第27卷,總第154期〈節(jié)能技術》Vol 272009年3月,第2期ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGYMar.2009,No.2生物質成型燃料研究現(xiàn)狀及進展蘇俊林,趙曉文,王巍(1.吉林大學熱能工程系,吉林長春130025;2.吉林大學汽運系,吉林長春130025)摘要:本文討論了發(fā)展生物質成型燃料的意義,詳細介紹了國內外生物質成型燃料的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀,介紹了一些目前采用的新技術和存在的問題。最后對生物質成型燃料的未來進行了展望,指出生物質成型燃料在節(jié)能及環(huán)保方面將大有作為。關鍵詞:生物質成型燃料;研究現(xiàn)狀;發(fā)展應用中圖分類號:TK16文獻標識碼:A文章編號:1002-6339(2009)02-0117-04Research Status and Development of the Biomass Briquette FuelSU Jun-lin', ZHAO Xiao-wen, WANG Wei?(1. Department of Thermal Energy Engineering, Jilin University, Changchun 130025, China;2 Department of Automobile Transportation Engineering, Jilin University, Changchun 130025, China)Abstract: This paper discussed the significance of developing biomass briquette fuel. The development andreasearch status of biomass briquette fuel technology both home and abroad were reviewed intechnologies and related existing problems were depicted. Finally, the future development of the biomass bri-quette fuel was forecasted and authors concluded that the biomass briquette fuel would play a positive role inpromoting energy- savings and environment protectionKey words: biomass briquette fuel; research status; application development1發(fā)展生物質成型燃料的意義加工和使用有關,這些礦物燃料燃燒后放出大量的CO2、SO2、NO,被認為是形成大氣環(huán)境污染、產生酸長期以來,石油、天然氣、煤炭等化石燃料一直雨以及溫室氣體等地區(qū)性環(huán)境問題的根源是人類消耗的主要能源,并為人類經(jīng)濟的繁榮、社會我國是一個農業(yè)大國生物質能資源十分豐富的進步和生活水平的提高做出了很大的貢獻。但僅農作物秸稈折合7億t左右,而目前年實際使用是由于煤、石油和天然氣等礦物資源是不可再生量僅為22億t左右。因此我國的生物質資源的的,資源是有限的正面臨著逐漸枯竭的危險因此利用還有很大的開發(fā)潛力①)。生物質能在我國商業(yè)它們不是人類所能長久依賴的理想資源。再者目前用能結構所占的比例極小。植物約有一半棄于荒野地球所面臨的環(huán)境危機直接或間接的與礦物燃料的未能利用甚至焚燒不但利用水平低造成資源的嚴重浪費,且污染環(huán)境。所以充分合理開發(fā)使用生物質能國的能源利用環(huán)培和人類的生態(tài)環(huán)境,收稿日期2009-01修訂稿日期20003-16中國煤基金項目:吉林省重大科技發(fā)展計劃資助項目(20003加某化二重要的意義作者簡介:蘇俊林(1953-),男,博士,教授。