生物質能是僅次于煤炭、石油和天然氣而居世界能源消費總量第四位的能源，在整個能源系統中占有重要地位。專家預測，生物質能極有可能成為未來可持續能源系統的組成部分，到下世紀中葉，采用新技術生產的各種生物質替代燃料將占全球總能耗的40%以上。
我國是一個人口大國，又是一個經濟迅速發展的國家，生物質能的研究利用是解決“三農”問題及農村生活用能匱乏的重要途徑，又是保護環境、實施可持續戰略發展的現實需要。開發利用生物質能等可再生的清潔能源資源對建立可持續的能源系統，促進國民經濟發展和環境保護具有重大意義。
生物質能利用的最終產品有氣態、液態和固態三種形式。生物質轉化為液態和氣態產品都要經過化學反應過程，在轉化過程中有一定的能量損失，因此，同其他生物質能利用技術相比較，生物質顆粒燃料技術因生產過程簡單而更容易實現大規模產業化，其產品更容易直接使用。因此，生物質顆粒燃料技術設備的研發和產業化已經列入我國可再生能源發展的重點。
(1)國內外生物質顆粒燃料技術的發展現狀
①生物質顆粒燃料的特征。生物質致密成型燃料是生物能源的一種類型，是將生物質進行加工、生產出的一種具有要求密度和熱值的燃料。它具有以下主要特征：有比較高的密度，一般為1.0～1.3克／厘米3；熱值一般為16 000～17000千克／焦；灰分小，有害成分低，可以實現C02的零排放。植物秸稈中含有一定量的硅、堿金屬、堿土金屬和氯元素，硅元素的存在使得在成型燃料加工過程機械磨損較重，堿金屬、堿土金屬和氯元素的存在使得成型燃料在燃燒過程中形成氧化物沉積在爐壁表面造成腐蝕。
②生物質顆粒燃料的分類。生物質顆粒燃料按形狀可以分為顆粒狀（直徑∮5～12毫米，長度10～30毫米的小圓柱體）、方塊狀（截面為30×30毫米的正方形，長度一般為30～80毫米）和中空棒狀（截面一般為六棱形，直徑Ø50～60毫米，長度500毫米左右，中心帶有直徑為cp20的通孔）。
③國外發展現狀。國外成型燃料的發展分為三個階段。從20世紀30～50年代為研究、示范、交叉引進階段，研究的著眼點以代替化石能源為目標。20世紀70～90年代為第二階段，各國普遍重視了化石能源對環境的影響，對數量較大的、可再生的生物質能源產生了興趣，開展生物質致密成型燃料的研究，到20世紀90年代，歐洲、美洲，亞洲的一些國家在生活領域比較大量地應用生物質致密成型燃料。20世紀90年代后期至今為第三階段，首先以丹麥為首開展了規模化利用的研究工作，丹麥著名的能源投資公司BWE率先研制成功了第一座生物質致密成型燃料發電廠，隨后，瑞典、德國、奧地利等國先后開展了利用生物質致密成型燃料發電和作為鍋爐燃料研究。目前，丹麥已經建立了130座發電廠。
目前，美國已經在25個州興建了樹皮成型燃料加工廠，每天生產燃料超過300噸。但生物質顆粒燃料以歐洲的一些國家如丹麥、瑞典、奧地利發展最快。例如，瑞典人均生物質致密成型燃料消耗量達到160千克／年。歐洲現有近百家生物質致密成型燃料加工廠，農場主以秸稈為原料，靠近城市的加工廠以木屑為原料。南非在2003年建成了4座以木柴加工廢棄物為原料，年產量達到20萬噸的成型燃料加工廠，富通新能源生產銷售顆粒機、木屑顆粒機等生物質燃料成型機械設備，同時我們還有大量的楊木木屑顆粒燃料和玉米秸稈顆粒燃料出售。
總體而言，國外生物質顆粒燃料技術發展有如下幾個特點：
●生產技術大部分已經成熟，并達到規模化和商品化；
●成型燃料的用途已經由燒壁爐等生活用能為主轉向了生產應用；
