木质颗粒成型能耗分析

导读：生物能源是一种重要的再生能源，生物能源木质颗粒比其他生物能源更容易实现大规模生产和使用，在国外应用已经相当普遍。我国在木质颗粒产品推广应用中，存在诸多问题，其中最棘手的问题是生产木质颗粒中制粒能耗高、设备损耗大。通过分析木质颗粒

生物能源是一种重要的再生能源，生物能源木质颗粒比其他生物能源更容易实现大规模生产和使用，在国外应用已经相当普遍。我国在木质颗粒产品推广应用中，存在诸多问题，其中最棘手的问题是生产木质颗粒中制粒能耗高、设备损耗大。通过分析木质颗粒生产的国外制粒工艺、国内自主研发的制粒工艺和引进技术改进的制粒工艺的单位产量能耗，我们认为：引进制粒生产技术是合理可行的方法。

　　关键词：生物能源；木质颗粒；制粒能耗
　　当今人类使用的三大主要能源是石油、天然气和煤炭，它们都是不可再生的能源，据专家预测，若按当前经济发展速度对能源的需求，地球上蕴藏的可开采利用的这三种能源，分别将在40年、60年和200年内耗尽[1]，开发和利用新能源已经成为人类发展中的紧迫课题。自1970年代发生全球性石油危机以来，再生能源的开发利用日益受到广泛关注，生物能源是一种重要的再生能源，在目前世界能源消耗中，生物能源占世界总能耗的14%，仅次于石油、天然气和煤炭，居第4位[2]。 目前，生物能源技术的研究与开发已成为世界重大热门课题之一，受到世界各国政府与科学家的关注。许多国家都制定了相应开发研究计划，如日本的阳光计划、印度的绿色能源工程、美国的能源农场等，其中生物能源的开发利用占有相当大的比重[3]。国外的生物能源技术和装置很多已经达到商业化应用程度，生物能源的开发利用主要集中在生物能源木质颗粒(Pellets)直接燃烧方面的应用，它比其他生物能源更容易实现大规模生产和使用，使用生物能源木质颗粒的方便程度可与燃气燃油等能源媲美。以美国、瑞典和奥地利等国为例，生物能源的应用规模，分别占该国一次性能源消耗量的4%、16%和10%；在美国，生物能源发电的总装机容量已超过10,000MW，单机容量达10～25MW[3]；在欧美，针对一般居民家用的生物能源木质颗粒产品及配套的高效清洁燃烧取暖炉灶已非常普及。 我国也十分重视生物能源的开发和利用,1980年代以来，政府将生物能源利用技术的研究与应用列为重点科技攻关项目，开展了生物能源利用新技术的研究和开发，使生物能源技术有了进一步提高，但生物能源的利用研究主要集中在以大中型畜禽场沼气工程技术、秸秆气化 、集中供气技术和垃圾填埋发电技术等项目[4]，对于生物能源木质颗粒产品的生产加工与直接燃烧利用方面还刚刚起步。国内部分高校和科研机构开展了木质颗粒成型技术方面的研究,取得了一定成绩，但是制粒生产成本相对还比较高，这与世界先进水平相比仍有较大的差距，特别是在技术设备的产业化和商业化生产方面的差距更为明显。

　　我国在资源和应用范围来说，都不是问题，主要的瓶颈集中在制粒成型中的能量消耗和设备损耗，最终用户的使用代价介于电能与天然气之间，大规模推广还存在一定难度。国外的成功先例是政府的能源税调节，来弥补这方面的缺陷，所以在没有技术突破的前提下也能广泛的应用。在我国，仅依赖能源税调节是不能根本解决问题的，涉及的面太广，政策的实施难度很大，因此，降低制粒生产过程的能耗成本，是突破制约生物能源颗粒推广应用瓶颈的关键所在。 1 木质颗粒制粒能耗 1.1 国外木质颗粒能耗 木质颗粒制粒原理与现有的牧草饲料制粒工艺相似，即原料从环模内部加入，经由压辊碾压挤出环模而成粒状，其挤压压强达到50～100MPa，原料在高压下发生变形、升温，温度可达100～120℃，而驱动环模的动力是电动机，所以在此要消耗大量的电能[5]，并且要求原料含水率为11～12%，含水率太大和太小都不能很好成粒，为了满足这个要求，很多原料要烘干以后才能制粒，而压制出来的热颗粒(颗粒温度可达95～110℃)需要冷却才能打包，这两项工艺的能耗成本约占总能耗成本的35～55%[5]。制粒单位产量能耗视不同原料和产量通常在63.6～119.3kWh/t(见表1中“制粒能耗”)，占总用电设备单位产量能耗的56～59%，占总能耗成本的25.5～29.4%。总用电设备单位产量能耗为113～202 kWh/t，总能耗成本为$14.65～$23.88/t。而且环模和压辊的损耗较大，导致制粒生产成本较高，制约了木质颗粒产品的普及。在北欧的瑞典和奥地利，政府采用能源和环保调节税，使木质颗粒终端用户的使用代价低于常规能源的水平[6]，因此，在这些地区，木质颗粒的应用相当普遍。 表1是国外规模化生产(产量不小于2t/h)制粒工艺的能耗性能参数，表中涉及的干燥是用天然气对原料来进行烘干，其热能消耗仅计入总能耗成本，单计电力成本就是忽略热能消耗的结果。

