李英麗1，2，王建3，程曉天4

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，鄭州450002；2.鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州450121；3.中國(guó)華水水電開(kāi)發(fā)總公司，北京100069；4.河南省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院，鄭州450004）

摘要：概括了生物質(zhì)冷成型、熱成型和常成型等成型技術(shù)的原理和種類。結(jié)合生物質(zhì)成型燃料技術(shù)與生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)，闡述了生物質(zhì)成型燃料直燃發(fā)電、混燒發(fā)電和氣化發(fā)電等技術(shù)特點(diǎn)，指出了生物質(zhì)成型燃料發(fā)電技術(shù)存在的問(wèn)題和解決方案，展望了生物質(zhì)成型燃料及其發(fā)電技術(shù)在中國(guó)的發(fā)展前景，總結(jié)了其在經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)方面帶來(lái)的效益，旨在為生物質(zhì)資源的高效綜合利用提供參考。

0引言

生物質(zhì)能是唯一可以儲(chǔ)存、運(yùn)輸且固定碳的可再生能源，具有儲(chǔ)量大、分布廣、環(huán)境友好和減碳零排放等特點(diǎn)，在6種可再生能源中占有重要地位。通常所說(shuō)的生物質(zhì)能原料，包括農(nóng)業(yè)剩余物、林業(yè)剩余物、畜禽糞便、能源作物（植物）、工業(yè)有機(jī)廢水、城市生活污水和垃圾等。生物質(zhì)能向人類提供了世界能源消費(fèi)總量的近15%，是僅次于石油、煤炭和天然氣的第四大能源。

我國(guó)生物質(zhì)資源較為豐富，其中農(nóng)林剩余物占有很大的比例；但農(nóng)林剩余物等生物質(zhì)具有資源分散、能量密度低、容重小和儲(chǔ)運(yùn)不方便等缺點(diǎn)，嚴(yán)重地制約了其大規(guī)模應(yīng)用。生物質(zhì)成型燃料技術(shù)是將各類生物質(zhì)原料（主要是農(nóng)林剩余物）經(jīng)粉碎、干燥、成型等環(huán)節(jié)，使原來(lái)分散的、沒(méi)有一定形狀的原料壓縮成具有一定幾何形狀、密度較大的成型燃料。成型燃料可以提高生物質(zhì)的密度，節(jié)約運(yùn)輸和儲(chǔ)存費(fèi)用，擴(kuò)大應(yīng)用范圍，提高燃燒效率，同時(shí)可以減少替代的煤燃燒所帶來(lái)的環(huán)境污染。生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)是目前世界上總體技術(shù)最成熟、發(fā)展規(guī)模最大的現(xiàn)代生物質(zhì)能利用技術(shù)，主要包括生物質(zhì)直燃發(fā)電、混燃發(fā)電和氣化發(fā)電。生物質(zhì)成型燃料發(fā)電是生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的重要發(fā)展方向之一，可解決生物質(zhì)發(fā)電過(guò)程中由于原料收集困難、運(yùn)輸成本高、原料占地面積大而不易保存等問(wèn)題，從而滿足生物質(zhì)發(fā)電的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

1生物質(zhì)成型燃料技術(shù)

1.1生物質(zhì)成型燃料技術(shù)的原理和種類

農(nóng)林剩余物等生物質(zhì)主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成。木質(zhì)素為光合作用形成的天然聚合體，具有復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，是高分子物質(zhì)，在植物中含量約為15%～30%。當(dāng)溫度達(dá)到70～100℃時(shí)，木質(zhì)素開(kāi)始軟化，并有一定的黏度；當(dāng)溫度達(dá)到200～300℃時(shí)，呈熔融狀，黏度變高。此時(shí)若施加一定的外力，可使它與纖維素緊密粘結(jié)，使植物體積大大縮小、密度顯著增加；取消外力后，由于非彈性的纖維分子間的相互纏繞，其仍能保持給定形狀，冷卻后強(qiáng)度進(jìn)一步增加。生物質(zhì)原料經(jīng)擠壓成型后，體積縮小，密度為0.7～1.4t/m3，含水率在20%以下。

