0、前言
秸稈成型燃料(straw densification briquettingfIIeLSDBF)是生物質(zhì)經(jīng)脫水、粉碎、成型等程序，制備成的致密固體生物質(zhì)燃料。生物質(zhì)從生長到成型燃料燃燒的整個(gè)循環(huán)中，可以實(shí)現(xiàn)C02零排放，并且具有可再生和燃燒效率高的優(yōu)點(diǎn)，是一種清潔無污染的優(yōu)質(zhì)代煤燃料。
中國每年的秸稈產(chǎn)量有6億t左右，扣除工業(yè)、秸稈還田、飼料、及農(nóng)民生活散燒所消耗的部分，還有2.5億t左右的秸稈可用于生產(chǎn)SDBF。如果用來替代2億農(nóng)戶的生活用煤，可直接和間接地少向大氣排放C02 4.2億t、S02120萬t和煙塵300萬t。不僅節(jié)約能源，而且減少了環(huán)境的污染。
三門峽富通新能源銷售
顆粒機(jī)、
秸稈壓塊機(jī)、飼料顆粒機(jī)等機(jī)械設(shè)備。
1、SDBF的特點(diǎn)及成型機(jī)理
1.1 SDBF的特點(diǎn)
SDBF含70%左右的纖維素、10%～17%的木質(zhì)素、0.08%～0.3%的s、1%左右的堿金屬、0.2%～O，8%的Si。因成型方式不同，密度在0.8～1.3 g/cm3范圍內(nèi)；重量熱值約為普通煙煤的75%，燃燒比較完全，燃燒后灰渣中殘?zhí)己績H為1%左右，而煤灰渣中殘?zhí)家话阍?5%～20%。因此，1t的SDBF可替代1t煤。溫度在325℃以上時(shí)，紆維素開始揮發(fā)分解，使得SDBF的燃燒速度比煤快10%以上，因此，燃燒爐設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致燃燒過程中產(chǎn)生黑煙。另外，SDBF在燃燒過程中易結(jié)渣、發(fā)生灰沉積和腐蝕爐膛，這些缺點(diǎn)限制了SDBF的推廣應(yīng)用。
1.2SDBF成型機(jī)理
生物質(zhì)秸稈的主要成分是纖維素和木質(zhì)素，木質(zhì)素屬于非晶體，沒有固定的熔點(diǎn)，在110℃左右會(huì)軟化，160℃左右出現(xiàn)熔融態(tài)，此時(shí)給松散生物質(zhì)秸稈一定的壓力就能使木質(zhì)素與纖維素緊密粘接并與相鄰顆粒互相膠合，經(jīng)過保型、冷卻后即可固化成型。因此，采用加熱擠壓法成型木屑或農(nóng)作物秸稈燃料時(shí)不需要任何添加劑和粘接劑，加工成本低，符合環(huán)保的要求。
成型有熱壓和冷壓兩種形式。熱壓成型著力于減小
磨損，消耗的是外部熱源的熱能；冷壓成型是利用秸稈與設(shè)備的高速相對運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磨擦熱來完成壓縮成型，它消耗的是動(dòng)力，因此，冷壓成型一般需要較大動(dòng)力，磨損修復(fù)費(fèi)用比熱壓成型高很多倍。表1給出了SDBF成型的參數(shù)。
2、國內(nèi)外成型技術(shù)狀況
2.1 國外成型技術(shù)發(fā)展
早在20世紀(jì)30年代，日本、西德等國就開始研究成型技術(shù)。20世紀(jì)70年代以來，隨著全球性石油危機(jī)的沖擊和環(huán)保意識的提高，世界各國越來越重視開發(fā)和高效轉(zhuǎn)換生物質(zhì)能。美國20世紀(jì)末已在25個(gè)州興建了日產(chǎn)量為250～300 t的樹皮成型燃料加工廠，進(jìn)行工廠化生產(chǎn)。西歐國家先后研制生產(chǎn)了沖壓式成型機(jī)、顆粒成型機(jī)，意大利、加拿大、丹麥、法國、德國、瑞典、瑞士、比利時(shí)等國相繼建成生物質(zhì)顆粒燃料成型生產(chǎn)廠家30多個(gè)，機(jī)械驅(qū)動(dòng)活塞式成型燃料生產(chǎn)廠家40多個(gè)，成型設(shè)備及成型燃料進(jìn)入了商業(yè)化運(yùn)作階段。20世紀(jì)80年代初，顆粒成型技術(shù)獲得突破，東南亞國家的生物質(zhì)成型燃料行業(yè)發(fā)展迅速，泰國、印度、越南、菲律賓等國都先后建成了多家生物質(zhì)固化、碳化專業(yè)生產(chǎn)廠。1995年前后，瑞典、丹麥、奧地利等國大力推進(jìn)SDBF的產(chǎn)業(yè)化，民用鍋爐、工業(yè)鍋爐及小型熱電廠開始使用SDBF，并實(shí)現(xiàn)了各自的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，開始向國外出口生物質(zhì)成型技術(shù)和設(shè)備。
