（热能工程专业论文）基于生物质成型机理的设备优化和成型燃料燃烧特性的研究.pdf

学位论文版权使用授权书 驯蝌y 19 10 4 8 0 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致，允许 论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论 文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将本 论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。论文的公布 ( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密 学位论文作者签名：玄1 、 弘1 年占月f 日 指导教师签名少 o b n 6r | | 黾 基于生物质成型机理的设备优化 和成型燃料燃烧特性的研究 e q u i p m e n to p t i m i z a t i o nb a s e do nb i o m a s sm o l d i n gm e c h a n i s m a n ds t u d i e so nm o l d i n gp a r t i c l ec o m b u s t i o nc h a r a c t e “s t i c s 2 0 1 1 年5 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 生物质致密成型技术是秸秆大规模能源化利用的核心技术之一， 国家重点推广开发的项目，致密技术利用秸秆成型设备对农作物秸秆 等生物质能源进行深加工，加工成成型燃料，从而替代了液化气、煤 气等燃料，是国家为保护生态环境、充分利用农作物秸秆资源和实施 可持续发展战略所采取的一项重大举措。 本文立足于农村极其丰富的秸秆资源和农村的实际状况，目的是 为了实现秸秆设备的商业化推广，提高成型设备的成型速度、降低吨 料耗电和提高设备的稳定性。生物质成型装置是生物质能源化利用技 术的关键设备。本文从生物质原料成型速度、吨料耗电和稳定性为研 究的出发点；选取环模长径比、原料粒度和原料含水率为研究参数。 根据实验数据利用统计分析的方法，得到水稻秸秆的最佳环模长径比 是6 ：1 ，而芦蒿秸秆的最佳环模长径比是5 5 ：l ；水稻秸秆的最佳含水 率是1 8 ，芦蒿秸秆的最佳含水率是1 6 。使得生物质燃料的成型速度 最大、吨料耗电最小；成型燃料直径越大，成型速度越容易提高。 同时，基于对以上实验数据的分析，对成型设备进行结构优化， 从而提高生物质成型设备工作的稳定性。主要是对压辊和环模表面进 行渗碳2 姗，从而增加这两个易损件的耐磨性；以及在成型室外的结构 上开孔，使受热形成的水蒸气能及时的排出，不影响后续的原料成型。 通过实验验证，易损件的工作寿命由改进前的1 0 0 0 吨增加到了现在 5 0 0 0 吨；原料含水率的上限由原料的2 4 增加到了3 8 以上。 最后对成型燃料的燃烧特性进行了分析，主要分析了成型燃料的 燃烧优点以及原料含水率和灰分对燃烧性能的影响。通过分析对比不 同含水率时的热值变化，得出了含水率与热值之间的具体关系；以及 基于生物质成型机理的设备优化和成型燃料燃烧特性的研究 对灰分聚团的分析，得出了灰分对燃烧的影响规律。 关键词：生物质，原料粒度，原料含水率，成型速度，燃烧特性 h 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t m o l d i n gt e c l l i l o l o g yi s o n eo ft h ec o r et e c l l i l o l o 西e sf o r l a r g e - s c a l ea n de n e r g y b a s e du t i l i z a t i o no fs t r a wa sw e l la st h em a j o r p r q e c tp o p u l a r i z e da n dd e v e l o p e db yo u r g o v e m m e n t t h i st e c l l l l o l o g yc a r r i e sd e e pp r o c e s so ns t r a ww i t hm o l d i n ge q u i p m e n tt 0 p r o d u c em o l d i n gf u e lw h i c ht a k e sp l a c eo fl i q u e f i e dg a s ，c o a lg a sa n d0 t h e rf u e l