秸秆压块成型燃料产业化生产的可行性研究 - 文章

秸秆压块成型燃料产业化生产的可行性研究

作者：河南农业大学李保谦张百良

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展厅 7	农业环保机械展厅秸秆粉碎机, 木屑颗粒机, 秸秆压块机, 铡草机, 秸秆气化炉, ...

摘要：通过对秸秆压块成型的主要技术、工艺设备、经济效益和社会效益的分析，确定了秸秆压块成型燃料在国内进行产业化生产是可行的。秸秆压块成型燃料生产中的核心技术HPB-Ⅲ型液压式生物质成型机在工作原理的创新方面及配套技术和技术路线，显示了秸秆压块成型燃料的生产在技术上是可行的；每套秸秆压块成型燃料生产线具有显著的经济效益，不仅能节约大量的化石能源，又为2t以下的燃煤锅炉提供了燃料，有广阔的应用情景；秸秆燃料块燃烧后烟气中CO、CO2、SO2、NOx等成分的排放均低于目前燃煤锅炉规定的排放标准，达到了国家的环保要求，生态环保效益明显。因此秸秆压块成型燃料的生产的在国内广大农村、城镇实行产业化是可行的。
关键词：秸秆；压块成型；燃烧；产业化；可行性

中国作为一个迅速崛起的发展中农业大国，在保护环境的前提下，要实现国民经济的持续增长，必须改变传统的能源利用和能源生产方式，开发利用生物质资源，生产清洁能源是一项必然的选择。作为人类传统燃料的农作物秸秆，是来源于太阳能的一种可再生能源，具有资源丰富含碳量低的特点，加之在其生长过程中吸收大气中的CO2而成为碳元素的汇（Sink）而被称为清洁能源[1]。近年来随着农业生产经济水平的不断提高，农村生活用能中高品位的商品能源的比例增加，秸秆所占的比重正逐步下降。燃烧秸秆成为被替代的对象，田间地头或田间焚烧的秸秆量逐年增加，这种污染在收获季节集中排放，使得短时间内大气质量严重恶化，成为一个严重的社会问题[2]。本科题主要研究了废弃的农作物秸秆转化为高品位的能源，替代部分煤炭、石油等化石燃料，来提高农民的收入，缓解农村能源紧张的局面，从而实现农村能源的可持续发展。

1 主要技术分析

1.1 技术路线

秸秆生物质收集后先由太阳能预烘干系统进行脱水，通过输送带进入秸秆粉碎机，粉碎后的秸秆由气力输送装置送入原料仓，再由输送带送入液压式秸秆生物质压块燃料成型机，成型后的秸秆棒块即为燃料产品。

1.2核心技术

1.1.1 核心技术研究课题的核心技术是秸秆生物质压块成型技术。在克服螺旋式生物质成型机存在的耗能高、主要易损件使用寿命低的问题的基础上经过反复研究、试验和改进，生产出了HPB―Ⅲ秸秆液压驱动式秸秆成型机。

1.1.2 液压成型机的工作原理该机的突出特点是增加了2级预压喂入机构，液压泵站输出液力，通过电液阀控制，使双出杆油缸带动左右冲杆作往复运动。喂料斗中的生物质原料首先经过垂直搅龙和水平液压油缸两次预压后，由双出杆油缸上的冲杆推进成型套筒内，在合适的成型温度下，套筒中的秸秆生物质在外力的作用下使生物质颗粒重新排列位置关系，并发生机械变形和塑性变形。在垂直于最大应力的方向上，粒子主要以相互靠近结合的形式结合[3]。随外力的增大，生物质体积大幅度减小，容积密度显著增大，生物质内部胶合外部焦化，并具有一定的形状和强度。冲杆不断推挤，秸秆生物质从两端成型套筒中交替挤出，成为棒状产品。

