关键词：生物质能；生物质颗粒燃料；固硫特性1、引言
我国的能源结构特点是以煤炭占主导地位，原煤占能源总储备的87.40%。我国目前能源消费构成中，煤炭占75%以上，预计到2020年，煤炭仍将占到我国能源消费构成的60%以上。煤炭燃烧产生的大量烟尘、S02：等对大气环境造成严重污染。据统计，2003年排放到大气中的烟尘和S02总量的73%和89%直接来源于燃煤，且由于我国工业锅炉以原煤散烧为主，不仅热效率低、能源浪费大，仅我国现在使用的50多万台中小型锅炉，年消耗煤就达3亿多t，每年排放的S02和烟尘分别达600万t和800万t，
我们既不能“因噎废食”而不用煤炭，又不能“饮鸩止渴”任其污染泛滥。唯一可供选择的途径是采用先进技术，提高煤炭利用效率，减轻环境污染，使煤炭变成清洁的能源。所谓洁净煤技术是指在煤炭开发和利用过程中减少污染和提高效率的煤炭加工、燃烧、转化和污染控制等新技术的总称。工业型煤比烧原煤减少烟尘排放量约60%，型煤添加固硫剂后，S02排放量减少40%以上，并能节煤15%～27%。因此工业型煤是一种清洁、高效的新型燃料，发展工业型煤是有效利用煤炭资源，减少燃煤污染的重要途径。
根据现有的研究，减少环境的污染的另一有效途径就是大力开发生物质能。理论上，生物质能是以生物质为载体的能量，生物质通过光合作用贮存化学能，因此，利用生物质能的排碳量不会超出其生长期间所吸收的碳量，不会破坏碳在自然循环的平衡。每年所固定的太阳能即生物质能可达世界现状总能耗的十多倍。目前作为能源利用的生物质仅为总生物量的1%，所生产的能量己占世界总能耗的14%。我国是农业大国，生物质能资源丰富，预计在2000年到2010年期间，我国每年秸秆资源的可获得量为3.5亿～3.7亿t，相当于1.7亿tce，我国生物质能资源潜力折合7亿tce左右，而目前年综合实际使用量为2.2亿tce左右。然而生物质能在我国商业用能结构所占的比例极小，其主要被作为一次能源在农村被利用，但大部分被直接作为燃料燃烧或废弃，利用水平低，浪费严重，且污染环境。生物质颗粒燃料近年发展起来的新型的型煤种类，巧妙地将不可再生的化石能源和可再生能源结合起来，十分符合我国煤炭占优势同时生物质资源丰富的国情，具有很强的现实意义。生物质颗粒燃料比一般型煤有更优的特性，根据对单个生物质工业型煤的实验室测定可知：生物质工业型煤易着火，燃烧速度；不冒烟，可固硫；型煤燃烧充分，灰渣含碳量低且不结渣。
生物质颗粒燃料技术是一种新兴的型煤技术，很多技术都没有成熟，国内外关于其的专著论述比较少。然而它对于中国有很好的现实意义及经济前景，我们有必要做更进一步的研究与探讨。
2、生物质颗粒燃料发展现状
日本在面临石油危机的境况下最先开发了生物质颗粒燃料技术，将粉碎后的农作物秸秆、原煤与固硫剂混合后经高压成型机压制而成，其中生物质占15%～30%，固硫率可达80%，燃烧效率高达gg%；日本于1985年即在北海道建成了一座年产6000t生物质颗粒燃料的工厂，日本还试验生产了生物质颗粒燃料的小型燃烧装置和专用燃烧设备。
美国用水解纤维素物质作粘结剂，把粘结剂和高硫煤、木材碎片及锯末、石灰混和，生产型煤，粘结剂用量为混和物重量的2%～8%；英国用纤维素酶降解纤维素得到含糖5%-20%的液体，加热稳定，与含碳物质混合干燥，形成固体燃料。德国、土耳其等国研究用糖浆作粘结剂，同时掺锯末和造纸厂废纸生产型煤。俄罗斯、乌克兰、匈牙利等国用生物质水解产物作为粘结剂生产型煤。瑞典等国还用脱水泥炭和磨细的生物质混合、挤压、切割成型生产型煤。
