生物质成型燃料研究现状及进展

苏俊林¹，赵晓文¹，王巍²

(1.吉林大学热能工程系，吉林 长春 130025；2.吉林大学汽运系，吉林 长春 130025)

　　摘要：本文讨论了发展生物质成型燃料的意义，详细介绍了国内外生物质成型燃料的发展历程及现状，介绍了一些目前采用的新技术和存在的问题。最后对生物质成型燃料的未来进行了展望，指出生物质成型燃料在节能及环保方面将大有作为。

　　1发展生物质成型燃料的意义

　　长期以来，石油、天然气、煤炭等化石燃料一直是人类消耗的主要能源，并为人类经济的繁荣、社会的进步和生活水平的提高做出了很大的贡献。但是，由于煤、石油和天然气等矿物资源是不可再生的，资源是有限的，正面临着逐渐枯竭的危险，因此它们不是人类所能长久依赖的理想资源。再者目前地球所面临的环境危机直接或间接的与矿物燃料的加工和使用有关，这些矿物燃料燃烧后放出大量的CO₂、SO₂、NO_x被认为是形成大气环境污染、产生酸雨以及温室气体等地区性环境问题的根源。

　　我国是一个农业大国，生物质能资源十分丰富，仅农作物秸秆折合7亿t左右，而目前年实际使用量仅为212亿t左右。因此，我国的生物质资源的利用还有很大的开发潜力。生物质能在我国商业用能结构所占的比例极小。植物约有一半弃于荒野未能利用甚至焚烧，不但利用水平低，造成资源的严重浪费，且污染环境。所以充分合理开发使用生物质能，改善我国的能源利用环境和人类的生态环境，加大生物质能源的高品位利用具有重要的意义。生物质燃料可分为气化燃料、液化燃料及固化燃料。目前，在技术经济上最为可行的生物质能利用技术就是固化———即生物质能致密成型燃料技术。

　　生物质成型燃料的优点：

　　1.1清洁燃烧

　　(1)飞灰极少。生物质灰分一般少于3%(稻壳等除外)，从而简化了燃烧装置的除灰设备。

　　(2)生物质成型燃料最主要燃烧成分是挥发分，一般含量在70%～80%以上，烟尘产生很少，不冒黑烟。

　　(3)生物质的燃烧通常不会影响自然界碳的自然循环，即使不燃烧利用、不烧荒，生物质也会在自然消化过程中放出CO₂。因此，生物质能的排碳量不会超出其生长期间所吸收的碳量，从而实现CO₂的零排放。

　　(4)生物质本身N含量比煤少得多，这对于减少NO_x的生成非常有利。

　　(5)燃烧中SO_x排放量较少。生物质含硫量一般少于011%，不需要烟气脱硫装置，从而降低了成本，又有利环境保护。

　　(6)降低重金属污染物的排放。研究表明，煤中含有多种微量元素，如：As、Hg、V、Pb、Zn、Se、Co、Ni、Cr等，其中许多是有毒、有害的重金属元素。而生物质中基本不含重金属。

　　1.2优良的经济性

　　(1)我国生物质资源丰富，价格低廉，用生物质作燃料，降低了原材料的成本。

　　(2)燃烧充分，燃尽度高，因不完全燃烧造成的浪费降低。

　　(3)利用生物质纤维的网络连结作用，可以显著提高生物质成型燃料的强度，从而省去粘结剂的使用；也没有后续烘干工序，因此能大大降低加工成本。

　　1.3着火燃烧性能好

　　玉米秸秆等燃点较低的生物质，挥发分远高于原煤，着火性比煤好，易于点火，即使量少、燃烧强度弱，也不会造成灭火，提高了着火性能。

　　1.4配套工艺设备较齐全

　　生物质致密成型技术受到国外发达国家的普遍重视，并投入了大量的资金和技术力量研究和开发致密成型技术。目前世界各地的成型燃料主要有两种：压块(Briquette)和颗粒(Pellet)成型机。根据成型原理的不同成型机可分为：活塞成型机(Piston press)、螺旋式成型机(Extruder press)、模压颗粒成型机(Matrix pellet press)和卷扭式成型机(Twist press)。

　　2生物质成型燃料的发展概况

　　2.1国外生物质成型燃料及燃烧设备发展现状

　　随着社会经济的发展与人们生活水平的提高，木材下脚料、植物秸秆的剩余量越来越大，由于这些废弃物都是密度小、体积膨松，大量堆积，销毁处理不但需要一定的人力、物力，且污染环境，因此世界各国都在探索解决这一问题的有效途径。

