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1、第 3 7卷第 2 期 2 0 0 9 年 2 月 林 业机 械 与 木 工 设 备 V o l 3 7 N o 2 F O R E S T R Y MA C HI N E R Y& WO O D WO R K I N G E Q U I P ME N T F e b 2 0 0 9 鸯 0 0 生 物质 成型 燃料加工装备发展现状及 趋势 俞 国胜 ， 侯孟 ( 1 北京林业大学工学院， 北京 1 0 0 0 8 3 ； 2 澳大利亚昆士兰大学工程学院， Q L D 4 0 2 7 ) 摘要： 从世界化石能源面临枯竭的角度 出发 ， 介绍了中国生物质资源状况和国内外生物质成型燃料成型技 术及
2、成型设备的应用现状 ， 并针对中国的国情 ， 提 出了发展生物质成型燃料的途径和方法， 以便充分、 有效地利用 农林剩余物等生物质资源。 关键词 ： 生物质能源； 成型燃料 ； 常温成型 中图分类号： T Q 3 3 0 4 ； $ 2 1 6 文献标识码 ： A 文章编号： 1 0 0 1 - 4 4 6 2 ( 2 0 0 9 ) 0 2 - 0 0 0 4 - 0 5 De v e l o p m e nt St a t u s a nd Tr e n d o f Bi o ma s s Br i q ue t t e s Pr o c e s s i ng Equ i pme nt Y
3、U Gu o s h e n g HOU M e n g ( 1 S c h o o l o f T e c h n o l o g y ， B e i j i n g F o r e s t r y U n i v e r s i t y ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ； 2 S c h o o l o f E n g i n e e r i n g ， U n i v e r s i t y o f Q u e e n s l a n d ， Q L D 4 0 2 7 ， A u s t r a l i a ) Ab s t r a c
4、t ： Fa c i n g t h e e x h a u s t i o n o f f o s s i l e n e r g y， t h e c u r r e n t s t a t u s o f Ch i n a s b i o ma s s r e s o u r c e s a n d a p p l i c a t i o n s t a t u s o f b i o ma s s b r i q u e t t e s r e l a t e d f o r mi n g t e c h n o l o gy a n d e q u i pme n t a t h o
5、 me a n d a b r o a d a r e i n t r o d u c e d I n v i e w o f the a c t u a l s i t u a t i o n i n Ch i n a wa y s a n d me t h o d s f n r d e v e l o p i n g b i o ma s s b r i q u e t t e s a r e p r e s e n t e d i n o r d e r t o u t i l i z e s u c h b i o ma s s r e s o u r c e s a s a g r
6、 i c u l t u r a l a n d f o r e s t r y r e s i d u e s s u ffic i e n t l y a n d e f f e c t i v e l y Ke y wo r ds ： b i o ma s s e n e r gy ； b r i q ue t t e ； f o r ma t i o n a t a mbi e nt t e mp e r a t u r e l 生物质燃料及其成型技术 石油 、天然气和煤炭等化石能源是世界经济的三 大支柱能源 ， 然而， 这些能源的利用是以消耗地球的资 源为代价的。据有关资料介绍， 按