研究方向:潔凈燃CNMHG、液化燃料及固化燒技術鍋爐及換熱器強化傳熱,節(jié)能技術燃料。目前,在技術經(jīng)濟上最為可行的生物質能利用技術就是固化——即生物質能致密成型燃料技2生物質成型燃料的發(fā)展概況術生物質成型燃料的優(yōu)點:21國外生物質成型燃料及燃燒設備發(fā)展現(xiàn)狀1.1清潔燃燒隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展與人們生活水平的提高,(1)飛灰極少。生物質灰分一般少于3%(稻殼木材下腳料、植物秸稈的剩余量越來越大由于這些等除外),從而簡化了燃燒裝置的除灰設備。廢棄物都是密度小、體積膨松,大量堆積,銷毀處理(2)生物質成型燃料最主要燃燒成分是揮發(fā)分,不但需要一定的人力物力且污染環(huán)境因此世界一般含量在70%~80%以上,煙塵產生很少,不冒各國都在探索解決這一問題的有效途徑2)。黑煙。美國在20世紀30年代就開始研究壓縮成型燃(3)生物質的燃燒通常不會影響自然界碳的自料技術及燃燒技術,并研制了螺旋壓縮機及相應的然循環(huán)即使不燃燒利用、不燒荒生物質也會在自燃燒設備,現(xiàn)有9個生產能力250vd的生產廠,另有然消化過程中放出CO。因此生物質能的排碳量6個州興建了日產量為300的樹皮成型燃料加工廠不會超出其生長期間所吸收的碳量從而實現(xiàn)CO及較多的專業(yè)燃燒設備廠(3)。日本在20世紀30年的零排放。代開始研究機械活塞式成型技術處理木材廢棄物,(4)生物質本身N含量比煤少得多,這對于減1954年研制成棒狀燃料成型機及相關的燃燒設備,少NO的生成非常有利1983年前后從美國引進顆粒成型燃料成型技術及(5)燃燒中SO,排放量較少。生物質含硫量相應燃燒設備,并發(fā)展成了日本壓縮成型及燃燒的般少于01%,不需要煙氣脫硫裝置從而降低了成工業(yè)體系。到1987年有十幾個顆粒成型工廠投人本,又有利環(huán)境保護。運行,年產生物顆粒燃料十幾萬噸,并相繼建立了(6)降低重金屬污染物的排放。研究表明煤中批專業(yè)燃燒設備廠(4,70年代后期,由于出現(xiàn)世界能源危機,石油價格上漲,西歐許多國家如芬蘭、比含有多種微量元素如:As、Hg、V、Pb、zn、Se、Co、Ni利時、法國、德國、意大利等國家也開始重視壓縮成C等,其中許多是有毒有老的重金屬元素。而生型技術及燃燒技術的研究各國先后有了各類成型物質中基本不含重金屬。機及配套的燃燒設備。法國近年來也開始研究壓縮1.2優(yōu)良的經(jīng)濟性(1)我國生物質資源豐富,價格低廉,用生物質塊燃料及燃燒設備,并達到了應用階段。比利時研制成功的“T7”螺旋壓塊機。聯(lián)邦德國KAHL系列作燃料降低了原材料的成本壓粒機及塊狀燃料爐已經(jīng)投入使用。意大利的阿基(2)燃燒充分,燃盡度高因不完全燃燒造成的普公司開發(fā)出一種類似與玉米聯(lián)合收割機那樣的大浪費降低型秸稈收獲、致密成型的大型機械能夠在田間將秸(3)利用生物質纖維的網(wǎng)絡連結作用,可以顯著稈收割、切碎榨汁、烘干、成型,生產出瓦棱狀固體提高生物質成型燃料的強度從而省去粘結劑的使成型燃料,并研制出簡易型燃燒爐具(s6)。用;也沒有后續(xù)烘千工序因此能大大降低加工成20世紀80年代,亞洲除日本外,泰國、印度、菲本律賓、韓國、馬來西亞已建了不少固化、碳化專業(yè)生1.3著火燃燒性能好產廠,并已研制出相關的燃燒設備。國外成型的主玉米秸秤等燃點較低的生物質揮發(fā)分遠高于要設備有顆粒成型機( Pellet press),螺旋式成型機原煤,著火性比煤好,易于點火,即使量少、燃燒強度( Extruder press)機械驅動沖壓成型機( Piston presses弱,也不會造成滅火,提高了著火性能。with mechanical drive)和液壓驅動沖壓式成型機(Ps1.4配套工藝設備較齊全ton presses with hydraulic drive)(7)生物質致密成型技術受到國外發(fā)達國家的普遍20世紀90年代日本、美國及歐洲一些國家生重視,并投入了大量的資金和技術力量研究和開發(fā)物質成型燃料燃燒設備已經(jīng)定型,并形成了產業(yè)化,致密成型技術。