生物质固化成型燃料生产现状与发展对策

吴再兴，陈玉和，包永洁，陈章敏，李 能

（国家林业局竹子研究开发中心，浙江 杭州 310012）

生物质固化成型燃料生产现状与发展对策

吴再兴，陈玉和，包永洁，陈章敏，李 能

（国家林业局竹子研究开发中心，浙江 杭州 310012）

介绍了国内外生物质固化成型燃料的生产现状，从生产设备、原料、工艺、市场、应用技术与设备5个方面分析了生物质固化成型燃料生产与进一步发展存在的问题，并提出了相应的对策。

固化成型燃料；挑战；对策

生物质固化成型燃料，也称为固体成型燃料，是将作物秸秆、稻壳、木屑等农林废弃物粉碎后，送入成型器械中，在外力作用下，压缩成需要的形状以作为燃料直接燃烧，也可进一步加工，形成生物炭[1]；或者将农林废弃物炭化后再胶合成型燃料，形状有块状、棒状或颗粒状（木质颗粒燃料）等[2]。生物质废弃对环境会造成污染，利用生物质既能解决污染，又能产生一定的经济收益[3]；同时，生物质燃料替代煤炭等不可再生燃料，有利于保护环境[1]，减少碳排放。但原始状态的生物质不容易利用[4]，传统低效的生物质燃烧产生的有害烟雾造成室内空气污染，对健康形成威胁[5]。固化成型后有利于燃料的储存、运输[1,6]、处理及加工[4]，与传统的直接燃烧相比，固化成型燃料能提高能源利用率57% ~ 79%[1]，燃烧排放的污染物低于煤，是一种高效、洁净的可再生能源[1]，与燃煤发电相比，生物质固化成型燃料发电可减少温室气体排放70% ~ 94%[7]；与天然气相比，木质颗粒燃料供暖能减少26.6%的碳排放[8]；环境效益显著。竹材、木材等木质产品加工的剩余物和产品废弃后也可用于生物质固化成型燃料的生产，既解决废弃物的污染，又能降低生物质固化燃料的原料成本，达成竹木材料的全面利用和全生命周期利用。

1 现状与发展目标

在国外，固化成型燃料技术已基本成熟，如丹麦、德国、比利时、美国、日本等国家已实现了工厂化生产，其产品主要用于取暖炉、锅炉发电等。2010年全球生产木质颗粒燃料1 430万t，消耗1 350万t，主要用于住宅供暖、区域供热和混燃锅炉用；欧盟是木质颗粒燃料的最大市场，北美以出口为主，但美国国内木质颗粒燃料消耗也很大，预计在不远的将来，东亚将成为木质颗粒燃料的第二大市场[9]。到2020年，根据欧盟的生物质能占20%的目标（2008年的水平为8.4%，木质颗粒燃料占0.2%），考虑到林业提供原材料的能力，木质颗粒燃料的需求将增加2 500万t，占总能源消费的0.6%[10]。目前，我国研究和开发出的生物质固化成型机也已应用于生产，生产的致密成型燃料，已应用于取暖和小型锅炉。但是直到2008年，2亿农户中仍有近50%依靠燃烧薪柴和农业废弃物取暖和炊事——这是对环境和健康真实而严重的威胁，2003年中国排放的温室气体20%来自农业，废弃的生物质对环境也产生了危害；传统低效的生物质燃烧产生的有害烟雾造成室内空气污染，对健康形成威胁[5]。根据农业部制定的《农业生物质能产业发展规划（2007－2015年）》以及中央政府发布的能源和生物质2020年总体发展目标，秸秆固体成型燃料2010年目标为100万t[11]，2015年2 000万t，2020年5 000万t[12]。

