生物质能是仅次于煤炭、石油和天然气而居世界能源消费总量第四位的能源，在整个能源系统中占有重要地位。专家预测，生物质能极有可能成为未来可持续能源系统的组成部分，到下世纪中叶，采用新技术生产的各种生物质替代燃料将占全球总能耗的40%以上。
我国是一个人口大国，又是一个经济迅速发展的国家，生物质能的研究利用是解决“三农”问题及农村生活用能匮乏的重要途径，又是保护环境、实施可持续战略发展的现实需要。开发利用生物质能等可再生的清洁能源资源对建立可持续的能源系统，促进国民经济发展和环境保护具有重大意义。
生物质能利用的最终产品有气态、液态和固态三种形式。生物质转化为液态和气态产品都要经过化学反应过程，在转化过程中有一定的能量损失，因此，同其他生物质能利用技术相比较，生物质颗粒燃料技术因生产过程简单而更容易实现大规模产业化，其产品更容易直接使用。因此，生物质颗粒燃料技术设备的研发和产业化已经列入我国可再生能源发展的重点。
(1)国内外生物质颗粒燃料技术的发展现状
①生物质颗粒燃料的特征。生物质致密成型燃料是生物能源的一种类型，是将生物质进行加工、生产出的一种具有要求密度和热值的燃料。它具有以下主要特征：有比较高的密度，一般为1.0～1.3克／厘米3；热值一般为16 000～17000千克／焦；灰分小，有害成分低，可以实现C02的零排放。植物秸秆中含有一定量的硅、碱金属、碱土金属和氯元素，硅元素的存在使得在成型燃料加工过程机械磨损较重，碱金属、碱土金属和氯元素的存在使得成型燃料在燃烧过程中形成氧化物沉积在炉壁表面造成腐蚀。
②生物质颗粒燃料的分类。生物质颗粒燃料按形状可以分为颗粒状（直径∮5～12毫米，长度10～30毫米的小圆柱体）、方块状（截面为30×30毫米的正方形，长度一般为30～80毫米）和中空棒状（截面一般为六棱形，直径Ø50～60毫米，长度500毫米左右，中心带有直径为cp20的通孔）。
③国外发展现状。国外成型燃料的发展分为三个阶段。从20世纪30～50年代为研究、示范、交叉引进阶段，研究的着眼点以代替化石能源为目标。20世纪70～90年代为第二阶段，各国普遍重视了化石能源对环境的影响，对数量较大的、可再生的生物质能源产生了兴趣，开展生物质致密成型燃料的研究，到20世纪90年代，欧洲、美洲，亚洲的一些国家在生活领域比较大量地应用生物质致密成型燃料。20世纪90年代后期至今为第三阶段，首先以丹麦为首开展了规模化利用的研究工作，丹麦著名的能源投资公司BWE率先研制成功了第一座生物质致密成型燃料发电厂，随后，瑞典、德国、奥地利等国先后开展了利用生物质致密成型燃料发电和作为锅炉燃料研究。目前，丹麦已经建立了130座发电厂。
目前，美国已经在25个州兴建了树皮成型燃料加工厂，每天生产燃料超过300吨。但生物质颗粒燃料以欧洲的一些国家如丹麦、瑞典、奥地利发展最快。例如，瑞典人均生物质致密成型燃料消耗量达到160千克／年。欧洲现有近百家生物质致密成型燃料加工厂，农场主以秸秆为原料，靠近城市的加工厂以木屑为原料。南非在2003年建成了4座以木柴加工废弃物为原料，年产量达到20万吨的成型燃料加工厂，30码期期必中生产销售颗粒机、木屑颗粒机等生物质燃料成型机械设备，同时我们还有大量的杨木木屑颗粒燃料和玉米秸秆颗粒燃料出售。
总体而言，国外生物质颗粒燃料技术发展有如下几个特点：
●生产技术大部分已经成熟，并达到规模化和商品化；
●成型燃料的用途已经由烧壁炉等生活用能为主转向了生产应用；
