生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)及經(jīng)濟(jì)分析

文 劉洋 遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

我國農(nóng)村秸稈資源非常豐富，長期以來農(nóng)村一直使用薪材和秸稈作為主要生活用能。目前生物質(zhì)能仍占農(nóng)村能源消費(fèi)量的很大比重，但絕大部分是未經(jīng)處理的直接燃燒，一般熱利用率僅為10%～15%，資源浪費(fèi)嚴(yán)重，而且造成土壤有機(jī)質(zhì)含量減少（燃燒而沒回收），肥力減弱。同時(shí)直接燃燒釋放大量污染物危害健康，污染環(huán)境。

農(nóng)村現(xiàn)存有大量的可用生物質(zhì)能，主要包括秸稈、稻殼、樹枝、樹葉、木屑及木材加工邊角料等。這些廢棄物松散、分布范圍廣，收集、運(yùn)輸和儲藏難度非常大，不利于集中大規(guī)模的用于利用。但我們可以在一定范圍內(nèi)實(shí)行小工廠加工，避免大規(guī)模的利用帶來的收集、運(yùn)輸困難，生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)趨于成熟，小規(guī)模生產(chǎn)可以在現(xiàn)有的條件下實(shí)現(xiàn)，且有較好的前景。

1 生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)

生物質(zhì)燃料是生物質(zhì)資源的重要組成部分，在可再生能源中占有非常重要的地位，其特點(diǎn)是種類多、數(shù)量大、分布廣、具有可再生性等。但生物質(zhì)燃料是以散拋型、低密度的能源形式存在的，所以資源分散、能量密度低、儲運(yùn)不方便，這些缺點(diǎn)嚴(yán)重地制約了生物質(zhì)燃料的大規(guī)模應(yīng)用，不利于集中大規(guī)模發(fā)電等的應(yīng)用。

1.1 生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)原理

生物質(zhì)成型燃料是將各種分散的、沒有一定形狀的秸稈經(jīng)干燥、粉碎到一定粒度后，在一定的溫度、濕度和壓力條件下，擠壓成規(guī)則的、較大密度的棒狀、塊狀、球狀或顆粒狀的固體材料。壓縮成形的這些固體材料密度可達(dá)1.1～1.4t/m3，體積比壓縮前縮小6～8倍，能源密度相當(dāng)于中等質(zhì)量的煙煤，燃燒過程中，爐膛溫度高、火力持久，燃燒特性得到明顯改善。

生物質(zhì)成型原料主要是一些纖維素類原料，纖維素類生物質(zhì)包含纖維素、半纖維素、木質(zhì)素(占植物體成分2/3以上)。 純纖維素程白色，密度1.5～1.56g/cm3，比熱0.32～0.33kJ/kg·K；半纖維素，穿插于纖維素和木質(zhì)素之間，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，酸性、加熱條件下能發(fā)生水解，產(chǎn)物為單糖；木質(zhì)素，是一類以苯基丙烷為骨架，具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的無定形高分子化合物，不同植物木質(zhì)素含量、組成不盡相同。木質(zhì)素不易溶于水及任何有機(jī)溶劑，非晶體，沒有熔點(diǎn)，70～110℃左右軟化，黏合力增加，此外200～300 ℃時(shí)軟化程度加劇，施加一定壓力，無需黏結(jié)劑，即可得到與擠壓模具形狀一致的成型燃料。

1.2 生物質(zhì)壓縮成型的工藝類型

根據(jù)主要工藝特征的差別，生物質(zhì)壓縮工藝可劃分為濕壓成型、熱壓成型、炭化成型三種基本類型。

（1）濕壓成型

濕壓成型是將原料在常溫下浸飽數(shù)日，使其濕潤皺裂并部分降解,然后利用高壓將其水分?jǐn)D出,壓縮成燃料塊。濕壓成型燃料塊密度較低，設(shè)備簡單，易操作，但部件磨損較快，烘干費(fèi)用高，且多數(shù)產(chǎn)品燃燒性能較差。

（2）熱壓成型

熱壓成型是目前普遍采用的生物質(zhì)壓縮成型工藝。其工藝過程一般可分為原料粉碎、干燥混合、擠壓成型和冷卻包裝等幾個(gè)環(huán)節(jié)。由于原料的種類、粒度、含水率等因素對成型工藝過程有一定的影響，所以具體的生產(chǎn)工藝流程以及成型機(jī)結(jié)構(gòu)和原理也有一定的差別,但是擠壓成型作業(yè)在各種成型方式中都是關(guān)鍵。

