生物質(zhì)成型燃料研究現狀及進(jìn)展

第27卷,總第154期〈節能技術(shù)》Vol 272009年3月,第2期ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGYMar.2009,No.2生物質(zhì)成型燃料研究現狀及進(jìn)展蘇俊林,趙曉文,王巍(1.吉林大學(xué)熱能工程系,吉林長(cháng)春130025;2.吉林大學(xué)汽運系,吉林長(cháng)春130025)摘要:本文討論了發(fā)展生物質(zhì)成型燃料的意義,詳細介紹了國內外生物質(zhì)成型燃料的發(fā)展歷程及現狀,介紹了一些目前采用的新技術(shù)和存在的問(wèn)題。最后對生物質(zhì)成型燃料的未來(lái)進(jìn)行了展望,指出生物質(zhì)成型燃料在節能及環(huán)保方面將大有作為。關(guān)鍵詞:生物質(zhì)成型燃料;研究現狀;發(fā)展應用中圖分類(lèi)號:TK16文獻標識碼:A文章編號:1002-6339(2009)02-0117-04Research Status and Development of the Biomass Briquette FuelSU Jun-lin', ZHAO Xiao-wen, WANG Wei?(1. Department of Thermal Energy Engineering, Jilin University, Changchun 130025, China;2 Department of Automobile Transportation Engineering, Jilin University, Changchun 130025, China)Abstract: This paper discussed the significance of developing biomass briquette fuel. The development andreasearch status of biomass briquette fuel technology both home and abroad were reviewed intechnologies and related existing problems were depicted. Finally, the future development of the biomass bri-quette fuel was forecasted and authors concluded that the biomass briquette fuel would play a positive role inpromoting energy- savings and environment protectionKey words: biomass briquette fuel; research status; application development1發(fā)展生物質(zhì)成型燃料的意義加工和使用有關(guān),這些礦物燃料燃燒后放出大量的CO2、SO2、NO,被認為是形成大氣環(huán)境污染、產(chǎn)生酸長(cháng)期以來(lái),石油、天然氣、煤炭等化石燃料一直雨以及溫室氣體等地區性環(huán)境問(wèn)題的根源是人類(lèi)消耗的主要能源,并為人類(lèi)經(jīng)濟的繁榮、社會(huì )我國是一個(gè)農業(yè)大國生物質(zhì)能資源十分豐富的進(jìn)步和生活水平的提高做出了很大的貢獻。但僅農作物秸稈折合7億t左右,而目前年實(shí)際使用是由于煤、石油和天然氣等礦物資源是不可再生量?jì)H為22億t左右。因此我國的生物質(zhì)資源的的,資源是有限的正面臨著(zhù)逐漸枯竭的危險因此利用還有很大的開(kāi)發(fā)潛力①)。生物質(zhì)能在我國商業(yè)它們不是人類(lèi)所能長(cháng)久依賴(lài)的理想資源。再者目前用能結構所占的比例極小。