i ti sa m o m e n t o u sm e a s u r e m e n tt a k e n b y o u r g o v e m m e n tt 0p r o t e c tt h ee c o l o 西c a l e n v i m 姗e n t ，m a k et h eb e s to fc r o ps t r a w 锄dc a r r ys u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ts t r a t e g y i n t oe x e c u t i o n w eb a s e do nt h e e x t r e m e l ya b u n d a n ts t r a wr e s o u r c ea n da c t u a ls t a t ei no u f c o u n t r y s i d e ，a 妇i n gt or e a l 讫ec o m m e r c i a lp o p u l a 血a t i o no fs t r a wm o l d i n ge q u i p m e n t ， i n c r e a s et h em o l d i n gs p e e da n ds t a b i l i t yo fm o l d i n ge q u i p m e n ta n dd e c r e a s et h ee n e r g y c 0 n s u m p t i o nd u r i n gm o l d i n gp r o c e s s b i o m a s sm o l d i n ge q u i p m e n ti sl h ee s s e n t i a l e q u i p m e n td u r i n gb i o m a s se n e r g yb a s e du t i l i z a t i o n t h e r e f o r e ，w ec h o s em o l d i n gs p e e d ， e n e 唱yc o n s u m p t i o na i l ds t a b i l i t yo fb i o m a s sr a wm a t e r i a lm o l d i n ga so u rr e s e a r c h i t e m s ，柚dl e n 酉h d i 锄e t e rr a t i oo fl o o pm o l d i n g ，伊a n u l a r i t ya n dw a t e rr a t i oo fr a w m a t e r i a lw e r cc h o s e 嬲t h ei n f l u e n c ef a c t o r s b a s e d0 nt h e e x p e r i i i l e n t a ld a t a ，w i t h s t a t i s t i c a l a n a l y s i sm e t h o d ，w eo b t a i n e dt h ep a r 锄e t e r sc o r r e s p o n d i n gt ot h em 觚i m a l m o l d i n gs p e e da r et h eo p t i m a lv a l e s t h er e s u l t ss h o wt h a ta tt h em a x i m a lm o l d i n g s p e e d ，t h eo p t i m a ll o o pm o l d i i 培l e n 舀h d i a m e t e rr a t i oo fp a d d yr i c es t r a wi s 6 ：1w h i l e t h a to fa n e m i s i as e l e n g e n s i si s5 5 ：1 ；t h eo p t i r i i a lw a t c rr a t i oo f p a d d yr i c es t r a wi s18 w h i l et h a to fa r t e m i s i as e l e n g e n s i si s1 6 a tw h i c hb i o m a s sf u e lm o l d i n gs p e e di st h e h i 曲e s t 如de n e r g yc o n s u m p t i o ni st h el o w e s t n eb i g g e rt h ed i 锄e t e ro fm o l d i n g p a