1、生物質(zhì)顆粒燃料的意義
我國每年產(chǎn)生有7億噸左右的農(nóng)作物秸稈，林業(yè)“三剩物”的總量在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、單位密度和強度增加，便于運輸和貯存，且燃燒性能明顯改善，對生物質(zhì)原料成為商品真正進入流通領域具有重要意義。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“重點發(fā)展生物質(zhì)固體成型燃料”，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用示范點，秸稈致密成型燃料年利用量達到100萬噸左右，到2015年，秸稈致密成型燃料年利用量達到2000萬噸左右，到2020年，生物質(zhì)固體成型燃料年利用量達到5000萬噸t。國家發(fā)改委出臺了生產(chǎn)生物質(zhì)成型燃料150元／噸的補貼政策，國家制定了標準GB/T21923-2008<:固體生物質(zhì)燃料檢驗通則》，已于2008年11月1日開始實施。目前，農(nóng)業(yè)部正在制定多項生物質(zhì)固體成型燃料的行業(yè)標準。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)顆粒燃料產(chǎn)業(yè)依然任重道遠。
2、生物質(zhì)成型燃料高壓致密成型技術引進》項目成果簡介
2005年北京林業(yè)大學俞國勝教授主持的‘生物質(zhì)成型燃料高壓致密成型技術引進》項目，對生物質(zhì)常溫高壓致密成型方式進行了研究。其成型設備引自德國RUF公司的RB110型成型機，對成型過程中的主要因素（壓力、原料含水率、原料種類等）進行的研究結(jié)果表明，常溫高壓致密成型時，含水率最好控制在5%～l5%范圍內(nèi)，最高不能超過22%：壓力控制在15-- 35NIPa之間即可滿足存放、運輸要求；秸稈類生物質(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行觀察，發(fā)現(xiàn)粘結(jié)機理主要是粒子間的機械鑲嵌。俞國勝教授在研究生物質(zhì)常溫成型機理的基礎上，研制、開發(fā)了一種液力雙向擠壓的生物質(zhì)成型燃料常溫成型機（如圖1）。該機的裝機功率為22kW，加工能力為500～600kg/h，實際成型能耗不大于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)殖所需的粗飼料要求，又可滿足生物質(zhì)成型燃料加工的要求，最大密度可達到1. 2g/cm3，目前已投入到生產(chǎn)實踐當中。
3、加熱成型技術和常溫成型技術對比研究
按成型過程是否對原料加熱，分為常溫成型和加熱成型。目前國內(nèi)多足對加熱成型技術進行研究。
3.1成型機具
活塞擠壓式塊狀燃料成型機為例，原料成型靠活塞的往復運動實現(xiàn)，其進料、壓縮和出料過程都是間歇式的，在成型機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本有所增加。
3.2成型工藝
熱壓成型技術的工藝流程一般為：原料→預處理（粉碎）→干燥→加熱成型→冷卻包裝，常溫成型技術的工藝相對簡單，工藝流程一般為：原料→預處理（削片或粉碎）→成型→包裝，比加熱成型技術減少了原料烘干、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引進》項目中，進行了多種生物質(zhì)原料的常溫成型試驗，這里只引用四倍體刺槐枝成型塊的試驗數(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做一次實驗，試驗結(jié)果如圖2。在壓力較低時(10～20MPa)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乏間。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。
3.3.2原料含水率
生物質(zhì)致密成型燃料技術對原料要求包括含水率和粒度，加熱和常溫成型技術的區(qū)別主要表現(xiàn)在對原料含水率的要求不同，熱壓成型技術對原料含水率要求較嚴格，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。常溫成型技術要求原料最大含水率可達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
熱壓成型技術對原料種類適應性較差，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，成型時較困難．但通過常溫高壓致密成型也可達到存放、運輸要求，成型效果也很好，且壓塊密度值相對集中。
3.4成型機理
纖維素是構成生物質(zhì)原料細胞壁的主要組分之一，約占細胞壁物質(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)，當溫度達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，用壓縮成型設備將經(jīng)過干燥和粉碎的松散生物質(zhì)原料進行加壓和加熱，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常溫成型機理
生物質(zhì)原料是由纖維構成的，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，有一部分粒子進入粒子間的空隙內(nèi)，粒子間的相互位置不斷改變，當粒間所有較人的空隙都被能進入的粒子占據(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力的平面上被延展，當粒r被延展到與相鄰的兩個粒子相且接觸時，再增加雎力，粒子就會相瓦結(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瓦纏繞和咬合，在外部壓力解除后，一般都不會恢復到原來的結(jié)構形狀。
北京林業(yè)大學某碩士，借鑒德國的Rumpf提出的粉粒體成型的有關理論，選用體視顯微鏡對成型塊進行觀察，發(fā)現(xiàn)常溫致密成型過程中，生物質(zhì)原料顆粒山十受到高壓作用而互相鑲嵌在一起，顆粒間的結(jié)合力主要米自相互間的機械鑲嵌。四倍體刺槐枝成型塊的微觀結(jié)構如圖3，從左至右依次是10Mpa、30Mpa和60Mpa壓力下的成型塊微觀結(jié)構。
3.5產(chǎn)品質(zhì)量
衡量生物質(zhì)燃料塊的質(zhì)量指標有許多，主要包括發(fā)熱量、成型燃料密度和機械強度等。強度與密度相關，密度與成型壓力有關，在此不作論述。加熱成型技術會造成產(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)晶不破壞原料的分子結(jié)構，無化學反應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，幾乎沒有熱量的損耗。
4、結(jié)論及展望
生物質(zhì)常溫致密成型燃料技術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．因此，在研究和推，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行研究發(fā)現(xiàn)，常溫成型機理是生物質(zhì)顆粒的移動、變形和機械鑲嵌，揭示了生物質(zhì)致密成型的規(guī)律。此外，常溫成型技術較加熱成型技術具有更好的經(jīng)濟性，有利于生物質(zhì)成型技術的商業(yè)化推廣。
目前我國的生物質(zhì)成型燃料技術還處于研究示范試點階段，規(guī)�；褪袌龌^差，推廣速度緩慢。為促進我國生物質(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)政策和標準，研制更加高效節(jié)能且自動化程度高的常溫成型設備，是相關領域?qū)＜覍W者的努力方向。
三門峽富通新能源生產(chǎn)銷售顆粒機、秸稈壓塊機、飼料顆粒機等生物質(zhì)燃料飼料成型機械設備。
