生物質(zhì)固化成型技術(shù)及其展望

摘 要: 本文比較詳細(xì)、全面地討論了生物質(zhì)固化成型技術(shù)的基本原理、工藝過程和技術(shù)關(guān)鍵，介紹了目前生物質(zhì)固化成型裝備的現(xiàn)狀、用戶的要求特點及重點要求地區(qū)或行業(yè)。

保證成型燃料具有較大密度、成型機(jī)連續(xù)運轉(zhuǎn)及選擇合適的碳化工藝是該技術(shù)裝備的關(guān)鍵，當(dāng)以木炭為最終產(chǎn)品時這一點尤為重要。

木屑、秸稈、稻殼等均可作為生物質(zhì)固化成型的原料，但當(dāng)木炭為最終產(chǎn)品時，木屑是唯一的原料。

目前，我國的生物質(zhì)固化成型裝備在設(shè)備的實用性、系列化、規(guī)模化上還很不足，這一問題以成型機(jī)最為突出。生物質(zhì)固化成型技術(shù)裝備有十分廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，林區(qū)、林產(chǎn)品加工業(yè)集中區(qū)、農(nóng)作物秸稈質(zhì)優(yōu)量大區(qū)，均是該裝備的市場。

1.        前 言

生物質(zhì)是一種可再生的物質(zhì)資源，但它作為能源物質(zhì)利用基本上還是直接燃燒來獲取熱能。由于生物質(zhì)的燃燒特性較差，所以有效利用率很低。隨著我國農(nóng)村生活水平的日益提高，相當(dāng)大量的生物質(zhì)未得以有效、充分的利用。我國每年因制材、林產(chǎn)品加工產(chǎn)生的木屑的數(shù)量也十分巨大，其中絕大部分廢棄。如何將這些寶貴的生物質(zhì)能資源轉(zhuǎn)化為方便、清潔的能源形式，其經(jīng)濟(jì)、社會效益都是十分明顯的。作為生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化途徑之一的固化成型技術(shù)已引起人們的關(guān)注和興趣。以作者為首的課題研究小組經(jīng)幾年的研制開發(fā)，在生物質(zhì)固化成型技術(shù)和裝備上取得了突破性結(jié)果，成套設(shè)備的運行結(jié)果顯示了這一技術(shù)巨大的市場潛力。

2.        生物質(zhì)固化成型的過程

2．1成型原理

植物細(xì)胞中除含有纖維素、半纖維素還含有木質(zhì)素（木素），木素是具有芳香族特性的結(jié)構(gòu)單體，為丙烷型的立體結(jié)構(gòu)高分子化合物。在闊葉木、針葉木中木素含量為27%～32%（干基），禾草類木素含量為14%～25%。雖然在各種植物中都含有木素，但它們的組成、結(jié)構(gòu)并不完全一樣。木素屬非晶體，沒有熔點但有軟化點，當(dāng)溫度為70～110℃時粘合力開始增加，木素在適當(dāng)溫度下（200～300℃）會軟化、液化，此時加以一定的壓力使其與纖維素緊密粘接并與相鄰顆粒互相膠接，冷卻后即可固化成型，因此采用熱壓法成型秸稈（或木屑）燃料可不用任何添加劑、粘接劑，大大降低了加工成本，而且利用木素軟化、液化的特點，適當(dāng)提高熱壓成型時的溫度有利于減小擠壓動力。生物質(zhì)成型燃料就是利用這一原理以生物質(zhì)固化成型機(jī)經(jīng)熱擠壓制得的。

2．2成型的工藝過程

生物質(zhì)成型是有條件的，它對原料的種類、粒度、含水率都有一定的要求。秸稈、麥秸等需進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆鬯椋瑤缀跛械奈锪隙家M(jìn)行干燥。為進(jìn)一步提高成型燃料的使用價值，擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域，可進(jìn)行碳化，所以生物質(zhì)固化成型的工藝過程可表述為：