2 主要问题与对策

2.1 生产设备方面

一是易损部件磨损快，维修费用高。对于螺旋挤压成型机，由于螺杆与物料始终处于高速摩擦状态，导致压缩区（高温、高压）螺纹的磨损非常严重，目前国内外的工艺技术条件尚不能从根本上解决螺杆磨损问题，螺杆的平均修复期仅为60 h左右[13]。对于活塞式冲压成型机，套筒与推进器在200 ~ 340℃高温和700 ~ 1 000 kg/cm2高压下处于干磨擦状态，工作环境很差，使套筒和推进器磨损严重，其使用寿命问题成了成型机的技术关键问题，甚至成了影响这个行业发展的主要问题[14]。对于环模成型机，国内外的同类设备平均修复周期约1 000 h，维修费用（取决于环模直径）为1万 ~ 4万元[13]。二是可靠性差，能耗高[13]。设备工作可靠性差，能耗较高。螺旋挤压成型机挤压时物料中的水分受热急剧蒸发，容易产生“放炮”现象。采用压辊式成型机生产生物质燃料时，不仅成型设备消耗能量，而且工艺流程中其他环节（如粉碎，输送等）的电机驱动都消耗大量的电能。用SKR-25型秸秆颗粒成型机进行试验时指出，其最低能耗为102.33 kWh/m3，仍需要技术改进和完善更新。三是工艺辅助设备不配套，连续运行能力低[13]。烘干、粉碎设备等都是各企业自行设计加工，其烘干设备无法较好控制原料的含水率，从而影响燃料成型。粉碎机工作条件恶劣，原料夹杂其他硬质杂质，如铁屑、沙粒等，使设备运行不稳定，输送过程易堵塞，故障率高，维修频繁，影响连续生产。

一定时期内，设备开发和改进尤其是关健部件的耐磨性改进是生物质固化成型的关键，应用硬质合金及其它新材料、新工艺制造关键部件和易损件，提高寿命，降低维修成本，提高稳定性，加强配套设备的研发，提高生产的可靠性和稳定性。2010年农业部发布《NY/T 1882-2010生物质固体成型燃料成型设备技术条件》，将有力推动我国生物质固化成型设备的技术进步。

2.2 原料方面

原料种类，包括原料组成如木素含量[15]、树皮含量[16]、种类、贮存时间[17]、干燥条件[17]等都成型工艺和固化成型燃料性能有影响。不同原料的生物质含有不同的木质素及纤维素，即其微观组成不同，则可压缩性不同，成型后制品的残余内应力也不同，故开裂程度不同[18]。原料的种类不但影响成型质量，如成型块的密度、强度、热值等，而且影响成型机的产量及动力消耗[8,19]。原料的含水率、储存时间[20]、颗粒度也都对生产工艺和成本都有很大影响。

我国可利用的生物质主体是农作物秸秆，但收获农作物秸秆的季节性强，时间短，生产企业很难在短时间内把各家各户的秸秆收集起来用于正常生产[2]，如果生产规模扩大，则面临这原料短缺或采购、物流[9]成本不断攀升的局面。

原料供应对生物质固化成型燃料的发展影响很大[9]，根据各地的原料分布情况，要适当控制生产规模，同时应考虑当地的劳动力成本和运输成本，保证原料能以合理价格稳定供应。

2.3 工艺方面

影响生物质固化成型物理力学性能以及燃烧等性能的因素众多，如温度、压力、放气时间等均对固化成型颗粒燃料的破碎强度和密度有显著影响[21]，粘合剂[22]、蒸汽处理[20]、SO2催化蒸汽预处理[23]等对燃料强度、耐久性等都有显著影响，经济、环保、高性能的新工艺开发将是工艺发展的一个重要方向。

工艺与生产设备密切相关。一方面，现有的设备种类繁多，有关研究所用的设备之间差异也很大，研究用设备与生产设备也存在较大差异，使得研究结果往往不具有可比性和可应用性，因此，生物质固化燃料技术从从研究室到工厂还有一段路要走；另一方面，现有的工艺压力很高，所以设备磨损大，可靠性较低，能耗较高，如能改进现有的冷压缩成型工艺，开发出低压常温成型工艺，则对生物质固化燃料的发展具有强大的促进作用。

改进现有的冷压缩成型工艺，开发出低压常温成型工艺，降低对设备的要求，降低生产成本。成型工艺应向少加热或不加热、低压发展，工艺选择要综合考虑技术、经济和环保因素如果添加胶粘剂尤其是燃烧后无有害物质产生的胶粘剂如某些无机胶粘剂和天然有机物质能降低压力而且经济上更合理，应予以采用。另外，原材料应进行适当预处理，可以借鉴无胶胶合的研究成果，从而降低成型压力，减少设备磨损和动力消耗。

