關鍵詞：生物質能；生物質顆粒燃料；固硫特性1、引言
我國的能源結構特點是以煤炭占主導地位，原煤占能源總儲備的87.40%。我國目前能源消費構成中，煤炭占75%以上，預計到2020年，煤炭仍將占到我國能源消費構成的60%以上。煤炭燃燒產生的大量煙塵、S02：等對大氣環境造成嚴重污染。據統計，2003年排放到大氣中的煙塵和S02總量的73%和89%直接來源于燃煤，且由于我國工業鍋爐以原煤散燒為主，不僅熱效率低、能源浪費大，僅我國現在使用的50多萬臺中小型鍋爐，年消耗煤就達3億多t，每年排放的S02和煙塵分別達600萬t和800萬t，
我們既不能“因噎廢食”而不用煤炭，又不能“飲鴆止渴”任其污染泛濫。唯一可供選擇的途徑是采用先進技術，提高煤炭利用效率，減輕環境污染，使煤炭變成清潔的能源。所謂潔凈煤技術是指在煤炭開發和利用過程中減少污染和提高效率的煤炭加工、燃燒、轉化和污染控制等新技術的總稱。工業型煤比燒原煤減少煙塵排放量約60%，型煤添加固硫劑后，S02排放量減少40%以上，并能節煤15%～27%。因此工業型煤是一種清潔、高效的新型燃料，發展工業型煤是有效利用煤炭資源，減少燃煤污染的重要途徑。
根據現有的研究，減少環境的污染的另一有效途徑就是大力開發生物質能。理論上，生物質能是以生物質為載體的能量，生物質通過光合作用貯存化學能，因此，利用生物質能的排碳量不會超出其生長期間所吸收的碳量，不會破壞碳在自然循環的平衡。每年所固定的太陽能即生物質能可達世界現狀總能耗的十多倍。目前作為能源利用的生物質僅為總生物量的1%，所生產的能量己占世界總能耗的14%。我國是農業大國，生物質能資源豐富，預計在2000年到2010年期間，我國每年秸稈資源的可獲得量為3.5億～3.7億t，相當于1.7億tce，我國生物質能資源潛力折合7億tce左右，而目前年綜合實際使用量為2.2億tce左右。然而生物質能在我國商業用能結構所占的比例極小，其主要被作為一次能源在農村被利用，但大部分被直接作為燃料燃燒或廢棄，利用水平低，浪費嚴重，且污染環境。生物質顆粒燃料近年發展起來的新型的型煤種類，巧妙地將不可再生的化石能源和可再生能源結合起來，十分符合我國煤炭占優勢同時生物質資源豐富的國情，具有很強的現實意義。生物質顆粒燃料比一般型煤有更優的特性，根據對單個生物質工業型煤的實驗室測定可知：生物質工業型煤易著火，燃燒速度；不冒煙，可固硫；型煤燃燒充分，灰渣含碳量低且不結渣。
生物質顆粒燃料技術是一種新興的型煤技術，很多技術都沒有成熟，國內外關于其的專著論述比較少。然而它對于中國有很好的現實意義及經濟前景，我們有必要做更進一步的研究與探討。
2、生物質顆粒燃料發展現狀
日本在面臨石油危機的境況下最先開發了生物質顆粒燃料技術，將粉碎后的農作物秸稈、原煤與固硫劑混合后經高壓成型機壓制而成，其中生物質占15%～30%，固硫率可達80%，燃燒效率高達gg%；日本于1985年即在北海道建成了一座年產6000t生物質顆粒燃料的工廠，日本還試驗生產了生物質顆粒燃料的小型燃燒裝置和專用燃燒設備。
