木質顆粒成型能耗分析

    生物能源是一種重要的再生能源，生物能源木質顆粒比其他生物能源更容易實現大規模生產和使用，在國外應用已經相當普遍。我國在木質顆粒產品推廣應用中，存在諸多問題，其中最棘手的問題是生產木質顆粒中制粒能耗高、設備損耗大。通過分析木質顆粒生產的國外製粒工藝、國內自主研發的制粒工藝和引進技術改進的制粒工藝的單位產量能耗，我們認為：引進位粒生產技術是合理可行的方法。 

　　關鍵詞：生物能源；木質顆粒；制粒能耗
　　當今人類使用的三大主要能源是石油、天然氣和煤炭，它們都是不可再生的能源，據專家預測，若按當前經濟發展速度對能源的需求，地球上蘊藏的可開採利用的這三種能源，分別將在40年、60年和200年內耗盡[1]，開發和利用新能源已經成為人類發展中的緊迫課題。自1970年代發生全球性石油危機以來，再生能源的開發利用日益受到廣泛關注，生物能源是一種重要的再生能源，在目前世界能源消耗中，生物能源占世界總能耗的14%，僅次於石油、天然氣和煤炭，居第4位[2]。 目前，生物能源技術的研究與開發已成為世界重大熱門課題之一，受到世界各國政府與科學家的關注。許多國家都制定了相應開發研究計劃，如日本的陽光計劃、印度的綠色能源工程、美國的能源農場等，其中生物能源的開發利用占有相當大的比重[3]。國外的生物能源技術和裝置很多已經達到商業化應用程度，生物能源的開發利用主要集中在生物能源木質顆粒(Pellets)直接燃燒方面的應用，它比其他生物能源更容易實現大規模生產和使用，使用生物能源木質顆粒的方便程度可與燃氣燃油等能源媲美。以美國、瑞典和奧地利等國為例，生物能源的應用規模，分別占該國一次性能源消耗量的4%、16%和10%；在美國，生物能源發電的總裝機容量已超過10,000MW，單機容量達10～25MW[3]；在歐美，針對一般居民家用的生物能源木質顆粒產品及配套的高效清潔燃燒取暖爐灶已非常普及。 我國也十分重視生物能源的開發和利用,1980年代以來，政府將生物能源利用技術的研究與應用列為重點科技攻關項目，開展了生物能源利用新技術的研究和開發，使生物能源技術有了進一步提高，但生物能源的利用研究主要集中在以大中型畜禽場沼氣工程技術、秸稈氣化 、集中供氣技術和垃圾填埋發電技術等項目[4]，對於生物能源木質顆粒產品的生產加工與直接燃燒利用方面還剛剛起步。國內部分高校和科研機構開展了木質顆粒成型技術方面的研究,取得了一定成績，但是制粒生產成本相對還比較高，這與世界先進水平相比仍有較大的差距，特別是在技術設備的產業化和商業化生產方面的差距更為明顯。

　　我國在資源和應用範圍來說，都不是問題，主要的瓶頸集中在制粒成型中的能量消耗和設備損耗，最終用戶的使用代價介於電能與天然氣之間，大規模推廣還存在一定難度。國外的成功先例是政府的能源稅調節，來彌補這方面的缺陷，所以在沒有技術突破的前提下也能廣泛的應用。在我國，僅依賴能源稅調節是不能根本解決問題的，涉及的面太廣，政策的實施難度很大，因此，降低制粒生產過程的能耗成本，是突破制約生物能源顆粒推廣應用瓶頸的關鍵所在。 1 木質顆粒制粒能耗 1.1 國外木質顆粒能耗 木質顆粒制粒原理與現有的牧草飼料制粒工藝相似，即原料從環模內部加入，經由壓輥碾壓擠出環模而成粒狀，其擠壓壓強達到50～100MPa，原料在高壓下發生變形、升溫，溫度可達100～120℃，而驅動環模的動力是電動機，所以在此要消耗大量的電能[5]，並且要求原料含水率為11～12%，含水率太大和太小都不能很好成粒，為了滿足這個要求，很多原料要烘乾以後才能制粒，而壓製出來的熱顆粒(顆粒溫度可達95～110℃)需要冷卻才能打包，這兩項工藝的能耗成本約占總能耗成本的35～55%[5]。制粒單位產量能耗視不同原料和產量通常在63.6～119.3kWh/t(見表1中「制粒能耗」)，占總用電設備單位產量能耗的56～59%，占總能耗成本的25.5～29.4%。總用電設備單位產量能耗為113～202 kWh/t，總能耗成本為$14.65～$23.88/t。而且環模和壓輥的損耗較大，導致制粒生產成本較高，制約了木質顆粒產品的普及。在北歐的瑞典和奧地利，政府採用能源和環保調節稅，使木質顆粒終端用戶的使用代價低於常規能源的水平[6]，因此，在這些地區，木質顆粒的應用相當普遍。 表1是國外規模化生產(產量不小於2t/h)制粒工藝的能耗性能參數，表中涉及的乾燥是用天然氣對原料來進行烘乾，其熱能消耗僅計入總能耗成本，單計電力成本就是忽略熱能消耗的結果。 

