中國生物質固體成型燃料技術和產業

趙立欣，孟海波，姚宗路，田宜水

(農業部規劃設計研究院，北京 100125)

1 前言

當今，全球氣候變化形勢十分嚴峻，已成為世界發展面臨的共同難題[1]。2009年12月，中國政府在哥本哈根氣候大會上自愿做出減排承諾:到2020年，在2005年的基礎上削減碳排放40% ～45%。發展包括生物質能在內的可再生能源已成為我國當前刻不容緩的任務，不僅有利于優化能源結構，緩解能源緊張的局面;而且減少溫室氣體排放，有助于國家完成自愿減排的國際義務[2，3]。

生物質固體成型燃料技術，即在一定溫度和壓力作用下，利用木質素充當粘合劑將松散的秸稈、樹枝和木屑等農林生物質壓縮成棒狀、塊狀或顆粒狀等成型燃料。壓縮后的成型燃料體積縮小6～8倍，能源密度相當于中質煙煤，提高了運輸和貯存能力;燃燒特性明顯得到了改善，提高了利用效率，是生物質能開發利用技術的主要發展方向之一[4]。生物質成型燃料不僅可以為家庭提供炊事、取暖用能，也可以作為工業鍋爐和電廠的燃料，替代煤、天然氣、燃料油等化石能源，近年來越來越受到人們的廣泛關注[5]。

我國農作物秸稈數量大、種類多、分布廣，每年秸稈理論資源量約為8.20億 t[6]。近年來，秸稈出現了地區性、季節性、結構性過剩，大量秸稈資源未被利用，浪費較嚴重。加快推進秸稈固體成型燃料的利用，實現秸稈資源化、商品化，變廢為寶，化害為利，對于提高農業綜合生產能力，促進農業和農村經濟的可持續健康發展，增加農民收入，減少污染，加快建設資源節約型、環境友好型社會具有十分重要的意義。另外，廣大農村生活燃料仍以秸稈和薪柴為主，秸稈經固化后變成優質的清潔能源，可以提高農民的用能品位，改善居室環境，提高生活水平，有利于促進社會主義新農村建設。

擬通過綜述國內外生物質固體成型燃料技術產業發展現狀，評價不同的成型技術以及燃燒技術，介紹了標準制定情況，最后指出技術產業發展中存在的主要問題，并指出了下一步發展方向。

2 國內外產業發展現狀

2.1 國外

目前，歐盟主要以木質生物質為原料生產顆粒燃料，其成型燃料技術及設備的研發已經趨于成熟，相關標準體系也比較完善，形成了從原料收集、儲藏、預處理到成型燃料生產、配送和應用的整個產業鏈的成熟技術體系和產業模式。2009年，歐盟生物質固體成型燃料產量達 452.85萬 t，消費量為496.68萬t，現有顆粒燃料生產廠847家，生產能力約714.2萬t[7]。其中，瑞典生物質顆粒燃料的產量約157.6萬 t，消費量約191.8萬 t，位居世界首位。生產的顆粒燃料除通過專門運輸工具定點供應發電和供熱企業外，還以袋裝的方式在市場上銷售，已經成為許多家庭首選的生活用燃料。2008年，瑞典約有12萬戶使用顆粒燃料鍋爐，2萬用戶使用顆粒燃燒爐，另外，還有4000個中型鍋爐使用顆粒燃料[8]。生物質固體成型燃料也成為全球貿易的對象，如加拿大等林業資源豐富的國家具有非常大的生產潛力，而瑞典、丹麥則是重要的消費國[9～11]。

2.2 國內

近年來，國家高度重視秸稈能源化利用工作，相繼出臺了一系列政策法規，鼓勵和支持相關產業的發展。財政部出臺了《秸稈能源化利用補助資金管理暫行辦法》，擬采取綜合性補助方式，支持從事秸稈成型燃料、秸稈氣化、秸稈干餾等秸稈能源化生產的企業收集秸稈、生產秸稈能源產品并向市場推廣。我國生物質固體成型燃料技術得到明顯的進展，生產和應用已初步形成了一定的規模。截至2009年底，國內有生物質固體成型燃料生產廠260余處，生產能力約 76.6 萬 t/a。[12]，主要用于農村居民炊事取暖用能、工業鍋爐和發電廠的燃料等。相當于替代38.3萬tce，減少溫室氣體排放83萬t/a，為農民增收節支2.3億元，社會、生態和環境效益顯著。