原料 → 預(yù)處理 → 干燥 → 成型 → 碳化 → 木炭

木屑、稻殼等由于粒度細(xì)小，篩除雜物即可直接使用，秸稈、麥秸需經(jīng)專用設(shè)備粉碎至粒度在10mm以下。生物質(zhì)的含水率一般在20%～40%，因此干燥是必不可少的過程。干燥方式一般宜采用氣流式干燥，以生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的煙道氣為熱源，物料在干燥管內(nèi)干燥后由旋風(fēng)分離器排出。

成型是生物質(zhì)固化技術(shù)的核心，成型的方式有多種，但目前使用最多的還是以螺桿為輸送和壓縮物料的連續(xù)擠出，其特點是成型燃料的密度大，表面質(zhì)量好，最主要的是成型燃料碳化后所得木炭的質(zhì)量好。根據(jù)物料的種類和含水率，控制適宜的成型溫度即可得到密度較大、表面光滑、無明顯裂紋、任意長度的中空棒狀成型燃料。

碳化雖不是生物質(zhì)固化成型技術(shù)不可或缺的，但在很多情況下卻是十分主要的輔助手段。碳化的方式有連續(xù)內(nèi)熱式干餾法、外熱間歇式干餾法和燒炭法。連續(xù)內(nèi)熱式適于大規(guī)模連續(xù)化生產(chǎn)，燒炭法適于小規(guī)模經(jīng)營，外熱間歇式則適于各種情況。木屑、刨花等原料生產(chǎn)的成型燃料更適合碳化，秸稈、稻殼等原料由于灰分大，除特殊情況外均不碳化。

3.        生物質(zhì)固化成型的技術(shù)關(guān)鍵

生物質(zhì)固化成型的設(shè)備包括粉碎機(jī)、干燥設(shè)備、成型機(jī)、碳化釜等。成型是整個過程的決定性步驟，故成型機(jī)的性能決定了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)成本。因物料的種類、含水率等的差異，造成了成型技術(shù)的復(fù)雜性和工藝的不確定性。由于成型螺桿的工作環(huán)境極端惡劣，使得螺桿使用壽命很短。

3．1成型條件

1.        原料的含水率

原料的含水率對棒狀燃料的成型過程及產(chǎn)品質(zhì)量影響很大，當(dāng)原料水分過高時，加熱過程中產(chǎn)生的蒸氣不能順利地從燃料中心孔排出，造成表面開裂，嚴(yán)重時產(chǎn)生爆鳴，但含水率太低成型也很困難，這是因為微量水分對木素的軟化、塑化有促進(jìn)作用。如表1：

表1 原料含水率對成型的影響

對木屑、秸稈等物料，成型的適宜含水率范圍為6%～10%。我們從表1還可以得到這樣的結(jié)論，不同種類的物料雖木素含量有較大差異，但成型所需適宜含水率基本一致。

2.        成型溫度

成型溫度對成型過程 、產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量都有一定的影響。表2是溫度對不同物料成型的影響。

表2 溫度對不同物料成型的影響

*成型快慢系同一物料的相對比較結(jié)果。

顯然，過低的溫度（<200℃）傳入出料筒內(nèi)的熱量很少，不足以使原料中木素塑化，加大原料與出料筒之間的磨擦，造成出料筒堵塞，無法成型；過高的溫度（>280℃）原料分解嚴(yán)重，輸送過快，不能形成有效的壓力，也無法成型。總之，不同物料所需成型溫度相差不大，一般控制在240～260℃之間。

3．2生物質(zhì)固化成型的技術(shù)關(guān)鍵

生物質(zhì)固化成型是一項應(yīng)用范圍比較廣的技術(shù)，但作為能源轉(zhuǎn)化的途徑，仍有一些關(guān)鍵技術(shù)問題困擾著人們，這些問題可歸結(jié)為：

1.        螺桿的使用壽命

物料的壓縮是螺桿和出料筒配合完成的，即螺桿的幾何尺寸和出料筒幾何尺寸必須在一定的范圍內(nèi)才能在較快的擠出速度下獲得較大密度的成型燃料。螺桿是在較高溫度和壓力下工作的，螺桿與物料始終處于干磨擦狀態(tài)，導(dǎo)致螺桿的磨損非常快。當(dāng)螺桿磨損到一定程度時，螺桿與出料筒失去尺寸配合，成型就無法進(jìn)行。因此，壓縮區(qū)螺紋的磨損決定了螺桿的使用壽命，螺桿的使用壽命成為生物質(zhì)固化成型設(shè)備和技術(shù)實用價值的決定性因素。

