生物质成型燃料技术的现状与前景分析.pdf

鞭 赫 静 裙 张 稚 旗 l。舛 节 能 减 排鍪 鎏 生物质成型燃料技术l l a 1i i：与前景分析 李保谦 牛振华 张百 良(河南农业大学，河南 郑州，4 5 0 0 0 2)摘要：随着经济的高速发展，能源的消耗也随之增加，能源短缺已经严重影响了世界经济乃至人类的发展，发展新 能源已经迫在眉睫。生物质成型燃料作为生物质能源的一种，具有原料来源广泛、可以再生、比煤炭清洁等 优点。虽然国内目前的利用率较低，但是最近几年成型燃料技术得到了快速发展，关键技术和配套设备已基 本解决，国家政策对 可再生能源的循环利用提供 了 良好 的开发环 境。在未来几年里，生物质成型燃料 的生产 和利用将会在 国内广大农村和城镇迅速展开，应用前 景十分广阔。关键词：生物质；成型燃料技术；现状与前景 1 生物质成型燃料技 术的研究现状 1 1 能源短 缺与过分依赖 矿物燃料 带来 了严重 的环 境 污染 随着经济的快速发展，矿物能源的消耗量逐年增 加，2 0 0 1 年我 国CO，排放量达到 3 0 亿t，占全球排放量 的 1 3，居世界第二位。我国环境污染问题 日趋严重。1 2生物质资源丰 富，目前利用率很低，浪费 严重 我国生物质(秸秆、林木残余物等)有机物资源总 量达9 亿多吨。生物质能源具有清洁、可以再生、含S 很低、CO，零排放、分布广的特点。由于生物质成型燃 料设备的稳定性和可靠性较低、加工成本偏高。目前对 生物质的利用率仍然很低，荒烧现象屡禁不止，浪费严 重。1 3国外生物质成型燃料技术的研究现状 美 国秸秆利 用主要是 打捆技 术，用途不是 作燃料，而是饲料或其他工业的原料。欧洲国家主要把生物质用 作燃料和发 电，替代油和煤，加工设备、锅炉、热风 炉、发电设备等都已产业化、规模化。日本、美国及欧 洲一些国家生物质成型燃料的燃烧设备已经定型，且已 产业化，在加热、供暖、干燥、发电等领域已普遍推广 应用 2 o 目前 国外生物质成 型方式有4 种，即环模 和平模式、螺旋挤压、机械活塞及液压活塞式。螺旋挤压成型研制 最早，在印度、泰国、马来西亚等东南亚国家和我 国一 直 占据着主导地位。1 4国内生物质成型燃料技术研究现状 中国从2 0 世纪8 0 年代引进螺旋式生物质成型机。1 9 9 0 年以后，陕西武功、河南巩义、湖南农村能源办等单 位先后研制和生产了几种不同规格的生物质成型机和碳化 机组。2 O 世纪9 0 年代，河南农业大学、中国农机能源动力 所分别研究出P Bl 型机械冲压式、HP B 系列液压驱动式 和CY J 机械冲压式成型机。2 1 世纪以来，生物质颗粒成型 技术发展 日趋成熟。江苏正 昌公司、吉林省华光所、河南省 科学院能源所、河南德润等国内几十家企业在颗粒饲料机 的基础上先后研究出了多种类型的环模、平模颗粒成型机。同时开发了配套的生物质专用锅炉和生活用炉。2 生物质 成型燃 料的关键技术 2 1 原 料收集 是 制约成 型燃料 技术 发展 的技 术瓶颈(收、运、储)中国生物质原料在收集方面与国外不同。管理制度不 同、地块 小而分散，收集机 械化水平低，打 捆和定 向收集 没有提到日程，收集是难点。没有充足的原料，生物质成 型燃料技术就不可能迅速发展。原料的收集是制约成型燃 料技术发展的技术瓶颈。2 2生物质原料自身的多样性及复杂性 生物质原料的种类繁多，其木质素、纤维素、果胶质 等成分含量有较大差别。生物质原料的力传导性很差，反 弹性很强，被压缩成型的条件也有很大差异。