生物燃料

生物质原料收储运及成型燃料技术概述

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生物质原料收储运及成型燃料技术概述

摘要:化石能源的开采和利用推动了世界的工业革命和社会发展,然而到了今

天,人类却不得不面临能源枯竭和化石燃料使用过程中带来的环境污染这两大全球

性问题。开发利用更加清洁、可再生的新能源便成为了人们关注的焦点。于是在一

场轰轰烈烈的化石燃料替代能源的研究浪潮中,生物质能源脱颖而出。在众多的生

物质能源利用技术中,生物质燃料备受关注。本文主要就生物质燃料技术发展中的

原料收、储、运问题和生物质成型燃料技术的研究现状两大方面,进行综合的概

述。

关键词:生物质,原料收、储、运,成型燃料

1.前言

生物质是指通过光合作用而形成的各种有机体,包括所有的动植物和微生物。

生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式,以生物质为载体的能

量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用,可转化为常规的固态、液态和气

态燃料,取之不尽、用之不竭,是一种可再生能源。一般来讲,生物质能是指利用自

然界的植物、粪便以及城乡有机废物转化成的能源,主要包括农业生物质资源、林

业生物质资源和工业废水及城市固体废弃物,通过燃烧、热化学法、生化法、化学

法和物理化学法等利用技术,可转化为二次能源,分别为热量或电力、固体燃料(木

炭或成型燃料)、液体燃料(生物柴油、生物原油、甲醇、乙醇和植物油等)和气体

燃料(沼气、生物质燃气和氢气等)。

自20世纪70年代以来,为了应对日益突出的能源危机和气候变化,世界各国

高度重视生物质能的开发与利用,提出了明确的发展目标,制定了完整的法规和政策

体系,生物质能技术水平不断提高,产业规模逐渐扩大,成为促进能源多元化和实现

可持续发展的重要途径之一。中国能源储备少、产量低,而需求却在大幅增加,供需

矛盾日益尖锐。生物质能具有清洁、安全、可持续等特点,开发和使用生物质能,符

合可持续的科学发展观和循环经济理念。针对国内外能源供求紧张的形势,开发利

用生物质能,既是实行能源战略多元化,解决中国能源问题的有效途径,又是拓展农

民就业领域,促进农民增收的重要渠道。中国政府历来重视生物质能的开发利用,自

20世纪70年代以来,先后实施了一批生物质能利用研究项目和示范工程。“十一

五”期间,国家又将生物质能的开发利用列入“国民经济和社会发展第十一个五年

规划”。但是,目前中国生物质能发展还存在着许多问题。本文就其中的生物质原

料收、储、运和生物质成型燃料的发展两大方面,进行全面综合的概述。

2.原料收、储、运

原料的收集、储存和运输是任何一项技术生产流程之首,占据着重要的地位。

而在我国,原料收、储、运同时也是生物质利用技术发展的难点之首,是各个研究机

构和专家力图攻克的难关之一。

近十几年来,生物质作为可替代化石燃料的清洁能源受到各国政府的重视而快

速发展,如今,在各国能源结构中占据重要地位。但其快速发展的过程中也遇到很多

困难,其中一个制约因素便是原料收集困难。据了解,我国生物燃料产业发展面临的

最大挑战是原料资源基础任然薄[1]。生物质成型燃料作为生物质燃料的一大分支,

因此,其发展同样受制于原料收集。生物质原料收集的分析探讨对继续大力发展生

物质燃料至关重要。

用于生物质成型燃料的资源主要来源于农作物秸秆、农产品加工业的副产品

及林业废弃物等[2]。农产品加工业的副产品和林业废弃物由于产地相对集中,主

要来源于加工厂,数量多且容易收集。我国拥有丰富的农作物秸秆资源,但由于地域

辽阔,自然村分散,土地承包制,农作物品种多,换种期较短,小农经营,农业机械化水

平低等原因[3],一直以来,原料收集困难、收集率低导致成本高,大量的农作物秸

秆收集成为生物质燃料加工生产工程中的“瓶颈”,制约着生物质的大范围大规模

收集利用。

2.1.1生物质原料收集面临的问题

(1)原料自然密度低,收集量大

农作物秸秆不同于煤炭资源,其分布比较分散。中国土地实行家庭承包责任制,

包产到户的模式,且自然村和农户都比较分散,各农户种植的农作物不一,导致同一

种类的农作物秸秆自然密度低,这使得原料收集工程量大。

谢光辉[4]等人折算获得禾谷类作物在中国大陆主产区的秸秆系数,利用这一

系数估计每亩可收集到的风干玉米秸秆约为0.5吨,但目前1/3直接还田,1/3用作

