（1.機械科學研究總院先進制造技術研究中心，北京100083；2.北京機電研究所，北京100083；3.北京菲美得機械有限公司，北京100068）

　　摘要：生物質成型燃料是一種高效的清潔能源，可以部分替代化石燃料，緩解人類面臨的能源和環(huán)境危機。從生物質原料、成型設備與工藝和需求與效益要求3方面介紹了我國的發(fā)展優(yōu)勢。結果表明，我國發(fā)展生物質成型燃料產業(yè)的前景廣闊。同時，提出產業(yè)發(fā)展面臨的各種障礙，并建議繼續(xù)成型燃料關鍵技術的研發(fā)和配套鍋爐的設計，制定相關政策和加大宣傳力度。

　　近年，石油、煤炭價格大幅上漲，能源短缺十分嚴重，能源形勢日益緊張，同時，大量使用化石能源引起了日益嚴重的環(huán)境問題，開發(fā)適用的可再生能源產品已成了當務之急。生物質能是指來源于木材、秸稈、動物糞便等生物質的能源。與化石能源不同，它們來自新近生存過的生物，從生物圈循環(huán)角度來看，使用生物質能是基本不產生污染物的。

　　可以通過直接燃燒來獲取能量，也可以轉化為生物質燃料，如生物柴油、沼氣、成型顆粒等。生物質能是唯一可以儲存、運輸的可再生能源，是替代化石燃料的首選，具有清潔、可再生、含S很低、CO₂零排放、分布廣的特點。但由于散碎的生物質料不易于收藏、運輸、儲存和運輸，必須經過一定的加工。

　　生物質能由于其成型工藝不完善、設備磨損嚴重，人們環(huán)保意識差及生物質能自身特點致使其沒有得到廣泛利用。馬昊認為農村生物質能產業(yè)的發(fā)展具有外部性、不確定性等因素，并從國家財稅政策的角度分析了我國生物質能的發(fā)展和不足；劉祖軍等對生物質成型燃料的產業(yè)發(fā)展前景進行了分析，提出了解決成型機生產技術瓶頸、用戶環(huán)保意識與產品認知度薄弱、產業(yè)政策過于宏觀等問題的策略建議；閆昌國等研究了可移動生物質顆粒燃料設備系統，并做了其經濟技術性能分析。

　　O'Dogherty MJ等討論了顆粒燃料長久保存的問題，分析了壓力、水分、模具長徑比等因素對成型顆粒松弛密度的影響規(guī)律，并推導出了壓力與密度的關系。相關專家學者做了很多方面的研究，但系統介紹我國生物質能發(fā)展與應用的文章還很少，本文在生物質成型顆粒燃料研究的基礎上，系統介紹生物質能在我國的發(fā)展與應用，從生物質能原料豐富、成型設備與工藝的改進和需求與效益要求3方面介紹我國的發(fā)展優(yōu)勢；從人們環(huán)保意識薄弱、成型設備與配套設施不完善2個方面介紹其發(fā)展與應用的障礙。

　　1生物質在我國的發(fā)展優(yōu)勢

　　1.1生物質能原料豐富

　　我國的農業(yè)廢棄物資源分布廣泛，其中可用作能源使用的秸稈年產量折合約3億噸標準煤，再加上農產品加工、森林和林業(yè)剩余物、城市垃圾、沼氣等生物質能資源，可開發(fā)利用生物質能的資源量約5億噸標準煤。農業(yè)方面，只是河南省全年的秸稈產量就達到6023萬噸，以前秸稈用來燒火做飯、飼養(yǎng)牲畜，現在秸稈一部分直接還田，一部分賣給造紙廠，其余的大部分秸稈作為廢棄物一焚了之。對此，各級政府都做了許多工作，禁止焚燒秸稈，雖說取得了一定成效，但收效卻非常有限，關鍵是要找到秸稈的出路。秸稈還田和作為能源利用看似矛盾，實際上保護性耕作的秸稈還田量在30％左右，大量的秸稈還是可以充分回收利用的，這樣秸稈不僅有了出路還創(chuàng)造了效益。林業(yè)方面，我國林木生物質能資源也比較豐富，薪炭林、森林撫育間伐、苗木截桿、經濟林和城市綠化修枝、油料樹種果實和林業(yè)三剩物等林木生物質資源都是成型生物質成型燃料很好的原材料。并且隨著科技的進步與管理的改進，單位面積的農作物產出和林業(yè)蓄積都會增加；同時，我國還有大量的宜林荒山荒地、沼澤地、鹽堿地等可作為生物質原料作物的培育基地，為產業(yè)發(fā)展、壯大提供后備支撐，這些都說明了我國生物質原料會越發(fā)豐富，為生物質在我國的發(fā)展奠定基礎。