生物質(zhì)成型在加工原理上可分為冷成型、熱成型和常溫濕壓成型：

1）生物質(zhì)冷成型即在常溫下將生物質(zhì)顆粒高壓擠壓成型的過(guò)程。其粘接力主要是靠擠壓過(guò)程所產(chǎn)生的熱量，使得生物質(zhì)中木質(zhì)素產(chǎn)生塑化粘接。冷壓成型工藝一般需要很大的成型壓力，為了降低壓力，可在成型過(guò)程中加入一定的粘結(jié)劑。

2）熱壓成型工藝的流程為：原料粉碎→干燥混合→擠壓成型和→冷卻包裝。根據(jù)原料被加熱的部位不同，將其劃分為兩類：一類是原料只在成型部位被加熱；另一類是原料在進(jìn)入壓縮機(jī)構(gòu)之前和在成型部位被分別加熱。

3）常溫濕壓成型。纖維類原料經(jīng)一定程度的腐化后，纖維變得柔軟、濕潤(rùn)皺裂并部分降解，易于壓縮成型。利用簡(jiǎn)單的模具，將部分降解后的農(nóng)林剩余物中的水分?jǐn)D出，即可形成低密度的壓縮成型燃料。生物質(zhì)成型技術(shù)在流程上一般包含干燥、粉碎、成型等環(huán)節(jié)，主要流程如圖1所示。

1.2生物質(zhì)成型燃料技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，生物質(zhì)成型燃料技術(shù)發(fā)展最成熟的為歐洲，主要以木質(zhì)生物質(zhì)為原料生產(chǎn)顆粒燃料。其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系也比較完善，形成了從原料收集、儲(chǔ)藏、預(yù)處理到成型燃料生產(chǎn)、配送和應(yīng)用的整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的成熟技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)模式。歐洲生產(chǎn)的顆粒燃料除通過(guò)專門運(yùn)輸工具定點(diǎn)供應(yīng)發(fā)電和供熱企業(yè)外，還以袋裝的方式在市場(chǎng)上銷售。目前，德國(guó)有100多家顆粒成型燃料工廠，主要以木屑、木片、枝椏、邊角料等生物質(zhì)為原料；瑞典有生物質(zhì)顆粒成型燃料加工廠幾十家，約有12萬(wàn)戶使用顆粒燃料鍋爐，2萬(wàn)多用戶使用顆粒燃燒爐，另外還有4000多個(gè)中型鍋爐使用顆粒燃料；加拿大、美國(guó)、奧地利、芬蘭、意大利、波蘭、丹麥和俄羅斯，也是生物質(zhì)成型燃料，尤其是林業(yè)剩余物成型燃料的生產(chǎn)國(guó)家，截至2010年，這幾個(gè)國(guó)家的成型燃料生產(chǎn)量達(dá)到了1000萬(wàn)t以上。

我國(guó)主要以農(nóng)業(yè)剩余物為原料生產(chǎn)成型燃料，成型技術(shù)逐步完善和成熟，目前主要在河南、山東、遼寧、黑龍江、吉林、安徽、河北、廣東和北京等地開(kāi)始將成型設(shè)備進(jìn)行示范推廣。在各省市都有多家設(shè)備生產(chǎn)、燃料加工、配套燃燒爐及營(yíng)銷企業(yè)投入運(yùn)營(yíng)，政府的環(huán)保、能源主管部門也開(kāi)始給予支持和幫助。截至2010年，我國(guó)不同生產(chǎn)規(guī)模的成型燃料企業(yè)200多個(gè)，年產(chǎn)生物質(zhì)成型在300萬(wàn)t左右。成型燃料主要用于中小型燃煤電廠或改造升級(jí)的工業(yè)鍋爐、爐窯及其他燃煤和燃油燃燒設(shè)備。

2生物質(zhì)成型燃料發(fā)電技術(shù)

