關(guān)鍵詞：生物質(zhì)顆粒燃料；生物質(zhì)；煤炭；潔凈煤技術(shù)
能源是支撐人類文明進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)，是現(xiàn)代社會發(fā)展不可或缺的基本條件。未來相當(dāng)長時期內(nèi)，化石能源在中國能源結(jié)構(gòu)中仍占主體地位，保護(hù)生態(tài)環(huán)境、應(yīng)對氣候變化的壓力日益增大，迫切需要能源綠色轉(zhuǎn)型。生物質(zhì)型煤( Bio - briquette)（生物質(zhì)型煤也稱為生物質(zhì)顆粒燃料）是生物質(zhì)能源利用的重要方式之一，也是潔凈煤技術(shù)中的煤炭加工方式之一。生物質(zhì)顆粒燃料是指在煤中按一定比例加入秸稈等可燃生物質(zhì)和添加劑后壓制成型的潔凈能源產(chǎn)品。它充分利用煤和生物質(zhì)自身的優(yōu)勢，具有節(jié)煤和生物質(zhì)代煤的雙重作用，可以把我國有限的煤資源，尤其是低質(zhì)煤高效化、潔凈化利用，農(nóng)林廢棄物資源化、能源化利用，是一種潔凈能源產(chǎn)品，可代替煤、燃油、燃?xì)�，減少C02和S02的排放量，是解決我國散煤鍋爐對大氣污染較為理想、經(jīng)濟(jì)的潔凈燃料之一，對保護(hù)環(huán)境和節(jié)約能源均具有重大意義。生物型煤與原煤相比，有成本低等優(yōu)點，既能節(jié)省能源，又能明顯減少大氣污染，具有儲存、運輸和使用方便等特點。大力發(fā)展以生物質(zhì)能為主的低碳生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)，部分替代和節(jié)約化石能源，有利于改善能源結(jié)構(gòu)，減少二氧化碳排放，緩解和應(yīng)對全球氣候變化。
1、生物質(zhì)顆粒燃料的資源優(yōu)勢
生物質(zhì)顆粒燃料主要的原料為生物質(zhì)（秸稈）和煤炭。農(nóng)作物秸稈是地球上最豐富的生物質(zhì)可再生資源。國家農(nóng)業(yè)部2010發(fā)布的《全國農(nóng)作物秸稈資源與評價報告》顯示，2009年全國農(nóng)作物秸稈理論資源量為8.20億t（風(fēng)干，含水量為15%）；考慮到收集過程中的損耗，估算2009年全國農(nóng)作物秸稈可收集資源量約為6. 87億t，占理論資源量的83.8%。其中秸稈除作為肥料、飼料、燃料、種植食用菌基料、造紙等工業(yè)原料外，廢棄及焚燒量約為2.15億t，占31. 31%。廢棄及焚燒的秸稈等于耕地、淡水、化肥和其他農(nóng)業(yè)投入品等資源的浪費，不利于農(nóng)業(yè)資源的節(jié)約和循環(huán)轉(zhuǎn)化利用。在秸稈的再生利用過程中，排放的C02與秸稈再生時吸收的C02達(dá)到碳平衡，具有C02零排放的作用，對緩解和最終解決溫室效應(yīng)問題具有潛在的貢獻(xiàn)價值，富通新能源生產(chǎn)銷售的秸稈顆粒機(jī)、木屑顆粒機(jī)專業(yè)壓制生物質(zhì)成型顆粒燃料，秸稈顆粒機(jī)壓制的顆粒燃料如下所示：
《BP世界能源統(tǒng)計年鑒2012》稱，能源消費仍然側(cè)重于化石燃料，2011年，煤炭消費增長5.4%，占全球能源消費的30.3%，再次成為增長最快的化石燃料，這對碳排放會產(chǎn)生可以預(yù)料的不利影響。其中，中國煤炭產(chǎn)量增長8.8%，貢獻(xiàn)了69%的全球煤炭產(chǎn)量增長。2011年，中國原煤產(chǎn)量35.2億t，是世界第一的煤炭生產(chǎn)和消費大國。中國煤炭資源儲量豐富，資源潛力巨大，低廉的使用成本使煤炭成為工業(yè)、民用的主要燃料。但是煤炭的大規(guī)模開發(fā)利用，造成大量耕地被占用和破壞，水資源污染嚴(yán)重，對生態(tài)影響環(huán)境嚴(yán)重。
