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中国生物质固体成型燃料产业发展分析 木屑颗粒机|秸秆颗粒机|秸秆压块机|木屑制粒机|生物质颗粒机|富通新能源 / 14-12-04

摘要:生物质固体成型燃料具有易运输和贮存、燃烧效率高等特点,是生物质开发利用的主要方向之一。国外生物质固体成型燃料技术及设备已经趋于成熟,形成了整个产业链的成熟技术体系和产业模式。我国目前也形成了良好的政策法规环境,农林生物资源丰富,生物质固体成型燃料产业化关键技术亦趋于成熟,秸秆收、储、运模式初步建立,未来发展潜力巨大。但还需要完善财政补贴政策、加强技术研发、开展示范,尽快出台国家或行业标准。
关键词:中国;生物质固体成型燃料;产业;颗粒机
0、引言
    在农业和林业生产过程中,会产生大量的剩余物。例如,残留在农田内的农作物秸秆,农副产品加工后剩余的稻壳、玉米芯和花生壳等,林业生产过程中残留的树枝、树叶,木屑和木材加工的边角料等。上述农林业生物质资源通常松散地分布在大面积范围内,堆积密度比较低,给收集、运输、储藏和应用带来了一定的困难。
    由此,人们提出了生物质固体成型燃料技术,即在秸秆颗粒机或者秸秆压块机一定温度和压力作用下,利用木质素充当粘合剂,将松散的秸秆、树枝和木屑等农林生物质压缩成棒状、块状或颗粒状的成型燃料。压缩后的成型燃料体积缩小6~8倍,能源密度相当于中质烟煤,提高了运输和贮存能力,燃烧特性明显得到改善,提高了利用效率,秸秆颗粒机、秸秆压块机压制的生物质成型颗粒燃料如下图所示:
秸秆颗粒机压制的辣椒秸秆颗粒燃料玉米秸秆生物质颗粒燃料1
    生物质固体成型燃料技术是生物质能开发利用技术的主要发展方向之一,不仅可以为家庭提供炊事。取暖用能,也可以作为工业锅炉和电厂的燃料,替代煤、天然气、燃料油等化石能源,近年来日益受到人们的广泛关注。
1、国外生物质固体成型燃料产业发展经验
    2005年,世界生物质固体成型燃料产量已经超过了420万t。其中,美洲地区110万t:欧洲地区300万t.现有大型生物质固体燃料成型厂285个。瑞典生物质颗粒燃料的产量约141.1万t.消费量约171.5万t,位居世界首位,生产的固体颗粒燃料除通过专门运输工具定点供应发电和供热企业外,还以袋装的方式在市场上销售,已经成为许多家庭首选生活用燃料。芬兰的木质生物质颗粒燃料发展始于1998年,原料以木材剩余物(如树皮、木屑、刨花和锯末等)为主,主要来源于木材加工厂,年生产能力达20万t。生物质固体成型燃料也成为全球贸易对象,如加拿大等林业资源丰富的国家具有非常大的生产潜力,而丹麦则是重要的消费国,国际贸易量逐步上升。目前,国外生物质固体成型燃料技术及设备的研发已经趋于成熟,相关标准体系也比较完善,主要以木质生物质为原料生产颗粒燃料,形成了从原料收集、储藏、预处理到生物质固体成型燃料生产、配送和应用的整个产业链的成熟技术体系和产业模式。锯末颗粒机    针对生物质固体成型燃料的种类、热值、灰分含量。颗粒尺寸和加热系统,各国也分别开发了不同的采暖炉和热水锅炉,而且可以应用配套的自动上料系统。家庭用生物质颗粒燃料炉灶的热效率可达80%以上:为住宅小区、学校大面积供热的生物质锅炉的燃烧效率高达90%以上。
    在标准方面,欧盟固体生物质燃料标准化工作始于2000年。欧盟标准化委员会(CEN)委托瑞典标准所(Swedish Standards Institute)组建欧盟固体生物质燃料标准化委员会(CEN/TC 335),开始欧盟固体生物质燃料标准的制定工作。为了尽快服务于市场,CEN/TC 335决定首先制定技术规范ITS),此项工作的主要部分已于2006年完成,已发布了30个技术规范,分为术语、规格、分类和质量保证:取样和样品准备:物理{或机械)试验:化学试验等5个方面。目前,正在向欧盟标准转化,并着手制定国际(ISO)标准。
2、我国生物质固体成型燃料产业发展的条件