植物約有一半棄于荒野地球所面臨的環(huán)境危機直接或間接的與礦物燃料的未能利用甚至焚燒不但利用水平低造成資源的嚴重浪費,且污染環(huán)境。所以充分合理開(kāi)發(fā)使用生物質(zhì)能?chē)哪茉蠢铆h(huán)培和人類(lèi)的生態(tài)環(huán)境,收稿日期2009-01修訂稿日期20003-16中國煤基金項目:吉林省重大科技發(fā)展計劃資助項目(20003加某化二重要的意義作者簡(jiǎn)介:蘇俊林(1953-),男,博士,教授。研究方向:潔凈燃CNMHG、液化燃料及固化燒技術(shù)鍋爐及換熱器強化傳熱,節能技術(shù)燃料。目前,在技術(shù)經(jīng)濟上最為可行的生物質(zhì)能利用技術(shù)就是固化——即生物質(zhì)能致密成型燃料技2生物質(zhì)成型燃料的發(fā)展概況術(shù)生物質(zhì)成型燃料的優(yōu)點(diǎn):21國外生物質(zhì)成型燃料及燃燒設備發(fā)展現狀1.1清潔燃燒隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的發(fā)展與人們生活水平的提高,(1)飛灰極少。生物質(zhì)灰分一般少于3%(稻殼木材下腳料、植物秸稈的剩余量越來(lái)越大由于這些等除外),從而簡(jiǎn)化了燃燒裝置的除灰設備。廢棄物都是密度小、體積膨松,大量堆積,銷(xiāo)毀處理(2)生物質(zhì)成型燃料最主要燃燒成分是揮發(fā)分,不但需要一定的人力物力且污染環(huán)境因此世界一般含量在70%~80%以上,煙塵產(chǎn)生很少,不冒各國都在探索解決這一問(wèn)題的有效途徑2)。黑煙。美國在20世紀30年代就開(kāi)始研究壓縮成型燃(3)生物質(zhì)的燃燒通常不會(huì )影響自然界碳的自料技術(shù)及燃燒技術(shù),并研制了螺旋壓縮機及相應的然循環(huán)即使不燃燒利用、不燒荒生物質(zhì)也會(huì )在自燃燒設備,現有9個(gè)生產(chǎn)能力250vd的生產(chǎn)廠(chǎng),另有然消化過(guò)程中放出CO。因此生物質(zhì)能的排碳量6個(gè)州興建了日產(chǎn)量為300的樹(shù)皮成型燃料加工廠(chǎng)不會(huì )超出其生長(cháng)期間所吸收的碳量從而實(shí)現CO及較多的專(zhuān)業(yè)燃燒設備廠(chǎng)(3)。日本在20世紀30年的零排放。代開(kāi)始研究機械活塞式成型技術(shù)處理木材廢棄物,(4)生物質(zhì)本身N含量比煤少得多,這對于減1954年研制成棒狀燃料成型機及相關(guān)的燃燒設備,少NO的生成非常有利1983年前后從美國引進(jìn)顆粒成型燃料成型技術(shù)及(5)燃燒中SO,排放量較少。生物質(zhì)含硫量相應燃燒設備,并發(fā)展成了日本壓縮成型及燃燒的般少于01%,不需要煙氣脫硫裝置從而降低了成工業(yè)體系。到1987年有十幾個(gè)顆粒成型工廠(chǎng)投人本,又有利環(huán)境保護。運行,年產(chǎn)生物顆粒燃料十幾萬(wàn)噸,并相繼建立了(6)降低重金屬污染物的排放。研究表明煤中批專(zhuān)業(yè)燃燒設備廠(chǎng)(4,70年代后期,由于出現世界能源危機,石油價(jià)格上漲,西歐許多國家如芬蘭、比含有多種微量元素如:As、Hg、V、Pb、zn、Se、Co、Ni利時(shí)、法國、德國、意大利等國家也開(kāi)始重視壓縮成C等,其中許多是有毒有老的重金屬元素。而生型技術(shù)及燃燒技術(shù)的研究各國先后有了各類(lèi)成型物質(zhì)中基本不含重金屬。機及配套的燃燒設備。法國近年來(lái)也開(kāi)始研究壓縮1.2優(yōu)良的經(jīng)濟性(1)我國生物質(zhì)資源豐富,價(jià)格低廉,用生物質(zhì)塊燃料及燃燒設備,并達到了應用階段。比利時(shí)研制成功的“T7”螺旋壓塊機。聯(lián)邦德國KAHL系列作燃料降低了原材料的成本壓粒機及塊狀燃料爐已經(jīng)投入使用。