生物质压缩成型技术及经济分析

文 刘洋 辽宁工程技术大学机械工程学院

我国农村秸秆资源非常丰富，长期以来农村一直使用薪材和秸秆作为主要生活用能。目前生物质能仍占农村能源消费量的很大比重，但绝大部分是未经处理的直接燃烧，一般热利用率仅为10%～15%，资源浪费严重，而且造成土壤有机质含量减少（燃烧而没回收），肥力减弱。同时直接燃烧释放大量污染物危害健康，污染环境。

农村现存有大量的可用生物质能，主要包括秸秆、稻壳、树枝、树叶、木屑及木材加工边角料等。这些废弃物松散、分布范围广，收集、运输和储藏难度非常大，不利于集中大规模的用于利用。但我们可以在一定范围内实行小工厂加工，避免大规模的利用带来的收集、运输困难，生物质压缩成型技术经过多年的发展，已经趋于成熟，小规模生产可以在现有的条件下实现，且有较好的前景。

1 生物质压缩成型技术

生物质燃料是生物质资源的重要组成部分，在可再生能源中占有非常重要的地位，其特点是种类多、数量大、分布广、具有可再生性等。但生物质燃料是以散抛型、低密度的能源形式存在的，所以资源分散、能量密度低、储运不方便，这些缺点严重地制约了生物质燃料的大规模应用，不利于集中大规模发电等的应用。

1.1 生物质压缩成型技术原理

生物质成型燃料是将各种分散的、没有一定形状的秸秆经干燥、粉碎到一定粒度后，在一定的温度、湿度和压力条件下，挤压成规则的、较大密度的棒状、块状、球状或颗粒状的固体材料。压缩成形的这些固体材料密度可达1.1～1.4t/m3，体积比压缩前缩小6～8倍，能源密度相当于中等质量的烟煤，燃烧过程中，炉膛温度高、火力持久，燃烧特性得到明显改善。

生物质成型原料主要是一些纤维素类原料，纤维素类生物质包含纤维素、半纤维素、木质素(占植物体成分2/3以上)。 纯纤维素程白色，密度1.5～1.56g/cm3，比热0.32～0.33kJ/kg·K；半纤维素，穿插于纤维素和木质素之间，结构复杂，酸性、加热条件下能发生水解，产物为单糖；木质素，是一类以苯基丙烷为骨架，具有网状结构的无定形高分子化合物，不同植物木质素含量、组成不尽相同。木质素不易溶于水及任何有机溶剂，非晶体，没有熔点，70～110℃左右软化，黏合力增加，此外200～300 ℃时软化程度加剧，施加一定压力，无需黏结剂，即可得到与挤压模具形状一致的成型燃料。

1.2 生物质压缩成型的工艺类型

根据主要工艺特征的差别，生物质压缩工艺可划分为湿压成型、热压成型、炭化成型三种基本类型。

（1）湿压成型

湿压成型是将原料在常温下浸饱数日，使其湿润皱裂并部分降解,然后利用高压将其水分挤出,压缩成燃料块。湿压成型燃料块密度较低，设备简单，易操作，但部件磨损较快，烘干费用高，且多数产品燃烧性能较差。

（2）热压成型

热压成型是目前普遍采用的生物质压缩成型工艺。其工艺过程一般可分为原料粉碎、干燥混合、挤压成型和冷却包装等几个环节。由于原料的种类、粒度、含水率等因素对成型工艺过程有一定的影响，所以具体的生产工艺流程以及成型机结构和原理也有一定的差别,但是挤压成型作业在各种成型方式中都是关键。

热压成型机械主要有螺旋挤压成型机、机械（液压）驱动活塞式成型机。

（3）炭化成型

炭化成型有两种情况：一种是指先用成型机将物料压缩成燃料棒，再用炭化炉将燃料棒炭化成木炭的过程。这种工艺没有将物料压缩成型与炭化过程结合起来，两者相对独立。第二种情况则是将压缩成型和热解炭化有机结合，采用柱塞式压缩成型机压缩，柱塞将物料沿着压缩套筒推人热解筒内。通过间接加热方式由电热炉向热解筒提供热量，物料在套筒设定的温度内被炭化，得到所需的相应产物。一般都需加入一定的黏结剂，若不使用黏结剂，成型燃料容易破损、开裂。后期不易贮存。

1.3 生物质压缩成型机械

目前世界各地研制生产的生物质压缩成型机械设备按照机械作用原理可以分为三类，即螺旋挤压成型、活塞压缩成型和模压成型。

（1）螺旋挤压式成型机

螺旋挤压式成型机开发应用最早，当前应用最为普遍。其主要原理：成型原料依靠重力落入螺旋压缩成型机械中，锥形螺杆在其他动力机械的带动下，推动成型原料进入横截面积渐渐变小的压缩成型筒内，成型物料在锥形螺杆和压缩成型筒的作用下，内压应力越来越大，在压缩成型筒的顶端达到最大内压应力而成型，再经过一段应力松弛段，被推出螺旋挤压成型机械，成为成型物料。

