0、引言
    農作物秸稈是生物質資源的重要組成部分，具有種類多、數量大、可再生等特點。生物質能作為第四大能源資源，在可再生能源中占有重要地位。但是，作為一種能源形式，農作物秸稈具有資源分散、能量密度低、容重小、儲運不方便等缺點，嚴重地制約了農作物秸稈作為生物質能的大規模應用。而農作物秸稈成型燃料是生物質能的一種簡單、實用、高效的利用形式，為高效利用農作物秸稈提供了一條重要的途徑。對于改善我國以煤炭為主的能源結構，緩解由能源生產和使用造成的環境問題，保障我國經濟社會的可持續發展具有十分重要的意義。
    農作物秸稈成型燃料就是將農作物秸稈進行脫水、粉碎處理后，采用機械加壓的方法，制備成具有一定形狀、密度較大的固體生物質燃料。農作物秸稈成型燃料從農作物秸稈生長到成型燃料燃燒的整個循環中，可以實現C02零排放，并且具有可再生和燃燒效率高的優點，是一種清潔無污染的優質代煤燃料。
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1、秸稈成型燃料的特點及成型機理
1.1秸稈成型燃料的特點
    秸稈成型燃料含70%左右的纖維素，10%～17%的木質素，0.08%～0.3%的S，1%左右的堿金屬，0.296～0. 8%的Si。因成型方式不同，密度在0.6～1.2 g/cm3范圍內，重量熱值約為普通煙煤的75%，燃燒比較完全，燃燒后灰渣中殘碳含量僅為1%左右，而煤灰渣中殘碳一般在15%～20%。因此，1t的秸稈成型燃料可替代1t煤。
1.2秸稈成型燃料的成型機理
    農作物秸稈的主要成分是纖維素和木質素，木質素屬于非晶體，沒有固定的熔點，在110℃左右會軟化，160℃左右出現熔融態，此時給松散農作物秸稈一定的壓力就能使木質素與纖維素緊密粘接并與相鄰顆粒互相膠合，經過保型、冷卻后即可固化成型。秸稈成型燃料成型的方式有熱壓成型和冷壓成型兩種形式。熱壓成型著力于減小磨損，消耗的是外部熱源的熱能，因此，采用熱壓法成型農作物秸稈燃料時可以不添加任何添加劑和粘接劑，加工成本低，符合環保的要求；冷壓成型是利用秸稈與設備的高速相對運動產生的磨擦熱來完成壓縮成型，它消耗的是動力，因此，冷壓成型一般需要配置較大動力，磨損修復費用較熱壓成型高。
2、國內外成型技術狀況
2.1國外成型技術發展
    早在20世紀30年代，美國等國就開始壓縮燃料成型技術的研究，并研究了螺旋成型機。日本于50年代從國外引進成型技術并進行了改進，從20世紀80年代開始，日本對生物質壓縮成型燃料進行了研究和探討，對壓縮過程中的動力消耗、壓模的結構與尺寸、壓縮燃料的含水率、壓縮時的溫度、壓力以及原料的顆粒大小等進行了實驗研究，進一步改進了壓縮成型燃料技術，并發展成為日本壓縮成型燃料的工業體系。20世紀70年代以來，隨著全球性石油危機的沖擊和環保意識的提高，世界各國越來越重視開發和高效轉換生物質能。西歐國家先后研制生產了沖壓式成型機、顆粒成型機，意大利、加拿大等因相繼建成生物質顆粒燃料成型生產廠家30多個，機械驅動活塞式成型燃料生產廠家40多個，成型設備及成型燃料進入了商業化運作階段。20世紀80年代初，顆粒成型技術獲得一定突破，東南亞國家的生物質成型燃料行業發展迅速，泰國、印度、越南、菲律賓等國都先后建成了多家生物質固化、碳化專業生產廠。1995年前后，瑞典、丹麥、奧地利等國大力推進秸稈成型燃料的產業化，民用鍋爐、工業鍋爐及小型熱電廠開始使用秸稈成型燃料，并實現了各自的標準化生產，開始向國外出口生物質成型技術和設備。
