隨著化石燃料短缺和其使用時產生的污染問題的加劇，人們對生物質能源的開發(fā)利用技術日益重視起來，本文介紹了生物質燃料的特點、壓縮成型技術、氣化技術和連續(xù)干餾制氣技術。倡導尋求適合地區(qū)特點的生物質能資源系統利用的新模式，推廣改進農村燃料結構，提高農民的生活質量。

引言

生物質能是指來源于木材、秸稈、動物糞便等生物質的能源。與化石能源不同，他們來自新近生存過的生物，這些生物質可以通過直接燃燒來獲取能量，也可以轉化為生物質燃料。由于其可再生性，被認為是未來能源和化學燃料的重要來源，約占世界所有可再生能源的2/3。我國是一個農業(yè)大國，生物質資源十分豐富，僅農村每年產生的生物質燃料可折合217×108t標準煤，占農村總耗能的40%左右。但是生物質能在我國商業(yè)用能結構所占的比例極小，主要被作為一次能源在農村被利用，大部分被直接作為燃料燃燒或廢棄，利用水平低，浪費嚴重，且污染環(huán)境，所以充分開發(fā)、系統合理的應用生物質能，對改善我國農村的能源利用環(huán)境，加大生物質能源的高品位利用具有重要的意義。

1 生物質燃料的特性

1)含碳量少，生物質燃料的含碳量最高不會超過50%，相當于褐煤的含碳量。特別是固定碳的含量明顯比較煤少，所以該燃料燃燒的時間短，而且能量密度比較低。

2)揮發(fā)分多，該燃料中的碳多數和氫結合成分子量較低的碳氫化合物，遇熱易分解析出揮發(fā)物，揮發(fā)分里所含能量占其所有能量的一半以上，若燃燒不充分會產生黑煙污染環(huán)境。

3)含氧量多使得生物質易燃，且不需要太多的氧氣供應。

4)生物質燃料密度小，比較容易燃燒盡，灰渣中殘留的碳少，但對燃料的運輸不利。

與煤的燃燒類似，生物質燃料的燃燒過程可以分為：預熱、干燥、揮發(fā)份析出和焦炭燃燒四個階段。在250℃時熱分解開始，在325℃時揮發(fā)分可以析出近80%。揮發(fā)分的析出時間很短，若通風不足，揮發(fā)分有可能未燃燒完全就排除，會產生黑煙甚至濃黃煙。揮發(fā)分燃盡后，燃料的剩余物為松散的焦炭，氣流運動會將一部分炭粒裹入煙道，形成黑絮，因此若通風過強會降低燃燒效率。固定碳燃燒受到灰分包裹空氣較難滲透的影響，易有殘?zhí)窟z留。

2 生物質壓縮成型

生物質燃料在直接燃燒時存在揮發(fā)分逸出過快、空氣供給難以控制等問題。

這些問題在一般的爐灶中不易解決，村民使用時也控制不好。為了改善此類問題，將分布散、形體輕、儲運困難、使用不便的生物質燃料壓縮成型后使用，能提高燃料的熱值，改善燃燒性能，此項技術稱為生物質壓縮成型技術。在20世紀80年代，此項技術得到較大規(guī)模的發(fā)展。

農村以秸稈、稻殼等為主的生物質資源豐富，在收集過程中盡可能減少夾帶泥土，防止燃燒時結渣，條件允許宜采用機械化收集。粉碎是壓縮成型前對物料的基本處理，對稻殼等小尺寸原料只進行清除尺寸較大的異物即可，對秸稈等尺寸較大的農林廢棄物，要進行粉碎作業(yè)，通常進行兩次以上粉碎，一般先用切片機切成小片再用錘片式粉碎機粉碎。

原料粉碎后要有一個脫水程序，常用設備有回轉圓筒式干燥機和立式氣流干燥機，最佳濕度控制在10%—15%，含水率達到成型要求的范圍后輸送至下一工序。

為了提高生產率，在推進器“進刀”前先把松散的物質預壓一下，然后再推到成型模前。預壓多采用螺旋推進器、液壓推進器，也有手工預壓的，生產時可根據生產規(guī)模自主選擇。壓縮中“成型模”是原料成型的關鍵，它呈前大后小的錐形，物料進入后受主推力、摩擦力和模具的向心反作用力三種力作用，模具分為內模和外模，外模不變，內?？烧{換，夾角一般從3°開始調試。

壓縮成型過程中的加熱一方面可以是原料中含的木質素軟化，起到粘結的作用;另一方面還可以使原料本身變軟，容易壓縮。或者加入粘結劑，例如加入10%—20%的煤粉或炭粉可以達到增加壓塊熱值的作用，再者加入粘結劑可增加粘結力便于成型。保型是在生物質成型后的一段套筒內進行的，其內徑略大于壓縮成型的最小部位直徑，以便使已成型的物料消除部分應力，隨著溫度的降低固定形狀。最后是切割、包裝與運輸給用戶。生物質壓縮成型燃料可廣泛應用于各種類型的家庭取暖爐、熱水鍋爐、熱風爐和小型發(fā)電設備，是煤料的一種很好的替代品。

3 生物質的熱化學轉化

隨著人類的進步和社會的發(fā)展，人們對能源的需求數量越來越多，品位越來越高，對生物質能的利用也改變了傳統的直接燃燒方式，先將其轉化為高品位能源，然后再進行利用。在轉換技術方面最近大力發(fā)展的新技術主要有氣化技術和干餾技術。