其他(如饲料、堆肥等),仅有1/3可收集作为生物质燃料。因此,要收集一定数量的

秸秆是一个庞大的工程。很多农民不愿耗时耗力收集廉价的秸秆,而是直接焚烧还

田。

(2)收集时间紧促且难以控制

农作物的季节性很强,我国大部分农作物主产区是一年两熟,南方少数地区可

一年三熟,换种期较短,为腾地换种下一季作物,要求在比较短的时间内完成收集。

另外,在收集过程中会受到天气的影响,农作物秸秆一般含水率不一,在收集时需要

晾晒到一定程度才可以打包打捆,如遇阴雨天将会拖延收集时间。天气变化难以控

制,这加大农作物生物质收集的难度。

(3)机械化程度低

我国的农作物秸秆收获机任处在中试阶段。目前,我国还没有研制出一种适合

我国土地耕种模式的秸秆收获机,80%以上的秸秆收集是通过人工打包打捆,这不但

耗时耗力而且还增加了原料收集成本。

2.2.2我国生物质原料收集模式的研究现状

针对以上原料收集过程中的诸多问题,我国各生物质企业以及很多研究学者纷

纷提出多样化的生物质原料收集模式。方艳茹等人[5]将小麦秸秆的收储运分为4

种模式,分别为人工散杆模式、人工打包模式、机械散杆模式、机械打包模式。王

品学等人[6]将农作物生物质原料的收集分为厂家自行收购、设立固定基地收购

站、以村为单位设立收购站点3种模式。南京农业大学陈丽欢[7]将生物质原料收

集按燃料收购与运输形式分为田间打捆运至料场、田间打包运至料场以及收购点压

块运至料场。中国农业大学魏巧云[8]对秸秆供应链中收获成本关键影响因素秸秆

收获量和秸秆打捆方式进行了估算和相关成本分析。

根据文献[9]和[10]可以归纳出主要的存储方法有四种:开放式存储法、覆盖

式存储法、仓库式存储法和厌氧式存储法。下文将对各种存储方法进行介绍。

(1)开放式存储法

开放式存储方法通常将生物质原料置于露天环境下,不再专门采用覆盖物对原

料进行覆盖,既省去了覆盖材料的消耗,同时也节约资源和人力成本,因此,采用这种

方法的存储成本最小。然而问题也随之出现,主要体现在原料损耗上,而损耗程度主

要受天气情况的影响,同时也与存放于精炼厂中的时间长短相关。例如,在冬天干物

质的损耗会有所下降,这时可以适当的采用开放式存储。而在雨季,对于某些生物质

原料例如玉米秸秆,由于材料的形状不规则,无法形成紧密的堆垛,会导致较多的雨

水渗入其中或是将水气吸收入内,这将会导致很高的变质率和干物质的损失,从而降

低原料的总体品质。

(2)覆盖式存储法

覆盖式存储法即在生物质堆垛的顶部覆盖一层防紫外线的聚乙烯织物或者塑

料膜等,可以防止雨季时多余的水分进入存储堆或者日晒造成的生物质原料损耗。

采用覆盖式存储时,需要对堆放原料的地面进行选择、整理并对堆放栈进行配置和

建设,投入使用后,需要进行长期的维护。因此,与开放式存储方法相比,覆盖式存储

还需要额外的投入覆盖材料以及堆栈建设、维护费用,增加了原料的存储成本,但也

相应地提高存储质量。当初始水分含量低于18%时,高质量的覆盖式存储可以令干

物质损耗水平在5%-7%之间。

(3)仓库式存储法

与上文所提到的两种方式相比,将生物质原料存储在仓库等常设性结构中有其

独特的优势。在仓库中进行存储将大大有助于减少水分渗入生物质堆垛,也能在原

料堆的顶部达到自然通风(覆盖式存储在堆垛的顶端形成了一道蒸汽屏障,会阻碍水

蒸气的自然散发),令成捆的生物质原料脱去水气。

(4)厌氧式存储/青贮法

厌氧式存储也叫青贮法,需要将生物质装入密封的塑料装置中以减少其暴露在

氧气中的可能性,从而降低其有氧呼吸率,减少干物质损耗。厌氧存储法已在含水分

的青绿饲草的保存中广泛使用。由于含水分的青绿饲草或糟渣在厌氧环境下发酵产

生酸乳酸菌,当乳酸积累到一定程度时,将pH值控制在3.5-4.2之间,使各种微生

物活动被抑制,原料便能长期保存。这一方法可以将存储中干物质的2损失控制在

3%-10%之间,其变化幅度取决于存储过程中塑料包装的数量或强度。

总之,这四种存储方式各有其优劣之处。从成本的角度,采用开放式成本进行

存储单价较低,且之后不存在一系列的维护费。而覆盖式、仓库式存储则需要较高

的费用进行初始投资,并且在投入使用后为了保证存储效果和延长使用年限,仍会产

生维护的成本。厌氧法对堆放点的建设和条件要求并不高,但是进行存储之前需要

机器辅助操作,从而引入了一定的成本。从存储效果的角度来说,开放式存储的损耗

率是最高的,其次是覆盖式存储、厌氧式和仓库式存储。所以精炼厂在进行原料储

