生物质能利用

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不同形态生物质燃烧技术现状和展望

《新能源产业专辑》杂志2007年第四期 刘圣勇，刘小二，王 森 [河南农业大学机电工程学院]

2007-10-31

摘 要：介绍了生物质燃料燃烧特性，生物质成型燃料、生物质草捆、生物质粉体和生物质燃气这几种不同形态生物质燃烧技术的现状，分析了生物质燃烧过程中的沉积腐蚀问题，并展望了生物质燃烧技术的发展方向。

关键词：生物质；秸秆；燃烧技术；现状；展望

Current situation and prospect of

combustion technologies for different forms of biomass

Liu Shengyong, Liu Xiao’er, Wang Sen

(Key Laboratory of Renewable Energy of Ministry of Agriculture, Electrical and Mechanical? Engineering College, Henan Agricultural University, Zhengzhou, 450002,China)

Abstract：In this paper，the characteristics of biomass fuels，and current situation of combustion technologies for biomass briquette，biomass bale，biomass powder and biomass gas were introduced. The

problem of deposit and corrosion during biomass combustion was analyzed. At last，the prospect for the development trend of biomass combustion technologies was forecasted.

Key words：biomass; straw; combustion technologies; current situation; prospect

0引 言

生物质能与化石能源相比，具有可再生和低污染的优势，因此受到全世界普遍的重视，并已成为新能源的发展方向之一。生物质能主要通过直接燃烧、气化、液化和厌氧发酵加以利用。生物质因具有挥发分高、炭活性高、N和S含量低，灰分低，生命周期内燃烧过程CO2零排放等特点，特别适合燃烧转化利用，是一种优质燃料[1]。生物质燃烧技术按其形态的不同可分为生物质成型燃料的燃烧技术、生物质捆烧技术、生物质粉体燃烧技术和生物质燃气燃烧技术等，就中国的基本国情和生物质利用水平而言，生物质燃烧技术无疑是最简便可行的高效利用生物质资源的方式之一。

1生物质燃料的燃烧特性

生物质作为燃料与煤相比有许多差别，其差别列于表1中。由表1可看出，生物质的挥发分远高于煤，灰分和含碳量远小于煤，其热值小于煤，生物质这种燃料特点就决定了它的燃烧具有一定的特性。

表1 生物质燃料与煤的成分区别

燃料种

C/%

O/%

H/%

S/%

A/%

V/%

密度/t.m-3

类

生物质 38～燃料 煤 炭

50 55～90

30～44 3～20?

5～6 3～5

0.10～0.20 0.40～0.60

4～14 5～25

65～70

0.47～0.

7～38 0.80～1.00

生物质燃料的燃烧过程主要分为挥发分的析出、燃烧和残余焦炭的燃烧、燃尽两个阶段[2]，其燃烧过程的特点是：

（1）生物质水分含量较多，燃烧需要较高的干燥温度和较长的干燥时问，产生的烟气体积较大，排烟热损失较高；

（2）生物质燃料的密度小，结构比较松散，迎风面积大，容易被吹起，悬浮燃烧的比例较大；

（3）由于生物质发热量低，炉内温度场偏低，组织稳定的燃烧比较困难；

（4）由于生物质挥发份含量高，燃料着火温度较低，一般在250℃～350℃温度下挥发分就大量析出并开始剧烈燃烧，此时若空气供应量不足，将会增大燃料的不完全燃烧损失；

（5）挥发分析出燃尽后，受到灰烬包裹和空气渗透困难的影响，焦炭颗粒燃烧速度缓慢、燃尽困难，如不采取适当的必要措施，将会导致灰烬中残留较多的余碳，增大机械不完全燃烧损失。

由此可见，生物质燃烧设备的设计和运行方式的选择应从不同种类生物质的燃烧特性出发，才能保证生物质燃烧设备运行的经济性和可靠性，提高生物质开发利用的效率。

2不同形态生物质燃烧技术

2.1 生物质成型燃料燃烧技术

生物质成型燃料是将秸秆、稻壳、锯末、木屑等生物质废弃物，用机械加压的方法，使原来松散、无定形的原料压缩成具有一定形状、密度较大的固体成型燃料，其具有体积小、密度大、储运方便；燃烧稳定、周期长；燃烧效率高；灰渣及烟气中污染物含量小等优点。

美国在20世纪30年代就开始研究压缩成型燃料技术及燃烧技术，并研制了螺旋压缩机及相应的燃烧设备[3]；日本在20世纪30年始研究机械活塞式成型技术处理木材废弃物，19年研制成棒状燃料成型机及相关的燃烧设备；70年代后期，西欧许多国家如芬兰、比利时、法国、德国、意大利等国家也开始重视压缩成型技术及燃烧技术的研究，各国先后有了各类成型机及配套的燃烧设备；20世纪80年代，亚洲除日本外，泰国、印度、菲律宾、韩国、马来西亚已建了不少固化、碳化专业生产厂，并已研制出相关的燃烧设备。到20世纪90年代，日本、美国及欧洲一些国家生物质成型燃料燃烧设备已经定型，并形成了产业化，在加热、供暖、干燥、发电等领域已普遍推广应用。但国外的这些燃烧设备与中国相比，存在着价格高、使用燃料品种单一、易结渣、电耗高等缺点，不适合引进中国。

