生物质固体成型燃料研究进展

郭明辉 李嘉兴* 唐宽勇

（1.东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150040；2.黑龙江浩联能源科技发展有限公司，黑龙江 哈尔滨 150039）

成型燃料是由农林废弃物、餐厨垃圾（植物）等废弃生物质，通过干燥、粉碎、成型、炭化等步骤制成的一种传统木炭的替代品[1-3]，具有灰分少、热值高、耐久性好等特点，且着火点低、易点燃，CO/NOX等释放量低[4]。成型燃料采用废弃生物质为原料，既为农林废弃物的资源化利用提供了新途径，也减少了对天然林资源的破坏和对化石燃料的依赖[5]。

当前，由于全球能源需求不断增长，加之日趋严重的环境污染和温室效应[6-8]，人类亟需调整能源结构[9-10]，减少对传统化石能源的依赖[11]。农林废弃物[12]作为一种碳平衡的生物质能源，经由干燥、成型等加工步骤，可被制成成型燃料[13-14]，能够在一定程度上替代目前广泛使用的化石燃料。由于植物在生长时会将大气中的二氧化碳固定在体内，所以可以认为燃烧成型燃料的二氧化碳净排放量为零[15-16]。从燃烧化石燃料转而燃烧生物质，能减少岩石圈碳元素向大气圈的排放[17]。因此，将废弃生物质制成成型燃料不仅可以缓解能源紧缺，还可以废物利用，降低碳排放[18]，是一个便捷的利用生物质能源的途径[19]。

1 生物质固体成型燃料研究现状

生物质能存在能量密度低、水分含量高、形状不规则、燃烧不稳定等缺点，而成型致密化技术的出现非常有效地解决了以上问题，并使其更利于规模化利用。然而，目前的成型燃料还是存在着热值低、品质不稳定等问题，严重制约其推广利用。因此，国内外学者对生物质固体成型燃料的原料特性、催化剂在燃烧过程中的催化特性、粘结剂的粘结机理及成型工艺等进行了大量的研究。

1.1 国外研究现状

国外对生物质成型技术的研究起步较早。目前，在欧美地区，应用于家庭、工业的生物质固体燃料及其专用锅炉等技术己经成熟，被广泛制造和销售，并商业运营于许多行业。瑞典是利用生物质能源的典型国家，其年生物质燃料产量超过200 万t，人均年消耗量超过160 kg，在供热能源消费总量中占比达到70%。预计到2025年，全球生物质能源市场规模将超过150亿美元，主要应用于发电、供热等行业。

1.2 国内研究现状

我国对生物质固体成型燃料的研究起步较晚，始于20 世纪八十年代。经过科研人员多年的潜心研究，我国的相关技术水平有较大提高，相继研制出了适用于各种原料的生物质成型设备。2016 年，国家能源局出台了《生物质能发展“十三五”规划》，计划在此期间，将利用生物质替代化石能源发电的装机规模提升至1 500 万kW，年产900 亿度电；生物质燃料的生产规模达3 000 万t，对生物质能产业投入1 400 亿元[20]。

然而，由于我国对生物质固体成型燃料的研究起步较晚，技术水平与一些发展较早的国家相比还存在一定差距，主要体现在3 个方面：1）我国生物质资源主要是农作物秸秆，与木材相比其无机物等含量更高，对成型设备的损耗更大，大大缩短重要零部件的寿命；2）缺乏与成型设备相匹配的原料预处理、输送及喂料等配套设备，导致了生产过程不连续、生产效率低等问题；3）现有加工设备的多原料适应能力差，单一设备无法快速切换不同种类、粒度和含水率的原料，这使得加工厂的原料季节适应性较差，一定程度上影响了生物质固体成型燃料的产业化推广应用。

2 生物质固体成型工艺

2.1 生物质固体成型的粘结机理

农林生物质主要由3 种天然高分子化合物组成，分别是纤维素、半纤维素和木质素。其中，木质素在70～110 ℃会发生软化，从而产生一定的黏性。当温度升高至200～300 ℃时就会完全变为熔融状态，黏性大大增加。此时再施加压力，就能利用其黏性使相邻的颗粒之间产生相互胶接，实现固化成型操作[21]。

2.2 生物质固体成型工艺类型

生物质固体成型工艺可分为常温湿压成型、热压成型和炭化成型3 种[22]。

2.2.1 湿压成型

湿压成型是在常温下，将一定含水率的生物质原料的纤维结构压紧，使其相互接触、镶嵌[23]。水分在成型致密化过程中，不仅能与纤维素上的羟基形成氢键，提高原料粒子之间的结合力，还能提供一定的润滑效果，降低原料与成型设备之间的摩擦力，进而减小设备损耗和成型阻力[21]。