存时,需要综合地权衡存储的投资成本和存储效果

2.3原料运输

我国农业生产以家庭承包为主,户均种植面积小,作物秸秆分布分散;同时由于

秸秆密度低,体积大,收获季节性强,秸秆收集、储存和运输成为制约其大规模利用

的主要瓶颈。因此,如何建立合理、高效的秸秆收储运体系是秸秆生物质能产业发

展必须首先解决的关键

问题。进过多年的探索实践,我国秸秆收储运系统已经有了一定的发展基础,

主要有分散型和集中型两种模式[11][12]。

2.3.1分散型收储运模式

分散型收储运模式以农户、专业户或秸秆经纪人为主体,把分散的秸秆收集后

直接提供给企业,可以分为“公司+散户”型和“公司+经纪人”型等两种形式。

(1)“公司+散户”型

“公司+散户”型是由分散的农户将秸秆送到公司。农户仅仅需要在田地里

收割、装车,运至公司即可,由公司进行后续的秸秆晾晒、储存,保管和运输等任

务。这种形式中,农户会急于将秸秆运至公司,因而供应期集中,所以仅适用于需求

量小且离田地距离近的公司企业。

(2)“公司+经纪人”型

“公司+经纪人”型主要以秸秆经纪人为主体,由秸秆经纪人把分散农户组织

起来,为企业常年提供秸秆原料。公司从周边农村挑选有经济头脑、有启动资金的

农民,培育为秸秆经纪人,专门负责秸秆原料的收集、晾晒、储存、保管、运输等任

务,由一批秸秆经纪人负责为企业提供秸秆原料。

秸秆经纪人一般采取两种方式收购秸秆:一是经纪人自己购置运输车辆,设立

简易储料场,从农户手中收购秸秆,存放在储料场,定期向企业供应原料;二是秸秆经

纪人培育一批秸秆收购户,并定期预支给收购户周转资金,用来收购秸秆、购买手扶

拖拉机等农用运输工具,由这些收购户常年走村串巷收购秸秆,并负责直接运送到发

电厂。由经纪人负责与电厂定期结算,并与小散户们进行利润分红。

秸秆经纪人的存在使得秸秆供应时间大大延长,也便于企业资金的流转,适用

于需求量大的公司和企业。

分散型的优缺点:

农作物秸秆属于量大轻泡物品,晾晒、存储需要占用大量空闲地方,采用分散

型收储运模式,将收储运分散问题转移到广大农村和农户来解决,将收晒储存问题化

整为零解决。公司企业不需投资建设收储运系统,大大降低了企业的投资、管理和

维护成本。但这种模式的缺点是企业的原料供应在很大程度上受制于秸秆经纪人,

而秸秆经纪人不隶属于任何组织,管理相对松散。随着企业数量的增加和规模的扩

大,秸秆需求量增加,企业之间存在原料竞争,秸秆经纪人为了

追求最大利润,会随机抬高收购价,或将秸秆送到其他竞争性企业,而发电企业

为了确保原料的常年供应,不得不抬高收购价,致使原料成本大幅度增加,甚至面临

因原料缺乏而停产的危机。

2.3.2集中型收储运模式

集中型收储运模式以专业秸秆收储运公司或农场为主体,负责原料的收集、晾

晒、储存、保管和运输等任务,并按照企业的要求,对农户或秸秆经纪人交售秸秆的

质量把关,然后统一打捆、堆垛、存储,可以分为“公司+基地”集中型和“公司+

收储运公司”集中型等两种形式。

(1)“公司+基地”集中型

公司与农场签订协议,由农场进行秸秆原料的收集、晾晒、储存、保管和运输

等任务。这样可以一定程度上减低储运成本,提高原料质量。适用于需求量较小的

公司。

(2)“公司+收储运公司”集中型

集约型秸秆收储运模式主要以专业秸秆收储运公司为主体,负责原料的收集、

晾晒、储存、保管、运输等任务,并按照企业规定的统一质量标准,对农户或秸秆经

纪人交售秸秆的含水、含沙和霉变程度进行质检、称重、支付货款、打捆(标准

捆)、堆垛、统一防潮、防火和保存。秸秆收储公司,一般是以乡镇为中心,按照一

定储量规模,在一定区域范围内,分散设立一个或若干个秸秆收储点,形成一个收储

网络系统,调控秸秆收储量并按企业原料使用需求,及时、保质、保量运送秸秆到

厂。

秸秆收储公司对秸秆实行分散收集、统一储运管理。以现有农户或秸秆经纪

人作为秸秆的主要收集者,将秸秆收集、晾晒后,按照收储公司的要求统一运送到秸

秆收储点进行储存、保管。还有些收储公司通过培育秸秆农民合作组织,与合作组

织签订合同,规定收购的数量、质量、价格等内容,由专业合作组织把分散农户组织

起来,负责原料收集、预处理和小规模储存,然后根据需要定期运送到收储站,逐步

形成从农民合作组织到秸秆收储公司再到发电企业这样一个秸秆收储运体系,保证

了原料的长期有效供应。

通过调查发现,目前我国专业秸秆收储公司一般由发电企业自己投资建立,自

己经营秸秆收集、储运、管理各个环节的工作。

集中型收储运的优缺点:

