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
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。
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。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，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，是易于进行商品化生产和销售的可再生能源。
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。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：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。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15～30MPa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。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，环境科学与工程系也有相关研究。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。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，山东大学机械工程学院、华中科技大学化学与化工系、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年代开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。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，日本在20世纪40年代开始研究机械式活塞式致密成型技术处理林业废弃物，与1954年成功研制出了单头、多头螺杆挤压棒状致密成型机，80年代建立了年产600t的固体原料工厂（煤75%，生物质25%）。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。
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。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限制。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政策的通过，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。
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