2.2國內(nèi)成型技術(shù)發(fā)展
中國從20世紀(jì)80年代開始引進(jìn)螺旋推進(jìn)式秸稈成型機(jī)，也開始了生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)的研究。1990年后，機(jī)械螺桿式、柱塞式成型技術(shù)得到發(fā)展，20世紀(jì)90年代期間，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制成功了HPB系列液壓驅(qū)動(dòng)柱塞式成型機(jī)（大棒型）。目前，國內(nèi)主要設(shè)備類型有：機(jī)械螺桿推進(jìn)式、液壓雙缸沖壓式、環(huán)模擠壓式、平模擠壓式。近幾年，河南、遼寧、安徽、山東、河北等地開始將成型設(shè)備進(jìn)行示范推廣。在各省都有多家設(shè)備生產(chǎn)、燃料加工、配套燃燒爐及營銷企業(yè)投入運(yùn)營，政府的環(huán)保、能源主管部門也開始給予支持和幫助。SDBF產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出企業(yè)積極參與，國家導(dǎo)向逐步加強(qiáng)的特點(diǎn)，但存在著企業(yè)牛產(chǎn)規(guī)模小、盲目上馬等問題，中國現(xiàn)有不同生產(chǎn)規(guī)模的企業(yè)30多個(gè)，但全年生產(chǎn)SDBF總量僅有10多萬t。究其原因，主要是對秸稈類的生物質(zhì)物化特性了解較少，輕視了SDBF的產(chǎn)業(yè)化難度，忽視了SDBF產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中的幾個(gè)關(guān)鍵問題。
3、影響SDBF技術(shù)推廣的幾個(gè)瓶頸問題 ‘
秸稈收集問題、秸稈儲存問題、顆粒燃料加工中設(shè)備快速磨損問題、以及燃爐沉積腐蝕問題是影響SDBF技術(shù)推廣的幾個(gè)瓶頸問題，國外對于這4個(gè)問題已進(jìn)行了20多年的研究。目前，秸稈收集問題已隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的高度發(fā)展得以較好地解決，但在規(guī)模化生產(chǎn)中，秸稈儲存問題還沒有徹底解決。顆粒燃料加工中設(shè)備快速磨損問題仍然是推廣應(yīng)用的障礙，發(fā)達(dá)國家采用批量換件的辦法雖然可以克服磨損對生產(chǎn)的影響，但維修成本過高。對于燃爐沉積腐蝕問題，國外也還處于研究階段，除了采用機(jī)械辦法清理外，目前還沒有突破性進(jìn)展。
3.1 資源及原料收集、儲運(yùn)問題
3.1.1資源問題
目前中國秸稈的年產(chǎn)量根據(jù)糧食產(chǎn)量與谷草比兩個(gè)參數(shù)計(jì)算為6.02億t。從事能源戰(zhàn)略研究的學(xué)者們都以此為根據(jù)推算每年全國可生產(chǎn)纖維酒精、生物柴油、成型燃料、秸稈沼氣量，卻沒有對秸稈實(shí)際可用量做研究。資源的不穩(wěn)定性，往往使原料價(jià)格波動(dòng)、成本上升并導(dǎo)致生產(chǎn)停頓，所以對資源要有較為準(zhǔn)確的計(jì)算。事實(shí)上，可用于轉(zhuǎn)化能源的秸稈資源遠(yuǎn)低于秸稈產(chǎn)量。這是因?yàn)椋孩僦貜?fù)計(jì)算，都假設(shè)不生產(chǎn)其它生物能源，僅生產(chǎn)自己筆下的一種生物能源；②忽略計(jì)算，把6億t全部作為能源資源計(jì)算，忽略了全國每年實(shí)際消耗于工業(yè)的0.5億t、飼料1.5億t、還田1.2億t、農(nóng)民生活散燒和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)消耗的約1.3億t，這樣每年剩余秸稈最多不過是2億多t；③未考慮收集系數(shù)，不同收獲方式有不同的收集系數(shù)，例如玉米機(jī)收系數(shù)為0.8—0.85，小麥機(jī)收系數(shù)0.75～0.8，手工收割系數(shù)為0.85～0.9。
