现代生物质能高效利用技术丛书--生物质固体成型燃料生产技术

生物质能是世界上仅次于石油、煤炭和天然气的第四大能源，具有储量大、分布广、环境友好等特点，在可再生能源中占有重要地位。但是生物质具有资源分散、能量密度低、容重小、储运不方便等缺点，严重制约了其大规模应用。生物质成型燃料生产技术可通过干燥、粉碎、成型等工艺将原来分散、没有一定形状的生物质原料压缩成密度较大、形状固定的成型燃料，从而节约运输和储存费用、改善气化和燃烧状况、提高转化效率、扩大应用范围。生物质固体成型燃料可用于生物质气化合成、直接液化、气化发电、直燃发电及混烧发电，还可以广泛应用于各类工业锅炉、窑炉、供暖锅炉等燃烧设备。生物质固体成型燃料生产技术的开发利用可节省煤炭、石油等化石燃料，改善我国能源结构，减轻环境污染，增加农民收入，促进新农村建设，对实现节能减排、改善生态环境和发展低碳经济等具有重要的意义。
经过数十年的研发及应用，我国的生物质固体成型燃料生产技术逐步完善和成熟，产业规模稳中有进。目前已基本探索出了适合我国国情的生物质固体成型燃料技术路线，成果应用和产业发展已具有了一定的基础，积累了一定的经验，但在这方面仍然存在发展的不足。欧美地区仍是世界上生物质固体成型燃料消费的主要区域，相关技术和产业发展已形成了从原料收集、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。我国生物质固体成型燃料的原料主要为农林剩余物，生物质固体成型燃料的生产和应用技术还存在以下不足：成型模具使用寿命短、维修成本高、成型耗能高、一体化自动化水平较低、成型燃料燃烧设备的积灰结渣与腐蚀较严重等问题；原料收集、运输、储存和燃料应用等产业链发展不够完善，成型燃料生产和市场运行缺乏完善的标准，产业发展受煤炭等燃料价格波动影响较大。总体上，我国生物质固体成型燃料生产技术发展任重而道远，还需要结合自身资源优势和技术发展特点，进一步加强关键环节的技术研发，促进自主创新、集成创新和引进技术再创新。同时，制定相关标准和政策，加强产业建设，提高经济效益和环境效益，促进生物质固体成型燃料产业链的健康发展。
为进一步推动生物质能源技术的进步，更好地促进我国生物质固体成型燃料生产技术及产业化发展，本书总结了我国生物质固体成型燃料生产技术发展现状，分析了相关技术存在的主要问题和关键瓶颈，在充分研究生物质尤其是农作物秸秆等燃料特性的基础上，阐述了生物质干燥、粉碎、成型等关键环节的基本原理，对关键技术和设备设计进行了详细论述，分析总结了生物质固体成型燃料生产技术及燃烧应用技术等，同时根据技术应用实例对生物质固体成型燃料产业化体系进行了分析，最后从宏观的角度探讨了生物质固体成型燃料技术及产业发展战略，以期在技术创新、产业政策和体系管理等方面起到抛砖引玉的作用。
本书的编著人员全部为从事生物质固体成型燃料生产技术研究及产业推广的一线人员，主要来自河南省科学院能源研究所有限公司、中国科学院广州能源研究所、河南农业大学等研究团队。本书主要由雷廷宙、何晓峰、王志伟等编著，具体编著分工如下：第1章由雷廷宙、张孟举、姜洋撰写；第2章由杨延涛、陈高峰、李伟振撰写；第3、4章由李在峰、杨树华、刘姝娜撰写；第5章由陈高峰、李学琴、胡建军撰写；第6章由杨淼、王志伟撰写；第7章由辛晓菲、何晓峰、关倩撰写。全书最后由雷廷宙统稿并定稿。
本书努力为从事生物质固体成型燃料生产技术研究和关心生物质能发展的专家、学者提供有益的参考，但鉴于编著人员水平及编著时间有限，书中可能存在不足和疏漏之处，衷心希望大家批评指正，以便能进一步修正和完善。谢谢！