r t i d e ，t h ee a s i e rt oi n c r e a s em o l d i n gs p e e d ， m e a n w h i l e b ya n a l y z i n gt h e a b o v e e x p e r i m e n t a l d a t aw e m a d es t m c t u r a l 0 p t i m 娩a t i o nf o rt h em o l d i n ge q u i p m e n tt 0i n c r e a s et h eo p e r a t i n gs t a b i l i t y0 ft h ei t c a r b u r i z i n g2 m mo nt h es u r f a c e0 fp r e s sr o l l 锄dl o o pm o l d i n gt oi n c r e a s et h e i r w e a r a b i l i t y ；d r i l l i n gh o l e so nt h es t r u c t u r eo u t s i d et h em o i d i n gc h a m b e rt ot i m e l yv e n t t h e v a p o rp r o d u c e dw h e nh e a t e d ， s o s u b s e q u e n tm o l d i n gp f o c e s sw 仙l dn o tb e i n f l u e n c e d i tw a sd e m o n s t r a t e dt h a tt h el i f eo fw e a r i n gp a n si m p r o v e df 硒m1 0 0 0t o nt 0 5 0 0 0t o n ，a n dt h el i m i t e dw a t e rr a t i oo fm a t c r i a l i n c r e a s e df r o m2 4 t o3 8 o rm o r e a tl a s t ，t h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fm o l d i n gp a n i c l ew a sa n a l y z e d w e u i m a i m y f b c u s e do nt h ea d v a n t a g eo fp a n i c l ef u e la n dt h ei n n u e n c eo fw a t e r r a t i oa sw e l l 硒a s hc o n t e n to nc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s b ya n a l y z i n g 锄dc o m p a r i n gt h eh e a t v a l u ea tv a r i o u sw a t e rr a t i 0 ，w eo b t a i n e dt h ec o r r e l a t i o n sb e 俩e e nh e a tv a l u ea i l dw a t e r r a t i o a f t e rt h e 觚a l y s i so fa s ha g 毋o m e r a t i o n ，w ef o u n dt h ee s s e n t i a lr e a s o nt h a ta s h c o n t e n ti n n u e n c e dt h ep a r t i c l ec o m b u s t i o n k 沁yw o r d s ：b i o m a s s ，m a t e r i a lg r a n u l a r i t y ，m a t e r i a lw a t e rr a t i o ，m o l d i n g s p e e d ， c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 生物质能的概况1 1 2 开发生物质能的利用现状和重要意义2 1 2 1国外生物质能的利用现状2 1 2 2 国内生物质能的利用现状4 1 2 3 开发生物质能的重要意义1 0 1 2 4 生物质能发展i j 景。1 1 1 3 生物质致密成型技术的发展趋势1 2 1 3 1 生物质成型技术介绍1 2 1 3 2 生物质成型技术的研究现状和意义1 4 1 3 3 生物质成型技术存在的问题1 7 1 4 影响生物质成型速度的因素1 7 1 5 本文研究内容1 8 第二章生物质颗粒燃料成型的实验研究方法1 9 2 1 实验原料介绍。