3.1.2原料的收集、儲運(yùn)問題
中國秸稈等牛物質(zhì)資源具有分散性特點(diǎn)，6億多t秸稈分布在1億hm2十地上，而非集中產(chǎn)生的格局，因此，對于秸稈收集難度要予以充分考慮。中國農(nóng)村地區(qū)實(shí)行土地承包責(zé)任制，收集運(yùn)輸以人力為主，與國外的機(jī)械化集中生產(chǎn)相比，在效率上存在較大差距和矛盾。因此，原料收集是生物質(zhì)成型燃料推廣的第一個(gè)瓶頸。目前中國原料收集的3種主要方式如表2所示。
原料的收集半徑隨投資規(guī)模和生產(chǎn)能力增加而增大。由圖1可以看出，收集半徑小于最佳收集半徑時(shí)，總計(jì)算費(fèi)用隨半徑減小迅速增加；人于最佳收集半徑時(shí)，總計(jì)算費(fèi)用隨著收集半徑的增加呈線性增加。收集費(fèi)用的升高會(huì)使得總牛產(chǎn)成本上升，當(dāng)其價(jià)格高于煤時(shí)，成型燃料就失去了市場優(yōu)勢。所以，不同企業(yè)應(yīng)根據(jù)自身的情況確定最佳收集半徑以獲得較好的盈利水平。表3是一家發(fā)電公司的案例。
由表3可看出，秸稈原料的數(shù)量和價(jià)格已成為企業(yè)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的瓶頸因素。此外，季節(jié)、占地、防火等也是不可忽視的問題。該企業(yè)因立項(xiàng)設(shè)計(jì)時(shí)對上述因素重視不夠、估算粗略，導(dǎo)致現(xiàn)在雖擁有齊備的場房設(shè)備，至今不能正常運(yùn)行。
3.2 SDBF加工機(jī)械的快速磨損問題
現(xiàn)在采用的螺桿式和環(huán)模式成型機(jī)是依靠傳動(dòng)部件與秸稈之間的高速相對運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)壓縮，壓縮過程中磨擦產(chǎn)生的熱將纖維、木質(zhì)素軟化的同時(shí)，旋轉(zhuǎn)部件產(chǎn)生的擠壓力把秸稈推入成型模，從而完成成型。生物質(zhì)秸稈內(nèi)Si、Ca、Cr等元素含量較高，秸稈收集過程中還會(huì)帶入許多泥沙( Si02)，這些元素的存在會(huì)加劇加工機(jī)械的磨損。
對于螺桿式成型機(jī)，由于螺桿與物料始終處于高速摩擦狀態(tài)，導(dǎo)致壓縮區(qū)（高溫、高壓）螺紋的磨損非常嚴(yán)重。目前國內(nèi)外的工藝技術(shù)條件尚不能從根本上解決螺桿磨損問題。螺桿的平均修復(fù)期僅為60h左右，但因一次性投入較低，該技術(shù)目前還有不少國家在應(yīng)用。解決的方法是規(guī)模化生產(chǎn)，批量換件維修。
環(huán)模成型設(shè)備同樣存在快速磨損問題。其滾輪在環(huán)模內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)過程中與喂入環(huán)模內(nèi)的秸稈摩擦生熱，溫度可達(dá)200℃以上，同時(shí)滾輪運(yùn)動(dòng)的分力擠壓秸稈進(jìn)入成型孔成型。在這樣的條件下，滾輪和成型孔磨損很快。國內(nèi)外的同類設(shè)備平均修復(fù)周期在1000 h左右，維修費(fèi)用（取決于環(huán)模直徑）1～4萬元。德國某廠環(huán)模成型機(jī)的環(huán)模，每運(yùn)行3個(gè)月需要維修一次，一臺環(huán)模總成可維修10次，每次耗資4500歐元。螺桿維修周期過短，環(huán)模成型設(shè)備的修復(fù)成本過高，導(dǎo)致了成型燃料價(jià)格過高，歐洲平均賣價(jià)170～200歐元／t，阻礙了SDBF的推廣。國內(nèi)、外有兩條解決快速磨損的措施，一是從環(huán)模金屬材料和熱處理入手，改變金屬耐磨性能，二是從磨具結(jié)構(gòu)入手，改變成型小孔與滾輪切線的角度，增加推入力，減少擠壓力。