美國用水解纖維素物質作粘結劑，把粘結劑和高硫煤、木材碎片及鋸末、石灰混和，生產型煤，粘結劑用量為混和物重量的2%～8%；英國用纖維素酶降解纖維素得到含糖5%-20%的液體，加熱穩定，與含碳物質混合干燥，形成固體燃料。德國、土耳其等國研究用糖漿作粘結劑，同時摻鋸末和造紙廠廢紙生產型煤。俄羅斯、烏克蘭、匈牙利等國用生物質水解產物作為粘結劑生產型煤。瑞典等國還用脫水泥炭和磨細的生物質混合、擠壓、切割成型生產型煤。
國內唯一的一間生物質顆粒燃料生產廠，設在山東臨沂礦務局湯莊煤礦內[3]。由日本國新能源開發機構(NEDO)的綠色援助計劃(GAN)資助。該廠的設計年產量為3萬t（St/h，每年以250天計，24h運轉），實際為年產量1萬t，生產的型煤呈枕頭型，40mm×40mm×25mm，含生物質10～30%。型煤的崩潰強度大于392N，熱值為12.12-18.48MJ/kg，脫硫率大于50%。煤末經粉碎至3mm，經干燥，使其水分為1%左右；生物質經切碎至2-3mm，干燥后水分約10%；消石灰脫硫劑粉顆粒小于0.1mm，水分小于3%，以玉米秸、煙煤（肥煤）、消石灰為原料，按一定比例混合，再經高壓壓制而成。安裝初始時有許多問題未能解決，在鍋爐試燒中還存在燒不透的問題，鍋爐型煤生產線不能正常生產運行。
近年來，國內的大學、研究所在生物質顆粒燃料的成型、燃燒和脫硫等各方面的做了很多研究和試驗，取得了不錯的成績，有的還達到了國際先進水平。
比較重要的有，哈爾濱理工大學的劉偉軍等人在機械部科學技術發展司基金（VI-017）的資助下對生物質顆粒燃料點火性能、燃燒機理、燃燒速度、燃燒污染特性和固硫規律等進行的理論分析和試驗研究。他們提出無煙煤、高硫煤加生物質木屑、稻殼等1的無粘結劑型煤的成型技術與優化配方，得出了生物質顆粒燃料的燃燒特性規律；并進行了生物質顆粒燃料污染特性研究，提出了有效的固硫、脫硝的方法；根據型煤的燃燒特性提出2～4噸/時工業鍋爐的設計方案。達到的技術指標： (1)型煤壓碎力達300公斤(2)生物質顆粒燃料燃盡率達到94～970/；(3)燃燒粉塵排放濃度小于100mg/Nm3，達到了環保一級標準；(4)固硫率達到75～80%，排放NOX濃度小于100mg /Nm3; (5)創造性提出“多級立體配風”的型煤配風新概念。清華大學在國家九五科技攻關專題“生物質顆粒燃料及燃煤催化劑脫硫技術與裝備研究”中，在大量試驗基礎上成功地開發了國際首創的生物質顆粒燃料成型技術，使生物質高壓成型技術獲得突破性進展。此成型技術屬生產率最大的工業對輥成型范疇，成型后的型煤不用烘干固結即有上千至數干N/個的抗壓強度。新型輪的工業成型條件要求很寬，經通用粉煤機粉碎和風干的末煤，以及經國產飼料粉碎機（2～4mm篩孔）粉碎的風干秸稈（包括玉米秸、稻草和雜草等），按15～100%的生物質配比混合后均可成型；且生物質配比越高，型煤強度越好，成型功耗越低，用于全生物質成型的效果更好。與日本同類技術相比，型煤(生物質配比15～25%)成型壓力降至120MPa;成型電流由56～581的空載電流上升至70～751（試驗配套電機75KW），按此成型電流計算的成型功耗<17kwh/t，此型煤成型功耗僅為生物質螺旋擠壓成型的1/6，全生物質成型功耗會更小。技術水平：(1)成型生產率2-5t/h; (2)生物質型塊抗壓強度>IOOON/個；(3) -次成型率>85%；(4)生物質碎料利用率>99%；(5)生物質許可含濕率<12%；(6)成型加工成本<20元/t。
