0、引言
    生物質能作為一種清潔能源，具有可再生和環境友好的雙重屬性。發展生物質能，既有利于緩解我國能源緊張的局面，減少溫室氣體的排放，保護生態環境，又有利于改善農村居民生產生活條件，增加農民收入。我國是一個農業生產大國，具有豐富的生物質資源。目前，農作物秸稈年產量已超過7億t．折合成標煤約為3,5億t。此外，我國還有約13億t林木業生物質資源可供利用。    生物質固體成型燃料是各類原來分散的、沒有一定形狀的秸稈等生物質經干燥和粉碎后，在一定溫度與壓力作用下，壓制成的具有一定形狀的、密度較大的新型清潔燃料。它具有便于儲存和運輸等優點，不僅可為農村家庭提供炊事、取暖用能，也可作為工業鍋爐和發電廠燃料、替代煤、天然氣、燃料油等化石能源，是生物質能利用的重要發展方向之一。隨著農村居民生活水平的提高、對新型能源需求的擴大以及加強環境保護、應對全球氣候變化的戰略需要，生物質固體成型燃料已成為一種極具競爭力和發展潛力的替代能源。
    目前，生物質固體成型燃料的成型設備主要有螺旋擠壓式成型機、活塞沖壓式成型機和壓輥式成型機等3種形式。其中，壓輥式成型機分為環模成型機和平模成型機。環模成型機采用環狀壓模，成型模孔環狀徑向輻射均布，工作區接觸面積大、模孔多，環模與壓輥接觸線上各點等速，具有生產率高、能耗較低等優點．已經逐漸成為當前歐美等發達國家的主流技術。
    本文擬通過對國內外生物質固體成型燃料環模成型技術發展現狀及趨勢等進行綜合分析，探討制約產業發展存在的關鍵技術問題，并提出下一步研究方向及對策措施。
1、技術發展現狀
1.1環模成型理論研究進展
    生物質壓縮成型技術研究，早期主要集中于成型壓力和密度上。Skalweit最早提出了秸稈壓縮成型理論，得出壓力與密度為指數關系。隨后，各國的研究者對其做進一步的證明和修正。李在峰分析了成型時電耗主要集中在粉碎與制粒兩個工序上，在不影響顆粒燃料使用性能的前提下，應盡可能地降低對密度的要求。姜洋發現了豆稈采用壓縮比為4.0的環模、玉米秸稈采用壓縮比為4.5的環模、鋸末采用壓縮比為5.0的環模時，顆粒燃料密度達到質量要求時設備系統的能耗較低。申樹云對環模顆粒機核心工作部件——環模進行了ANSYS有限元分析，建立了顆粒成型過程中的溫度場、應力應變場模型，得到長徑比為5:1時成型效果最佳的結論。高建輝對環模壓塊成型機利用ANSYS程序對成型設備力學性能以及振動響應特性進行了系統的量化分析，得到主軸部件的前6階模態振型、臨界轉速以及在工作載荷頻率下的動態響應特性。
    現階段，國內對生物質固體成型燃料環模成型設備的研究成果，主要是基于某種條件下進行的試驗研究得到的一些優化結果。但受成型過程多方面因素影響，優化結果只在特定環境發揮作用。尚沒有深入地研究環模成型機理，也缺乏對環模秸稈壓塊機的試驗研究。
1.2產業發展現狀
    生物質環模成型機最初由飼料成型設備改進而得。早在20世紀60年代，美國約翰迪爾公司生產的Lundell壓餅機，即采用了環模式壓餅裝置，并己成為定型產品在市場上銷售。目前，國外主要生產木制顆粒燃料。近年來，生物質顆粒燃料總產量逐年增加．2008年全世界生物質顆粒燃料總產量達1160萬t．其中歐洲（不含俄羅斯）總產量達740萬t。某些大企業年產量達數十萬t．如瑞典SkellefteA Kraft AB公司2009年的產量達
23.5萬t。