采用集中型收储运模式,秸秆收储运公司需要建设大型秸秆收储站,占用土地

多,还要进行防雨、防潮、防火和防雷等设施建设,并需投入大量人力、物力进行日

常维护和管理,一次性投资较大,折旧费用和财务费用等固定成本较高。但秸秆发电

企业通过与收储公司签订供货合同,使秸秆的供应变成企业法人之间的商业活动,从

根本上解决了秸秆供应的随意性和风险,能够确保秸秆原料的长期稳定供应。而且

秸秆收储公司采用先进的设备和技术对秸秆原料进行质检、粉碎、打捆等,确保秸

秆质量,提高了秸秆利用效率。随着秸秆的规模化利用和市场需求的增加,集中型模

式将成为主要发展方向。

3.成型燃料技术现状

作为能源,生物质的利用技术一般有三类:一是燃烧技术,通过直接燃烧或将生

物质加工成成型燃料(如颗粒、块状、棒状燃料)然后燃烧,其主要目的是为了获取

热量;二是生物化学转化技术,通过将不同原料(木材、小麦、甜菜等)先酸解或水解,

然后微生物发酵,制取液体燃料或气体燃料;三是热化学转化技术,其可获得木炭、

生物油和可燃气体等高品位能源产品,该项技术按其加工工艺的不同,又分为高温干

馏、热解、生物质液化和气化等几种方法。

相对而言,通过燃烧利用生物质能的成本较低,是林木生物质能源转化的可选

择技术途径之一。目前,生物质成型燃料已是生物质能利用的重要方式之一。生物

质成型燃料技术又分为生产技术和应用技术,生产技术已日益成熟,如何更有效的利

用生产出的生物质固体燃料也愈加受到关注和重视[13]。

3.1生物质成型燃料生产技术

生物质致密成型技术是指应用机械加压(加热或不加热)的方法,将各类原来分

散、没有一定形状、密度低的生物质原料压制成具有一定形状、密度较高的各种固

体成型燃料的过程。它具有以下主要特征:原料丰富,农林废弃物、各类作物秸秆等;