从20世纪80年代引进螺旋推进式秸秆成型机，中国生物质压缩成型技术的研究开发已有二十多年的历史。到目前为止，中国已研制出机械冲压成型机、活塞式成型机、液压式成型机、辊压式成型机等多种成型机械。但是，相应的专用生物质成型燃料燃烧设备的研制还很少。一些单位为燃用生物质成型燃料，在未弄清生物质成型燃料燃烧特性的情况下，盲目把原有的燃煤燃烧设备改为生物质成型燃料燃烧设备。改造后的燃烧设备仍存在着空气流动场分布、炉膛温度场分布、浓度场分布、过量空气系数大

小、受热面布置等不合理现象，严重影响了生物质成型燃料燃烧正常速度与正常状况[4，5]，致使改造后的燃烧设备存在着热效率低，排烟中的污染物含量高，易结渣等问题[6，7]。

2003年河南农业大学[8]提出了生物质成型燃料燃烧的理论，研制出一台双层炉排生物质成型燃料锅炉。该燃烧设备采用双层炉排结构，即在手烧炉排一定高度另加一道水冷却的钢管式炉排。双层炉排的上炉门常开，作为投燃料与供应空气之用；中炉门用于调整下炉排上燃料的燃烧和清除灰渣，仅在点火及清渣时打开；下炉门用于排灰及供给少量空气，正常运行时微开，开度视下炉排上的燃烧情况而定。上炉排以上的空间相当于风室，上下炉排之间的空间为炉膛，其后墙上设有烟气出口。烟气出口不宜过高，以免烟气短路，影响可燃气体的燃烧和火焰充满炉膛，但也不宜过低，以保证下炉排有必要的灰渣层厚度（100mm～200mm）。这种燃烧方式，实现了生物质成型燃料的分步燃烧，缓解生物质燃烧速度，达到燃烧需氧与供氧的匹配，使生物质成型燃料稳定、持续、完全燃烧，起到了消烟除尘作用。

2.2 生物质捆烧技术

欧盟许多成员国具有丰富的可再生能源，生物质秸秆捆烧技术发展迅速，以丹麦、比利时、法国的生物质草捆燃烧技术发展最为成熟。美国、日本等国也已发展起生物质捆烧技术，并形成产品系列化，在一些区域得到推广应用。丹麦具有各种小型、中型及大型打捆机，能生产各种型号的生物质秸秆捆，适应不同层次的燃烧设备。生物质锅炉型号也比较齐全，主要有以下三种锅炉系统[9]：

1）以片状草捆为燃料的系统

整个草捆被液压切片机切成片后由活塞式输送机推入锅炉。在切片之前，将草捆举至与液压切片机垂直的位置，然后从草捆底部开始切片。

2）连续燃烧（cigar）整个草捆的系统

此类锅炉没有把草捆切碎，而是将多个完整草捆排成一列连续不断地推入炉膛内首先起重机把草捆置于料箱中，由液压驱动的活塞式输送机将其推入通道中，然后再把草捆推至位于炉墙上的燃烧器处。秸秆在此释放出挥发分，并通入大量的二次空气将其完全燃烬。此时仍然向前推进草捆，没有燃烬的秸秆和产生的灰分落在了水冷炉排上最后燃烬。

3）燃烧整个草捆的锅炉系统

起重机将秸秆放入防火通道中，将其运至料箱中，随后预热室的炉门打开，草捆进入预热室。预热室几乎是一个“气化室”，草捆在预热室内被已有的燃料点燃。根据引入空气位置的不同，草捆的前部或顶部开始部分燃烧。根据烟气温度和浓度来控制空气量。安装在预热室底部的传输设备将正在燃烧的草捆运送至灰室出口处。

国外燃烧打捆生物质的设备由于价格昂贵、关键技术不轻易转让、型号过大，不适合中国当地秸秆分散的实际情况等原因，不适合大规模引进中国。中国对生物质秸秆捆烧技术理论及应用研究才刚刚起步，燃烧打捆生物质的设备还很少，很多技术问题还有待解决。我国已经具有了发展生物质秸秆捆烧锅炉技术的基础条件。各种型号的打捆机已经市场化，设备也已定型，专业化秸秆打捆机生产厂家也很多，如：山东广饶石油机械股份有限公司、中收分公司、上海电气现代农业装备成套有限公司、石家庄农牧机械厂等[7]。打捆机的种类也很多，有小麦秸秆打捆机、玉米秸秆打捆机、牧草打捆机等多种类型。打捆的秸秆一部分用作畜牧厂的饲料，

但由于秸秆资源量大，除作畜牧饲料外，还有较多的剩余，必有一部分打捆秸秆用作燃料。

北京龙基电力有限公司[10]引进了丹麦BWE公司的秸秆生物发电技术, 并在国内独家代理、生产BWE公司的生物质能发电锅炉及全部配套设备[8]，其燃料燃烧技术即为生物质捆烧技术。中国计划在河北晋州、山东单县、江苏海安、江苏如东县、河南鹿邑、河南浚县、 黑龙江庆安、北京平谷区、山东寿光 、博兴、东营、 高密、 德州、 历城等地先后建立示范项目。

2.3? 生物质粉体燃烧技术

为了改善积灰结渣给燃烧炉带来的负面影响，超细化煤粉已广泛用于煤的再燃烧和提高燃煤效率等领域。同时，生物质燃烧中也存在积灰结渣的问题，为了改善其在生物质燃烧设备中带来的负面影响，华中科技大学[11]结合国内生物质能的开发现状，研制出一种生物质粉体燃烧技术。将农业废弃物用破碎机破碎成粉体后，由进料装置喷入研制的立式双回旋燃烧炉直接燃烧。一次风为输料进风，与粉体均匀混合形成风粉气流；二次风切向进入，主要用于改善炉内气流状态。5支镍铬一镍硅热电偶自下而上依次测点火室、主燃室、扩散室、回流室和炉膛的温度，温度由SWJ一Ⅲk精密数字温度计显示，不同点温度由换位器转换触点测得。此装置能最大限度地提高燃烧温度和燃烧效率，并能减轻结渣腐蚀对燃烧产生的不利影响，且其控制可以借鉴燃气控制方式，操作简便。