1.1.3成型技术的创新性

（1）国内生物质成型技术应用较早，但很少用于成型秸秆，且能耗高和易损件寿命短，我们从94年开始研究至今，在国内首次采用液压驱动成型秸秆,解决了这个问题；

（2）成型过程采用了双出杆油缸、双向挤压成型、2级预压，提高了液压系统的效率和生产率；

（3）解决了成型过程中原料的含水率问题，过高，易放炮；过低，烘干能耗高。螺旋式成型一般要求原料的含水率小于13%，必须烘干。我们采用活塞套筒往复机构，原料的含水率在18%左右，也能正常成型，原料不需要烘干，不仅减少了原料烘干的能耗，放炮现象也减少了；

（4）变量泵和行程开关的应用、液压系统的优化设计、散热系统的设计不仅降低了液压系统工作的油温，而且使液压成型机的能耗也大大降低；

（5）HPB―Ⅲ液压秸秆生物质成型机采用了输送带自动上料，不仅节约了人力成本，也改善了工作条件；

（6）显著提高了磨损件的使用寿命，活塞冲杆与原料之间没有相对运动，减少了冲杆与成型套筒之间的磨损。活塞冲杆往复的运动速度较低，冲杆与套筒之间几乎没有生物质微粒进入，从而避免了磨损；

（7）首次将成型棒块燃料替代煤用于锅炉供热，并对其燃烧效果进行了试验测试，试验设计了生物质燃烧炉及供热系统，燃烧和供热效果良好；

（8）运行稳定，生产率可达400kg/h,能耗降为60kWh/t左右，产品价格已低于现行煤价，具备大面积推广的条件，可以进行产业化生产。

1.3 配套技术

秸秆压块成型燃料块燃烧技术、秸秆粉碎技术和太阳能烘干技术等。

2 经济效益分析和风险评估

2.1 经济效益和社会效益分析

2.1.1 秸秆压块成型燃料生产线的经济效益分析秸秆压块成型燃料生产线建成后，每条生产线一个班次可成型秸秆3～4t（相当于12亩的秸秆产量），可满足2台4t锅炉1天所需的燃料。机械设备生产厂家每年可向社会供给50套秸秆成型生产线及配套的生物质燃烧炉。

秸秆压块成型燃料生产线的经济效益主要来自秸秆成型前后每t秸秆获得的净收入部分，秸秆成型燃料块的生产成本由6部分组成，即原料的收购价、成型过程的耗能、用工费、设备折旧、维修费和其它费用。秸秆原料的收购价，约为30～60元/t(随秸秆的种类、运输距离不同而不同)；成型过程的耗能为60kWh/t，折合30元/t；每套生产线需2名操作工人，每天生产3t左右的秸秆成型燃料块，2名操作工人的工资按40元/天计算，用工折合14元/t；每套成型设备生产线的购价按10万元计算，年生产量约1000t，按10年折旧，设备折旧为10元/t；维修费约5元/t；其它费用按10元/t计算。1t秸秆成型燃料块的生产成本合计为99～129元/t，目前郑州地区煤的售价为300～320元/t，若秸秆成型燃料块的销售价格为220～240元/t，那么秸秆成型燃料块的纯利润在90～130元/t，还是具有显著的经济效益的。

2.1.2 秸秆压块成型燃料生产线设备的销售效益根据国内的秸秆资源，全国每年可建50条生产线，每条生产线设备销售价按30万元计算，作为加工和制造生产线设备的工厂每年的产值为1500万元，利税150万元左右。生产线所需的工人主要是当的农民，每条生产线可解决2～3人的就业问题，每位上线工人每月可以有400元左右收入。生产设备厂家可提高效益，上线工人还可以增加收入。

2.1.3 秸秆成型燃料的经济和社会效益调整成型压力角就可使密度达到0.9～1.1，这样的成型块完全可以代替煤，在中部平原地区的价格基本是等同于煤，在东部、南部地区可大大低于煤，若规模化生产，每户农民可从田间得到100元/t左右的经济效益，更主要的是农民不需要去拉煤，城镇2t以下锅炉减少了烧煤，秸秆生物质成型燃料块真正成了我国乡、村的高品位支柱能源。