2.2國內成型技術發展
    我國的生物質壓縮成型技術的研究開始于“七五”期間，從20世紀80年代開始引進螺旋推進式秸稈成型機，1990年后，機械螺桿式、柱塞式成型技術得到發展。目前，國內主要設備類型有：螺桿擠壓式成型機、活塞式成型機和壓輥式成型機。其中，壓輥式成型機可分力環模成型機和平模成型機，環模顆粒機又可分為臥式和立式兩種。臥式環模顆粒機是現有秸稈成型燃料成型機中的主流機型，這種機型具有壓模更換保養方便、樣機容易進行尺寸和速度放大等特點，其加工能力為1～3t/h。近幾年，河北、山東，河南、江蘇、遼寧、安徽等地開始將成型設備進行示范推廣。秸稈成型燃料產業呈現出企業積極參與、國家導向逐步加強的特點，但存在著企業生產規模小、盲目上馬等問題。中國現有不同生產規模的企業30多個，但全年生產秸稈成型燃料總量僅有10多萬t。究其原因，主要是對秸稈類的生物質物化特性了解較少，輕視了秸稈成型燃料的產業化難度，忽視了秸稈成型燃料生產中的一些關鍵技術問題。
2.3壓縮成型影響因素的研究
    目前，我國研究較多的是生物質燃料熱壓成型，因而成型影響因素的研究也主要集中在熱壓成型上，而在常溫致密成型上研究較少。影響熱壓成型的主要因素有：原料種類，原料含水率，原料粒度，成型壓力與模具結構形狀和尺寸、加熱溫度。這些影響因素在不同壓縮成型方式下的表現形式也不盡相同。
2.3.1農作物秸稈的種類
    不同的農作物秸稈，其壓縮成型特性有較大的差異。農作物秸稈的種類不但影響成型的質量（例如成型塊的密度，強度、熱值等），而且影響成型機的產量和動力消耗。例如，玉米秸稈在粉碎以后容易壓縮成型，而小麥秸稈壓縮成型就比較困難。所以不同的農作物秸稈對壓縮成型的影響與成型方式有密切關系。
2.3.2農作物秸稈的含水率
    農作物秸稈的含水率是秸稈成型燃料壓縮成型過程中需要控制的一個重要參數；農作物秸稈的含水率合適可以使壓縮成型效果佳，過高或過低都將不利于壓縮成型。根據成型方式的不同，一般要求農作物秸稈的含水率在12%—20%左右。
2.3.3農作物秸稈的粉碎與處理
    農作物秸稈粉碎的大小和粉碎處理的質量也是影響壓縮成型的重要因素。對于某一確定的成型方式，秸稈粉碎的大小一般應不大于成型孔的尺寸。如果秸稈粉碎的長度較長和粉碎處理的質量較差，將直接影響成型機的成型效果、生產效率和動力消耗。
2. 3.4成型壓力與模具尺寸
   成型壓力是農作物秸稈壓縮成型最基本的條件。只有施加足夠的壓力，秸稈才能被壓縮成型。當壓力較小時，密度隨壓力增加而增加的幅度較大，當壓力增加到一定值以后，成型物密度的增加就變得緩慢。成型壓力與模具（成型孔）的形狀尺寸有密切關系，因為大多數成型機都采取擠壓成型方式，即原料從成型模具的一端連續壓入，又從另一端連續擠出（出料端直徑小于進料端直徑），這時原料擠壓所需要的成型壓力與成型孔內壁麗的摩擦力相平衡，即機器只能產生和摩擦力相同大小的成型壓力，而摩擦力的大小與模具的形狀尺寸有直接關系。秸稈成型燃料壓縮成型中模具的形狀、長徑比都是關鍵參數，目前國內壓縮成型技術研究主要采用圓筒模進行，對矩形模研究較少。