通过华中科技大学实验结果与分析，生物质粉体燃烧的主要结论有：（1）生物质粉体比表面积大，加速了挥发分的析出速度，减小了固定碳的粒径，提高了燃烧速度和效率。（2）生物质粉体在燃烧炉中悬浮燃烧，燃烧性状近似于气体燃料，因而可考虑类似于气体燃料的燃烧和控制方

式。同时燃烧炉体积参数很关键，要特别防止出现粉体燃烧量超过燃烧炉容量极限的情况。（3）次风对燃烧效果没有显著影响，但作为风粉浓度的微调机制，现场燃烧状况的辅助调节是非常必要的。（4）风粉的体积参数和粉体粒径对燃烧至关重要。风粉浓度控制在250g/m3左右，粉体粒径为0.177mm时，燃烧充分，温度高，结渣现象得到改善，且经济合理。（5）粉体燃烧模型可概括为三段式燃烧即点火和挥发分的析出、挥发分的燃烧和固定碳的回流燃烧。

2.4? 生物质燃气燃烧技术

生物质气化是以农作物秸秆、林业废弃物等为原料，在缺氧或无氧环境中通过热化学反应制取可燃性气体的技术。农作物秸秆和林业废弃物经气化炉产生的可燃性气体通过净化、储存稳压和管道输送，为用户提供气体燃料。目前生物质气化技术的应用领域主要是农村炊事用能和燃气发电。对于直接供热利用，虽有文字报道具备可行性，但具体技术设备还很少。生物质燃气供热利用的关键技术在于燃气燃烧装置的开发。由于生物质气化技术的使用范围远远小于其它气体燃料， 使得该类气体燃烧器的开发也相对落后。开发大负荷生物质燃气燃烧装置成为生物质气化技术向大规模工业化应用发展的基本前提。

生物质燃气是一种特殊的燃气。其特点是热值较低而密度较大，其流量特性及燃烧特性有其自身的规律性，不同于一般的城市用燃气。生物质燃气成分如表2所示。

表2生物质燃气成分

气体名称 H2 CO CH4 C2H4

体积百分比 13.0～19.0 18.6～19.8 1.8～4.0 0.2～0.76

气体名称 C3H6 CO2 O2 N2

体积百分比 0.1～0.14 10.6～12.2 1.6～1.9 44.1～52.2

由表2可以看出，生物质燃气的主要可燃成分是一氧化碳、氢气、少量甲烷和烃类。其所含的氮气主要是由作为气化介质的空气带入, 对燃气来说是无效成分。

根据上述生物质燃气特性，河南农业大学[12]研制的BCT-1型生物质燃气燃烧器采用鼓风扩散式燃烧，使用柴油作为点火介质,燃烧过程实现自动控制。该燃烧器适用于多种生物质气化燃气，试验表明燃烧器在稳定工作条件下燃烧效率为98%，烟气CO含量小于1×10-6，各项性能指标达到燃气燃烧器的基本要求。东北林业大学[13]按照其燃烧特性设计出一种工业用的大功率生物质燃气燃烧器。该燃烧器属于低压引射大气式燃烧器， 可用于工业直接供热。该燃烧器燃烧充分，燃烧效率达到95%以上，符合燃气燃烧器的基本要求，热负荷达到900kW以上，高效节能、低污染、通用性好、易于点火、燃烧稳定。该燃烧器功率大，可用于工业直接供热，是一种大功率生物质燃气专用燃烧器。

3生物质燃烧过程中的问题

在生物质燃烧过程中，因生物质含有较多的氯和碱性物质（尤其是农作物秸秆），燃烧时易在受热面上形成沉积腐蚀问题，即生物质在燃烧过程中，含有较多碱金属等矿物质成分的飞灰颗粒粘结在燃烧设备各部分受热面上形成沉积，造成受热面的沾污，继而带来受热面的腐蚀问题。

对于秸秆燃烧过程中在燃烧设备受热面上形成的沉积腐蚀问题，在国外，尤其是发达国家，如丹麦、美国等，由于这些国家对秸秆直接燃烧技术开发、利用较早，较先遇到这个问题，研究得较多；在发展中国家，这方面的工作开展得较晚，资料很少

Baxter[14]等研究了原生秸秆燃烧时形成的沉积，认为沉积率在燃烧早期最大，然后会单调递减。丹麦S·ren Knudsen K.R[15]利用CDF模型分析后认为：秸秆燃烧后所引起的积灰、结焦与燃烧器和化学反应模式及燃烧过程中释放的气体和飞灰颗粒有关。B.M.Jenkins[16]等通过试验发现，通过煤与生物质共燃，可以大大降低生物质燃烧带来的熔渣和灰污问题，但是混和燃烧的比例还没解决。宋鸿伟[17]认为在燃烧过程中，硫元素可以被钙元素捕捉，硫酸钙是过热器管表面灰颗粒的粘合剂，能够加重积灰结渣的程度。为防止沉积腐蚀问题的发生，可以考虑如下措施：1）对生物质燃料采用水洗法的预处理方式，这样可有效去除生物质（秸秆）中的碱金属和氯；2）将添加剂与生物质混烧，目前采用的添加剂有：煤、石灰石、AL2O3、CaO、MgO、白云土、高岭土、硅藻土等；3）在受热面的表面上喷涂耐腐蚀材料及采用吹灰、刮板法等机械方式。