3、生物質顆粒燃料的冷壓成型機理及生產工藝
生物質顆粒燃料可采用熱壓成型或冷壓成型，主要從冷壓成型的角度對生物質顆粒燃料的成型機理進行分析。生物質的主要成分是纖維素、半纖維和本質素，屬于高分子化合物，從有機化學結構和化學鍵合作用理論上講，這些生物質同煤之間存在一定的化學鍵合作用，具有一定的粘結性。并且，較長的生物質纖維在型煤的成型過程中可以形成一個網狀骨架，在一定的粒度范圍內，隨著纖維長度的增大，生物質之間的交聯作用增大，其成型作用力提高，型煤強度增大。另外，根據煤化學理論及近代化學鍵價理論，分子作用力和氫鍵作用是煤成型的主要作用力。制備型煤時．隨著成型壓力的增大，物料顆粒間距減小，分子間作用力和氫鍵作用增強，型煤的強度也隨之提高。一般地講，型煤的強度除了與化學鍵作用力大小有關外，更重要的是取決于型煤本身能否形成一個有序的層狀排列的網狀骨架結構。當添加一定范圍百分比的生物質時，這一網狀的骨架結構隨著成型壓力的增大而更加牢固。因此，生物質顆粒燃料冷壓成型過程只要保證足夠的壓力，在不加任何粘結劑的情況下也可以壓制出高強度的型煤。
生物質顆粒燃料生產的一般過程：首先把原煤和準備摻入的生物質分別進行烘干，將干燥后的原煤進行破碎，生物質則加以碾碎，磨成微細粉末。然后將兩者進行充分混合，此時可根據原煤和生物質的特性，視情況加入適量的粘結劑和固硫劑。最后將上述混合物一同送入成型機，在高壓下壓制成型。生物質顆粒燃料也可以在壓制成型的過程中摻入各種可燃的工業廢棄物（煤泥、泥炭、粉煤灰等1和城市生活垃圾。
這種工藝的特點是：
(1)原煤、木質纖維只進行低溫處理，其中留有一定的水分，不會發生象熱壓成型后產品烘干時存在著火的危險。(2)不受煤種的限制，各種劣質煤、貧煤都可以加工利用。
(3)經加工成型后的型煤與原煤比較，灰分含量降低，揮發分增加，熱值也有所增加。
4、生物質顆粒燃料的技術特點
生物質顆粒燃料主要是利用生物質如木屑、木片、稻草、買桿等作為型煤添加劑，其機理是利用其纖維素、半纖維素等成分在加熱或水解后具有的粘結作用。
根據生物質成型處理的不同方法，生物質顆粒燃料大體上可以分為三類：
(1)生物質制漿后的黑液如紙漿廢液作為成型粘結添加劑，但其防水性差，成焦組份少，容易使成型設備發生故障；
(2)生物質水解產物，如水解木質素、纖維素、半纖維素及碳氫化合物等作為成型粘結添加劑；
(3)生物質直接和煤粉混合，利用受熱或高壓壓制成型。
大型潔凈煤廠將煙煤（肥煤）粉碎至3mm，干燥使其水分降為1%左右；生物質（秸桿）切碎至2mm～3mm，干燥使其水分降為10%左右；消石灰固硫劑粉顆粒破碎至小于0.1mm，干燥使其水分小于3%，三種原料混合的重量比為77.28: 13.64: 9.08。成都中日合作的研究認為生物質顆粒燃料在成型之前，一定要控制混合成型的煤粉、生物質和生石灰的水分小于5%，以便通過成型主機固化成型。
4 1燃燒特性
生物質顆粒燃料燃燒特性既有著火容易、易燃盡的優越可取一面，也存在灰殼阻礙氣體擴散、降低燃燒速度的另一面。生物質顆粒燃料燃燒機理的實質是屬于靜態滲透式擴散燃燒。
燃燒過程從著火后開始：
第一步，型煤球表面可燃揮發物燃燒．進行可燃氣體和氧氣的放熱化學反應，形成橙黃色長焰；