1.2 国内木质颗粒制粒能耗 目前国内在这方面还处在起步阶段，有部分研究机构在做这方面的探索，基本上还在制粒工艺的试验阶段，与工业化生产还有一定距离。由于这种工艺是沿用牧草饲料加工的方法，所以很难突破高能耗的瓶颈，即使制出颗粒，成本也相当高。 1.2.1 自主研发的制粒工艺能耗 中国林科院林产化学工业研究所1998年已经做过这方面的研究[7,8]，该工艺试验制粒机装置主电机为37kW、进料和调质电机分别为0.55kW和2.2kW, 试验原料含水率为11～12%的木屑，当木质颗粒产量为200kg/h时，主电机运行功率为26.3kW[7]，加上进料和调质电机(负载率按85%计)功率合计约为28.6kW，则制粒单位产量能耗约为143kWh/t(未计入其它工序的能耗)；另外，还有一部分能量消耗在制粒的蒸汽调质上：当产量为200kg/h时，通入18～22kg/h的蒸汽进行调质，该试验装置采用电蒸汽发生器[7]，那么在此消耗的电能(设电热转换效率为95%)约合166～203kWh/t(单位产量能耗)，两项单位产量能耗值相加即为309～346kWh/t(未计入其它工序的能耗)。即使在实际生产中用锅炉产生蒸汽，假如用燃煤锅炉(锅炉热效率55%,标煤热值5000kCal/kg)，则生产1吨木质颗粒需消耗49.5～60.5kg标煤。虽然用燃煤锅炉产生蒸汽调质，制粒成本有所降低，但是消耗的能量并没有减少，不小于309～346kWh/t。可见，仅仅制粒工序的单位产量能耗，就大大超过国外规模生产的所有主要消耗电能工序(切片、粉碎、制粒、冷却、筛分、传送等)的单位产量能耗(参见表1，“总电能消耗”为：113～202 kWh/t)指标，加上其它工序的单位产量能耗，估计整个工艺生产过程的单位产量能耗更大(具体数据未见公布)。