4生物质燃烧技术的展望

为进一步加快生物质秸秆的利用步伐，各地也都出台了相关扶持。生物质秸秆利用研究已成为科研单位及企业科研攻关的热点，其利用途径主要包括：秸秆发酵、秸秆气化及秸秆燃烧等利用途径。其中秸秆发酵利用由于生产效率低、木质素降解度低及温度要求高、冬季无法利用等原因，已成为秸秆发酵利用的瓶颈，研究进展缓慢；秸秆气化虽然生产效率提高了，冬季也可以利用，但由于气化的成分中主要成分是无色无味的剧毒气体CO，安全隐患巨大，许多地方已经禁止使用该技术；而秸秆燃烧由于生产效率高，适应性强等优点，成为科研单位主要研究方向。但

秸秆直接散烧，由于秸秆单位体积能量低，密度小（20kg/m3～40kg/m3），散烧时费力费时，运输不方便成本高等，了散烧的规模化应用。秸秆成型燃料虽然单位体积能量高，但密度过大（密度可达800kg/m3～1100kg/m3），再者由于生物质秸秆经过成型机压缩成型时，要耗费大量的优质电力资源（90kW·h/～120kW·h/t），而且生产效率低（50kg/h～80kg/h）以及成型机成本和维修费用过高等问题，影响了秸秆成型燃料燃烧推广应用。而秸秆打捆整体捆烧技术是散烧和成型燃烧发展的必然产物，它摒弃了前两者的不足，集两者的优点于一身，具有秸秆打捆密度适中(密度为90kg/m3～100kg/m3)，耗电少（30kW·h/t），与秸秆成型燃料相比每吨燃料可节省60～90度电，节约燃料费30～45元/t，同时生产效率高，燃烧效果好，易利用等优点，成为秸秆燃烧利用技术的主要发展方向。

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生物质致密成型技术研究现状与发展

《新能源产业专辑》杂志2007年第四期 赵廷林，舒 伟，邓大军，曹冬辉，

王 鹏 [河南农业大学机电工程学院] 2007-10-31

摘要：综述了生物致密成型技术的原理、类别和特点，介绍了生物质致密成型技术在国内外的发展现状，阐明了生物质致密成型技术需要解决的问题，提出了中国生物质致密成型技术的发展方向。

关键词：生物质成型；成型机；影响因素；发展方向

Present research status and development

of biomass briquette technologies

Zhao Tinglin, Shu Wei, Deng Dajun, Cao Donghui, Wang Peng

(Key Laboratory of Renewable Energy of Ministry of Agriculture,Mechanical

and

Electrical

Engineering

College, Henan Agricultural University, Zhengzhou, 450002, China)

Abstract：The principle, classification and property of biomass briquette technologies and the influencing factors of biomass briquette were reviewed. The present development of biomass briquette technologies abroad and at home was introduced, the problems that should be solved for biomass briquette technologies were described, and the development direction of biomass briquette technologies in China was presented.

Key words：biomass briquette; briquette machine; influencing factor development direction

1生物质致密成型技术的原理及工艺

1.1生物质致密成型原理

生物质致密成型技术是指具有一定粒度的农林废弃物（锯屑、稻壳、树枝、秸秆等）干燥后在一定的压力作用下（加热或不加热）， 可连续挤压制成棒状、粒状、块状等各种成型燃料的加工工艺，有些致密成型技术还需要加入一定的添加剂或黏结剂。一般生物质致密成型主要是利用木质素的胶黏作用。农林废弃物主要由纤维素、半纤维

素和木质素组成，木质素为光合作用形成的天然聚合体， 具有复杂的三维结构，是高分子物质，在植物中含量约为15%～30%。当温度达到70～100℃，木质素开始软化，并有一定的黏度。当达到200～300℃时，呈熔融状，黏度变高。此时若施加一定的外力，可使它与纤维素紧密粘结，使植物体积大量减少，密度显著增加，取消外力后，由于非弹性的纤维分子间的相互缠绕，其仍能保持给定形状，冷却后强度进一步增加，成为成型燃料[1]。

生物质原料经挤压成型后，体积缩小，密度可达1t/m3左右， 含水率在20%以下，便于贮存和运输[2]。成型燃料在燃烧过程中热值可达16000kJ/kg左右，并且“零排放”，即基本不排渣、无烟尘、无二氧化硫等有害气体，不污染环境[3]，热性能优于木材，体积发热量与中质煤相当，可广泛用于民用炊事炉、取暖炉、生物质气化炉、高效燃烧炉和小型锅炉[4]，是易于进行商品化生产和销售的可再生能源。

图2 活塞挤压成型部件结构示意图

1.2 生物质致密成型技术分类及特点

生物质致密成型工艺有多种，根据工艺特性的差别，可划分为冷压致密成型、热压致密成型和碳化致密成型。

（1）冷压致密成型 冷压致密成型一般是辊压成型， 有水平轴式环模挤压成型、垂直轴式环模挤压成型和平面辊压成型。冷压致密成型工艺常用于含水量较高的原料。原料进入成型室后，在压辊或压模的转动作用下，进入压模与压辊之间，然后挤入成型孔，从成型孔挤出的原料被挤压成型，再用切刀切割成一定长度的颗粒状或块状燃料。该机型主要用于木材加工厂的木屑和秸秆碎料。成型设备一般比较简单，价格较低，但由于死角较大，引起无用能耗大，成型部件磨损较快。工作中易出现辊轮和成型孔堵塞现象。且由于燃料湿度较大，不含黏结剂，易吸湿变形，不利于长期保存、运输和使用。