第二步，除了型煤球表面部分可燃揮發物燃燒外，型煤球表層部分焦碳處于過渡燃燒區，形成橙紅色較長火焰；
第三步，型煤球表面仍有較少的揮發分燃燒，更主要的是燃燒向型煤球更深層滲透，焦碳的擴散燃燒占主導，燃燒產物C02. CO及其它氣體向外散，行進中CO不斷與02結合生成C02，球表層生成薄灰殼，外層包圍著淡藍色短火焰。此外，在此主燃階段，生物質首先燃盡并不斷深入地帶動其周圍焦碳更迅速燃燒，并在燃盡層里形成一定的微孔組織，使氣體的擴散和氧氣的溜透更容易；
第四步，型煤球燃燒進一步向球內深層發展，其主要進行焦碳燃燒（即C+02→CO），在球表面進行一氧化碳的氣體燃燒(即CO+O)→C02），形成比較厚的的灰殼，由于生物質的燃盡和熱膨脹，灰層中呈現微孔組織或空隙通道甚至裂縫，較少的短火焰包圍著型煤球；
第五步，燃燒灰殼不斷加厚，可燃物基本燃盡，在沒有強烈干擾的情況下，形成整體灰球，灰球表面幾乎看不出火焰，灰球會變成暗紅色，到此完成生物質顆粒燃料球的燃燒過程。
4.2抗壓強度
抗壓強度是生物質顆粒燃料各項機械性能指標中最直觀、最有代表性的指標，一般而言，隨著原煤可磨性系數(HGI)的不斷增大，型煤的抗壓強度逐步升高。含20%左右的生物質顆粒燃料和普通型煤的煤料粒徑與抗壓強度具有不同的關系。當煤料粒徑小于0.3mm時，生物質顆粒燃料的抗壓強度隨煤料粒徑變細普通型煤和生物質顆粒燃料的抗壓強度均下降，而生平物質型煤的變化較為平緩；生物質顆粒燃料的抗壓強度、均比普通型煤高出25kg/cm2以上。
在成型壓力與其他條件一定的情況下，煤料成型時的粒徑組成對生物質顆粒燃料抗壓強度有顯著的影響。粒徑小于0.2mm的成型原料含量越多，生物質顆粒燃料的抗壓強度越高，而粒徑在1mm～3mm之間的成型原料含量越多，生物質顆粒燃料的抗壓強度會逐漸降低。所以，國內外對煤成型粒徑一般均要求3mm以下。
4.3點火性能
生物質顆粒燃料比原煤可燃基揮發分有所提高，在點火的過程中，易燃的生物質率先點火放熱，使生物質顆粒燃料在短時間內升溫迅速達到著火點，使不易點火的原煤也隨之很快著火，而且隨著生物質的迅速燃燒，在型煤中生物質燃料原來占有的體積迅速收縮，型煤中空出了許多孔道及空隙，使一個實心的球體變成了一個“多孔形球體”，這樣就為氧氣的滲透擴散創造了條件．所以點火能深入到球面表層下一定深度，形成穩定的點火燃燒。在高壓成型的生物質顆粒燃料中，其組織結構決定了揮發分的析出及向型煤內部傳遞熱量比較緩慢，所以形成揮發分點火逐步進行，且點火所需的氧氣比原煤層狀燃燒點火時要少。從總體趨勢上分析，生物質顆粒燃料的點火溫度更趨向于生物質的點火特性，而且點火溫度變化范圍不大。隨著生物質加入量的增多，生物質顆粒燃料點火溫度呈降低的趨勢，且摻入生物質種類的不同，生物質顆粒燃料點火溫度降低的程度不同生物質顆粒燃料點火溫度與折算可燃基揮發分成反比，與折算可燃基灰分成正比。生物質顆粒燃料點火的延遲時間與燃料種類、燃料的性質（揮發分、灰分、水分等）、混料配比、主燃火焰溫度、配風形式及大小等有關。
4.4固硫特性
型煤燃燒固硫目的在于有效控制燃煤過程中的S02排放，固硫效果的好壞首先取決于所用的固硫劑與燃燒釋放的S02及時反應的能力。
44、固硫反應
型煤中鈣基固硫劑燃燒過程主要的固硫反應為：
11固硫劑的熱分解