　　1.2.2 引进技术改进的制粒工艺
　　3工艺设备1切片5粉碎6制粒7冷却8其它9总计10平均电流2(A)16.5017.3043.174.358.7590.07开机率3(%)3050100100100能耗4(kWh/t)13.122.8113.911.523.1184.4表2 木质颗粒成型试验机组能耗Table 2 The energy expend of set of wood pelletization experiment 注：试验数据源于我们实验室产量为0.2～0.5t/h木质制粒试验机系统，系统总装机功率为71kW，其中制粒机组功率为33kW，粉碎机功率为15Kw，切片机为15kW，冷却系统功率为3kW，其它设备5kW，电源为三相380V，功率因数为0.85。 试验原料为杂树枝，自然干燥原料含水率为11～12%；开机率为设备运行与暂停的比率，切片机和粉碎机运行时开机率降低，即满足系统供料时可以间断停机，其它设备在系统运行时不能停机；制粒时主电机电流平均为39A，进料和搅龙电流4.17A，平均产量为212kg/h，制粒后颗粒温度为95～110℃。 (1)Technics’ equipment (2)Average current (3)Percentage of running (4)Energy expend (5)Chopping (6)Fine grinding (7)Pelletizing (8)Cooling (9)Other’s (10)Total 2000年起，我们承担了国家林业局“948”项目(引进国际先进林业科学技术项目)“环保型生物能源配套技术引进”(项目编号:2000-4-40)，从瑞典引进了先进的木质颗粒成型技术，消化吸收后，结合我国国情，在原制粒工艺的基础上对工艺和设备做了改进，制粒过程中不需要蒸汽调质工序，这样节省了该工序的能耗和设备投入，并且制粒机组的单位产量能耗较1.2.1所述大大降低。表2是我们所做的“木质颗粒成型试验机组能耗”试验数据，由表中数据可见，制粒机组单位产量能耗为113.9kWh/t，与国外规模化生产的水平表1为:63.6～119.3 kWh/t)相当。该制粒系统除制粒机组外，设计产量为1000kg/h，当制粒产量为212kg/h时，其它设备运行欠负荷，切片机和粉碎机可以间断运行、储料斗缓冲调节出料，以匹配系统产量，但是剩下的冷却、筛分、传送、除尘等设备不能间断运行，这些设备轻载和满载的能耗相差很小，因此，切片机和粉碎机可以保持比较低的单位产量能耗：13.1 kWh/t和22.8kWh/t(略优于表1中“切片能耗”和“粉碎能耗”:14.9 kWh/t和26.4～55.9kWh/t)，而冷却和其它设备表现为较高的单位产量能耗(分别为11.5kWh/t和23.1kWh/t)就不奇怪了，如果整个系统产量达到设计值，这两道工序设备的单位产量能耗值将降低3～4倍(分别为2.9～3.8kWh/t和5.8～7.7kWh/t)，则与表1中的相关数据(两个值均为4～6kWh/t)比较接近。既使如此，本试验总的单位产量能耗为184.4 kWh/t，也在表1“总电能消耗” 的113～202kWh/t范围内。按工业电价0.6元/kWh计算，能耗成本为110.64元/t。如果规模化生产，单位产量能耗还会降低。在规模化生产中，原料采用自然干燥显然是不现实的，一般采用天然气或者直接用生产的颗粒成品作为燃料来加热气流干燥；原料含水率为18%时，干燥能耗为1.25GJ/t(折合0.347MWh/t)，用天然气燃料的成本高于用颗粒燃料，若用颗粒燃料来干燥，燃烧效率按80%计算(颗粒燃烧器的热效率不低于87%)，则干燥能耗为0.434 MWh/t，颗粒燃料本身所含能量为5MWh/t，则消耗8.68%(0.434/5×100%)的成品颗粒用于干燥，那么，干燥成本约为27.78元/t(8.68×1000/320)。如果用天然气作为燃料，天然气价格按2.5元/m3计算(热值8500kcal/m3=35587.8KJ/m3=0.0355878GJ/m3,折合热值价格为70.25元/GJ)，天然气燃烧热效率按98%计算，则干燥成本为89.6元/t(1.25×70.25/98%)。因此，实际生产中用颗粒燃烧炉产生热气流来干燥原料是比较经济的办法。

　　由前面的分析可知，引进新技术、开发适合国情的木质颗粒生产技术，是周期短、见效快、成本低的实用方法。 2 推广应用前景 2.1 引进制粒新技术、降低制粒成本 由上述分析可知：在国外，规模化生产已经达到工业化实用生产阶段，同时辅以环保和能源政策调节，使得生物能源产品的使用代价优于常规能源，因此，应用范围越来越大；而在国内，对于自主开发和引进技术，两者的能耗结果相差很大，两者只有制粒工序有可比性(前者其它工序未取得数据)，分别为309～346kWh/t和113.9kWh/t，后者降低63～67%，其它工序降低能耗的潜力不大，虽然会整体削弱这个比例，但还是有明显的优势，可见引进技术比自主开发还是有明显的优越性。根据我国“十五”可再生能源技术发展战略和政策措施，提高可再生能源在能源工业中的比重，在技术上采用积极可行的方案引进和学习新技术、新工艺，站在巨人的肩膀上，比埋头闭门研究来得快、效果好。所以，引进新技术是适合国情的周期短见效快的最佳方法，是普及生物能源颗粒产品的最好途径。 木质颗粒在美国市场的小包装零售价格为$170/t，大包装价格约为$135/t[5]；在瑞典的交货价格为$150/t；散装的木质颗粒，在阿姆斯特丹的离岸价(FOB)为$80/t[5]。我国用引进技术国产化设备来生产木质颗粒，产品的生产成本比国外要低很多，经测算，批量生产成本为￥320/t左右，假如零售价格为￥420/t，折合成美元单价为$51.22/t(按美元兑换人民币汇率1:8.2折算)。