對螺桿的磨損，各研究和生產(chǎn)廠家采取了很多辦法，但由于受工藝技術(shù)等制約，都沒有從根本上解決問題。成型機(jī)的實際運行結(jié)果表明，螺桿的磨損只發(fā)現(xiàn)在一個導(dǎo)程范圍內(nèi)，解決這部分的磨損，整個螺桿的磨損問題也就解決了。我們設(shè)計了一種帶活動螺旋頭的螺桿，選擇特殊耐磨材料制作活動螺旋頭，實際運行結(jié)果是這種螺桿和使用壽命在1000小時以上。

2.        成型燃料的密度

當(dāng)成型燃料為最終產(chǎn)品時，密度不是很主要的問題，但當(dāng)以木炭為最終產(chǎn)品時，成型燃料的密度就成為十分重要的指標(biāo)了。密度是由所用原料、設(shè)備等多因素決定的。纖維素、木素含量低的物料如秸稈、稻殼等，不易得到密度大的成型燃料，碳化后所得木炭機(jī)械強(qiáng)度很差，灰分大且熱值低，使用上就受到很大限制。只有木屑、刨花等成型后碳化才是有價值的，因此成型燃料的密度是產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。

3.        碳化技術(shù)

碳化是提高成型燃料使用價值的重要手段。碳化方式、碳化工藝直接決定了木炭的機(jī)械強(qiáng)度、熱值、生炭含量等主要性能指標(biāo)。表3是幾種碳化方式比較結(jié)果：

表3 幾種碳化方式的比較

表3的結(jié)果顯示了不同碳化方式的差別，也充分體現(xiàn)了碳化方式和工藝的重要性。

1.        生物質(zhì)固化成型的經(jīng)濟(jì)可行性

生物質(zhì)固化成型工程，根據(jù)原料的不同，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不同，規(guī)模不同，有著不同的經(jīng)濟(jì)效果，現(xiàn)分別說明：

以木屑為原料生產(chǎn)機(jī)制木炭：綜合各種碳化方式約3噸燃料棒可得1噸木炭，1噸木屑（干）一般50元，損耗5%，則生產(chǎn)1噸木炭的原料費為165元，電費260元，人工費240元，其它費用300元，共計960元，木炭售價大約為1400～1600元，即生產(chǎn)1噸木炭可獲純利440～640元，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。

以秸稈為原料生產(chǎn)成型燃料：秸稈的價格各地不同，山東、河北等地已廢棄在田間燒掉，而有些地方價格在50～100元/噸不等。由于秸稈的成型速度稍慢，生產(chǎn)1噸成型燃料電費約100元，人工費60元，其它費用50元，共計210～310元，這樣的價格在目前若以其代替煤顯然是不合算的，但在某些特殊的領(lǐng)域如陶瓷生產(chǎn)、煉鋼等是十分有前途的。

以廢木粉生產(chǎn)成型燃料：刨花板、人造板廠每天產(chǎn)生大量的木粉，這種木粉非常細(xì)碎且含有大量的粘合劑而無任何用途，成為廠家的一個難題。但用它來生產(chǎn)成型燃料后燒鍋爐，每年可節(jié)約大量的煤，且其價格比煤還便宜。

2.        生物質(zhì)固化成型技術(shù)裝備的前景分析

先進(jìn)的技術(shù)優(yōu)勢和良好的經(jīng)濟(jì)性構(gòu)成了生物質(zhì)固化技術(shù)裝備進(jìn)入市場的基本動力。以往由于人們對其不完全了解使其推廣受到相當(dāng)程度的限制，可以預(yù)見，隨著該技術(shù)裝備一些關(guān)鍵問題的解決和保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境意識的日益加強(qiáng)，市場覆蓋率將逐漸擴(kuò)大，同時必須清楚地認(rèn)識到，由于多種因素影響，短期內(nèi)不能期望出現(xiàn)全國性推廣熱潮。