1 9 2 1 1生物质的组成结构1 9 2 1 1 实验用原料的介绍2 0 2 2 实验用成型设备2 1 2 3 实验研究参数2 3 2 3 1 实验参数的选择2 4 2 3 2 环模长径比2 5 2 3 3 原料粒度2 5 2 3 4 原料含水率。2 6 2 3 5 各参数的测量。2 6 2 4 小结2 7 第三章生物质颗粒燃料成型速度和吨料耗电的实验结果分析2 8 3 1 实验过程介绍。2 8 3 2 环模长径比对成型速度的影响2 9 3 2 1 实验设计2 9 3 2 2 环模长径比对成型速度的影响。2 9 3 2 3 讨论3 2 3 3 原料粒度对成型速度的影响。3 2 3 3 1 实验设计3 2 3 3 2 原料粒度对成型速度的影响3 3 3 3 3 讨 念3 6 3 4 含水率对成型速度的影响3 6 v 基于生物质成型机理的设备优化和成型燃料燃烧特性的研究 3 4 1 实验设计3 6 3 4 2 含水率对成型速度的影响3 7 3 4 3 讨j 沧3 9 3 5 原料粒度对吨料耗电的影响4 j d 3 5 1 实验设计4 0 3 5 2 原料粒度对吨料耗电的影响4 0 3 5 3 讨论4 2 3 6 含水率对吨料耗电的影响。4 3 3 6 1 实验设计4 3 3 6 2 含水率对吨料耗电的影响4 3 3 6 3 讨论4 4 3 7 小结4 4 第四章生物质成型设备的优化4 6 4 1 弓i + 言4 6 4 1 1 机器磨损严重4 6 4 1 2 含水率要求严格4 7 4 2 成型设备的改进。4 7 4 2 1 提高成型设备易损件的耐磨性4 7 4 2 2 提高成型时含水率允许的最大值4 8 4 2 3 改进后的成型过程4 9 4 3改进后的成型实验。5 0 4 4 ，j 、结一5 1 第五章生物质成型燃料燃烧特性的分析。5 2 5 1 燃料热值的测定。5 2 5 2 成型燃料的燃烧特性分析5 3 5 2 1 燃料的热重曲线分析5 3 5 2 2 燃烧实验及结果分析5 4 5 2 - 3 成型燃料与原生物质燃料相比的优势5 7 5 3 影响成型燃料燃烧热值的主要因素分析5 8 5 3 1 含水率对成型燃料燃烧热值的影响5 8 5 3 2 灰分对成型燃料燃烧热值的影响5 9 5 4d 、结。6 0 第六章总结与展望6 1 6 1总结。6 1 6 2 展望6 2 参考文献6 3 j l 受谢6 7 攻读硕士学位期间发表的论文和参加科研情况6 8 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 能源是现代人类生存和发展所依赖的重要资源。目前，国际石油价格的暴涨 和化石燃料日益减少，使人们把目光投向了清洁的、可再生的生物质能源【1 1 。生物 质能源是十分重要的可再生能源，也一直是人类赖以生存的重要能源，它是仅次 于煤炭、石油和天然气而居于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【2 1 。 随着中国经济的快速发展，能源的需求逐渐增加，石油对外依存已到达5 0 左右。而且在2 0 0 9 年1 2 月，中国政府在哥本哈根气候大会上自愿做出减排承诺： 到2 0 2 0 年，在2 0 0 5 年的基础上削减碳排放4 0 4 5 。所以发展包括生物质能在 内的可再生能源已成为我国当前刻不容缓的任务，利用可再生能源无疑是我国调 整能源结构，解决生态环境问题的国家战略。不仅有利于优化能源结构，缓解能 源紧张的局面；而且能够减少温室气体排放，有助于国家完成自愿减排的国际义 务【3 1 。 1 1 生物质能的概况 生物质是讨论能源时常用的一个术语，是指由光合作用而产生的各种有机体。 生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式，一种以生物质为 载体的能量，它直接或间接地来源于植物的光合作用，在各种可再生能源中，生 物质是独特的，它是贮存的太阳能，更是唯一一种可再生的碳源，可转化成常规 的固态、液态和气态燃料。据估计地球上每年植物光合作用固定的碳达2 x 1 0 1 1 t 【4 1 ， 含能量达3 x 1 0 2 1 j ，因此每年通过光合作用贮存在植物的枝、茎、叶中的太阳能， 相当于全世界每年耗能量的1 0 倍。生物能是第四大能源，生物质遍布世界各地， 其蕴藏量极大，形式繁多。 一般来说，它包括以下几个方面：( 1 ) 农作物秸秆和农业加工残余物：( 2 ) 林木 和林业加工剩余物：( 3 ) 人畜粪便、工业有机废物和水生植物：( 4 ) 城市生活污水和 垃圾。 