生物質(zhì)顆粒燃料，需要根據(jù)生物質(zhì)和煤的原料特性（見表1），依據(jù)煤化學(xué)和燃燒學(xué)理論，通過成型工藝和化學(xué)工藝，改變生物質(zhì)、煤炭的化學(xué)特性和燃燒性能，以改變和大大減少煤煙型大氣污染和提高煤熱效率。表1 生物質(zhì)（秸稈）和煤的對比
| 種類 | 生物質(zhì)（秸稈） | 煤（煙煤） |
| 元素分析 | 0含量高而C含量低 | C含量高而0含量低 |
| 化學(xué)成分 | 纖維素、半纖維素和木質(zhì)素 | 縮聚的芳香結(jié)構(gòu) |
| 發(fā)熱量／(MJ/kg) | 14～20 | 25.68 |
| 平均含硫量／% | 0.38 | 1 |
| 平均灰分／% | 9.33 | 27 |
| 著火溫度 | 低 | 高 |
| 資源分布 | 分布廣泛但分散 | 區(qū)域集中，區(qū)域分布不均 |
| 產(chǎn)量 | 受季節(jié)、氣候等影響穩(wěn)定，形成周期相當(dāng)短 | 產(chǎn)量穩(wěn)定，逐年上升，形成周期相當(dāng)長 |
| 運輸特點 | 單位體積能量密度低，不利于運輸 | 單位體積能量密度高，易于運輸 |
| 可再生性 | 可再生，可持續(xù)供應(yīng) | 不可再生 |
世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展仍然嚴(yán)重依賴于煤炭的消耗。然而，大量煤炭的非潔凈開采、利用帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染，已成為制約我國可持續(xù)發(fā)展必須面對的重大問題。目前，中國大氣污染物中煙塵排放的70%、S02排放的90%、C02排放的80%，NOx排放的70%是由煤炭燃燒造成的，70%~80%以上的汞也主要來自煤炭直接燃燒排放的煙氣。發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)，特別是生物質(zhì)顆粒燃料技術(shù)，控制C02和S02排放，不失為一項現(xiàn)實、經(jīng)濟(jì)和可行的措施。煤炭污染并非是煤炭自身的問題，是由于人們對它的開采、加工和利用方式粗放才引致的。環(huán)境問題與能源本身無關(guān)，而是取決于使用能源的技術(shù)和方式。以煤炭為主的能源消費結(jié)構(gòu)在相當(dāng)長一段時間內(nèi)不會發(fā)生改變，發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)，推動實現(xiàn)潔凈煤產(chǎn)業(yè)化是當(dāng)前適合國情的能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施。與原煤燃燒相比，型煤是提高燃燒效率和減少污染的最有效的方法之一，目前已進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)階段。
目前技術(shù)、經(jīng)濟(jì)條件下，發(fā)展生物質(zhì)顆粒燃料，將煤炭加工成為高效和清潔能源，實現(xiàn)可再生能源與化石能源一定程度的聯(lián)合，部分替代和節(jié)約化石能源，有利于改善能源結(jié)構(gòu)，減少二氧化碳排放，緩解和應(yīng)對全球氣候變化，與燃用原煤相比從節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等方面具有明顯的優(yōu)勢。生物質(zhì)顆粒燃料產(chǎn)業(yè)是低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展、清潔能源替代方面的最佳契合點和切人點。