生物質(zhì)壓縮成型燃料是生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化與利用的一個重要領(lǐng)域。它是將木質(zhì)類的木屑，樹葉、稻草等，在一定粒度和含水率的條件下，在50～200MPa高壓和150～300℃高溫下，或不加熱和不加粘結(jié)劑條件下，壓縮成棒狀、粒狀、塊狀及其它形狀，具有一定密實(shí)度的成型物。廣泛應(yīng)用于工業(yè)鍋爐、民用爐灶等場合，還可進(jìn)上步加工成型炭和活性炭。由于成型燃料具有相對密度大(約1.2)，便于貯存和運(yùn)輸，含水率低(8%以下)，含揮發(fā)物高(75%以上)，含灰分低(一般小于5%)，熱值高，著火容易，使用方便，燃燒完全，燃燒時幾乎不產(chǎn)生SO2，因此不會造成環(huán)境污染，故亦稱為“清潔燃料”，也可作為氣化爐的燃料。成型燃料堪稱一種理想能源，有著廣闊的市場開發(fā)前景。

國外生物質(zhì)壓縮成型燃料的開發(fā)工作始于20世紀(jì)40年代，1948年日本申報了利用木屑為原料生產(chǎn)棒狀成型燃料的第一個專利。50年代初期生產(chǎn)出了商品化的棒狀成型機(jī)，60年代成立了木質(zhì)成型燃料行業(yè)協(xié)會。70年代初，美國又研究開發(fā)了內(nèi)壓滾筒式粒狀成型機(jī)。亞洲除日本外，泰國、印度、菲律賓等國從80年代開始也都先后開展了生物質(zhì)致密成型機(jī)設(shè)備及成型工藝方面的研究。

我國從20世紀(jì)80年代起開始致力于生物質(zhì)致密成型技術(shù)的研究。中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所在“七五”期間承擔(dān)了生物質(zhì)致密成型機(jī)及生物質(zhì)成型理論的研究課題。于1990年研究開發(fā)成功棒狀成型燃料成型制造工藝設(shè)備系統(tǒng)。于1998年率先研究開發(fā)成功顆粒成型燃料熱成型制造工藝設(shè)備系統(tǒng)。

遼寧省能源研究所開展了生物質(zhì)固化成型技術(shù)中使用的壓縮成型機(jī)械及生物質(zhì)壓縮成型原理、壓縮成型主要影響因素、壓縮成型工藝等方面的研究工作。河南農(nóng)機(jī)研究所對環(huán)模生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)影響成型的各主要因素進(jìn)行了分析及試驗(yàn)研究，研究了不同生物質(zhì)原料、粒度、含水率、環(huán)模孔長徑比等因素與顆粒成型率及噸料電耗的關(guān)系，確定了生物質(zhì)顆粒燃料的最佳成型條件。浙江大學(xué)也開展了對切碎棉稈進(jìn)行高密度壓縮成型試驗(yàn)，研究了壓力、溫度和切碎棉稈粒度大小對成型塊松弛密度的影響。華東船舶工業(yè)學(xué)院也開展了生物質(zhì)固體燃料成型機(jī)研究工作，并申請了專利。

1棒狀成型燃料

1.1棒狀成型燃料成型機(jī)

成型機(jī)是生產(chǎn)成型燃料的關(guān)鍵設(shè)備，它的性能優(yōu)劣直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量的好壞和生產(chǎn)成本的高低，由于棒狀壓縮成型燃料在成型機(jī)中擠壓力很高(一般50一200MPa)，而這么高的擠壓力主要由成型物料與成型套筒之間的磨擦力所產(chǎn)生，因而套筒的磨損十分嚴(yán)重。另外，在成型過程中，為了維持正常操作，生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，減少磨擦力，延長套筒使用壽命，需要對套筒進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訙亍Ｒ虼耍瑢Τ尚吞淄驳牟馁|(zhì)要求十分苛刻，不僅要求材料具有很好的耐磨性，而且還要有良好的導(dǎo)熱性和可加工性，且價格低廉。進(jìn)口成型套筒