秸秆成型燃料块的热值以秸秆的种类不同而不同。玉米秸秆的热值约为煤的0.7～0.8倍，即1.25t的玉米秸秆成型燃料块相当于1t煤的热值，玉米秸秆成型燃料块在配套的下燃式生物质燃烧炉中燃烧，其燃烧效率是燃煤锅炉的1.3～1.5倍，因此1t玉米秸秆成型燃料块的热量利用率与1t煤的热量利用率相当。1t玉米秸秆成型燃料块的售价在略低于1t煤的价格情况下，玉米秸秆成型燃料块替代煤作为供热锅炉、茶水炉等燃炉的燃料是具有市场前景的。

2.1.4 产品的售价、盈利及推广应用预测秸秆压块成型燃料技术成果进入市场后，秸秆压块成型燃料的生产在农区应合理布局，这样可以减少原料的运输费。秸秆压块成型燃料生产线的生产率按400kg/h，每天生产8h，每年生产按300天计算，每条生产线运行后未来3年的推广应用和生产销售预测如表1和表2。

表1 秸秆压块成型燃料生产线设备推广应用预测

表2 秸秆压块成型燃料块售价与盈利预测

从上述2表中可以看出秸秆生物质压块成型燃料的经济效益是显著的。

2.2 风险评估

秸秆压块成型燃料块在国内进行产业化生产尚属首次，该项目实施后产生的社会效益、生态环保效益是巨大的，对调整农业产业结构增加农民收入具有现实意义，因此有广泛的推广应用前景。秸秆压块成型燃料生产线中的关键技术（压块成型）已得到解决，生产设备的机械加工也没问题，与国外同类设备相比具有价格低廉的优势，暂不存在机械产品竞争问题。秸秆压块成型燃料的风险性和不确定因素主要由两个方面：一是国家的产业政策，二是秸秆原料的价格。秸秆成型燃料所用的原料主要是玉米秸秆，秸秆成型燃料可取代煤，但秸秆目前没有价格，一旦该技术推广后原料价格大幅度上涨，秸秆成型燃料与煤相比没有竞争能力，国家没有在城镇限制用煤政策，这就给秸秆成型燃料的推广增加了难度，会减慢推广应用的速度，同时秸秆的收获期是相当短的一段时间，而且是大范围、大区域同时进行的，给秸秆的收集会带来一定的困难。

我们认为降低风险的有效措施首先是国家政府部门的政策导向，保护环境、禁烧污染严重的燃煤锅炉，禁烧秸秆、取缔小型造纸厂，大力宣传、普及推广环保效益好的生物质燃烧炉。政策上扶植农区从事秸秆成型燃料生产的专业户，使这项技术尽快推广，以产生较好的社会、环保和生态效益。秸秆生物质压块成型燃料实现了生产线生产，形成了产业，农民也扩大了收入，同时也推动了我国农村经济的发展；其次是对生产工艺参数优化设计，选择最佳路线，保证生产线设备在制造加工过程中的质量和精度，降低压块成型的成本，保证秸秆成型燃料块产品的质量也是能大面积推广的关键，同时还有与此相关的大量组织经营工作，有待逐步解决完善。

3 燃烧性能测试与可行性分析

3.1 秸秆成型棒（块）燃炉燃烧性能测试

将秸秆成型棒（块）产品放入0.8t立式锅炉中燃烧，通过喷淋式除尘器后，废气由烟囱中排出。经试验，秸秆成型棒（块）的密度在0.9～1.1g/cm3时，其燃烧效果最好，燃烧室温度达1060℃，燃烧速度比煤快15%以上，正常燃烧状态下，烟囱中无灰尘和灰烟排出，1次加入秸秆成型棒（块）5kg,关闭风门后，可保持4h以上不熄灭。烟尘的排放浓度为138mg/Nm3,SO2排放浓度仅为75mg/Nm3，大大低于《锅炉大气污染物排放标准》（GWPB3—1999）的指标，达到了国家环保要求。

3.2 可行性分析

秸秆从粉碎→成型→燃烧所需设备必须配套，才能在农村、城镇推广应用。

（1）从秸秆资源产量看，广大农村和乡镇的各种秸秆产量大、范围广。据统计1996年中国农作物秸秆的产量达5.7亿t，主要包括玉米、小麦、水稻、大麦和油料等作物的秸秆，其中玉米秸秆15343万t，麦秆10529万t，稻秆17891万t[4]。我国每年生产的农作物秸秆总量约占全世界总量的20%～30%。秸秆经过热压成型达到一定的密度后再燃烧可提高燃烧温度和热利用率减少空气环境的污染，燃烧速度快，节省了时间，可使秸秆成为高品位的能源产品加以利用。

