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生物质型煤产业关键技术与应用前景 木屑颗粒机|秸秆颗粒机|秸秆压块机|木屑制粒机|生物质颗粒机|富通新能源 / 14-11-10

摘要:我国是煤炭生产和消费大国,大力开发和应用生物质颗粒燃料,适合我国国情也符合洁净煤技术的发展趋势。本文阐述了生物质颗粒燃料的资源优势和产业前景,重点先容了我国目前在生物质颗粒燃料产业化的关键粘结剂和设备的研究情况,指出了我国发展生物质颗粒燃料的发展趋势。
关键词:生物质颗粒燃料;生物质;煤炭;洁净煤技术
    能源是支撑人类文明进步的物质基础,是现代社会发展不可或缺的基本条件。未来相当长时期内,化石能源在中国能源结构中仍占主体地位,保护生态环境、应对气候变化的压力日益增大,迫切需要能源绿色转型。生物质型煤( Bio - briquette)(生物质型煤也称为生物质颗粒燃料)是生物质能源利用的重要方式之一,也是洁净煤技术中的煤炭加工方式之一。生物质颗粒燃料是指在煤中按一定比例加入秸秆等可燃生物质和添加剂后压制成型的洁净能源产品。它充分利用煤和生物质自身的优势,具有节煤和生物质代煤的双重作用,可以把我国有限的煤资源,尤其是低质煤高效化、洁净化利用,农林废弃物资源化、能源化利用,是一种洁净能源产品,可代替煤、燃油、燃气,减少C02和S02的排放量,是解决我国散煤锅炉对大气污染较为理想、经济的洁净燃料之一,对保护环境和节约能源均具有重大意义。生物型煤与原煤相比,有成本低等优点,既能节省能源,又能明显减少大气污染,具有储存、运输和使用方便等特点。大力发展以生物质能为主的低碳生物质产业,部分替代和节约化石能源,有利于改善能源结构,减少二氧化碳排放,缓解和应对全球气候变化。
1、生物质颗粒燃料的资源优势
    生物质颗粒燃料主要的原料为生物质(秸秆)和煤炭。农作物秸秆是地球上最丰富的生物质可再生资源。国家农业部2010发布的《全国农作物秸秆资源与评价报告》显示,2009年全国农作物秸秆理论资源量为8.20亿t(风干,含水量为15%);考虑到收集过程中的损耗,估算2009年全国农作物秸秆可收集资源量约为6. 87亿t,占理论资源量的83.8%。其中秸秆除作为肥料、饲料、燃料、种植食用菌基料、造纸等工业原料外,废弃及焚烧量约为2.15亿t,占31. 31%。废弃及焚烧的秸秆等于耕地、淡水、化肥和其他农业投入品等资源的浪费,不利于农业资源的节约和循环转化利用。在秸秆的再生利用过程中,排放的C02与秸秆再生时吸取的C02达到碳平衡,具有C02零排放的作用,对缓解和最终解决温室效应问题具有潜在的贡献价值,富通新能源生产销售的秸秆颗粒机木屑颗粒机专业压制生物质成型颗粒燃料,秸秆颗粒机压制的颗粒燃料如下所示:
秸秆颗粒机压制的辣椒秸秆颗粒燃料
    《BP世界能源统计年鉴2012》称,能源消费仍然侧重于化石燃料,2011年,煤炭消费增长5.4%,占全球能源消费的30.3%,再次成为增长最快的化石燃料,这对碳排放会产生可以预料的不利影响。其中,中国煤炭产量增长8.8%,贡献了69%的全球煤炭产量增长。2011年,中国原煤产量35.2亿t,是世界第一的煤炭生产和消费大国。中国煤炭资源储量丰富,资源潜力巨大,低廉的使用成本使煤炭成为工业、民用的主要燃料。但是煤炭的大规模开发利用,造成大量耕地被占用和破坏,水资源污染严重,对生态影响环境严重。