材料的化學(xué)成分除了Fe以外含C 3.15%，Si 2.589%，Ni 0.882%，P 0.037%，S 0.032%，Cr 0.602%(均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)。典型的3種國產(chǎn)套簡化學(xué)成分(除了Fe以外)見表1，材料物理性能見表2。3種套筒經(jīng)實(shí)際運(yùn)行，從耐磨性、傳熱、可切削性看，均達(dá)到要求，但1號和3號的價格較便宜，這種套筒使用壽命超過1000h。

棒狀成型機(jī)的另一易磨損的部件為螺旋擠壓桿(以下稱螺桿)。物料與套筒磨擦產(chǎn)生的高壓力，同時也對螺桿產(chǎn)生強(qiáng)烈的磨損作用，導(dǎo)致螺桿嚴(yán)重磨損，因而不僅要求螺桿具有足夠的強(qiáng)度和剛度，還需要有良好的耐磨性。在對比了螺桿的表面鍍層、螺桿熱處理、螺桿堆焊三種方案以后，本著降低成型燃料的生產(chǎn)成本，生產(chǎn)廠家能自行維修螺桿之目的，著重采用螺桿堆焊工藝，而螺桿本身用中強(qiáng)度鋼材加工，在螺桿前端采用高強(qiáng)度耐磨焊條，在適當(dāng)工藝條件下堆焊，最后加工成專用的螺桿。

單管成型機(jī)生產(chǎn)能力150—250kg/h，生產(chǎn)能力的波動，主要來自于不同原料，并受地區(qū)電壓的波動等諸因素的影響。

目前，我國連云港新現(xiàn)代能源設(shè)備廠、上海奇圣炭業(yè)有限公司等諸多廠家均生產(chǎn)棒狀成型機(jī)設(shè)備。

1.2棒狀成型燃料成型工藝

棒狀成型燃料典型的成型工藝流程為：把木屑或稻殼等原料送人振動篩中，篩去大于6mm的顆粒和其它雜物，通過料斗加入螺旋加料器，輸送到脈沖氣流干燥器，由引風(fēng)機(jī)引入熱風(fēng)爐的熱煙氣，將原料邊干燥邊輸送人高效旋風(fēng)分離器，氣體經(jīng)引風(fēng)機(jī)排空，而干燥原料則通過星形排料器進(jìn)入料倉，定量加入棒狀成型機(jī)，擠出的成型燃料按等長度(450mm)自動切割成短棒。

1.3影響棒狀成型燃料生產(chǎn)的因素

木質(zhì)原料在成型過程中，成型機(jī)的結(jié)構(gòu)，成型機(jī)套筒所用的材料和螺桿材料以及成型工藝是相關(guān)的。在確定了成型機(jī)構(gòu)和有關(guān)部件所用材料后，成型工藝成了主要的技術(shù)關(guān)鍵，加熱溫度、壓力、原料粒度和含水率為影響成型燃料生產(chǎn)的主要因素。

1.3.1加熱溫度和壓力由木質(zhì)素、半纖維素、纖維素組成了多種木質(zhì)原料，其中木質(zhì)素在加熱時可塑化，塑化時具有粘結(jié)性，將木質(zhì)原料中半纖維素、纖維素在壓力下粘結(jié)壓縮成成型燃料。不同種類的原料由于其木質(zhì)素、半纖維素、纖維素含量的不同，原料狀態(tài)不同，成型所需的溫度和壓力是有差異的。試驗(yàn)證明：溫度和壓力過高或過低均會導(dǎo)致成型的失敗。

溫度過低，投入熱量減少，不足以使木質(zhì)素塑化將原料成型，也不能使成型燃料表面熱分解收縮，并造成與套筒內(nèi)壁磨擦增大，加快套簡的磨損，增加成型機(jī)的功率消耗。溫度過高，則使成型燃料表面熱分解嚴(yán)重，出現(xiàn)裂紋，成型燃料強(qiáng)度下降，甚至不成型。壓力過低將不能使原料壓緊壓實(shí)，嚴(yán)重時不足以克服與套筒間的磨擦阻力，成型無法進(jìn)行。而壓力過高將使原料在套筒內(nèi)停留時間縮短，影響必要的熱量獲得，同樣不能成型。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)證明：成型壓力在120MPa左右，最佳成型溫度以140—180℃為宜。