这类成型机运行平稳、生产连续好，主要问题一个是成型部件，尤其是螺杆磨损严重，使用寿命短；另一个问题是单位产品能耗高。为了解决螺杆首端承磨面磨损严重这一问题，现在大多采用喷焊钨钻合金，焊条堆焊或碳化钨，或是采用局部渗硼处理和振动堆焊等方法对螺杆成型部位进行强化处理。

（2）活塞压缩成型机

其产品是压缩块，成型是靠活塞的往复运动实现的。

按驱动动力可以分为两类：一类是机械驱动活塞式成型机；另一类是液压驱动活塞式成型机。较锥形螺杆干摩擦损耗，活塞压缩成型技术磨损较小。根据推动活塞的装置不同，活塞压缩成型技术又分为飞轮活塞压缩和液压活塞压缩两种。飞轮活塞压缩依靠存储于飞轮中的转动动能压缩成型原料，但其设备庞大，震动强烈而且噪音剧烈，推广和应用都有一定困难。液压活塞压缩装置则避免了飞轮活塞压缩设备的上述缺点，但是由于生物质压缩成型时，物料表观密度增加很多，因此液压机械行程很大，导致液压活塞压缩装置生产率不高。

（3）模压成型机

目前使用的模压成型机主要有平模颗粒机和环模颗粒机两种，都是根据饲料颗粒成型机改造而来的。

环模颗粒机产量大、耗电少，这是平模颗粒机无法比拟的。而平模颗粒机由于转速低等原因，使得其产量小于环模颗粒机，同时由于其转速低压力大，因此压制的颗粒密度很大。而对于木屑、秸秆等难成型的粗纤维，则正需要很大的压力。环模颗粒机由于其结构限制，压力不可调，压制这些物料时就会超出压力负荷，导致模具压轮轴承磨损或坏掉。而平模颗粒机结构简便，压力可调，产量稳定，颗粒密度大，并且模具正反面都可以使用。同时，平模压轮直径的大小不受模具直径限制，可以加大内装轴空间，选用大号轴承增强压轮的承受能力，既提高了压轮的压制力又延长了使用寿命。

表1 生物质成型燃料工业分析

模压成型机主要生产颗粒状成型燃料，不用电加热。主要用于木屑加工或造纸厂秸秆碎屑的加工。

2 生物质压缩成型技术的可行性

经过多年的研究与试验，国内部分成型设备及其配套产品已逐渐发展成熟，生物质成型燃料在我国一些地区已开始进行批量生产，并形成研究、生产和开发的良好势头，生物质燃料压缩成型技术的应用逐步完善。

2.1 生物质成型燃料分析

经测定某厂生物质压缩成型机械生产生物质燃料的工业分析如表1。

从表1可看出，生物质燃料的热值比较高，其灰分含量低且成分单一，挥发分高，易燃，易燃尽，燃烧时间较长；含硫量少，清洁，可作为煤的很好替代物，在农村供暖时成为主要的燃料。

2.2 生物质压缩成型技术应用经济性分析

根据河北省张家口市某村(221户)的实际调查情况进行经济分析。此地区的主要种植作物为玉米，为密集种植，一般每亩地种植玉米3000～3500株，保守估计可产干玉米秸秆及玉米芯750kg/亩，家庭的平均种植面积在10亩左右。因此，有大量的秸秆和玉米芯可供应生物质压缩成型。同时本地区人们习惯在每年11月左右入冬时节买煤，作为生活炉供暖用，供暖时间为140天左右。经调查，用煤量为每户平均为2t左右，且近几年随人们生活水平的提高，改用水暖气供暖，每户的用煤量有所增加，但近些年煤炭价格一直上涨，燃用的煤炭质量却不断下降，居民需要一种可以替代的燃料。

生物质压缩成型燃料具有燃料挥发分高，水分含量较少（可控），灰分少，较为耐燃，根据热值考虑如果家庭使用生物质压缩成型燃料，则每户每年燃料燃用量约4t，考虑与煤的混合燃烧，则燃料用量大概是3t左右，某村的生物质成型燃料总需求量约600t。

因此，结合本村及周边村庄的实际情况，选用2台秸秆粉碎机，总产量为1.5t/h，总功率为30kW；一套成型机械总生产功率为75kW，生产线总投资为20万元左右。

由于只进材料的加工，这样就可以忽略原料的成本费、力费用和厂房费用等。因此，其成本为能耗按60元/h计算，加工利润为200元/t；设备生产率为1t/h，工作时间150d/a，每天工作时间16h（两班制）。则年利润=140元×16h×150d=33.6万元。

而且，生物质成型燃料项目作为可再生能源项目之一，享受国家免税政策。因此一年可收回成本，实现净利润。

3 结论

生物质压缩成型燃料主要利用农业秸秆、木材加工和林木修剪等制作，一方面克服了生物质体积大、能量密度低，不易运输的缺点；另一方面保持了生物质挥发性高、易燃烧、灰分少、排放低，不造成环境污染等优点。同时，生物质燃料燃烧后的灰烬是品位极高的优质有机钾肥，可回收创利。所以，生物质原料压缩成型燃料在我国农村、城镇中实行产业化有着广阔的发展前景。