    1.2 國內木質顆粒制粒能耗 目前國內在這方面還處在起步階段，有部分研究機構在做這方面的探索，基本上還在制粒工藝的試驗階段，與工業化生產還有一定距離。由於這種工藝是沿用牧草飼料加工的方法，所以很難突破高能耗的瓶頸，即使制出顆粒，成本也相當高。 1.2.1 自主研發的制粒工藝能耗 中國林科院林產化學工業研究所1998年已經做過這方面的研究[7,8]，該工藝試驗制粒機裝置主電機為37kW、進料和調質電機分別為0.55kW和2.2kW, 試驗原料含水率為11～12%的木屑，當木質顆粒產量為200kg/h時，主電機運行功率為26.3kW[7]，加上進料和調質電機(負載率按85%計)功率合計約為28.6kW，則制粒單位產量能耗約為143kWh/t(未計入其它工序的能耗)；另外，還有一部分能量消耗在制粒的蒸汽調質上：當產量為200kg/h時，通入18～22kg/h的蒸汽進行調質，該試驗裝置採用電蒸汽發生器[7]，那麼在此消耗的電能(設電熱轉換效率為95%)約合166～203kWh/t(單位產量能耗)，兩項單位產量能耗值相加即為309～346kWh/t(未計入其它工序的能耗)。即使在實際生產中用鍋爐產生蒸汽，假如用燃煤鍋爐(鍋爐熱效率55%,標煤熱值5000kCal/kg)，則生產1噸木質顆粒需消耗49.5～60.5kg標煤。雖然用燃煤鍋爐產生蒸汽調質，制粒成本有所降低，但是消耗的能量並沒有減少，不小於309～346kWh/t。可見，僅僅制粒工序的單位產量能耗，就大大超過國外規模生產的所有主要消耗電能工序(切片、粉碎、制粒、冷卻、篩分、傳送等)的單位產量能耗(參見表1，「總電能消耗」為：113～202 kWh/t)指標，加上其它工序的單位產量能耗，估計整個工藝生產過程的單位產量能耗更大(具體數據未見公布)。