●設備制造比較規范，但能耗高，價格高。
④國內發展現狀。我國從20世紀80年代起開始致力于生物質顆粒燃料技術的研究，主要引進韓國、臺灣地區、日本等成套設備，并以螺桿擠壓杌為主。隨后，荷蘭、比利時等國技術設備也相繼推人中國。“七五”開始，國內的一些科研院所和企業開始對生物質致密成型機及生物質成型理論研究。但由于設備螺桿磨損快和產品沒有市場的原因，發展緩慢。1990年前后，一些單位先后研制和生產了幾種不同規格的生物質成型機和碳化機組，這些設備包括機械沖壓式成型機、液壓驅動活塞式成型機、電加熱螺桿成型機等。但這些設備存在著一些諸如成型筒及螺旋軸磨損嚴重、壽命較短、電耗大等缺點。1999年遼寧省能源研究所在國家科技攻關項目的支持下，研制開發成功生物質致密成型機組，該機組包括干燥、成型、炭化等設備，標志著我國的棒狀生物質顆粒燃料及機制木炭設備進入一個新水平。
進入21世紀，化石能源價格連續攀升，環境污染日益加劇，國家開始對各種可再生清潔能源開發的重視，生物質顆粒燃料也進入了良好的發展階段，顆粒狀、小方塊狀成型燃料也引起高度關注。目前，包括國內很多企業和大專院校、科研院所開發成功擠壓式、液壓沖擊式、螺桿式成型燃料生產設備，并在取暖爐、鍋爐、機制木炭生產等方面廣泛使用。
總體來說，我國的生物質顆粒燃料有如下特點：
●在全國范圍內，還處于研究示范試點階段，規模化和市場化較差；
●設備的技術原理比較先進，成本低廉，適合我國國情；
●設備穩定運行能力不高；
●管理不規范，支持政策缺乏，推廣速度緩慢。
2．生物質顆粒燃料成型原理及其影響因素
(1)成型原理
①生物質壓縮成型的粘結機制。生物質成型塊的品質受諸多因素影響，這些因素有的與生物質自身的生化特性有關，有的與外部壓縮條件、模具類型、壓縮方式、成型工藝等有密切聯系，它們都從根本上影響或制約著成型塊內部的粘結方式和黏結力大小，直接造成成型塊物理品質的差異。1962年德國的Rumpf針對不同材料的壓縮成型，將成型物內部的黏結力類型和黏結方式分成5類：a．固體顆粒橋接或架橋；b．非自由移動粘結劑作用的黏結力；c-自由移動液體的表面張力和毛細壓力；d．粒子間的分子吸引力（范德華力）或靜電引力；e．固體粒子間的充填或嵌合。多數農作物秸稈在較低的壓力壓縮下，秸稈破裂，由于秸稈斷裂程度不同，形成規則和大小不一的大顆粒，在成型塊內部產生了架橋現象，所以成型塊的松弛密度和耐久性都較低。粉碎的秸稈或鋸末，在壓力作用下，細小的顆粒互相之間容易發生緊密充填，其成型塊的密度和強度顯著提高。當農林廢棄物進行熱壓成型時，構成生物質的化學成分可以轉換為黏結劑，增強了成型物顆粒間的黏結力。J．A．Lindley在對生物質燃料壓縮成型的研究中認為，雖然成型物的密度和強度受溫度、含水量、壓力、添加劑等諸多因素影響，但實質上，都可以用Rumpf所述的一種或一種以上的黏結類型和黏結力來解釋生物質成型物內部的成型機制。