基于生物质成型机理的设备优化和成型燃料燃烧特性的研究 1 2 开发生物质能的利用现状和重要意义 1 2 1国外生物质能的利用现状 生物质能是以生物质为载体的、蕴藏在生物质中的能量，即绿色植物通过叶绿 素将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内部的能量形式【5 1 。生物质能品种丰富， 发展潜力巨大。但在漫长的时间罩，总是以直接燃烧的方式利用生物质的热量。直 到2 0 世纪，特别是近一二十年，人们普遍提高了能源和环保意识，对地球固有的化 石燃料日趋减少有一种危机感，在可再生能源方面寻求能源持续供给的今天，生物 质利用新技术的研究与应用，才有了快速的发展。通过工业化利用途径，将富含油 脂、木质纤维及非食物类果实淀粉的生物质材料转化为多种形式的能源产品和生物 质产品，包括液体的生物柴油和燃料乙醇、固体成型燃料、气体燃料、直燃发电以 及生物塑料等1 6 】o 纵观国外已有的生物质能利用技术，大体上如图1 1 所示吲。 图1 1 国外生物质能利用技术分类 f i 9 1 1c l 勰s i f i c a t i o no fb i o m a 鼹e n e 唱yu t i l i z a t i o nt e c h n o l o 西a b m a d ( 1 ) 直接燃烧技术 直接燃烧大致可分炉灶燃烧、锅炉燃烧和垃圾焚烧三种情况。炉灶燃烧是最 原始的利用方法，一般适用于农村或山区分散独立的家庭用户，它的投资最省， 但效率最低，燃烧效率在1 5 2 0 左右。锅炉燃烧采用了现代化的锅炉技术，适 用于大规模利用生物质，它的优点是效率高，并且可实现工业化生产；主要缺点 是投资高。而且不适于分散的小规模利用，生物质必须相对集中才能采用本技术。 垃圾焚烧也是采用锅炉技术处理垃圾，但由于垃圾品位低，腐蚀性强，所以它要 求技术更高，投资更大，从能量利用角度，适合规模较大的场合。目前，从节能 2 江苏大学硕士学位论文 环保的角度出发，又推出了一种新的燃烧方式一成型料燃烧。成型料燃烧是把生 物质致密成型后再用传统的燃烧设备燃用，主要优点是所采用的热力设备是传统 的定型产品，不必经过特殊设计或处理；主要缺点是运行成本高，所以它比较适 合企业对原有设备进行技术改造时，在不重复投资的前提下，以生物质代替煤， 以达到节能的目的，或应用于对污染要求比较严格的场所，如浴室等。 ( 2 ) 物化转化技术 物化转换技术包括四方面，一是干馏技术，二是气化制生物质燃气，三是热 解制油，四是致密成型技术。干馏技术主要目的是生产生物质炭和燃气，它可以 把能量密度低的生物质转化为热值较高的炭或气，炭和燃气可分别用于不同用途。 优点是设备简单，可以生产炭和多种化工产品，缺点是利用率较低，而且适用性 较小，一般只适用于木质生物质的特殊利用。生物质热解气化是把生物质转化为 可燃气的技术，根据技术路线的不同，可以是低热值气，也可以是中热值气。它 的主要优点是生物质转化为可燃气后，利用效率较高，而且用途广泛，如可用作 生活煤气，也可用于烧锅炉或直接发电。主要缺点是系统复杂，而且由于生成的 燃气不便于储存和运输，必须有专门的用户或配套的利用设施。热解制油是通过 热化学方法把生物质转化为液体燃料的技术，它的主要优点是可以把生物质制成 油品燃料，作为石油产品替代品，用途和附加值大大提高，主要缺点是技术复杂， 目i j f 的成本依然太高。致密成型技术就是将低品位能源转化为高品位能源的一种 技术，比如将秸秆、木屑等生物质能源通过致密技术压缩成生物质燃料燃料，从 而可以提高燃料的利用效率的一种生物质能源化利用技术。 ( 3 ) 生化转化技术 生化转换技术主要是以厌氧消化和特种酶技术为主。沼气发酵是有机物质( 为 碳水化合物、脂肪、蛋白质等) 在一定温度、湿度、酸碱度和厌氧条件下，经过沼 气群菌发酵( 消化) 生成沼气、消化液和消化污泥( 沉渣) 。这个过程就叫做沼气发 酵或厌氧消化。它包括小型的农村沼气技术和大型的厌氧处理污水的工程。它的 主要优点是提供的能源形式为沼气( c h 4 ) ，非常洁净，具有显著的环保效益，主要 缺点是能源产出低，投资大，所以比较适宜以环保为目标的污水处理工程或以有 机易腐物为主的垃圾堆肥过程。利用生物技术( 包括酶技术) 把生物质转化为乙醇 的主要目的是制取液体燃料，它的主要优点是可以是生物质变为清洁燃料，拓宽 3 基于生物质成型机理的设备优化和成型燃料燃烧特性的研究 用途，提高效率；主要缺点是转换速度太慢，投资较大，成本相对较高。 ( 4 ) 植物油技术 能源植物油是一类储存在植物器官中，经过加工后，可以提取植物燃料油的 油性植物。它通过植物有机体内一系列的生理生化过程形成，以一定的结构形式 存在于优质或挥发性油类等物质中。能源油料植物是一类含有能源植物油成份的 物种或变种，是一类可再生能源。能源油料植物主要包括油脂植物和具有合成还 原形式烃的能力，接近石油成份，可以替代石油使用的植物。植物燃料油是通过 能源油料植物油的提取加工后，生产出的一种可以替代石油使用的植物。