目前世界各地的成型燃料主要有兩在加熱、供暖、干燥、發(fā)電等領域已普遍推廣應用。種:壓塊( Briquette)和顆粒(Pelt成型機。根據(jù)成按其規(guī)中國煤化立和熱電聯(lián)產鍋爐型原理的不同成型機可分為:活塞成型機( Piston(Smllheat and power)螺旋式成型機( Extruder pres)、模壓顆粒成型 boilers)CNMHG:木材爐、壁爐、機( Matrix pellet press)和卷扭式成型機( Twist press)顆粒燃料爐、薪柴鍋爐、木片鍋爐、顆粒燃料鍋爐秸118稈鍋爐、其它燃料鍋爐( Wood stoves, Fireplaces,Pel-的壓縮成型機可分為2種:螺旋擠壓式成型( Extrud-let stoves, Boilers for wood chips、 boilers for pellets and er)和液壓沖壓式成型機( Piston presses with hydrauligrain、 Boilers for straw boilers for other fuels)。按燃燒dive),國內螺旋擠壓成型機在運行的曾有800多形式可分為:片燒爐、捆燒爐、顆粒層燃爐等(Chip-臺,單臺生產能力多在10~200kg/h之間,電機功fired boilers or cutting string- fired boilers, Batch-fred率7.5-18kW電加熱功率2-4kW,生產的成型燃boilers or small bale- fired boilers, Pellet- fired boilers料多為棒狀,直徑為50~70mm,單位產品電耗70~etc)8.10)。這些國家生物質成型燃料燃燒設備具100kWh12.3。但目前有部分產品由于多方面有加工工藝合理、專業(yè)化程度高、操作自動化程度因素影響而停產了。由此可看出國產成型加工設備好、熱效率高、排煙污染小等優(yōu)點。但相對與我國存在引進及設計制造過程中都不同程度地存在這樣或在著價格高、使用燃料品種單一、易結渣、電耗高等那樣的技術與工藝方面的問題。螺旋擠壓設備磨損缺點,不適合引進我國。東南亞一些國家生物質成嚴重壽命短(60-80h),耗電高,成型設備單臺生型燃料燃燒設備大多數(shù)為碳化爐與焦碳燃燒爐,直產率低,僅為100-980kg/h,規(guī)模小,不能滿足商業(yè)接燃用生物質成型燃料的設備較少,同時這些燃燒化的要求。對秸稈壓縮成型基礎理論方面的研究很設備存在著加工工藝差、專業(yè)化程度低熱效率低、薄弱,無法滿足生物質壓縮成型設備開發(fā)與生產的排煙污染嚴重、勞動強度大等缺點燃燒設備還未定需要。對秸稈成型燃料燃燒理論及燃燒特性方面的型,還需進一步的研究、實驗與開發(fā)。這些國家生物研究不夠深人,先進的秸稈成型燃料專用燃燒設備質成型燃料燃燒設備也不適合引進我國。隨著全球少,限制了秸稈成型燃料的大量生產,嚴重制約了秸性大氣污染的進一步加劇,減少CO2等有害氣體凈稈成型行業(yè)的發(fā)展。這就有待于人們去深人研究、排放量已成為世界各國解決能源與環(huán)境問題的焦開發(fā),逐漸解決秸稈在成型方面的問題物質成型燃料燃燒CO2的凈排放量基本我國秸稈成型原料豐富,成型后的燃料具有體為0,NOx排放量僅為燃煤的1/5,S02的排放量僅為積小,密度大,儲運方便,成型燃料致密,無碎屑飛燃煤的1/10,因此生物質成型燃料直接燃用是世界揚,使用方便、衛(wèi)生,燃燒持續(xù)穩(wěn)定,燃燒效率高的特范圍內解決生物質高效、潔凈化利用的一個有效途點。燃燒后,灰渣及煙氣中污染物含量小,是清潔能源,有利于環(huán)境保護,因此生物質成型燃料是高效潔2.2我國生物質成型燃料及燃燒設備發(fā)展現(xiàn)狀凈能源,可替代礦物能源用于生產與生活領域。成我國成型燃料開發(fā)研究工作起步較晚,從20世型燃料的競爭力也會隨著礦物能源價格上漲,對環(huán)紀80年代,由于能源危機,生物壓塊作為一種可再境污染程度增加及生物質成型燃料技術水平提高、生能源得到人們的重視,便開始對生物質固化成型規(guī)模增大、成本降低而不斷增強。