　　1.2成型設備與工藝的改進

　　設備方面。首先在我國得到廣泛應用的是螺旋式擠壓成型機，由于其成型溫度高達220～280℃，并且有較高的擠壓力，造成螺旋桿和成型套筒磨損嚴重，使用壽命短；單位產品能耗高，并且生產率相對較低，成型過程對物料含水率、顆粒大小等有嚴格要求，造成成型成本較高。其次是活塞式成型機，它在較大程度上解決了螺旋擠壓式成型方式存在的成型件磨損嚴重、能耗高的問題，但機械驅動活塞成型機存在運行穩(wěn)定性差、噪音大和潤滑油污染較嚴重等問題；液壓驅動活塞成型機成型密度偏低，制品機械性能較低。目前，最常用的生物質顆粒成型機是壓輥式成型機，模具磨損程度較低，其生產流程如圖1所示。但其出料不均勻，尤其是木屑等堆積密度較大的原料，進而造成生產率低，如圖2所示，A處明顯比B處成型效果差。本課題組通過結構的優(yōu)化設計出立式環(huán)模成型機，較大程度上解決了出料不均的問題（圖3），在實際生產中得到應用，并取得了良好效果。另外，閆昌國等考慮到生物質原料的分散性特點，運輸成本較高。

　　開發(fā)了高度集成的可移動式成型設備，可以實現在原料產地生產成型燃料，這對于生物質原料產地過于分散的地區(qū)是一個很好的選擇，節(jié)省原料運輸成本，從而提高生物質的經濟效益。

　　工藝方面。生物質固化成型工藝有多種形式，根據其主要工藝特性的差別，可分為濕壓成型、熱壓成型、冷壓成型和碳化成型4種基本類型。

　　（1）濕壓成型就是先對生物質能原料進行一定程度的腐化，即增加原料的熟化程度，然后擠壓成型，其成型性能會有一定的改善，但存在有能量損失、成型燃料密度低、成型模具磨損較快等缺陷，并且成型產品還要經過干燥才能存放，致使成本升高。

　?。?）熱壓成型是目前普遍采用的成型工藝，壓縮過程中加熱，一方面可使原料中含有的木質素軟化，起到黏結劑的作用，另一方面還可使原料本身變軟，容易壓縮，但加熱的同時也增加了其功率的損耗，并且只有加熱到220～260℃之間才能較快成型，這樣不但耗能大而且對設備損壞嚴重，成型顆粒還需要經過專門的冷卻干燥設備處理，才能包裝儲存。

　　（3）冷壓成型是近年來研究利用的一種生物質成型工藝，成型時原料和機器部件之間的摩擦作用能使原料加熱到100℃左右，也能起到軟化木質素的作用，并且在一定程度上解決了以往成型設備對含水率和加熱溫度要求的限制，但其成型所需壓力偏高，達幾十個兆帕，也存在耗能大和設備損耗嚴重的問題。

　?。?）碳化成型主要是制得機制木炭，與本文使用方向不同，不做討論。

　　本課題組綜合考慮冷、熱壓縮成型工藝的特點，一定程度上降低熱壓溫度、提高壓力。通過改進的熱壓成型試驗，考察了玉米秸稈、鋸末、棉桿3種典型原料的影響因素，找出的最佳成型范圍為：粒度0～2mm、含水率15％～23％、溫度130～150℃和長徑比5.28，并通過微觀角度探討了不同成型條件下顆粒的微觀型貌，其微觀特征與試驗結果相符。

　　在本課題組設計立式環(huán)模成型機時，充分考慮了以上最佳工藝參數。改進的熱壓成型工藝，實現了節(jié)能降耗、延長設備使用壽命的目的，從而增強了生物質顆粒燃料的市場競爭力。

