生物質(zhì)成型燃料技術(shù)及應(yīng)用前景

劉國(guó)華

(哈爾濱呼蘭鍋爐制造有限公司，黑龍江哈爾濱150500)

　　摘要：分析了現(xiàn)國(guó)內(nèi)生物質(zhì)電廠集中存在的燃料問題，而生物質(zhì)成型燃料能夠解決秸稈運(yùn)輸、儲(chǔ)存、防火等問題，具有廣闊的發(fā)展前景。對(duì)比介紹了生物質(zhì)成型技術(shù)，分析生物質(zhì)成型燃料的燃料特性。結(jié)果表明，生物質(zhì)成型燃料可以改善燃燒特性，燃燼時(shí)間長(zhǎng)，有利于提高生物質(zhì)灰熔點(diǎn)。

　　0前言

　　能源是人類社會(huì)發(fā)展進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)，但煤、石油、天然氣等化石燃料日益枯竭，環(huán)境污染也日益嚴(yán)重。我國(guó)提出了節(jié)能減排、發(fā)展清潔可持續(xù)再生能源的口號(hào)，哥本哈根會(huì)議規(guī)定我國(guó)到2020年每單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的二氧化碳排放比2005年下降40%~45%。生物質(zhì)的利用在這方面有著巨大的優(yōu)勢(shì)，我國(guó)每年僅秸稈類生物質(zhì)(玉米秸稈、稻草、木屑、樹權(quán)、豆秸、棉稈等農(nóng)林廢棄物)產(chǎn)量就達(dá)7億，t可開發(fā)的生物質(zhì)能資源總量近期約為5億t標(biāo)準(zhǔn)煤，遠(yuǎn)期可達(dá)到10億t標(biāo)準(zhǔn)煤。

　　我國(guó)生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)，特別是生物質(zhì)直燃發(fā)電技術(shù)近幾年得到了較快的發(fā)展，但未經(jīng)加工的生物質(zhì)本身具有揮發(fā)分高，含水率高，氯、鉀等堿金屬含量高等特點(diǎn)，當(dāng)秸稈含水率超過40%時(shí)，直接利用生物質(zhì)作為燃料時(shí)，燃燒不穩(wěn)定，熱效率低。而我國(guó)生物質(zhì)原料(如農(nóng)林廢棄物)產(chǎn)量雖然巨大，但產(chǎn)地分散、能量密度低、隨季節(jié)變化性強(qiáng)，自然干燥失重大，儲(chǔ)存和運(yùn)輸過程中占用大量的空間、損耗大，由此給生物質(zhì)的高效清潔利用造成困難。生物質(zhì)直接發(fā)電產(chǎn)業(yè)是“小電廠、大燃料”，目前生物質(zhì)電廠基本都存在著燃料生產(chǎn)、收集、預(yù)處理、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、輸送上料過程中的各種問題。因此農(nóng)作物散裝秸稈只能作為生物質(zhì)能源化利用的初級(jí)燃料，難以滿足生物質(zhì)發(fā)電、供熱等工業(yè)化需求。而生物質(zhì)成型燃料技術(shù)為生物質(zhì)的運(yùn)輸、存儲(chǔ)及消防等難題提出了解決方向，具有廣闊的發(fā)展前景，也將帶來燃料能源的變革，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

　　1生物質(zhì)燃料成型技術(shù)

　　生物質(zhì)燃料成型技術(shù)是指在一定溫度與壓力條件下，將各類原本松散細(xì)碎的生物質(zhì)廢棄物壓制成具有形狀規(guī)則的棒狀、塊狀、顆粒狀成型燃料的高新技術(shù)，以解決生物質(zhì)運(yùn)輸、儲(chǔ)存、防火等問題。根據(jù)生物質(zhì)成型燃料制造工藝，可分為濕壓成型、熱壓成型和碳化成型3種主要形式，其成型機(jī)理為在外部加熱、加壓或常溫下原料顆粒先后經(jīng)歷位置重新排列、顆粒機(jī)械變形和塑性流變等階段形成致密團(tuán)聚物，如圖1所示。目前市場(chǎng)上生物質(zhì)成型機(jī)的種類大致分為3類：(1)螺旋擠壓式成型機(jī)；(2)活塞沖壓式成型機(jī)；(3)輥模碾壓式成型機(jī)。

　　1.1螺旋擠壓式成型技術(shù)

　　螺旋擠壓式成型機(jī)主要由擠出螺旋、擠出套筒、加熱圈等組成，如圖2所示。被粉碎的生物質(zhì)原料在擠出螺旋的作用下被推入擠出套筒，套筒周圍的加熱圈則將生物質(zhì)原料中的木質(zhì)素加熱到軟化狀態(tài)，生物質(zhì)原料在不斷的擠壓作用和軟化木質(zhì)素產(chǎn)生的膠粘作用下而成型。成型后的棒狀燃料被源源不斷地送出，燃料棒的長(zhǎng)度可根據(jù)需要而截?cái)唷?/p>