5．1重點需求市場

1.        林木資源豐富而又相對集中的地區(qū)

林區(qū)樹木分布成片，每年存有大量的林業(yè)采伐廢棄物，如枝椏、小徑木、板片、木屑等，一般占木材采伐量的30%左右，目前轉(zhuǎn)化利用量僅占10%，余下多為粗放利用或廢棄。如果將其中少部分木屑用來生產(chǎn)木炭，既可解決某些地區(qū)居民取暖問題又可外銷用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活，這對改變部分林區(qū)過量采伐，保持生態(tài)平衡有一定作用。生物質(zhì)固化裝備推廣潛力較大的林區(qū)主要分布在內(nèi)蒙古、黑龍江、吉林、福建等省份。

2.        制材和木制品加工廠家

制材和木制品加工廠每年產(chǎn)生大量的木屑、刨花，大部分廉價售出或粗放使用，如用其生產(chǎn)機(jī)制木炭或成型燃料，可獲取可觀的經(jīng)濟(jì)效益，并可解決部分職工的就業(yè)問題。因此制材、家俱、地板等工廠是生物質(zhì)固化成型技術(shù)裝備頗具潛力的市場。

3.        農(nóng)作物秸稈資源量大質(zhì)優(yōu)的農(nóng)區(qū)

據(jù)測算，我國農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量5.6億噸，約折算煤3億噸，是一筆巨大的能源儲備。目前農(nóng)村生活能源中，秸稈燃料消費居首位，遠(yuǎn)大于煤炭和薪柴所占比重。在農(nóng)村用煤難以有大量增加的情況下，用秸稈生產(chǎn)成型燃料是可行的。另外，工業(yè)中大量使用的化鐵爐、鍋爐，升火時需耗用大量劈柴點火，劈柴售價遠(yuǎn)比煤高，這也是商品化生產(chǎn)成型燃料的應(yīng)用途徑。

4.        生產(chǎn)活性炭

活性炭廣泛用于制糖、制藥、化工行業(yè)，污水處理也需要活性炭，隨著環(huán)境保護(hù)的強(qiáng)化，凈化廢水、廢氣所需活性炭的用量會越來越大。實踐證明，用秸稈生產(chǎn)活性炭是可行的，而且生產(chǎn)的活性炭價格低廉。

5．2市場需求特點分析

1.        成套設(shè)備規(guī)模以中小型為主

由于木屑、秸稈等均為松散物質(zhì)，長途運輸費用加大，所以生產(chǎn)木炭或成型燃料規(guī)模不宜太大，一般以每天生產(chǎn)1～2噸木炭為宜，另外由于碳化裝置可土法上馬，所以用戶需求量最大的仍是成型機(jī)和干燥設(shè)備。

2.        結(jié)構(gòu)簡單實用、易操作控制和維修

這一點和國外發(fā)達(dá)國家不同，大多數(shù)用戶是經(jīng)濟(jì)水平欠發(fā)達(dá)地區(qū)，這就要求設(shè)備運行穩(wěn)定、壽命長，在自動化和外觀上暫不做更高的要求，關(guān)鍵是要“買得起，用得住。”

3.        售后服務(wù)必須跟上

生物質(zhì)固化成型是看似簡單，實則比較難以掌握的，尤其是成型所受影響因素很多且缺少規(guī)律性，這就要求生產(chǎn)廠家為用戶提供良好的售后服務(wù)，以免造成用戶買回去之后沒使用多長時間就不能正常工作的被動局面。

總之，我國的生物質(zhì)固化成型技術(shù)裝備研究與制造起步較晚，產(chǎn)品生產(chǎn)批量小、專業(yè)廠家少，產(chǎn)品的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化尚未提至日程。今后應(yīng)在設(shè)備實用性、系列化上下功夫，不斷降低成本并提高技術(shù)水平，為21世紀(jì)大規(guī)模開發(fā)利用生物質(zhì)能提供必要的技術(shù)儲備。

張大雷 姜洋 潘亞杰
遼寧省能源研究所