●设备制造比较规范，但能耗高，价格高。
④国内发展现状。我国从20世纪80年代起开始致力于生物质颗粒燃料技术的研究，主要引进韩国、台湾地区、日本等成套设备，并以螺杆挤压杌为主。随后，荷兰、比利时等国技术设备也相继推人中国。“七五”开始，国内的一些科研院所和企业开始对生物质致密成型机及生物质成型理论研究。但由于设备螺杆磨损快和产品没有市场的原因，发展缓慢。1990年前后，一些单位先后研制和生产了几种不同规格的生物质成型机和碳化机组，这些设备包括机械冲压式成型机、液压驱动活塞式成型机、电加热螺杆成型机等。但这些设备存在着一些诸如成型筒及螺旋轴磨损严重、寿命较短、电耗大等缺点。1999年辽宁省能源研究所在国家科技攻关项目的支持下，研制开发成功生物质致密成型机组，该机组包括干燥、成型、炭化等设备，标志着我国的棒状生物质颗粒燃料及机制木炭设备进入一个新水平。
进入21世纪，化石能源价格连续攀升，环境污染日益加剧，国家开始对各种可再生清洁能源开发的重视，生物质颗粒燃料也进入了良好的发展阶段，颗粒状、小方块状成型燃料也引起高度关注。目前，包括国内很多企业和大专院校、科研院所开发成功挤压式、液压冲击式、螺杆式成型燃料生产设备，并在取暖炉、锅炉、机制木炭生产等方面广泛使用。
总体来说，我国的生物质颗粒燃料有如下特点：
●在全国范围内，还处于研究示范试点阶段，规模化和市场化较差；
●设备的技术原理比较先进，成本低廉，适合我国国情；
●设备稳定运行能力不高；
●管理不规范，支持政策缺乏，推广速度缓慢。
2．生物质颗粒燃料成型原理及其影响因素
(1)成型原理
①生物质压缩成型的粘结机制。生物质成型块的品质受诸多因素影响，这些因素有的与生物质自身的生化特性有关，有的与外部压缩条件、模具类型、压缩方式、成型工艺等有密切联系，它们都从根本上影响或制约着成型块内部的粘结方式和黏结力大小，直接造成成型块物理品质的差异。1962年德国的Rumpf针对不同材料的压缩成型，将成型物内部的黏结力类型和黏结方式分成5类：a．固体颗粒桥接或架桥；b．非自由移动粘结剂作用的黏结力；c-自由移动液体的表面张力和毛细压力；d．粒子间的分子吸引力（范德华力）或静电引力；e．固体粒子间的充填或嵌合。多数农作物秸秆在较低的压力压缩下，秸秆破裂，由于秸秆断裂程度不同，形成规则和大小不一的大颗粒，在成型块内部产生了架桥现象，所以成型块的松弛密度和耐久性都较低。粉碎的秸秆或锯末，在压力作用下，细小的颗粒互相之间容易发生紧密充填，其成型块的密度和强度显著提高。当农林废弃物进行热压成型时，构成生物质的化学成分可以转换为黏结剂，增强了成型物颗粒间的黏结力。J．A．Lindley在对生物质燃料压缩成型的研究中认为，虽然成型物的密度和强度受温度、含水量、压力、添加剂等诸多因素影响，但实质上，都可以用Rumpf所述的一种或一种以上的黏结类型和黏结力来解释生物质成型物内部的成型机制。