3 國內外技術發展現狀

3.1 固體成型技術

生物質固體成型技術主要分為壓模輥壓式成型機、活塞式成型機和螺旋擠壓式成型機等幾種形式[5]。其中，壓模輥壓式成型機分為環模壓輥成型機和平模壓輥成型機等。活塞沖壓式成型機按驅動動力不同可分為機械活塞式成型機和液壓驅動活塞式成型機兩種類型。各類固體成型技術綜合比較見表1。

表1 各類固體成型技術綜合比較一覽表[5] Table 1 Comparison of various types densified technology[5]

國外模輥式成型機設備制造比較規范[13]，自動化程度高，生產技術大部分已經成熟，瑞士Buhler Inc.公司、英國的UMT Andritz Group公司、丹麥的Sprout－Matador公司以及瑞典的 Sweden Power Chippers AB公司等多采用模輥式成型技術，生產生物質固體成型燃料成型機，關鍵部件壽命達到1000 h以上，生產率達到2 t/h以上，并達到規模化和商品化。但這些成型機以木屑等林業剩余物為主要原料，且設備價格高，并不適合我國以秸稈為原料的國情。

與螺旋擠壓式和活塞沖壓式成型技術比較而言，模輥式成型技術工藝實現了自然含水率生物質不用任何添加劑、粘結劑的常溫壓縮成型，生產率較高，具備了規模化、產業化發展條件，是產業化發展的重點[14，15]。農業部規劃設計研究院研發了適宜于農作物秸稈的HM－485型環模式成型機，生產率達到1.5 t/h，關鍵部件壽命達到400 h以上，利用該技術工藝和設備已在北京市大興區建成了年產2萬t的生物質固體成型燃料生產線并投產運行[16]。吉林輝南宏日新能源公司初步建立了林木收集、顆粒燃料加工、鍋爐配套、供熱服務相銜接的木質成型燃料供熱運營商業模式，2008年起在長春開展供熱運營示范，總供熱面積8萬m2[20]。

3.2 燃燒技術

針對生物質固體成型燃料的種類、熱值、灰分含量、顆粒尺寸和加熱系統，各國也分別開發了不同的采暖爐和熱水鍋爐，而且可以應用配套的自動上料系統。國外具有代表性的燃燒器生產廠商有Ulma AB、Janfire AB、Pelltech LTD 等，其產品主要以 φ6～8 mm的木質顆粒為燃料，輸出功率在12～80 kW，平均燃燒效率大于85%[17～19]。這些燃燒器及鍋爐主要采用木質顆粒作為燃料，木質顆粒具有熱值高、灰分低、灰熔點較高、燃燒后不易結渣等優點，因此國外燃燒設備在設計方面沒有專門的破渣、清灰機構，多采用人工清灰，間隔在1～2周。生物質顆粒燃燒器的形式較多，分類方式也有多種。根據喂料方式的不同，顆粒燃燒器主要可以分為3種類型:上進料式、底部進料式和水平進料式，見圖1。

圖1 燃燒器的三種進料形式[20] Fig.1 Three feeding forms of the burner[20]

我國生物質固體成型燃料配套燃燒設備的研發也取得一定的進展，開發了秸稈固體成型燃料炊事爐、炊事取暖兩用爐、工業鍋爐等專用爐具[21]。北京萬發爐業中心研發的燃用秸稈類顆粒燃料的暖風壁爐、水暖爐、炊事爐等一系列爐具，吉林華光生態工程技術研究所研發的暖風壁爐和炊事采暖兩用爐等。哈爾濱工業大學較早地進行了生物質燃料的流化床燃燒技術研究，并先后與無錫鍋爐廠、杭州鍋爐廠合作開發了不同規模、不同爐型的生物質燃燒鍋爐。河南農業大學研制出雙層爐排生物質成型燃料鍋爐，浙江大學研制出燃用生物質秸稈顆粒燃料的雙膽反燒鍋爐等。國內也引進一些以生物質顆粒為燃料的燃燒器，但這些燃燒器的燃料適應范圍很窄，只適用于木質顆粒，改燃秸稈類顆粒時易出現結渣、堿金屬及氯腐蝕、設備內飛灰嚴重等問題，而且這些燃燒器結構復雜、能耗高、價格昂貴，不適合我國國情，因此沒有得到大面積推廣。

生物質顆粒燃料尺寸較為單一、均勻，因此可以實現自動進料連續燃燒，燃燒效率通常能達到86%以上。通過與不同用途的設備(如鍋爐、壁爐、熱風爐等)配套使用，燃燒器可以應用到取暖、炊事、干燥等各個領域，將是未來發展的方向。