它的优 点是提炼和生产技术简单，主要缺点是油产率较低，速度很慢，而且品种的筛选 和培育也比较困难。 1 2 2 国内生物质能的利用现状 目前，国内生物质资源的合理回收加工，可归纳为“4 f ”路线：即f o d d e r ( 饲 料) ，f u e l ( 燃料) ，f e r t i l i z e r ( 肥料) ，f e e d ( 原料) ，研究人员称其为“四料 ， 大体上如图1 2 所示。 图1 2 国内生物质能利用分类 f i 9 1 2c l 勰s i 丘c a t i o no fb i o m a s se n e r g yu t i l j z a t i o nt e c h n o l o 舀e si i l l a n d 我国生物质能的利用主要依靠政府的政策引导，特别依赖政策的资金补助， 所以决定了我国生物质能的利用主要集中在经济发达的沿海省份。江苏作为全国 的经济强省，同时也是农业大省，对生物质能的综合开发利用更是走在了全国的 前面。作者在实践调研中更是对江苏省的生物质能源的综合利用进行了详细的实 地考察和了解，特别是农作物秸秆的综合利用。因此我们可以由江苏省的秸秆综 合利用水平，来看全国的生物质能源的利用现状。 江苏省秸秆资源的总体水平稳定持平。一方面，随着农业科技进步农作物产量 增加、农村居民能源消费结构改善等因素，全省农作物秸秆富余量增加；另一方面， 随着工业化与城市化进程的加快，农业结构调整和高效设施农业投入力度的加大， 4 江苏大学硕士学位论文 大田农作物种植面积有所减少，全省秸秆总量略减。综合考虑增减两方面的因素， 在今后一段时期内，全省农作物秸秆量变化幅度不大，将维持在3 8 0 0 4 2 0 0 万吨。 表1 12 0 0 3 2 0 0 8 年江苏省秸秆资源总量表 图1 32 0 0 3 2 0 1 5 年江苏省秸秆资源量变化趋势图 f i 9 1 3s t r a wq u a n t i t yv a r i a t i o nt r e n df r o m2 0 0 3t o2 0 1 5i nj i a n 擎up r 0 v i n c c 图1 4 江苏省各市秸秆资源量现状分布图 f i 9 1 4s t r a wq u a n t i t yd i s t r i b u t i o ni ne hc i t yo fj i a n g s up r o v i n c e 5 基于生物质成型机理的设备优化和成型燃料燃烧特性的研究 图1 5 江苏省各市主要农作物秸秆量现状图 f i 9 1 5s t r 删q u a n t i t yo fm a i nc r o pi ne a c hc i t yo fj i a n 铲up r o v i n c c 由于江苏省高度重视秸秆综合利用工作，从政策引导、宣传教育、执法监管 等方面采取了一系列的措施，坚持一手抓农作物秸秆综合利用，一手抓秸秆禁烧 执法，积极推广秸秆还田技术，加快发展秸秆沼气、秸秆气化集中供气、秸秆发 电等秸秆能源利用，积极推进多种形式的秸秆综合利用，取得了一定成效。2 0 0 8 年，全省秸秆综合利用量2 3 6 6 万吨，利用率达5 9 ，其中肥料化占2 3 ，能源化 占2 0 9 6 ，工业原料化占1 1 ，饲料化占5 。 ( 1 ) 秸秆肥料化利用 全省秸秆肥料化利用主要以秸秆直接还田为主，包括机械化直接还田、覆盖 还田、快速腐熟还田、稻麦双套还田、堆沤还田、加工有机肥等。2 0 0 8 年，全省 秸秆肥料化利用量9 2 0 万吨，约占秸秆资源总量的2 3 ，其中秸秆还田利用率 2 2 5 ，商品有机肥利用率0 5 。苏南、苏中、苏北肥料化利用率分别为3 1 1 、 2 2 o 、2 1 2 。 秸秆直接还田是秸秆肥料化利用最主要的途径，也是农作物秸秆最经济可行、 最易于推广操作的综合利用方式，有利于农业可持续发展。近年来，我省大力推 6 江苏大学硕士学位论文 广农作物秸秆机械化还田，启动了秸秆还田财政补贴试点工程，组织实施了一批 秸秆综合利用示范县、试点县和秸秆机械化还田示范乡镇，示范县秸秆综合利用 率达到8 5 以上，其中机械化还f f l 达到5 0 以上，全面实现秸秆禁烧；试点县秸秆 综合利用率达到6 5 以上，建设了一批秸秆机械化还田示范项目。苏南地区农业机 械化水平高，投入力度大，机械更新较快，机械化还田率较高，接近5 0 ；苏中、 苏北地区机械更新速度较慢，机械化还田率仅为2 0 。 在大力推广秸秆机械化直接还田的同时，近几年来快速腐熟还田、覆盖还田、 稻麦双套还田、堆沤还田等非机械化还田方式呈上升趋势，秸秆制作有机肥加快 发展，对改善土壤性质、提高肥力具有一定的效果。目前，全省有2 8 家有机肥定 点生产企业，生产商品有机肥约5 0 万吨。 ( 2 ) 秸秆能源化利用 能源化利用是秸秆综合利用的重要途径和方式。随着社会主义新农村建设步 伐的加快，特别是秸秆发电企业的加快建设，秸秆能源化利用在综合利用中的地 位和作用进一步突出。2 0 0 8 年，全省秸秆用于发电、沼气、气化、固化成型和炭 化以及农村生活燃料等能源化利用近8 0 0 万吨，占秸秆资源总量2 0 ，其中农村生 活燃料占1 5 ，发电、沼气、气化、固化成型和炭化等占5 。各种利用方式中， 全省秸秆直接用作生活燃料的比例在不断下降，苏南已降到3 以下，苏中、苏北 地区虽然也呈下降趋势，但仍占1 6 ；秸秆发电、沼气、气化的比例呈上升趋势； 秸秆固化和炭化在全省已步入实用阶段。 秸秆发电。秸秆发电有直燃发电、混燃发电和气化后发电三种发电方式，我 省以直燃方式最多。截至到2 0 0 8 年，全省已批2 7 家秸秆发电厂，已有8 家企业 并网发电，2 0 0 8 年实际利用秸秆量达1 3 6 万吨，其余1 9 家处于在建或待建。2 7 家电厂全部建成投入运营后，预计利用秸秆量可达5 0 0 万吨左右。 秸秆沼气。秸秆沼气起步早、发展快，至2 0 0 8 年全省累计建立户用沼气池5 0 9 万户，有1 万多户利用纯秸秆制沼气，利用量1 万吨左右。随着农村居民集中点 建设步伐的加快，沼气集中供气正在逐步推广，目前已在金坛等地开展试点工作。 秸秆气化。近年来全省推行秸秆气化集中供气试点工作，至2 0 0 8 年全省已建 气化站7 2 处，年利用秸秆量2 万吨左右，已建成的秸秆气化站主要分布在南京、 徐州、连云港等地区，占全省5 0 以上。 7 基于生物质成型机理的设备优化和成型燃料燃烧特性的研究 秸秆固化成型和炭化。秸秆通过固化成型和炭化，热值提高，取用方便，广 泛应用于家用取暖炉、供暖锅炉、工业锅炉及秸秆发电等方面。江宁、丹阳、泗 阳等地秸秆固化成型已经开始试生产：泰兴、溧水、溧阳等地秸秆炭化开始试点， 已生产出燃料块、蜂窝碳、碳粉、机制木炭等。 ( 3 ) 秸秆工业原料化利用 秸秆原料经工业化处理，应用于造纸、板材加工、编织、工艺品制作，全省 年利用量己达3 2 0 万吨，占资源总量8 。苏南、苏中、苏北工业原料化利用率分 别占4 8 、5 6 、9 2 。 秸秆加工板材、造纸、编织、工艺品制作发展较快，均已形成产业化规模。 尤其是苏北地区秸秆资源丰富，工业原料化利用规模较大，形成了一批重点龙头 企业。徐州新沂市、淮安楚州区、连云港灌云县建成以秸秆为原料的造纸厂，其 中新沂市江苏新大纸业有限公司年利用秸秆量达到2 0 万吨，通过了i s 0 9 0 0 0 和环 境质量1 4 0 0 0 论证。灌南大盛板业有限公司引进英国核心技术，用麦秸秆生产“均 质板”装潢材料，附加值高，新型环保，市场前景广阔。赣榆县墩尚镇农民家家 户户开展草帘编织，已形成年加工秸秆2 0 万吨，创收上千万元的专业镇，产品远 销山东、河北、东北等十几个省份。 秸秆新型建材、秸秆化工原料等新领域开始起步并加快发展，为秸秆深度利 用拓展了新的空间。在苏南地区，利用秸秆资源生产新型装饰材料、包装材料等 产品已经兴起。秸秆化工产品生产出现突破，世界最大酶发酵基地落户苏州太仓， 工业酶制剂生产商诺维信利用酶技术实现秸秆资源生产第二代燃料乙醇，2 0 1 0 年 将投入规模化生产。 以秸秆作为食用菌基料，其技术成本低，经济效益好，简单易行，应用范围 广，已形成规模化、产业化利用格局。秸秆育苗基料、花木基料、草坪基料等呈 加快发展趋势。2 0 0 8 年，全省秸秆食用菌基料利用秸秆量l l o 多万吨，约占秸秆 资源总量的3 。苏南、苏中、苏北基料化利用率分别为4 0 9 6 、1 8 、3 0 9 6 。高淳、 金坛、沭阳、丰县等县( 市) ，采用“龙头企业+ 基地 、“公司+ 农户一等产业 化模式，带动了基料化产业的快速发展。 ( 4 ) 秸秆饲料化利用 秸秆饲料处理技术主要有氨化、青贮和微贮等。秸秆微贮加工饲料制作简单、 8 江苏大学硕士学位论文 成本低、效益高、适口性较好。秸秆压块饲料易消化、采食率高、附加值高、便 于长期保存、饲喂方便，是饲料化利用发展的趋势和方向。目前，我省秸秆饲料 利用发展势头良好，典型地区、典型企业的示范作用明显。灌南、赣榆等地大力 推广秸秆氨化养畜技术；维维集团每年花费近千万元购买玉米秸秆进行青贮；泰 兴市利用秸秆调制技术有效解决了山羊冬季饲草问题；东台市用青贮、微贮和氨 化池处理秸秆量约占全市秸秆资源总量的1 2 。 2 0 0 8 年，全省饲料化利用秸秆量超过2 0 0 万吨，约占秸秆资源总量的5 。苏 南、苏中、苏北饲料化利用率分别为5 5 、4 7 、5 2 。苏北和苏南地区的利用 率高于苏中地区，部分县( 市) 秸秆饲料化利用发展较快，灌南县、赣榆县、泰 兴市等县( 市) 饲料化利用秸秆量约占本地秸秆资源总量的1 2 以上。秸秆饲料化 成为发展节粮型畜牧业的重要途径。 