农作物秸秆是生物质资源的重要组成部分，具有种类多、数量大、可再生等特点。生物质能作为第四大能源资源，在可再生能源中占有重要地位。但是，作为一种能源形式，农作物秸秆具有资源分散、能量密度低、容重小、储运不方便等缺点，严重地制约了农作物秸秆作为生物质能的大规模应用。而农作物秸秆成型燃料是生物质能的一种简单、实用、高效的利用形式，为高效利用农作物秸秆提供了一条重要的途径。对于改善我国以煤炭为主的能源结构，缓解由能源生产和使用造成的环境问题，保障我国经济社会的可持续发展具有十分重要的意义。
农作物秸秆成型燃料就是将农作物秸秆进行脱水、粉碎处理后，采用机械加压的方法，制备成具有一定形状、密度较大的固体生物质燃料。农作物秸秆成型燃料从农作物秸秆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。
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1、秸秆成型燃料的特点及成型机理
1.1秸秆成型燃料的特点
秸秆成型燃料含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，0.296～0. 8%的Si。因成型方式不同，密度在0.6～1.2 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的秸秆成型燃料可替代1t煤。
1.2秸秆成型燃料的成型机理
农作物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，此时给松散农作物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。秸秆成型燃料成型的方式有热压成型和冷压成型两种形式。热压成型着力于减小磨损，消耗的是外部热源的热能，因此，采用热压法成型农作物秸秆燃料时可以不添加任何添加剂和粘接剂，加工成本低，符合环保的要求；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，冷压成型一般需要配置较大动力，磨损修复费用较热压成型高。
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，美国等国就开始压缩燃料成型技术的研究，并研究了螺旋成型机。日本于50年代从国外引进成型技术并进行了改进，从20世纪80年代开始，日本对生物质压缩成型燃料进行了研究和探讨，对压缩过程中的动力消耗、压模的结构与尺寸、压缩燃料的含水率、压缩时的温度、压力以及原料的颗粒大小等进行了实验研究，进一步改进了压缩成型燃料技术，并发展成为日本压缩成型燃料的工业体系。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。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、加拿大等因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，颗粒成型技术获得一定突破，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秸秆成型燃料的产业化，民用锅炉、工业锅炉及小型热电厂开始使用秸秆成型燃料，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
我国的生物质压缩成型技术的研究开始于“七五”期间，从20世纪80年代开始引进螺旋推进式秸秆成型机，1990年后，机械螺杆式、柱塞式成型技术得到发展。目前，国内主要设备类型有：螺杆挤压式成型机、活塞式成型机和压辊式成型机。其中，压辊式成型机可分力环模成型机和平模成型机，环模颗粒机又可分为卧式和立式两种。卧式环模颗粒机是现有秸秆成型燃料成型机中的主流机型，这种机型具有压模更换保养方便、样机容易进行尺寸和速度放大等特点，其加工能力为1～3t/h。近几年，河北、山东，河南、江苏、辽宁、安徽等地开始将成型设备进行示范推广。秸秆成型燃料产业呈现出企业积极参与、国家导向逐步加强的特点，但存在着企业生产规模小、盲目上马等问题。中国现有不同生产规模的企业30多个，但全年生产秸秆成型燃料总量仅有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，轻视了秸秆成型燃料的产业化难度，忽视了秸秆成型燃料生产中的一些关键技术问题。