3.3燃燒結(jié)渣和沉積腐蝕問題
在評價(jià)可再生能源資源時(shí)，往往過多地看重它的優(yōu)點(diǎn)，而對它長期以來為什么未被大量開發(fā)及它自身有哪些值得注意的問題研究不夠。SDBF也是如此，常常忽視了它在燃燒過程中的物化反應(yīng)對爐膛受熱面的不良影響。飛灰沉積腐蝕就是其不良反應(yīng)的一種，正是這種影響形成了SDBF規(guī)模化應(yīng)用中又一致命的瓶頸障礙。
3.3.1沉積結(jié)渣問題
所謂沉積，是指生物質(zhì)在燃燒過程中形成的受熱面結(jié)渣和灰分積聚現(xiàn)象。其機(jī)理是，燃燒過程中生物質(zhì)中的易揮發(fā)的堿金屬鹽在700℃左右的高溫下進(jìn)入燃爐爐膛的氣相，這種揮發(fā)性灰分和其它細(xì)小顆粒一部分會(huì)在冷凝面上凝結(jié)，我們稱其為初始沉積層。隨著溫度升高，表面會(huì)出現(xiàn)熔融粘結(jié)面，煙氣中較大的顆粒在流體推動(dòng)下，一部分會(huì)撞擊到初始沉積面上形成新的沉積層，時(shí)間越長沉積層越厚，本身溫度越易升高，顆粒間粘結(jié)更緊密。這樣多次的積聚，就使沉積層日漸加厚，有的厚度會(huì)超過10 cm。飛灰沉積導(dǎo)致鍋爐導(dǎo)熱面的導(dǎo)熱性逐漸變差，熱利用效率降低，排煙溫度升高，沉積速度加快，直至被迫停爐。當(dāng)爐膛溫度高于780℃時(shí)，這些沉積物就形成玻璃狀的渣（復(fù)雜混合物），嚴(yán)重結(jié)渣導(dǎo)致鍋爐不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。一般大型生物質(zhì)鍋爐每10～12個(gè)月要停一次爐，進(jìn)行一周左右的清理。
3.3.2腐蝕問題
秸稈中含有1%以上的鉀及其他金屬元素，氯含量達(dá)0.2%～3%。氯元素的高含量是生物質(zhì)秸稈不同于煤及其它礦物質(zhì)燃料的最顯著的特點(diǎn)。生物質(zhì)燃燒爐中，氯氣及各種形態(tài)的氯化物對冷卻管腐蝕作用最大。生物質(zhì)的燃燒使?fàn)t膛內(nèi)呈現(xiàn)氧化性氣氛，這時(shí)的金屬冷卻管表面會(huì)形成一層密集的氧化保護(hù)膜，防止金屬被腐蝕。而HCI和Cl2具有穿透氧化保護(hù)膜的能力，與鐵反應(yīng)形成鐵的氯化物。由于爐膛內(nèi)溫度較高，氧化性氣氛強(qiáng)，很快氯化鐵就會(huì)被氧化成鐵的氧化物，這樣，積聚時(shí)間久了就會(huì)形成較厚的氧化鐵剝落層。
當(dāng)爐膛中存在S02、S03氣體時(shí)，沉積層中鐵的氯化物就會(huì)有與煙氣中的so。反應(yīng)并生成（亞）硫酸鐵而放出Cl2的可能，氯氣就會(huì)重復(fù)氣態(tài)腐蝕機(jī)理，不斷地對金屬管進(jìn)行腐蝕。除上述腐蝕外，堿金屬氯化物還會(huì)與受熱管道表面的金屬或金屬氧化物反應(yīng)形成低熔點(diǎn)共晶化合物。如：KCI、CrCl2和FeCI2反應(yīng)形成共晶化合物，這種共晶體熔點(diǎn)僅有350～450℃，這將使結(jié)渣問題更為突出。因爐膛氣氛十分復(fù)雜，而且不同秸稈中成分差別較大，因此，沉積和腐蝕的嚴(yán)重程度不同。但不論哪一種原料，任何形狀的爐子，都存在沉積和腐蝕。國內(nèi)外的實(shí)踐已證明，由此帶來的腐蝕后果具有破壞性，會(huì)嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)。
3.4秸稈脫水問題
收獲后的秸稈含水率一般在46%以上，而SDBF加工允許原料含水率為16%以下，SDBF的安全儲存含水率在12%以內(nèi)。如果用人工烘干的辦法，將It秸稈的含水率從60%降到16%，至少要消耗150 kg原煤，這種能源和經(jīng)費(fèi)的投入是阻礙企業(yè)進(jìn)行規(guī)模化建設(shè)的主要原因。秸稈堆積密度僅有0.2，因此，存儲秸稈需占用大量土地。所以秸稈原料的脫水和儲存是加工遇到的最難解決的問題之一。
目前解決該問題的辦法有兩種：一是只收玉米棒不收稈，讓秸稈在地里接受風(fēng)吹日曬，自然脫水，提高枯萎度，降低氯含量。二是提高機(jī)械化程度，把機(jī)械收獲粉碎和農(nóng)戶分散儲存、自然脫水結(jié)合起來。