1.3.2原料粒度和含水率棒狀成型燃料所用原料廣泛，不同原料有不同粒度。以木屑、稻殼、糠醛渣、刨花、稻草、花生殼、樹葉、葵花籽殼等8種不同粒度的原料為例，試驗(yàn)結(jié)果表明：木屑、稻殼、糠醛渣3種原料粒度合適，都可以直接成型，產(chǎn)品堅實(shí)，表面光滑，模截面規(guī)則。其它5種原料都必須經(jīng)粉碎，一般要求粒度在4～6mm以上不超過10%，仍可以生產(chǎn)合格產(chǎn)品。粒度過大時，會形成輸送困難，易架橋，從而無法成型。

不同種類的原料成型難易也有差別，對松木和杉木屑試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)：松木屑由于含非粘結(jié)的松節(jié)油等低揮發(fā)成分，成型時比較困難，而杉木屑由于木質(zhì)素含量較多，粘結(jié)性好，因此成型較容易。

對難以成型的松木屑或硬雜木屑，如摻人80%左右的稻殼，則成型操作穩(wěn)定，成型產(chǎn)品質(zhì)量好。原料含水率對成型過程以及產(chǎn)品質(zhì)量影響是很大的，所以必須嚴(yán)格控制成型時原料的含水率。

當(dāng)原料含水率過高時，加熱產(chǎn)生的蒸汽來不及從成型燃料中心孔排出，從而產(chǎn)生爆嗚，含水率太低，也會發(fā)生成型困難。試驗(yàn)表明：無論何種原料，如含水率大于15%，成型機(jī)操作不穩(wěn)定，產(chǎn)品表面嚴(yán)重開裂、強(qiáng)度大大下降。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，對稻殼、花生殼等原料，含水率控制在6%～12%范圍，對木屑、刨花、樹葉等原料，含水率應(yīng)控制在6%～10%范圍。

1.4棒狀成型燃料的性能

1.4.1不同原料成型燃料的熱值木屑、稻殼、稻草、樹葉、玉米秸稈、花生殼等原料制成棒狀成型燃料后的熱值和灰分含量測定結(jié)果見表3。

1.4.2棒狀成型燃料的吸濕性木質(zhì)成型燃料貯存時，會吸收空氣中的水分，產(chǎn)品含水率增加，表面開裂和膨松、產(chǎn)品質(zhì)量呈下降趨勢，這是因?yàn)樵显诔尚蜁r未添加任何粘結(jié)劑，產(chǎn)品有吸濕傾向。

研究表明，成型燃料直徑大小影響成型燃料吸濕性能，成型燃料直徑大，抗?jié)B水性時間較長，隨著成型直徑減小抗?jié)B水性時間減少，抗?jié)B水性能降低。為延長成型燃料貯存時間，改善吸濕狀況，試驗(yàn)表明，在木屑中摻人30%稻殼成型燃料，可提高抗吸濕性能，也可以在原料中添加抗?jié)竦恼辰Y(jié)劑或產(chǎn)品用塑料薄膜包裝。

1.5棒狀成型燃料的深加工利用

生物質(zhì)成型炭是將木質(zhì)棒狀成型材炭化而成，由于成型炭成分同傳統(tǒng)木炭完全相同，不含任何有害成分，清潔衛(wèi)生，可長期保存不會發(fā)生質(zhì)變，與傳統(tǒng)木炭具有同等強(qiáng)度和熱值，因此它是木炭產(chǎn)品的理想替代品。廣泛用于燒烤行業(yè)及以木炭為原料的化工行業(yè)。

1.5.1成型炭制造設(shè)備普通的木材炭化爐，所用原料為含水率15%～35%的塊狀木料，而生物質(zhì)成型材的含水率為5%～9%。由于兩者的含水率及本身強(qiáng)度上的巨大差異，決定了適合兩者的炭化爐結(jié)構(gòu)及炭化操作工藝具有顯著不同。針對生物質(zhì)成型材含水率低，強(qiáng)度比木塊差的特點(diǎn)，中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所研究開發(fā)了移動式成型炭制造設(shè)備，如圖1。