②生物质压缩成型的粒子特性。构成生物质成型块的主要物质形态为不同粒径的粒子，粒子在压缩过程中表现出的充填特性、流动特性和压缩特性对生物质的压缩成型有很大的影响。通常生物质压缩成型分为两个阶段。第一阶段，在压缩初期，较低的压力传递至生物质颗粒中，使原先松散堆积的固体颗粒排列结构开始改变，生物质内部孑L隙率减少。第二阶段，当压力逐渐增大时，生物质大颗粒在压力作用下破裂，变成更加细小的粒子，并发生变形或塑性流动，粒子开始充填空隙，粒子间更加紧密地接触而互相啮合，一部分残余应力贮存于成型块内部，使粒子间结合更牢固。压力、含水率及粒径是影响粒子在压缩过程中发生变化的主要因素。在生物机体内存在的适量的结合水和自由水是一种润滑剂，使粒子间的内摩擦变小，流动性增强，从而促进粒子在压力作用下滑动而嵌合。构成成型块的粒子越细小，粒子间充填程度就越高，接触越紧密；当粒子的粒度小到一定程度（几百至几微米）后，成型块内部的结合力方式和主次甚至也会发生变化，粒子间的分子引力、静电引力和液相附着力（毛细管力）开始上升为主导地位。根据研究，成型块的抗渗水性和吸湿性都与粒子的粒径有密切关系，粒径小的粒子比表面积大，成型块容易吸湿回潮；但与之相反的是，由于粒子的粒径变小，粒子间空隙易于充填，可压缩性变大，使得成型块内部残存的内应力变小，从而削弱了成型块的亲水性，提高了抗渗水性。在对植物材料压缩成型时粒子变形和结合形式的研究中，郭康权等对成型块内部粒子进行显微镜观察和粒子二向平均径测量，并建立了粒子微观结合模型认为，在垂直于最大主应力的方向上，粒子向四周延展，粒子间以相互啮合的形式结合；在沿着最大主应力的方向上，粒子变薄，成为薄片状，粒子层之间以相互贴合的形式结合。根据该结合模型可以说明，生物质原料的粒子越软，粒子二向平均径越易变大，生物质越易压缩成型。当植物材料中的含水量过低时，粒子得不到充分延展，与四周的粒子结合不够紧密，所以不能成型；当含水率过高时，粒子尽管在垂直于最大主应力方向上充分延展，粒子间能够啮合，但由于原料中较多的水分被挤出后，分布于粒子层之间，使得粒子层间不能紧密贴合，因而不能成型。
③生物质压缩成型的电势特性。根据传统的动电学理论，一旦固体颗粒与液体接触，在固体颗粒表面会发生电荷的优先吸附现象，这使固相表面带电荷，在与固体表面接触的周围液体会形成相反电荷的扩散层，从而构成了双电层。这种介于固体颗粒表面和液体内部的电势差称为F电势，它对生物质颗粒的压缩成型起排斥作用。因此，减小F电势的绝对值，就可以在少加或不添加粘结剂的情况下，提高成型块的强度。有人研究发现不同生物质原料的F电势大小是不尽相同的，而且还受生物质颗粒在水中的接触时间、浓度、温度和添加剂等因素的影响，有效地控制这些因素条件，可以显著降低F电势绝对值。一些有机化合物，如聚环氧乙烷可以作为一种添加剂，起到中和F电势，减小压缩过程的排斥力的作用。试验证明，该添加剂能明显改善成型块的强度、抗跌碎性和抗滚碎性等性能，如将聚环氧乙烷的水溶液加入到松木屑（含水率9.2%）中，与松木屑的配比浓度从1110 000增加到3／10 000，在内径为48毫米圆筒模，最大压力为138兆帕条件下进行压缩成型试验，结果显示成型块的松弛密度由1 025千克／米3提高了1%；抗破碎强度增加了36%；跌碎试验质量损失减少了25%。
④生物质压缩成型的化学成分变化。在相同的压缩条件下，不同生物质成型块的物理品质却表现出较大差异，这与生物质本身的生物特性有一定关系，是由生物质的组织结构和组成成分不同而造成的。通常各种生物质材料的主要组成成分都是由纤维素、半纤维素、木质素构成，此外还含有水和少量的单宁、果胶质、萃取物、色素和灰分等。在构成生物质的各种成分中，木质素普遍认为是生物质固有的最好的内在粘结剂。它是由苯丙烷结构单体构成的，具有三度空间结构的天然高分子化合物，在水中以及通常的有机溶剂中几乎不溶解，100℃才开始软化，160℃开始熔融形成胶体物质。