纤维素含量高,70%

左右;硫含量大大低于煤;有比较高的密度,一般为1.0~1.3g/cm3,便于贮存和

运输;产品形状规格多,颗粒、棒、块状等,利用范围广;热值一般为

16000~17000J/kg,与中质煤相当;燃烧速度比煤快11%以上,燃烧充分、黑烟少、灰

分低、环保卫生,可高品位利用;可以实现CO2的零排放;可形成产业,经济和社会环

保效益明显[13][14]。按成型温度可分为加热成型和常温高压成型两种。

(1)加热成型:植物中含有的木质素是具有芳香族特性的结构单体,属非晶体,

没有熔点但有软化点,当温度达70~110℃时开始软化且粘合力开始增加,在

200~300℃时,软化程度加剧达到液化,此时施加一定的压力,使其与纤维素紧密粘接,

并与邻近颗粒互相胶接,冷却后即可固化成型。生物质加热成型燃料就是利用生物

质的这种特性,用压缩成型设备将经过干燥和粉碎的松散生物质原料在加压

(0.5~1t/cm2)、加温(110~300℃)的条件下,使木质素软化并经挤压而成型,得到具

有一定形状和规格的成型燃料。其固化成型的工艺流程一般为:原料→预处理(粉

碎)→干燥→加热、成型→冷却包装。

(2)常温成型:生物质原料是由纤维构成的,被粉碎后的生物质原料质地松散,

在受到一定的外部压力后,原料颗粒先后经历位置重新排列、颗粒机械变形和塑性

流变等阶段,。开始压力较小时,有一部分粒子进入粒子间的空隙内,粒子间的相互

位置不断改变,当粒子间所有较大的空隙都被能进入的粒子占据后,再增加压力,只

有靠粒子本身的变形去充填其周围的空隙。这时粒子在垂直于最大主应力的平面上

被延展,当粒子被延展到与相邻的两个粒子相互接触时,再增加压力,粒子就会相互

结合,这样,原来分散的粒子就被压缩成型,同时其体积大幅度减小,密度则显著增

大。由于非弹性或粘弹性的纤维分子之间的相互缠绕和咬合,在外部压力解除后,一

般都不能再恢复到原来的结构形状。应用这一原理,可以实现自然状态下的常温压

缩成型。该成型技术的工艺流程为:原料→预处理(削片或粉碎)→成型→包装。它

比加热成型技术减少了原料烘干、成型时加热和降温等3道工序,可节约能耗

44%~67%。在能源紧缺的今天,常温成型是生物质成型燃料的发展方向。

生物质成型燃料按形状可以分为颗粒状(直径φ5~12mm,长度10~30mm的

小圆柱体)、方块状(截面为30×30mm的正方型,长度一般为30~80mm)和中空棒

状(截面一般为六棱型,直径φ50~60mm,长度500mm左右,中心带有直径为φ20的

通孔)。

(1)生物质棒状燃料固化系统的工艺流程是:生物质原料经过粉碎机粉碎,再经

过干燥或喷淋水(不同固化设备对原料的含水率要求不同,当原料含水较高需经过干

燥设备,当原料含水过低则用喷淋水提高原料水分),满足要求的原料再进行固化制

棒机组生产出生物质成型燃料,如需对产品做进一步深加工,可进行炭化,生产出机

制炭高热值产品。制棒机组为螺旋冲压式和挤压式成型2种:冲压式成型机是通过

往复式活塞双向挤压生产成型燃料;螺旋挤压式固化成型机组以螺旋挤压方式生产

棒状高密度中空成型燃料,可以改善松散废弃物的燃烧性能,提高废弃物的价值品位,

棒状燃料经炭化可制得优质木炭。

生物质成型燃料以林产品加工废弃物(锯末、刨花、砂光粉等)和农作物废弃

物(秸秆、稻壳等)为原料,用于工业和日常生活或作为生产活性炭的原料。生产试

验和分析结果表明,该种成型机可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,经济效益和环境效益明显,生产原料以秸秆

为主,推广前景广阔。但该类型设备所生产的燃料密度仍比较低,如何解决燃料的高

密度问题是未来的研究重点。

(2)生物质颗粒燃料固化系统在我国处于研究示范和试点阶段,设备的技术原

理比较先进,成本低廉,适合我国国情;但还存在着规模化和市场化程度不高、管理

不规范、支持政策缺乏和推广速度比较缓慢等问题。其设备大致分为环模挤压成型

机、平模挤压成型机、双环模式颗粒成型机。环模压辊的原理是利用环模的内部体

系,通过压辊由内向外施加压力使得燃料成型挤出。其成型机是采用内环模压辊挤

压成型颗粒燃料的设备。平模挤压成型是由饲料成型设备改进而成,设备采用常温

成型,主要适用原料为木屑等,产品为颗粒状。设

备生产能力50~300kg/h,平模工作寿命约400h,在国内已有少量应用。而双

环模对辊挤压成型也是由饲料成型设备改进而来,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,原料过于干燥不易成型,成型后需要干燥处理,有黏结

剂易于成型,产品为颗粒状。

目前的颗粒燃料固化系统原理几乎一致,颗粒成型设备系统已经实现了在实际

生产中的应用。但是其共同的缺点在于对原料的处理前的物理性质要求较高,如湿

度、硬度等,因此如何攻克原料的适应性问题是未来要进一步深入研究的方向

[15]。

3.2生物质成型燃料应用技术

(1)对生物质成型燃料进行深加工。经过固化成型的生物质燃料可继续加工生

产机制木炭,生产出来的木质炭可代替天然木炭作为燃料炭;炭中不含致癌物质,特

别适合食品熏烤;对其进行二次活化加工,还可以生产出合格的工业活性炭,用于冶

金还原物和渗碳剂;还可以作为吸附剂,用于环保工业;用炭粉施田,可以有效提高地

温、地力和防病虫害。利用炭粉生产各种型炭,成本较低,而且具有很强的市场竞争

力。

(2)生物质成型燃料的民用。民用炉灶是以燃烧颗粒燃料为主,在设计中以小

型半气化取暖炉和炊事炉具为主。在气化区,利用空气使颗粒成型燃料转变为可燃

性气体(木煤气),空气中的氧与炭相互作用,发生如下反应:

C+O2——CO2+408.86kJ/mol(1)

C+1/2O2——CO+123.30kJ/mol(2)

C+CO2——2CO+162.7kJ/mol(3)

