概述
植物细胞中除含有纤维素、半纤维素还含有木质素（木素），木素是具有芳香族特性的结构单体，为丙烷型的立体结构高分子化合物。在阔叶木、针叶木中木素含量为27%～32%（干基），禾草类木素含量为14%～25%。固然在各种植物中都含有木素，但它们的组成、结构并不完全一样。木素属非晶体，没有熔点但有软化点，当温度为70～110℃时粘协力开始增加，木素在适当温度下（200～300℃）会软化、液化，此时加以一定的压力使其与纤维素紧密粘接并与相邻颗粒互相胶接，冷却后即可固化成型，因此采用热压法成型秸秆（或木屑）燃料可不用任何添加剂、粘接剂，大大降低了加工本钱，而且利用木素软化、液化的特点，适当进步热压成型时的温度有利于减小挤压动力。生物质成型燃料就是利用这一原理以生物质固化成型机经热挤压制得的。
技术原理
a) “热压缩”颗粒成型技术
“热压缩”颗粒成型技术是把粉碎后的生物质在170—220℃高温及高压下压缩成625 kg／m3的高密度成型燃料，极大地降低了生物质的储运成本，提高了燃烧效率¨3I。其成型机理是在200℃左右的温度下，使木质素中的胶性物质释放出来，起一种粘结剂的作用，同时通过高压将粉碎的生物质材料挤压成颗粒。。由于原料的种类、粒度、含水率等因素对成型工艺过程有一定的影响, 所以具体的生产工艺流程以及成型机结构和原理也有一定的差别, 但是挤压成型作业在各种成型方式中都是关键。“热压缩”技术的工艺由粉碎、干燥、加热、压缩、冷却过程组成，对成型前粉料含水率有严格要求，必须控制在6％一12％。但这种颗粒燃料成本过高，欧洲市场售价为110—150欧元/t，在我国生产时售价高达l 000元/t以上，只能供给对燃料环保、清洁性能要求很高的炭炉、壁炉等使用。
b) “冷压缩”颗粒成型技术
“冷压缩”颗粒成型技术对原料含水率要求不高，因此也称湿压成型工艺技术，其成型机理是在常温下，通过特殊的挤压方式，使粉碎的生物质纤维结构互相镶嵌包裹而形成颗粒。因为颗粒成型机理的不同，“冷压缩”技术的工艺只需粉碎和压缩2个环节。“冷压缩”技术成型前粉料含水率范围可扩大到6％一25％。因此，与“热压缩”技术相比，具有原料适用性广，设备系统简单、体积小、重量轻、价格低、可移动性强，颗粒成型能耗低、成本低等优点。菲律宾一家研究机构的试验结果表明,这类机组的生产率可以达到灯, 该类燃料在当地被
称为“绿色炭”或“绿色燃料” , 在燃料市场上具有一定的竞争能力。
c) 炭化成型技术
炭化成型技术是将生物质成型燃料经干燥后，置于炭化设备中，在缺氧条件下闷烧，即可得到机制木炭的技术。由于原料的纤维结构在炭化过程中受到破坏，高分子组分受热裂解转化成炭，并释放出挥发分(包括可燃气体、木醋液和焦油等)，因而其性能得到改善，功率消耗也明显下降。但是，炭化后的原料在挤压成型后维持既定形状的能力较差，储存、运输和使用时容易开裂或破碎，所以采用炭化成型技术时，一般都要加入一定量的粘结剂，如果不使用粘结剂，就需要较高的成型压力，这将明显提高成型机的造价。常见的有2种情况, 一种是指先用成型机将物料压缩成燃料棒, 然后用炭化炉将燃料棒炭化成木炭的过程, 其工艺流程为原料一粉碎一干燥一成型一炭化一冷却一包装。这种工艺没有将物料压缩成型与炭化过程结合起来, 两者相对独立第二种情况则是将压缩成型和热解炭化有机结合, 使其前后连
续(日本•长广仁藏等1987)采用柱塞式压缩成型机压缩, 柱塞将物料沿着压缩套筒推人热解筒内通间接加热方式由电热炉向热解筒提供热量, 物料在套筒设定的温度内被炭化, 得到所需的相应产物。
国内发展和应用现状
我国的生物质固化技术开始于“七五”期间，目前已研制成功的成型设备主要有螺旋挤压式成型机、活塞冲压式成型机和辊模挤压式颗粒成型机。由于辊模挤压式颗粒成型机具有效率高等特点，所以应用较普遍。目前，辊模挤压式颗粒成型机的生产有环模和平模2种工艺方式。