国内唯一的一间生物质颗粒燃料生产厂，设在山东临沂矿务局汤庄煤矿内[3]。由日本国新能源开发机构(NEDO)的绿色援助计划(GAN)资助。该厂的设计年产量为3万t（St/h，每年以250天计，24h运转），实际为年产量1万t，生产的型煤呈枕头型，40mm×40mm×25mm，含生物质10～30%。型煤的崩溃强度大于392N，热值为12.12-18.48MJ/kg，脱硫率大于50%。煤末经粉碎至3mm，经干燥，使其水分为1%左右；生物质经切碎至2-3mm，干燥后水分约10%；消石灰脱硫剂粉颗粒小于0.1mm，水分小于3%，以玉米秸、烟煤（肥煤）、消石灰为原料，按一定比例混合，再经高压压制而成。安装初始时有许多问题未能解决，在锅炉试烧中还存在烧不透的问题，锅炉型煤生产线不能正常生产运行。
近年来，国内的大学、研究所在生物质颗粒燃料的成型、燃烧和脱硫等各方面的做了很多研究和试验，取得了不错的成绩，有的还达到了国际先进水平。
比较重要的有，哈尔滨理工大学的刘伟军等人在机械部科学技术发展司基金（VI-017）的资助下对生物质颗粒燃料点火性能、燃烧机理、燃烧速度、燃烧污染特性和固硫规律等进行的理论分析和试验研究。他们提出无烟煤、高硫煤加生物质木屑、稻壳等1的无粘结剂型煤的成型技术与优化配方，得出了生物质颗粒燃料的燃烧特性规律；并进行了生物质颗粒燃料污染特性研究，提出了有效的固硫、脱硝的方法；根据型煤的燃烧特性提出2～4吨/时工业锅炉的设计方案。达到的技术指标： (1)型煤压碎力达300公斤(2)生物质颗粒燃料燃尽率达到94～970/；(3)燃烧粉尘排放浓度小于100mg/Nm3，达到了环保一级标准；(4)固硫率达到75～80%，排放NOX浓度小于100mg /Nm3; (5)创造性提出“多级立体配风”的型煤配风新概念。清华大学在国家九五科技攻关专题“生物质颗粒燃料及燃煤催化剂脱硫技术与装备研究”中，在大量试验基础上成功地开发了国际首创的生物质颗粒燃料成型技术，使生物质高压成型技术获得突破性进展。此成型技术属生产率最大的工业对辊成型范畴，成型后的型煤不用烘干固结即有上千至数干N/个的抗压强度。新型轮的工业成型条件要求很宽，经通用粉煤机粉碎和风干的末煤，以及经国产饲料粉碎机（2～4mm筛孔）粉碎的风干秸秆（包括玉米秸、稻草和杂草等），按15～100%的生物质配比混合后均可成型；且生物质配比越高，型煤强度越好，成型功耗越低，用于全生物质成型的效果更好。与日本同类技术相比，型煤(生物质配比15～25%)成型压力降至120MPa;成型电流由56～581的空载电流上升至70～751（试验配套电机75KW），按此成型电流计算的成型功耗<17kwh/t，此型煤成型功耗仅为生物质螺旋挤压成型的1/6，全生物质成型功耗会更小。技术水平：(1)成型生产率2-5t/h; (2)生物质型块抗压强度>IOOON/个；(3) -次成型率>85%；(4)生物质碎料利用率>99%；(5)生物质许可含湿率<12%；(6)成型加工成本<20元/t。
3、生物质颗粒燃料的冷压成型机理及生产工艺
生物质颗粒燃料可采用热压成型或冷压成型，主要从冷压成型的角度对生物质颗粒燃料的成型机理进行分析。生物质的主要成分是纤维素、半纤维和本质素，属于高分子化合物，从有机化学结构和化学键合作用理论上讲，这些生物质同煤之间存在一定的化学键合作用，具有一定的粘结性。并且，较长的生物质纤维在型煤的成型过程中可以形成一个网状骨架，在一定的粒度范围内，随着纤维长度的增大，生物质之间的交联作用增大，其成型作用力提高，型煤强度增大。另外，根据煤化学理论及近代化学键价理论，分子作用力和氢键作用是煤成型的主要作用力。制备型煤时．随着成型压力的增大，物料颗粒间距减小，分子间作用力和氢键作用增强，型煤的强度也随之提高。一般地讲，型煤的强度除了与化学键作用力大小有关外，更重要的是取决于型煤本身能否形成一个有序的层状排列的网状骨架结构。当添加一定范围百分比的生物质时，这一网状的骨架结构随着成型压力的增大而更加牢固。因此，生物质颗粒燃料冷压成型过程只要保证足够的压力，在不加任何粘结剂的情况下也可以压制出高强度的型煤。