生物質(zhì)成型燃料發(fā)電技術(shù)是生物質(zhì)成型燃料技術(shù)和生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的重要結(jié)合，是我國(guó)《可再生能源法》鼓勵(lì)發(fā)展的方向，也是國(guó)家科技部可再生能源與新能源國(guó)際科技合作計(jì)劃的優(yōu)先領(lǐng)域。生物質(zhì)成型燃料可應(yīng)用于生物質(zhì)直燃發(fā)電、混燒發(fā)電和氣化發(fā)電。生物質(zhì)成型燃料應(yīng)用于發(fā)電技術(shù)，可形成一套集生物質(zhì)干燥、粉碎及成型于一體的自動(dòng)化、工業(yè)化的生物質(zhì)成型燃料供應(yīng)系統(tǒng)，保證成套設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。系統(tǒng)可使生產(chǎn)生物質(zhì)成型燃料的密度、粒度及燃燒特性指標(biāo)接近煤，對(duì)鍋爐等燃燒設(shè)備、氣化爐等氣化設(shè)備具有較好的適應(yīng)性；同時(shí)，通過(guò)建立健全生物質(zhì)原料的收集、存儲(chǔ)及加工體系，形成一套持續(xù)穩(wěn)定的成型燃料生產(chǎn)運(yùn)作模式，保證生物質(zhì)發(fā)電燃料穩(wěn)定供應(yīng)。

2.1生物質(zhì)成型燃料直燃發(fā)電技術(shù)

生物質(zhì)成型燃料直燃發(fā)電主要是指循環(huán)流化床燃燒發(fā)電，采用生物質(zhì)成型燃料成型技術(shù)及設(shè)備，根據(jù)生物質(zhì)成型燃料燃燒特性，在現(xiàn)有小火電廠基礎(chǔ)上，對(duì)循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行技術(shù)改造，利用生物質(zhì)成型燃料替代煤炭燃燒發(fā)電。根據(jù)生物質(zhì)成型燃料的燃燒及流化特性，選取適宜的流化床鍋爐運(yùn)行工藝參數(shù)，對(duì)流化床鍋爐進(jìn)行改造，解決生物質(zhì)在燃燒時(shí)的結(jié)渣與堿金屬對(duì)換熱器的腐蝕問(wèn)題，合理進(jìn)行一次風(fēng)與二次風(fēng)的進(jìn)風(fēng)量比例的調(diào)整。利用現(xiàn)有燃煤火力發(fā)電廠的燃煤發(fā)電機(jī)組，建設(shè)成能利用生物質(zhì)成型顆粒燃燒系統(tǒng)，并使該技術(shù)工程化、產(chǎn)業(yè)化。系統(tǒng)是在我國(guó)眾多的小型火力發(fā)電廠原有設(shè)備的基礎(chǔ)上經(jīng)改進(jìn)后使用生物質(zhì)成型燃料與煤混燒發(fā)電，具有投資少和技術(shù)要求不高的特點(diǎn)，同時(shí)可解決小型火電廠關(guān)停的問(wèn)題，比較適合我國(guó)國(guó)情。

2.2生物質(zhì)成型燃料混燒發(fā)電技術(shù)

生物質(zhì)是可再生資源中與煤的理化特性最為接近的一種，因此利用生物質(zhì)成型燃料與煤進(jìn)行混燒發(fā)電是合理利用生物質(zhì)資源、減少煤燃燒帶來(lái)污染的有機(jī)結(jié)合。生物質(zhì)成型燃料的摻混比例理論上可達(dá)到80%，且生物質(zhì)與煤混合燃燒發(fā)電（見(jiàn)圖3）既解決了常規(guī)能源的不可再生及短缺問(wèn)題，又克服了生物質(zhì)資源季節(jié)性變化導(dǎo)致電廠運(yùn)行不穩(wěn)定的難題。生物質(zhì)和煤混合燃燒發(fā)電技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較好，規(guī)模靈活，可充分利用燃煤電廠的原有設(shè)施和系統(tǒng)；根據(jù)生物質(zhì)資源的豐富程度，調(diào)整混燒生物質(zhì)的比例，減少原料供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)，保證電廠順利運(yùn)行，具有較好的發(fā)展前景。該技術(shù)可用于電廠、工業(yè)鍋爐等各種利用循環(huán)流化床鍋爐的行業(yè)，與低熱值的煤混燒時(shí)，鍋爐的熱利用率與燒煤相比，熱利用率可提高10%左右，SO2的排放量減少50%以上，氮的氧化物的排放量減少30%以上。