锯末颗粒机生物质颗粒燃料,需要根据生物质和煤的原料特性(见表1),依据煤化学和燃烧学理论,通过成型工艺和化学工艺,改变生物质、煤炭的化学特性和燃烧性能,以改变和大大减少煤烟型大气污染和提高煤热效率。
表1 生物质(秸秆)和煤的对比
种类 生物质(秸秆) 煤(烟煤)
元素分析 0含量高而C含量低 C含量高而0含量低
化学成分 纤维素、半纤维素和木质素 缩聚的芳香结构
发热量/(MJ/kg) 14~20 25.68
平均含硫量/% 0.38 1
平均灰分/% 9.33 27
着火温度
资源分布 分布广泛但分散 区域集中,区域分布不均
产量 受季节、气候等影响稳定,形成周期相当短 产量稳定,逐年上升,形成周期相当长
运输特点 单位体积能量密度低,不利于运输 单位体积能量密度高,易于运输
可再生性 可再生,可持续供应 不可再生
2、生物质颗粒燃料产业前景
    世界经济的发展仍然严重依赖于煤炭的消耗。然而,大量煤炭的非洁净开采、利用带来了严重的环境污染,已成为制约我国可持续发展必须面对的重大问题。目前,中国大气污染物中烟尘排放的70%、S02排放的90%、C02排放的80%,NOx排放的70%是由煤炭燃烧造成的,70%~80%以上的汞也主要来自煤炭直接燃烧排放的烟气。发展洁净煤技术,特别是生物质颗粒燃料技术,控制C02和S02排放,不失为一项现实、经济和可行的措施。煤炭污染并非是煤炭自身的问题,是由于人们对它的开采、加工和利用方式粗放才引致的。环境问题与能源本身无关,而是取决于使用能源的技术和方式。以煤炭为主的能源消费结构在相当长一段时间内不会发生改变,发展洁净煤技术,推动实现洁净煤产业化是当前适合国情的能源结构优化措施。与原煤燃烧相比,型煤是提高燃烧效率和减少污染的最有效的方法之一,目前已进入商业化生产阶段。
    目前技术、经济条件下,发展生物质颗粒燃料,将煤炭加工成为高效和清洁能源,实现可再生能源与化石能源一定程度的联合,部分替代和节约化石能源,有利于改善能源结构,减少二氧化碳排放,缓解和应对全球气候变化,与燃用原煤相比从节能、环保、经济等方面具有明显的优势。生物质颗粒燃料产业是低碳经济发展、清洁能源替代方面的最佳契合点和切人点。生物质颗粒燃料、可使秸秆等生物质和煤炭资源可就地转化,不仅减轻了运输压力,还改变了煤炭行业只销售煤炭初产品的单一产品模式,秸秆资源不能实现高值化利用的现状。以生物质颗粒燃料为突破口的洁净煤技术以解决环境污染问题为主导,节能与环保效益相当可观,应用领域广泛,有着十分广阔的市场前景。
3、生物质颗粒燃料产业化的关键
    生物质颗粒燃料涉及煤炭能源的高效清洁低碳化利用、生物质的高值化利用,生物质颗粒燃料产业的发展也受到资金、政策、技术等各方面的制约。目前关键是研制来源广、适应性强的低价防水粘结剂和提高型煤的热态性能。
3.1生物质颗粒燃料粘接剂的研究
型煤粘结剂是决定型煤品种及其质量的关键辅助原料,直接决定型煤的冷热强度、防水性、热稳定性和燃烧性等指标。若要开发出优质型煤,首先要开发出适用于型煤的黏合剂。生物质黏结(添加)剂来源广泛,价格低廉,具有较高的发热量,经过处理后有较好的黏结性,生产的型煤燃点低。因此,生物质黏结(添加)剂具有广阔的发展前途。生物质黏接剂的研究现状见表2。