生物质颗粒燃料生产的一般过程：首先把原煤和准备掺入的生物质分别进行烘干，将干燥后的原煤进行破碎，生物质则加以碾碎，磨成微细粉末。然后将两者进行充分混合，此时可根据原煤和生物质的特性，视情况加入适量的粘结剂和固硫剂。最后将上述混合物一同送入成型机，在高压下压制成型。生物质颗粒燃料也可以在压制成型的过程中掺入各种可燃的工业废弃物（煤泥、泥炭、粉煤灰等1和城市生活垃圾。
这种工艺的特点是：
(1)原煤、木质纤维只进行低温处理，其中留有一定的水分，不会发生象热压成型后产品烘干时存在着火的危险。(2)不受煤种的限制，各种劣质煤、贫煤都可以加工利用。
(3)经加工成型后的型煤与原煤比较，灰分含量降低，挥发分增加，热值也有所增加。
4、生物质颗粒燃料的技术特点
生物质颗粒燃料主要是利用生物质如木屑、木片、稻草、买杆等作为型煤添加剂，其机理是利用其纤维素、半纤维素等成分在加热或水解后具有的粘结作用。
根据生物质成型处理的不同方法，生物质颗粒燃料大体上可以分为三类：
(1)生物质制浆后的黑液如纸浆废液作为成型粘结添加剂，但其防水性差，成焦组份少，容易使成型设备发生故障；
(2)生物质水解产物，如水解木质素、纤维素、半纤维素及碳氢化合物等作为成型粘结添加剂；
(3)生物质直接和煤粉混合，利用受热或高压压制成型。
大型洁净煤厂将烟煤（肥煤）粉碎至3mm，干燥使其水分降为1%左右；生物质（秸杆）切碎至2mm～3mm，干燥使其水分降为10%左右；消石灰固硫剂粉颗粒破碎至小于0.1mm，干燥使其水分小于3%，三种原料混合的重量比为77.28: 13.64: 9.08。成都中日合作的研究认为生物质颗粒燃料在成型之前，一定要控制混合成型的煤粉、生物质和生石灰的水分小于5%，以便通过成型主机固化成型。
4 1燃烧特性
生物质颗粒燃料燃烧特性既有着火容易、易燃尽的优越可取一面，也存在灰壳阻碍气体扩散、降低燃烧速度的另一面。生物质颗粒燃料燃烧机理的实质是属于静态渗透式扩散燃烧。
燃烧过程从着火后开始：
第一步，型煤球表面可燃挥发物燃烧．进行可燃气体和氧气的放热化学反应，形成橙黄色长焰；
第二步，除了型煤球表面部分可燃挥发物燃烧外，型煤球表层部分焦碳处于过渡燃烧区，形成橙红色较长火焰；
第三步，型煤球表面仍有较少的挥发分燃烧，更主要的是燃烧向型煤球更深层渗透，焦碳的扩散燃烧占主导，燃烧产物C02. CO及其它气体向外散，行进中CO不断与02结合生成C02，球表层生成薄灰壳，外层包围着淡蓝色短火焰。此外，在此主燃阶段，生物质首先燃尽并不断深入地带动其周围焦碳更迅速燃烧，并在燃尽层里形成一定的微孔组织，使气体的扩散和氧气的溜透更容易；
第四步，型煤球燃烧进一步向球内深层发展，其主要进行焦碳燃烧（即C+02→CO），在球表面进行一氧化碳的气体燃烧(即CO+O)→C02），形成比较厚的的灰壳，由于生物质的燃尽和热膨胀，灰层中呈现微孔组织或空隙通道甚至裂缝，较少的短火焰包围着型煤球；
第五步，燃烧灰壳不断加厚，可燃物基本燃尽，在没有强烈干扰的情况下，形成整体灰球，灰球表面几乎看不出火焰，灰球会变成暗红色，到此完成生物质颗粒燃料球的燃烧过程。
4.2抗压强度
抗压强度是生物质颗粒燃料各项机械性能指标中最直观、最有代表性的指标，一般而言，随着原煤可磨性系数(HGI)的不断增大，型煤的抗压强度逐步升高。含20%左右的生物质颗粒燃料和普通型煤的煤料粒径与抗压强度具有不同的关系。当煤料粒径小于0.3mm时，生物质颗粒燃料的抗压强度随煤料粒径变细普通型煤和生物质颗粒燃料的抗压强度均下降，而生平物质型煤的变化较为平缓；生物质颗粒燃料的抗压强度、均比普通型煤高出25kg/cm2以上。
在成型压力与其他条件一定的情况下，煤料成型时的粒径组成对生物质颗粒燃料抗压强度有显著的影响。粒径小于0.2mm的成型原料含量越多，生物质颗粒燃料的抗压强度越高，而粒径在1mm～3mm之间的成型原料含量越多，生物质颗粒燃料的抗压强度会逐渐降低。所以，国内外对煤成型粒径一般均要求3mm以下。
4.3点火性能
