浅析生物质燃料的使用与生物质固化成型设备的选择

中国是一个人口大国,人均耕地不到0.1hm2,年产各类秸秆50亿余t，去掉农村直接作为燃料使用、饲料使用及秸秆还田使用30亿t，那么还将剩余20亿t秸秆作为废弃物被浪费掉。近几年，国家大力推动秸秆综合利用工作，持续鼓励秸秆成型燃料的转化，2010年秸秆固化成型发展势头迅猛，但由于是新兴产业，在我国起步较晚，目前转化为秸秆压块燃料的使用量总体不足200万t，所以说发展生物质燃料产业是一个长远趋势。 　　1　生物质固化成型燃料的特点 　　生物质固化成型燃料（简称：生物质燃料，俗称：秸秆煤），是指在不需任何添加剂和粘合剂的情况下，利用新技术及专用设备将各种农作物秸秆、木屑、锯末、花生壳、玉米芯、稻壳、麦糠、树枝叶、甘草、菌菇棒、可回收垃圾等压缩碳化成型密度为0.7kg/dm3以上的清洁燃料，不仅储存、运输、使用方便，而且清洁环保，燃烧效率高，既可作为农村居民的炊事和取暖燃料，也可作为城市分散供热的燃料。其特点是： 　　（1）可再生性。生物质属可再生资源,生物质能由于通过植物的光合作用可以再生,与风能、太阳能等同属可再生能源,资源丰富,可保证能源的永续利用。 　　（2）低污染性。生物质的硫含量、氮含量低，燃烧过程中生成的SOx、NOx较少，初步计算，为煤炭排放量的1/20。生物质作为燃料时，排放的二氧化碳相当于其在生长时吸收的二氧化碳的量，因而对大气的二氧化碳净排放量按照国际惯例为零排放，可有效地减轻温室效应。 　　（3）广泛分布性。生物质燃料的原料随处可见，缺乏煤炭的地域，可充分利用生物质能。 　　（4）生物质燃料总量十分丰富。生物质能是世界第四大能源,仅次于煤炭、石油和天然气。 　　2　生物质固化成型燃料的生产方式和基本性能 　　目前主要是通过生物质成型设备把含水率10%～30%的秸秆等，通过揉丝、粉碎等方式进行前期处理后再压制成型，代替燃煤作为燃料使用。不同的秸秆成型最佳点不同，即成型湿度点不同，一般含水率为18%～22%，锯末、麦草、芦苇、麦壳、稻壳是较难成型的生物质。锯末是因为不同种锯沫的混杂，其木质素在木材切割过程中析出，导致含量下降造成的，因此压制时基准含水率仅在13%～16%，很难掌握，压制成型后密度均在0.9kg/dm3以上；麦草等因为蜡质层封闭木质素的析出，硅含量高，导致难以压制，一般采用回性脱蜡法可解决。目前个别采用生石灰、粘合剂等化学物质增加粘合成形效果的做法，已经失去绿色清洁能源的意义。 　　（1）秸秆燃料成型后的主要技术参数。密度0.70～1.40kg/dm3，灰分1%～20%，水分≤15%。热值14226～18828kJ／kg，秸秆成型燃料块的热值因秸秆的种类差异而不同。以玉米秸秆为例：热值约为标准煤的0.7～0.8倍，即1.25t的玉米秸秆成型燃料块相当于1t煤的热值，玉米秸秆成型燃料块在配套的下燃式生物质燃烧炉中燃烧，其燃烧效率是燃煤锅炉的1.3～1.5倍，因此1t玉米秸秆成型燃料块的热量利用率与1t煤的热量利用率相当。 　　（2）秸秆压块燃烧后的废气排放。CO零排放，NO214mg/m3（微量），SO246mg/m3，远低于国家标准，可忽略不计；烟尘低于127mg/m3，远低于国家标准。 　　（3）燃煤锅炉可以直接使用生物质成型燃料。生物质燃料燃烧排放物完全符合环保标准，是国家相关部门认可的现代化清洁能源，通过使用不同形式的锅炉试验表明，现有的燃煤锅炉完全适应生物质燃料。 　　（4）生物质燃料燃烧后的灰分处理。生物质燃料燃尽率可达96%，剩余4%的灰分可以回收做钾肥，实现了“秸秆－燃料－肥料”的有效循环。 　　（5）生物质燃料的特点。生物质成型燃料挥发份高，易析出，碳活性好，易燃，灰分少，点火快，更加节约燃料，降低使用成本。 　　3　生物质秸秆固化成型设备的开发研究和技术对比 　　生物质燃料固化成型技术是生物质成型燃料产业化的核心。生物质成型技术是指在一定温度与压力作用下，将分散的、形状各异的生物质原料压制成密度较大的、具有各种规格的成型燃料的高新技术。该技术在我国起步较晚，使用的原料主要以农作物秸秆为主。生物质固化成型设备的开发利用主要是为了满足生物质固化成型加工生产的需要，其技术的研究核心是秸秆的适应性和生产的可靠性，其技术及发展进程决定着生物质固化成型行业的稳定发展及健康发展，必须尽快跨入世界先进行列，被人们所认识，被社会所接受。 　　3.1生物质固化成型设备 　　按照生产方式分为颗粒压制成型设备和块状压制成型设备，两者对比见表1。目前块状压制成型设备逐渐被用户认识和接受，更适合生物质固化成型燃料生产的需要。 　　3.2我国行业推广和市场应用的成型设备 　　从机械性能和构造原理上划分主要包括螺旋挤压式成型机、机械活塞冲压式成型机、环模辊压式和液压活塞冲压式成型机四种；外观上又区分为平模机、环模立式、环模卧式（环模平放）生物质成型设备等。 　　