0、引言
生物质能作为自然界的第4大能源，资源分布广，开发潜力大，环境影响小。发展生物质能源是全球缓解能源危机、减少温室气体排放、解决生态环境问题和实现可持续发展的战略选择。我国农业废弃物资源丰富，每年约有7×108t的农作物秸秆，另外还有大量的林业采伐和林木制品加工厂产生的废弃物，如枝丫、小径木、板片和木屑等，总量近1×108。生物质致密成型技术生产固体燃料是把农林废弃物加工再利用、解决生物质资源浪费和污染问题的一种重要技术手段，是除生物质气化和液化之外的又一种生物质能源转换方式。但由于原料、工艺和设备等诸多方面的原因。生物质成型燃料的生产和利用仍然存在着问题。本文就生物质成型燃料生产及其应用中存在的问题进行分析研究，以探索更好地开发生物质能源的途径。
1、国内外生物质成型燃料技术发展现状
1.1国外发展现状
国外发达国家对生物质成型燃料技术都十分重视，并投入了大量的资金与技术力量研究和开发生物质致密成型设备。早在20世纪30年代，美国就开始研究压缩固体成型燃料技术，并研制了螺旋式挤压成型机，在加热温度为110~350℃、压力10MPa的条件下。能把木屑和刨花压缩成固体成型燃料。20世纪70年代初。美国研究开发了环模挤压式颗粒成型机，并在国内大量生产。瑞士、瑞典、西欧等发达国家都先后开发研究了冲压式成型机、辊模挤压式颗粒成型机。20世纪50年代。日本从国外引进技术后进行了改进。研究应用了螺旋式挤压成型机，之后又相继产生了以油压、水压为动力的活塞式生物质压缩成型设备。从20世纪80年代开始，日本对生物质压缩成型燃料技术进行了探讨，对压缩过程中的动力消耗、压模的结构与尺寸、压缩燃料的含水率、压缩时的温度和压力及原料的颗粒大小等进行了实验研究，进一步改进了生物质压缩成型技术。使之更趋于实用化。泰国、印度、菲律宾等国从20世纪80年代开始也先后研制成了填加粘结剂的生物质致密成型机，富通新能源生产销售
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木屑颗粒机等生物质燃料成型机械设备，同时我们还有大量的杨木木屑颗粒和玉米秸秆颗粒燃料出售。
1.2国内发展现状
我国从20世纪80年代起开始致力于生物质致密成型技术的研究。湖南省衡阳市粮食机械厂于1985年研制了第一台ZT - 63型生物质压缩成型机。江苏省连云港东海粮食机械厂于1986年引进了一台0BM- 88棒状燃料成型机。1993年前后，我国从国外引进了近20条生物质压缩成型生产线，基本上都采用螺旋挤压式，以锯木屑为原料。生产碳化燃料。中国林业科学研究院林产化学工业研究所于1998年研制成功了生物质颗粒燃料成型机。该机由旋风干燥装置、木质素加热软化装置和颗粒成型装置3大部分组成，生产率为120~240kg/h能耗为120 8~241_7kW·h／t。
从2002年起在国产饲料颗�；幕∩辖岷先鸬渖镏士帕Ｈ剂铣尚突际跹兄贫闪松镏士帕Ｈ剂铣尚突�。2004年。清华大学和北京惠众实科技有限公司开发的H ghzones生物质固化成型技术，利用压辊挤压原理实现了生物质就地及时压缩。2006年。河南农业大学李保谦、张百良和夏祖璋等研制了HPB-Ⅳ型液压驱动活塞式成型机，合肥天炎绿色能源开发有限公司研制了TYK- II秸秆成型机。河南省科学院能源研究所何晓峰等研制了一种在常温下生产颗粒燃料的环�？帕３尚突�，变频电机驱动螺旋供料装置为挤压装置供料，通过调整供电的频率可实现原料供应量的调整，颗粒燃料的生产效率可达到300～500kg/h。
2、生物质成型燃料生产与应用中存在的问题
2.1原料难以持续供应
生物质原料主要包括木质材料和非木质材料f如竹材和农业剩余物等1，其应用包括用于能源领域生产致密成型燃料供居民采暖和生物质电厂发电、用于人造板行业生产木质或非木质人造板、用于造纸行业生产低端纸制品和纸箱包装材料等及用于养殖行业生产饲料等。