在我國未來的能燃料進行研究?！捌呶濉逼陂g,中國林業(yè)科學院林產源消耗中將占有越來越大的比重,應用領域及范圍化工所通過對引進的樣機消化吸收,系統(tǒng)地進行了也逐步擴大成型工藝條件實驗完成了木質成型設備的試制,并對生物質成型燃料燃燒的理論研究和技術研究建成了年產1000棒狀燃料生產線。其后西北農業(yè)是推動生物質成型燃料推廣應用的一個重要因素。大學對該技術的工藝做了進一步的研究和探討。先目前我國對秸稈成型燃料燃燒所進行的理論研究很后研制出了X-7.5,Ⅸ-11,S-80A三種型號的少,對生物質成型燃燒的點火理論、燃燒機理、動力秸稈燃料成型機。“八五”期間,作為國家重點攻關學特性、空氣動力場、結渣特性及確定燃燒設備主要項目,中國農機院能源動力研究所,遼寧省能源研究設計參數(shù)的研究才剛剛開始。關于生物質成型燃料所、中國林業(yè)科學院林產化工所、中國農業(yè)工程研究特別是秸稈成型燃料燃燒設備設計與開發(fā)幾乎是個設計院對生物質沖壓擠壓式壓塊技術裝置進行了空白。20世紀以來北京萬發(fā)爐業(yè)中心從歐洲(荷攻關,推進了我國對固化成型研究工作。隨著生物蘭、比利時)引進、吸收、消化生物質顆粒微型爐(壁質致密技術和碳化技術的研究成果出現(xiàn),我國生物爐、水暖爐、炊事爐具)。這些爐具適應燃料范圍窄質致密成型產業(yè)也有一定的發(fā)展。20世紀9年代只適用木材制成的顆粒成型燃料,而不適合于以秸以來我國部分省市能源部門、鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)及個體生產稈、野中國煤化工是秸稈、野草中含者積極引進成型技術,創(chuàng)辦生產企業(yè),全國先后40有較多個中小型企業(yè)開展了這方面的工作,并進行了產影響CNMHG極易形成結渣而國情。在我國業(yè)化生產,形成了固化成型的良好勢頭。我國發(fā)展些單位為燃用生物質成型燃料,在未弄清生物質成型燃料燃燒理論及設計參數(shù)的情況下,盲目把原有燃料的燃燒特性和燃燒技術等方面做大量的基礎性的燃燒設備改為生物質成型燃料燃燒設備,但改造工作,也需要繼續(xù)不斷的努力推廣成型燃料制造設后的燃燒設備仍存在著空氣流動場分布、爐膛溫度備及燃燒裝置場分布、濃度場分布、過量空氣系數(shù)大小受熱面布參考文獻置等不合理現(xiàn)象,嚴重影響了生物質成型燃料燃燒〔1〕駱仲泱,周勁松,王樹榮,余春江,方夢祥,岑可法正常速度與工作狀況。致使改造后的燃燒設備存在中國生物質能利用技術評價.中國能源204,26(9):39著熱效率低,排煙中的污染物含量高,易結渣等問題[2]Food and Agriculture Organization o the United Nations為了使生物質成型燃料能穩(wěn)定、充分燃燒,根 AO Environment and Energy Pape. The Briquetting of agric據(jù)生物質成型燃料燃燒理論、規(guī)律及主要設計參數(shù)tural Waster for fuel, 1991, (11): 4-6[3)P D Grover, SK Mishra. Proceedings of the重新設計與研究生物質成型燃料專用燃燒設備是非orkshop on Biomass Briqueting[ M]. New Delhi, India, 1996,32常重要的,也是非常緊迫的。2006年至今,吉林大學承擔了吉林省重大科技[4]Faborode M0, Callaghan J.R. Optimizing the compr發(fā)展計劃有關生物質成型燃料及鍋爐的研究項目。 sion Briquetting of Fibrous Agricultural Materials((. Journal of A對生物質成型燃料的理化特性、燃燒特性、排放特性 gricultural Engineering Research,1987,38(4):245-262.及成型規(guī)律等基礎性研究做了大量工作,研究成果〔5〕 Neale M.A. Research and Development for on-Fan具有一定的創(chuàng)新性和實用性。