（2）热压致密成型 热压致密成型有螺杆致密成型、 活塞致密成型和冲压致密成型。热压致密成型工艺过程一般分为原料粉碎、干燥、挤压、加热、保型等几个环节。螺杆致密成型机是开发应用较早的生物质热压成型设备，主要包括驱动机、传动部件、进料机构、压缩螺杆、成型套筒和电加热等几部分。工作过程是将粉碎后的生物质经干燥后，从料斗中加入，螺旋推挤进入成型套筒中，并经螺杆压成带孔的棒状成品，连续从成型套筒中挤出。制约螺杆成型机发展的主要技术问题是螺杆和成型套筒磨损严

重，使用寿命短。活塞和冲压式致密成型机改变了成型部件与原料之间的作用方式，在大幅提高成型部件使用寿命的同时，也降低了单位产品的能耗。原料经粉碎后，通过机械或风力形式送入压缩间。活塞或冲头前进时，把原材料压紧成型，并送入保型筒。活塞和冲压成型机一般造价较高，且振动噪声大， 由于间断挤压，成型块质量有时有高低反差。特别是要求原料含水率较小，否则会使成型燃料膨胀、松散、甚至出现危险的“放炮”现象。

（3）碳化致密成型 炭化成型工艺的基本特征是，首先将生物质原料炭化或部分炭化，然后再加入一定量的黏结剂挤压成型。由于原料纤维素结构在炭化过程中受到破坏，高分子组分受热裂解转换成炭，并放出挥发分，使成型部件的磨损和能耗都明显降低。但炭化后的原料维持既定形状的能力较差，所以一般要加入黏结剂[5]。碳化致密成型设备比较简单，类似于型煤成型设备。

2生物质致密成型技术的研究重点

2.1 压缩特性分析

秸秆在压缩过程中，是在一定压力（温度）下，通过秸秆的塑性变形和其本身的木质素软化固化成型的。在压缩过程中可分为3个阶段[6]：松软阶段（压力0MPa～8MPa），过渡阶段（压力8MPa～13MPa）和压紧阶段（压力13MPa～30MPa）。在压力较小时，压块密度随压力的增大显著增大，但达到压紧阶段后，变化缓慢，趋于常数[7]。

一般情况下，在压力为15MPa时，压块的成型效果就较好， 将压力控制在15～30 MPa范围内就可以达到成型。国内外许多学者研究了生物质压缩力和压缩密度的关系，建立了相应的数学模型。这些成果都是关于压缩力、压缩密度、压缩量的关系，但不能估算最终的压缩密度。

2.2 原料的特性对成型的影响

生物质原料具有流动性差、相互牵连力较大的特性，是成型喂入和压缩的瓶颈。对于不同的原料、不同的含水率、不同的粒度，压缩特性有很大的差异，并对成型过程和产品质量有很大的影响[8]。当原料水分过高时，加热过程中产生的蒸汽不能顺利地从燃料中心孔排出，造成表面开裂，严重时产生爆鸣。但含水率太低，成型也很困难，这是因为微量水分对木素的软化、塑化有促进作用。成型原料的含水率一般在15%左右。植物秸秆易压缩,在压力作用下变形较大，压缩比在9～12之间，木屑废料较难压缩，压缩比在5～9之间。粒度小的原料容易成型，粒度大的较难压缩。生物质的特性对于解释和说明物质的机械变化过程很有价值，但关于特性研究的报道不多。

2.3 压块能耗的研究

对于一个生物质成型装置来说，能耗是一个非常重要的性能指标，能耗是指在单位时间内生产成型燃料所消耗的能量与该时间内生产的成型燃料质量的比值。压缩成型的能耗主要包括三部分：原料喂人所消耗的能量；物料与

成型部件内壁摩擦所消耗的能量；克服物料弹性变形所需的能量。影响成型机能耗的主要因素有:成型燃料的密度，生产率，物料的种类，粒度和含水率等。

3国内外生物质致密成型研发概况

3.1 国内情况

在生物质成型方面，近年来国内科研单位加大了研究力度，取得了明显进展。清华大学清洁能源研究与教育中心已开发出生物质颗粒燃料冷成型技术和设备，并在北京怀柔区组织了示范项目[9]，环境科学与工程系也有相关研究[10]。浙江大学生物机电工程研究所能源清洁利用国家重点实验室在生物质成型理论、成型燃料燃烧技术等方面进行了研究[11]。农业部南京农业机械化研究所与江苏正昌集团、牧羊集团等国内知名机械装备制造商研究生产生物质利用设备[12]，山东大学机械工程学院[13]、华中科技大学化学与化工系[14]、北京林业大学工学院等都对生物质成型燃料进行了研究。中国林科院林产化学工业研究所从20世纪80年始研究开发林木生物质原料和农业废弃物的成型技术。东南大学、中科院广州能源研究所、 湖南农业大学、中国农机院可再生能源与环境研究所等也进行了一些特色研究[15]。国内一些生产颗粒饲料的厂家也开始在原设备的基础上生产生物质致密成型燃料。河南农业大学农业部可再生能源重点实验室从1992年开始相继开发生产了液压式、辊压式和螺杆式生物质致密成型机，并以进行小批量生产，取得了较好的社会效益和经济效益。