生物質(zhì)顆粒燃料、可使秸稈等生物質(zhì)和煤炭資源可就地轉(zhuǎn)化，不僅減輕了運輸壓力，還改變了煤炭行業(yè)只銷售煤炭初產(chǎn)品的單一產(chǎn)品模式，秸稈資源不能實現(xiàn)高值化利用的現(xiàn)狀。以生物質(zhì)顆粒燃料為突破口的潔凈煤技術(shù)以解決環(huán)境污染問題為主導(dǎo)，節(jié)能與環(huán)保效益相當(dāng)可觀，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，有著十分廣闊的市場前景。
3、生物質(zhì)顆粒燃料產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵
生物質(zhì)顆粒燃料涉及煤炭能源的高效清潔低碳化利用、生物質(zhì)的高值化利用，生物質(zhì)顆粒燃料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也受到資金、政策、技術(shù)等各方面的制約。目前關(guān)鍵是研制來源廣、適應(yīng)性強的廉價防水粘結(jié)劑和提高型煤的熱態(tài)性能。
3.1生物質(zhì)顆粒燃料粘接劑的研究
型煤粘結(jié)劑是決定型煤品種及其質(zhì)量的關(guān)鍵輔助原料，直接決定型煤的冷熱強度、防水性、熱穩(wěn)定性和燃燒性等指標(biāo)。若要開發(fā)出優(yōu)質(zhì)型煤，首先要開發(fā)出適用于型煤的黏合劑。生物質(zhì)黏結(jié)（添加）劑來源廣泛，價格低廉，具有較高的發(fā)熱量，經(jīng)過處理后有較好的黏結(jié)性，生產(chǎn)的型煤燃點低。因此，生物質(zhì)黏結(jié)（添加）劑具有廣闊的發(fā)展前途。生物質(zhì)黏接劑的研究現(xiàn)狀見表2。
表2 生物質(zhì)粘結(jié)劑研究現(xiàn)狀
| 生物質(zhì) | 處理方式 | 機(jī)理分析 |
| 稻草秸稈 | 1% NaOH溶液改性 | 改性生物質(zhì)具有黏結(jié)作用；堿液濃度與纖維的降解程度成正比；生物質(zhì)纖維的降解程度直接影響其制得型煤的機(jī)械強度。 |
| 稻草和鋸木屑 | 石灰處理 | 石灰濃度是影響改性稻草黏結(jié)性能的主要因素，石灰能去除稻草的彈性。經(jīng)處理的生物質(zhì)與膨潤土、焦油或聚丙烯酰胺混合制備復(fù)合粘結(jié)劑，這種黏結(jié)劑防水且能進(jìn)一步提高型煤的強度。 |
| 小麥秸稈 | 水浸～堿煮 | 改性生物質(zhì)纖維形成的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是型煤的骨架，小麥秸稈在處理過程中降解，生成液態(tài)小分子化合物及其他物質(zhì)，與過量堿液等共同組成型煤黏結(jié)劑，在型煤內(nèi)部起黏結(jié)作用。 |
| 玉米秸稈 | 氫氧化鈉（氫氧化鈣）水解 | 玉米秸稈氫氧化鈉水解產(chǎn)物中未分解纖維物質(zhì)在型煤中起黏結(jié)作用，糖類物質(zhì)以及果膠、單寧等物質(zhì)也具有黏結(jié)作用；玉米秸稈中富含的非金屬元素硅，與氫氧化鈉t#用生成的硅酸鈉類物質(zhì)也具有黏結(jié)性；這兩類組分將附著于煤粒表面起黏結(jié)作用。 |
| 玉米秸稈和小麥秸稈 | 1%～2%的NaOH溶液改性 | 秸稈在90℃經(jīng)NaOH處理改性后，產(chǎn)生具有黏結(jié)作用的糖類以及果膠、單寧等物質(zhì)，固化后可形成復(fù)雜的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)會網(wǎng)羅大量煤粒。一定濃度范圍內(nèi)，隨著NaOH濃度的增加，改性后秸稈的木質(zhì)索分解更為完全，產(chǎn)生的黏性物質(zhì)更多，因而能更均勻地與原料煤混合，型煤強度也更高。 |