　　美国在20世纪30年代就开始研究压缩成型燃料技术及燃烧技术，并研制了螺旋压缩机及相应的燃烧设备，现有9个生产能力250t/d的生产厂，另有6个州兴建了日产量为300t的树皮成型燃料加工厂及较多的专业燃烧设备厂。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，1954年研制成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，并发展成了日本压缩成型及燃烧的工业体系。到1987年有十几个颗粒成型工厂投入运行，年产生物颗粒燃料十几万吨，并相继建立了一批专业燃烧设备厂，70年代后期，由于出现世界能源危机，石油价格上涨，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，各国先后有了各类成型机及配套的燃烧设备。法国近年来也开始研究压缩块燃料及燃烧设备，并达到了应用阶段。比利时研制成功的“T117”螺旋压块机。联邦德国KAHL系列压粒机及块状燃料炉已经投入使用。意大利的阿基普公司开发出一种类似与玉米联合收割机那样的大型秸秆收获、致密成型的大型机械，能够在田间将秸秆收割、切碎、榨汁、烘干、成型，生产出瓦棱状固体成型燃料，并研制出简易型燃烧炉具。

　　20世纪80年代，亚洲除日本外，泰国、印度、菲律宾、韩国、马来西亚已建了不少固化、碳化专业生产厂，并已研制出相关的燃烧设备。国外成型的主要设备有颗粒成型机(Pellet press)，螺旋式成型机(Extruder press)、机械驱动冲压成型机(Piston presses with mechanical drive)和液压驱动冲压式成型机(Pis-ton presses with hydraulic drive)。

　　20世纪90年代日本、美国及欧洲一些国家生物质成型燃料燃烧设备已经定型，并形成了产业化，在加热、供暖、干燥、发电等领域已普遍推广应用。按其规范可分为：小型炉、大型锅炉和热电联产锅炉(Small scale，Large boilers，Combined heat and power boilers)。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(Wood stoves，Fireplaces，Pellet stoves，Boilers for wood chips、Boilers for pellets and grain、Boilers for straw Boilers for other fuels)。按燃烧形式可分为：片烧炉、捆烧炉、颗粒层燃炉等(Chip-fired boilers or cutting string-fired boilers，Batch-fired boilers or small bale-fired boilers，Pellet-fired boilersetc)。

　　这些国家生物质成型燃料燃烧设备具有加工工艺合理、专业化程度高、操作自动化程度好、热效率高、排烟污染小等优点。但相对与我国存在着价格高、使用燃料品种单一、易结渣、电耗高等缺点，不适合引进我国。东南亚一些国家生物质成型燃料燃烧设备大多数为碳化炉与焦碳燃烧炉，直接燃用生物质成型燃料的设备较少，同时这些燃烧设备存在着加工工艺差、专业化程度低、热效率低、排烟污染严重、劳动强度大等缺点，燃烧设备还未定型，还需进一步的研究、实验与开发。这些国家生物质成型燃料燃烧设备也不适合引进我国。随着全球性大气污染的进一步加剧，减少CO2等有害气体净排放量已成为世界各国解决能源与环境问题的焦点。由于生物质成型燃料燃烧CO₂的净排放量基本为O，NO_x排放量仅为燃煤的1/5，SO₂的排放量仅为燃煤的1/10，因此生物质成型燃料直接燃用是世界范围内解决生物质高效、洁净化利用的一个有效途径。

