秸秆成型燃料(straw densification briquettingfIIeLSDBF)是生物质经脱水、粉碎、成型等程序，制备成的致密固体生物质燃料。生物质从生长到成型燃料燃烧的整个循环中，可以实现C02零排放，并且具有可再生和燃烧效率高的优点，是一种清洁无污染的优质代煤燃料。
中国每年的秸秆产量有6亿t左右，扣除工业、秸秆还田、饲料、及农民生活散烧所消耗的部分，还有2.5亿t左右的秸秆可用于生产SDBF。如果用来替代2亿农户的生活用煤，可直接和间接地少向大气排放C02 4.2亿t、S02120万t和烟尘300万t。不仅节约能源，而且减少了环境的污染。
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1、SDBF的特点及成型机理
1.1 SDBF的特点
SDBF含70%左右的纤维素、10%～17%的木质素、0.08%～0.3%的s、1%左右的碱金属、0.2%～O，8%的Si。因成型方式不同，密度在0.8～1.3 g/cm3范围内；重量热值约为普通烟煤的75%，燃烧比较完全，燃烧后灰渣中残碳含量仅为1%左右，而煤灰渣中残碳一般在15%～20%。因此，1t的SDBF可替代1t煤。温度在325℃以上时，纡维素开始挥发分解，使得SDBF的燃烧速度比煤快10%以上，因此，燃烧炉设计不当会导致燃烧过程中产生黑烟。另外，SDBF在燃烧过程中易结渣、发生灰沉积和腐蚀炉膛，这些缺点限制了SDBF的推广应用。
1.2SDBF成型机理
生物质秸秆的主要成分是纤维素和木质素，木质素属于非晶体，没有固定的熔点，在110℃左右会软化，160℃左右出现熔融态，此时给松散生物质秸秆一定的压力就能使木质素与纤维素紧密粘接并与相邻颗粒互相胶合，经过保型、冷却后即可固化成型。因此，采用加热挤压法成型木屑或农作物秸秆燃料时不需要任何添加剂和粘接剂，加工成本低，符合环保的要求。
成型有热压和冷压两种形式。热压成型着力于减小
磨损，消耗的是外部热源的热能；冷压成型是利用秸秆与设备的高速相对运动产生的磨擦热来完成压缩成型，它消耗的是动力，因此，冷压成型一般需要较大动力，磨损修复费用比热压成型高很多倍。表1给出了SDBF成型的参数。
2、国内外成型技术状况
2.1 国外成型技术发展
早在20世纪30年代，日本、西德等国就开始研究成型技术。20世纪70年代以来，随着全球性石油危机的冲击和环保意识的提高，世界各国越来越重视开发和高效转换生物质能。美国20世纪末已在25个州兴建了日产量为250～300 t的树皮成型燃料加工厂，进行工厂化生产。西欧国家先后研制生产了冲压式成型机、颗粒成型机，意大利、加拿大、丹麦、法国、德国、瑞典、瑞士、比利时等国相继建成生物质颗粒燃料成型生产厂家30多个，机械驱动活塞式成型燃料生产厂家40多个，成型设备及成型燃料进入了商业化运作阶段。20世纪80年代初，颗粒成型技术获得突破，东南亚国家的生物质成型燃料行业发展迅速，泰国、印度、越南、菲律宾等国都先后建成了多家生物质固化、碳化专业生产厂。1995年前后，瑞典、丹麦、奥地利等国大力推进SDBF的产业化，民用锅炉、工业锅炉及小型热电厂开始使用SDBF，并实现了各自的标准化生产，开始向国外出口生物质成型技术和设备。
2.2国内成型技术发展
