次性将高湿秸秆生物质加工成符合标准的BBDF颗粒燃料，该成套设备对生物质物料的适应范围广，前处理粉碎采用无筛结构和生物质物理调质后再采用该公司专利造粒机成型，提高了成形效果，节约了能量消耗，吨（秸秆）成型综合生产成本比传统加工技术装备下降了30%，为生物质（秸秆）成型燃料的低成本加工提供了技术装备。该公司研发的单机生产线年产可达2万吨的生物质（秸秆）成型燃料项目的工艺流程见下图。

该公司生物质（秸秆）成型燃料示范项目技术经济指标：

（1）生产能力为不低于3吨/小时，直径为20～30mm，长度不大于100mm，最小产量不低于3吨；

（2）原料为原生态玉米秸、稻草秸、小麦秸；

（3）全套生产线产品吨电耗不大于110度；

（4）生物质（秸秆）成型燃料水分不大于20%，原料水分不大于30%；

（5）采用无干燥成套设备工艺；

（6）易损件消耗每吨产品低于28元人民币。

生物质（秸秆）成型燃料项目工艺流程图

3.4 生物质（秸秆）成型燃料的经济效益

据有关统计数据，我国水稻、玉米、小麦和棉花等农作物秸秆年产总量6.04亿吨，其中约有15%即0.91亿吨被用来直接还田造肥，25%即1.51亿吨被作为饲料，9%即0.54亿吨被用做工业原料，除此之外，约51%即3.08亿吨可以作为能源用途，其中已有1.9亿吨被农民在炉灶内直接燃烧用来炊事和采暖，其余约1.18亿吨则被废弃在田间地头或在田间直接焚烧，不仅浪费资源，也污染环境。另外，每年全国薪柴1.6亿吨，林产工业木材剩余物4000万立方米，造纸业产生的木材剩余物约1万立方米，甘蔗渣4000万吨，粮谷加工厂谷壳4000万吨，这些剩余物绝大部分沦为废弃物，成为各行业的环境负担，增加处理成本。另外，我国尚有不宜种植粮食作物、但可以种植能源植物的土地约1亿公顷，可人工造林土地有311万公顷，按这些土地20%的利用率计算，每年约可生产10亿吨生物质。由此可见，我国的生物质资源量相当丰富。

以生物质为载体，由生物质产生的能量，便是生物质能，将生物质用于能源即为生物质能源。从经济角度讲，农林业秸秆及其加工剩余物等均为废弃资源，对其加以再利用，变废为宝，增加农民收入，符合循环经济理念。从社会角度看，有关数据表明，在我国每100亿元人民币产值的生物质能源工业可提供100多万个就业岗位。我国现有森林年均净耗量为34,395万立方米，其中薪材占29.8%，为10,250万立方米，如果将这些薪材制成木质成型燃料用来发电（发电效率按30%计），每年可发电1230亿度，每年可创产值369亿元，增加369万个工作岗位[8]。我国劳动力成本低，发展生物质能源比发达国家更具竞争力，有利于生物质（秸秆）成型燃料产业的出口创汇，可有力促进农村经济和社会发展，有利于建设资源节约、环境友好型社会。总之，生物质除具有分布广泛、资源丰富、成本低廉等特点外，还兼有可再生和清洁环保双重优势，合理利用可实现资源综合利用和节能减排双重目标。

根据生物质（秸秆）成型燃料生产厂家的实际测算，生物质（秸秆）成型燃料的热值在15,540 ～ 17,640千焦/千克，销售价格在500元/吨左右，成本在400元/吨左右，比相同热值的煤炭价格稍高，但由于其热效率为80%左右，远远高于煤炭的50%[9]。综合比较来看，采用生物质（秸秆）成型燃料供暖与煤炭供暖相比经济效益相近，但却具有煤炭供暖无可比拟的环境效益。同时，生产加工出的生物质（秸秆）成型燃料可以就地销售，处理后的灰渣等副产品可以用作肥料及建筑材料。因此，生物质（秸秆）成型燃料具有较好的经济、社会及环境效益。