熱壓成型機(jī)械主要有螺旋擠壓成型機(jī)、機(jī)械（液壓）驅(qū)動活塞式成型機(jī)。

（3）炭化成型

炭化成型有兩種情況：一種是指先用成型機(jī)將物料壓縮成燃料棒，再用炭化爐將燃料棒炭化成木炭的過程。這種工藝沒有將物料壓縮成型與炭化過程結(jié)合起來，兩者相對獨(dú)立。第二種情況則是將壓縮成型和熱解炭化有機(jī)結(jié)合，采用柱塞式壓縮成型機(jī)壓縮，柱塞將物料沿著壓縮套筒推人熱解筒內(nèi)。通過間接加熱方式由電熱爐向熱解筒提供熱量，物料在套筒設(shè)定的溫度內(nèi)被炭化，得到所需的相應(yīng)產(chǎn)物。一般都需加入一定的黏結(jié)劑，若不使用黏結(jié)劑，成型燃料容易破損、開裂。后期不易貯存。

1.3 生物質(zhì)壓縮成型機(jī)械

目前世界各地研制生產(chǎn)的生物質(zhì)壓縮成型機(jī)械設(shè)備按照機(jī)械作用原理可以分為三類，即螺旋擠壓成型、活塞壓縮成型和模壓成型。

（1）螺旋擠壓式成型機(jī)

螺旋擠壓式成型機(jī)開發(fā)應(yīng)用最早，當(dāng)前應(yīng)用最為普遍。其主要原理：成型原料依靠重力落入螺旋壓縮成型機(jī)械中，錐形螺桿在其他動力機(jī)械的帶動下，推動成型原料進(jìn)入橫截面積漸漸變小的壓縮成型筒內(nèi)，成型物料在錐形螺桿和壓縮成型筒的作用下，內(nèi)壓應(yīng)力越來越大，在壓縮成型筒的頂端達(dá)到最大內(nèi)壓應(yīng)力而成型，再經(jīng)過一段應(yīng)力松弛段，被推出螺旋擠壓成型機(jī)械，成為成型物料。

這類成型機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、生產(chǎn)連續(xù)好，主要問題一個(gè)是成型部件，尤其是螺桿磨損嚴(yán)重，使用壽命短；另一個(gè)問題是單位產(chǎn)品能耗高。為了解決螺桿首端承磨面磨損嚴(yán)重這一問題，現(xiàn)在大多采用噴焊鎢鉆合金，焊條堆焊或碳化鎢，或是采用局部滲硼處理和振動堆焊等方法對螺桿成型部位進(jìn)行強(qiáng)化處理。

（2）活塞壓縮成型機(jī)

其產(chǎn)品是壓縮塊，成型是靠活塞的往復(fù)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)的。

按驅(qū)動動力可以分為兩類：一類是機(jī)械驅(qū)動活塞式成型機(jī)；另一類是液壓驅(qū)動活塞式成型機(jī)。較錐形螺桿干摩擦損耗，活塞壓縮成型技術(shù)磨損較小。根據(jù)推動活塞的裝置不同，活塞壓縮成型技術(shù)又分為飛輪活塞壓縮和液壓活塞壓縮兩種。飛輪活塞壓縮依靠存儲于飛輪中的轉(zhuǎn)動動能壓縮成型原料，但其設(shè)備龐大，震動強(qiáng)烈而且噪音劇烈，推廣和應(yīng)用都有一定困難。液壓活塞壓縮裝置則避免了飛輪活塞壓縮設(shè)備的上述缺點(diǎn)，但是由于生物質(zhì)壓縮成型時(shí)，物料表觀密度增加很多，因此液壓機(jī)械行程很大，導(dǎo)致液壓活塞壓縮裝置生產(chǎn)率不高。

（3）模壓成型機(jī)

目前使用的模壓成型機(jī)主要有平模顆粒機(jī)和環(huán)模顆粒機(jī)兩種，都是根據(jù)飼料顆粒成型機(jī)改造而來的。

環(huán)模顆粒機(jī)產(chǎn)量大、耗電少，這是平模顆粒機(jī)無法比擬的。而平模顆粒機(jī)由于轉(zhuǎn)速低等原因，使得其產(chǎn)量小于環(huán)模顆粒機(jī)，同時(shí)由于其轉(zhuǎn)速低壓力大，因此壓制的顆粒密度很大。而對于木屑、秸稈等難成型的粗纖維，則正需要很大的壓力。環(huán)模顆粒機(jī)由于其結(jié)構(gòu)限制，壓力不可調(diào)，壓制這些物料時(shí)就會超出壓力負(fù)荷，導(dǎo)致模具壓輪軸承磨損或壞掉。而平模顆粒機(jī)結(jié)構(gòu)簡便，壓力可調(diào)，產(chǎn)量穩(wěn)定，顆粒密度大，并且模具正反面都可以使用。同時(shí)，平模壓輪直徑的大小不受模具直徑限制，可以加大內(nèi)裝軸空間，選用大號軸承增強(qiáng)壓輪的承受能力，既提高了壓輪的壓制力又延長了使用壽命。