（2）符合国家的环保政策，多数地区都采取了禁烧秸秆的措施，大中城市已基本取缔了2t以下的燃煤锅炉，改燃清洁燃料（天然气或电），而清洁燃料的成本较高，当秸秆压块成型机的生产率达到200kg/h时，经过经济效益计算，秸秆压块成型燃料棒（块）的成本价在180元/t左右[5,6]；当秸秆压块成型机的生产率达到400kg/h以上时，秸秆压块成型燃料棒（块）的成本价降为100～130元/t，售价在220～240元/t，完全可以替代煤作为城镇中2t以下燃煤锅炉的燃料，给秸秆利用找到了一条出路。

（3）灰尘及其它指标的排放也比煤低，可实现CO2、SO2降排，减少温室效应，是保护生态环境的有效方法，环保效益明显。

（4）秸秆粉碎机、成型机的加工工艺并不复杂，成本较低，成型机易损件的使用寿命在200h以上，粉碎与成型单位产品能耗可降至60kWh/t，将秸秆的粉碎和成型放在农区，可以降低秸秆原料的运输成本和成型费用，农民购置一套成型设备可在2～3年时间内收回成本，完全可以在农村中推广应用。燃炉的应用可设在中、小城镇或农村，这样秸秆从粉碎、成型到燃烧即可形成产业化。

（5）据国际可再生能源组织的预测，地下石油、天然气及煤的贮量，按目前的利用速率只够用60a左右，因此，秸秆生物质可再生能源热压成型后作燃料，使其得到高品位的利用，是未来可再生能源的一个发展方向。

4.结论

秸秆压块成型用液压驱动式秸秆成型机作为主机，采用活塞套筒双向挤压间歇成型，可有效地降低能耗、延长易损件的使用寿命；秸秆压块成型燃料生产线中的关键技术（压块成型）已得到解决，生产线设备的机械加工并不复杂，与国外同类设备相比具有价格低廉的优势；国内的秸秆来源广泛，作为加工和制造生产线设备的厂家能提高经济效益和利税，可安排农村富余劳动力上线，增加他们的经济收入；秸秆棒（块）在生物质燃烧炉中的燃烧速度比煤快15%，烟气中的CO、CO2、SO2及NOx的排放均达到国家环保标准，完全可以取代煤，从而解决秸秆荒烧问题，减少空气污染，有显著的生态环保效益；根据目前国际生物质能源的利用现状及未来可再生能源的发展趋势，秸秆从收集、脱水、粉碎、成型到燃烧在中国农村、城镇中实行产业化有着广阔的应用前景。

参考文献：
[1] Lars Nikolaisen,Carsten Nielsen,Mogens G.Larsen et al.Straw for Energy Production, Denmark.1998
[2] 卞有生.生态农业中废弃物的处理与再生利用.北京:化学工业出版社.2000
[3] 郭康权,赵东等.植物材料压缩成型时粒子的变形及结合形式.农业工程学报.1995,11（1）：139～143
[4] 戴林,李景明,Ralph Overend.中国生物质能源转换发展与评价.中国环境科学出版社.1998
[5] 吴岐山,赵一锦.技术经济学.成都:四川大学出版社.1986
[6] 张百良.农村能源技术经济与管理.北京:农业出版社.1995

作者简介：
李保谦,男,1961年8月出生,教授，1982年7月毕业于河南农学院农机系农机修造专业，学士学位，硕士研究生导师，现在河南农业大学机电工程学院农业机械化及自动化系任教，系主任，主要从事农业机械装备结构设计与性能试验方面的研究。先后主持、参加和完成了国家级、省部级科研项目8项，获省级以上科技成果奖2项，在国内外重要刊物上发表学术论文20余篇。出版著作6部。特别是在秸秆生物质压块成型燃料和饲料生产设备与工艺技术方面的研究取得了显著的成绩。

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文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/24/2005)


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