4 生物质燃料的市场需求展望

目前我国生物质颗粒燃料加工设备的主要技术条件已经具备，一些企业正投入生物质颗粒燃料设备的生产，仅辽宁省就有18家之多，厂家生产能力可从2000吨/年到30,000吨/年不等，依需要而任意定制，也就是说，所生产设备可应用到任何地方，只要有生物质资源，就可应用这种设备生产，大到可以建一座大型工厂，小到可以建一个小型加工点，甚至家庭作坊。同时国内专门利用这种颗粒燃料的“生物质能（颗粒）气化燃烧锅炉”也已研发成功，其燃烧效率高、SO2和NOx排放低，锅炉热效率78%以上，排烟黑度小于林格曼1级，排尘浓度小于80毫克/立方米，SO2排尘浓度小于80 毫克/立方米，达到国家环保一类区Ⅱ时段标准。而且随着我国对能源与环境的综合治理，燃烧生物质成型燃料的炉具、灶具也将在中大城市的高档别墅或住宅安装使用，可以预见，在不久的将来，这种方便、节能、无污染的绿色能源将成为紧俏商品出现在各地超市或连锁店中。因此，（秸秆）成型燃料不仅改变了燃烧性能，大幅提高了热效率，而且克服了农林生物质原料由于外形体积庞杂而不便于输送、储存的缺陷，使其可以按任何规格加工、包装，极大地方便了运输、储存，节约堆放场地和空间，可远距离甚至可向海外输送、销售，真正实现生物质资源的有效收集、方便运送、高效燃烧和便捷利用，因而在国内任何会产生农林业秸秆及其有加工剩余物的地方，都可以加工、销售和利用（秸秆）成型燃料，实现农林生物质资源最充分、高效、便捷利用。

目前，生物制（秸秆）成型燃料市场行情非常好。1）价格方面：在美国市场上，小包装生物质（秸秆）成型燃料零售价格为170美元/吨，高时达280美元/吨；在瑞典的交货价格为150美元/吨，高时达250美元。目前国内市场还不完善，广东省木质颗粒批发价为750～850元/吨，高时达1100元/吨，大连地区木质颗粒批发价为人民币700～750元/吨，农作物（秸秆）成型燃料批发价为人民币430～600元/吨，北京地区约为人民币650元/吨。2）需要量方面：国际市场具有广阔的市场空间，亚洲的日本、韩国具有较大市场，特别是欧美市场潜力都非常，年需求生物质成型燃料4000万吨；在国内市场由于不可再生能源资源匮乏，急需替代能源，目前年需求生物质成型燃料3000万吨[10]。

基于生物质（秸秆）成型燃料的诸多优点和广阔的市场前景，国家发改委制订的《全国生物质能开发利用工作情况及初步安排意见》和《生物质成型燃料发展规划》中指出，近期内，结合解决农村基本能源需要和改变农村用能方式，开展生物质（秸秆）成型燃料应用示范点建设，年消耗（秸秆）成型燃料500万吨，代替300万吨煤；到2020年，使生物质（秸秆）成型燃料成为普遍使用的一种优质燃料，年消耗（秸秆）成型燃料5000万吨，代替3000万吨燃煤。

5 结语

目前，我国生物质（秸秆）成型燃料开发利用处于初期发展阶段，但其工艺技术水平已基本成熟；相关企业的技术装备为生产企业的规模化、产品的生产成本降低奠定了基础，相信在3～5年内，我国的生物质（秸秆）成型燃料产业将会得到迅速发展。由于生物质燃料的可再生属性，生物质颗粒燃料的原料储备相当丰富，生物质（秸秆）成型燃料燃烧性能优越，并且低碳、环保，随着对环境问题的日益重视和全球资源紧缺的现实压力，国家必然将加大新能源开发利用力度，从资金、技术、电价、税收等方面制定一系列扶持政策，降低生物质（秸秆）成型燃料的研发和生产成本，推进生物质（秸秆）成型燃料产业的健康发展。

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[10]张远宾.发展颗粒燃料，便捷和高效利用生物质资源[J].中国工程咨询，2010.

Preparation, Application and Market Demand of Biomass Straw Forming Fuel

ZHOU Bin1, LEI Jian-guo2, WEI Ran1
(1.Institute of Materials and Chemical Engineering, Sichuan College of Science and Engineering, Zigong Sichuan 643000;2. Sichuan Leiming Bio-Environmental Protection Engineering Co., Ltd, Zigong Sichuan 643000, China)

The article presents the application of biomass energy technology and research and development of biomass fuel at home and abroad; analyzes the preparation technology of biomass fuel, utilization of resource and the existing problems.Based on the production technology of biomass (straw) forming fuel and market demand of China national condition, the article carries out analysis and study.

biomass; forming fuel; preparation technology; market demand

X382

A

1006-5377（2011）06-0040-05