②生物質壓縮成型的粒子特性。構成生物質成型塊的主要物質形態為不同粒徑的粒子，粒子在壓縮過程中表現出的充填特性、流動特性和壓縮特性對生物質的壓縮成型有很大的影響。通常生物質壓縮成型分為兩個階段。第一階段，在壓縮初期，較低的壓力傳遞至生物質顆粒中，使原先松散堆積的固體顆粒排列結構開始改變，生物質內部孑L隙率減少。第二階段，當壓力逐漸增大時，生物質大顆粒在壓力作用下破裂，變成更加細小的粒子，并發生變形或塑性流動，粒子開始充填空隙，粒子間更加緊密地接觸而互相嚙合，一部分殘余應力貯存于成型塊內部，使粒子間結合更牢固。壓力、含水率及粒徑是影響粒子在壓縮過程中發生變化的主要因素。在生物機體內存在的適量的結合水和自由水是一種潤滑劑，使粒子間的內摩擦變小，流動性增強，從而促進粒子在壓力作用下滑動而嵌合。構成成型塊的粒子越細小，粒子間充填程度就越高，接觸越緊密；當粒子的粒度小到一定程度（幾百至幾微米）后，成型塊內部的結合力方式和主次甚至也會發生變化，粒子間的分子引力、靜電引力和液相附著力（毛細管力）開始上升為主導地位。根據研究，成型塊的抗滲水性和吸濕性都與粒子的粒徑有密切關系，粒徑小的粒子比表面積大，成型塊容易吸濕回潮；但與之相反的是，由于粒子的粒徑變小，粒子間空隙易于充填，可壓縮性變大，使得成型塊內部殘存的內應力變小，從而削弱了成型塊的親水性，提高了抗滲水性。在對植物材料壓縮成型時粒子變形和結合形式的研究中，郭康權等對成型塊內部粒子進行顯微鏡觀察和粒子二向平均徑測量，并建立了粒子微觀結合模型認為，在垂直于最大主應力的方向上，粒子向四周延展，粒子間以相互嚙合的形式結合；在沿著最大主應力的方向上，粒子變薄，成為薄片狀，粒子層之間以相互貼合的形式結合。根據該結合模型可以說明，生物質原料的粒子越軟，粒子二向平均徑越易變大，生物質越易壓縮成型。當植物材料中的含水量過低時，粒子得不到充分延展，與四周的粒子結合不夠緊密，所以不能成型；當含水率過高時，粒子盡管在垂直于最大主應力方向上充分延展，粒子間能夠嚙合，但由于原料中較多的水分被擠出后，分布于粒子層之間，使得粒子層間不能緊密貼合，因而不能成型。
③生物質壓縮成型的電勢特性。根據傳統的動電學理論，一旦固體顆粒與液體接觸，在固體顆粒表面會發生電荷的優先吸附現象，這使固相表面帶電荷，在與固體表面接觸的周圍液體會形成相反電荷的擴散層，從而構成了雙電層。這種介于固體顆粒表面和液體內部的電勢差稱為F電勢，它對生物質顆粒的壓縮成型起排斥作用。因此，減小F電勢的絕對值，就可以在少加或不添加粘結劑的情況下，提高成型塊的強度。有人研究發現不同生物質原料的F電勢大小是不盡相同的，而且還受生物質顆粒在水中的接觸時間、濃度、溫度和添加劑等因素的影響，有效地控制這些因素條件，可以顯著降低F電勢絕對值。一些有機化合物，如聚環氧乙烷可以作為一種添加劑，起到中和F電勢，減小壓縮過程的排斥力的作用。試驗證明，該添加劑能明顯改善成型塊的強度、抗跌碎性和抗滾碎性等性能，如將聚環氧乙烷的水溶液加入到松木屑（含水率9.2%）中，與松木屑的配比濃度從1110 000增加到3／10 000，在內徑為48毫米圓筒模，最大壓力為138兆帕條件下進行壓縮成型試驗，結果顯示成型塊的松弛密度由1 025千克／米3提高了1%；抗破碎強度增加了36%；跌碎試驗質量損失減少了25%。
④生物質壓縮成型的化學成分變化。在相同的壓縮條件下，不同生物質成型塊的物理品質卻表現出較大差異，這與生物質本身的生物特性有一定關系，是由生物質的組織結構和組成成分不同而造成的。通常各種生物質材料的主要組成成分都是由纖維素、半纖維素、木質素構成，此外還含有水和少量的單寧、果膠質、萃取物、色素和灰分等。在構成生物質的各種成分中，木質素普遍認為是生物質固有的最好的內在粘結劑。它是由苯丙烷結構單體構成的，具有三度空間結構的天然高分子化合物，在水中以及通常的有機溶劑中幾乎不溶解，100℃才開始軟化，160℃開始熔融形成膠體物質。