4、結(jié)論與建議
1) SDBF是一種優(yōu)質(zhì)的代煤生物固體燃料，直面“三農(nóng)”，具有良好的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。從系統(tǒng)效率考慮，It的SDBF可替代It中質(zhì)煤，S02、C02、NO。等排放都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于煤，同時(shí)還能為每戶農(nóng)民增收節(jié)支幾百元。對國家來說，這是一種再生能源，不需要挖井開礦，不需要處理固體和氣體垃圾，還省去了“禁燒”投入的人力財(cái)力等，無疑是解決農(nóng)村能源問題的一個(gè)途徑。
SDBF不適合用于大規(guī)模直接燃燒的蒸汽鍋爐和發(fā)電鍋爐，但更適合做農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)2t以下的取暖爐、熱風(fēng)爐、熱水爐及家庭生活用爐的代煤燃料，做到就地利用。一方面可以將收集半徑控制在4 km以內(nèi)，資源和運(yùn)輸問題比較容易解決。另一方面，由于生產(chǎn)規(guī)模不大，可用液壓式成型機(jī)替代高磨損的螺旋式和環(huán)模式成型設(shè)備，緩解快速磨損問題，同時(shí)，小型鍋爐的爐膛溫度容易控制在800℃左右，不易結(jié)渣，便于清除沉積。
2)國家應(yīng)以農(nóng)村基本建設(shè)投資方式來建設(shè)部分替代能源基地，對秸稈資源的收集、加工實(shí)施一村一站的《村級SDBF生產(chǎn)基地建設(shè)工程》。按每村400戶計(jì)算，全國大約有50萬個(gè)村，如以三分之一的村莊配備SDBF生產(chǎn)線計(jì)算（即15萬個(gè)村），每條線年產(chǎn)1000t的SDBF，全國每年可生產(chǎn)1.5億t的SDBF。若每村投入30萬元，共需投入450億元，規(guī)劃5年完成，每年需投入90億元。實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)后，每年可替代中質(zhì)煤1.5億t，價(jià)值460億元，農(nóng)民受益180億元。
3)四個(gè)瓶頸問題中：秸稈收集、儲運(yùn)問題的根本解決方法是秸稈收獲機(jī)械化，世界上凡是已實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)機(jī)械化的國家，秸稈成型加工水平都比較高，該問題已得到解決。中國目前小麥?zhǔn)斋@基本機(jī)械化，但沒有解決打捆成型問題，水稻、棉花、玉米的收獲機(jī)械化水平不到30%，更沒有相應(yīng)的配套打捆成型技術(shù)。因此，目前中國適宜在農(nóng)村范圍內(nèi)采用“就地加工，農(nóng)用為主”的方針發(fā)展SDBF產(chǎn)業(yè)，小宜實(shí)施大規(guī)模SDBF生產(chǎn)計(jì)劃。在SDBF加工設(shè)備的快速磨損問題上，調(diào)整設(shè)計(jì)思路是關(guān)鍵，應(yīng)避免秸稈成型需要的外力和熱量依靠成型部件高速旋轉(zhuǎn)來完成的模式，注重顆粒成型機(jī)的成型受力問題研究，通過調(diào)整成型孔結(jié)構(gòu)形狀及位置來降低磨損。秸稈燃燒的沉積是一個(gè)復(fù)雜的基礎(chǔ)理論問題，國外先進(jìn)國家正處在研究階段，中國對SDBF應(yīng)用較晚，沉積腐蝕問題還沒給生產(chǎn)帶來太大麻煩，因此基本上沒有人對其開展研究。
4)4個(gè)瓶頸問題均屬基礎(chǔ)性研究問題．建議國家科技部門組織有條件的研究單位進(jìn)行攻關(guān)，為SDBF的推廣應(yīng)用提供理論和技術(shù)基礎(chǔ)。
三門峽富通新能源生產(chǎn)銷售顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)、飼料顆粒機(jī)等生物質(zhì)燃料飼料成型機(jī)械設(shè)備。同時(shí)我們也有大量的生物質(zhì)顆粒燃料售出。