4 標準體系

在標準方面，歐盟標準化委員會(CEN)委托瑞典標準所(Swedish Standards Institute)組建歐盟固體生物質燃料標準化委員會(CEN/TC 335)，已發布了30個技術規范，分為術語，規格、分類和質量保證，取樣和樣品準備，物理(或機械)試驗，化學試驗等5個方面[22，23]。美國材料與試驗協會(ASTM)于1985年成立了E48生物技術委員會，下設E48.05生物轉化子委員會，共制訂了9項標準，主要適用于生物質水分、灰分、揮發分、元素分析、堆積密度等特性的測定[24]。

我國已制定《生物質固體成型燃料技術條件》(NY/T 1878－2010)、《生物質固體成型燃料采樣方法》(NY/T 1879－2010)、《生物質固體成型燃料樣品制備方法》(NY/T 1880－2010)、《生物質固體成型燃料試驗方法》(NY/T 1881－2010)、《生物質固體成型燃料成型設備技術條件》(NY/T 1882－2010)、《生物質固體成型燃料成型設備試驗方法》(NY/T 1883－2010)等13項農業行業標準，并于2010年5月20日以農業部公告第1390號發布，這標志著我國生物質固體成型燃料標準體系初步形成。

5 存在的主要問題

5.1 國家引導投入不足

我國秸稈年產量8.2億t，可用于成型的秸稈量約2億t，目前實際用于成型的秸稈量不足80萬t，總量明顯偏低，迫切需要國家財政給予資金引導和扶持，促進產業健康發展，但目前國家在這方面投入還不足。

5.2 缺乏綜合性的研發與轉化平臺

目前，國內從事生物質固體成型燃料研究的機構多是一些大專院校為了科研與教學的需要而成立的，研究力量相對薄弱而又分散，普遍存在著重復研究和資源浪費的現象，還沒有形成一個集研發與中試為一體的工程技術研究機構，難以集中力量對關鍵技術進行攻關和中試轉化。

5.3 核心技術還不完善

包括農作物秸稈的收集、儲運技術體系不完善，機械化水平低;成型設備機組可靠性能較差，模具磨損嚴重;設備能耗過高;設備系統配合協調能力差;成型設備的原料適應能力差;秸稈的堿金屬元素含量高，使用時結渣現象嚴重，不僅降低了燃燒效率，而且還降低了燃燒設備的性能和使用壽命[25～27];沒有建立科學完善的服務管理體系等。

6 對策與建議

生物質固體成型燃料技術是生物質開發利用主要方向之一。國外生物質能固體成型燃料技術及設備已經趨于成熟，形成了整個產業鏈的成熟技術體系和產業模式。我國已形成了良好的政策法規環境，生物質固體成型燃料產業化關鍵技術已趨于成熟。但還存在一定的問題。特提出如下建議。

6.1 加強技術研發

重點支持一些科研單位，組建國家級生物質固體成型燃料實驗室，開展關鍵技術和設備研發和推廣，攻克機組運行可靠性、易損件使用壽命、維修方便性、降低能耗等問題，努力降低造價，使成型機和爐具以及成型燃料盡快進入商業化階段;逐步完善現有技術，實現設備生產規模化、產業化，形成完善的設備生產、產品配送體系，在生產實踐中提高并考驗生物質固體成型技術的可靠性和經濟性，有效降低生物質固體成型燃料的生產成本，增強產業發展的科技支撐。

6.2 完善政策措施

對購置成型燃料專用爐具和使用成型燃料的農戶給予財政補貼，引導和鼓勵農民使用秸稈成型燃料。

6.3 開展試點示范

我國幅員遼闊，各地區氣候特點、資源稟賦和經濟發展水平差異很大。生物質固體成型燃料技術及運行模式需要在不同地區進行技術適用性、工程應用模式以及綜合配套技術的完善。建議在全國的典型地區對不同原料、不同用途、不同運行模式的秸稈固體成型燃料技術進行試點，驗證工藝和設備的可靠性、可行性及適用性，為下一步大面積推廣提供技術支持和管理經驗。

7 結語

我國《可再生能源中長期發展規劃》提出，力爭到2020年秸稈固體成型燃料年利用量達到5000萬t。農業部《農業生物質能產業發展規劃》也提出，到2015年，秸稈固化成型燃料年利用量達到2000萬t左右，未來發展潛力巨大。通過發展生物質固體成型燃料產業，有利于保障國家能源安全，增加農民收入，改善農民生活條件，為減少溫室氣體排放作出貢獻。

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