表2 生物质粘结剂研究现状
生物质 处理方式 机理分析
稻草秸秆 1% NaOH溶液改性 改性生物质具有黏结作用;碱液浓度与纤维的降解程度成正比;生物质纤维的降解程度直接影响其制得型煤的机械强度。
稻草和锯木屑 石灰处理 石灰浓度是影响改性稻草黏结性能的主要因素,石灰能去除稻草的弹性。经处理的生物质与膨润土、焦油或聚丙烯酰胺混合制备复合粘结剂,这种黏结剂防水且能进一步提高型煤的强度。
小麦秸秆 水浸~碱煮 改性生物质纤维形成的立体网状结构是型煤的骨架,小麦秸秆在处理过程中降解,生成液态小分子化合物及其他物质,与过量碱液等共同组成型煤黏结剂,在型煤内部起黏结作用。
玉米秸秆 氢氧化钠(氢氧化钙)水解 玉米秸秆氢氧化钠水解产物中未分解纤维物质在型煤中起黏结作用,糖类物质以及果胶、单宁等物质也具有黏结作用;玉米秸秆中富含的非金属元素硅,与氢氧化钠t#用生成的硅酸钠类物质也具有黏结性;这两类组分将附着于煤粒表面起黏结作用。
玉米秸秆和小麦秸秆 1%~2%的NaOH溶液改性 秸秆在90℃经NaOH处理改性后,产生具有黏结作用的糖类以及果胶、单宁等物质,固化后可形成复杂的空间网状结构会网罗大量煤粒。一定浓度范围内,随着NaOH浓度的增加,改性后秸秆的木质索分解更为完全,产生的黏性物质更多,因而能更均匀地与原料煤混合,型煤强度也更高。
小麦秸秆和玉米秸秆 Ca(OH)2石灰处理 Ca(OH)2将秸秆纤维素和木质素分离,成为生物质黏结剂的主要成分,并且处理液中的Ca(OH)2最终转化为各种难溶性钙盐,和植物纤维一起作为黏结剂的有效成分,从而使型煤具有较好的机械强度和防水性能。
芦竹和象草   250℃热处理 在适当的温度内生物质软化、液化,一定的压力使软化的木质素与纤维素紧密黏接,并与相邻煤炭颗粒互相胶结,在外力作用下,生物质和煤炭颗粒可以开始重新排列位置关系,并发生机械变形和塑性流变。此外,还发生了部分化学反应。
3.2生物质颗粒燃料的设备研究
    生物质颗粒燃料产业化的整体进步,不仅仅是黏结剂的开发,还有成型机开发、生物质颗粒燃料专用锅炉研制等,需要统筹安排和巨额投入。
3.1生物质颗粒燃料成型工艺和设备
    生物质颗粒燃料成型工艺分为冷压成型和热压成型,我国大多数型煤厂家都采用添加黏结剂的冷压成型。北京文新德隆有限责任企业研制成功的湿法低压对辊成型,解决生物质颗粒燃料生产能耗高、粉碎和黏合成型难关,填补国内外生物质颗粒燃料生产领域一项空白。
以成型机为核心的成型设备需要保证连续稳定运行,提供合适的成型压力和成型温度,我国的成型压力机长期以来存在着成型压力偏低,快速磨损等问题,因而造成成型过程中返料率高、型煤强度低等。蔡克波公开了一种生物质颗粒燃料机用成型装置,变原来的锥形搅龙为平行搅龙,使得经过平行搅龙挤压的原料进入到模具中,模具包括了外模、中模和动态内模,原料经模具定型后向外推出扇形型煤,该生物质颗粒燃料机用成型装置有效减小了原料成型时对机械部件的磨损,并且型煤加工工艺简单,成本低廉,显著提高了型煤的产量。