因此，木質素含雖高的農作物秸稈和林業廢棄物非常適合熱壓成型。在壓縮成型過程中，木質素在溫度與壓力的共同作用下發揮粘結劑功能，粘附和聚合生物質顆粒，提高了成型物的結合強度和耐久性。生物質體內的水分作為一種必不可少的自由基，流動于生物質團粒間，在壓力作用下，與果膠質或糖類混合形成膠體，起粘結劑的作用，因此過于干燥的生物質材料通常情況下是很難壓縮成型的。研究表明，生物質體內的水分還有降低木質素的玻璃化轉變溫度的作用，使生物質在較低加熱溫度下成型。生物質中的半纖維素由多聚糖組成，在一定時間的貯藏和水解作用下可以轉化木質素，也可達到粘結劑的作用。生物質中的纖維素是由大量葡萄糖基構成的鏈狀高分子化合物構成，是不溶于水的單糖，因此纖維素分子連接形成的纖絲，在以粘結劑為主要結合作用的粘聚體內發揮了類似于混凝土中“鋼筋”的加強作用，成為提高成型塊強度的“骨架”。此外生物質所含的腐殖質、樹脂、蠟質等萃取物也是固有的天然粘結劑，它們對壓力和溫度比較敏感，當采用適宜的溫度和壓力時，也有助于在壓縮成型過程中發揮有效的粘結作用。生物質中的纖維素、半纖維素和木質素在不同的高溫下，均能受熱分解轉化為液態、固態和部分氣態產物。將生物質熱解技術與壓縮成型工藝相結合，通過改變成型物料的化學成分，即利用熱解反應產生的液態熱解油（或焦油）作為壓縮成型的粘結劑，有利于提高粒子間的粘聚作用，并提高成型燃料的品位和熱值。一個最近的研究表明，將榛子殼在327℃熱解產生的熱解油作為壓縮成型的粘結劑，結果顯著提高成型燃料的松弛密度和耐久性等物理品質指標值。
(2)影響生物質致密成型的因素
對于生產成型燃料而言，只有干燥的物料成型才是有意義的，熱成型經過多年的發展也已成熟，所以，這里我們只討論干物料的常溫成型這一種情況。影響生物質致密成型的主要因素有：原料種類、含水率、粒度、成型壓力、成型模具的形狀尺寸及加熱溫度等。這些影響因素在不同成形方式下表現形式也不盡相同。
①原料的種類的影響。圖1是玉米秸稈、蘆葦、豆稈、鋸末、稻殼五種物料在常溫條件下的成型規律。從圖中可以發現，玉米秸稈和蘆葦成型顆粒達到較高的密度時，所需壓縮比（可以認為是相同壓力）相同；而鋸末為了達到較高密度則需要較大的壓縮比。
這一結果反映了生物質本身的組織結構和組成成分差異。通常各種生物質材料的主要組成成分都是由纖維素、半纖維素、木質素等構成，木質素是由苯丙烷結構單體構成的，具有三度空間結構的天然高分子化合物，常溫條件下，在水中以及通常的有機溶劑中幾乎不溶解，也不軟化，它的含量對顆粒成型影響不大。而纖維素是植物細胞壁的主要成分之一，由葡萄糖組成的線形高分子。較高纖維素的含量，說明植物細胞機械組織發達，顆粒成型時需要較大的壓縮比。玉米秸稈、蘆葦的纖維素含量少，成型時所需的壓力小；而鋸末的纖維素含量高，成型時所需的壓力大。
熱成型顯示的是不同的規律。熱成型的難易程度受到原料木質素含量的影響。事實證明，木屑、稻殼等容易成型；玉米秸稈等原料有與木質素含量低則不容易成型。
②成型壓力的影響。前面的討論已經表明，一般來說對于常溫成型，在比較大的壓力下可以獲得密度高的成型燃料。但不同的原料，壓力對燃料密度的影響有一定差別。
對于環模壓縮來說，由于難以測量成型壓力，一般以壓縮比大小來表示成型壓力的相對大小。其結果表明，壓縮比增大，燃料密度增加。堆積密度大的原料在成型時一般需要較大的壓縮比。這一規律在塊狀燃料成型過程中也適用。在塊狀燃料成型時，當壓力達到一定值（通常為40～50兆帕）時，燃料密度增大緩慢或幾乎不增大。壓力在15～35兆帕之間，成型效果最好，燃料密度在1.1～1.3克／厘米3之間。
