我國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，所以煤煙型污染是中國(guó)大氣污染的主要特征。據(jù)報(bào)道，2006年中國(guó)的二氧化硫排量為2549億噸，比2000年增長(zhǎng)了27%，居世界第一位，其中78%來(lái)自于工業(yè)燃煤排放；二氧化碳的排量為50億噸，居世界第二，其中燃煤排放的二氧化碳量占62%。我國(guó)又是農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年都產(chǎn)生大量的生物質(zhì)能，生物質(zhì)能是一種豐富的可再生能源，世界各國(guó)都在研究如何更加有效的使用生物質(zhì)能。
生物質(zhì)型煤就是合理利用煤炭和生物質(zhì)能的有效途徑之一。國(guó)外對(duì)生物質(zhì)型煤進(jìn)行了比較多的研究，美國(guó)有研究表明，生物質(zhì)型煤對(duì)減少溫室氣體、氮氧化物、硫氧化物的排放有明顯的效果，能夠有效地減緩煤煙型污染狀況。并且有研究表明生物質(zhì)型煤有良好的燃燒特性。因此，發(fā)展生物質(zhì)型煤對(duì)中國(guó)的能源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展有重要意義。
1、生物質(zhì)型煤的組成結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
生物質(zhì)型煤是指破碎成一定粒度和干燥到一定程度的煤及可燃生物質(zhì)，按一定比例摻混，加入少量固硫劑，利用生物質(zhì)中的木質(zhì)素、纖維素、半纖維素等的粘結(jié)與助燃作用，經(jīng)高壓成型機(jī)壓制而成的型煤。
由表1可以看出生物質(zhì)有比較高的揮發(fā)分，使得生物質(zhì)燃料有較低的著火溫度，和煤相比生物質(zhì)含硫和含氮量均較低，因此燃燒后S02、NOx排放量比化石燃料要小得多，是可再生能源中理想的清潔燃料。所以生物質(zhì)型煤有比較優(yōu)越的污染特性，下圖所示為
秸稈顆粒機(jī)、
木屑顆粒機(jī)壓制的生物質(zhì)顆粒燃料。
2、生物質(zhì)型煤的污染特性
2.1有效降低SOx的排放
生物質(zhì)型煤有效降低SOx排放的原因：固硫添加劑的使用使釋放的硫氧化物大大減少；生物質(zhì)燃燒形成的微孔組織增大了固硫劑和硫氧化物的接觸時(shí)間，何方等人對(duì)生物質(zhì)峰窩煤燃燒后的灰渣進(jìn)行SEM分析顯示，生物質(zhì)復(fù)合蜂窩煤的灰渣比不含生物質(zhì)的蜂窩煤灰渣具有更發(fā)達(dá)的微觀孔隙結(jié)構(gòu)，這種優(yōu)良的微觀孔隙結(jié)構(gòu)能有效防止固硫劑孔隙堵塞、提高S02氣體與固硫劑的接觸時(shí)間和接觸幾率，從而有利于固硫反應(yīng)的進(jìn)行，提高蜂窩煤的固硫性能；低溫燃燒時(shí)，硫酸鈣生成反應(yīng)起主要作用，其分解很少；生物質(zhì)本身具有一定的木質(zhì)素和腐植酸，它們對(duì)二氧化硫有較強(qiáng)的吸附能力和具有巨大的比表面積，延緩二氧化硫的析出速度，增加反應(yīng)表面；生物質(zhì)型煤燃燒中形成的灰殼中含有堿金屬與堿土金屬的化合物，它們也能起到一定的固硫作用；還有就是由表1可以看出生物質(zhì)本身含硫量就低于煤，燃燒后生成的硫氧化物也就比較少。基于這些因素，燃用生物質(zhì)型煤可以有效降低硫氧化物的排量。
2.1.1固硫劑
目前使用最多的固硫劑為Ca0和Ca (HO)。，陸永琪等使用CaC03也得到了預(yù)期的固硫效果，固硫過(guò)程就是Ca0和硫氧化物生成固體硫酸鈣的過(guò)程。
2.1.2固硫率
生物質(zhì)型煤固硫效果的好壞可用固硫率來(lái)衡量，固硫率是指定質(zhì)量型煤有效燃燒后，其中灰中的
總硫量與原型煤中總硫量之比，計(jì)算公式為：
2.1.3固硫率的影響因素
大量的實(shí)驗(yàn)研究表明固硫率主要受燃燒溫度、Ca/S，通風(fēng)量、生物質(zhì)型煤的種類和固硫添加劑等的影響。
(1)燃燒溫度的影響