2.3生物質(zhì)成型燃料氣化發(fā)電技術(shù)

針對(duì)生物質(zhì)秸稈等就地燃燒帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題以及生物質(zhì)成型發(fā)電和混燒發(fā)電過(guò)程中存在的結(jié)焦問(wèn)題，研發(fā)技術(shù)靈活、環(huán)保潔凈和經(jīng)濟(jì)實(shí)用的生物質(zhì)成型燃料氣化發(fā)電成為生物質(zhì)能利用的一個(gè)重要發(fā)展方向。高效率的生物質(zhì)成型燃料氣化發(fā)電采用生物質(zhì)氣化—燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電—余熱蒸汽輪機(jī)發(fā)電的聯(lián)合循環(huán)工藝路線（見(jiàn)圖4），避開(kāi)了要求很高的氣體高溫凈化過(guò)程，可顯著降低生物質(zhì)整體氣化聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的技術(shù)難度和造價(jià)，以較低的代價(jià)解決焦油問(wèn)題和二次污染的難題，并實(shí)現(xiàn)廢水的循環(huán)使用。低熱值生物質(zhì)氣化產(chǎn)出氣能夠滿足內(nèi)燃式燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的運(yùn)行要求，只是在能夠?qū)崿F(xiàn)的最大輸出功率方面受到限制；生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)的尾氣排放能夠滿足環(huán)保的要求，但氣化發(fā)電機(jī)與生物質(zhì)氣化機(jī)組間需要具有良好的匹配性。

3生物質(zhì)成型燃料發(fā)電的問(wèn)題及發(fā)展前景

3.1存在的問(wèn)題及建議

3.1.1生物質(zhì)成型燃料方面

目前，國(guó)內(nèi)使用的生物質(zhì)成型燃料技術(shù)中螺旋擠壓設(shè)備磨損嚴(yán)重、維修周期短、耗能高；活塞式壓縮機(jī)由于活塞做的是往復(fù)運(yùn)動(dòng)，有沖擊、產(chǎn)量較小，軸瓦磨損嚴(yán)重、壽命短，并且對(duì)原料含水率要求較嚴(yán)；液壓活塞式成型機(jī)雖然克服了往復(fù)運(yùn)動(dòng)的缺點(diǎn)，但仍存在耗能高、產(chǎn)量低、運(yùn)行工況不穩(wěn)定等致命問(wèn)題。以上問(wèn)題是生物質(zhì)成型燃料的生產(chǎn)成本居高不下的重要原因之一。

建議開(kāi)展研究機(jī)組可靠性強(qiáng)、模具耐磨損性能好和能耗低等關(guān)鍵技術(shù)，提高設(shè)備的運(yùn)行可靠性、易損件使用壽命和維修方便性等；研發(fā)造價(jià)低的設(shè)備機(jī)組及配套的干燥、粉碎、冷卻和篩分等設(shè)備，使成型設(shè)備及配套設(shè)備進(jìn)人商業(yè)化階段；研究并完善成型燃料的一體化、自動(dòng)化運(yùn)行技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備生產(chǎn)規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化，降低人工成本，減少生產(chǎn)中間環(huán)節(jié)消耗，實(shí)現(xiàn)更加的穩(wěn)定運(yùn)行，滿足大規(guī)模生物質(zhì)利用工程的要求。

3.1.2生物質(zhì)發(fā)電方面

近幾年，我國(guó)生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但生物質(zhì)直燃和混燒發(fā)電中存在的結(jié)焦、結(jié)渣及堿金屬腐蝕問(wèn)題依然嚴(yán)重；氣化發(fā)電過(guò)程中存在著焦油和灰塵處理不完全、效率低、規(guī)模小等缺點(diǎn)。

混燒發(fā)電方面：研發(fā)適合生物質(zhì)和煤混合燃燒的特殊材料，對(duì)鍋爐內(nèi)壁等進(jìn)行特殊加工；研究設(shè)計(jì)出生物質(zhì)原料輸送及給料系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)出生物質(zhì)與煤混燒時(shí)生物質(zhì)的計(jì)量檢測(cè)方法和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸及監(jiān)控系統(tǒng)；研發(fā)大型生物質(zhì)與煤循環(huán)流化床鍋爐，提高燃燒效率，降低污染排放。