因此，木质素含虽高的农作物秸秆和林业废弃物非常适合热压成型。在压缩成型过程中，木质素在温度与压力的共同作用下发挥粘结剂功能，粘附和聚合生物质颗粒，提高了成型物的结合强度和耐久性。生物质体内的水分作为一种必不可少的自由基，流动于生物质团粒间，在压力作用下，与果胶质或糖类混合形成胶体，起粘结剂的作用，因此过于干燥的生物质材料通常情况下是很难压缩成型的。研究表明，生物质体内的水分还有降低木质素的玻璃化转变温度的作用，使生物质在较低加热温度下成型。生物质中的半纤维素由多聚糖组成，在一定时间的贮藏和水解作用下可以转化木质素，也可达到粘结剂的作用。生物质中的纤维素是由大量葡萄糖基构成的链状高分子化合物构成，是不溶于水的单糖，因此纤维素分子连接形成的纤丝，在以粘结剂为主要结合作用的粘聚体内发挥了类似于混凝土中“钢筋”的加强作用，成为提高成型块强度的“骨架”。此外生物质所含的腐殖质、树脂、蜡质等萃取物也是固有的天然粘结剂，它们对压力和温度比较敏感，当采用适宜的温度和压力时，也有助于在压缩成型过程中发挥有效的粘结作用。生物质中的纤维素、半纤维素和木质素在不同的高温下，均能受热分解转化为液态、固态和部分气态产物。将生物质热解技术与压缩成型工艺相结合，通过改变成型物料的化学成分，即利用热解反应产生的液态热解油（或焦油）作为压缩成型的粘结剂，有利于提高粒子间的粘聚作用，并提高成型燃料的品位和热值。一个最近的研究表明，将榛子壳在327℃热解产生的热解油作为压缩成型的粘结剂，结果显著提高成型燃料的松弛密度和耐久性等物理品质指标值。
(2)影响生物质致密成型的因素
对于生产成型燃料而言，只有干燥的物料成型才是有意义的，热成型经过多年的发展也已成熟，所以，这里我们只讨论干物料的常温成型这一种情况。影响生物质致密成型的主要因素有：原料种类、含水率、粒度、成型压力、成型模具的形状尺寸及加热温度等。这些影响因素在不同成形方式下表现形式也不尽相同。
①原料的种类的影响。图1是玉米秸秆、芦苇、豆秆、锯末、稻壳五种物料在常温条件下的成型规律。从图中可以发现，玉米秸秆和芦苇成型颗粒达到较高的密度时，所需压缩比（可以认为是相同压力）相同；而锯末为了达到较高密度则需要较大的压缩比。
这一结果反映了生物质本身的组织结构和组成成分差异。通常各种生物质材料的主要组成成分都是由纤维素、半纤维素、木质素等构成，木质素是由苯丙烷结构单体构成的，具有三度空间结构的天然高分子化合物，常温条件下，在水中以及通常的有机溶剂中几乎不溶解，也不软化，它的含量对颗粒成型影响不大。而纤维素是植物细胞壁的主要成分之一，由葡萄糖组成的线形高分子。较高纤维素的含量，说明植物细胞机械组织发达，颗粒成型时需要较大的压缩比。玉米秸秆、芦苇的纤维素含量少，成型时所需的压力小；而锯末的纤维素含量高，成型时所需的压力大。
热成型显示的是不同的规律。热成型的难易程度受到原料木质素含量的影响。事实证明，木屑、稻壳等容易成型；玉米秸秆等原料有与木质素含量低则不容易成型。
②成型压力的影响。前面的讨论已经表明，一般来说对于常温成型，在比较大的压力下可以获得密度高的成型燃料。但不同的原料，压力对燃料密度的影响有一定差别。
对于环模压缩来说，由于难以测量成型压力，一般以压缩比大小来表示成型压力的相对大小。其结果表明，压缩比增大，燃料密度增加。堆积密度大的原料在成型时一般需要较大的压缩比。这一规律在块状燃料成型过程中也适用。在块状燃料成型时，当压力达到一定值（通常为40～50兆帕）时，燃料密度增大缓慢或几乎不增大。压力在15～35兆帕之间，成型效果最好，燃料密度在1.1～1.3克／厘米3之间。