對壓力與燃料密度的關系，不同的研究人員得出不同的結果。Skalweit最早建立了基本的冪數關系式為：P-crm，式中P為壓力，兆帕；r為顆粒成型密度，千克／米3；c，m均為經驗常數。該式適于1～2兆帕較低壓力下的壓力與密度間的關系。在30～60兆帕較高壓力下對生物質的壓縮成型試驗，所測得試驗數據點采用Ori- gin6.1專業軟件進行指數關系擬合，結果表明，生物質高密度壓縮過程中壓力與密度的關系符合指數關系形式，即：P—Aehr，A，b均為經驗常數，P為壓力，兆帕；r為密度，千克／米a。國內有研究人員得出的結果是，燃料密度與壓力的關系趨于對數函數或三次冪函數的正值部分(p=aPa+bPz+cP+d，p為密度，P為成型壓力)，他們將測量值曲線分別進行對數擬合和多項式擬合回歸出合理的函數關系式。
②原料含水率的影響。不同研究人員的研究結果表明，無論是顆粒燃料還是塊狀燃料，原料含水率嚴重影響常溫成型產品質量和產量。雖然針對不同的原料，適宜的含水率要求稍有差別，但總體規律是一致的。適宜含水率一般在12%～18%之間，最佳含水率在15%左右。含水率小于15%左右時，燃料密度隨含水率的增加呈增大趨勢；含水率大于15%左右時，燃料密度快速下降，成型塊表面有裂紋，蕓至不能成型。
關于適量水在成型過程中的作用，一般認為：在生物機體內存在的適量的結合水和自由水是一種潤滑劑，使粒子間的內摩擦變小，流動性增強，從而促進粒子在壓力作用下滑動而嵌合。當生物質原料的含水量過低時，粒子得不到充分延展，與四周的粒子結合不夠緊密，所以不能成型；當含水率過高時，粒子盡管在垂直于最大主應力方向上充分延展，粒子間能夠嚙合，但由于原料中較多的水分被擠出后，分布于粒子層之間，使得粒子層間不能緊密貼合，因而不能成型。
3．生物質顆粒燃料的燃燒特性
(1)生物質顆粒燃料的性能
(2)生物質顆粒燃料的燃燒特性
生物質尤其是秸稈類生物質的堆積密度小，揮發份高達60%—70%，容易點火。同時其熱分解溫度也比較低，一般在350℃就分解釋放出80%的揮發分。燃燒速度快，點火不久燃燒就由動力區進入擴散區。揮發分在短時間內迅速燃燒使得放熱量劇增。高溫煙氣來不及傳熱就進入煙囪，造成大量的排煙熱損失。另外，揮發分燃燒迅速使得燃燒所需要的氧氣量遠遠大于外界擴散進入燃燒器具內的氧氣量，揮發分燃燒不充分，形成大量的CO、H2、CH4等，能量損失嚴重。
揮發分燃燒完畢，進入焦炭燃燒階段時，氣流的擾動會使呈松散狀態的生物質焦炭懸浮而脫離燃燒層，進入爐膛上方空間，最后經煙道進人煙囪形成大量的黑灰，造成能量損失和環境污染。此時，燃燒層內焦炭量很少，無法形成燃燒中心，燃燒后勁不足。這時如果進氣量不能及時嚴格控制，過剩的大量空氣會降低爐內溫度，進一步增加排煙熱損失。
生物質顆粒燃料的密度遠大于原生生物質，其結構和組織特征決定了揮發分的溢出速度和傳熱速度都大大降低。點火溫度升高，點火性能變差，但比型煤的點火性能要好，仍為生物質的點火特性。燃燒開始時揮發分慢慢分解，燃燒處于動力區，隨著揮發分燃燒逐漸進人過渡區和擴散區，燃燒速度適中，能夠使揮發分放出的熱量及時傳遞給受熱面，排煙熱損失降低。同時，揮發分燃燒所需的氧與外界擴散的氧匹配較好，揮發分燃燒完全，減小了燃燒不完全的能量損失和排煙熱損失。