    由于成型机理和成型工艺及设备的研究滞后,制约了生物质颗粒燃料产业的发展,需要更多的借鉴相对成熟的生物质成型燃料的成型技术与设备,结合生物质颗粒燃料的原料特性和产品要求,加大生物质颗粒燃料成型技术与设备的研究。
3.2生物质颗粒燃料锅炉
    锅炉是生物质颗粒燃料的利用终端,要求高效节能环保,由于生物质含有铝、钙、硅等元素容易结渣而影响燃烧,氯、钾、钠等元素容易沉积腐蚀,目前对生物质颗粒燃料的燃烧特性研究还不够充分,国家也无响应标准,造成燃烧效率低、设备结渣腐蚀。并且生物质颗粒燃料和煤的燃料特性有所不同,在着火性能、能量密度和燃烧特性方面有较大区别,设计生物质颗粒燃料专用锅炉或改造燃煤锅炉成为生物质颗粒燃料产业化的关键之一。北京雄财技贸集团开发的生物质颗粒燃料锅炉在燃烧方式、炉体结构等方面实现了技术突破,采用“双向逆流聚焰燃烧”原理设计热源机,烟气在炉膛里燃尽,而且炉渣含炭量低于4%,运行热效率达到81.81%,与同等热功率的散煤锅炉相比,节能95%以上。
    现有的燃用生物质颗粒燃料锅炉基本上是根据燃煤层燃锅炉为原型设计的,这种炉型一般采用通仓配风,炉拱分为前、后拱且不可调节变动,这样的结构不利于生物质颗粒燃料的着火以及稳定燃烧,且普遍存在着锅炉启动时冒黑烟的问题。浙江金锅锅炉有限企业发明的燃生物质颗粒燃料的工业锅炉,在锅炉的炉体内设置有前拱和前部呈“叉”型的后拱,炉体内的后拱为可调式,可根据生物质颗粒燃料的燃烧情况调节后拱的开度,从而促进其高效稳定地燃烧;在锅炉启动时,使隔离门处于关闭状态,高温烟气经引风机抽出,然后通过炉排下面的末级风仓进入炉膛,从而实现了在第一燃烧室和第二燃烧室之间的封闭循环;该设计不仅提高了一次风的温度,改善了燃料的燃烧条件,而且加快了锅炉的启动速度,解决了锅炉启动时冒黑烟的问题;在炉膛上部设置了二次风管,用以提供燃烧后期所需空气及增加烟气的扰动,从而降低燃料的不完全燃烧热损失,提高锅炉热效率;还可实现锅炉的整装出厂。
    我国工业锅炉热效率低的主要原因是实际供应的煤质与锅炉设计的煤质不相符。我国现有的工业锅炉及窑炉均非燃生物质颗粒燃料炉,在改烧生物质颗粒燃料时存在的问题的解决有待于生物质颗粒燃料锅炉原理、设计和制造的不断完善改进。
4、生物质颗粒燃料产业展望
    能源和环境问题是实现可持续发展的关键。中国处于工业化、城镇化加快发展阶段,能源需求会继续增长,能源供应和环境保护任务更加艰巨。以生物质颗粒燃料为突破口的洁净煤技术是解决中国煤烟型环境污染问题、能源利用率低,实现可持续发展的必然选择。生物质颗粒燃料发展形势利好,但需要更大的市场推广力度和研发力度,需要企业、政府和社会的共同努力。
    (1)大力开发粉煤以及煤泥、煤矸石等低热值煤为原料的适用于工业炉窑燃用的生物质颗粒燃料。减少煤泥、煤矸石造成的污染,降低型煤成本,为煤炭的清洁燃烧提供了一条行之有效的途径。
    (2)生物质颗粒燃料、粘结剂、固硫剂等评价方法尚不完善,亟需开发评价装置,制定相应的质量标准,规范产业无序竞争。
(3)改进和完善现有的生物质颗粒燃料成型技术及设备,进行配套的工程化技术设计与集成优化研究,实现生物质颗粒燃料工艺可控化.过程集约化,操作规范化,装备大型化和效率现代化。
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