对压力与燃料密度的关系，不同的研究人员得出不同的结果。Skalweit最早建立了基本的幂数关系式为：P-crm，式中P为压力，兆帕；r为颗粒成型密度，千克／米3；c，m均为经验常数。该式适于1～2兆帕较低压力下的压力与密度间的关系。在30～60兆帕较高压力下对生物质的压缩成型试验，所测得试验数据点采用Ori- gin6.1专业软件进行指数关系拟合，结果表明，生物质高密度压缩过程中压力与密度的关系符合指数关系形式，即：P—Aehr，A，b均为经验常数，P为压力，兆帕；r为密度，千克／米a。国内有研究人员得出的结果是，燃料密度与压力的关系趋于对数函数或三次幂函数的正值部分(p=aPa+bPz+cP+d，p为密度，P为成型压力)，他们将测量值曲线分别进行对数拟合和多项式拟合回归出合理的函数关系式。
②原料含水率的影响。不同研究人员的研究结果表明，无论是颗粒燃料还是块状燃料，原料含水率严重影响常温成型产品质量和产量。虽然针对不同的原料，适宜的含水率要求稍有差别，但总体规律是一致的。适宜含水率一般在12%～18%之间，最佳含水率在15%左右。含水率小于15%左右时，燃料密度随含水率的增加呈增大趋势；含水率大于15%左右时，燃料密度快速下降，成型块表面有裂纹，芸至不能成型。
关于适量水在成型过程中的作用，一般认为：在生物机体内存在的适量的结合水和自由水是一种润滑剂，使粒子间的内摩擦变小，流动性增强，从而促进粒子在压力作用下滑动而嵌合。当生物质原料的含水量过低时，粒子得不到充分延展，与四周的粒子结合不够紧密，所以不能成型；当含水率过高时，粒子尽管在垂直于最大主应力方向上充分延展，粒子间能够啮合，但由于原料中较多的水分被挤出后，分布于粒子层之间，使得粒子层间不能紧密贴合，因而不能成型。
3．生物质颗粒燃料的燃烧特性
(1)生物质颗粒燃料的性能
(2)生物质颗粒燃料的燃烧特性
生物质尤其是秸秆类生物质的堆积密度小，挥发份高达60%—70%，容易点火。同时其热分解温度也比较低，一般在350℃就分解释放出80%的挥发分。燃烧速度快，点火不久燃烧就由动力区进入扩散区。挥发分在短时间内迅速燃烧使得放热量剧增。高温烟气来不及传热就进入烟囱，造成大量的排烟热损失。另外，挥发分燃烧迅速使得燃烧所需要的氧气量远远大于外界扩散进入燃烧器具内的氧气量，挥发分燃烧不充分，形成大量的CO、H2、CH4等，能量损失严重。
挥发分燃烧完毕，进入焦炭燃烧阶段时，气流的扰动会使呈松散状态的生物质焦炭悬浮而脱离燃烧层，进入炉膛上方空间，最后经烟道进人烟囱形成大量的黑灰，造成能量损失和环境污染。此时，燃烧层内焦炭量很少，无法形成燃烧中心，燃烧后劲不足。这时如果进气量不能及时严格控制，过剩的大量空气会降低炉内温度，进一步增加排烟热损失。
生物质颗粒燃料的密度远大于原生生物质，其结构和组织特征决定了挥发分的溢出速度和传热速度都大大降低。点火温度升高，点火性能变差，但比型煤的点火性能要好，仍为生物质的点火特性。燃烧开始时挥发分慢慢分解，燃烧处于动力区，随着挥发分燃烧逐渐进人过渡区和扩散区，燃烧速度适中，能够使挥发分放出的热量及时传递给受热面，排烟热损失降低。同时，挥发分燃烧所需的氧与外界扩散的氧匹配较好，挥发分燃烧完全，减小了燃烧不完全的能量损失和排烟热损失。
