面臨石油、天然氣和煤炭化石能源的曰益枯竭(見表1)、環(huán)境污染日益嚴(yán)重、全球氣候變暖的現(xiàn)狀，隨著哥本哈根國際氣候會議提出了“減少碳足跡”的倡議，中國也制定了減排目標(biāo)，力爭到2020年單位GDP二氧化碳排放比2005年降低40%一45%，中國林業(yè)機(jī)械協(xié)會非化石能源占一次能源消費(fèi)的15%。生物質(zhì)能是僅次于石油、天然氣和煤炭居世界能源消費(fèi)總量第四位的能源，在整個能源系統(tǒng)中占有重要地位，由于其具有資源儲量大、低碳環(huán)保和可再生性等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是能源開發(fā)的熱門領(lǐng)域。

1生物質(zhì)成型燃料的意義

我國每年產(chǎn)生有7億噸左右的農(nóng)作物秸稈，林業(yè)“二剩物”的總臂在8～10億噸左右，生物質(zhì)原料儲備豐富。此外，經(jīng)致密成型加工后的生物質(zhì)成型燃料，其粒度均勻、單位密度和強(qiáng)度增加，便于運(yùn)輸和貯存，且燃燒性能明顯改善，對生物質(zhì)原料成為商品真正進(jìn)入流通領(lǐng)域具有重要意義。我國的《農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2007—2015)》和《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》中明確提出“重點(diǎn)發(fā)展生物質(zhì)周體成型燃料”，到2010年結(jié)合解決農(nóng)村基本能源需要和改變農(nóng)村用能方式，全國將建成500個左右秸稈致密成型燃料應(yīng)用示范點(diǎn)，秸稈致密成型燃料年利用量達(dá)到100萬噸左右，到2015年，秸稈致密成型燃料年利用量達(dá)到2000萬噸左右，到2020年，生物質(zhì)固體成型燃料年利用量達(dá)到5000萬噸。國家發(fā)改委出臺，生產(chǎn)生物質(zhì)成型燃料150元/噸的補(bǔ)貼政策，國家制定了標(biāo)準(zhǔn)GB/T21923—2008《固體生物質(zhì)燃料榆驗(yàn)通則》，已于2008年11月1日開始實(shí)施。目前，農(nóng)業(yè)部正在制定多項(xiàng)生物質(zhì)固體成型燃料的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。但據(jù)統(tǒng)計2009年我國生物質(zhì)成型燃料全國產(chǎn)量仍不到20萬噸，生物質(zhì)成型燃料產(chǎn)業(yè)依然任重道遠(yuǎn)。

2《生物質(zhì)成型燃料高壓致密成型拄術(shù)引進(jìn)》項(xiàng)目成果簡介

2005年北京林業(yè)大學(xué)俞國勝教授主持的《生物質(zhì)成型燃料高壓致密成型技術(shù)引進(jìn)》項(xiàng)目，對生物質(zhì)常溫高壓致密成型方式進(jìn)行了研究。其成型設(shè)備引自德國RUF公司的RB110型成型機(jī)，對成型過程中的主要因素(壓力、原辯含水率、原料種類等)進(jìn)行的研究結(jié)果表明，常溫高壓致密成型時，古永率擐好控制在5%～15%范國內(nèi)，蛀高不能超過22%;壓力控制在15～35MPa之問即可滿足存放、運(yùn)輸要求;秸稈糞生物質(zhì)易成型、灌木由于原料本身纖維硬、韌性好而不易成型。選用體視顯微鏡對成型塊進(jìn)行觀察.發(fā)現(xiàn)粘結(jié)機(jī)理主要是粒子間的機(jī)械鑲嵌。俞國勝教授在研究生物質(zhì)常溫成型機(jī)理的基礎(chǔ)上，研制、開發(fā)了一種被力艘向擠壓的生物質(zhì)成型燃料常溫成型機(jī)(如圖1)，該機(jī)的裝機(jī)功牢為22kw，加工能力為500～600kg/h.實(shí)際成型能耗不大于40kw-h/t。生物質(zhì)成型塊的密度可通過調(diào)節(jié)成型設(shè)備液壓系統(tǒng)的壓力來調(diào)整.既能滿足加工畜牧業(yè)養(yǎng)殖所需的粗飼料耍求，又町滿足生物質(zhì)成型燃料加工的要求.最大密度可達(dá)到1.2g/cm3，目前已投入到生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)中。