3.2 国外情况

美国在20世纪30年代就开始研究生物质致密成型燃料技术及其燃烧技术，并研制了螺旋压缩机及相应的燃烧设备[16]，日本在20世纪40年始研究机械式活塞式致密成型技术处理林业废弃物，与19年成功研制出了单头、多头螺杆挤压棒状致密成型机[17]，80年代建立了年产600t的固体原料工厂（煤75%，生物质25%）[18]。在亚洲，泰国、印度等国也建立了不少生物质致密成型燃料专业生产厂。目前，德国有100多家颗粒成型燃料工厂，主要以木屑、木片、枝、边角料等生物质为原料。瑞典有生物质颗粒成型燃料加工厂10多家，企业的年生产能力达到了20多万吨[19]。

4生物质致密成型技术的问题和建议

4.1 成型机的问题

生物质成型机目前初具规模，但要真正实现产业化， 还有一些技术障碍亟待解决。现在大部分机组可靠性能差，运行不平稳，易损件使用寿命太短，维修和更换不方便。技术较成熟的螺旋挤压式成型机的螺杆寿命极其有限，由于物料的压缩是靠螺杆和出料套筒配合完成的， 螺杆的几何尺寸和出料筒的几何尺寸必须在一定的范围内，才能在较快的挤出速度下获得较大密度的成型燃料[20]。螺杆是在较高温度和压力下工作的，与物料始终处于干摩擦状态，

导致螺杆的磨损非常快。螺杆磨损到一定程度时，会与出料套筒失去尺寸配合，使成型无法进行。总体上来看，液压活塞式和辊压式致密成型机较为合理，建议加大研制力度，开发出适合生物质特性的致密成型机。

4.2 成型原料问题

生物质原料的特点是具有季节性、分散性，因此严重的影响了生物质致密成型燃料的工业化生产，根据中国特色，必须考虑生物质的收集半径。建议采取分散设点加工及就地使用和集中调配使用的方法。解决上述问题。考虑到收集范围问题，生物质致密成型设备的生产率不宜过大。

4.3 配套设备问题

由于成型机对原料的粒度和含水率要求较高， 而成型设备自动化低、粉碎、干燥、进料和包装设备没有形成配套的生产线，工作时原料往往达不到生产要求。建议在研制和生产生物质致密成型设备的同时，要配套相应的粉碎和干燥设备。

5生物质致密成型技术的发展前景

生物质成型技术的优点是绝对的环保性和良好的经济性。以往由于对其不完全了解，造成推广受到一定程度的。可以预见，随着该技术一些关键问题的解决，保护自然生态环境意识的日益加强和国家相应配套的通

过， 市场覆盖率将逐渐扩大。同时必须清楚地认识到，由于多种因素影响，短期内不能期望出现全面应用。我国生物质致密成型装备的研究与制造起步较晚，今后应在设备实用性、降低能耗、减轻磨损、原料适用性、系列化等方面下功夫，为大规模开发利用生物质能提供必要的技术储备[21]。

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瑞典、德国、意大利等国生物质能技术利用现状与经验

《新能源产业专辑》杂志2007年第四期 孟海波1，朱 明，王正元，王 飞，

张艳丽 [农业部规划设计研究院] 2007-10-24

摘 要：可再生能源问题倍受世界各国关注。欧洲国家在生物质能开发利用措施、关键技术研究开发和市场运行模式等方面已走在世界前列，取得了显著成果，积累了成功经验。在全面考察瑞典、德国、意大利三国生物质能开发利用现状的基础上，重点介绍了瑞典、德国在生物质直燃发电、固体成型燃料、沼气技术等方面的利用现状与成功经验，借鉴其成功经验并提出了建议。 关键词：生物质能；生物质直燃发电；固体成型燃料；沼气技术；考察 0 引 言

能源问题已经成为中国乃至世界经济生活中关注率最高的问题，尤其石油属于不可再生的战略资源，是现代经济社会赖以正常运转的血液。随着全球矿物能源的快速消耗，能源危机成为各国必须面对的战略挑战。瑞典、德国、意大利等欧洲国家在生物质能开发利用措施、关键技术研究开发和市场运行模式等方面已经走在世界前列，并取得了较大成果和成功经验。在全面考察上述三国生物质能开发利用现状的基础上，本文重点介绍了瑞典、德国在生物质直燃发电、固体成型燃料、沼气技术等方面的利用现状与成功经验。 1 生物质直燃发电技术

生物质直燃发电技术是在传统的内燃机发电技术上进行设备改型而实现的、通过直接燃烧生物质原料作为替代燃料进行发电的一种新技术。在瑞典，生物质直燃发电技术已经基本成熟并得到规模化商业应用。其技术路线为“锅炉+汽轮机／斯特林发动机(通常为热电联产，即CHP)”，

其中，汽轮机发电技术为常规技术，一般应用于中型以上发电系统，斯特林发动机发电技术处于技术开发和产业化示范阶段，是目前生物质利用方面的重点研发技术。利用斯特林发动机的热电联产技术已经满足瑞典全国近一半的热力需求。近年来，生物质与矿物燃料（主要是煤）的混合燃烧发电得到许多研究和示范应用，研究结果指出，混燃可提高生物质发电的效率，且当生物质的比重不高于20%时一般不需对现有设备作改动，是生物质燃烧发电的发展方向。