意大利的阿基(2)燃燒充分,燃盡度高因不完全燃燒造成的普公司開(kāi)發(fā)出一種類(lèi)似與玉米聯(lián)合收割機那樣的大浪費降低型秸稈收獲、致密成型的大型機械能夠在田間將秸(3)利用生物質(zhì)纖維的網(wǎng)絡(luò )連結作用,可以顯著(zhù)稈收割、切碎榨汁、烘干、成型,生產(chǎn)出瓦棱狀固體提高生物質(zhì)成型燃料的強度從而省去粘結劑的使成型燃料,并研制出簡(jiǎn)易型燃燒爐具(s6)。用;也沒(méi)有后續烘千工序因此能大大降低加工成20世紀80年代,亞洲除日本外,泰國、印度、菲本律賓、韓國、馬來(lái)西亞已建了不少固化、碳化專(zhuān)業(yè)生1.3著(zhù)火燃燒性能好產(chǎn)廠(chǎng),并已研制出相關(guān)的燃燒設備。國外成型的主玉米秸秤等燃點(diǎn)較低的生物質(zhì)揮發(fā)分遠高于要設備有顆粒成型機( Pellet press),螺旋式成型機原煤,著(zhù)火性比煤好,易于點(diǎn)火,即使量少、燃燒強度( Extruder press)機械驅動(dòng)沖壓成型機( Piston presses弱,也不會(huì )造成滅火,提高了著(zhù)火性能。with mechanical drive)和液壓驅動(dòng)沖壓式成型機(Ps1.4配套工藝設備較齊全ton presses with hydraulic drive)(7)生物質(zhì)致密成型技術(shù)受到國外發(fā)達國家的普遍20世紀90年代日本、美國及歐洲一些國家生重視,并投入了大量的資金和技術(shù)力量研究和開(kāi)發(fā)物質(zhì)成型燃料燃燒設備已經(jīng)定型,并形成了產(chǎn)業(yè)化,致密成型技術(shù)。目前世界各地的成型燃料主要有兩在加熱、供暖、干燥、發(fā)電等領(lǐng)域已普遍推廣應用。種:壓塊( Briquette)和顆粒(Pelt成型機。根據成按其規中國煤化立和熱電聯(lián)產(chǎn)鍋爐型原理的不同成型機可分為:活塞成型機( Piston(Smllheat and power)螺旋式成型機( Extruder pres)、模壓顆粒成型 boilers)CNMHG:木材爐、壁爐、機( Matrix pellet press)和卷扭式成型機( Twist press)顆粒燃料爐、薪柴鍋爐、木片鍋爐、顆粒燃料鍋爐秸118稈鍋爐、其它燃料鍋爐( Wood stoves, Fireplaces,Pel-的壓縮成型機可分為2種:螺旋擠壓式成型( Extrud-let stoves, Boilers for wood chips、 boilers for pellets and er)和液壓沖壓式成型機( Piston presses with hydrauligrain、 Boilers for straw boilers for other fuels)。按燃燒dive),國內螺旋擠壓成型機在運行的曾有800多形式可分為:片燒爐、捆燒爐、顆粒層燃爐等(Chip-臺,單臺生產(chǎn)能力多在10~200kg/h之間,電機功fired boilers or cutting string- fired boilers, Batch-fred率7.5-18kW電加熱功率2-4kW,生產(chǎn)的成型燃boilers or small bale- fired boilers, Pellet- fired boilers料多為棒狀,直徑為50~70mm,單位產(chǎn)品電耗70~etc)8.10)。這些國家生物質(zhì)成型燃料燃燒設備具100kWh12.3。但目前有部分產(chǎn)品由于多方面有加工工藝合理、專(zhuān)業(yè)化程度高、操作自動(dòng)化程度因素影響而停產(chǎn)了。由此可看出國產(chǎn)成型加工設備好、熱效率高、排煙污染小等優(yōu)點(diǎn)。