3.1氣化技術

生物質氣化是生物質熱化學轉換的一種技術，是在不完全燃燒條件下，將原料加熱，使較高分子量的有機碳氫化合物鏈裂解，變成家底分子量的CO、H2、CH4等可燃氣體，在轉換過程中要加氣化劑。秸稈、稻殼、柴草等農業(yè)廢棄物氣化利用熱值高。據測算，直接燃燒只能利用其熱值的20%，這不但造成了資源的極大浪費，而且焚燒的煙霧也對大氣環(huán)境造成了嚴重污染;若將其放到氣化爐灶內燃燒，則可使熱值的利用率提高到80%以上，機械統一控制空氣的供給量，可使燃燒充分，煙塵排放量少，殘余的灰燼也很少(小于7%)，比一般農家直接燃燒熱值利用率可提高60%以上。

氣化器的基本原理是，熱蒸汽、氧氣與物料一起反應，反應溫度從幾百度到近千度，壓力從1到30個大氣壓。這個過程一開始，揮發(fā)分釋放出來，留下了木炭，這兩種物質和熱蒸汽氧氣反應，最后生成了“發(fā)生爐煤氣”，主要含一氧化碳和氫氣，同時還有少量的甲烷、烴類和凝聚的焦油，當然還有二氧化碳和水。接下來將干凈的氣體分離出來使用。若這個過程使用的是空氣，則氣體中還含有氮氣，最后氣體的低熱值在3—5MJ/m3。如果利用純氧熱值會提高一些。建議使用壓縮成型后的生物質燃料這樣可以提高燃氣的熱值。

3.2生物質干餾制氣

生物質干餾技術以其燃氣熱值高、產能大等優(yōu)勢，成為生物質能利用的一個重要方向。生物秸稈經破碎后連續(xù)裝入干餾爐頂，靠輸料機擠壓和秸稈自重落入干餾室內，實現連續(xù)干餾制氣過程。干餾爐為立式箱形結構，外熱式。干餾爐由干餾室和燃燒室組成，干餾室兩側各有一個燃燒室，燃燒室又分為加熱段和空氣預熱段。

兩個干餾室為一組。爐料由干餾室頂部連續(xù)向下移動，在移動過程中，溫度漸升，實現干燥、干餾的制氣過程，干餾段溫度控制在850～900℃。該項研究已于2006年3月在吉林省遼源市惠宇能源公司建成了工業(yè)試驗裝置并實驗成功，2007年被國家發(fā)改委確定為全國示范項目。實驗結果為：單爐產氣量可達250～300M3/h，燃氣低發(fā)熱值達到14.5～16.0MJ/Nm3，產品爐料質量百分率分別為：燃氣40～45%、輕質油10～15%、重油5～10%、木醋液5～10%、炭30～35%。燃氣組成見下表。

采用干餾方法生產的生物質燃氣符合城市燃氣質量要求，可用于發(fā)電或作為城市燃氣氣源。

以上兩種制氣方法，若應用壓縮成型后的生物質燃料為原料，其轉化效率要遠遠高于秸稈等生物質原料直接粉碎后應用的效率，產氣熱值也會大大提供高。

4 生物質能合理應用

綜合考慮收集與加工環(huán)節(jié)，生物質利用應存在使總成本最低的優(yōu)化經濟規(guī)模。國內外學者已對這方面的相關問題進行了初步分析，但多數研究僅針對特定技術，沒有明確建立系統應用的模式。農村燃氣的集中供應屬于社會公用性事業(yè)，凡公用性事業(yè)都具有初始投資大、回報周期長的特點。建管道化供氣系統是一個綜合經濟實力問題，是生活水平和生活質量上臺階的問題。

每個村屯的住戶相對較少，為此有學者提出在一個地區(qū)范圍內集中建立一個專門的燃氣生產供應站，為鄰近各個村屯供氣，生產規(guī)模擴大，效率增高，而各個村屯只建儲氣柜或管網，這是可行的。但與城市居民分布不同，農村居民居住分布零散，若燃氣供應管道化，會導致投資大，管道建設長，成本增高，大大超過農村居民的承受能力，是脫離實際的。因此，在農村及偏遠地區(qū)，不便鋪設管道，宜采用戶用型燃氣爐，將生物質燃料在鍋爐內直接燃燒，以自己自足的方式供應炊事燃氣、冬季取暖為主要目的。也可達到安全、節(jié)能環(huán)保的功效。

綜上所述，干餾氣熱值能夠達到城市燃氣的熱值要求，可以通過管道供給居住集中的居民使用，而氣化氣熱值還遠遠達不到城市燃氣的熱值要求，不宜直接供給居民使用。同樣，通過厭氧消化制取的氣體燃料，如沼氣，也不宜直接用于民用戶。應將此類燃氣集中用于發(fā)電，并入國家電網或供村民使用，以求達到真正的安全環(huán)保。

5結語

我國是一個人口大國，又是一個經濟迅速發(fā)展的國家，目前面臨著經濟增長和環(huán)境保護的雙重壓力，因此改變能源生產方式，因地制宜，開發(fā)低成本、高效率適于地區(qū)發(fā)展特點的生物質能應用技術，對建立可持續(xù)的能源系統，促進國民經濟發(fā)展和環(huán)境保護具有重大意義。