吉林大學研制出氣化 Straw Packaging Machines.Sumw: A Valuable material,hood燃燒換熱一體化生物質鍋爐,經(jīng)吉林省能源利用檢tional Conference, Cambridge England, October測中心熱工檢測和吉林省環(huán)保產品質量檢驗站環(huán)保987,120-132.[6]Dogherty M.J.A Review o the mechanical Behaviour o測試的結果表明,樣機各項指標已超過國內其它類 Straw When Compressed to high dens,Ae.EpBe型生物質鍋爐的指標。1989,44:243-285.3發(fā)展生物質成型燃料的前景[7]Ayhan Demiras, ayse Sahin. Evaluation of Biomass Reside(1)Briqueting Waste Paper and Wheat Straw Mixtures[J].Fuel中國是當今世界燃煤工業(yè)鍋爐生產和使用最多 Processing Technol,98,(55):85-19的國家。工業(yè)鍋爐總量已超過50萬臺120萬蒸噸,[8]J W Taylor, L. Hennah. The affect of每年燃用全國原煤產量的1/3燃煤使工業(yè)鍋爐的熱 ments during Briqueeting on the Strength of Formed效率降低,而且造成對環(huán)境的嚴重污染。據(jù)統(tǒng)計:我91,(70):80-85國每年排入大氣的污染物中,80%的CO2、79%的塵[9JLaunhardt Thomas. How Clean Do Chip Fumace.Bum埃87%的SO、69%的NO2來源于煤的直接燃燒。 measuring Emissions from Domestic Wood Chip Furnaces All ActBavaria[J]. Lan Technik, 1999, 54(1): 28-35.針對這種狀況,為了提高鍋爐熱效率和減少污染排[10]Faborode M0, Callaghan J. R. Theoretical Analysis of放在改進工業(yè)鍋爐及配套產品結構的同時,應同時 the Compression of Fibrous agricultural materials). oumal of a改變工業(yè)鍋爐長期燃用原煤的狀況,而發(fā)展和推廣 gricultural Engineering Research1935(3):170-19潔凈生物質成型燃料是經(jīng)濟而有效的途徑〔11〕李保謙張百良,馬孝琴.液壓驅動式秸稈成型技國家大力支持發(fā)展生物質能源,2005年頒布了術研究及其產業(yè)化[C.00年國際可再生能源研討會論文《中華人民共和國可再生能源法》,200年農業(yè)部發(fā)集,20002-206布了《農業(yè)生物質能產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》?！吨泄仓醒雵?2〕王民郭康權.秸稈制作成型燃料的試驗研究務院關于積極發(fā)展現(xiàn)代農業(yè)扎實推進社會主義新農農業(yè)工程學報,193,.9(1):9-10B村建設的若干意見》提出,“以生物能源、生物基產品〔13〕何元斌.生物質壓縮成型燃料及成型技術(二)和生物質原料為主要內容的生物質產業(yè)是拓展農(.農村能源,195,(6):19-2〔14〕馬孝琴,李剛.小型燃煤鍋爐改造成秸稈成型燃料業(yè)功能促進資源利用的朝陽產業(yè)”。生物質成型燃鍋爐的前景分析(.農村能源01,(0):20-2料技術是生物質能源推廣應用中的最經(jīng)濟可行的技〔15張永照,劉全勝,張永福.廢棄物燃燒特性的試驗術之一,符合國家的能源政策和環(huán)保政策,前景十分研究中國煤化工,11):42-46廣闊?？偟膩碚f,我國在生物質成型燃料研究與國外業(yè)大CNMHG的研究(河南農相比還存在著一定的差距,需要對我國生物質成型120