本文以瑞典Enkoping的一家热电联产厂ENA ENERGI为例进行说明，该厂发电装机容量24MW和50MW供热能力（见图1），能够为城市居民区域供热，燃料来源于伐木副产品、木材厂锯末和造纸厂废弃物等生物质原料。

ENA ENERGI每年需要约350 GWh的生物质燃料。其突出特点是所用燃料的10%为能源作物，全部由工厂自己种植，利用污水处理厂的废水进行灌溉。专门的能源作物如柳之稷可以吸收氮，该工厂种植的能源作物每年能减少20吨的氮排放（见图2）。

2 生物质固体成型燃料技术

所谓生物质固体成型燃料技术就是在一定温度与压力作用下， 将各类原来分散的、没有一定形状的秸秆、树枝等生物质，经干燥和粉碎后， 压制成具有一定形状的、密度较大的各种成型燃料的新技术。其产品为棒状、块状和颗粒状等各种成型燃料（见图3），密度可达0.8～1.4克/立方厘米，热值为16720千焦/千克左右。性能优于木材，相

当于中质烟煤，可直接燃烧，燃烧特性明显改善。同时具有黑烟少、火力旺、燃烧充分、不飞灰、干净卫生等优点，NOX、SOX极微量排放，而且便于运输和贮存，成为商品。 瑞典的森林面积广阔，是世界闻名的“森林之国”，森林覆盖率高达60%，高速公路的很多路段都从森林中间穿过。目前，瑞典利用林业废弃物如树皮、树枝、木屑以及能源作物等生产固体成型燃料已经发展得相当成熟，形成了从原料种植、收集、到颗粒（或切片）生产再到配套应用和服务体系一个完整的产业链条。瑞典全国总能源消耗的30%为可再生能源，木质燃料占其中的46.7%。 今后，瑞典固体成型燃料产业发展的重点领域包括： （1）开发生物质颗粒燃料原材料基地；

（2）开发经济性好、资源效率高的颗粒燃料生产（包括储存）工艺；

（3）开发分级的颗粒燃料以适应不同燃烧技术需求的用户。

其总体目标是：每年至少减少生产成本4%或2000万克朗。 3 沼气技术

3.1 车用沼气技术

在瑞典，利用畜禽粪便等废弃物生产沼气也非常成功。沼气的年总产量约为1400GWh（1.4×109kWh），主要产自于200多家市政污水处理厂的污泥消化池，其产量约占沼气总产量的60%；其余为垃圾填埋场（产量约占总产量的30%）以及工业污水处理厂和混合消化厂产生的沼气（产

量约占总产量的10%）。有机废物转化成沼气时产生的消化残余物，还可作为生物肥料。

近年来，瑞典成功地将沼气用作汽车、火车燃料，技术已经成熟，也形成了良好的运行模式。本文重点介绍Linkoping沼气厂及其车用沼气供气站。

瑞典Linkoping沼气厂建于1992年，项目总投资900万欧元，一次性投资补贴100万欧元。该厂不仅处置了牲畜粪便和大量有机废物，而且还通过混合消化产生了沼气和生物肥料。自2001年开始，提纯后的沼气可以注入当地的天然气配气管，以及专门的汽车供气站。

目前，Linkoping沼气厂每年处理各种有机废物约5.5万t，产生的沼气量约为20～30GWh（75%CH4），相当于当地天然气消耗量的25%，每年可减少CO2排放3700t。该厂每年收集并处理牲畜粪肥2.8万t，其他有机废物如厨余垃圾、农产品加工废弃物等2万t（主要来自15家食品类工厂，其中包括屠宰场、海产品生产加工厂等）。原料通过进料池（800m3）、热交换系统、消毒系统（巴氏杀菌，1h，70℃），进入传统搅拌消化池（2250m3，停留时间20～25d，70℃，含固率6%）。沼气厂见和沼气生产工艺流程如图4、图5所示。

Linkoping沼气厂生产的沼气通过地下管线直接提供给2km外的供热站，并能供作汽车燃料。该厂同时还在经营车用沼气供气站，满足当地近400辆公共汽车的燃料需求（见图6）。

供热和车用沼气出厂前需要进行提纯处理。该厂的沼气提纯能力为250m3/h，提纯过程分为三个阶段：

（1）提纯净化：通过Sulfatrate工艺去除S利用Selexol去除CO2；（2）干燥；（3）压缩（添加5%～10% 的丙烷，调整沃伯指数，使之等同于天然气）。 3.2? 沼气发电技术

欧洲沼气发电技术以德国为典型代表。目前，德国国内沼气发电工程的数量已由 1992年的139家发展到2003年底超过2000家，发电装机总量由1999年的50MW猛增到2002年的250MW。德国沼气工程技术的要点主要包括：

（1）发酵原料

发酵原料以畜禽粪便、玉米青贮秸秆，青贮饲草为主，另外还有餐饮旅馆的厨余垃圾、农副产品加工的废弃物，以及多余的粮食（如小麦、玉米）等。对有机垃圾有着严格的控制，必须在70℃的高温下经过1小时的处理才可以进入沼气池发酵，由此产生的沼渣才能作为有机肥料施用到田地去。

（2）发酵工艺

较大型的沼气发酵装置以地上USR工艺为主，中型牧场以地下池的完全混合式为主，发酵形状多数为圆柱体式，生活有机垃圾和秸秆青贮料的干发酵为地上和半地下箱式发酵装置，均采用批量式发酵工艺（见图7）。发酵滞留期一般为28～45天，少数发酵达到56天。由于发酵池都采用发电余热进行加温，发酵池内部温度一般都控制在40℃～45℃之间。