CaC03=CaO+C02 (1)
Ca(OH)2=CaO+H20 (2)
21固硫合成反應
Ca(OH)2+S0'_CaS03+H20 (3)
CaO+S02=CaS03 (4)
31中間產物的氧化反應和歧化反應
2CaS03+02=2CaS04 (5)
4CaS03=CaS+3CaS04 (6)
41固硫產物的高溫分解反應
CaS03=CaO+S02 (7)
CaS04=CaO+S02+0 (8)
以上反應說明，鈣基固硫劑需經熱分解成Ca才能有效固硫，且其分解吸熱有助于控制燃燒溫度，高溫固硫性能會有一定改善。
4 4 2高效固硫原因分析
生物質顆粒燃料對固硫具有高效性。其主要原因為：
(1)生物質顆粒燃料的燃燒控制在850～950℃范圍內進行，屬于低溫燃燒，又由于高強度型煤球及燃燒中形成的微孔組織，使型煤球的熱傳導系數減小，加大型煤燃燒過程“表”、“里”的溫差，實現型煤球的“雙層低溫燃燒”。因此，反應向生成CaS04方向進行，而CaS04熱分解極少。
(2)固硫劑添加在混料過程中容易均勻分布在煤球中。
(3)生物質顆粒燃料的高強度組織特性，使燃燒產物停留在球內時間較長，而且逐漸向外擴散；另外，燃燒后呈現微孔組織，也就是增加了S02與固硫劑接觸的機會和時間。時間長、S02濃度高使鈣利用率增加。
(4)氧氣向球內擴散的有效濃度大大降低，自然限制了一部分S02的生成。
(5)生物質本身具有一定的木質素和腐植酸，它們對S02有較強的吸附能力和具有巨大的比表面積，延緩S02的析出速度，增加反應表面。
(6)生物質顆粒燃料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。
(7)生物質燃料占去一定比例的煤，而生物質熱解時無硫化物產生，使S02生成減少。
生物質顆粒燃料的燃燒過程表現為兩個階段：揮發分燃燒階段和煤焦燃燒階段，生物質顆粒燃料在燃燒初期時生成的S02較少，燃燒中后期生成的S07較多。提高型煤固硫率的關鍵是固硫劑的制備，要求固硫劑有盡可能大的比表面積，反應活性盡可能高，同時要求固硫劑能耐較高的溫度，并能使所生成的硫酸鹽在高溫下不易分解。
4 4 3 Ca/S比
大量實驗證實，固硫率隨Ca/S比增大而提高，Ca/S=1.5～2范圍內，固硫率趨于最大值；當Ca/S比大于2后，固硫率隨Ca/S增加的趨勢顯著變緩。在同- Ca/S下，Ca(OH)2的固硫效果最好，Ca0次之，CaC03的固硫效果最差。型煤含硫3%以下，固硫率與含硫量成正比，含硫量的繼續增加，固硫增加趨勢不斷減緩，而且在氧化鈣固硫劑的基礎上加入適當的添加劑可以改善固硫效果。
5、生物質顆粒燃料的經濟性評價
目前，對生物質顆粒燃料經濟評價尚有不確定性，因其受成型工藝和燃燒設備等的限制，尚缺乏經濟核算的工程基礎。本文僅是從固硫費用，C02排放的減少量和加工的經濟性等方面來進行分析，為以后的經濟形評價提供一定的參考。
5 1生物質顆粒燃料固硫的效益分析
生物質顆粒燃料固硫費用計算，離不開原料價格和固硫率參數，從型煤技術的開發宗旨出發，我們將生物質顆粒燃料在普通型煤基礎上增加的費用作為固硫費用，其計算公式為：
5.2生物質顆粒燃料減排∞的效益分析