| 小麥秸稈和玉米秸稈 | Ca(OH)2石灰處理 | Ca(OH)2將秸稈纖維素和木質(zhì)素分離，成為生物質(zhì)黏結(jié)劑的主要成分，并且處理液中的Ca(OH)2最終轉(zhuǎn)化為各種難溶性鈣鹽，和植物纖維一起作為黏結(jié)劑的有效成分，從而使型煤具有較好的機(jī)械強度和防水性能。 |
| 蘆竹和象草 | 250℃熱處理 | 在適當(dāng)?shù)臏囟葍?nèi)生物質(zhì)軟化、液化，一定的壓力使軟化的木質(zhì)素與纖維素緊密黏接，并與相鄰煤炭顆�；ハ嗄z結(jié)，在外力作用下，生物質(zhì)和煤炭顆�？梢蚤_始重新排列位置關(guān)系，并發(fā)生機(jī)械變形和塑性流變。此外，還發(fā)生了部分化學(xué)反應(yīng)。 |
生物質(zhì)顆粒燃料產(chǎn)業(yè)化的整體進(jìn)步，不僅僅是黏結(jié)劑的開發(fā)，還有成型機(jī)開發(fā)、生物質(zhì)顆粒燃料專用鍋爐研制等，需要統(tǒng)籌安排和巨額投入。
3.1生物質(zhì)顆粒燃料成型工藝和設(shè)備
生物質(zhì)顆粒燃料成型工藝分為冷壓成型和熱壓成型，我國大多數(shù)型煤廠家都采用添加黏結(jié)劑的冷壓成型。北京文新德隆有限責(zé)任公司研制成功的濕法低壓對輥成型，解決生物質(zhì)顆粒燃料生產(chǎn)能耗高、粉碎和黏合成型難關(guān)，填補國內(nèi)外生物質(zhì)顆粒燃料生產(chǎn)領(lǐng)域一項空白。
以成型機(jī)為核心的成型設(shè)備需要保證連續(xù)穩(wěn)定運行，提供合適的成型壓力和成型溫度，我國的成型壓力機(jī)長期以來存在著成型壓力偏低，快速磨損等問題，因而造成成型過程中返料率高、型煤強度低等。蔡克波公開了一種生物質(zhì)顆粒燃料機(jī)用成型裝置，變原來的錐形攪龍為平行攪龍，使得經(jīng)過平行攪龍擠壓的原料進(jìn)入到模具中，模具包括了外模、中模和動態(tài)內(nèi)模，原料經(jīng)模具定型后向外推出扇形型煤，該生物質(zhì)顆粒燃料機(jī)用成型裝置有效減小了原料成型時對機(jī)械部件的磨損，并且型煤加工工藝簡單，成本低廉，顯著提高了型煤的產(chǎn)量。
由于成型機(jī)理和成型工藝及設(shè)備的研究滯后，制約了生物質(zhì)顆粒燃料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，需要更多的借鑒相對成熟的生物質(zhì)成型燃料的成型技術(shù)與設(shè)備，結(jié)合生物質(zhì)顆粒燃料的原料特性和產(chǎn)品要求，加大生物質(zhì)顆粒燃料成型技術(shù)與設(shè)備的研究。
3.2生物質(zhì)顆粒燃料鍋爐
鍋爐是生物質(zhì)顆粒燃料的利用終端，要求高效節(jié)能環(huán)保，由于生物質(zhì)含有鋁、鈣、硅等元素容易結(jié)渣而影響燃燒，氯、鉀、鈉等元素容易沉積腐蝕，目前對生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒特性研究還不夠充分，國家也無響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，造成燃燒效率低、設(shè)備結(jié)渣腐蝕。并且生物質(zhì)顆粒燃料和煤的燃料特性有所不同，在著火性能、能量密度和燃燒特性方面有較大區(qū)別，設(shè)計生物質(zhì)顆粒燃料專用鍋爐或改造燃煤鍋爐成為生物質(zhì)顆粒燃料產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵之一。北京雄財技貿(mào)集團(tuán)開發(fā)的生物質(zhì)顆粒燃料鍋爐在燃燒方式、爐體結(jié)構(gòu)等方面實現(xiàn)了技術(shù)突破，采用“雙向逆流聚焰燃燒”原理設(shè)計熱源機(jī)，煙氣在爐膛里燃盡，而且爐渣含炭量低于4%，運行熱效率達(dá)到81.81%，與同等熱功率的散煤鍋爐相比，節(jié)能95%以上。