    我国生物质固体成型燃料技术的研究开发始于20世纪80年代,已有二十多年的历史,早期主要集中在螺旋挤压成型机上,但存在着成型筒及螺旋轴磨损严重、寿命较短、电耗大等缺点,导致综合成本较高,发展停滞不前。进入2000年以来,生物质固体成型技术得到明显的进展,成型设备的生产和应用已初步形成了一定的规模。截至2007年底,国内有生物质固体成型燃料生产厂50余处,固体成型燃料生产能力约20万t/a.主要用于农村居民炊事取暖用能.工业锅炉和发电厂的燃料等。
    下面,本文将针对政策法规、资源、关键技术和需求等四个方面对我国生物质固体成型燃料产业发展条件进行分析。
    2.1政策法规
    长期以来,党中央国务院高度重视秸秆能源化利用工作,相继出台了一系列政策法规,鼓励和支撑相关产业的发展。《中华人民共和国可再生能源法》第十六条规定“国家鼓励清洁、高效地开发利用生物质燃料“。《可再生能源中长期发展规划》提出,到2010年秸秆固体成型燃料年利用量达到100万t以上:力争到2020年秸秆固体成型燃料年利用量达到5000万t。农业部《c农业生物质能产业发展规划》也提出,到2010年,全国建成400个左右秸秆固化成型燃料应用示范点,秸秆固化成型燃料年利用量达到100万t左右:到2015年,秸秆固化成型燃料年利用量达到2000万t左右。《可再生能源产业发展引导目录》认为”生物质固化成型燃料技术”符合可持续发展要求和能源产业发展方向,具有广阔的发展前景,应积极开展技术研发、项目示范和投资建设活动。2008年7月,国务院办公厅发布了《关于加快推进农作物秸秆综合利用意见的通知》指出,”结合乡村环境整治,积极利用秸秆生物气化(沼气)、热解气化,固化成型及炭化等发展生物质能,逐步改善农村能源结构“。财政部出台了《秸秆能源化利用补助资金管理暂行办法》,拟采取综合性补助方式,支撑从事秸秆成型燃料、秸秆气化、秸秆干馏等秸秆能源化生产的企业收集秸秆、生产秸秆能源产品并向市场推广。
    2.2农林生物质资源分析
我国具有丰富的生物质资源。其中,可用于生物质固体成型燃料的资源主要分为农作物秸秆、农产品加工剩余物、林业生物质资源等。
    2.2.1农作物秸秆资源
    农作物秸秆是指在农业生产过程中,收获了稻谷、小麦、玉米等农作物以后,残留的不能食用的茎.叶等副产品。秸秆资源量与农作物产量、农业生产条件和自然条件等因素有着密切关系。通常根据农作物产量和各种农作物的草谷比,大致估算出各种农作物秸秆的产量。我国是一个农业大国,具有丰富的秸秆资源。初步估算.2006年全国稻谷、小麦、玉米、豆类,薯类、棉花和油菜等七类主要农作物秸秆理论资源量为5.43亿t,按风干计,含水量约15%),在扣除用作肥料、饲料、以及造纸、建材、编织和养殖食用菌等工副业的生产原料外,可能源化利用资源量约为2.21亿t,折合1 .11亿tce。
    秸秆作为农作物的副产品,受农作物产量、种植结构、收获方式等因素的影响。根据《全国农业和农村经济十一五规划)),预计到2010年,我国七种主要农作物秸秆理论资源量约6.0亿t,2020年约6.5亿t。在扣除各种用途,并在保障土壤肥力的前提下.预计到201 0年我国七种主要农作物秸秆可能源化利用的资源量为1.65亿t,2020年为1.65亿t。可以看出,虽然未来我国秸秆理论资源量将有所上升,但随着畜牧业等竞争性行业的发展,可用干能源化利用的七种主要农作物秸秆资源将长期保持在1.6亿t左右。
    2.2.2农产品加工剩余物
    农产品在初加工过程中产生的副产品主要包括稻壳、玉米芯。花生壳、甘蔗渣等。稻壳占稻谷重量的20%,玉米芯约占穗重的20%,花生壳约占花生重量的35%.甘蔗渣是蔗糖加工业的主要废弃物,蔗糖与蔗渣各占50%。目前,上述副产品的年产量约1.3亿t.折合0.65亿tce。
    2.2.3林业”三剩物”