設(shè)備總體由普通型鋼支撐，呈箱形，長×寬×高：2000mm×1500mm×1500mm，內(nèi)層為耐火層，外層為厚度2mm碳鋼板，夾層為保溫層，在設(shè)備前端為一鋼門，以方便爐內(nèi)小車進(jìn)出，鋼門裝有2個空氣進(jìn)口，用以調(diào)節(jié)炭化室空氣分布。在設(shè)備的后部，設(shè)計有燃燒室，成型材進(jìn)行炭化時產(chǎn)生的可燃性氣體及焦油絕大部分在此燃燒干凈，然后進(jìn)入煙囪，煙囪高12000mm。煙囪下部有30mm開口，以方便收集炭化操作時產(chǎn)生的木焦油及木醋液。

1.5.2成型炭制造工藝以5種不同材質(zhì)(樺木屑、松木屑、杉木屑、稻殼、玉米秸稈)為原料，原料粒度小于5mm，經(jīng)壓縮成型為相對密度1.2左右的成型材，每根截成長度為220mm左右，整齊裝進(jìn)小車，送入炭化設(shè)備進(jìn)行炭化。從引火材著火起，大約1h左右，小車中的成型材被引燃，爐頂上部溫度在2h后開始上升，在13h以前，上溫緩慢上升，直至200℃左右，下溫在4h后開始緩慢上升，至30h左右，上、下溫度接近一致，表明爐中成型材炭化過程接近終點(diǎn)，此時將炭化爐所有進(jìn)氣閥門全開，煙囪排煙閥全開，爐中進(jìn)入大量空氣開始精煉過程，此過程延續(xù)約1h左右即可將小車中的成型材炭化料從爐中拉出，在密封罩中冷卻8h，即得到成型炭產(chǎn)品。

目前，棒狀成型燃料在我國生產(chǎn)應(yīng)用廣泛，浙江衢州現(xiàn)代炭業(yè)有限公司，黑龍江綏芬河鑫源炭業(yè)有限公司等均生產(chǎn)棒狀成型燃料。

2顆粒成型燃料

顆粒成型燃料，是以木屑、樹皮等農(nóng)林剩余物為原料，在高壓加熱條件下，壓縮成顆粒狀且質(zhì)地堅實(shí)的成型物，可作為工業(yè)鍋爐、民用爐灶、家庭取明爐以及農(nóng)業(yè)暖房的燃料。顆粒成型燃料與棒狀成型燃料相比，生產(chǎn)時其原料含水率可增大至24%，燃燒的適應(yīng)面更廣等特點(diǎn)。

2.1顆粒成型燃料制造設(shè)備

中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所與江蘇省溧陽正昌集團(tuán)合作，于1998年成功開發(fā)KYW32型內(nèi)壓滾動式顆粒成型機(jī)，它是由進(jìn)料、攪拌、成型、傳動系統(tǒng)等組成。操作時，將原料從料斗進(jìn)入進(jìn)料器，由無級調(diào)速電機(jī)調(diào)速，定量的原料進(jìn)入攪拌器與從蒸汽進(jìn)口進(jìn)入的蒸汽混合后，由下料槽進(jìn)入成型機(jī)的成型室壓制成顆粒成型燃料。

成型機(jī)的環(huán)模孔尺寸，參照日本、美國專利和根據(jù)實(shí)驗(yàn)室不同原料成型工藝要求，確定模孔尺寸為模孔中央直徑西6～10mm，入口角60°，模孔長度40mm。

2.2顆粒燃料成型工藝條件

原料在成型過程中，成型機(jī)結(jié)構(gòu)、模孔尺寸以及成型工藝條件是相關(guān)的。在確定了成型機(jī)結(jié)構(gòu)和模孔尺寸后，成型工藝成了技術(shù)關(guān)鍵。不同原料制造顆粒成型燃料的主要影響因素有成型壓力、溫度、原料粒度、含水率等。