現(xiàn)有的燃用生物質(zhì)顆粒燃料鍋爐基本上是根據(jù)燃煤層燃鍋爐為原型設(shè)計的，這種爐型一般采用通倉配風(fēng)，爐拱分為前、后拱且不可調(diào)節(jié)變動，這樣的結(jié)構(gòu)不利于生物質(zhì)顆粒燃料的著火以及穩(wěn)定燃燒，且普遍存在著鍋爐啟動時冒黑煙的問題。浙江金鍋鍋爐有限公司發(fā)明的燃生物質(zhì)顆粒燃料的工業(yè)鍋爐，在鍋爐的爐體內(nèi)設(shè)置有前拱和前部呈“叉”型的后拱，爐體內(nèi)的后拱為可調(diào)式，可根據(jù)生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒情況調(diào)節(jié)后拱的開度，從而促進(jìn)其高效穩(wěn)定地燃燒；在鍋爐啟動時，使隔離門處于關(guān)閉狀態(tài)，高溫?zé)煔饨?jīng)引風(fēng)機(jī)抽出，然后通過爐排下面的末級風(fēng)倉進(jìn)入爐膛，從而實現(xiàn)了在第一燃燒室和第二燃燒室之間的封閉循環(huán)；該設(shè)計不僅提高了一次風(fēng)的溫度，改善了燃料的燃燒條件，而且加快了鍋爐的啟動速度，解決了鍋爐啟動時冒黑煙的問題；在爐膛上部設(shè)置了二次風(fēng)管，用以提供燃燒后期所需空氣及增加煙氣的擾動，從而降低燃料的不完全燃燒熱損失，提高鍋爐熱效率；還可實現(xiàn)鍋爐的整裝出廠。
我國工業(yè)鍋爐熱效率低的主要原因是實際供應(yīng)的煤質(zhì)與鍋爐設(shè)計的煤質(zhì)不相符。我國現(xiàn)有的工業(yè)鍋爐及窯爐均非燃生物質(zhì)顆粒燃料爐，在改燒生物質(zhì)顆粒燃料時存在的問題的解決有待于生物質(zhì)顆粒燃料鍋爐原理、設(shè)計和制造的不斷完善改進(jìn)。
4、生物質(zhì)顆粒燃料產(chǎn)業(yè)展望
能源和環(huán)境問題是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。中國處于工業(yè)化、城鎮(zhèn)化加快發(fā)展階段，能源需求會繼續(xù)增長，能源供應(yīng)和環(huán)境保護(hù)任務(wù)更加艱巨。以生物質(zhì)顆粒燃料為突破口的潔凈煤技術(shù)是解決中國煤煙型環(huán)境污染問題、能源利用率低，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。生物質(zhì)顆粒燃料發(fā)展形勢利好，但需要更大的市場推廣力度和研發(fā)力度，需要企業(yè)、政府和社會的共同努力。
(1)大力開發(fā)粉煤以及煤泥、煤矸石等低熱值煤為原料的適用于工業(yè)爐窯燃用的生物質(zhì)顆粒燃料。減少煤泥、煤矸石造成的污染，降低型煤成本，為煤炭的清潔燃燒提供了一條行之有效的途徑。
(2)生物質(zhì)顆粒燃料、粘結(jié)劑、固硫劑等評價方法尚不完善，亟需開發(fā)評價裝置，制定相應(yīng)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范產(chǎn)業(yè)無序競爭。
(3)改進(jìn)和完善現(xiàn)有的生物質(zhì)顆粒燃料成型技術(shù)及設(shè)備，進(jìn)行配套的工程化技術(shù)設(shè)計與集成優(yōu)化研究，實現(xiàn)生物質(zhì)顆粒燃料工藝可控化．過程集約化，操作規(guī)范化，裝備大型化和效率現(xiàn)代化。
（轉(zhuǎn)載請注明：富通新能源秸稈顆粒機(jī)hyaqg.cn）