生物質顆粒燃料減排C02量按熱工等效原則下減少礦物燃料燃燒排入大氣的凈增量計，包括生物質代煤和型煤節煤所產生的兩部分削減量。國內工業型煤初步應用的實踐已表明，型煤燃燒的節煤率可達10～12%。加入生物質后由于燃燒性能的改善，節煤效果會更好。按20%的生物質加入量和10%的節煤率作保守估算，原煤和生物質的熱值分別取5500和4500kj/kg，則可削減C02大于26%。
5.3生物質顆粒燃料加工的經濟性
利用生物質短纖維的粘連作用，可以顯著提高生物質顆粒燃料的強度，從而省去粘結劑的使用，提高型煤加工的經濟性。日本開發的生物質顆粒燃料無粘結劑成型工藝還省去了料煤的調和及型煤的烘干等環節，將此工藝技術裝備國產化，則可進一步提高生物質顆粒燃料加工的經濟性。
6、現今生物質顆粒燃料技術的不足
6.1干燥技術不過關
目前我國的工業型煤生產中，煤料的成型水分一般在8%-10%，若以褐煤為成型原料，則成型水分為1 8%-20%，而國內外的先進經驗和試驗均表明，當水分在2%-3%時，型煤的強度最高，并免去成型后再干燥的過程，大大簡化了生產工藝。這樣，就存在一個先加熱后成型的問題，以減少型煤的破損率，盡快實現工業大生產。但我國目前一般多是先成型后采用煙道氣干燥的方法，干燥速度慢，熱能利用率低，干燥不徹底，而在型煤的干燥及運輸過程中，破損率又高達25%以上。
6.2成型機壓力低，磨損快(9)
我國工業型煤生產中的機械設備，特別是成型壓力機一直存在較嚴重的問題，主要表現在成型壓力偏低，壓輥磨損快。國外先進技術中，成型機采用液壓傳動，成型壓力可達2-5t/cm2以上。且壓輥表面采用高壓耐磨材料，大大提高了成型機對輥的使用壽命。而我國型煤成型壓力一般僅為國外的1/5 -1/10，不僅造成工藝過程的返料率高，而且使得煤料成型時煤粒間的間隙大，密度偏低，不利于型煤強度和結構均一程度的提高；同時，成型機的壓輥表面未作特殊處理極易磨損。對此，我們尚需作更多的努力。
6.3粘結劑開發沒有突破
尋求適應性強的廉價粘結劑，是型煤發展中的關鍵問題。而我國工業型煤技術的開發研究，長期處于分散的低水平狀態，技術力量分散，工作缺乏連續性。因此，粘結劑的開發沒有取得突破性進展，與國外差距較大。
7、結語
(1)生物質顆粒燃料技術理論上在我國有廣闊的應用前景和市場價值。生物質顆粒燃料技術的開發與發展涉及許多學科門類，需要有煤燃燒、煤成型、生物質燃燒、生物質成型、優化配煤、機械設計等方面的知識。
(2)生物質顆粒燃料技術具有很好的環保和節能效果。目前國內眾多高等院校、科技院所進行了深入研究，在各方面都取得了很大進展，有力地推動了生物質顆粒燃料技術的發展應用，同時為工業化規模生產提供了基礎。
(3)生物質顆粒燃料技術今后的研究是著手開發低成本、高固硫率和防潮抗水型適用于工業鍋爐燃用的生物質顆粒燃料，同時可以通過應用人工智能、神經網絡等先進技術對多種煤配比及生物質配比的調整和配方的優化設計，將生物質顆粒燃料的灰分、水分、揮發分、發熱量、燃料比、粒徑大小、反應活性、焦渣特性、熱變形特性等調整到有利于燃燒的最佳值和大幅度降低生產成本，努力使之發展成國際上最先進的具有一流水平的高效清潔燃料，還可以設計生物質顆粒燃料專用燃燒設備。
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