2.2.2 热压成型

热压成型技术是利用木质素会在一定温度下发生软化而产生黏性的特点，从而将生物质原料成型致密化。采用的成型设备主要有螺旋挤压成型机和活塞式成型机等[24]。

2.2.3 炭化成型

炭化成型工艺有2 种操作方式：一种是先用成型设备将生物质原料成型致密化，如湿压或热压成型，再将成型燃料块送入炭化炉进行热解炭化；另一种是先对原料进行炭化处理，然后再用成型设备将炭化后的原料进行成型致密化加工。后者由于炭化处理会造成木质素等成分被分解，使得原料颗粒之间粘结更加困难，因此需要再加入一定量的粘结剂才能实现较好的成型效果[25]。

图1 成型燃料的炭化成型工艺流程Fig.1 Carbonization molding process flow of briquette

先成型后炭化工艺需添加粘结剂即可实现生物质原料的成型致密化[26]，但是所采用的成型设备存在零件磨损严重、能耗高等问题[27]。产出的成型燃料也存在结构疏松、密度不够高、耐久性差等缺点[28]。

先炭化后成型工艺的炭化设备成本较高，还需加入粘结剂帮助成型[29]，稍显繁琐。但是，其产品表面光滑，耐久性好，烟气更少，密度高，热值高，对成型设备的损耗小。并且，炭化设备可以连续操作，更加节能，可以更好地回收炭化副产物，如木焦油和木醋液[30]，实现多联产[31]，同时减少污染物的排放。

表1 现有的几种成型设备的优缺点Tab.1 Advantages and disadvantages of several existing molding equipment

2.3 生物质成型影响因素

在生物质成型致密化的过程中存在着很多影响因素，主要是生物质种类、原料粒径、原料预处理工艺、采用的成型工艺以及成型时的温度和压力等[32-33]。

2.3.1 原料粒径

成型燃料在成型致密化之前，其原料需要经过粉碎处理。Guo等[34]的研究表明：颗粒小的粉体具有粒径均匀、表面积大的特点。Ajimotokan等[35]也发现，原料的颗粒尺寸越小，成型燃料的抗压强度、松弛密度、松弛率、耐久度、抗渗透性能越高，因为粒度越小的颗粒间的孔隙越小，接触表面积越大，增强了颗粒间的结合，同时也降低了水在成型燃料中的渗流和毛细作用。

综上所述，原料的粒径越小，其相互之间的接触面积越大，颗粒间结合也就越好。

2.3.2 原料种类

Nagarajan等[36]将甘蔗渣、玉米芯和稻壳混合，制备了多种成型燃料。测试发现，配方中玉米芯的比例越高，成型燃料的抗碎性越好。玉米芯含量最高的试样，其耐久性、抗水渗透性均最好。同时，该配方的热值也最高。Lubwama等[37]则发现复合成型燃料比单组分成型燃料更具有优势，性能良好，其中用稻壳和咖啡壳制成的复合成型燃料具有较高的跌落强度，而由咖啡壳和花生壳制成的复合成型燃料则具有最高的热值。吴顺延等[38]测试了棉杆、木屑混合制成的成型燃料的性能，发现随着棉杆掺混比例的增加，成型燃料的表观密度增大，但抗压强度呈先减小后增大的趋势。Brunerová等[39]发现，在锯末、刨花中添加废咖啡渣制成成型燃料，可以提高成型燃料的热值，减少灰分，但同时会造成其机械性能、耐久性下降。

Ajimotokan等[40]的研究发现：木炭粉具有更高的固定碳含量和热值，但其灰分含量更高。因此，加入松木屑会增加成型燃料的O、H含量，降低固定碳含量。与采用单一原料的成型燃料相比，混合原料成型燃料具有更好的燃烧性能。

由于生物质的种类极其繁多，只有掌握了各种原料的特点，才能制备出性能更加优良，兼具多种特性的成型燃料。

2.3.3 原料预处理工艺

受木质素、抽提物等含量的影响，用不同种类生物质生产的成型燃料品质参差不齐。因此可采用预处理手段对生物质原料进行改性，从而提高成型燃料的品质、性能。

1）水热预处理

Wang等[41]对木屑进行水热预处理。在200～230 ℃的水热条件下，半纤维素和部分木质素组分被分解，使得相邻的纤维素之间形成了更多的氢键，让成型燃料获得了较高的拉伸强度。Song等[42]也尝试分别对棉秆和油松木屑进行水热预处理，发现水热处理显著提高了2 种成型燃料的着火温度和燃尽温度。这是由于水热处理会将着火温度和燃尽温度更高的半纤维素和纤维素分解。

2）微波真空热解预处理

Ge等[43]以棕榈仁壳为原料，采用微波真空热解和氢氧化钠-钾溶液改性相结合的方法制备了改性生物炭。由于微波辐射的时间和功率不同，改性生物炭的产品收率、多孔性能、表面形貌以及能量特性都受到影响，从而获得了较高的热值（28.69 MJ/kg），并且产物无硫，有良好的固体燃料性能。