直燃發(fā)電方面：研究秸稈等生物質(zhì)直燃過(guò)程堿金屬腐蝕問(wèn)題，找出合理技術(shù)減少氯、鉀、鈉等成分引起的爐膛結(jié)渣和結(jié)焦等現(xiàn)象；應(yīng)加強(qiáng)模仿創(chuàng)新，吸收和消化國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的直燃發(fā)電成套設(shè)備和關(guān)鍵技術(shù)。

氣化發(fā)電方面：研發(fā)大型生物質(zhì)氣化、新型燃?xì)鈨艋到y(tǒng)、焦油污水處理和大型低熱值燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)等關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)全程監(jiān)控系統(tǒng)和優(yōu)化模型，優(yōu)化技術(shù)集成系統(tǒng)；研制與小型發(fā)電系統(tǒng)匹配的系列低焦油生物質(zhì)氣化裝置和小型高效低熱值燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)。

3.2生物質(zhì)成型燃料發(fā)電的發(fā)展前景

面臨能源資源枯竭及其利用帶來(lái)的環(huán)境污染，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、積極開(kāi)發(fā)利用新能源和可再生能源是能源可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。生物質(zhì)資源具有可再生性及排放污染性小的特點(diǎn)，生物質(zhì)發(fā)電在歐美日等國(guó)家已受到廣泛重視。我國(guó)生物質(zhì)資源極為豐富，僅農(nóng)業(yè)剩余物每年的生產(chǎn)量達(dá)到7億t，可作燃料利用的有3億～4億t，折合1.5億～2億t標(biāo)煤；林業(yè)剩余物中每年可作燃料利用的有2億～3億t，折合1億～1.5億t標(biāo)煤；即農(nóng)林剩余物可利用量折合約3.5億t標(biāo)準(zhǔn)煤，相當(dāng)于我國(guó)每年原煤產(chǎn)量的1/6。2007年9月，我國(guó)國(guó)家發(fā)改委頒發(fā)的《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》中，把生物質(zhì)固體成型燃料和生物質(zhì)發(fā)電作為重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，明確要求到2020年生物質(zhì)成型燃料利用量要達(dá)到5000萬(wàn)t，生物質(zhì)發(fā)電總裝機(jī)容量要達(dá)到2400萬(wàn)kW。生物質(zhì)成型燃料發(fā)電技術(shù)的推廣運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)成型燃料和生物質(zhì)發(fā)電等目標(biāo)的重要保障之一，對(duì)于增加農(nóng)民的收入、美化農(nóng)村環(huán)境、減少一次能源消耗和污染等意義重大，具有明顯的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益。

4結(jié)語(yǔ)

1）經(jīng)濟(jì)方面：生物質(zhì)成型燃料發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用可減小電力能源對(duì)化石燃料的依賴。利用較為廉價(jià)的農(nóng)林剩余物等生物質(zhì)資源作為發(fā)電原料，壓縮的成型燃料與煤的性能相似，相比生物質(zhì)原料的保存和運(yùn)輸成本大大下降，從而節(jié)約煤等化石能源，同時(shí)可降低中小型電廠的改造費(fèi)用。

2）環(huán)境方面：生物質(zhì)資源具有的低硫、可再生等特點(diǎn)，使其在電力轉(zhuǎn)化過(guò)程中直接或間接地減少了化石燃料發(fā)電帶來(lái)的污染。

3）社會(huì)方面：生物質(zhì)成型燃料發(fā)電技術(shù)可解決農(nóng)林剩余物等生物質(zhì)的分散、能量密度低、儲(chǔ)運(yùn)不便等問(wèn)題，使其可以大規(guī)模地能源化利用，減少生物質(zhì)資源的隨意焚燒，提高了生物質(zhì)資源所在地的農(nóng)民收入；生物質(zhì)成型燃料發(fā)電等中小型電力系統(tǒng)可彌補(bǔ)大電網(wǎng)在安全穩(wěn)定性方面的不足，是大型發(fā)電系統(tǒng)的有效補(bǔ)充。