挥发分燃烧完毕，剩余的焦炭骨架结构紧密，运动的气流不能使骨架解体悬浮，骨架炭保持层状燃烧，形成层状燃烧核心。这时炭燃烧所需的氧与静态渗透扩散的氧相当，燃烧稳定、完全，减小了能量及热损失。
4．生物质颗粒燃料的应用前景及障碍分析
(1)应用领域分析
农村经济的迅速发展使农民的生活水平大幅度提高，一个显著的特征就是农村对优质能源和商品能源的需求剧增。1980年，我国农村地区能源消费总量为3.3亿吨标煤，2002年达到7.9亿吨，其中生产用能由0.67亿吨增加到3.3亿吨。在农村能源消费中，商品能源由1980年的30.2%增加到2002年63. 3%，2002年，农村生产用能中的93%是商品能源，生活用能中42%是商品能源。按照这样的增长速度，2010年我国农村生活用能中商品能源要达到6亿吨标准煤。由此可见，农村对优质能源的需求巨大，采用致密成型技术将秸秆等加工成优质燃料供应给农民，可以大幅度减少农村对其他商品能源的依赖。
我国每年排放的二氧化硫达2 500万吨且逐年增加，因燃煤二氧化硫排放量占二氧化硫排放总量的90%以上。大型燃煤锅炉的除尘率和脱硫率可以达到90%，但中小型锅炉的除尘率和脱硫率只有so%，因此，控制并逐步取缔小型燃煤锅炉成为解决二氧化硫污染的重要步骤。在中小型燃煤锅炉逐渐不能使用而燃油、气在经济上又无法承受的情况下，那些热、汽用户燃用生物质颗粒燃料是相对经济的选择。
(2)发展障碍
①资金及价格障碍。以成型燃料作为农村的生活用能，必须考虑农民的经济承受能力，包括消费能
力、成型燃料的成本价格、销售市场等。在目前的条件下，如果得不到政府的财政补贴，在农村发展成
型燃料存在建设资金和成型燃料的价格障碍。
●生产线建设投资较大：如果单纯考虑农民自己消费，小型设备生产能力完全可以满足一村使用，但这样的设备包括厂房等投资也要20万～30万元。这个投资水平对于一个只有300—400户的农村来说是很大的。
●投资渠道单一：成型燃料属于可再生能源项目，理应受到国家的支持和补贴。但从长远发展角度，需要多种融资渠道来发展这个产业。
●各种政策补贴不落实：《可再生能源法》颁布1年多了，但是对于已经形成产业规模的项目的补贴政策都不能落实，农村地处偏远，更无人问津。
●农民的适应过程：对于我国尤其是农村成型燃料还是新生事物，农民已经适应丁燃烧免费的秸秆，突然对高出秸秆价格2～3倍的成型燃料不能接受。另外，一些经济条件稍好的地方燃煤取暖，因为成型燃料的热值比煤要低，而价格稍高于煤炭，即便是他们对优势燃料有需求，也不会选择成型燃料。这就要求各级政府从环境效益和社会效益的角度出发，对使用成型燃料的农民给予合理的补贴。
②管理障碍
●管理体制不健全，责任目标不明确。国家发改委和农业部都即将分别颁布《可再生能源发展中长期规划》和《农业生物质能产业发展规划》，其中对成型燃料的发展目标做出了安排。但是如何实施、阶段性目标、任务分解、责任单位等很不明确，这就给执行这个规划带来一系列的问题。
●缺乏相应的质量标准：生物质颗粒燃料已经呈现蓬勃兴起的态势，各种设备、燃料产品鱼龙混杂，亟须政府有关部门制定相应的质量标准，规范设备、燃料产品市场。
③政策障碍。政策障碍主要指经济激励政策和强制性环境政策障碍。
●目前，我国还没有针对生物质能开发利用的完善的经济激励政策，更没有专门针对生物质成型燃
料的经济激励政策。
●我国农村，还没有燃烧化石燃料的污染物排放标准，相关法律、法规对此几乎没有任何的约束力。