（3）进料及搅拌

沼气发酵原料根据形态的不同采取两种进料方式：一种是利用泥浆泵将液态原料输送到发酵池，一种是将固体原料，多数为切碎后青贮的玉米秸秆或牧草通过螺旋式送料器输送到发酵池内。为了出料方便，进出料管道直径都大于200毫米。为提高沼气的气量，除干发酵装置以外，多数沼气发酵池内部一般都设有搅拌装置。 （4）沼气贮存与净化

由于产生的沼气很快就转化为电力，沼气工程一般都采用橡塑气袋，有的为单独设置，有的直接设计在发酵罐的上部。这一点与我国的沼气装置不同，主要是因为对于发电机组来说不需要单独设立有一定压力的储气装置。沼气净化系统广泛应用氧化定位法，少数工程采用活性碳和生物菌去除沼气中硫化氢工艺（本文考察的Altenow大型沼气工程发电厂采用FeCl2脱硫，见图8），有一部分未经净化直接发电。大多数工程都未采取除水工艺。 （5）沼气发电系统

大型的沼气发电机组均采用纯沼气的内燃发动机，中小型的工程多数采用双燃料（柴 油+沼气）的柴油发动机，少数采用纯气体内燃机发电机机型。一般沼气发电工程的发电装置都能满足当地上网要求，少数工程使用监控设备，检测发电气体含量、温度、产量以及pH值，有的示范工程已采用了远程自动监控系统。发电产生的余热一部分用来加温发酵池，剩余部分用于区域供热，实现热电联产。 （6）厌氧发酵的后处理

由于利用生物质生产的电力可优先上网并享受优惠价格，德国的沼气工程生产的沼气全部用作发电上网。发酵

后的沼液经储液池贮存后，直接由拖拉机罐车运到田间进行喷洒。少数畜牧场沼气工程和大型沼气工程采用固液分离（见图9），将沼渣与沼液分离，脱水后的沼渣经简单堆放后可直接用作有机肥料，清液可再循环进入发酵池。 （7）沼气工程的运行管理模式

德国农场主很多，农场养殖奶牛和猪占大多数，家禽和其它特种养殖的较少，一般沼气工程都是为发电而建，大多数沼气发电工程都由农场主自己进行管理。较大的沼气工程运营管理。 （8）沼气工程的建设

德国农场主建设沼气池，其工程设计报告需要得到有关行政主管部门，如环保、农业、消防等部门的审查批准，一般这些工作都是由专门的技术服务公司或服务组织来完成。有的技术及设备公司采用的是“交钥匙工程”的方式为农场主建设沼气发电工程。大电网的广泛区域分布由电力公司负责完成，农场主建设沼气工程只负责连接到电网部分的投资。 4 结论与建议 4.1 结 论

瑞典、德国等欧洲国家为了减少能源的对外依赖、提高能源供应安全，生物质能开发利用非常重视。瑞典、德国以及意大利等国均有明确的生物质能发展目标、和保障措施。对生物质能是重要的可再生能源，既可以转化为液体燃料或沼气等气体燃料代替汽油和柴油，也可以通过锅炉直接燃烧发电和供热，特别是生物质能资源分布广

泛，品种多样，因此，瑞典、德国和意大利等国家都把生物质能作为优先发展的可再生能源予以高度重视。各国扶持到位，生物质能利用技术先进，经验成熟，生物质能开发利用已成为重要的新型产业，对保障能源安全、增加就业机会、促进农业发展，以及确保能源与环境的协调发展等发挥着重要的作用。 4.2 建 议

中国生物质能开发利用工作尚处于产业化发展初期，需要借鉴欧洲各国的成功经验和先进技术，缩短关键技术研发周期，加快产业化进程，着重要做好以下几点： （1）制定优惠措施，引导生物质能产业形成 瑞典、德国生物质能迅速发展的一个重要原因，是国家制定了使生物质发电或燃料化应用有利可图的价格，并以法律法规形式颁布，长期保持不变。中国要开发利用生物质能，首先有关部门应协调配合，制定明确的促进生物质能开发与利用的和措施，并保障已有法律和措施能够有效实施。目前应重点在设备制造和生物质能利用市场开拓方面予以大力扶持。

（2）加大技术研发和试点示范力度，培育生物质能新型产业

国外生物质固体颗粒燃料技术、生物质直接燃烧发电技术、沼气供热和发电技术都是成熟的。目前，国内生物质固体颗粒成型技术尚处于起步阶段，固体成型技术和燃烧生物质颗粒的炉具技术良莠不齐，还面临市场需求问题。因此，建议加大研发力度，尽快实施试点示范，解决技术

瓶颈问题，探索产业化经验。

（3）培养专业人才和产业服务体系，保障生物质能产业可持续发展

从国内外能源发展的经验来看，任何能源产业的发展必须有人才作为基础。 目前，发达国家都建立了比较完善的可再生能源技术研究开发机构，形成了比较完善的产业服务体系。如美国的可再生能源实验室，欧盟的联合研究中心，都是专门负责可再生能源研究和开发的机构。目前，我国在生物质能方面专门的研究机构较少，也缺乏生物质能专业人才，设计、咨询等产业服务体系极不健全。因此，建议重视我国生物质能领域的人才培养和产业体系建设，为我国生物质能产业可持续发展提供保障。 作者简介

孟海波，男，山东青州人，博士，主要从事生物质资源利用工作。农业部规划设计研究院， Email:newmhb7209@yahoo.com.cn