图1 6 江苏省秸秆综合利用现状图( 2 0 0 8 年) 1 8 j f i 9 1 6c o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o n0 fs t r a wi nj i a n g s up r o v i n c ei n2 0 0 8 从生物质能源的四种利用技术的现状中，可以看出虽然肥料化利用占了较大 的比重，但是秸秆还田在多年的实践中已经发现对土壤结构有很强的破坏力，影 响来年庄稼的产量。所以能源化利用将是生物质综合利用的主要途径，而能源化 的利用主要集中在生物质发电，因此迫切的要求我们加快生物质成型技术来解决 燃料的运输问题。 9 基于生物质成型机理的设备优化和成型燃料燃烧特性的研究 1 2 3 开发生物质能的重要意义 随着生物能源开发利用速度的加快，生物质能源在维护国家能源安全、改善 生态环境中将会发挥愈来越重要作用。全球每年有2 0 0 0 亿吨光合成有机物，其能 量相当于全球每年消耗能量的1 0 倍，但是其利用率还不足每年消耗能量的7 【4 1 。 同时，发展生物质燃料可实现缓解石油供需矛盾和减排温室气体的双赢目的，因 此越来越受到能源消费大国的重视【9 】。据有关专家估计，生物质能极有可能成为未 来可持续能源系统的重要组成部分，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吨料耗电的4 0 以上【1 0 1 。 生物质能开发利用是当前国内外广泛关注的重大课题，既涉及农业和农村经 济发展，又关系到国家能源安全【1 1 1 。大力开发利用生物质能既是我国开拓新的能 源途径、缓解能源供需矛盾的战略措施，也是解决“三农 问题，保证社会经济 保持发展的重要任务，主要表现在以下三个方面： ( 1 ) 生物质能源开发利用的经济意义 我国是一个农业大国，农林生产中所产生的生物质种类多，产量巨大，较常 见的有：树枝、植物秸秆、锯末、甘蔗渣等。但生物质能在我国商业用能结构中所 占的比例极小，主要被作为一次能源在农村利用，浪费严重，所以充分合理开发 使用生物质能，对改善我国尤其是农村的能源利用，加大生物质能源的高品味利 用具有重要的经济意义【1 2 】；同时秸秆等废弃物被作为燃料商品收购，每年能为农 民增加收入1 0 0 0 元左右。 ( 2 ) 生物质能源开发利用的社会意义 生物质能源的开发利用在促进生物质燃料制造和燃烧炉具加工业发展的同 时，能在一定程度上增加就业率，刺激薪炭林和种植业的发展，解决农村的剩余 劳动力，促进社会的稳定；用高效燃烧锅炉或炉灶代替传统的锅炉或农村原始的 炉灶，将使生活方式和生活质量有一个飞跃【1 3 】。 ( 3 ) 生物质能源开发利用的环境意义 开发利用生物质能源有利于减少森林资源的消耗，同时是解决秸秆焚烧问题 的有效途径；并且生物质作为燃料燃烧后排出的气体对环境污染小，废料可回田 使用，能够改善生态环境，缓解可能出现的能源危机，实现能源可持续发展l 圳。 开发利用生物质能对我国农村更具特殊意义。中国8 0 人口生活在农村，秸秆 和薪柴等生物质能是农村的主要生活燃料。尽管煤炭等商品能源在农村的使用迅 l o 江苏大学硕士学位论文 速增加，但生物质能仍占有重要地位。因此，发展生物质能技术，为农村地区提 供生产和生活用能，对帮助农村地区脱贫致富，实现小康具有重要意义。 1 2 4 生物质能发展前景 目前，人类利用生物质能的主要障碍，在于生物质分布广泛但不集中，生物质 密度小，相对于矿物燃料来讲，含湿量高、热值小，生物质优化转型技术的不完善 及较高的成本。但生物质资源丰富的储量和日新月异的科学发展，仍向人们展示了 其诱人的发展前景。许多国家在加大力度推动优化转型技术的进步和商业化。 据美国科学家h a l l 等人估计，到下世纪中叶，全球可回收生物质产量约为3 1 0 亿焦，这一数字相当于目前全球商业用能总量的8 0 1 1 5 】。美国j o h n s s o n 等人在报 告中分析指出：在全球范围内将会贯彻一项措施来鼓励开发利用生物质能并采用 高效的优化转型技术。通过个地区电力需求，燃料供应和生物质所能提供能量分 析，他们得出一个结论：2 0 5 0 年生物质能源的供能量将是1 9 8 5 年的两倍，由生物 质优化转型而来的甲醇耗量可能会占所有液体燃料总量的5 0 ：甲烷和氢气可能 会分别占气体燃料总量的1 1 和2 0 ，生物质发电量将占全球总发电量的1 0 f 1 6 】。 表1 2 列出了一些国家在2 1 世纪中期生物质能的应用潜力【1 。7 1 。 表1 22 1 世纪中期生物质能所能提供的潜在能源( 单位：亿焦年) 基于生物质成型机理的设备优化和成型燃料燃烧特性的研究 我国作为农业大国，开发和利用生物质优质转换技术市场潜力很大，并已有一 定的科研和应用基础，可望在今后发展中赶上世界