为保证得到高质量的木煤气,在设计气化炉灶时,必须充分考虑应有足够灼热

炭层,使式(1)产生的CO2通过式(3)反应,转变成CO。颗粒成型燃料民用炉灶与普

通炉灶相比,无论使用颗粒或成型燃料还是木片作为燃烧原料,其热效率都显著提高

[16]。

(3)生物质成型燃料的锅炉应用。大部分生产出来的生物质固化燃料都可以直

接或与煤混燃,并不需要改造锅炉。有少部分烧煤锅炉由于鼓风、温度、燃烧形式

等原因须经改造方可进行生物燃料使用。

3.3生物质成型燃料技术难点

(1)原料收集是制约成型燃料技术发展的技术瓶颈(收、运、储)。中国生物质

原料在收集方面与国外不同。管理制度不同、地块小而分散,收集机械化水平低,打

捆和定向收集没有提到日程,收集是难点。没有充足的原料,生物质成型燃料技术就

不可能迅速发展。原料的收集是制约成型燃料技术发展的技术瓶颈。

(2)生物质原料自身的多样性及复杂性。生物质原料的种类繁多,其木质素、

纤维素、果胶质等成分含量有较大差别。生物质原料的力传导性很差,反弹性很强,

被压缩成型的条件也有很大差异。生物质原料由低密度压缩成高密度的原料喂料问

题,原料的含水量随原料种类、地域、季节及气候不同变化问题,所以原料水分问题

成为制约热压成型的一大难题。

(3)成型燃料设备工作环境的恶劣性。生物质原料在收集过程中携带的许多粉

尘、泥土砂粒,不仅会加剧成型部件的磨损,还会造成成型设备润滑系统的污染,影

响设备的使用寿命和稳定运行。所以提高成型部件的使用寿命是成型技术的又一难

题。

(4)成型燃料燃烧过程中的结渣与玷污倾向。生物质原料中含有较多的钾、

钙、铁、硅、铝等成分,在高温下极易燃烧沉灰,易于在传热壁面形成结渣和沉积,

直接影响热量的

传导和炉具的热利用率。

(5)成型燃料燃烧过程中低温条件下的焦油析出问题。间断燃烧是农村生活用

能的主要特点,生物质炉具的封火性能要好,并且由于封火后炉内温度降低,高挥发

分含量的秸秆会有大量焦油析出,在短期内使烟囱、炉口等部位堵塞[17]。

3.4国外发展现状

国外成型燃料的发展分为三个阶段。从20世纪30~50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70~90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,开展生物质致密成型燃料的研究,到90年代,欧洲、美洲,亚洲的一些国家

在生活领域比较大量地应用生物质致密成型燃料。

首先,美国在20世纪30年代就开始研究压缩固体成型燃料技术及燃烧技术,

并研制了螺旋式挤压成型机及相应的燃烧设备,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。70年代初,美国又研制开发

了内压滚筒式颗粒成型机。日本在20世纪30年代开始研究机械活塞式成型技术

处理木材废弃物,20世纪50年代从国外引进螺旋挤压成型技术后进行了改进,研制

出棒状燃料成型机及相关的燃烧设备,1983年前后从美国引进颗粒成型燃料成型

技术及相应燃烧设备,并形成了日本压缩固体成型燃料的工业体系,推广到了台湾、

泰国乃至欧洲和美国。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

缩时的温度和压力以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[18]。1984年日本的生物质成型燃料生产厂达到

172家,生产总量达2.6×105t。50年代,现代化的活塞成型机在瑞典、德国得到推

广,以锯末为原料的燃料块在市场上有了竞争力,之后相继产生了以油压、水压为动

力的活塞式生物质压缩成型设备。70年代后期,由于出现世界能源危机,西欧许多

国家如芬兰、比利时、法国、德国、意大利等国家也开始重视压缩成型技术及燃烧

技术的研究,法国开始时用秸秆的压缩粒作为奶牛饲料,近年来也开始研究、生产块

状燃料,由多种林业废弃物生产的压缩成型燃料已经达到了实用阶段。德国研制的

KAHI系列颗粒成型机可生产直径为3~40mm的生物质颗粒燃料,按生产率不同,所用

电机的功率(20~400kW)也不同[19]。泰国、印度、菲律宾等国从20世纪80年代开

始也先后研制成了加粘结剂的生物质致密成型机。国外成型的主要设备有颗粒成型

机(Pelletpress)、螺旋式成型机(Extruderpress)、机械驱动冲压成型机

(Pistonpresswithmechanicaldrive)和液压驱动冲压式成型机(Piston

presswithhydraulicdrive)。

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致密成型燃料

发电厂,随后,瑞典、德国、奥地利等国先后开展了利用生物质致密成型燃料发电和

作为锅炉燃料研究,目前在加热、供暖、干燥、发电等领域已普遍推广应用[20]。

按其规范可分为:小型炉、大型锅炉和热电联产锅炉(Smallscale,Large

boilers,Combinedheatandpowerboilers)。按用途与燃料品种可分为:木材

炉、壁炉、颗粒燃料炉、薪柴锅炉、木片锅炉、颗粒燃料锅炉、秸秆锅炉、其它燃

料锅炉(Woodstoves,Fireplaces,Pelletstoves,Boilersforwoodchips、

Boilersforpelletsandgrain、BoilersforstrawBoilersforother

fuels)。按燃烧形式可分为:片烧炉、捆烧炉、颗粒层燃炉等(Chipfired

boilersorcuttingstring-firedboilers,Batch-firedboilersorsmall

bale-firedboilers,Pellet-firedboilertc.)。

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

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,丹麦已经

建立了130座发电厂。瑞典是应用生物质成型燃料最好的国家之一,年生产生物质

固体成型燃料总量超过200万t,截止到2009年,应用生物质能源的总量已达到总

能耗的31.7%,而石油消费总量只占30.8%,瑞典人均生物质致密成型燃料消耗量达

到160公斤/年。欧洲现有近百家生物质致密成型燃料加工厂,农场主以秸秆为原料,

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。总体而言,国外生物质成型燃料技术

发展有如下几个特点:(1)生产技术大部分已经成熟,并达到规模化和商品化;(2)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;(3)设备制造比较规范,

但能耗高,价格高[21]。

3.5国内发展现状

相对而言,我国在这方面的研发和生产起步较晚。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。“七五”期间,中国林业科学院林产化工