中国从20世纪80年代开始引进螺旋推进式秸秆成型机，也开始了生物质压缩成型技术的研究。1990年后，机械螺杆式、柱塞式成型技术得到发展，20世纪90年代期间，河南农业大学研制成功了HPB系列液压驱动柱塞式成型机（大棒型）。目前，国内主要设备类型有：机械螺杆推进式、液压双缸冲压式、环模挤压式、平模挤压式。近几年，河南、辽宁、安徽、山东、河北等地开始将成型设备进行示范推广。在各省都有多家设备生产、燃料加工、配套燃烧炉及营销企业投入运营，政府的环保、能源主管部门也开始给予支持和帮助。SDBF产业呈现出企业积极参与，国家导向逐步加强的特点，但存在着企业牛产规模小、盲目上马等问题，中国现有不同生产规模的企业30多个，但全年生产SDBF总量仅有10多万t。究其原因，主要是对秸秆类的生物质物化特性了解较少，轻视了SDBF的产业化难度，忽视了SDBF产业应用中的几个关键问题。
3、影响SDBF技术推广的几个瓶颈问题 ‘
秸秆收集问题、秸秆储存问题、颗粒燃料加工中设备快速磨损问题、以及燃炉沉积腐蚀问题是影响SDBF技术推广的几个瓶颈问题，国外对于这4个问题已进行了20多年的研究。目前，秸秆收集问题已随着农业机械化的高度发展得以较好地解决，但在规模化生产中，秸秆储存问题还没有彻底解决。颗粒燃料加工中设备快速磨损问题仍然是推广应用的障碍，发达国家采用批量换件的办法虽然可以克服磨损对生产的影响，但维修成本过高。对于燃炉沉积腐蚀问题，国外也还处于研究阶段，除了采用机械办法清理外，目前还没有突破性进展。
3.1 资源及原料收集、储运问题
3.1.1资源问题
目前中国秸秆的年产量根据粮食产量与谷草比两个参数计算为6.02亿t。从事能源战略研究的学者们都以此为根据推算每年全国可生产纤维酒精、生物柴油、成型燃料、秸秆沼气量，却没有对秸秆实际可用量做研究。资源的不稳定性，往往使原料价格波动、成本上升并导致生产停顿，所以对资源要有较为准确的计算。事实上，可用于转化能源的秸秆资源远低于秸秆产量。这是因为：①重复计算，都假设不生产其它生物能源，仅生产自己笔下的一种生物能源；②忽略计算，把6亿t全部作为能源资源计算，忽略了全国每年实际消耗于工业的0.5亿t、饲料1.5亿t、还田1.2亿t、农民生活散烧和农业生产消耗的约1.3亿t，这样每年剩余秸秆最多不过是2亿多t；③未考虑收集系数，不同收获方式有不同的收集系数，例如玉米机收系数为0.8—0.85，小麦机收系数0.75～0.8，手工收割系数为0.85～0.9。
3.1.2原料的收集、储运问题
中国秸秆等牛物质资源具有分散性特点，6亿多t秸秆分布在1亿hm2十地上，而非集中产生的格局，因此，对于秸秆收集难度要予以充分考虑。中国农村地区实行土地承包责任制，收集运输以人力为主，与国外的机械化集中生产相比，在效率上存在较大差距和矛盾。因此，原料收集是生物质成型燃料推广的第一个瓶颈。目前中国原料收集的3种主要方式如表2所示。
原料的收集半径随投资规模和生产能力增加而增大。由图1可以看出，收集半径小于最佳收集半径时，总计算费用随半径减小迅速增加；人于最佳收集半径时，总计算费用随着收集半径的增加呈线性增加。收集费用的升高会使得总牛产成本上升，当其价格高于煤时，成型燃料就失去了市场优势。所以，不同企业应根据自身的情况确定最佳收集半径以获得较好的盈利水平。表3是一家发电公司的案例。
由表3可看出，秸秆原料的数量和价格已成为企业正常运转的瓶颈因素。此外，季节、占地、防火等也是不可忽视的问题。该企业因立项设计时对上述因素重视不够、估算粗略，导致现在虽拥有齐备的场房设备，至今不能正常运行。
3.2 SDBF加工机械的快速磨损问题