　　螺旋擠壓式成型技術(shù)具有生產(chǎn)連續(xù)性好、產(chǎn)品密度高、成品質(zhì)量好、熱值高、適合加工成碳化燃料的特點(diǎn)。但成型部件尤其是螺旋桿一直處于高溫高壓下工作，磨損嚴(yán)重，其壽命不足100h。同時(shí)，單位產(chǎn)品電耗高，所以價(jià)格較高，目前市場(chǎng)上售價(jià)550-800元/噸。因此，這種生物質(zhì)成型顆粒不適用于生物質(zhì)電廠使用。

　　1.2活塞沖壓式成型技術(shù)

　　活塞沖壓式成型機(jī)主要由活塞、加熱圈和成型喉管組成，如圖3中所示，按活塞的驅(qū)動(dòng)力可以分為2類：機(jī)械驅(qū)動(dòng)活塞式成型機(jī)和液壓驅(qū)動(dòng)活塞式成型機(jī)?；钊跈C(jī)械或液壓的驅(qū)動(dòng)下作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，已粉碎的生物質(zhì)原料中的木質(zhì)素在加熱圈的加熱作用下被軟化而產(chǎn)生膠粘作用，并在活塞的推動(dòng)下在喉管處被擠壓而成型。為防止不斷被壓縮的生物質(zhì)發(fā)生“堵死”現(xiàn)象，通過喉管已擠壓成型的部分?jǐn)D壓力被釋放，以便成型棒順利排出成型裝置。

　　活塞沖壓式成型技術(shù)允許物料水分較高，但油缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)間歇成型，生產(chǎn)率不高，而且產(chǎn)品質(zhì)量也不太穩(wěn)定，不適宜進(jìn)一步炭化。與螺旋擠壓式成型機(jī)相比，這類成型機(jī)明顯改善了成型部件磨損嚴(yán)重的問題，但成型模腔仍然容易磨損，由于存在較大的振動(dòng)負(fù)荷，所以機(jī)器運(yùn)行穩(wěn)定性差，噪音較大。但此種塊狀燃料成本較低，市場(chǎng)售價(jià)360~450元/t左右，適于生物質(zhì)電廠使用。

　　1.3輥模碾壓式成型技術(shù)

　　輥模碾壓式成型機(jī)根據(jù)壓模形狀的不同，可分為平模碾壓式成型機(jī)和環(huán)模碾壓式成型機(jī)。用輥模碾壓式成型的燃料一般不需要外部加熱，依靠物料掠奪成型時(shí)所產(chǎn)生的摩擦熱，即可使物料軟化和黏合。輥模碾壓式成型技術(shù)對(duì)物料的適應(yīng)性最好，原料的含水率要求較寬，在10%~40%均能成型。

　　生物質(zhì)燃料壓縮成型技術(shù)近年來取得了較大的發(fā)展，但仍然存在諸多問題，主要包括：

　　(1)磨損嚴(yán)重；

　　(2)單位產(chǎn)量電耗高(60~100kW/t)；

　　(3)產(chǎn)量低，單機(jī)每小時(shí)只能生產(chǎn)0.5~2t。

　　由于目前的秸稈擠壓成型機(jī)過去是用來生產(chǎn)牲畜飼料，其生產(chǎn)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足秸稈燃料的需求。因此，研發(fā)低磨損、高生產(chǎn)率、低電耗的秸稈成型機(jī)勢(shì)在必行。最有前途的燃料成型機(jī)可能是活塞沖壓機(jī)，因其磨損較輕，可以4~6個(gè)活塞缸同時(shí)工作，可望提高生產(chǎn)能力。

　　2生物質(zhì)成型燃料及其燃料特性

　　2.1生物質(zhì)成型燃料

　　生物質(zhì)原料擠壓成型后，可提高秸稈燃料儲(chǔ)存、運(yùn)輸能力，提高使用效率，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。而且燃燒特性的改善也十分明顯，在鍋爐中燃燒時(shí)黑煙少、火力持久、燃燒充分、排放的飛灰少、NOx和SOx都遠(yuǎn)比煤低。生物質(zhì)成型燃料將成為清潔環(huán)保、燃燒效率高，能部分替代煤炭等化石燃料的新型生物質(zhì)燃料。既可作為農(nóng)村居民的炊事和取暖燃料，又可作為發(fā)電、供熱等工業(yè)化燃料，將會(huì)成為民用和工業(yè)用的生物質(zhì)商品燃料，如表1所示。

　　與生物質(zhì)原料相比，生物質(zhì)成型燃料具有如下特點(diǎn)：

　　密度高，體積小。密度可達(dá)0.8~1.4t/m3，體積縮小6~8倍，便于儲(chǔ)存、運(yùn)輸，以降低建設(shè)投資，降低自用電率，節(jié)省人力。

　　含水率低、熱值高。一般可達(dá)3400kcal/kg以上，能源密度相當(dāng)于中質(zhì)褐煤，有利于提高燃燒效率、降低燃燒耗量、提高能源利用率。

　　形狀標(biāo)準(zhǔn)，粒度均勻。便于機(jī)械化輸送和燃燒時(shí)的自動(dòng)化控制，有利于鍋爐穩(wěn)定燃燒，降低自用電率，節(jié)省人力。