但相對與我國存在引進(jìn)及設計制造過(guò)程中都不同程度地存在這樣或在著(zhù)價(jià)格高、使用燃料品種單一、易結渣、電耗高等那樣的技術(shù)與工藝方面的問(wèn)題。螺旋擠壓設備磨損缺點(diǎn),不適合引進(jìn)我國。東南亞一些國家生物質(zhì)成嚴重壽命短(60-80h),耗電高,成型設備單臺生型燃料燃燒設備大多數為碳化爐與焦碳燃燒爐,直產(chǎn)率低,僅為100-980kg/h,規模小,不能滿(mǎn)足商業(yè)接燃用生物質(zhì)成型燃料的設備較少,同時(shí)這些燃燒化的要求。對秸稈壓縮成型基礎理論方面的研究很設備存在著(zhù)加工工藝差、專(zhuān)業(yè)化程度低熱效率低、薄弱,無(wú)法滿(mǎn)足生物質(zhì)壓縮成型設備開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)的排煙污染嚴重、勞動(dòng)強度大等缺點(diǎn)燃燒設備還未定需要。對秸稈成型燃料燃燒理論及燃燒特性方面的型,還需進(jìn)一步的研究、實(shí)驗與開(kāi)發(fā)。這些國家生物研究不夠深人,先進(jìn)的秸稈成型燃料專(zhuān)用燃燒設備質(zhì)成型燃料燃燒設備也不適合引進(jìn)我國。隨著(zhù)全球少,限制了秸稈成型燃料的大量生產(chǎn),嚴重制約了秸性大氣污染的進(jìn)一步加劇,減少CO2等有害氣體凈稈成型行業(yè)的發(fā)展。這就有待于人們去深人研究、排放量已成為世界各國解決能源與環(huán)境問(wèn)題的焦開(kāi)發(fā),逐漸解決秸稈在成型方面的問(wèn)題物質(zhì)成型燃料燃燒CO2的凈排放量基本我國秸稈成型原料豐富,成型后的燃料具有體為0,NOx排放量?jì)H為燃煤的1/5,S02的排放量?jì)H為積小,密度大,儲運方便,成型燃料致密,無(wú)碎屑飛燃煤的1/10,因此生物質(zhì)成型燃料直接燃用是世界揚,使用方便、衛生,燃燒持續穩定,燃燒效率高的特范圍內解決生物質(zhì)高效、潔凈化利用的一個(gè)有效途點(diǎn)。燃燒后,灰渣及煙氣中污染物含量小,是清潔能源,有利于環(huán)境保護,因此生物質(zhì)成型燃料是高效潔2.2我國生物質(zhì)成型燃料及燃燒設備發(fā)展現狀凈能源,可替代礦物能源用于生產(chǎn)與生活領(lǐng)域。成我國成型燃料開(kāi)發(fā)研究工作起步較晚,從20世型燃料的競爭力也會(huì )隨著(zhù)礦物能源價(jià)格上漲,對環(huán)紀80年代,由于能源危機,生物壓塊作為一種可再境污染程度增加及生物質(zhì)成型燃料技術(shù)水平提高、生能源得到人們的重視,便開(kāi)始對生物質(zhì)固化成型規模增大、成本降低而不斷增強。在我國未來(lái)的能燃料進(jìn)行研究?！捌呶濉逼陂g,中國林業(yè)科學(xué)院林產(chǎn)源消耗中將占有越來(lái)越大的比重,應用領(lǐng)域及范圍化工所通過(guò)對引進(jìn)的樣機消化吸收,系統地進(jìn)行了也逐步擴大成型工藝條件實(shí)驗完成了木質(zhì)成型設備的試制,并對生物質(zhì)成型燃料燃燒的理論研究和技術(shù)研究建成了年產(chǎn)1000棒狀燃料生產(chǎn)線(xiàn)。其后西北農業(yè)是推動(dòng)生物質(zhì)成型燃料推廣應用的一個(gè)重要因素。大學(xué)對該技術(shù)的工藝做了進(jìn)一步的研究和探討。先目前我國對秸稈成型燃料燃燒所進(jìn)行的理論研究很后研制出了X-7.5,Ⅸ-11,S-80A三種型號的少,對生物質(zhì)成型燃燒的點(diǎn)火理論、燃燒機理、動(dòng)力秸稈燃料成型機?！鞍宋濉逼陂g,作為國家重點(diǎn)攻關(guān)學(xué)特性、空氣動(dòng)力場(chǎng)、結渣特性及確定燃燒設備主要項目,中國農機院能源動(dòng)力研究所,遼寧省能源研究設計參數的研究才剛剛開(kāi)始。