7、 目前矿物能源的消耗 量， 地球上的煤炭 、 石油、 天然气、 核能分别还可 以使用 2 2 0 年 、 4 0年、 6 0 年和 2 6 0年。生物能源由于具有可再 生性、 使用无公害等优点， 被普遍认为是未来能源开发 的热门领域。如今在世界范围内，生物质能仅次于煤 炭 、 石油和天然气而居于能源消费总量的第 4位 ， 在整 个能源系统中占有重要的地位 ，是人类赖以生存的能 源之一 。 我 国森林面积 1 7 4 9 0 9 2 万 h m 2 , 森林覆盖率 1 8 2 1 ， 森林蓄积 1 2 4 5 6 亿 m 。根据 2 0 0 5年 3 - 6月 由国家林 业局能源办公室进行的 “
8、 中国林木生物质资源调研” 得出的数据表明： 目前我国陆地林木生物质资源总量 收 稿 日期 ： 2 0 0 8 1 0 2 4 基金项 目： 国家林 业局 “ 9 4 8 ” 引进项 目( 2 0 0 5 4 7 6 ) 在 1 8 0亿 t 以上，可用于生产生物质能源的约 1 3 亿 t ， 主要是薪炭林 ( 0 7 亿 t ) 、 林业三剩物( 1 0 - 3 亿 t ) 和平茬 复壮的灌木( 2 亿 t ) 。另外， 据国家林业局 2 0 0 5 年森林 资源调查统计显示 ，还有 2 0 0 0 万 h m z 的土地可用来种 植能源林 ， 这些能源林不仅每年能生产 1 5 亿 t 的木
9、质 生物质， 同时还能起到环境治理和改善气候的作用。 生物质作为能源利用的技术一般有三类 ：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， 致密成型技术和 直接燃烧技术成本较低 ，
10、是林木生物质能源转化的可 选择技术途径之一。 第2 期 俞国胜 ， 等： 生物质成型燃料加工装备发展现状及趋势 5 由于生物质原料产地分散、质地疏松 、能量密度 小 ， 给采集、 储运和使用带来许多不便。经致密成型加 工后的生物质固体成型燃料 ，其粒度均匀、单位密度 ( 可达到 0 8 1 4 g e m ) 和强度增加 ， 便于运输和贮存， 且 燃烧性能明显改善。因此 ， 生物质致密成型燃料是一种 很有发展前景 的可再生能源 。 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
11、固体成型燃料的过程。按成型温度可分为加热成型 和常温高压成型两种。 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 7 0 1 1 0 C 时开始软化且粘合力开始增加， 在 2 0 0 3 0 0 C 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 ( O 5 1 t e ra ) 、 加温( 1 1 0 3 0 0 C) 的条件下， 使木质素软化并经
12、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：原料一预处理 ( 粉碎) 一干燥一加热 、 成 型一冷却包装 。 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， 见图 1 。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
13、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： 原料一预处理( 削片或粉碎) 一成 型一包装。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 4 4 6 7 。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。 一 瑚 一 豫 粒子的排列改变 粒子变形 塑性流动 图 1 生物质颗粒致密成
14、型图解 2 国内外生物质致密成型技术现状 生物质燃料致密成型技术的研究始于 2 0 世纪初 ， 到 目前为止，世界各国研究的重点还是集中在生物质 燃料的制造技术方面，主要是解决成型后的生物质燃 料不松散、 能长期存放等问题。 2 1 国外发展情况 早在 2 0世纪 3 0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 1 1 0 3 5 0 、 压力 1 0 MP a 的条件下， 能把木屑和刨 花压缩成固体成型燃料。日本于 2 O世纪 5 0年代从国 外引进该项技术后进行了改进 ，并形成了 日本压缩固 体成型燃料的工业体系。从 2 0 世纪 8 O