2.3压缩成型影响因素的研究
目前，我国研究较多的是生物质燃料热压成型，因而成型影响因素的研究也主要集中在热压成型上，而在常温致密成型上研究较少。影响热压成型的主要因素有：原料种类，原料含水率，原料粒度，成型压力与模具结构形状和尺寸、加热温度。这些影响因素在不同压缩成型方式下的表现形式也不尽相同。
2.3.1农作物秸秆的种类
不同的农作物秸秆，其压缩成型特性有较大的差异。农作物秸秆的种类不但影响成型的质量（例如成型块的密度，强度、热值等），而且影响成型机的产量和动力消耗。例如，玉米秸秆在粉碎以后容易压缩成型，而小麦秸秆压缩成型就比较困难。所以不同的农作物秸秆对压缩成型的影响与成型方式有密切关系。
2.3.2农作物秸秆的含水率
农作物秸秆的含水率是秸秆成型燃料压缩成型过程中需要控制的一个重要参数；农作物秸秆的含水率合适可以使压缩成型效果佳，过高或过低都将不利于压缩成型。根据成型方式的不同，一般要求农作物秸秆的含水率在12%—20%左右。
2.3.3农作物秸秆的粉碎与处理
农作物秸秆粉碎的大小和粉碎处理的质量也是影响压缩成型的重要因素。对于某一确定的成型方式，秸秆粉碎的大小一般应不大于成型孔的尺寸。如果秸秆粉碎的长度较长和粉碎处理的质量较差，将直接影响成型机的成型效果、生产效率和动力消耗。
2. 3.4成型压力与模具尺寸
成型压力是农作物秸秆压缩成型最基本的条件。只有施加足够的压力，秸秆才能被压缩成型。当压力较小时，密度随压力增加而增加的幅度较大，当压力增加到一定值以后，成型物密度的增加就变得缓慢。成型压力与模具（成型孔）的形状尺寸有密切关系，因为大多数成型机都采取挤压成型方式，即原料从成型模具的一端连续压入，又从另一端连续挤出（出料端直径小于进料端直径），这时原料挤压所需要的成型压力与成型孔内壁丽的摩擦力相平衡，即机器只能产生和摩擦力相同大小的成型压力，而摩擦力的大小与模具的形状尺寸有直接关系。秸秆成型燃料压缩成型中模具的形状、长径比都是关键参数，目前国内压缩成型技术研究主要采用圆筒模进行，对矩形模研究较少。
2.3.5加热温度
加热温度影响原料的成型，也影响生产效率。一般来说，加热温度调整在150℃～300℃。温度过低，不但原料不能成型，而且功耗增加；温度过高，电机功耗减小，导致成型压力减小，成形块压缩不实，密度变小。
2.3.6成型添加剂
根据农作物秸秆成型燃料的用途不同，在致密成型时可添加不同的添加剂，一方面添加剂起到黏结剂的作用，改善致密成型的效果，减少能耗；另一方面，采用不同的添加剂，可改善秸秆成型燃料的燃烧性能。
3、影响秸秆成型燃料成型生产及应用的几个关键问题
农作物秸秆的收集、储存、燃烧机理以及秸秆成型燃料生产中问题都是影响秸秆成型燃料应用和技术推广的瓶颈，国外对于这这些问题已进行了多年的研究。要实现秸秆成型燃料规模化生产，必须认真解决好以下几个方面的问题：一是农作物秸秆收集和储运的高成本问题。二是对于小同用途的秸秆成型燃料的燃烧机理问题研究和技术突破。三是影响秸秆成型燃料生产中的原材料脱水及水分调控问题、秸秆成型机的性能稳定可靠及关键部件快速磨损问题、生产能耗过高等关键技术问题。目前，农作物秸秆收集和储运问题随着农业机械化的高度发展将可以得到较好地解决。对于不同用途的燃烧机理问题，国内外都还处于研究阶段，目前还没有突破性进展，在对秸秆成型燃料的燃烧设备选用设计参数时，由于缺乏秸秆成型燃料燃烧机理的数据而大都参考煤的燃烧机理进行选用，缺乏科学依据，这将影响秸秆成型燃料的正常燃烧，也进一步影响秸秆成型燃料的应用与推广。
3.1秸秆脱水及水分调控问题
农作物收获时秸秆的含水率一般较高（如水稻秸秆一般在40%以上），而秸秆成型燃料加工允许原料含水率为20%以下，秸秆成型燃料的安全储存含水率在12%以内。如果用人工烘干的办法，将1t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水分调控是加工遇到的最解决的问题之一。