　　生物質燃料壓縮成型生產的一般工藝流程如圖4所示。步驟如下：

　　（1）從加工廠附近收集生物質；

　?。?）通過粉碎機粉碎至一定的粒度；

　?。?）對原料進行干燥處理，使含水率處于最佳范圍；

　　（4）輸送原料的螺旋推進器可同時做預壓工作，提高生產率；

　?。?）在模具和環(huán)模的共同作用下壓縮成型；

　　（6）在成型過程中對原料進行加熱，提高成型性能；

　?。?）對成型顆粒進行保型，穩(wěn)定其形狀；

　?。?）對成型顆粒進行切割、包裝和儲運處理，供應市場。

　　1.3需求與效益要求

　　市場是檢驗一切產品的標準，產品只有在市場上有需求，才能獲得市場的認可與接受，最終帶動產業(yè)良性發(fā)展。市場需求是生物質成型燃料產業(yè)發(fā)展的最終驅動力。我國生物質成型燃料的市場需求主要來自于廣大嚴重依賴煤炭資源的企業(yè)，依賴秸稈、林業(yè)剩余物等非商品能源的農村居民和部分城鎮(zhèn)的餐飲店、理發(fā)店、洗浴中心等服務業(yè)小經營業(yè)主。北京菲美得機械有限公司抓住生物質能利用的機遇，已研發(fā)了多種生物質成型燃料機，其公司的下屬廠都在使用自己生產的生物質成型燃料，不僅應用于飲水、取暖等生活方面，而且在鑄件烤漆的工業(yè)領域有了應用（圖5），每年比以前少用3000～4000t煤，有一定的經濟效益和生態(tài)效益。

　　同樣有很多類似的企業(yè)認識到環(huán)境污染的危害和國家對生物質產業(yè)的支持，有很大的積極性。我國農村地區(qū)傳統、低效的生活用能方式不僅浪費資源，也導致農村室內空氣惡劣，破壞生態(tài)環(huán)境，影響人們身心健康。隨著人們生活水平不斷提高和生態(tài)環(huán)保意識逐步增強，部分農村居民有改變目前不良生活用能方式的愿望。北京、河南、山西等?。ㄊ校┯?2％的農戶已經意識到目前用能方式的環(huán)境和健康代價，愿意改變當前的用能方式。

　　政府方面的需求，政府機關和國有企業(yè)的工廠在洗浴和燒水方面也可以用生物質成型燃料代替煤，但更多的是一種基于改善生態(tài)環(huán)境、獲取生態(tài)效益的需求。生物質成型燃料產業(yè)的發(fā)展有著明顯的正外部性，對充分利用自然資源、改善自然生態(tài)環(huán)境有積極的意義，符合國家的發(fā)展戰(zhàn)略。政府會從財稅、金融、保險等方面給予政策支持，為產業(yè)發(fā)展拓寬空間，理清障礙。

　　目前，在國內只有生物質成型燃料產業(yè)的示范工程，沒有大規(guī)模的生產、消費，缺乏像國外那樣完善的標準體系。張百良等對中國固體生物質成型燃料標準體系進行了研究，指出了構建該標準體系的必要性和迫切性，并提出了一些具體建議。生物質成型產業(yè)的市場沒有激活，造成外部資金注入較少，致使生產規(guī)模小和產品成本難于降低。國家通過自然科學基金資助、減免相關產業(yè)稅收、給予企業(yè)和消費者一定補助等措施在一定程度上促進了該產業(yè)的發(fā)展，但只有這些是不夠的，要想產生生態(tài)效益和經濟效益，就必須有較大范圍的推廣?？梢詫嵭杏墒∞r機推廣站負責，召開各鄉(xiāng)鎮(zhèn)長、縣農業(yè)局、交通局、環(huán)保局、財政局、公安局及公路局等單位的主管領導和各鄉(xiāng)鎮(zhèn)農辦主任、農機站長、農技站長現場會，加大宣傳力度，制定的方案層層落實，各種補貼確保及時發(fā)放。

　　2存在的發(fā)展障礙

　　公眾對開發(fā)利用生物質能的關注程度不夠。人們普遍認為開發(fā)利用生物質能僅僅是農民的事情，與己無關，沒有形成全社會積極參與和支持可再生能源發(fā)展的局面。某些地方政府的認識存在誤區(qū)，對如何開發(fā)利用生物質能知之甚少，甚至不屑于管理，沒有明確的發(fā)展方向和目標。對生物質成型燃料認知度調查發(fā)現，58％受訪對象不了解或從未聽說過生物質成型燃料，僅有部分人從電視節(jié)目或平面媒體上看過相關介紹，而真正使用過的用戶更寥寥無幾。

　　雖然生物質成型燃料的生產工藝和設備有了很大進步，但仍然存在模具磨損較嚴重、連續(xù)加工能力不足、模具孔洞易堵塞等問題。配套爐具不能充分考慮產品特點，存在易結渣、熱效率低、排煙中的污染物含量高等缺陷。

　　3結語

　　生物質成型燃料的發(fā)展前景很廣闊，潛力很大，但目前存在一些問題亟需解決。建議如下：

　?。?）繼續(xù)成型燃料關鍵技術的研發(fā)和配套爐具的設計。改進生物質固化成型的工藝，提高模具耐磨性和連續(xù)生產能力，從生產上降低成本；提高鍋爐中煙氣熱量的利用率，降低鍋爐的結渣性。

　　（2）各地政府、企業(yè)應因地制宜，制定相應的發(fā)展模式和有利政策，加大相關方面的宣傳力度。