關(guān)于生物質(zhì)成型燃料所、中國林業(yè)科學(xué)院林產(chǎn)化工所、中國農業(yè)工程研究特別是秸稈成型燃料燃燒設備設計與開(kāi)發(fā)幾乎是個(gè)設計院對生物質(zhì)沖壓擠壓式壓塊技術(shù)裝置進(jìn)行了空白。20世紀以來(lái)北京萬(wàn)發(fā)爐業(yè)中心從歐洲(荷攻關(guān),推進(jìn)了我國對固化成型研究工作。隨著(zhù)生物蘭、比利時(shí))引進(jìn)、吸收、消化生物質(zhì)顆粒微型爐(壁質(zhì)致密技術(shù)和碳化技術(shù)的研究成果出現,我國生物爐、水暖爐、炊事?tīng)t具)。這些爐具適應燃料范圍窄質(zhì)致密成型產(chǎn)業(yè)也有一定的發(fā)展。20世紀9年代只適用木材制成的顆粒成型燃料,而不適合于以秸以來(lái)我國部分省市能源部門(mén)、鄉鎮企業(yè)及個(gè)體生產(chǎn)稈、野中國煤化工是秸稈、野草中含者積極引進(jìn)成型技術(shù),創(chuàng )辦生產(chǎn)企業(yè),全國先后40有較多個(gè)中小型企業(yè)開(kāi)展了這方面的工作,并進(jìn)行了產(chǎn)影響CNMHG極易形成結渣而國情。在我國業(yè)化生產(chǎn),形成了固化成型的良好勢頭。我國發(fā)展些單位為燃用生物質(zhì)成型燃料,在未弄清生物質(zhì)成型燃料燃燒理論及設計參數的情況下,盲目把原有燃料的燃燒特性和燃燒技術(shù)等方面做大量的基礎性的燃燒設備改為生物質(zhì)成型燃料燃燒設備,但改造工作,也需要繼續不斷的努力推廣成型燃料制造設后的燃燒設備仍存在著(zhù)空氣流動(dòng)場(chǎng)分布、爐膛溫度備及燃燒裝置場(chǎng)分布、濃度場(chǎng)分布、過(guò)量空氣系數大小受熱面布參考文獻置等不合理現象,嚴重影響了生物質(zhì)成型燃料燃燒〔1〕駱仲泱,周勁松,王樹(shù)榮,余春江,方夢(mèng)祥,岑可法正常速度與工作狀況。致使改造后的燃燒設備存在中國生物質(zhì)能利用技術(shù)評價(jià).中國能源204,26(9):39著(zhù)熱效率低,排煙中的污染物含量高,易結渣等問(wèn)題[2]Food and Agriculture Organization o the United Nations為了使生物質(zhì)成型燃料能穩定、充分燃燒,根 AO Environment and Energy Pape. The Briquetting of agric據生物質(zhì)成型燃料燃燒理論、規律及主要設計參數tural Waster for fuel, 1991, (11): 4-6[3)P D Grover, SK Mishra. Proceedings of the重新設計與研究生物質(zhì)成型燃料專(zhuān)用燃燒設備是非orkshop on Biomass Briqueting[ M]. New Delhi, India, 1996,32常重要的,也是非常緊迫的。2006年至今,吉林大學(xué)承擔了吉林省重大科技[4]Faborode M0, Callaghan J.R. Optimizing the compr發(fā)展計劃有關(guān)生物質(zhì)成型燃料及鍋爐的研究項目。 sion Briquetting of Fibrous Agricultural Materials((. Journal of A對生物質(zhì)成型燃料的理化特性、燃燒特性、排放特性 gricultural Engineering Research,1987,38(4):245-262.及成型規律等基礎性研究做了大量工作,研究成果〔5〕 Neale M.A. Research and Development for on-Fan具有一定的創(chuàng )新性和實(shí)用性。吉林大學(xué)研制出氣化 Straw Packaging Machines.Sumw: A Valuable material,hood燃燒換熱一體化生物質(zhì)鍋爐,經(jīng)吉林省能源利用檢tional Conference, Cambridge England, October測中心熱工檢測和吉林省環(huán)保產(chǎn)品質(zhì)量檢驗站環(huán)保987,120-132.