3）烘焙预处理

烘焙预处理即低温热解，过程包括脱水、挥发分脱除、3 大组分的解聚、脱羟基等[25]。张燕[44]发现，在半封闭气氛下，烘焙预处理去除了原料中的水分和部分挥发分，这会使其更加难以成型，需要更大的成型压力与更高的成型温度，才能制得相同品质的成型燃料。

适当的预处理工艺不仅能改善成型燃料的机械强度，还能提升其燃烧性能。

2.3.4 成型温度与成型压力

成型致密化可以实现物料颗粒的填充、黏结与致密化，从而提高成型燃料的体积密度和抗压强度。Siyal等[45]研究了成型工艺对糠醛残渣成型燃料和木屑成型燃料物理性能的影响。结果发现：2 种成型燃料的颗粒密度、机械强度和硬度均随着成型温度、成型压力的升高而增加。Song等[42]的研究也发现，随着成型温度的升高以及成型压力的增大，棉秆成型燃料和油松木屑成型燃料的表观密度和抗压强度均呈增加趋势。除了对物理性能有影响，Qi等[46]还发现，成型致密化有助于减少生物质燃烧过程中SO2和NO的释放。这是由于成型工艺产生的致密结构能够增加SO2、NO与灰分中活性组分的反应可能性。

提高成型压力和成型温度，有助于获得性能更加优良的成型燃料。但同时也意味着更大的能量消耗。

2.3.5 炭化温度

炭化处理参数也会对成型燃料的性能产生影响。Hu等[47]研究发现：随着炭化温度的升高，碳的致密化系数、氮含量及热值升高。当炭化温度高于350 ℃时，竹成型燃料的烟气和液体产物显著减少。

王才威等[48]的研究发现：随着炭化温度的升高，成型燃料的热值提高，灰分增加。Kluska等[49]研究了在300～700 ℃的炭化温度范围内，玉米芯废料的炭化过程。结果表明：随着炭化温度升高，最终成型燃料的挥发分减少，固定碳含量和热值升高。

2.3.6 炭化保温时间

Guo等[34]以小麦秸秆、玉米秸秆和水稻秸秆为原料进行了炭化实验。测试显示：固定碳含量随保温时间的延长而增加，且固定碳含量的升高是热值提高的原因之一。

2.3.7 粘结剂

先炭化后成型工艺会将生物质的化学成分分解，导致其成型性能变差。因此，需要加入粘结剂帮助成型。从粘结剂的化学成分来看，可以将粘结剂分为有机粘结剂和无机粘结剂2 大类。

1）有机粘结剂

Seco等[50]研究发现，固体废咖啡渣的含水量偏高，成型性能和硬化性能较差。加入10%黄原胶作粘结剂，成型燃料的吸水性和耐久性随着咖啡渣含水率的增加而提高。

王亮才等[51]发现将环保型改性淀粉胶与木块气化多联产的固体产物炭制成成型燃料，其抗压强度、抗跌落强度，会随着粘结剂加入量的增加而增加。Lubwama等[57]也得出了类似结论。然而，由于淀粉的热值低于常见的农林生物质，所以添加淀粉粘结剂会降低成型燃料的热值[52]。

Lukmuang等[37]将竹炭粉与木薯粉以不同比例混合制成成型燃料。测试发现：最佳配比是竹炭粉∶木薯粉为9∶1，采用此配方制成的成型燃料热值高，挥发分和灰分含量低。木薯粉含量越高，成型燃料燃烧产生的烟气和灰分也就越多。

2）无机粘结剂

高岭土是自然界常见的、非常重要的一种黏土矿物，具有良好的可塑性和耐火性等理化性质。其矿物成分主要由高岭石、蒙脱石等矿物组成。Sobieraj等[54]研究了高岭土对成型燃料灰分成分的影响。发现高岭土作为惰性物质可以防止熔融灰渣颗粒之间形成灰桥，从而减小灰渣颗粒的尺寸，改善了锅炉的热交换并防止结渣。

目前对粘结剂的种类、粘结机理等的研究较少。还需要加强研究，开发更多性能优良、成本低廉的粘结剂。

3 结语

目前，成型燃料本身仍然存在一些缺点。例如，不同生物质原料制得的成型燃料质量差异较大，农作物秸秆类成型燃料的灰分含量高、成型难度较大，产品的抗压、抗碎性较差。

此外，成型燃料的生产过程也存在着以下诸多问题：

1）环境污染严重、能耗高、资源利用率和生产效率低下、副产物深加工技术落后。

2）目前针对特定树种燃烧性能的研究较少。

3）成型炭化的研究局限于对单一生物质成型炭化，而关于复合成型生物质炭化的研究还较少。

我国每年产生的生物质废弃物数量巨大。如果能将其妥善地加以利用，不但可以缓解越发严峻的环境形势，还能创造经济效益，缓解就业压力。在未来，需要通过材料组分组合优化、粘结剂或燃烧助剂开发、副产物深加工利用、生产设备设计优化等，开发性能更加优良、价格更加低廉的成型燃料产品。