　　可通過添加劑提高灰熔點(diǎn)，減少腐蝕。添加劑能有效地改善鍋爐積灰和結(jié)渣技術(shù)難題，同時(shí)提高灰、渣利用的可行性。也能有效地減少燃燒時(shí)煙氣中氯的含量，降低氯對(duì)鍋爐的腐蝕性，延長(zhǎng)鍋爐使用壽命。

　　用途廣泛?？捎糜诔Ｒ?guī)層燃爐排工業(yè)鍋爐、水冷振動(dòng)爐排鍋爐、流化床鍋爐進(jìn)行直燃發(fā)電、供熱；也可與垃圾、煤混燒發(fā)電、供熱；還可作為生物質(zhì)氣化、液化利用的原料。

　　2.2燃燒特性

　　2.2.1生物質(zhì)原料燃燒特性

　　生物質(zhì)原料特別是秸稈類生物質(zhì)密度小、體積大，其揮發(fā)分高達(dá)60%~70%。同時(shí)，熱分解溫度較低，一般在350℃就釋放出80%左右的揮發(fā)分，因此著火溫度低，燃燒速度快，燃燒開始不久迅速由動(dòng)力區(qū)進(jìn)入擴(kuò)散區(qū)，揮發(fā)分在短時(shí)期內(nèi)迅速燃燒，并放出大量的熱量。在傳統(tǒng)燃燒設(shè)備中，高溫?zé)煔鈦聿患皞鳠峋陀蔁焽枧懦?，造成了大量的排煙熱損失。

　　另一方面，處于擴(kuò)散燃料區(qū)中的生物質(zhì)，揮發(fā)分劇烈燃燒所需要的氧量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外界擴(kuò)散所供應(yīng)的氧量，供氧量明顯不足，使揮發(fā)分不能充分燃盡，從而形成了大量CO、H2、CH4等產(chǎn)物，造成氣體不完全燃燒損失大。而當(dāng)揮發(fā)分釋放完畢，進(jìn)入焦炭燃燒階段后，由于生物質(zhì)焦炭的結(jié)構(gòu)為松散狀，氣流的擾動(dòng)就可使其解體懸浮起來，脫離燃燒層，迅速進(jìn)入爐膛的上方空間，經(jīng)過煙道由煙囪排出，形成大量的固體不完全燃燒熱損失。此時(shí)燃燒層剩下的焦炭量很少，不能形成燃燒中心，使得燃燒后勁不足。這時(shí)如不嚴(yán)格控制進(jìn)入空氣量，將使空氣大量過剩，不但降低爐溫，而且增加排煙熱損失。

　　2.2.2成型燃料燃燒特性

　　生物質(zhì)成型燃料是經(jīng)過高壓而形成的塊狀燃料，其密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于生物質(zhì)原料，其結(jié)構(gòu)與組織特征就決定了揮發(fā)分的逸出速度與傳熱速度都大大降低。點(diǎn)火溫度有所升高，點(diǎn)火性能變差，但仍比型煤的點(diǎn)火性能要好。

　　燃燒開始時(shí)揮發(fā)分緩慢分解，燃燒處于動(dòng)力區(qū)，隨著揮發(fā)分燃燒逐漸進(jìn)入過渡區(qū)與擴(kuò)散區(qū)，燃燒速度適中，能夠使揮發(fā)分放出的熱量及時(shí)傳遞給受熱面，使排煙熱損失降低。同時(shí)揮發(fā)分燃燒所需的氧氣量與外界擴(kuò)散過來的氧氣量相當(dāng)，無需加入過多的空氣就能使揮發(fā)分充分燃盡，使氣體不完全燃燒損失與排煙熱損失大大減少。揮發(fā)分燃燒后，剩余的焦炭結(jié)構(gòu)緊密，運(yùn)動(dòng)的氣流不能使焦炭解體懸浮，使焦炭能保持層狀燃燒。此時(shí)焦炭燃燒所需要的氧氣量與滲透擴(kuò)散的氧氣量相當(dāng)，燃燒穩(wěn)定持續(xù)，爐溫較高，從而減少了固體與排煙熱損失。

　　生物質(zhì)成型燃料燃燒速度均勻適中，燃燒所需的氧氣量與外界滲透擴(kuò)散的氧氣量能夠較好的匹配，燃燒波浪減小，燃燒相對(duì)穩(wěn)定。

　　3結(jié)論

　　生物質(zhì)成型燃料可提高生物質(zhì)原料的儲(chǔ)存、運(yùn)輸能力，提高使用效率，擴(kuò)大應(yīng)用范圍，可解決目前生物質(zhì)電廠普遍存在的秸稈運(yùn)輸、儲(chǔ)存、防火等問題。生物質(zhì)塊狀燃料成本較低，市場(chǎng)價(jià)格合理，適用于生物質(zhì)電廠發(fā)電。比生物質(zhì)原料，生物質(zhì)成型燃料有較好的燃燒特性，燃燒速度均勻適中，燃燒所需的氧氣量與外界滲透擴(kuò)散的氧氣量相當(dāng)，燃燒波浪減小，燃燒相對(duì)穩(wěn)定。