各类生物质利用都需要大量的可持续供应的原料，因而不可避免地存在着对生物质原材料的竞争。随着�；ば愿骷际醯姆⒄�，秸秆留茬覆盖还田己成为一些粮食主产区f同时也是秸秆主产区）的通用生产方式，可用于生产成型燃料的生物质原料供应十分紧张。
另一方面，从成品价格比较，1t人造板售价3 000元左右。而1喊型燃料售价仅600～800元，因此原料持有者就可能更倾向于将原料出售给收购价格较高者。生物质电厂投资一般在几亿元，一旦上马为收回成本或达到预期的经济效益，必然不惜财力抢购原材料，从而使成型燃料原料价格进一步攀升。当原料成本超过一定界限，即使享受国家补贴。成型燃料生产和所供应的生物质电厂也会亏损。
还有部分生物质电厂立项时以秸秆为主要原料，实际建成生产时，由于秸秆供应不足，成型燃料燃烧性能差。不得不大量使用木材作为成型的原材料。但我国木材资源供需矛盾日益突出，预计2010年我国木材年消耗量达2 5 x lO5m3。折合l.5×lOs t而现有森林资源可供给量仅为1.5×l08m3,供需缺口达6×107×l08m3，可用于成型燃料生产和生物质发电的木材供应将十分紧张。
举例如下：按照生物质发电业内通行的标准。半径50km内才允许建一个生物质发电厂，而如果生物质电厂过于密集，则会导致生物质发电厂“无米下锅”。据南方周末报报道，截至2010年。江苏省原来生物质发电厂一共批了28家，布点过于密集导致原料价格攀升。以稻壳为例。其价格最高峰达到460元／t由于燃料缺少，大多时间很多电厂都只能减负荷运行或亏损运行。2010年即将投产的涿鹿华达生物热电项目装机容量为2×25kW，年消耗各种秸秆3×105 t而河北涿鹿县秸秆总量才6 8x l05，不仅要供应生物质电厂，还要供应造纸厂、饲料加工等企业，加之秸秆不可能百分之百地收集f如小麦的手工收割系数为0.85～0.9，因此进一步加大生物质电厂生产规模的可能性就很小。
2.2各类原材料特性不同，成型差异大
研究表明，不同种类农作物秸秆化学成分不同，见表1所示�；С煞侄越崭训闹旅艹尚凸ひ蘸统尚腿剂系男阅苡杏跋臁Ｏ喽杂谀静亩�，秸秆的灰分含量高，如阔叶材灰分低于1.5%。而农作物秸秆的灰分一般多在2%以上，稻秸的灰分高达14%，成型过程中易造成粉尘污染，增加除尘系统的能耗。农作物秸秆灰分中的主要成分SD2含量多的在65%以上（如麦秸、稻秸等），灰分中的SO2在植物纤维中形成了非极性的表层结构，影响胶黏剂吸附和氢键的形成，不利于其自身胶合固化成型。蓖麻秆的灰分含量在2.4%，因此与稻秸相比。在成型和燃烧是两者必然呈现不同性能。有机溶剂抽提物含量高，1%NaOH下玉米秆的抽提物高达45.362%。这表明其富含蜡状物与硅，不易胶接，降低结合强度。秸秆中聚戊糖含量多在20%以上。聚戊糖使秸秆在成型过程中易出现粘附成型压辊和环�；蚵菪掀鞯南窒�，增加能耗，降低成型机使用寿命。阔叶材的木素和纤维素含量较高，可分别高达33.09%和64.10%，而一般秸秆的木素和纤维素含量都低于木材。自身强度也比较低，因此需要提高原料的粉碎程度以增大比表面积。促进纤维形成多维面交接，增强结合强度。棉秆、麻秆等农作物剩余物秸秆原料的表皮纤素含量较高，如蓖麻秆的综纤维素为75.48%，但其纤维较长，韧性大，采用普通的粉碎机不易切断。
生物质原料在压力作用下，细小的颗�；ハ嘀淙菀追⑸裘艹涮�，成型块的密度和强度显著提高，粉碎程度高，有助于提高成型燃料的松弛密度和耐久性。普通的粉碎f物料相对含水率15%~l5%）不能促进原料的自身胶合。为保证成型燃料品质。对成型压力、温度和成型机对原料的适应性提出了较高的要求，造成能源消耗大和成型部件磨损严重等现象。采用热压成型虽能使生物质的化学成分转换为粘结剂，以增强成型物颗粒间的粘结力，但却消耗大量能源。另一方面。普通的粉碎对高含水率秸秆（含水率> 30%）效果差，不能做到秸秆的即收割即粉碎。