螺旋挤压成型机、机械活塞成型机与液压活塞成型机总体看起步较早，渐近成熟，但生产效率低，能耗较高，其实际生产率在100～300kg/h，主要工作部件寿命低，难以适应工业化生产；平模机、环模机起步较晚，发展较快，占据了行业市场较高份额，主要工作部件寿命长，符合工业化发展趋势；从技术指标来看，平模机、环模辊压式成型机生产率高，生产成本低，有一定技术含量，配有热处理工艺，成形效果好，适合规模化工厂生产，已被生产企业广泛使用。现将平模和环模两种形式做一比较： 　　（1）在使用方式上，环模机主机转速一般为125～190hn/min，喂入量大，工作效率稳定，产量高，耗电少，生产密度具有可调性；而平模机由于其转速低于环模机等原因，一般为120hn/min左右，其产量小于环模机，由于其压轮与模具间配合间隙为稳定安装，压制密度大，不能调整，一定条件下满足不了多方面需要。平模机虽具有结构优势，但产能较低，若需要产能在600kg/h以上的设备，使用环模机乃是最佳选择。 　　（2）在机械结构上，环模机压轮与模具一般不直接接触，减少了硬性摩擦，因此生物质固化成型设备的主要易损件相对使用寿命较长，而平模机结构简单，制造技术低，易生产，但压轮与模具多硬性接触，损耗大。 　　（3）在工作形式上，平模机物料自身重量垂直进入压制室，环模机物料采用机械强迫进料，高速旋转离心分布进入离心制粒室。因此环模立式相对增加了机械动力损耗，加大了机械使用动力，但目前环模卧式基本解决了这项技术难题。 　　3.3环模卧式的特点 　　（1）结构简单，便于维修调整，调整用时是同类机型的1/5。 　　（2）能耗低。在相同条件下（同密度、水分、生产率）比同类机型耗能低30%。 　　（3）适应面宽。该设备可以适应多种类固体有机物使其致密压缩成型，特别是水分的要求，比同类机型高5%。 　　（4）成型密度大，生产率高，已进入产业化批量生产。其他类别产品同级技术尚属样品试制阶段。 　　（5）与其他类型固化成型机比，该设备具有生产成本低、生产效率高、对作业环境的适应性强等明显优势。 　　综合比较,环模卧式是目前较为理想的选择性设备。 　　4　目前生物质成型设备市场现状 　　（1）设备机组可靠性能较差。目前，成型设备的可靠性是成型燃料产业化的主要制约因素，包括主要工作部件的工作寿命短，设备系统配合协调能力差，运行不稳定等。 　　比如，技术比较成熟的螺杆挤压式成型机，其螺杆磨损寿命不足100h。尽管国内不少厂家及科研单位对此进行了研究，一定程度上提高了成型部件的耐磨性，有的部件寿命已达到500h，但其成本较高，生产工艺复杂。即使从国外进口的此类成型机组，也存在同样的问题。 　　总之，目前国内生物质成型机普遍生产能力偏低，单位能耗过大，成型设备的工作可靠性差，仍需要大量的科技投入，以进行技术创新与技术改进。自20世纪80年代以来，我国的生物质成型技术开发与研究已经取得了较大的发展，全国研究生产成型设备的企业或科研单位已有数十家。中国生物质成型燃料产业化雏形正在形成，但是，要使之走向成熟，真正实现产业化，还需要克服一些制约因素，解决一些技术障碍。 　　（2）成型设备适应范围小，规范标准不统一。国内外相关研究机构众多，但是并没有形成统一的理论体系和标准体系。现有成型机械（系统）千差万别，适用范围受到局限。比如，不同成型机械对原料的粒度和含水率要求各不相同。成型技术的研究与应用受当地资源的影响，也受技术本身的局限，不易形成统一的设计标准与规范，因此现有成型设备往往很难适用于形态多样的原料。 　　（3）设备连续运行能力低。由于原料的供应受季节、成本、运输半径等影响,难以满足连续生产的需求，设备只好间歇工作，一年中有多半时间处于闲置状态，导致资源浪费，设备自然损耗严重，增加了设备回收年限。若要满足设备连续生产，一要扩大运输半径，二要加大储备仓库，这两种方法都会导致投资增加。最好的方法是设备具有广泛的适应性，对原料“不挑剔”，这样才可以最大限度地减少额外的投资。另外，由于关键技术与关键材料不过关，使得设备运行不稳定，故障率较高，维修频繁，影响连续生产。 　　5　建议 　　目前生物质燃料加工市场混乱，成型燃料加工企业选择生物质固化成型设备，应注意以下几点： 　　（1）选择正规生产厂家。 　　（2）成型密度达到0.7以上，成形效果达到85%以上方能适应各项需要。 　　（3）能耗低，生产效率高，能够保持连续作业，压制成型过程中不能添加任何添加剂，包括白石灰等。 　　（4）堵机现象每百小时不超2%，平均生产能力与主机动力比高于20。 　　（5）生产条件要求简单，易学习，易操作。 　　只有满足了以上条件才有利于企业的发展和生产的需要。（作者单位：陆凯1.江苏省农机节能与维修技术指导中心　金宝强2.江苏奥科瑞丰新能源有限公司）