现在采用的螺杆式和环模式成型机是依靠传动部件与秸秆之间的高速相对运动来实现生物质压缩，压缩过程中磨擦产生的热将纤维、木质素软化的同时，旋转部件产生的挤压力把秸秆推入成型模，从而完成成型。生物质秸秆内Si、Ca、Cr等元素含量较高，秸秆收集过程中还会带入许多泥沙( Si02)，这些元素的存在会加剧加工机械的磨损。
对于螺杆式成型机，由于螺杆与物料始终处于高速摩擦状态，导致压缩区（高温、高压）螺纹的磨损非常严重。目前国内外的工艺技术条件尚不能从根本上解决螺杆磨损问题。螺杆的平均修复期仅为60h左右，但因一次性投入较低，该技术目前还有不少国家在应用。解决的方法是规模化生产，批量换件维修。
环模成型设备同样存在快速磨损问题。其滚轮在环模内高速旋转过程中与喂入环模内的秸秆摩擦生热，温度可达200℃以上，同时滚轮运动的分力挤压秸秆进入成型孔成型。在这样的条件下，滚轮和成型孔磨损很快。国内外的同类设备平均修复周期在1000 h左右，维修费用（取决于环模直径）1～4万元。德国某厂环模成型机的环模，每运行3个月需要维修一次，一台环模总成可维修10次，每次耗资4500欧元。螺杆维修周期过短，环模成型设备的修复成本过高，导致了成型燃料价格过高，欧洲平均卖价170～200欧元／t，阻碍了SDBF的推广。国内、外有两条解决快速磨损的措施，一是从环模金属材料和热处理入手，改变金属耐磨性能，二是从磨具结构入手，改变成型小孔与滚轮切线的角度，增加推入力，减少挤压力。
3.3燃烧结渣和沉积腐蚀问题
在评价可再生能源资源时，往往过多地看重它的优点，而对它长期以来为什么未被大量开发及它自身有哪些值得注意的问题研究不够。SDBF也是如此，常常忽视了它在燃烧过程中的物化反应对炉膛受热面的不良影响。飞灰沉积腐蚀就是其不良反应的一种，正是这种影响形成了SDBF规模化应用中又一致命的瓶颈障碍。
3.3.1沉积结渣问题
所谓沉积，是指生物质在燃烧过程中形成的受热面结渣和灰分积聚现象。其机理是，燃烧过程中生物质中的易挥发的碱金属盐在700℃左右的高温下进入燃炉炉膛的气相，这种挥发性灰分和其它细小颗粒一部分会在冷凝面上凝结，我们称其为初始沉积层。随着温度升高，表面会出现熔融粘结面，烟气中较大的颗粒在流体推动下，一部分会撞击到初始沉积面上形成新的沉积层，时间越长沉积层越厚，本身温度越易升高，颗粒间粘结更紧密。这样多次的积聚，就使沉积层日渐加厚，有的厚度会超过10 cm。飞灰沉积导致锅炉导热面的导热性逐渐变差，热利用效率降低，排烟温度升高，沉积速度加快，直至被迫停炉。当炉膛温度高于780℃时，这些沉积物就形成玻璃状的渣（复杂混合物），严重结渣导致锅炉不能正常运转。一般大型生物质锅炉每10～12个月要停一次炉，进行一周左右的清理。
3.3.2腐蚀问题
秸秆中含有1%以上的钾及其他金属元素，氯含量达0.2%～3%。氯元素的高含量是生物质秸秆不同于煤及其它矿物质燃料的最显著的特点。生物质燃烧炉中，氯气及各种形态的氯化物对冷却管腐蚀作用最大。生物质的燃烧使炉膛内呈现氧化性气氛，这时的金属冷却管表面会形成一层密集的氧化保护膜，防止金属被腐蚀。而HCI和Cl2具有穿透氧化保护膜的能力，与铁反应形成铁的氯化物。由于炉膛内温度较高，氧化性气氛强，很快氯化铁就会被氧化成铁的氧化物，这样，积聚时间久了就会形成较厚的氧化铁剥落层。
当炉膛中存在S02、S03气体时，沉积层中铁的氯化物就会有与烟气中的so。反应并生成（亚）硫酸铁而放出Cl2的可能，氯气就会重复气态腐蚀机理，不断地对金属管进行腐蚀。除上述腐蚀外，碱金属氯化物还会与受热管道表面的金属或金属氧化物反应形成低熔点共晶化合物。如：KCI、CrCl2和FeCI2反应形成共晶化合物，这种共晶体熔点仅有350～450℃，这将使结渣问题更为突出。因炉膛气氛十分复杂，而且不同秸秆中成分差别较大，因此，沉积和腐蚀的严重程度不同。但不论哪一种原料，任何形状的炉子，都存在沉积和腐蚀。国内外的实践已证明，由此带来的腐蚀后果具有破坏性，会严重影响正常生产。