3加熱成型技術(shù)和常溫成型技術(shù)對比研究

按成型過程是衍對腺料al熱，分為常溫成掣和加熱成趔。目前國內(nèi)多足對加熱成型技術(shù)進(jìn)行研究。

3.1成型機(jī)具

活塞擠壓式塊狀燃料成型機(jī)為例，麒料成型靠話塞的往復(fù)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)，其進(jìn)料、壓縮和出料過程都是間歇式的t在成型機(jī)的成型模腔外有加熱圈的為加熱成型方式，沒有的為常溫成型。由于加熱成型過程是在200℃以上的溫度完成的，所以加熱成型機(jī)的成型部件較常溫成型的易磨損，維修周期在200小時左右，較常溫成型的維修成車有所增加。

3.2成型工藝

熱壓成型技術(shù)的工藝流程一般為：原料一預(yù)處理(粉碎)一干燥一加熱成型一冷卻包裝，常溫成型技術(shù)的工藝相對簡單，工藝流程一般為：原料一預(yù)處理(削片或粉碎)一成型一包裝，比加熱成型技術(shù)減少了原料烘干、成型時加熱和降溫等3道工序，可節(jié)約能耗44%～67%。

3.3成型影響因素

影響生物質(zhì)致密成型的主要因素有：原料種類、原料含水率、原料粒度、成型壓力與模具尺寸，而加熱成型方式還包括加熱溫度。

3.3.1成型壓力

常溫成型沒有原料加熱軟化過程，所以成型所需壓力較加熱成型大。在《生物質(zhì)成型燃料高壓致密成型技術(shù)引進(jìn)》項(xiàng)目中，進(jìn)行了多種生物質(zhì)原料的常溫成型試驗(yàn)，這里只引用四倍體刺槐枝成型塊的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

粉碎后的刺槐枝，粒度分布為1～2mm的占70%左右，5～10mm的占20%，大于10mm的占10%左右，含水率為7.65%，成型前原料密度為0.195g/cm3。主油缸壓力在10～60MPa之間，每隔

2.5MPa做一次實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2。在壓力較低時(10～20PMa)壓塊密度隨成型壓力的增大以較大的幅度增大，壓力大于20MPa的條件下，壓塊密度隨成型壓力的增大變化趨于穩(wěn)定，壓縮前后的體積比分布在5.16～5.97之間。四倍體刺槐枝韌性好，纖維含量高，在較小壓力下壓制的成型塊也很堅實(shí)。

3.3.2原料含水率

生物質(zhì)致密成型燃料技術(shù)對原料要求包括含水率和粒度，加熱和常溫成型技術(shù)的區(qū)別主要表現(xiàn)在對原料含水率的要求不同，熱壓成型技術(shù)對原料含水率要求較嚴(yán)格，由于絕干的生物質(zhì)傳熱性差，水分是生物質(zhì)原料中最好的傳熱介質(zhì)，所以從理論上講，熱壓成型中生物質(zhì)原料的含水率越高傳熱越好，木質(zhì)素和半纖維素軟化程度越高，越容易成型;然而，含水率過高在壓縮過程中易產(chǎn)生高壓蒸汽，會出現(xiàn)“放氣”或“放炮”現(xiàn)象，中斷成型過程。熱壓成型要求原料含水率控制在8～12%，成型效果最好。常溫成型技術(shù)要求原料最大含水率可達(dá)22%左右，物料成型過程中不會發(fā)生“放炮”現(xiàn)象。

3.3.3原料種類

熱壓成型技術(shù)對原料種類適應(yīng)性較差，由于不同原料木質(zhì)素和半纖維素含量不同，所以相同加熱溫度下，原料的軟化程度不同。當(dāng)成型壓力一定時，不同原料需調(diào)節(jié)成不同的加熱溫度，這樣對操作技術(shù)要求較高。農(nóng)作物秸稈所含木質(zhì)素較少(約為15～25%)，不適宜通過加熱使木質(zhì)素軟化而成型，采用常溫高壓致密成型具有優(yōu)勢;林木類生物質(zhì)原料的纖維長且韌性強(qiáng)，成型時較困難，但通過常溫高壓致密成型也可達(dá)到存放、運(yùn)輸要求，成型效果也很好，且壓塊密度值相對集中。

3.4成型機(jī)理

纖維素是構(gòu)成生物質(zhì)原料細(xì)胞壁的主要組分之一，約占細(xì)胞壁物質(zhì)總量的50%左右，纖維素大分子鏈的結(jié)合鍵主要是氧鍵、范德華力和碳氧鍵，在生物質(zhì)成型燃料生產(chǎn)過程中，通過對生物質(zhì)原料的機(jī)械壓縮，可以縮短纖維之間的距離，以利于形成氫鍵和范德華力，使生物質(zhì)原料易于成型。