2.4 市场方面

我国的生物质固化燃料的市场应用主要有两个，一个是生物质气化发电，一个是农户炊事取暖用。前一个市场面临的问题是生物质气化发电如果没有多联产技术[24]，仅靠发电尚难以盈利，依靠补贴才得以发展；后一个市场则面临一个农户认可的性价比，长期以来，农户都是直接燃烧秸秆取暖和炊事，要农户为成型燃料付费还有一段路要走。相比国外对生物质成型燃料市场和经济性的研究，国内的相关研究还需进一步深化。

加强市场研究，考虑分类分级利用，不同产品联产，提高经济效益。分类利用指选择适合的生物质原料，分级利用则对同一种生物质的不同部位作为不同的产品原料，如将秸秆等生物质营养丰富的叶片等用作饲料，将纤维素含量高的茎秆等用作燃料[25]，木质素含量高的可液化代替苯酚制造其他化学品。另外，要加强市场营销研究，设计一套各方都能接受的方式开拓生物质固化燃料市场。

2.5 应用技术与设备方面

生物质固化成型燃料的应用技术包括引燃剂[26~27]、抗结渣[28~31]技术等，国内已开展研究，但研究结果受到生物质固化成型燃料性能差异的影响难以大面积应用。应用设备方面，国外先后开发出整体式、组合式生物质供热锅炉以及生物质与太阳能联合供热系统[32]等，并开展了锅炉效率优化的研究[33~34]，国内生产以秸秆类颗粒为主的炉具较多，但这类炉具由于结渣等问题，燃烧效率不高，与以木屑颗粒为燃料的炉具相比要耗费更多的人力，并且由于成本高、原料供应等原因，以上炉具还没有大面积推广应用[19]。

应用技术的开发和应用设备的研制必须有一个燃料特性基准——如颗粒大小对热解产物的影响显著[35]，虽然北京市（2008）、河北省（2010）和农业部（2010）先后发布了生物质固化成型燃料标准，国外也有DIN 51731[36]等标准，但由于发展时间还较短，市场上的生物质固化成型燃料仍然是种类众多，其规格和特性千差万别，形状有颗粒、块状、棒状等，大小在6 ~ 120 mm不等，密度在0.8～1.4 g/cm3，不但其优劣无法用统一方法衡量[13]，而且造成应用技术的研究缺乏一个公共的燃料基准，特别是对生物质固化成型燃料的应用设备如锅炉、取暖设备的设计、制造、销售、应用各个环节都造成了困扰。

对挪威的家庭调查[37]表明，没有选择木质颗粒燃料取暖系统的家庭的主要原因有两个：一是安装成本高，而且房屋需重新改造。我国现有的炉具也是由于价格较高，农户难以接受。为此，应加强生物质燃料应用技术和应用设备开发，尤其是降低安装成本和使用成本。

3 展望

中国是世界第二大能源生产国和消费国，随着中国现代化的推进，工业和生活能源需求必然不断增加，中国政府也非常重视可再生能源的开发利用，但相对于风能、太阳能、水力资源，生物质能源的价值一定程度上被低估了。发展生物质能源，可带来三重效益：满足农村能源需求，保护环境，促进农村发展[5]，实践证明，固化成型燃料技术不但技术上可行，而且已经具备经济上的可行性。随着减碳目标的推进，固化成型燃料技术必将得到更多的应用和更大的发展。

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Current Situation of Densified Biomass Briquette Fuel Production and Prospect

WU Zai-xing，CHEN Yu-he，BAO Yong-jie，CHEN Zhang-min，LI Neng
（China National Bamboo Research Center, Hangzhou 310012, China）

Presentation was made on current production situation of densified biomass briquette fuel at home and abroad from the aspect of production equipment, raw material, technology, market and applied techniques. Countermeasures were proposed for further development in China.

densified biomass briquette fuel; challenges; countermeasures

S789

A

1001-3776（2014）04-0083-05

2014-01-08；

2014-05-20

浙江省科技厅项目（2012F20001）

吴再兴（1980－），男，湖北黄冈人，助理研究员，硕士，从事竹材加工利用研究。