编著者
2019年10月

雷廷宙，河南省科学院，副院长、研究员，从事能源技术研究和开发近三十年，主持了近40项国家和省级重大重点科研课题，其中863主题项目1项、863计划2项、世界银行赠款项目1项、省杰出人才创新基金1项、省重大公益性项目1项、省重大计划2项；获得河南省科技进步一等奖1项、二等奖4项、三等奖2项；获得发明专利授权8项、实用新型专利授权25项；在国内外学术刊物上发表论文96篇，其中英文刊物32篇、国内核心期刊57篇、SCI收录26篇、EI收录25篇；出版专著1部，参编2部。
1998年被评为“河南省中青年学术与技术带头人”；2004年获得“国务院政府特殊津贴”，2008年被评为“河南省自主创新十大杰出青年”；2010年被评为“河南省重点实验室建设工作先进工作者”；2012年入选“中原学者”；2013年入选“国家百千万人才”，同年获得“首届河南省杰出专业技术人才”。
作为863主题项目“生物质制清洁液体燃料”首席专家，组织协调该项目顺利完成，作为863计划可再生能源主题专家，承担了该主题科技计划的战略咨询、研究，年度指南编制、项目入库评审、项目凝练整合；项目中期检查、验收等工作。从事生物质固体、气体、液体燃料的研究工作。

本书为“现代生物质能高效利用技术丛书”中的一个分册。该书总结了我国生物质成型燃料生产技术发展现状，分析了相关技术存在的主要问题和关键瓶颈，在充分研究生物质尤其是农作物秸秆等燃料特性的基础上，阐述了生物质干燥、粉碎、成型等关键环节的基本原理，对关键技术和设备设计进行了详细论述，分析总结了生物质固体成型燃料生产技术及燃烧应用技术等，同时根据技术应用实例对生物质固体成型燃料产业化体系进行分析，最后从宏观的角度探讨了生物质固体成型燃料技术及产业发展战略，以期在技术创新、产业政策和体系管理等方面起到抛砖引玉的作用。
本书具有较强的技术性和可操作性，可供从事生物质能研究的工程技术人员、科研人员和管理人员参考，也可供高等学校生物质科学与工程、环境科学与工程及相关专业师生参阅。

第1章生物质固体成型燃料概述001
1.1生物质固体成型燃料概论002
1.1.1生物质与生物质能概述002
1.1.2生物质固体成型燃料生产技术概念及特点002
1.1.3发展生物质固体成型燃料的意义003
1.1.4生物质固体成型燃料生产技术可行性及应用003
1.2生物质固体成型燃料发展历史005
1.2.1生物质固体成型燃料产业发展背景005
1.2.2国内外生物质固体成型燃料发展概览005
1.2.3生物质固体成型燃料发展现状007
1.3生物质固体成型燃料的原料来源与构成008
1.3.1生物质原料的基本特性008
1.3.2农作物秸秆010
1.3.3林业废弃物011
1.4生物质固体成型燃料生产技术现状014
1.4.1生物质固体成型燃料生产技术原理014
1.4.2国内外生物质固体成型燃料生产技术主要特点015
1.4.3生物质固体成型燃料生产技术发展主要问题与关键瓶颈017
1.4.4生物质固体成型燃料生产技术产业现状分析019
参考文献022

第2章生物质的基本特性及成型机理025
2.1生物质原料的特性分析026
2.1.1生物质的工业分析026
2.1.2生物质的元素分析027
2.1.3生物质的化学组成028
2.2生物质干燥理化特性及机理030
2.2.1秸秆干燥理化特性030
2.2.2生物质的热重特性研究030
2.2.3生物质等温干燥特性研究032
2.2.4温度对干燥时间的影响效果分析038
2.2.5初始含湿量对干燥时间的影响效果分析041
2.2.6生物质化学成分对干燥的影响043
2.2.7半纤维素和纤维素含量对干燥的影响044
2.2.8生物质干燥的微观结构研究044
2.2.9生物质干燥过程的机理分析046
2.3生物质粉碎特性及机理051
2.3.1粉碎特性指标051
2.3.2生物质粉碎特性研究052
2.4生物质压缩成型特性及机理057
2.4.1生物质压缩成型过程057
2.4.2生物质压缩成型需要的基本条件058
2.4.3生物质压缩成型机理研究059
2.5生物质压缩成型的微观结构观测与分析067
2.5.1同一压缩速率下的同一物料压缩前后微观结构对比分析067
2.5.2同一压缩速率下的不同物料压缩成型后微观结构对比分析074
2.5.3不同压缩速率下的同一秸秆压缩前后微观结构对比分析076
2.6生物质成型的综合影响因素分析078
2.6.1原料种类078
2.6.2原料含水率079
2.6.3原料粉碎粒度081
2.6.4模孔长径比083
2.6.5成型温度084
2.6.6成型压力086
2.6.7成型和保型时间088
2.6.8吨料电耗088
参考文献093