所通过对引进的样机消化吸收,系统地进行了成型工艺条件实验,完成了木质成型

设备的试制,并建成了年产1000t棒状燃料生产线。其后西北农业大学对该技术的

工艺做了进一步的研究和探讨。先后研制出了X-7.5,JX-11,SZJ-80A三种型号的

秸秆燃料成型机。“八五”期间,作为国家重点攻关项目,中国农机院能源动力研究

所,辽宁省能源研究所、中国林业科学院林产化工所、中国农业工程研究设计院,对

生物质冲压挤压式压块技术装置进行了攻关,推进了我国对固化成型研究工作。随

着生物质致密技术和碳化技术的研究成果出现,我国生物质致密成型产业也有一定

的发展。1990年前后,一些单位先后研制和生产了几种不同规格的生物质成型机和

碳化机组,这些设备包括机械冲压式成型机、液压驱动活塞式成型机、电加热螺杆

成型机等。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。比如,1998年江苏正昌粮机集团公司开发了内压环模式颗粒成型机,其

生产能力为250~300kg/h,生产的颗粒成型燃料可用于家庭或暖房取暖;同年南京

市平亚取暖器材有限公司从美国引进适用于家庭使用的取暖炉,通过国内消化吸收,

形成了工业化生产,另外,还从美国引进了一套生产能力为1.5t/h的颗粒成型燃料

生产线,1999年开始正式生产。我国发展的压缩成型机可分为2种:螺旋挤压式成

型和液压冲压式成型机[22]。

进入21世纪,化石能源价格连续攀升,环境污染日益加剧,国家开始对各种可

再生清洁能源开发重视,生物质成型燃料也进入了良好的发展阶段,颗粒状、小方块

状成型燃料也引起高度关注。目前,包括国内很多企业和大专院校、科研院所开发

成功挤压式、液压冲击式、螺杆式成型燃料生产设备,并在取暖炉、锅炉、机制木

炭生产等方面广泛使用。

总体来说,我国的生物质成型燃料有如下特点:(1)在全国范围内,还处于研究

示范试点阶段,规模化和市场化较差;(2)设备的技术原理比较先进,成本低廉,适合

我国国情;