我国的平模制粒机一般采用拉丝直辊平模制粒方式，这种方式具有结构简单、成本低廉等特点，但当产量超过300 kg／h时，由于压辊两端与压模相对线速度的差异，物料较难在压模上均匀分布，使辊轮的磨损不均匀。另外，平模方式很难产生40 MPa以上的压力，所以多用于生产颗粒密度较低的饲料。在适当设计下，环模生产方式可产生巨大的挤压力，能满足生产高密度颗粒燃料的要求。
国外发展和应用现状
上世纪30年代，美国就开始研究压缩燃料成型技术，并研制了螺旋式成型机。在温度为80—350℃和压力l0 MPa条件下，能把木屑和刨花压缩成固体成型燃料。日本于50年代从国外引进成型技术并进行了改进，研制出棒状燃料成型机及相关的燃烧设备，并发展成日本压缩成型燃料的工业体系。从80年代开始，日本对生物质压缩成型燃料进行了探讨，对压缩过程中的动力消耗、压模的结构与尺寸、压缩燃料的含水率、压缩时的温度、压力以及原料的颗粒大小等进行了实验研究，进一步改进了压缩成型燃料设备，使成型燃料更为实用化。1984年日本的生产厂家达172家，生产总量达2．6万t。70年代后期，由于出现世界能源危机，石油价格上涨。西欧许多国家如芬兰、比利时、法国、德国、意大利等也开始重视压缩成型燃料设备的研究。法国开始时使用秸杆压缩粒作为奶牛饲料，近年来也开始研究压缩块燃料，而且由多种林业废弃物生产的压缩料已达到了实用阶段。由比利时研制成功的T117型螺旋压块机，其设备的主要性能为：压块燃料的出模温度180℃，轴向压缩力大于686 kN，压块的移动速度l 700～2 500 mm/min，耗能量45—55 kwh／t，压块燃料的低位热值18—19．7 MJ／kg，燃料外表面有一层自然纤维保护膜。在芬兰，许多科研和生产单位的专家认为，经压缩成型后，压缩粒的热效率可达70％。压缩粒既可在固定的生产厂生产，也可在移动式的生产设备中生产，移动式生产可以在生产秸杆等生物质的产地进行，使生产成本大大降低。德国研制的KAHI系列压粒机可生产直径为3—40 mm的压缩颗粒，所用电机的功率为20～400 kW，能耗为15—40 kWh／t。
亚洲除日本外，泰国、印度、菲律宾等国从80年代开始也先后研制成了加粘结剂的生物质压缩成型机，到1995年印度已有大约70套成型机投入了使用。
国际上许多国家均生产大功率环模制粒机，但仅德国、日本等少数国家生产大功率平模制粒机。德国卡尔公司对平模制粒机进行了近百年的研究，并生产各种系列的平模制粒机，广泛用于饲料生产和其他领域。
经典案例
案例一：北京惠众实科技有限公司开发的生物质常温固化成型技术,简称Highzones技术,把秸秆、杂草、灌木枝条乃至果壳果皮等农林废弃物在常温下压缩成热值达11. 9 ～18. 8 MJ 的高密度燃料棒或颗粒,比传统的燃烧效率高4倍,成为燃烧方式、热值均接近煤炭却基本无污染物排放的高品位清洁能源。Highzones技术通过独创的纤维碾切搭接技术,在常温下把粉碎后的生物质材料压缩成高密度成型燃料。因不需在加热条件下生产,能耗比国外同类产品降低50% ,成型设备体积减少70% ,综合生产成本降低60%以上。去掉购买秸秆的原料成本,每生产1 t燃料的加工成本仅100多元,市场售价385元/ t。在北京怀柔区利用秸秆进行的试点表明,用7 台造粒设备,可以达到4 000 t的年产量。
参考文献
[1] 李美华, 俞国胜，生物质燃料成型技术研究现状，木材加工机械，2005年第二期
[2] 车战斌，生物质就地及时压缩成型技术一Highzones技术[J]，中国能源，2005, 27 (1) : 28 - 31