15、 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。1 9 8 4 年 日本的生物质成型燃料生产厂 达到 1 7 2家， 生产总量达 2 6 x 1 0 t 。泰国、 印度 、 菲律宾 等国从 2 0世纪 8 0 年代开始也先后研制成了加粘结剂 的生物质致密成型机。 2 0 世纪 7 0 年代后期，由于发生世界能源危机， 石 油价格上涨 ， 使得欧洲许多国家( 如瑞典 、 芬兰 、 比利 时、 法国、 德国
16、、 意大利等) 都十分重视生物质成型燃料 技术的研究和开发 ，目前 已形成产业化生产 ，成效显 著。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 K A H I 系列颗粒成型机可生产直径为 3 - 4 0 ra m的生物质颗粒 燃料， 按生产率不同， 所用电机的功率( 2 0 4 0 0 k W) 也不 同。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 2 0 0 万 t ， 截止到 2 0 0 6 年， 应用生物质能源的总量已达到总能耗的2 5 。这些 国家
17、应用生物质固体成型燃料主要用于热 电联产 、 社 区供暖和家庭采暖等， 结合燃烧器具的研发， 其热效率 可达 到 8 0 9 5 。 2 2 国内发展情 况 相对而言， 我国在这方面的研发和生产起步较晚。 我国从 2 0 世纪 8 0年代起开始致力于生物质致密成型 技术的研究。1 9 9 8年江苏正昌粮机集团公司开发了内 压环模式颗粒成型机 ( 见图 2 ) ，其生产能力 为 2 5 0 3 0 0 k g 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
18、了一套生产能力为 1 5 t h的 6 林业机械与木工设备 颗粒成型燃料生产线 ， 1 9 9 9 年 开始正式生产 ； 老万生物 质能科技有限公司成立于 2 0 0 2年， 其公司的董事长从 2 0 0 0 年就开始研发农作物秸 秆类 生物质颗粒燃料及其 燃烧供暖设备，目前主要生产生物质颗粒燃料和各种 用于燃烧颗粒燃料的燃烧器具 ， 有暖风壁炉、 水暖炉 、 炊事炉等系列炉具， 这些炉具的热效率可达到 8 6 0 7 ， 各项排放指标均达到了国家环保标准和欧洲现行的环 保标准。生物质颗粒燃料如图 3所示。 图 2内压环模式颗粒成型机 图 3生物质颗粒燃料 中国林业科学研究院林产化学工业研究所
19、于 1 9 9 8 年研制成功了生物质颗粒燃料成型制造机 ，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三大 部分组成( 见 4 ) ， 总装机功率 2 9 k W， 其中旋风干燥 5 k W、 木质素加热软化 7 k W、 颗粒挤压成型 1 7 k W。 粉碎后 的原料先经旋风干燥器干燥到颗粒成型要求的含水 率 ， 然后进入加热装置 ， 物料在加热装置中加热到木质 素软化的状态( 1 1 0 1 8 0 ) ， 在螺旋输送装置的作用下 进入颗粒成型挤压装置， 由于被软化的木质素具有一定 图 4 颗粒燃料成型机 图 5 燃烧颗粒燃料的暖风炉 第 3 7 卷 的胶粘作用， 在挤压下成
20、型( 颗粒状) 并排出机器外。该机 的生产 率为 1 2 0 2 4 0 k g h ，能耗 为 1 2 0 8 2 4 1 7 k W h t 。 为了配合颗粒燃料成型机的研发 ，还研制了一种用于 燃烧颗粒燃料的暖风炉， 如图 5 所示， 其具有清洁、 燃烧 效率高等特点。 原中南林学院从 2 0 0 2 年起， 在引进国外( 瑞典 ) 技 术的基础上开发了生物质颗粒燃料成型机和使用颗粒 燃料的环保节能灶和取暖炉。生物质颗粒燃料成型机 ( 见图 6 )是在国产饲料制粒机的基础上结合瑞典生物 质颗粒燃料成型机技术研制而成的。在吸收国外燃烧 炉技术的基础上 ，结合我国实际情况开发的一种兼炊 事与供热水相结合的颗粒生物质燃料燃烧灶如图7所 示 ， 该节能灶的燃烧室采用二次供氧方式， 使燃料的燃 烧更充分， 提高了热能的利用率 ； 环保节能取暖炉是在 引进国外环保节能壁炉的基础 卜，结合我国的实际情 况， 通过改变外观尺寸 、 改进颗粒燃料供料系统 、 增加 换热管面积等开发出的适合我闻家庭使用的取暖炉。 图 6 生物质颗粒燃料成型机 誓 图 7 节能灶和节能取暖炉 与生物质颗粒燃料不同，棒状或块状燃料无需对 原有以煤为燃料 的灶具或锅炉进行改造就可直接使 用。生物质棒状或块状成型设备应用较为普遍的是螺 旋挤压成型机和活塞式冲压成型机两种 。螺旋挤压成