生物质燃料成型技术发展现状研究

李彦军

摘 要：生物质燃料成型技术是综合利用生物质能源的重要方向之一，其技术发展现状已经成为产业分析的关键。本文综述了我国生物质燃料成型设备类型和成型机理。发现目前我国生物质固化成型技术主要存在技术水平落后、成型工艺复杂、市场化水平低，企业处于核心设备技术缺失时期，缺乏核心竞争力。最后，对我国生物质燃料成型技术发展提出了对策和建议，希望为更好地促进我国生物质固化成型技术的健康发展提供借鉴。

关键词：生物质;燃料;成型技术

21世纪以来，随着全世界工业化水平的不断提高，不可再生能源的消费总量不断攀升，消耗速率加快，以至于生态环境不断恶化。化石能源日益减少不仅让各国意识到能源短缺的危机，化石能源消耗带来的环境污染、国际矛盾、全球气候变化等一系列问题也让各国付出了不同程度的代价。因此，寻求可再生的清洁能源成为全球各个国家急需解决的问题。

随着能源短缺、环境污染等问题的日益突出，生物质能源作为一种储存总量大、原料可再生、开发利用成本较低、对环境污染程度低的新型能源受到更多的关注。生物质成型燃料充分燃烧产生的热值与同密度中质煤相当，燃烧过程产生的排放物不会对环境产生污染，可作为煤等化石燃料的替代燃料。生物质成型颗粒是指经过干燥、粉碎等预处理的生物质原料在特定的设备中被加工成形状固定、密度较高的颗粒，成型颗粒不仅可作为燃料，也可作为发电、加工活性炭、生物质液化燃料等生物质加工技术的原料。近年来，相关学者对生物质燃料成型技术的研究主要集中在不同处理技术对生物质材料性能的影响、成型方法或设备的改进两个方面。目前，我国秸秆资源综合利用仍存在利用结构不合理、成效不明显、产业配套不到位、规模化程度不到位等问题。因此，合理利用秸秆资源对于减缓化石能源的消耗、降低燃料燃烧导致的环境污染、改善农产品剩余物的处理方法具有重要的研究意义。

1 生物质成型设备发展现状

生物质成型技术成本低、应用广泛。生物质成型技术是指利用成型设备将粉碎后的秸秆加工成密度满足要求的、具有规则形状的燃料产品的技术。目前，生物质成型技术主要有螺旋挤压成型技术、活塞冲压成型技术和压辊式成型技术。 应用三种成型技术制造的成型设备的优缺点如表1所示。螺旋挤压成型机、活塞冲压成型机由于生产效率低、关键部件寿命低等原因市场应用逐渐减少。压辊式成型机相较于其他成型机具有生产率高，工艺成熟等优点，成为现在应用最广泛的机型。

通过国内的科研机构和企业不断对生物质成型技术进行研发和改进，生物质成型技术的发展水平显著提高、成型机的应用范围更加广泛，但在实际生产中成型设备仍然存在产量较低、设备能耗高、关键零部件寿命低等问题。目前，市场上普遍使用卧式环模成型机，但其在成型过程中环模容易产生磨损失效现象，环模磨损失效后，环模压制出的成型颗粒质量会下降。与立式环模成型机相比，卧式环模成型机成型过程中模孔受力均匀，成型时物料不仅受到压力，还受到较大的剪切力，成型效率更高。因此，在大规模生产高质量生物质燃料时使用卧式环模成型机更具有优势，与此同时，失效的环模需要进行整体更换，这种维修方式会使成本增加。所以，如何提高环模寿命、降低磨损是提高成型机效率的关键问题。

2 生物质燃料成型机理研究现状

农林剩余物等生物质原料在模具中受到挤压，原料之间挤压粘结形成致密的圆柱状燃料。许多研究基于成型机理对生物质在挤压成型过程中的状态变化进行了分析和现象解释，对成型机理进行研究，可以更好地优化成型设备的结构和加工工艺，从而提高产品质量、减少零部件磨损。

国内外对生物质成型机理的研究主要集中在以下方面：一是生物质成型过程中分子之间结合方式以及粘结机理;二是通过试验分析含水率、胶黏剂、木质素含量等因素对颗粒之间结合效果的影响。

国外Rumpf，Kaliyan总结了生物质成型颗粒的分子之间存在多种结合方式：一是分子间由于互相存在吸引力而粘结在一起;二是分子之间相互交叉融合形成“固体桥”结构，“固体桥”使分子之间结合在一起;三是生物质纤维之间形成折叠互锁。燃料成型过程中主要考虑两个影响因素：生物质粉状原料形成生物质颗粒的能力和成型过程提高生物质颗粒密度的能力。认为木质素含量对颗粒内部结合有较大影响，木质素含量在临界值以下时，含量越高，颗粒分子间作用力越强，内部结合好，温度高于玻璃态转变温度，成型颗粒的物理特性越好。研究发现粉碎后的生物质原料在受到一定的温度和压力后，物料内部木质素、蛋白质等成分具有塑性，这些组分由于具有塑性会填补颗粒之间的间隙并使颗粒之间相互联结形成比较稳定的整体。

在国内，李泽亚通过分析总结得出结论，由于生物质含水率低，缺少非自由基胶黏剂的黏结，不加胶黏剂成型难度较大。所以秸秆粒子之间的作用、胶黏剂与自由基都對生物质成型燃料的黏结机理有较大影响。郝蓉等通过研究以水稻秸秆为原料制备的生物质固体燃料的孔隙结构和化学结构得出结论，可利用合适的胶黏剂达到降低或消除负电势的效果，对燃料的成型效果有很大影响。因此，选择合适的胶黏剂可提高生物质成型燃料的整体性能。

3 生物质成型技术发展建议

3.1 推动成物质成型设备转型升级

生物质成型设备具有工作环境复杂多变、使用工作负荷大、配置需求多样化、结构复杂、零部件数量多等特点，存在设计对象多变、设计过程复杂、研发与制造过程协同不够、智能化程度低、市场响应不及时等问题。为了推动生物质成型设备转型升级，必须要首先明确产品的设计需求，制定创新设计方法应用策略，并快速高效地完成产品需求描述到结构设计目标的过渡。

3.2 成型工艺优化及原料适应性提升

生物质成型燃料是以农林废弃物为主要原料，经切割-去除杂质-精粉碎-筛选-混合-调质-挤压成型-干燥-冷却-质检-包装等工艺过程，最后制成生物质成型燃料，成型燃料具有热值高、燃烧充分、有害物质少等特点。但生物质成型工艺复杂、原料适应性差，不同成型设备对生物质粉碎物粒度和含水率（一般6% -30%）要求不一致，与原料处理范围不同会导致成型率低、增大能耗等问题。因此，简化成型工艺、原料通用性、可调成型磨具是今后生物质成型设备考虑的关键因素。