　　2.2我国生物质成型燃料及燃烧设备发展现状

　　我国成型燃料开发研究工作起步较晚，从20世纪80年代，由于能源危机，生物压块作为一种可再生能源得到人们的重视，便开始对生物质固化成型燃料进行研究。“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-715，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。20世纪90年代以来，我国部分省市能源部门、乡镇企业及个体生产者积极引进成型技术，创办生产企业，全国先后40多个中小型企业开展了这方面的工作，并进行了产业化生产，形成了固化成型的良好势头。我国发展的压缩成型机可分为2种：螺旋挤压式成型(Extruder)和液压冲压式成型机(Piston presses with hydraulic drive)，国内螺旋挤压成型机在运行的曾有800多台，单台生产能力多在100～200kg/h之间，电机功率715～18kW，电加热功率2～4kW，生产的成型燃料多为棒状，直径为50～70mm，单位产品电耗70～100kWh/t。但目前有部分产品由于多方面因素影响而停产了。由此可看出国产成型加工设备在引进及设计制造过程中都不同程度地存在这样或那样的技术与工艺方面的问题。螺旋挤压设备磨损严重，寿命短(60～80h)，耗电高，成型设备单台生产率低，仅为100～980kg/h，规模小，不能满足商业化的要求。对秸秆压缩成型基础理论方面的研究很薄弱，无法满足生物质压缩成型设备开发与生产的需要。对秸秆成型燃料燃烧理论及燃烧特性方面的研究不够深入，先进的秸秆成型燃料专用燃烧设备少，限制了秸秆成型燃料的大量生产，严重制约了秸秆成型行业的发展。这就有待于人们去深入研究、开发，逐渐解决秸秆在成型方面的问题。

　　我国秸秆成型原料丰富，成型后的燃料具有体积小，密度大，储运方便，成型燃料致密，无碎屑飞扬，使用方便、卫生，燃烧持续稳定，燃烧效率高的特点。燃烧后，灰渣及烟气中污染物含量小，是清洁能源，有利于环境保护，因此生物质成型燃料是高效洁净能源，可替代矿物能源用于生产与生活领域。成型燃料的竞争力也会随着矿物能源价格上涨，对环境污染程度增加及生物质成型燃料技术水平提高、规模增大、成本降低而不断增强。在我国未来的能源消耗中将占有越来越大的比重，应用领域及范围也逐步扩大。

　　对生物质成型燃料燃烧的理论研究和技术研究是推动生物质成型燃料推广应用的一个重要因素。目前我国对秸秆成型燃料燃烧所进行的理论研究很少，对生物质成型燃烧的点火理论、燃烧机理、动力学特性、空气动力场、结渣特性及确定燃烧设备主要设计参数的研究才刚刚开始。关于生物质成型燃料特别是秸秆成型燃料燃烧设备设计与开发几乎是个空白。20世纪以来北京万发炉业中心从欧洲(荷兰、比利时)引进、吸收、消化生物质颗粒微型炉(壁炉、水暖炉、炊事炉具)。这些炉具适应燃料范围窄，只适用木材制成的颗粒成型燃料，而不适合于以秸秆、野草为原料的成型燃料，原因是秸秆、野草中含有较多的K、Ca、Fe、Si、Al等成分，极易形成结渣而影响燃烧。这些炉具不适合中国国情。在我国，一些单位为燃用生物质成型燃料，在未弄清生物质成型燃料燃烧理论及设计参数的情况下，盲目把原有的燃烧设备改为生物质成型燃料燃烧设备，但改造后的燃烧设备仍存在着空气流动场分布、炉膛温度场分布、浓度场分布、过量空气系数大小、受热面布置等不合理现象，严重影响了生物质成型燃料燃烧正常速度与工作状况。致使改造后的燃烧设备存在着热效率低，排烟中的污染物含量高，易结渣等问题。

　　为了使生物质成型燃料能稳定、充分燃烧，根据生物质成型燃料燃烧理论、规律及主要设计参数重新设计与研究生物质成型燃料专用燃烧设备是非常重要的，也是非常紧迫的。

　　2006年至今，吉林大学承担了吉林省重大科技发展计划有关生物质成型燃料及锅炉的研究项目。对生物质成型燃料的理化特性、燃烧特性、排放特性及成型规律等基础性研究做了大量工作，研究成果具有一定的创新性和实用性。吉林大学研制出气化燃烧换热一体化生物质锅炉，经吉林省能源利用检测中心热工检测和吉林省环保产品质量检验站环保测试的结果表明，样机各项指标已超过国内其它类型生物质锅炉的指标。

　　3发展生物质成型燃料的前景

　　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120万蒸吨，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NO_x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。

　　国家大力支持发展生物质能源，2005年颁布了《中华人民共和国可再生能源法》，2007年农业部发布了《农业生物质能产业发展规划》。《中共中央国务院关于积极发展现代农业扎实推进社会主义新农村建设的若干意见》提出，“以生物能源、生物基产品和生物质原料为主要内容的生物质产业，是拓展农业功能、促进资源利用的朝阳产业”。生物质成型燃料技术是生物质能源推广应用中的最经济可行的技术之一，符合国家的能源政策和环保政策，前景十分广阔。

　　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。