表1 生物質(zhì)成型燃料工業(yè)分析

模壓成型機(jī)主要生產(chǎn)顆粒狀成型燃料，不用電加熱。主要用于木屑加工或造紙廠秸稈碎屑的加工。

2 生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)的可行性

經(jīng)過多年的研究與試驗(yàn)，國內(nèi)部分成型設(shè)備及其配套產(chǎn)品已逐漸發(fā)展成熟，生物質(zhì)成型燃料在我國一些地區(qū)已開始進(jìn)行批量生產(chǎn)，并形成研究、生產(chǎn)和開發(fā)的良好勢頭，生物質(zhì)燃料壓縮成型技術(shù)的應(yīng)用逐步完善。

2.1 生物質(zhì)成型燃料分析

經(jīng)測定某廠生物質(zhì)壓縮成型機(jī)械生產(chǎn)生物質(zhì)燃料的工業(yè)分析如表1。

從表1可看出，生物質(zhì)燃料的熱值比較高，其灰分含量低且成分單一，揮發(fā)分高，易燃，易燃盡，燃燒時(shí)間較長；含硫量少，清潔，可作為煤的很好替代物，在農(nóng)村供暖時(shí)成為主要的燃料。

2.2 生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)河北省張家口市某村(221戶)的實(shí)際調(diào)查情況進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析。此地區(qū)的主要種植作物為玉米，為密集種植，一般每畝地種植玉米3000～3500株，保守估計(jì)可產(chǎn)干玉米秸稈及玉米芯750kg/畝，家庭的平均種植面積在10畝左右。因此，有大量的秸稈和玉米芯可供應(yīng)生物質(zhì)壓縮成型。同時(shí)本地區(qū)人們習(xí)慣在每年11月左右入冬時(shí)節(jié)買煤，作為生活爐供暖用，供暖時(shí)間為140天左右。經(jīng)調(diào)查，用煤量為每戶平均為2t左右，且近幾年隨人們生活水平的提高，改用水暖氣供暖，每戶的用煤量有所增加，但近些年煤炭價(jià)格一直上漲，燃用的煤炭質(zhì)量卻不斷下降，居民需要一種可以替代的燃料。

生物質(zhì)壓縮成型燃料具有燃料揮發(fā)分高，水分含量較少（可控），灰分少，較為耐燃，根據(jù)熱值考慮如果家庭使用生物質(zhì)壓縮成型燃料，則每戶每年燃料燃用量約4t，考慮與煤的混合燃燒，則燃料用量大概是3t左右，某村的生物質(zhì)成型燃料總需求量約600t。

因此，結(jié)合本村及周邊村莊的實(shí)際情況，選用2臺秸稈粉碎機(jī)，總產(chǎn)量為1.5t/h，總功率為30kW；一套成型機(jī)械總生產(chǎn)功率為75kW，生產(chǎn)線總投資為20萬元左右。

由于只進(jìn)材料的加工，這樣就可以忽略原料的成本費(fèi)、力費(fèi)用和廠房費(fèi)用等。因此，其成本為能耗按60元/h計(jì)算，加工利潤為200元/t；設(shè)備生產(chǎn)率為1t/h，工作時(shí)間150d/a，每天工作時(shí)間16h（兩班制）。則年利潤=140元×16h×150d=33.6萬元。

而且，生物質(zhì)成型燃料項(xiàng)目作為可再生能源項(xiàng)目之一，享受國家免稅政策。因此一年可收回成本，實(shí)現(xiàn)凈利潤。

3 結(jié)論

生物質(zhì)壓縮成型燃料主要利用農(nóng)業(yè)秸稈、木材加工和林木修剪等制作，一方面克服了生物質(zhì)體積大、能量密度低，不易運(yùn)輸?shù)娜秉c(diǎn)；另一方面保持了生物質(zhì)揮發(fā)性高、易燃燒、灰分少、排放低，不造成環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，生物質(zhì)燃料燃燒后的灰燼是品位極高的優(yōu)質(zhì)有機(jī)鉀肥，可回收創(chuàng)利。所以，生物質(zhì)原料壓縮成型燃料在我國農(nóng)村、城鎮(zhèn)中實(shí)行產(chǎn)業(yè)化有著廣闊的發(fā)展前景。