3.4.1加熱成型機(jī)理

植物中的半纖維素和木質(zhì)素屬無定形的熱塑性高聚物，具有玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化性質(zhì)，當(dāng)溫度達(dá)70～110℃時開始軟化且粘合力開始增加，在200～300℃時軟化程度加劇達(dá)到熔融，此時施加一定的壓力，使其與纖維素緊密粘接，并與鄰近顆?；ハ嗄z接，冷卻后即可固化成型。生物質(zhì)加熱成型燃料就是利用生物質(zhì)的這種特性，用壓縮成型設(shè)備將經(jīng)過干燥和粉碎的松散生物質(zhì)原料進(jìn)行加壓和加熱，使半纖維素和木質(zhì)素軟化并經(jīng)擠壓而成型，得到具有一定形狀和規(guī)格的成型燃料。

3.4.2常溫成型機(jī)理

生物質(zhì)原料是由纖維構(gòu)成的，被粉碎后的生物質(zhì)原料質(zhì)地松散，在受到一定的外部壓力后，原料顆粒先后經(jīng)歷位置重新排列、顆粒機(jī)械變形和塑性流變等階段。開始壓力較小時，有一部分粒子進(jìn)入粒子間的空隙內(nèi)，粒子間的相互位置不斷改變，當(dāng)粒子問所有較大的空隙都被能進(jìn)入的粒子占據(jù)后，再增加壓力，只有靠粒子本身的變形去充填其周圍的空隙。這時粒子在垂直于最大主應(yīng)力的平面上被延展，當(dāng)粒子被延展到與相鄰的兩個粒子相互接觸時，再增加壓力，粒子就會相互結(jié)合。這樣，原來分散的粒子就被壓縮成型，同時其體積大幅度減小，密度則顯著增大。由于非彈性或粘彈性的纖維分子之間的相互纏繞和咬合，在外部壓力解除后，一般都不會恢復(fù)到原來的結(jié)構(gòu)形狀。

北京林業(yè)大學(xué)回彩娟碩士，借鑒德國的Rumpf提出的粉粒體成型的有關(guān)理論，選用體視顯微鏡對成型塊進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)常溫致密成型過程中，生物質(zhì)原料顆粒由于受到高壓作用而互相鑲嵌在一起，顆粒間的結(jié)合力主要來自相互間的機(jī)械鑲嵌。四倍體刺槐枝成型塊的微觀結(jié)構(gòu)如圖3，從左至右依次是10MPa、30Mpa和60Mpa壓力下的成型塊微觀結(jié)構(gòu)圖。

3.5產(chǎn)品質(zhì)量

衡量生物質(zhì)燃料塊的質(zhì)量指標(biāo)有許多，主要包括發(fā)熱量、成型燃料密度和機(jī)械強(qiáng)度等。強(qiáng)度與密度相關(guān).密度與成型壓力有關(guān)，在此不作論述。加熱成型技術(shù)會造成產(chǎn)品表面炭化燒焦，生物質(zhì)的熱能損耗;常溫致密成型產(chǎn)品不破壞原料的分子結(jié)構(gòu)，無化學(xué)反血和加熱裂解分化的作用，因此成型燃料可以保持原物料的熱值.幾乎設(shè)有熱量的損耗。制定更加完善的生物質(zhì)成型燃料產(chǎn)業(yè)政策和標(biāo)準(zhǔn)，研制更加高效節(jié)能且自動化程度高的常溫成型設(shè)備，是相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的努力方向。

4結(jié)論及展望

生物質(zhì)常溫致密成型燃料技術(shù)具有較加熱成型對成型部件的磨損小，對生物質(zhì)原料的預(yù)處理要求低，成型燃料產(chǎn)品保持原物質(zhì)性質(zhì)、無熱能損耗的優(yōu)點(diǎn)。因此，在研究和推廣使用上，有很高的價值。通過對燃料塊成型過程中的影響因素和成型后的微觀圖像兩方面進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，常溫成型機(jī)理是生物質(zhì)顆粒的移動、變形和機(jī)械鑲嵌，揭示了生物質(zhì)致密成型的規(guī)律。此外，常溫成型技術(shù)較加熱成型技術(shù)具有更好的經(jīng)濟(jì)性，有利于生物質(zhì)成型技術(shù)的商業(yè)化推廣。

目前我國的生物質(zhì)成型燃料技木證處于研究示范試點(diǎn)階段，規(guī)?；褪袌龌^差，推廣速度緩慢。為促進(jìn)我國生物質(zhì)成型燃料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，呼吁政府制定更加完善的生物質(zhì)成型燃料產(chǎn)業(yè)政策和標(biāo)準(zhǔn)，研制更加高效節(jié)能且自動化程度高的常溫成型設(shè)備，是相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的努力方向。