燃燒溫度對(duì)生物質(zhì)型煤固硫效果有一定影響，固硫率隨溫度升高而略有降低。因?yàn)樵谳^高的溫度下燃燒時(shí)，固硫產(chǎn)物CaS01有一部分能分解成Ca0和S02，燃燒溫度越高固硫產(chǎn)物的分解越多，固硫率也就越低。何方等人以含木屑的生物質(zhì)型煤為燃料通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出：在800℃下燃燒時(shí)，生物質(zhì)復(fù)合型煤的固硫率均在90%以上；當(dāng)溫度在900℃時(shí)，固硫產(chǎn)物硫酸鈣開(kāi)始分解，但分解速度相當(dāng)慢，生物質(zhì)復(fù)合型煤固硫率比800℃時(shí)稍低，但仍在85%以上；在溫度接近1000℃時(shí)，硫酸鈣有少量分解，固硫率降低，但降低很少；當(dāng)溫度超過(guò)1000℃時(shí)，硫酸鈣分解量增大，固硫率則隨之顯著降低。劉偉軍等人也得出當(dāng)溫度在850～950℃范圍內(nèi)控溫燃燒時(shí)，相對(duì)固硫率可以達(dá)到90%，超過(guò)1000℃時(shí)，生物質(zhì)型煤的固硫率就會(huì)降低。
(2)鈣硫比的影響
型煤燃燒過(guò)程中S02的釋放速度往往要大于固硫劑對(duì)S02的吸收的速度，反應(yīng)固體產(chǎn)物也會(huì)阻礙S02向固硫劑表面擴(kuò)散，所以要想得到較高的固硫率，應(yīng)該加入過(guò)量的固硫劑，但實(shí)驗(yàn)表明過(guò)高的Ca/S對(duì)提高固硫率效果不明顯，龔夢(mèng)錫認(rèn)為對(duì)高硫煤種，鈣硫比在0. 8-1.0可以減輕對(duì)煤質(zhì)的影響和降低固硫成本；黃海珍通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)Ca/S達(dá)到2時(shí)，固硫率達(dá)到最大值，再增大Ca/S，固硫率變化不明顯。金會(huì)心等通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了相同的結(jié)論，并得出在同- Ca/S下，Ca (OH)。的固硫效果最好，Ca0次之，CaC03的固硫效果最差。
(3)通風(fēng)量的影響
通風(fēng)量的多少對(duì)生物質(zhì)型煤固硫作用有顯著影響，過(guò)量空氣增多，S02的排放濃度提高，反之S02的排放濃度降低。這主要是因?yàn)槿剂现杏谐浞值臋C(jī)會(huì)與氧化合成S02。對(duì)于生物質(zhì)型煤，采用低氧燃燒是降低S02生成的有效方法。
(4)生物質(zhì)型煤種類的影響
生物質(zhì)本身就有一定的固硫作用，不同的生物質(zhì)型煤種類對(duì)固硫作用也有影響，研究表明不同的生物質(zhì)其固硫作用程度不同，鋸末高硫煤型煤平均相對(duì)固硫率為40%左右，稻殼高硫煤型煤平均相對(duì)固硫率為50%左右。這與生物質(zhì)原料的組成性質(zhì)有關(guān)，稻殼中的礦物元素要比木屑中的礦物元素豐富得多，相應(yīng)地能發(fā)生固硫反應(yīng)的堿金屬、堿土金屬就比較多，所以稻殼生物質(zhì)型煤的固硫率要高一些n“。總的來(lái)說(shuō)就是生物質(zhì)含量越高，固硫率也就越高。
(5)固硫添加劑的影響
近年來(lái)，人們就如何使用添加劑來(lái)提高固硫劑的固硫效果做了比較多的研究。已研究的添加劑主要有堿金屬化合物和過(guò)渡金屬氧化物，其主要原理為添加劑的加入降低了SO。和Ca0反應(yīng)的活化能，使得SOx和Ca0的反應(yīng)更容易進(jìn)行，同時(shí)還可以抑制固硫產(chǎn)物的再分解。何方n“等人使用鐵系固硫添加劑取得了明顯的效果。陸永琪等人在實(shí)驗(yàn)中對(duì)有Al。0。添加劑的生物質(zhì)固硫型煤的灰渣的XPS和XRD分析表明，所固定的硫仍以硫酸鈣的價(jià)鍵形態(tài)存在，但形成了CaS01、Ca0和Al203的復(fù)鹽，其分子式為CaS04.3Ca0·3Al203。由于復(fù)鹽的熱穩(wěn)定性高，并有覆蓋或包裹CaS04晶體表面的作用，從而抑制了CaS04的分解，測(cè)得固硫產(chǎn)物的高溫分解率下降了約89%;添加Fe203和Mrl02沒(méi)有固硫增強(qiáng)作用，而同時(shí)添加Fe203和Mn02對(duì)固硫有負(fù)影響。