    從20世紀80年代起，我國開始致力于生物質固體成型燃料技術的研究。1996年，遼寧省農牧業機械研究所申請了環模壓塊機的專利；環模顆粒機，生產能力為250—300 kgthm;2008年，農業都規劃設計研究院完成了具有我國自主知識產權的環模顆粒機，并在北京市大興區建成年產1萬t生物質固體成型燃料生產線。國內外部分環模成型機的主要技術指標如表1。
    目前，國外環模成型機適用原料主要為木屑等林業廢棄物，產品多為顆粒燃料，設備制造比較規范，自動化程度高，生產技術大部分已經成熟，并達到規模化和商品化，但價格較高。國內生物質環模成型機還處于商業化初期，規模較小、適應性差，因此，亟待開發適合我國國情的環模成型設備。
2、生物質環模成型機分類和比較
    生物質環模成型機可按生產的產品尺寸規格進行分類，主要分為生物質環模顆粒機和生物質環模壓塊成型機。本文重點對農業部規劃設計研究院在北京大興基地研制的兩種典型環模成型機進行分析比較。
2.1生物質環模顆粒機
    生物質環模顆粒機生產的顆粒燃料，通常為圓柱形，直徑一般不大于25 mm。長度不大于其直徑的4倍；常見的直徑尺寸有6，8，10 mm。顆粒燃料的密度大于壓塊燃料，達1.2—1.4 t/m。由于顆粒燃料直徑較小，模孔壓縮比較大，對原料含水率要求較高，一般在含水率為12%~15%、原料粒徑為1~5 mm時適合成型。
    環模顆粒機及關鍵部件見圖1和圖2．該機型采用環形壓模和與其相配的圓柱形壓輥為主要工作部件，主要由喂料、攪拌、傳動及潤滑系統組成。因其壓模軸線通常為水平布置，故常稱臥軸環模顆粒機。
    壞模顆粒成型機工作原理：原料在配料倉經專門配置的抄板攪拌混合，調質處理，隨后螺旋供料器將物料喂入壓粒器制粒。在壓粒器內，勻料板將調質好的物料均勻地分配到模、輥之間。環模由電機帶動回轉，安裝于環模內的2只壓輥在模輥間的物料及其間的摩擦力作用下只自轉不公轉。由于模、輥的旋轉，將模、輥間的物料鉗入、擠壓，最后成條柱狀從模孔中被連續擠出來，再由安裝在壓模外面的固定切刀切成一定長度的顆粒燃料。
    制粒系統工藝流程主要包括原料干燥、粉碎（除塵）、氣流輸送、收集、原料混合攪拌、螺旋輸送、制粒成型、切斷、冷卻、包裝、入庫等工序。
2.2生物質環模壓塊成型機
    生物質環模壓塊成型機生產的壓塊燃料，通常為棱柱形或圓柱形，其直徑或橫截面的對角線一般大于25 mm．長度不等。由于模孔橫截面尺寸為30 mmx32 mm，模孔壓縮比較小，對原料含水率要求寬松一些，一般為10%～20%。
    環模壓塊成型機主要構造及關鍵部件見圖3和圖4．它主要由喂料系統和主傳動壓塊系統兩部分組成。
    環模壓塊成型機的主要工作原理不同于環模顆粒機，它的主要工作部件是由固定的單列方模孔的環模和轉動的單一偏心壓輪組成。粉碎后的秸稈物料經喂料口進入帶有不等螺距的內外螺帶的機體腔倉中，隨著主軸體的轉動，將物料推至環模腔中，并布滿環模溝槽，由沿著環模溝槽內切公轉和摩擦自轉的偏心壓輪將物料擠壓進環模孔中。環模壓塊成型機主軸體與偏心壓輪有一定的偏心距形成主軸體的旋轉扭力臂，偏心壓輪的半徑形成了傳動扭力臂，主軸體的動力作用點在偏心壓輪的軸心上形成主軸圓周力。偏心壓輪每完成一次公轉周期就將布滿環模溝槽內的物料擠壓人模孔內，從而形成了燃料塊的一個壓層。
    隨著物料的不斷喂入和偏心壓輪的公轉、自轉，便接連不斷地形成無數個物料壓層，相繼地擠入模孔中，通過模孔中不斷呈柱狀擠出，然后與出料罩斜面接觸，被撅成一定長度的方形柱狀物。