生物质原料 由低密度压缩成高密度的原料喂料问题，原料的含水量随 原料种类、地域、季节及气候不同变化问题，所以原料水 分 问题成 为制约热压成型的一大难题。2 3成 型燃料设备工作环境的恶劣性 生物质原料在收集过程 中携带的许多粉尘、泥土砂 粒，不仅会加剧成型部件的磨损，还会造成成型设备润滑 系统的污染，影响设备的使用寿命和稳定运行。所以提高 成型部件 的使用寿命是成 型技术 的又一难题。2 4成型燃料燃烧过程中的结渣与玷污倾向 生物质原料 中含有较 多的钾、钙、铁、硅、铝等成 分，在高温下极易燃烧沉灰，易于在传热壁面形成结渣和 沉积，直接影响热量的传导和炉具的热利用率。2 5成型燃料燃烧过程中低温条件下的焦油析出问题 间断燃烧是农村生活用能的主要特点，生物质炉具的 封火性能要好，并且由于封火后炉内温度降低，高挥发分 新能源产业 3 1 _ 节 能 减 排I 藏 携 静 辫 爹 锚 嚣 i 舔 勰 含量的秸秆会有大量焦油析出，在短期内使烟囱、炉口等 部位堵塞。3 生物质成型燃料成型工艺与设备 3 1生物质秸秆成型燃料循环利用技术(1】工艺流程 生物质原料的收集一干燥一粉碎一成型一燃烧(如图 1 所 示)。图1秸秆收集、干燥、粉碎、成型、燃烧循 环流程(2)流程设备 流程所用设备包括收集设备、烘干设备、粉碎设 备、成型设备、生物质专用燃烧炉、各种生活用炉及 燃 烧器。其 中成型 机是 关键 设 备，根 据成 型 方式 的不 同，生物质成型机可分为螺旋挤压成型、模压【平模及 环模)成型、活塞冲压(机 械及液压)成 型和压块成型 O 3 2 H P B 系列生物质秸秆液压成 型机 河南农业大学 1 9 9 8 年开始研 制液压活塞式HP B 系列 成型机及专用燃烧炉；2 0 0 0 年得到国家科技部的资金转 化支持；2 0 0 1 年向企业转让了技术；2 0 0 3 年河南省财 政厅进行 了试点示范；2 0 0 4 年后在国 内北京、新疆、吉 林、辽宁、江苏、山东、郑州农业高技术园区等地进行 了推广应用，对成型燃料在小型锅炉、温室塑料大棚供 热、农户生活用炉等方面进行了试验研究 I 4】。试验结 果证明，秸秆成型燃料是一种燃烧特性优于普通燃煤、价格低于煤、燃烧尾气污染成分少于煤的可再生优质燃 料。中央7 套“科技苑”和“每日农经”栏 目及国内部 分报刊先后进行了专题报导。目前技术已转让给4 家企 业，共开发 了5 代HP B 系列 生物质秸秆 液压成 型机，第5 代产 品市场运行 良好。表1不 同类型成型机 主要技 术I生能 型 号 螺 旋式 P B I H P B I H P B I I I 国外 国内 机械活塞式 液压活塞式 液压活塞式 装机 功率 k W l 5 5 l 2 1 7 5 1 8 5 1 8 5 生产 率 k g h 1 5 5 l 2 0 6 0 1 0 0 1 0 O 2 0 O 3 O 0 5 0 0 比装机功率 k W h k g O 1 0 3 O 1 0 1 0 1 2 5 0 0 7 5 0 1 8 5 0 0 9 2 5 0 0 6 2 0 0 3 7 维修周期 h 6 0 8 0 5 O 2 0 0 5 O O 1 5 0 0 能耗 k W h t 1 2 5 1 2 0 6 5 7 5 7 1 6 0 允许原料含水率 l 2 1 2 1 2 1 7 9 0 8 5 1 1 O 7 0 8 0 综合效益 差 较差 好 好 较好 图2 HP B V生物质秸秆液压成型机 图3 HP B V型生产出来的成型燃料 32 wl e h o me g o v c n 辩 稚 撕 裙 i躲 节 能 减 排 麓 图4 配套炉具 3 3 生物质成型 燃料特征及 用途 原料丰富，农林废弃物、各类作物秸秆等；纤维素 含量高，7 0 左右；S 含量大大低于煤；燃料密度大，0 81 3，便于贮存和运输；产 品形状规格多，颗粒、棒、块状等，利用范围广；热值与中质煤相 当，燃烧速 度 比煤快 1 1 以上，燃烧 充分、黑烟少、灰分低、环保 卫生，可高品位利用；可形成产业，经济和社会环保效 益 明显。