第3章生物质固体成型燃料关键设备的选取与设计095
3.1生物质干燥设备的参数选取与设计096
3.1.1生物质干燥机的总体结构097
3.1.2供热系统的设计097
3.1.3生物质干燥机的试验研究101
3.2生物质粉碎设备的参数选取与设计104
3.2.1粉碎机的类型选择105
3.2.2粉碎设备的总体设计105
3.2.3锤片的研究与设计106
3.2.4筛片的研究与设计108
3.2.5粉碎室的选择110
3.2.6定刀、动刀片的设计111
3.2.7生物质粉碎的主要影响因素111
3.3生物质成型设备的参数选取与设计114
3.3.1生物质颗粒燃料成型机总体设计114
3.3.2生物质颗粒燃料平模式成型机成型理论118
3.3.3生物质颗粒燃料平模式成型机设计121
3.3.4主要零部件的设计124
3.4生物质固体成型燃料生产系统工艺设计129
3.4.1生物质固体成型燃料生产过程129
3.4.2生物质原料的预处理134
3.4.3生物质的固体成型137
参考文献142

第4章生物质固体成型燃料生产技术及设备145
4.1生物质压缩成型预处理技术及设备146
4.1.1生物质预处理技术分类147
4.1.2生物质收集及储运设备148
4.1.3生物质干燥技术及设备151
4.1.4生物质粉碎技术及设备155
4.2生物质颗粒燃料成型技术及设备159
4.2.1生物质颗粒燃料成型技术160
4.2.2生物质平模成型设备161
4.2.3生物质环模成型设备162
4.2.4生物质螺旋挤压式成型机167
4.3生物质块状燃料成型技术及设备168
4.3.1生物质平模压缩成型设备168
4.3.2生物质环模压缩成型设备172
4.4生物质棒状燃料成型技术及设备178
4.4.1生物质棒状燃料生产技术178
4.4.2螺旋挤压式成型机179
4.4.3机械驱动冲压式成型机183
4.4.4液压驱动活塞冲压式成型机186
参考文献190