    林业”三剩物”主要包括采伐剩余物、造材剩余物、木材加工剩余物。根据对各大林区采伐地的抽样调查,采伐、造材剩余物{包括树干梢头、枝桠和树叶)约占林木生物量的40%。根据国务院批准的”十一五”期间森林采伐限额,全国每年限额采伐指标为2.5亿m3,可产生采伐、造材剩余物约1.1亿t(含水量约50%},折合干重约5500万t。根据对木材加工厂的抽样调查,综合考虑各地的实际情况,估计木材加工剩余物数量约占原木的34.4%,因此可推算出全国木材加工剩余物约为3207.9万m3.换算重量为2887.1万t(含水量约400),折合干重约1700万t。
2.3产业化关键技术评价
2.3.1固体成型技术
生物质固体成型技术主要分为压模辊匠式成型机、活塞式成型机和螺旋挤压式成型机等几种形式。其中,压模辊压式成型机分为环模压辊成型机和平模颗粒成型机等。活塞冲压式成型机按驱动动力不同可分为机械活塞式成型机和液压驱动活塞式成型机两种类型。各类固体成型技术综合比较见表1。
表1 各类固体成型技术综合比较一览表
技术类型 成型原理 适用原料 燃料形状 主要技术特点 适于场合
环模压辊 采用环形压模和圆柱形压辊压缩成型,一般不需要外部加热。 农林生物质 颗粒、块状 生产能力较高,产品质量好;模具易磨损,维修成本较高。 适合大规模生产
平模压辊 采用水平圆盘压模与压辊压缩成型,一般不需要外部加热。 农林生物质 颗粒、块状 设备简单,制造成本较低;生产能力较低。 适宜小规模生产
机械活塞 冲压成型。 农林生物质 棒状 密度高;设备稳定性差、振动噪音大,有润滑污染问题。 适宜工业锅炉用户
液压活塞 冲压加热成型。 农林生物质 棒状 运行平稳,密度高;生产能力低,易发生“放炮”现象。 适宜工业锅炉用户
螺旋挤压 连续挤压,加热成型。 木质生物质 空心棒状 产品密度高;套筒磨损严重,维修成本高。 适宜中小规模生产,加工成机制碳。
    目前,我国生物质固体成型的关键技术已取得突破.特别是压模辊压式成型技术,已经达到国际同类产品先进水平,有效地解决了功率大、生产效率低、成型部件磨损严重、寿命短等问题,并已实行商业化。农业部规划设计研究院和北京盛昌绿能科技有限企业联合研发的生物质固体成型燃料加工工艺与成套设备,生产率≥2.0t/h,成型率≥95%,颗粒密度1.0~1.2t/m3。系统运行稳定,物料适应性好,主要技术经济指标居国内领先水平,成套设备达到国际同类产品先进水平。利用该技术工艺和设备已在北京市大兴区建成了年产2万t的生物质固体成型燃料生产线并投产运行。
    2.3.2原料“收、储、运”模式
    农作物秸秆通常松散地分散在大面积范围内,面广量大,涉及到千家万户,这给秸秆收购和能源化利用带来了困难。经过探索和尝试,各地因地制宜.形成了”农户+秸秆经纪人+企业”、“农户+企业+政府”等各具特色的秸秆收、储、运模式。
    2.3.3生物质固体成型燃料热利用设备
    生物质固体成型燃料密度为0.8~1.2t/m3.能源密度相当于中质烟煤,使用时火力持久,炉膛温度高,燃烧特性明显得到了改善,可为农村居民.工业锅炉及发电厂提供优质能源。固体成型燃料主要利用设备为生物质固体成型燃料炊事炉、采暖炉、炊事取暖两用炉、工业锅炉等专用燃烧设备,多采用反烧、双层炉排以及半气化燃烧等方式,也取得了一定进展,开发了各具特色的燃烧设备,并在当地进行了推广。也可以通过简单改造,将现有的燃煤工业锅炉改为燃生物质固体成型燃料。
  2.4需求分析
    生物质固体成型燃料适用于农村居民炊事和采暖用能,大中城市工业锅炉、发电和热电联产等。
    我国地域广阔,各地气候条件差别非常之大,主要采暖区域为严寒和冰冷地区,包括黑龙江、吉林、辽宁、北京,天津、河北、山东,山西,河南、内蒙古,陕西,宁夏,甘肃,青海,新疆,西藏等省区,人口约占全国总人口的三分之一。采暖燃料主要为秸秆、薪柴和煤,采暖设备主要为炕连灶和煤炉等,存在着浪费燃料和严重污染环境等问题。生物质固体成型燃料可为农村家庭提供室内取暖燃料,未来发展潜力巨大。考虑资源的可获得性,应重点在粮食主产区发展生物质固体成型燃料产业。