生物质颗粒燃料比原煤可燃基挥发分有所提高，在点火的过程中，易燃的生物质率先点火放热，使生物质颗粒燃料在短时间内升温迅速达到着火点，使不易点火的原煤也随之很快着火，而且随着生物质的迅速燃烧，在型煤中生物质燃料原来占有的体积迅速收缩，型煤中空出了许多孔道及空隙，使一个实心的球体变成了一个“多孔形球体”，这样就为氧气的渗透扩散创造了条件．所以点火能深入到球面表层下一定深度，形成稳定的点火燃烧。在高压成型的生物质颗粒燃料中，其组织结构决定了挥发分的析出及向型煤内部传递热量比较缓慢，所以形成挥发分点火逐步进行，且点火所需的氧气比原煤层状燃烧点火时要少。从总体趋势上分析，生物质颗粒燃料的点火温度更趋向于生物质的点火特性，而且点火温度变化范围不大。随着生物质加入量的增多，生物质颗粒燃料点火温度呈降低的趋势，且掺入生物质种类的不同，生物质颗粒燃料点火温度降低的程度不同生物质颗粒燃料点火温度与折算可燃基挥发分成反比，与折算可燃基灰分成正比。生物质颗粒燃料点火的延迟时间与燃料种类、燃料的性质（挥发分、灰分、水分等）、混料配比、主燃火焰温度、配风形式及大小等有关。
4.4固硫特性
型煤燃烧固硫目的在于有效控制燃煤过程中的S02排放，固硫效果的好坏首先取决于所用的固硫剂与燃烧释放的S02及时反应的能力。
44、固硫反应
型煤中钙基固硫剂燃烧过程主要的固硫反应为：
11固硫剂的热分解
CaC03=CaO+C02 (1)
Ca(OH)2=CaO+H20 (2)
21固硫合成反应
Ca(OH)2+S0'_CaS03+H20 (3)
CaO+S02=CaS03 (4)
31中间产物的氧化反应和歧化反应
2CaS03+02=2CaS04 (5)
4CaS03=CaS+3CaS04 (6)
41固硫产物的高温分解反应
CaS03=CaO+S02 (7)
CaS04=CaO+S02+0 (8)
以上反应说明，钙基固硫剂需经热分解成Ca才能有效固硫，且其分解吸热有助于控制燃烧温度，高温固硫性能会有一定改善。
4 4 2高效固硫原因分析
生物质颗粒燃料对固硫具有高效性。其主要原因为：
(1)生物质颗粒燃料的燃烧控制在850～950℃范围内进行，属于低温燃烧，又由于高强度型煤球及燃烧中形成的微孔组织，使型煤球的热传导系数减小，加大型煤燃烧过程“表”、“里”的温差，实现型煤球的“双层低温燃烧”。因此，反应向生成CaS04方向进行，而CaS04热分解极少。
(2)固硫剂添加在混料过程中容易均匀分布在煤球中。
(3)生物质颗粒燃料的高强度组织特性，使燃烧产物停留在球内时间较长，而且逐渐向外扩散；另外，燃烧后呈现微孔组织，也就是增加了S02与固硫剂接触的机会和时间。时间长、S02浓度高使钙利用率增加。
(4)氧气向球内扩散的有效浓度大大降低，自然限制了一部分S02的生成。
(5)生物质本身具有一定的木质素和腐植酸，它们对S02有较强的吸附能力和具有巨大的比表面积，延缓S02的析出速度，增加反应表面。
(6)生物质颗粒燃料燃烧中形成的灰壳中含有碱金属与碱土金属的化合物，它们也能起到一定的固硫作用。
(7)生物质燃料占去一定比例的煤，而生物质热解时无硫化物产生，使S02生成减少。
生物质颗粒燃料的燃烧过程表现为两个阶段：挥发分燃烧阶段和煤焦燃烧阶段，生物质颗粒燃料在燃烧初期时生成的S02较少，燃烧中后期生成的S07较多。提高型煤固硫率的关键是固硫剂的制备，要求固硫剂有尽可能大的比表面积，反应活性尽可能高，同时要求固硫剂能耐较高的温度，并能使所生成的硫酸盐在高温下不易分解。
4 4 3 Ca/S比
大量实验证实，固硫率随Ca/S比增大而提高，Ca/S=1.5～2范围内，固硫率趋于最大值；当Ca/S比大于2后，固硫率随Ca/S增加的趋势显著变缓。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，固硫率与含硫量成正比，含硫量的继续增加，固硫增加趋势不断减缓，而且在氧化钙固硫剂的基础上加入适当的添加剂可以改善固硫效果。