第5章生物质固体成型燃料燃烧应用技术及设备193
5.1生物质固体成型燃料燃烧基本过程194
5.1.1生物质固体成型燃料点火性能195
5.1.2生物质固体成型燃料燃烧热力学196
5.1.3生物质固体成型燃料燃烧机理198
5.1.4生物质固体成型燃料燃烧反应速率200
5.1.5生物质固体成型燃料燃烧动力学分析202
5.2生物质固体成型燃料燃烧物质平衡与能量平衡204
5.2.1生物质固体成型燃料燃烧所需的空气量204
5.2.2生物质固体成型燃料燃烧所产生的烟气量206
5.2.3生物质固体成型燃料燃烧的物质平衡208
5.2.4生物质固体成型燃料燃烧的能量平衡210
5.3生物质固体成型燃料热解与燃烧综合热分析研究211
5.3.1生物质固体成型燃料热解过程211
5.3.2生物质固体成型燃料热解的原理212
5.3.3生物质固体成型燃料热解反应动力学214
5.3.4生物质固体成型燃料热解产物特性216
5.4生物质固体成型燃料燃烧过程的沉积与腐蚀及结渣研究220
5.4.1沉积过程与机理220
5.4.2影响沉积的因素与沉积危害及降低沉积的措施222
5.4.3腐蚀过程与机理229
5.4.4降低腐蚀的方法和措施230
5.4.5结渣过程与机理232
5.4.6形成结渣的因素与减少及消除结渣的措施235
5.5生物质固体成型燃料燃烧技术及设备237
5.5.1生物质固体成型燃料燃烧及设备的影响因素237
5.5.2生物质固体成型燃料的燃烧与煤燃烧的比较241
5.5.3生物质固体成型燃料燃烧设备发展概况242
5.5.4生物质固体成型燃料燃烧设备的设计243
5.5.5生物质固体成型燃料燃烧关键锅炉253
5.5.6生物质固体成型燃料燃烧设备发展趋势及面临问题257
5.6生物质固体成型燃料气化技术及设备258
5.6.1生物质固体成型燃料用作气化原料的优势258
5.6.2生物质固体成型燃料气化技术研究概况259
5.6.3生物质固体成型燃料气化炉气化过程260
5.6.4生物质固体成型燃料气化及设备的影响因素261
5.6.5生物质固体成型燃料气化炉分类264
5.6.6生物质固体成型燃料气化炉的设计268
5.7生物质固体成型燃料户用技术及设备269
5.7.1生物质固体成型燃料户用技术及设备类型与参数270
5.7.2生物质固体成型燃料户用炊事炉的设计271
5.7.3生物质固体成型燃料户用炊事炉275
5.7.4生物质固体成型燃料户用采暖炉280
5.7.5生物质固体成型燃料户用节能灶282
5.7.6生物质固体成型燃料户用技术及设备使用情况284
5.8生物质固体成型燃料用于炭基缓释肥料技术及设备286
5.8.1生物质固体成型燃料用于炭基缓释肥料的可行性及意义286
5.8.2生物质固体成型燃料炭基缓释肥料技术287
5.8.3生物质固体成型燃料炭基缓释肥料对土壤的改良作用291
参考文献293

第6章生物质固体成型燃料产业化生产体系297
6.1生物质原料收储运体系298
6.1.1生物质原料收集模式分析298
6.1.2生物质原料最佳收集半径303
6.1.3生物质固体成型燃料规模化生产系统307
6.1.4生物质固体成型燃料规模化生产的风险分析310
6.2生物质固体成型燃料产品及生产标准体系312
6.2.1生物质固体成型燃料产品生产技术条件313
6.2.2生物质固体成型燃料测试及试验标准317
6.2.3生物质固体成型燃料公用标准318
6.3生物质固体成型燃料燃烧利用及环境排放标准体系319
6.3.1生物质固体成型燃料燃烧利用方式319
6.3.2生物质固体成型燃料燃烧利用环境排放标准320
6.4生物质固体成型燃料生产体系综合分析评价323
6.4.1经济效益分析324
6.4.2环境效益分析328
6.4.3社会效益分析334
6.4.4清洁生产分析336
参考文献340

第7章生物质固体成型燃料生产技术及产业发展战略343
7.1生物质固体成型燃料科技创新和产业发展的战略背景及可行性344
7.1.1生物质固体成型燃料产业发展的战略背景344
7.1.2科技创新和产业发展的必要性和可行性348
7.2生物质固体成型燃料生产技术及产业现状分析352
7.2.1前沿研发与技术创新352
7.2.2企业创新与产业模式355
7.2.3生物质固体成型燃料产业发展存在问题和困难358
7.3生物质固体成型燃料生产技术及产业发展趋势359
7.3.1生物质固体成型燃料生产技术发展趋势359
7.3.2生物质固体成型燃料产业发展趋势361
7.4生物质固体成型燃料生产技术及产业主要任务362
7.4.1生物质固体成型燃料生产技术及产业发展目标363
7.4.2生物质固体成型燃料生产技术及产业发展路线364
7.4.3生物质固体成型燃料生产技术及产业发展任务365
7.4.4生物质固体成型燃料生产技术及产业发展重点367
7.5生物质固体成型燃料生产技术及产业发展政策建议370
7.5.1生物质固体成型燃料产业市场准入制度与监督机制371
7.5.2生物质固体成型燃料产业政府规制与激励政策372
7.5.3生物质固体成型燃料产业技术标准规范体系管理373
7.5.4生物质固体成型燃料推广宣传375
参考文献377

索引379