    壓塊系統工藝流程主要包括原料干燥、粉碎（除塵）、輸送、成型、冷卻、包裝等工序。
2.3環模顆粒機與環模壓塊成型機性能對比
    由于環模顆粒機的環模內徑不超過500mm，因此環模可以整鑄；采用動模式驅動，喂料方便，可以獲得更高的轉速；顆粒產品的質量好，密度大，能達1.2.1-4t/m3，生產率達1.5~2 t/h，成型率不低于95%。
    由于環模壓塊成型機的環模內徑超過800mm，因此環模采用分體式模塊組成；采用動輪式驅動，主運動部件質量輕、節能，但可能導致喂料不均勻；壓塊產品的生產率高，能達3-4 t/h．密度適中，為0.6～1.0t/m3．成型率在90%。兩種環模成型機性能特點如表2所示。
    總之，環模顆粒機采用雙壓輥結構受力比較均勻，壓制的顆粒產品成型率高、密度大、質量好、更易于儲存，目前顆粒燃料已經有了穩定的商業化市場；環模壓塊成型機采用單壓輪結構，物料攝入區域大、生產率高、對物料的含水率適用范圍也比較寬，生產的工序少、設備投資少、人工成本和能耗低、產品價格低。
3、存在的主要問題
3.1基礎理論研究薄弱
    國內外在秸稈壓縮環模成型基礎理論方面的研究還很薄弱，無法滿足生物質壓縮成型設備研究和開發需要。目前，針對螺旋擠壓式和活塞沖壓式壓塊成型機的研究比較多，針對環模成型機的研究很少。在環模成型機的研究中，主要是針對顆粒成型機的研究多，針對壓塊成型機的研究較少，而壓塊比制粒工藝流程短，實際工作條件更惡劣，兩者差異較大，須要專門研究。
3.2原料適應性差
    目前，國外研究的環模成型機多以木屑等木質類為原料，尚缺少專門針對農作物秸稈開發的成型設備。國內現有針對秸稈原料的生物質環模成型機，大部分僅適用于有限幾種原料，且可靠性差，運行不平穩。
3.3易損件使用壽命短
    國外壓模使用壽命（以產量計）一般達到5000～10000t以上，國內壽命僅100~1000t，較好的也只達5 000t左右。
3.4結構設計存在缺陷
    采用動輪式的環模壓塊機，因采用（螺旋）曲線上料，壓輪滾動壓縮進料，高速旋轉點對點進入環模孔，即原料送到，壓輪也剛好轉到，因物料本身重量的原因，喂料上下不太均勻。此外，物料在輸送過程中存在漏流和逆流情況，致使環模壓塊機喂料不均勻、進料困難、易堵料，降低了生產率。
3.5壓塊燃料密度低，成型率不高
    環模壓塊成型機壓制的壓塊普遍存在密度比較低，難以達到lt/m3以上，且成型率不高，低于90%，生產的壓塊易松弛，甚至出現開裂的問題，影響其燃燒效果和運輸儲存。
4、結論與建議
    國外研究的環模成型機，所適用的原料多為木屑等木質類原料，少有針對農作物秸稈這類原料開發的環模成型設備。環模成型機的研究還存在著基礎薄弱等問題，加大力度解決生物質環模成型技術及設備生產中的成型率低、穩定性差、故障率高、難以保證連續作業等問題，可有效促進生物質固體成型燃料產業規模化發展。
    應加緊對成型影響因素，如開孔率、模孔形狀等進行試驗研究，找出影響規律及最佳范圍，以便改進環模成型機局部結構。環模壓輥（輪）是環模成型機的主要工作部分，應當通過使用新材料、新熱處理工藝的辦法．提高環模成型機環模壓輥（輪）的使用壽命。此外，還應提高環模成型機自動化水平，改善操作環境，保證產品質量，富通新能源生產銷售環模顆粒機、環模式木屑顆粒機等生物質燃料成型機械設備。