由木質(zhì)素、半纖維素、纖維素組成的木屑等原料，粒度為0.1～2mm，其中木質(zhì)素在加熱下可塑化，具有粘結(jié)性，將原料中的半纖維素、纖維素在壓力下粘結(jié)成成型燃料，所以成型時應(yīng)有合適的溫度和壓力。為了達(dá)到合適的溫度，必須對原料(氣干、含水率在11%～12%)在攪拌器中進(jìn)行加熱增濕處理。蒸汽通人速率為10～22kg/h，可使常溫原料升溫到60～80，同時使原料含水率從11%～12%增濕至16%～22%。在此范圍內(nèi)，當(dāng)成型壓力為50～100MPa時，能連續(xù)穩(wěn)定制造顆粒成型燃料，生產(chǎn)能力為200kg/h左右，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到日本“全國燃料協(xié)會”公布的顆粒成型燃料標(biāo)準(zhǔn)的特級或一級。

2.3顆粒成型燃料的應(yīng)用

以木屑等原料制造的顆粒成型燃料，與煤、石油相比，幾乎不含硫，不會產(chǎn)生環(huán)境污染，使用方便。20世紀(jì)80年代日本有資料報道，燒成型燃料的費(fèi)用比燒油低30%～50%。在國外，顆粒成型燃料廣泛地作為工業(yè)鍋爐燃料，作為工廠、學(xué)校、醫(yī)院、家庭取暖燃料。

目前，我國有北京盛昌綠能科技有限公司，山東濱州生物質(zhì)燃料有限公司等廠家生產(chǎn)顆粒成型燃料。我國南京平亞科技實(shí)業(yè)公司開發(fā)生產(chǎn)了一種家用取暖爐，具有操作方便、美觀大方、清潔衛(wèi)生、安全可靠等一系列優(yōu)點(diǎn)，操作費(fèi)用遠(yuǎn)低于空調(diào)取暖。以150m房間為例，一個冬季僅需0.5～1.0t成型燃料，經(jīng)測算，空調(diào)器耗電近3kWh產(chǎn)生的有效熱量，才相當(dāng)于1kg成型燃料產(chǎn)生的有效熱量，用電取暖的操作費(fèi)用高出成型燃料取暖的2倍左右。

3結(jié)論

生物質(zhì)壓縮成型燃料由于具有較高的壓縮比，極大地方便生物質(zhì)資源的運(yùn)輸和儲存，同時改善了生物質(zhì)原料的燃燒性能，提高了生物質(zhì)資源的利用效率。作為一種可再生的清潔能源，有著廣闊的發(fā)展前景。目前，我國采用的生物質(zhì)固化成型燃料的形狀主要有棒狀、塊狀和顆粒狀。這幾種形狀燃料的加工方法均為傳統(tǒng)生產(chǎn)方法，普遍存在著設(shè)備能耗過高、磨損嚴(yán)重和使用壽命短等問題。以生產(chǎn)顆粒狀燃料方法為例，它與現(xiàn)有的生產(chǎn)顆粒狀飼料的方法相似，即原料從設(shè)備環(huán)模內(nèi)部加入，經(jīng)壓輥碾壓擠出環(huán)模而成顆粒狀。

該工藝流程需要消耗大量能量，首先是顆粒壓制成型過程中，壓強(qiáng)達(dá)到50～100MPa，原料在高壓下發(fā)生變形、升溫，溫度可達(dá)100～120℃，電動機(jī)的驅(qū)動需要消耗大量的電能;其次是原料的含水率要求在12%左右，為了達(dá)到這個含水率，很多原料要烘干以后才能用于制粒，這些工藝流程均需消耗大量能量。

要解決上述問題，可通過下列途徑：一是加大科研投入，積極研發(fā)新工藝和新設(shè)備，降低能耗，減少生產(chǎn)成本;二是引進(jìn)國外先進(jìn)設(shè)備，消化吸收，形成產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn);三是政府扶持，對研制開發(fā)單位和新型生物質(zhì)能用戶進(jìn)行補(bǔ)貼，降低產(chǎn)品使用成本。