2.3.5加熱溫度
    加熱溫度影響原料的成型，也影響生產效率。一般來說，加熱溫度調整在150℃～300℃。溫度過低，不但原料不能成型，而且功耗增加；溫度過高，電機功耗減小，導致成型壓力減小，成形塊壓縮不實，密度變小。
2.3.6成型添加劑
    根據農作物秸稈成型燃料的用途不同，在致密成型時可添加不同的添加劑，一方面添加劑起到黏結劑的作用，改善致密成型的效果，減少能耗；另一方面，采用不同的添加劑，可改善秸稈成型燃料的燃燒性能。
3、影響秸稈成型燃料成型生產及應用的幾個關鍵問題
    農作物秸稈的收集、儲存、燃燒機理以及秸稈成型燃料生產中問題都是影響秸稈成型燃料應用和技術推廣的瓶頸，國外對于這這些問題已進行了多年的研究。要實現秸稈成型燃料規模化生產，必須認真解決好以下幾個方面的問題：一是農作物秸稈收集和儲運的高成本問題。二是對于小同用途的秸稈成型燃料的燃燒機理問題研究和技術突破。三是影響秸稈成型燃料生產中的原材料脫水及水分調控問題、秸稈成型機的性能穩定可靠及關鍵部件快速磨損問題、生產能耗過高等關鍵技術問題。目前，農作物秸稈收集和儲運問題隨著農業機械化的高度發展將可以得到較好地解決。對于不同用途的燃燒機理問題，國內外都還處于研究階段，目前還沒有突破性進展，在對秸稈成型燃料的燃燒設備選用設計參數時，由于缺乏秸稈成型燃料燃燒機理的數據而大都參考煤的燃燒機理進行選用，缺乏科學依據，這將影響秸稈成型燃料的正常燃燒，也進一步影響秸稈成型燃料的應用與推廣。
3.1秸稈脫水及水分調控問題
    農作物收獲時秸稈的含水率一般較高（如水稻秸稈一般在40%以上），而秸稈成型燃料加工允許原料含水率為20%以下，秸稈成型燃料的安全儲存含水率在12%以內。如果用人工烘干的辦法，將1t秸稈的含水率從60%降到16%，至少要消耗150 kg原煤，這種能源和經費的投入是阻礙企業進行規模化建設的主要原因。秸稈堆積密度僅有0.2，因此，存儲秸稈需占用大量土地。所以秸稈原料的脫水和儲存水分調控是加工遇到的最解決的問題之一。
    目前解決該問題的辦法主要有兩種：一是農作物收獲時收穗不收稈，讓秸稈在地里接受風吹日曬，自然脫水，提高枯萎度，降低氯含量。二是提高機械化程度，將機械收獲粉碎和農戶分散儲存、自然脫水結合起來。
3.2秸稈成型燃料成型機的性能穩定及關鍵部件快速磨損問題
    現在采用的螺桿式和壓輥式成型機都是依靠傳動部件與秸稈之間的高速相對運動來實現生物質壓縮，壓縮過程中磨擦產生的熱將纖維、木質素軟化的同時，旋轉部件產生的擠壓力把秸稈推入成型模，從而完成成型。生物質秸稈內Si、Ca、Cr等元素含量較高，秸稈收集過程中還會帶入許多泥沙(Si02)．這些物質的存在會加劇加工機械的磨損。
    對于螺桿式成型機，由于螺桿與物料始終處于高速摩擦狀態，導致壓縮區（高溫、高壓）螺紋的磨損非常嚴重。目前國內外的工藝技術條件尚不能從根本上解決螺桿磨損問題。螺桿的平均修復期為60h左右，因一次性投入較低，該技術目前還有不少國家在應用。解決的方法是規模化生產，批量換件維修。