　　1.2.2 引進技術改進的制粒工藝
　　3工藝設備1切片5粉碎6制粒7冷卻8其它9總計10平均電流2(A)16.5017.3043.174.358.7590.07開機率3(%)3050100100100能耗4(kWh/t)13.122.8113.911.523.1184.4表2 木質顆粒成型試驗機組能耗Table 2 The energy expend of set of wood pelletization experiment 註：試驗數據源於我們實驗室產量為0.2～0.5t/h木質制粒試驗機系統，系統總裝機功率為71kW，其中制粒機組功率為33kW，粉碎機功率為15Kw，切片機為15kW，冷卻系統功率為3kW，其它設備5kW，電源為三相380V，功率因數為0.85。 試驗原料為雜樹枝，自然乾燥原料含水率為11～12%；開機率為設備運行與暫停的比率，切片機和粉碎機運行時開機率降低，即滿足系統供料時可以間斷停機，其它設備在系統運行時不能停機；制粒時主電機電流平均為39A，進料和攪龍電流4.17A，平均產量為212kg/h，制粒後顆粒溫度為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，我們承擔了國家林業局「948」項目(引進國際先進林業科學技術項目)「環保型生物能源配套技術引進」(項目編號:2000-4-40)，從瑞典引進了先進的木質顆粒成型技術，消化吸收後，結合我國國情，在原制粒工藝的基礎上對工藝和設備做了改進，制粒過程中不需要蒸汽調質工序，這樣節省了該工序的能耗和設備投入，並且制粒機組的單位產量能耗較1.2.1所述大大降低。表2是我們所做的「木質顆粒成型試驗機組能耗」試驗數據，由表中數據可見，制粒機組單位產量能耗為113.9kWh/t，與國外規模化生產的水平表1為:63.6～119.3 kWh/t)相當。該制粒系統除制粒機組外，設計產量為1000kg/h，當制粒產量為212kg/h時，其它設備運行欠負荷，切片機和粉碎機可以間斷運行、儲料斗緩衝調節出料，以匹配系統產量，但是剩下的冷卻、篩分、傳送、除塵等設備不能間斷運行，這些設備輕載和滿載的能耗相差很小，因此，切片機和粉碎機可以保持比較低的單位產量能耗：13.1 kWh/t和22.8kWh/t(略優於表1中「切片能耗」和「粉碎能耗」:14.9 kWh/t和26.4～55.9kWh/t)，而冷卻和其它設備表現為較高的單位產量能耗(分別為11.5kWh/t和23.1kWh/t)就不奇怪了，如果整個系統產量達到設計值，這兩道工序設備的單位產量能耗值將降低3～4倍(分別為2.9～3.8kWh/t和5.8～7.7kWh/t)，則與表1中的相關數據(兩個值均為4～6kWh/t)比較接近。既使如此，本試驗總的單位產量能耗為184.4 kWh/t，也在表1「總電能消耗」 的113～202kWh/t範圍內。按工業電價0.6元/kWh計算，能耗成本為110.64元/t。如果規模化生產，單位產量能耗還會降低。在規模化生產中，原料採用自然乾燥顯然是不現實的，一般採用天然氣或者直接用生產的顆粒成品作為燃料來加熱氣流乾燥；原料含水率為18%時，乾燥能耗為1.25GJ/t(折合0.347MWh/t)，用天然氣燃料的成本高於用顆粒燃料，若用顆粒燃料來乾燥，燃燒效率按80%計算(顆粒燃燒器的熱效率不低於87%)，則乾燥能耗為0.434 MWh/t，顆粒燃料本身所含能量為5MWh/t，則消耗8.68%(0.434/5×100%)的成品顆粒用於乾燥，那麼，乾燥成本約為27.78元/t(8.68×1000/320)。如果用天然氣作為燃料，天然氣價格按2.5元/m3計算(熱值8500kcal/m3=35587.8KJ/m3=0.0355878GJ/m3,折合熱值價格為70.25元/GJ)，天然氣燃燒熱效率按98%計算，則乾燥成本為89.6元/t(1.25×70.25/98%)。因此，實際生產中用顆粒燃燒爐產生熱氣流來乾燥原料是比較經濟的辦法。

　　由前面的分析可知，引進新技術、開發適合國情的木質顆粒生產技術，是周期短、見效快、成本低的實用方法。 2 推廣應用前景 2.1 引進位粒新技術、降低制粒成本 由上述分析可知：在國外，規模化生產已經達到工業化實用生產階段，同時輔以環保和能源政策調節，使得生物能源產品的使用代價優於常規能源，因此，應用範圍越來越大；而在國內，對於自主開發和引進技術，兩者的能耗結果相差很大，兩者只有制粒工序有可比性(前者其它工序未取得數據)，分別為309～346kWh/t和113.9kWh/t，後者降低63～67%，其它工序降低能耗的潛力不大，雖然會整體削弱這個比例，但還是有明顯的優勢，可見引進技術比自主開發還是有明顯的優越性。根據我國「十五」可再生能源技術發展戰略和政策措施，提高可再生能源在能源工業中的比重，在技術上採用積極可行的方案引進和學習新技術、新工藝，站在巨人的肩膀上，比埋頭閉門研究來得快、效果好。所以，引進新技術是適合國情的周期短見效快的最佳方法，是普及生物能源顆粒產品的最好途徑。 木質顆粒在美國市場的小包裝零售價格為$170/t，大包裝價格約為$135/t[5]；在瑞典的交貨價格為$150/t；散裝的木質顆粒，在阿姆斯特丹的離岸價(FOB)為$80/t[5]。我國用引進技術國產化設備來生產木質顆粒，產品的生產成本比國外要低很多，經測算，批量生產成本為￥320/t左右，假如零售價格為￥420/t，折合成美元單價為$51.22/t(按美元兌換人民幣匯率1:8.2折算)。