目前解决该问题的办法主要有两种：一是农作物收获时收穗不收秆，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，将机械收获粉碎和农户分散储存、自然脱水结合起来。
3.2秸秆成型燃料成型机的性能稳定及关键部件快速磨损问题
现在采用的螺杆式和压辊式成型机都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)．这些物质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。螺杆的平均修复期为60h左右，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。其压辊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；同时压辊运动的分力挤压秸秆进入成型孔成型。在这样的条件下，压辊和成型孔磨损较快。目前解决快速磨损的措施有两条：一是从环模金属材料和热处理入手，改变金属材料的耐磨性能。二是从模具的结构入手，改变成型孔与压辊切线的角度，增加推入力，减少挤压力。
3.3成型燃料形状的大小和松弛密度问题
成型燃料形状的大小和松弛密度不仅是影响成型工艺和生产能耗的重要因素，而且对应用推广有着重要的影响。同一种秸秆原料生产的成犁燃料，其形状的大小和致密度的不同，在实际应用中的效果会有不同。例如，秸秆成型燃料应用在气化发电中，当成型燃料进入流化床时，在成型燃料内部快速形成了温度梯度，成型燃料形状的大小和致密度就决定了成型燃料内达到生物质热解反应条件的速率，这对气化效果和焦油的产生都会产生影响。因此在秸秆成型燃料的生产中，应根据成型燃料的不同用途来确定其合理的形状大小和松弛密度。
3.4秸秆成型燃料成型机的生产效率和能耗问题
我国秸秆成型燃料成型机大多是在借鉴国外压块技术和饲料成型机的基础之上进行变型设计而生产制造的，在成型机理方面的研究还几乎是窄白，这直接导致我国秸秆成型燃料成型机存在结构不合理，生产效率偏低、能耗偏高等缺陷。成型机成型能耗在生产成本中占有一定的比重，生产效率偏低、能耗过高制约了企业的生产效益。因此，有必要根据农作物秸秆的特点，通过理论分析与工艺试验来研究秸秆成型燃料成型机能耗影响因素，为提高生产效率和实现节能降耗提供依据。
4、结论与建议
(1)秸秆成型燃料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。但是，秸秆收集、储运问题是农作物秸秆综合利用的首要问题，也是降低秸秆成型燃料生产成本、提高效益和促进秸秆成型燃料的应用与推广的关键问题。秸秆收集、储运问题的根本解决方法是秸秆收获机械化。无论是农作物秸秆综合利用还是秸秆成型燃料的应用，都必须提高我国秸秆收获机械化水平，各级政府应结合秸秆禁烧工作给予经济和政策上的支持。
(2)加强对秸秆成型燃料的应用和相关燃烧机理的研究。秸秆成型燃料的应用和相关燃烧机理是一个复杂的基础理论问题，是实现秸秆成型燃料产业化和高效燃烧合理利用的基础，也是实现秸秆成型燃料燃烧设备安全、稳定及经济燃烧的理论基础；同时也是为秸秆成型燃料及相关设备的推广与应用提供理论指导。只有加强对秸秆成型燃料应用和相关燃烧机理的研究，才能进一步促进秸秆成型燃料的应用与推广。
(3)在秸秆成型机的性能稳定可靠及关键部件快速磨损问题、生产能耗过高等关键技术问题上，调整设计思路是关键。应根据秸秆成型燃料不同的应用方式和燃烧机理，确定秸秆成型燃料的致密度，选择合理的成型方式，注重成型机的供料、均料和成型受力问题研究，通过调整成型孔结构形状及位置来降低磨损，提高成型机的性能的稳定和可靠性，提高秸秆成型燃料的生产效率和实现节能降耗。
(4)影响秸秆成型燃料实现规模化生产几个方面的问题均属基础性研究问题，只有通过加大研究力度，攻克技术难关，秸秆成型燃料才能有十分广阔的市场前景。建议国家各级科技部门组织有条件的研究单位进行攻关，为秸秆成型燃料的推广应用提供理论和技术基础。
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