何建等通過(guò)對(duì)生物質(zhì)型煤加入以鐵系化合物、固體粉末強(qiáng)氧化劑和氯化鈉為脫硫添加劑的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)固硫率達(dá)到了95%左右，幾乎完全把煤中的硫固定在爐渣中。強(qiáng)氧化劑能將燃煤中的金屬礦物質(zhì)催化分解，與二氧化硫和氧氣生成硫酸鹽固體物質(zhì)，提高固硫效果。鐵系化合物對(duì)固硫反應(yīng)有較高的催化作用。周俊虎等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出一定范圍內(nèi)催化固硫效果隨添加劑含量增加而提高，但添加劑含量大到一定程度后，效果增加減緩。添加劑的效果還隨溫度變化而變化，在900℃～1100℃這段溫度內(nèi)，一般來(lái)說(shuō)，溫度越高，則效果有所降低，并且比較了K2C03、NaCl、Na2C03的固硫效果，其固硫效果好壞的順序?yàn)椋篕2C03>NaCl>Na2C03。
2.2比較低的氮氧化物排放量
現(xiàn)代的研究認(rèn)為氮氧化物有三種不同的生成機(jī)理：燃料型氮氧化物、快速型氮氧化物、熱力型氮氧化物。生物質(zhì)型煤中由于加入了高揮發(fā)分的生物質(zhì)，由表1可以看出生物質(zhì)本身的含氮量就低于煤，所以生物質(zhì)型煤燃燒生成的燃料型氮氧化物比較少；由于生物質(zhì)的加入使得生物質(zhì)型煤有較低的燃燒溫度，實(shí)驗(yàn)得出生物質(zhì)型煤的燃燒溫度一般都低于1000℃，屬于低溫燃燒，這樣生物質(zhì)型煤就不具備生成熱力型氮氧化物的條件，因?yàn)闊崃π偷趸飪H在溫度達(dá)到1540℃才很顯著；而快速型氮氧化物的總量一般只占氮氧化物總量的5%，不予考慮。劉偉軍等人配制了以鋸末和稻殼為原料的生物質(zhì)型煤，通過(guò)燃燒實(shí)驗(yàn)測(cè)得平均換算氮氧化物為42.2mg/m3，這要比煤燃燒時(shí)產(chǎn)生的氮氧化物少很多。總之，生物質(zhì)型煤燃燒時(shí)，溫度低，揮發(fā)分析出是隨過(guò)程漸變的，而且型煤中始終處于低氧或缺氧狀態(tài)燃燒，因此，氮氧化物生成會(huì)大幅度降低。
2.3降低C02的排放
生物質(zhì)的燃燒不影響自然界碳的自然循環(huán)，因?yàn)槠滢D(zhuǎn)化過(guò)程中排出的C02被新的植物生長(zhǎng)過(guò)程吸收，碳被循環(huán)利用。即使不燃燒利用、不燒荒，生物質(zhì)也會(huì)在自然消化過(guò)程中放出CO。，而由植物周期性的生長(zhǎng)和衰亡維持自然界的平衡。生物質(zhì)代替原煤，生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的C02可視為零。所以生物質(zhì)型煤中由于使用了生物質(zhì)代替煤，將會(huì)降低C02的排放。國(guó)內(nèi)工業(yè)型煤初步應(yīng)用的實(shí)踐己表明，型煤燃燒的節(jié)煤率可達(dá)10%-12%。加入生物質(zhì)后由于燃燒性能的改善，節(jié)煤效果會(huì)更好。若按20%的生物質(zhì)加入量和10%的節(jié)煤率作估算，原煤和生物質(zhì)的熱值分別取17393和10470kj/kg，則可消減C02為(10470×20%+17693×10%) /17693=21. 8%，可見(jiàn)生物質(zhì)型煤有比較低的CO2排放。
3、結(jié)語(yǔ)
生物質(zhì)型煤對(duì)合理利用生物質(zhì)能和煤炭資源，減少環(huán)境污染具有重要意義。生物質(zhì)型煤的污染特性對(duì)其推廣應(yīng)用具有重要作用。總結(jié)分析生物質(zhì)型煤的污染特性及其影響因素可以發(fā)現(xiàn)，影響生物質(zhì)型煤污染特性的因素多而復(fù)雜，但主要?dú)w結(jié)于生物質(zhì)燃料自身的優(yōu)點(diǎn)和固硫劑的使用，使得生物質(zhì)型煤具有較低的硫氧化物、氮氧化物和二氧化碳排放量，對(duì)緩解我國(guó)嚴(yán)重的污染狀況有重要作用，是一種值得大力推廣的燃料。
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