　　這樣的價格在國際市場上的競爭力是勿容置疑的。 如果推廣木質顆粒制粒技術，在我國廣大城鄉將產生巨大的經濟效益。據調查，我國農村自製土灶的熱效率最高為20%～25%，既使經過改造，節柴灶的熱效率仍為38～40%[9]，而生物能源顆粒燃燒器(包括爐、灶等)的熱效率達87%～89%，我們可以將使用薪材直接燃燒的方法改為制粒以後再燃燒，由前述可知，木質顆粒制粒過程僅消耗其本身所含能量的7.5～13.5%(即:木質顆粒的能量值為5000kWh/t，而制粒過程消耗為113～202 kWh/t，折算火電發電效率30%為377～673 kWh/t，占其本身淨含能量值的7.5～13.5%)，按保守的估計也可提高34%的熱效率。據我國林業部門統計，1994年至1998年，我國森林資源年均淨消耗量約為370,750,000m3，到2010年和2015年將分別達到396,700,000 m3和426,400,000 m3，按保守數據計算，薪材占29.8%(102,500,000m3)，採伐剩餘物約占5.2%(17,880,000m3) [9]；如果幹木材的比重按 0.8t/ m3、干木材的淨含能量值按5000kWh/t計算，則薪材製成顆粒燃燒的熱效率提高部分的能量為139,400GWh(1.025×108×0.8×5×34%=1.394×108MWh=1.394×105GWh=139,400GWh) ，採伐剩餘物的能量為71,520GWh(1.788×107×0.8×5=7.152×107MWh=7.152×104GWh=71,520GWh)。

　　森林資源消耗利用的「可使用能量」為「薪材效率提高能量」與「採伐剩餘物能量」兩項之和，從表中可以看出，當利用率僅為20%時，發電量為12,655GWh，接近於1個大亞灣核電站的發電量(年均發電量14,000GWh)；當全部利用(利用率100%)時，發電量為63,276GWh，接近於1個三峽電站的發電量(年均發電量84,700GWh)；並且從制粒生產企業的角度來看，木質顆粒用來發電比直接出售顆粒，可提高產值￥30/t(450-420＝30)，同時自供電可以減少損耗、提高產能利用率。 以上僅僅例舉了，全國現有森林資源淨消耗一個方面生物能源顆粒的應用，還有很多諸如農作物秸杆、木材加工業廢料等等方面，其綜合利用的經濟效益和發展潛力是巨大的。 2.2 加強生物能源的宣傳力度 發展生物能源具有良好的生態效益和社會效益。根據法國農業部的公告表示，發展生物能源這種潔淨的可再生能源，能在保護環境的同時保障法國農業市場的消費，促進農業的可持續發展，有助於保護土壤和減緩氣候變化。此外，使用生物能源來替代石油、煤炭等傳統能源，每年可為法國節省1100萬噸原油進口，相當於省下了25億到30億歐元。同時也能減少1600萬噸二氧化碳的排放[10]。

　　生物能源的推廣應用，有利於改善日益惡化的環境，一是能源植物在生長過程中要吸收大量的二氧化碳，減少空氣中二氧化碳的濃度；二是生物燃料可以乾淨地燃燒，沒有二次污染；三是能源植物的種植，還對野生動物、生態系統、農田、水土保持和水質有著積極的影響。其生態效益是十分顯著的。 在社會效益方面，美國的實踐表明，生物能源發電比傳統發電方式勞動密集程度要高。根據美國全球觀察研究所的一項報告，10億千瓦時發電量，用煤炭或核燃料需要100到116個工人， 而太陽能發電站提供了248個工作崗位，風電場提供了542個工作崗位。而法國將於2005年實施的生物能源發展規劃，可為法國全境創造和提供3萬個就業崗位[10]。我國勞動力成本低，生物能源比已開發國家更具競爭力，我國生物能源產業的成長，將為成千上萬的人創造就業機會。有數據表明，我國總產值為100億元人民幣的生物能源工業可提供100多萬個就業崗位。以薪材製作的生物能源顆粒發電為例，由前述可知，我國現有森林年均淨耗量中薪材為102,500,000m3 [9]，含能量值為: 1.025×108×0.8×5=4.1×108MWh=4.1×105GWh，如果將這些薪材全部製成木質顆粒來發電，每年可發電1.23×105GWh、創產值369億元，那麼按保守的估計，可以增加369萬個工作崗位。 2.3國家制定相應的配套政策 今年年初通過的可再生能源法，是發展可再生能源的良好契機，還要學習國外發展生物能源的先進、成熟經驗，通過制定能源稅、環境保護稅等政策來促進生物能源的發展，使環保意識及可持續發展意識深入人心，擴大生物能源木質顆粒產品的應用範圍，使環保、清潔的生物能源木質顆粒產品更具市場競爭力。 3 結 論 降低木質顆粒制粒單位產量能耗，就解決了生物能源木質顆粒推廣應用中的關鍵問題，而引進先進的木質制粒生產技術是解決這一關鍵問題的最佳方法。木質顆粒生產成本降低以後，在當量價格上將縮小與常規能源的差距，使其推廣應用瓶頸得以突破，同時，輔以提高認識、制定相應配套政策措施，這樣，在不久的將來，國產環保、清潔的生物能源木質顆粒產品就會進入普通百姓家。