2.3成型设备能耗高且磨损快，对原料适应性差
现在应用较多的成型燃料加工设备有辊模挤压式（包括环模式和平模式）、活塞冲压式（包括机械式、液压式1和螺旋挤压式等3种机型。其中，辊模挤压式成型机采用的是湿压（冷压）成型工艺，活塞冲压式与螺旋挤压式成型机都采用的是热压成型工艺。当前生物质致密燃料成型设备主要存在如下几个问题：
1)在成型机中将纤维和木质素软化必然要求高的能量消耗。例如。对于螺杆挤压成型机，粉料在螺旋挤压成型前先要经过电加温预热，挤压成型过程的吨料电耗一般为100KW/h。
2）滚轮和成型孔磨损很快，费用高。国产设备中螺杆的最高寿命不超过5 00h,距国际先进水平的1000h差距很大：活塞式成型机的成型模腔一般要100h修复一次：国内外的同类环模式成型设备平均修复周期在1000h左右。维修费用f取决于环模直径）为1万～4万元。德国某厂环模成型机的环模每运行90d需要维修一次。一台环模总成可维修10次，每次耗资4500欧元。
3）成型机对原料的粒度和含水率要求不尽相同，从6%～35%不等，超出正常范围就会导致不能成型或能耗增大，从而导致因各地原料不同而配备各种专门设计的成型设备。另外，不同的成型设备适用的原料要求严格：为锯末、木屑设计的成型设备不能处理生物质秸秆等；能处理秸秆的成型设备对稻壳无能为力：处理稻壳的成型设备却奈何不得棉花秆等。
2 4成型燃料结渣严重
秸秆类生物质在生长过程中会吸收一定量的金属元素，这些元素以盐或氧化物等形式存在于生物质机体内，且熔点相对较低，大部分在700~900℃。当秸秆类生物质固体成型燃料在锅炉内燃烧时。炉内温度远高于碱金属化合物的熔点，导致炉排上的秸秆灰在800～900℃时就开始发生软化，温度过高时灰分会全部或者部分发生熔化．形成玻璃状坚硬炉渣。难以清除。另外，烟气中夹带着熔化或半溶化的碱金属硅酸盐，在接触到锅炉内壁面时凝结。不断积聚，最终产生严重的积灰或结渣等问题。结渣现象不仅会影响燃烧设备的热性能，而且会危及燃烧设备的安全性。
2.5不同生物质成型燃料燃烧性能差异大
不同种类生物质的热值和工业成分不同。见表2所示。稻草的低位热值为1.39×l04kj/kg而杂草的低位热值为l.6 x l04 kj/kg。相比之下，木材的发热量较大，枫木和松木的低位热值分别为1.89×104 kj/kg和1-90 x l04kJ／k昏热值的不同致使对应的成型燃料在燃料炉中燃烧时性能存在差异，从一种燃料换到另一种燃料燃烧时，所发出的能量就会存在波动，从而导致供热或发电的不均匀性。这种不均匀性必然影响居民取暖或输电的稳定。
3、解决问题的方案
3.1充分论证。保证原料可持续供应
项目投资人和地方政府要对生物质电厂项目进行科学的可行性分析和论证。充分考虑国家政策、当地的生物质原料数目、分布、利用途径、已有企业类型和经济效益等。立项规模要合适，地点选择要恰当，宏观审批要慎重，有大型人造板厂则不宜批建生物质电厂，从而保证原料供应充足，并且对可用于成型燃料生产和发电项目的生物质总量、可获得性、可供应量、秸秆等生物质原料到厂价格以及秸秆资料的区域差异等相关问题形成一套完整的理论体系。项目一旦上马，要进行科学的管理，保证项目的长久发展，确保对当地经济、农民生活质量及农村环境切实有益。
3.2对原料合理预处理，优化成型工艺
预处理对于增加原料成型性能、改善成型燃料的物理品质和燃烧性能及降低成型机能耗具有重要影响。改变原料的预处理方式可以提高不同种类秸秆自身胶合固化成型性能，从而有效改善不同种类秸秆成型性能和颗粒成型燃料结合强度。在原料预处理方面，蒸汽爆破预处理、木质纤维材料苄基塑化是新近发展起来的预处理方法。在对原料进行蒸汽爆破和苄基化处理的基础上，确定合理的成型工艺。