環模成型設備同樣存在快速磨損問題。其壓輥在環模內高速旋轉過程中與喂入環模內的秸稈摩擦生熱，溫度可達200℃以上；同時壓輥運動的分力擠壓秸稈進入成型孔成型。在這樣的條件下，壓輥和成型孔磨損較快。目前解決快速磨損的措施有兩條：一是從環模金屬材料和熱處理入手，改變金屬材料的耐磨性能。二是從模具的結構入手，改變成型孔與壓輥切線的角度，增加推入力，減少擠壓力。
3.3成型燃料形狀的大小和松弛密度問題
    成型燃料形狀的大小和松弛密度不僅是影響成型工藝和生產能耗的重要因素，而且對應用推廣有著重要的影響。同一種秸稈原料生產的成犁燃料，其形狀的大小和致密度的不同，在實際應用中的效果會有不同。例如，秸稈成型燃料應用在氣化發電中，當成型燃料進入流化床時，在成型燃料內部快速形成了溫度梯度，成型燃料形狀的大小和致密度就決定了成型燃料內達到生物質熱解反應條件的速率，這對氣化效果和焦油的產生都會產生影響。因此在秸稈成型燃料的生產中，應根據成型燃料的不同用途來確定其合理的形狀大小和松弛密度。
3.4秸稈成型燃料成型機的生產效率和能耗問題
    我國秸稈成型燃料成型機大多是在借鑒國外壓塊技術和飼料成型機的基礎之上進行變型設計而生產制造的，在成型機理方面的研究還幾乎是窄白，這直接導致我國秸稈成型燃料成型機存在結構不合理，生產效率偏低、能耗偏高等缺陷。成型機成型能耗在生產成本中占有一定的比重，生產效率偏低、能耗過高制約了企業的生產效益。因此，有必要根據農作物秸稈的特點，通過理論分析與工藝試驗來研究秸稈成型燃料成型機能耗影響因素，為提高生產效率和實現節能降耗提供依據。
4、結論與建議
    (1)秸稈成型燃料是一種優質的代煤生物固體燃料，直面“三農”，具有良好的環境和經濟效益。但是，秸稈收集、儲運問題是農作物秸稈綜合利用的首要問題，也是降低秸稈成型燃料生產成本、提高效益和促進秸稈成型燃料的應用與推廣的關鍵問題。秸稈收集、儲運問題的根本解決方法是秸稈收獲機械化。無論是農作物秸稈綜合利用還是秸稈成型燃料的應用，都必須提高我國秸稈收獲機械化水平，各級政府應結合秸稈禁燒工作給予經濟和政策上的支持。
    (2)加強對秸稈成型燃料的應用和相關燃燒機理的研究。秸稈成型燃料的應用和相關燃燒機理是一個復雜的基礎理論問題，是實現秸稈成型燃料產業化和高效燃燒合理利用的基礎，也是實現秸稈成型燃料燃燒設備安全、穩定及經濟燃燒的理論基礎；同時也是為秸稈成型燃料及相關設備的推廣與應用提供理論指導。只有加強對秸稈成型燃料應用和相關燃燒機理的研究，才能進一步促進秸稈成型燃料的應用與推廣。
    (3)在秸稈成型機的性能穩定可靠及關鍵部件快速磨損問題、生產能耗過高等關鍵技術問題上，調整設計思路是關鍵。應根據秸稈成型燃料不同的應用方式和燃燒機理，確定秸稈成型燃料的致密度，選擇合理的成型方式，注重成型機的供料、均料和成型受力問題研究，通過調整成型孔結構形狀及位置來降低磨損，提高成型機的性能的穩定和可靠性，提高秸稈成型燃料的生產效率和實現節能降耗。
    (4)影響秸稈成型燃料實現規模化生產幾個方面的問題均屬基礎性研究問題，只有通過加大研究力度，攻克技術難關，秸稈成型燃料才能有十分廣闊的市場前景。建議國家各級科技部門組織有條件的研究單位進行攻關，為秸稈成型燃料的推廣應用提供理論和技術基礎。
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