(3)设备稳定运行能力不高;(4)管理不规范,支持政策缺乏,推广速度缓慢。

3.6生物质成型燃料应用过程中的障碍

3.6.1应用领域分析

农村经济的迅速发展使农民的生活水平大幅度提高,一个显著的特征就是农

村对优质能源和商品能源的需求剧增。1980年,我国农村地区能源消费总量为

3.3亿吨标煤,2002

年达到7.9亿吨,其中生产用能由0.67亿吨增加到3.3亿吨。在农村能源

消费中,商品能源由1980年的30.2%增加到2002年63.3%,2002年,农村生产

用能中的93%是商品能源,生活用能中42%时商品能源。按照这样的增长速度,2010

年我国农村生活用能中商品能源要达到6亿吨标准煤。由此可见,农村对优质能

源的需求巨大,采用致密成型技术将秸秆等加工成优质燃料供应给农民,可以大幅

度减少农村对其他商品能源的依赖。

我国每年排放的二氧化硫达2500万吨且逐年增加,因燃煤二氧化硫排放量

占二氧化硫排放总量的90%以上。大型燃煤锅炉的除尘率和脱硫率可以达到90%,

但中小型锅炉的除尘率和脱硫率只有50%,因此,控制并逐步取缔小型燃煤锅炉成

为解决二氧化硫污染的重要步骤。在中小型燃煤锅炉逐渐不能使用而燃油、气在经

济上又无法承受的情况下,那些热、汽用户燃用生物质颗粒燃料是相对经济的选择

[23]。

3.6.2资金及价格障碍

以成型燃料作为农村的生活用能,必须考虑农民的经济承受能力,包括消费

能力、成型燃料的成本价格、销售市场等。在目前的条件下,如果得不到政府的财

政补贴,在农村发展成型燃料存在建设资金和成型燃料的价格障碍。

(1)生产线建设投资较大。如果单纯考虑农民自己消费,小型设备生产能力完

全可以满足一村使用,但这样的设备包括厂房等投资也要20~30万元。这个投资

水平对于一个只有300~400户的农村来说是很大的。

(2)投资渠道单一。成型燃料属于可再生能源项目,理应受到国家的支持和补

贴。但从长远发展角度,需要多种融资渠道来发展这个产业。

(3)各种政策补贴不落实。《可再生能源法》颁布1年多了,但是对于已经

形成产业规模的项目的补贴政策都不能落实,农村地处偏远,更无人问津。

(4)农民的适应过程。对于我国尤其是农村成型燃料还是新生事物,农民已经

适应了燃烧免费的秸秆,突然对高出秸秆价格2-3倍的成型燃料不能接受。另外,

一些经济条件稍好的地方燃煤取暖,因为成型燃料的热值比煤要低,而价格稍高于

煤炭,即便是他们对优势燃料有需求,也不会选择成型燃料。这就要求各级政府从

环境效益和社会效益的角度出发,对使用成型燃料的农民给予合理的补贴。

3.6.3管理障碍

(1)管理体制不健全,责任目标不明确。国家发改委和农业部都即将分别颁布

《可再生能源发展中长期规划》和《农业生物质能产业发展规划》,其中对成型燃

料的发展目标做出了安排。但是如何实施、阶段性目标、任务分解、责任单位等很

不明确,这就给执行这个规划带来一系列的问题。

(2)缺乏相应的质量标准。生物质成型燃料已经呈现蓬勃兴起的态势,各种设

备、燃料产品鱼龙混杂,亟需政府有关部门制定相应的质量标准,规范设备、燃料

产品市场。

3.6.4政策障碍

政策障碍主要指经济激励政策和强制性环境政策障碍。

(1)目前,我国还没有针对生物质能开发利用的完善的经济激励政策,更没有

专门针对生物质成型燃料的经济激励政策。

(2)我国农村,还没有燃烧化石燃料的污染物排放标准,相关法律、法规对此

几乎没有任何的约束力。

4.生物质成型燃料技术的发展前景

生物质能源被称为“零碳能源”,可为应对气候变化、保证能源独立和经济增

长作出重要贡献。中国是当今世界燃煤工业锅炉生产和使用最多的国家。工业锅炉

总量已超过50万台120万吨,每年燃用全国原煤产量的1/3。燃煤使工业锅炉的

热效率降低,而且造成对环境的严重污染。据统计:我国每年排入大气的污染物中,

80%的CO2、79%的尘埃、87%的SO2、69%的NOx来源于煤的直接燃烧。针对这

种状况,为了提高锅炉热效率和减少污染排放,在改进工业锅炉及配套产品结构的

同时,应同时改变工业锅炉长期燃用原煤的状况,而发展和推广洁净生物质成型燃

料是经济而有效的途径。

我国《生物质能发展“十二五”规划》显示,中国可作为能源利用的生物质资

源总量每年约4.6亿吨标准煤,目前已利用量约2200万吨标准煤。在全球范围,直

到2014年6月,世界生物质能协会(WBA)才发布了目前第一份专门针对全球生物质

能发展情况的统计报告。生物质的来源和用途广泛,2013年的生物质能总供应量大

约为56.6艾焦(1艾焦=1018焦或23.9百万吨油当量)。大约有60%的生物质能以

传统的方式被利用,且主要在发展中国家用于烹饪和制热。其余被称为现代生物质

能(22.6艾焦),主要用于制热(13艾焦)、生物燃料(5艾焦)、发电(4.6艾焦)。按

固体生物质、液体生物质、气体生物质以及废弃物分类,2011年生物质能供应量的

占比分别为89%、5%、2%以及4%。根据国际能源署的最新数据,2011年,全球一次

能源供应总量约为552艾焦,可再生能源提供了13%,其中10%来自于生物质能。终

端能源消费总量为339艾焦,可再生能源提供了18%,其中14%来自于生物质能。

2011年的生物质能供应量相比2000年增长了11.7艾焦,是所有可再生能源中增长

最大的类型。同期,其它可再生能源的增长总量只有5.9艾焦[24]。

国家林业局发布《全国林业生物质能源发展规划(2011-2020年)》。该规划

提出,到2015年全国建设能源林834万公顷,林业剩余物能源化利用率达15%以上,

林业生物质能源替代1070万吨标准煤的化石能源,占可再生能源的比例1.52%。到

2020年,能源林建设达到1678万公顷,林业生物质能源可替代2025万吨标准煤的

化石能源,占可再生能源的比例2%。

《全国林业生物质能源发展规划(2011-2020年)》提出,到2020年我国林业

生物质能源可替代2025万吨标准煤的化石能源,占可再生能源的比例达到2%,其中,

生物质热利用贡献率为70%,生物柴油贡献率为25%,燃料乙醇贡献率为5%。同时明

确提出了今后一个时期林业生物质能源建设的主要目标和重点任务:“十二五”期

间我国林业生物质能源发展将强化良种繁育,发展乡土树种,积极引进适宜的能源植

物,通过定向培育、定向利用形成生物质燃料提供国家能源项目,着力发展以固体成

型燃料、生物柴油、生物质发电和燃料乙醇为代表的林业生物质能源产业。

目前,我国生物质能源的利用率尚不到能源总量的0.5%,林业生物质能源所占

比例更是微乎其微。随着我国林业生物质能源今后10年发展目标和主要原则的确

定,我国林业生物质能源将进入一个前所未有的快速发展时期。尽管在生物质能源

发展方面,美国、巴西已经取得了显著的成效,瑞典生物质能源利用率更是占到总能

源的40%,我国林业生物质能源的发展前景非常乐观,因为我们比瑞典更具备发展林

业生物质能源的条件。建议国家在开发利用新能源时,应该把林业生物质能源放在

主导地位,特别是在“十二五”时期,应该将发展林业生物质能源作为一项国家战略,

在缓解能源供需矛盾的同时,增加可再生绿色能源的

生态效益。

总的来说,我国在生物质成型燃料研究与国外相比还存在着一定的差距,需

要对我国生物质成型燃料的燃烧特性和燃烧技术等方面做大量的基础性工作,也需

要继续不断的努力推广成型燃料制造设备及燃烧装置。

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