蒸汽爆破主要是利用高温高压水蒸汽处理纤维原料，并通过瞬间泄压过程实现原料的组分分离和结构变化。处理后天然纤维原料膨松呈烟丝状。纤维素的孔隙增大。对其进行热性质分析表明，蒸汽爆破使植物纤维原料的半纤维素和木质素降解为低分子物质，并且使纤维疏松，形成多孔性，易于燃烧。经此处理的纤维便于成型，从而可提高成型机对原料的适应性。实施时可对不同种类秸秆采用不同含水率、不同温度、不同压力进行工艺优化。得到不同种类秸秆爆破法工艺参数，提高成型设备对不同种类原料的适应性。
植物纤维材料苄基塑化即通过化学手段，用其他的官能团来部分取代其纤维素、半纤维素或木质素上面的羟基，一方面会减少各成分之间的氢键，使纤维素及半纤维素等分子间的结合力大大下降：另一方面这种改性还会破坏纤维素的结晶结构，最终使木质纤维材料可以在一定温度下软化成为热塑性材料。热塑性材料在一定温度下易于成型，且结合强度提高。实施时可对不同种类原材料（木材、麦秸、玉米秸、棉秆、稻壳等）进行一定比例）苄基化预处理，将苄基化产物与未处理原料混合，之后在成型机内成型，总体提高设备对原材料的适应性。
3.3研发和改进成型设备
研制多种类高含水率物料（湿物料秸秆）一次粉碎技术与设备。普通的晾晒处理如遇阴雨天气。秸秆易霉变甚至腐烂，使秸秆利用价值降低，因而有必要研发针对不同来源、不同种类的高含水率物料一次粉碎技术与设备，实现多种湿秸秆即收割即粉碎，并且提高碎料程度�？刹捎萌啻曜爸�、锤片粉碎、筛分装置等的有机结合技术设计开发设备。将秸秆高度分离，得到介于刨花碎料和热磨纤维之间的亚纤维。粉碎后的秸秆进行再气干或人工干燥，一方面提高干燥效率。另一方面可预防或减少秸秆霉变腐烂，为后续成型工艺做好准备。
提高成型部件的耐磨性，合理设计成型部件的材料、尺寸。合理选择成型因素水平。对成型的关键部件采用先进的表面热处理和涂层及渗层等技术以提高耐磨性。
研究设备对原料的适应性，从结构设计、尺寸设计、制造精度等角度角度出发。提高其对原料的适应性，主要是对含水率的适应性。
3.4提高成型燃料的抗结渣性能
一是进一步改善对原料的预处理，减少秸秆中的金属元素。试验表明。使用60~70℃的水对秸秆进行洗滤，可脱出秸秆中95%的K和Cl元素。二是在秸秆的收集运输过程中．应避免混入含有S02的泥沙，防止K和Na等元素的化合物与SO2发生反应而生成低熔点的共晶体。三是研制和选用合理的抗结渣添加剂。农业部规划设计研究院田宜水等提出了一种生物质固体成型燃料抗结渣添加剂。该添加剂主要由15%~25%的碳酸镁、20%~30%氧化铝和45%~65%的碳酸钙组成，按照不同的生物质原料制定不同的配方配比，并按照1%～5%的比例将抗结渣添加剂添加到不同的生物质原料中。四是采用各种措施（如水冷震动炉排等1将锅炉燃烧温度控制在900℃以下。对锅炉内部结构进行精心设计。避免携带低熔点颗粒的热气体与换热面接触等。
3.5提高成型燃料燃烧均匀性
应改变不同种类生物质原料的成型参数。以提高其成型燃料的燃烧性能。有研究表明，玉米秸秆成型燃料的燃烧性能随着相对孔隙率的不同而变化。相对孔隙率大的玉米秸秆成型燃料相对较好燃烧。具有较好的燃烧性能，反之则不好。为此，应根据生物质成型燃料的燃烧特性优化成型燃料锅炉运行参数，以提高燃烧效率和热效率。如上文表2所示，木材比秸秆的热值高，可尝试木质材料和非木质材料混合，如木材一麦秆、木材一稻秸等混合成型燃料、生物质原料和煤粉混合成型燃料。从配比、密度等方面提高成型燃料的燃烧均匀性，提高热值。
4、结语
开发和利用生物质能是解决环境污染、能源短缺问题的重要途径。但生物质成型燃料生产和利用过程中在原料的持续供应、原料预处理、成型工艺、设备、成型燃料结渣和燃烧性能等方面仍然存在诸多问题，解决好这些问题是确保生物质致密成型和利用产业发展的关键，尚有大量的工作需要进行。