　　这样的价格在国际市场上的竞争力是勿容置疑的。 如果推广木质颗粒制粒技术，在我国广大城乡将产生巨大的经济效益。据调查，我国农村自制土灶的热效率最高为20%～25%，既使经过改造，节柴灶的热效率仍为38～40%[9]，而生物能源颗粒燃烧器(包括炉、灶等)的热效率达87%～89%，我们可以将使用薪材直接燃烧的方法改为制粒以后再燃烧，由前述可知，木质颗粒制粒过程仅消耗其本身所含能量的7.5～13.5%(即:木质颗粒的能量值为5000kWh/t，而制粒过程消耗为113～202 kWh/t，折算火电发电效率30%为377～673 kWh/t，占其本身净含能量值的7.5～13.5%)，按保守的估计也可提高34%的热效率。据我国林业部门统计，1994年至1998年，我国森林资源年均净消耗量约为370,750,000m3，到2010年和2015年将分别达到396,700,000 m3和426,400,000 m3，按保守数据计算，薪材占29.8%(102,500,000m3)，采伐剩余物约占5.2%(17,880,000m3) [9]；如果干木材的比重按 0.8t/ m3、干木材的净含能量值按5000kWh/t计算，则薪材制成颗粒燃烧的热效率提高部分的能量为139,400GWh(1.025×108×0.8×5×34%=1.394×108MWh=1.394×105GWh=139,400GWh) ，采伐剩余物的能量为71,520GWh(1.788×107×0.8×5=7.152×107MWh=7.152×104GWh=71,520GWh)。

　　森林资源消耗利用的“可使用能量”为“薪材效率提高能量”与“采伐剩余物能量”两项之和，从表中可以看出，当利用率仅为20%时，发电量为12,655GWh，接近于1个大亚湾核电站的发电量(年均发电量14,000GWh)；当全部利用(利用率100%)时，发电量为63,276GWh，接近于1个三峡电站的发电量(年均发电量84,700GWh)；并且从制粒生产企业的角度来看，木质颗粒用来发电比直接出售颗粒，可提高产值￥30/t(450-420＝30)，同时自供电可以减少损耗、提高产能利用率。 以上仅仅例举了，全国现有森林资源净消耗一个方面生物能源颗粒的应用，还有很多诸如农作物秸杆、木材加工业废料等等方面，其综合利用的经济效益和发展潜力是巨大的。 2.2 加强生物能源的宣传力度 发展生物能源具有良好的生态效益和社会效益。根据法国农业部的公告表示，发展生物能源这种洁净的可再生能源，能在保护环境的同时保障法国农业市场的消费，促进农业的可持续发展，有助于保护土壤和减缓气候变化。此外，使用生物能源来替代石油、煤炭等传统能源，每年可为法国节省1100万吨原油进口，相当于省下了25亿到30亿欧元。同时也能减少1600万吨二氧化碳的排放[10]。

　　生物能源的推广应用，有利于改善日益恶化的环境，一是能源植物在生长过程中要吸收大量的二氧化碳，减少空气中二氧化碳的浓度；二是生物燃料可以干净地燃烧，没有二次污染；三是能源植物的种植，还对野生动物、生态系统、农田、水土保持和水质有着积极的影响。其生态效益是十分显著的。 在社会效益方面，美国的实践表明，生物能源发电比传统发电方式劳动密集程度要高。根据美国全球观察研究所的一项报告，10亿千瓦时发电量，用煤炭或核燃料需要100到116个工人， 而太阳能发电站提供了248个工作岗位，风电场提供了542个工作岗位。而法国将于2005年实施的生物能源发展规划，可为法国全境创造和提供3万个就业岗位[10]。我国劳动力成本低，生物能源比发达国家更具竞争力，我国生物能源产业的成长，将为成千上万的人创造就业机会。有数据表明，我国总产值为100亿元人民币的生物能源工业可提供100多万个就业岗位。以薪材制作的生物能源颗粒发电为例，由前述可知，我国现有森林年均净耗量中薪材为102,500,000m3 [9]，含能量值为: 1.025×108×0.8×5=4.1×108MWh=4.1×105GWh，如果将这些薪材全部制成木质颗粒来发电，每年可发电1.23×105GWh、创产值369亿元，那么按保守的估计，可以增加369万个工作岗位。 2.3国家制定相应的配套政策 今年年初通过的可再生能源法，是发展可再生能源的良好契机，还要学习国外发展生物能源的先进、成熟经验，通过制定能源税、环境保护税等政策来促进生物能源的发展，使环保意识及可持续发展意识深入人心，扩大生物能源木质颗粒产品的应用范围，使环保、清洁的生物能源木质颗粒产品更具市场竞争力。 3 结 论 降低木质颗粒制粒单位产量能耗，就解决了生物能源木质颗粒推广应用中的关键问题，而引进先进的木质制粒生产技术是解决这一关键问题的最佳方法。木质颗粒生产成本降低以后，在当量价格上将缩小与常规能源的差距，使其推广应用瓶颈得以突破，同时，辅以提高认识、制定相应配套政策措施，这样，在不久的将来，国产环保、清洁的生物能源木质颗粒产品就会进入普通百姓家。
能源木质颗粒制粒