可取代煤作为生物质专用燃炉、锅炉、壁炉、茶水 炉、发电炉及农村生活用炉的燃料，能有效地解决农村 荒 烧秸 秆、缓 解 部 分 地 区能 源 短 缺 问题，保 护大 气 环 境，具有 良好的产 业前景。4 生 物质成型燃料 技术的发展 前景(1)生物质秸秆从 田间收集一干燥一粉碎一成型一 燃烧 所需设备必须配套，才能在农村、城镇 推广应用 _b】。收集环节是瓶颈，必须配套发展生物质秸秆收集设备。(2)生物质秸秆资源量大充足，覆盖面广，价格 低，可以再生。农艺专家已提出秸秆应适量还田，不能连 年全部还田，饲料化处理量有限，多数地区都采取 了禁烧 秸秆措施，为成型燃料技术的发展提供了原料保证。(3)我 国城市 燃煤污染严重，大 中城市 已取 缔2 t 以 下燃煤锅炉，急于寻求清洁的替代能源，改燃天然气或 电，成本较 高，而天 然气、石油短缺，大 量依赖进 口，已影响国家能源安全_ 6 】。这给生物质成型燃料技术的发 展带来 了“机遇”。(4)据预测，地下石油、天然气及煤的贮量，按 目 前的利用速度只够用6 0 年左右。按F AO2 0 0 0 年的最新报 道，2 0 5 0 年前后，生物质发电及高品位能源利用要占 4 0。可见，生物质成型后作燃料，是未来国际可再生能 源 的发展 方向。(5)国家 已制定 了生物 质能源 中长期发 展 目标：在 生物质成型燃料的利用方面由目前的不足5 0 万吨 年，提 高2 0 2 0 年的2 0 0 0 万吨 年。这给生物质成型燃料技术的 应 用找到 了“市 场”。(6)国家先后 出台了很多生物质能源利用的相关法 律法规，一些地区已把生物质成型燃料设备列入了农机补 贴 目录。可再生能源法 2 0 0 6 年1 月1 日已正式实施。2 0 0 9 年农业部将颁布实施生物质成型燃料与成型设备技术 条件、试验方法的标准。生物质成型设备和成型燃料的加 工和生产将更加规 范。(7)生 物质成 型燃料 燃烧后 的灰尘及 排放指 标 比煤 低，可实现CO，、S O，降排，减少温室效应，有效地保护 生态环境。生物质成型燃料进入规模化生产后，不仅环保 效益明显，而且还可安排农民就业，增加收入，经济和社 会效益显著。(8)从成型设备分析，成型燃料设备操作简单，使 用方便，适合农村使用。粉碎机、成型机的加工工艺并不 复杂，液压式成型机易损件的使用寿命已达1 O 0 0 h 以上，粉碎与成型单位产品能耗可降至6 O k Wh t。生物质成型燃 料的生产放在农村，成型燃料炉的使用可设在中、小城镇 或农村，这样秸秆从粉碎、成型到燃烧即可形成产业化。(9)生物质 专用燃烧 炉及锅 炉 已基本成 熟。设计 的 小型生物质燃烧炉(生活和取暖)已在农村应用，燃烧效 果好，封火 时间达1 22 4 h。(1 0)通过前几年的试点示范，已取得了生物质成型 燃料规模化生产的一些经验，探索了多种规模化生产示范 模式和管理模式。生物质成型燃料设备的稳定性、可靠性 及主要性能指标 都有较大提 高。作 者：李保谦 教授，博士生导师，河南农业大学机电工程学院，郑州市文化路9 5 号，E-m a i l：n j 2 8 0 1 6 3 C O rn 新能源产业 3 3