揮發分燃燒完畢，剩余的焦炭骨架結構緊密，運動的氣流不能使骨架解體懸浮，骨架炭保持層狀燃燒，形成層狀燃燒核心。這時炭燃燒所需的氧與靜態滲透擴散的氧相當，燃燒穩定、完全，減小了能量及熱損失。
4．生物質顆粒燃料的應用前景及障礙分析
(1)應用領域分析
農村經濟的迅速發展使農民的生活水平大幅度提高，一個顯著的特征就是農村對優質能源和商品能源的需求劇增。1980年，我國農村地區能源消費總量為3.3億噸標煤，2002年達到7.9億噸，其中生產用能由0.67億噸增加到3.3億噸。在農村能源消費中，商品能源由1980年的30.2%增加到2002年63. 3%，2002年，農村生產用能中的93%是商品能源，生活用能中42%是商品能源。按照這樣的增長速度，2010年我國農村生活用能中商品能源要達到6億噸標準煤。由此可見，農村對優質能源的需求巨大，采用致密成型技術將秸稈等加工成優質燃料供應給農民，可以大幅度減少農村對其他商品能源的依賴。
我國每年排放的二氧化硫達2 500萬噸且逐年增加，因燃煤二氧化硫排放量占二氧化硫排放總量的90%以上。大型燃煤鍋爐的除塵率和脫硫率可以達到90%，但中小型鍋爐的除塵率和脫硫率只有so%，因此，控制并逐步取締小型燃煤鍋爐成為解決二氧化硫污染的重要步驟。在中小型燃煤鍋爐逐漸不能使用而燃油、氣在經濟上又無法承受的情況下，那些熱、汽用戶燃用生物質顆粒燃料是相對經濟的選擇。
(2)發展障礙
①資金及價格障礙。以成型燃料作為農村的生活用能，必須考慮農民的經濟承受能力，包括消費能
力、成型燃料的成本價格、銷售市場等。在目前的條件下，如果得不到政府的財政補貼，在農村發展成
型燃料存在建設資金和成型燃料的價格障礙。
●生產線建設投資較大：如果單純考慮農民自己消費，小型設備生產能力完全可以滿足一村使用，但這樣的設備包括廠房等投資也要20萬～30萬元。這個投資水平對于一個只有300—400戶的農村來說是很大的。
●投資渠道單一：成型燃料屬于可再生能源項目，理應受到國家的支持和補貼。但從長遠發展角度，需要多種融資渠道來發展這個產業。
●各種政策補貼不落實：《可再生能源法》頒布1年多了，但是對于已經形成產業規模的項目的補貼政策都不能落實，農村地處偏遠，更無人問津。
●農民的適應過程：對于我國尤其是農村成型燃料還是新生事物，農民已經適應丁燃燒免費的秸稈，突然對高出秸稈價格2～3倍的成型燃料不能接受。另外，一些經濟條件稍好的地方燃煤取暖，因為成型燃料的熱值比煤要低，而價格稍高于煤炭，即便是他們對優勢燃料有需求，也不會選擇成型燃料。這就要求各級政府從環境效益和社會效益的角度出發，對使用成型燃料的農民給予合理的補貼。
②管理障礙
●管理體制不健全，責任目標不明確。國家發改委和農業部都即將分別頒布《可再生能源發展中長期規劃》和《農業生物質能產業發展規劃》，其中對成型燃料的發展目標做出了安排。但是如何實施、階段性目標、任務分解、責任單位等很不明確，這就給執行這個規劃帶來一系列的問題。
●缺乏相應的質量標準：生物質顆粒燃料已經呈現蓬勃興起的態勢，各種設備、燃料產品魚龍混雜，亟須政府有關部門制定相應的質量標準，規范設備、燃料產品市場。
③政策障礙。政策障礙主要指經濟激勵政策和強制性環境政策障礙。
●目前，我國還沒有針對生物質能開發利用的完善的經濟激勵政策，更沒有專門針對生物質成型燃
料的經濟激勵政策。
●我國農村，還沒有燃燒化石燃料的污染物排放標準，相關法律、法規對此幾乎沒有任何的約束力。