3.4秸秆脱水问题
收获后的秸秆含水率一般在46%以上，而SDBF加工允许原料含水率为16%以下，SDBF的安全储存含水率在12%以内。如果用人工烘干的办法，将It秸秆的含水率从60%降到16%，至少要消耗150 kg原煤，这种能源和经费的投入是阻碍企业进行规模化建设的主要原因。秸秆堆积密度仅有0.2，因此，存储秸秆需占用大量土地。所以秸秆原料的脱水和储存是加工遇到的最难解决的问题之一。
目前解决该问题的办法有两种：一是只收玉米棒不收秆，让秸秆在地里接受风吹日晒，自然脱水，提高枯萎度，降低氯含量。二是提高机械化程度，把机械收获粉碎和农户分散储存、自然脱水结合起来。
4、结论与建议
1) SDBF是一种优质的代煤生物固体燃料，直面“三农”，具有良好的环境和经济效益。从系统效率考虑，It的SDBF可替代It中质煤，S02、C02、NO。等排放都远远低于煤，同时还能为每户农民增收节支几百元。对国家来说，这是一种再生能源，不需要挖井开矿，不需要处理固体和气体垃圾，还省去了“禁烧”投入的人力财力等，无疑是解决农村能源问题的一个途径。
SDBF不适合用于大规模直接燃烧的蒸汽锅炉和发电锅炉，但更适合做农村乡镇2t以下的取暖炉、热风炉、热水炉及家庭生活用炉的代煤燃料，做到就地利用。一方面可以将收集半径控制在4 km以内，资源和运输问题比较容易解决。另一方面，由于生产规模不大，可用液压式成型机替代高磨损的螺旋式和环模式成型设备，缓解快速磨损问题，同时，小型锅炉的炉膛温度容易控制在800℃左右，不易结渣，便于清除沉积。
2)国家应以农村基本建设投资方式来建设部分替代能源基地，对秸秆资源的收集、加工实施一村一站的《村级SDBF生产基地建设工程》。按每村400户计算，全国大约有50万个村，如以三分之一的村庄配备SDBF生产线计算（即15万个村），每条线年产1000t的SDBF，全国每年可生产1.5亿t的SDBF。若每村投入30万元，共需投入450亿元，规划5年完成，每年需投入90亿元。实现这个目标后，每年可替代中质煤1.5亿t，价值460亿元，农民受益180亿元。
3)四个瓶颈问题中：秸秆收集、储运问题的根本解决方法是秸秆收获机械化，世界上凡是已实现了农业机械化的国家，秸秆成型加工水平都比较高，该问题已得到解决。中国目前小麦收获基本机械化，但没有解决打捆成型问题，水稻、棉花、玉米的收获机械化水平不到30%，更没有相应的配套打捆成型技术。因此，目前中国适宜在农村范围内采用“就地加工，农用为主”的方针发展SDBF产业，小宜实施大规模SDBF生产计划。在SDBF加工设备的快速磨损问题上，调整设计思路是关键，应避免秸秆成型需要的外力和热量依靠成型部件高速旋转来完成的模式，注重颗粒成型机的成型受力问题研究，通过调整成型孔结构形状及位置来降低磨损。秸秆燃烧的沉积是一个复杂的基础理论问题，国外先进国家正处在研究阶段，中国对SDBF应用较晚，沉积腐蚀问题还没给生产带来太大麻烦，因此基本上没有人对其开展研究。
4)4个瓶颈问题均属基础性研究问题．建议国家科技部门组织有条件的研究单位进行攻关，为SDBF的推广应用提供理论和技术基础。
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