5、生物质颗粒燃料的经济性评价
目前，对生物质颗粒燃料经济评价尚有不确定性，因其受成型工艺和燃烧设备等的限制，尚缺乏经济核算的工程基础。本文仅是从固硫费用，C02排放的减少量和加工的经济性等方面来进行分析，为以后的经济形评价提供一定的参考。
5 1生物质颗粒燃料固硫的效益分析
生物质颗粒燃料固硫费用计算，离不开原料价格和固硫率参数，从型煤技术的开发宗旨出发，我们将生物质颗粒燃料在普通型煤基础上增加的费用作为固硫费用，其计算公式为：
5.2生物质颗粒燃料减排∞的效益分析
生物质颗粒燃料减排C02量按热工等效原则下减少矿物燃料燃烧排入大气的净增量计，包括生物质代煤和型煤节煤所产生的两部分削减量。国内工业型煤初步应用的实践已表明，型煤燃烧的节煤率可达10～12%。加入生物质后由于燃烧性能的改善，节煤效果会更好。按20%的生物质加入量和10%的节煤率作保守估算，原煤和生物质的热值分别取5500和4500kj/kg，则可削减C02大于26%。
5.3生物质颗粒燃料加工的经济性
利用生物质短纤维的粘连作用，可以显著提高生物质颗粒燃料的强度，从而省去粘结剂的使用，提高型煤加工的经济性。日本开发的生物质颗粒燃料无粘结剂成型工艺还省去了料煤的调和及型煤的烘干等环节，将此工艺技术装备国产化，则可进一步提高生物质颗粒燃料加工的经济性。
6、现今生物质颗粒燃料技术的不足
6.1干燥技术不过关
目前我国的工业型煤生产中，煤料的成型水分一般在8%-10%，若以褐煤为成型原料，则成型水分为1 8%-20%，而国内外的先进经验和试验均表明，当水分在2%-3%时，型煤的强度最高，并免去成型后再干燥的过程，大大简化了生产工艺。这样，就存在一个先加热后成型的问题，以减少型煤的破损率，尽快实现工业大生产。但我国目前一般多是先成型后采用烟道气干燥的方法，干燥速度慢，热能利用率低，干燥不彻底，而在型煤的干燥及运输过程中，破损率又高达25%以上。
6.2成型机压力低，磨损快(9)
我国工业型煤生产中的机械设备，特别是成型压力机一直存在较严重的问题，主要表现在成型压力偏低，压辊磨损快。国外先进技术中，成型机采用液压传动，成型压力可达2-5t/cm2以上。且压辊表面采用高压耐磨材料，大大提高了成型机对辊的使用寿命。而我国型煤成型压力一般仅为国外的1/5 -1/10，不仅造成工艺过程的返料率高，而且使得煤料成型时煤粒间的间隙大，密度偏低，不利于型煤强度和结构均一程度的提高；同时，成型机的压辊表面未作特殊处理极易磨损。对此，我们尚需作更多的努力。
6.3粘结剂开发没有突破
寻求适应性强的廉价粘结剂，是型煤发展中的关键问题。而我国工业型煤技术的开发研究，长期处于分散的低水平状态，技术力量分散，工作缺乏连续性。因此，粘结剂的开发没有取得突破性进展，与国外差距较大。
7、结语
(1)生物质颗粒燃料技术理论上在我国有广阔的应用前景和市场价值。生物质颗粒燃料技术的开发与发展涉及许多学科门类，需要有煤燃烧、煤成型、生物质燃烧、生物质成型、优化配煤、机械设计等方面的知识。
(2)生物质颗粒燃料技术具有很好的环保和节能效果。目前国内众多高等院校、科技院所进行了深入研究，在各方面都取得了很大进展，有力地推动了生物质颗粒燃料技术的发展应用，同时为工业化规模生产提供了基础。
(3)生物质颗粒燃料技术今后的研究是着手开发低成本、高固硫率和防潮抗水型适用于工业锅炉燃用的生物质颗粒燃料，同时可以通过应用人工智能、神经网络等先进技术对多种煤配比及生物质配比的调整和配方的优化设计，将生物质颗粒燃料的灰分、水分、挥发分、发热量、燃料比、粒径大小、反应活性、焦渣特性、热变形特性等调整到有利于燃烧的最佳值和大幅度降低生产成本，努力使之发展成国际上最先进的具有一流水平的高效清洁燃料，还可以设计生物质颗粒燃料专用燃烧设备。
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