    随着国家节能减排政策的实施,大中城市取缔燃煤的工业锅炉将成为必然。但如果改用燃油或天然气,则运行成本较高,长期使用难以为继。因此,将燃煤锅炉改造为燃生物质固体成型燃料锅炉则是一个可行的选择。例如,2007年6月沈阳市环保局出台了《关于推广生物质燃料及配套炉具的通知》,支撑将原有的燃煤锅炉改造为生物质固体成型燃料锅炉。据悉,哈尔滨市和保定市也分别发布了类似的文件。另外,生物质固体成型燃料也可以用于发电或热电联产。
    木质颗粒燃料具有燃烧效率高、自动化程度高、清洁卫生等优点,适合于别墅壁炉等高端人群的冬季采暖,也是未来一个应用方向。
3、存在的主要问题和建议
    3.1完善财政补贴政策
    如前所述,财政部已经出台了《秸秆能源化利用补助资金管理暂行办法》,支撑秸秆能源化利用的企业。但是,该办法要求申请补助资金的企业必须满足注册资本在1000万元以上、年消耗秸秆量在1万吨以上等两项条件。这无疑提高了申请补贴的门槛,使大多数秸秆固体成型燃料生产企业无法享受到国家的补贴政策。建议在试点示范的基础上,修改补贴标准和办法,争取将大多数项目纳入补贴范围。
    3.2加强技术研发
    目前,我国生物质固体成型燃料利用过程中仍然存在诸多问题,包括农作物秸秆的收集、储运技术体系不完善,机械化水平低:成型设备机组可靠性能较差,模具磨损严重、使用寿命短,维修和更换不便,导致设备不能连续生产,故障率较高,维修频繁,只能断续小量生产:设备能耗过高:设备系统配合协调能力差,运行不稳定,目前的国内生物质成型机多为低产率的单机生产,没有形成配套的生产线:成型设备的原料适应能力差,不同的成型设备对适用原料类型、粒度和含水率要求各不相同:对秸秆燃烧过程中结渣、腐蚀等问题缺乏足够的重视,配套燃烧设备亟待完善:相关标准缺乏:缺乏成熟的运行模式可供借鉴:没有建立科学完善的服务管理体系等,如图1所示。
    生物质固体成型技术的推广使用,有赖于成型设备及专用炉具生产的规模化。要通过试点工程.逐步完善现有技术,实现设备生产规模化、产业化.形成完善的设备生产、产品配送体系,在生产实践中提高并考验生物质固体成型技术的可靠性和经济性,有效降低生物质固体成型燃料的生产成本:着重从机组运行可靠性、易损件使用寿命、维修方便性、降低能耗等方面进行研发,努力降低造价,使成型机和炉具以及成型燃料尽快进入商业化阶段。
    3.3示范先行,多种模式探索
    我国幅员辽阔,各地区的气候特点、资源禀赋和经济发展水平差异很大。生物质固体成型燃料技术及运行模式需要在不同地区进行技术适用性、工程应用模式以及综合配套技术的完善。建议在全国的典型地区对不同原料、不同用途、不同运行模式的秸秆固体成型燃料技术进行试点,验证工艺和设备的可靠性、可行性及适用性,为下一步大面积推广提供技术支撑和管理经验。
    3.4尽快出台国家或行业标准
    我国已制订了GB/T17664 - 1999木炭和木炭试验方法、NY/T12 -1985生物质燃料发热量测试方法,NY/T8 -2006民用柴炉、柴灶热性能试验方法、NY/T1001-2006民用省柴节煤灶、炉、炕技术条件、GB/T 21923-2008固体生物质燃料检测通则等国家或农业行业标准。其中,《固体生物质燃料检测通则》在术语。定义、分类和特性信息上完全参考了欧盟标准,并不符合我国国情。我国对生物质固体成型燃料的试验基本上是参照煤炭测试方法。虽然属于固体燃料,存在着许多共同之处,但由于组成及结构上的差异、燃料的物理和化学特性的不同,煤炭的测试标准不完全适用于生物质固体成型燃料。随着生物质固体成型燃料市场的逐渐成熟,标准化工作已明显滞后于产业发展速度,影响了该产业的市场化,规模化和专业化发展。建议借鉴欧美国家先进经验,结合我国秸秆固体成型燃料发展的实际.尽快制定我国生物质固体成型燃料标准。
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