[6]Dogherty M.J.A Review o the mechanical Behaviour o測試的結果表明,樣機各項指標已超過(guò)國內其它類(lèi) Straw When Compressed to high dens,Ae.EpBe型生物質(zhì)鍋爐的指標。1989,44:243-285.3發(fā)展生物質(zhì)成型燃料的前景[7]Ayhan Demiras, ayse Sahin. Evaluation of Biomass Reside(1)Briqueting Waste Paper and Wheat Straw Mixtures[J].Fuel中國是當今世界燃煤工業(yè)鍋爐生產(chǎn)和使用最多 Processing Technol,98,(55):85-19的國家。工業(yè)鍋爐總量已超過(guò)50萬(wàn)臺120萬(wàn)蒸噸,[8]J W Taylor, L. Hennah. The affect of每年燃用全國原煤產(chǎn)量的1/3燃煤使工業(yè)鍋爐的熱 ments during Briqueeting on the Strength of Formed效率降低,而且造成對環(huán)境的嚴重污染。據統計:我91,(70):80-85國每年排入大氣的污染物中,80%的CO2、79%的塵[9JLaunhardt Thomas. How Clean Do Chip Fumace.Bum埃87%的SO、69%的NO2來(lái)源于煤的直接燃燒。 measuring Emissions from Domestic Wood Chip Furnaces All ActBavaria[J]. Lan Technik, 1999, 54(1): 28-35.針對這種狀況,為了提高鍋爐熱效率和減少污染排[10]Faborode M0, Callaghan J. R. Theoretical Analysis of放在改進(jìn)工業(yè)鍋爐及配套產(chǎn)品結構的同時(shí),應同時(shí) the Compression of Fibrous agricultural materials). oumal of a改變工業(yè)鍋爐長(cháng)期燃用原煤的狀況,而發(fā)展和推廣 gricultural Engineering Research1935(3):170-19潔凈生物質(zhì)成型燃料是經(jīng)濟而有效的途徑〔11〕李保謙張百良,馬孝琴.液壓驅動(dòng)式秸稈成型技國家大力支持發(fā)展生物質(zhì)能源,2005年頒布了術(shù)研究及其產(chǎn)業(yè)化[C.00年國際可再生能源研討會(huì )論文《中華人民共和國可再生能源法》,200年農業(yè)部發(fā)集,20002-206布了《農業(yè)生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規劃》?！吨泄仓醒雵?2〕王民郭康權.秸稈制作成型燃料的試驗研究務(wù)院關(guān)于積極發(fā)展現代農業(yè)扎實(shí)推進(jìn)社會(huì )主義新農農業(yè)工程學(xué)報,193,.9(1):9-10B村建設的若干意見(jiàn)》提出,“以生物能源、生物基產(chǎn)品〔13〕何元斌.生物質(zhì)壓縮成型燃料及成型技術(shù)(二)和生物質(zhì)原料為主要內容的生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)是拓展農(.農村能源,195,(6):19-2〔14〕馬孝琴,李剛.小型燃煤鍋爐改造成秸稈成型燃料業(yè)功能促進(jìn)資源利用的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)”。生物質(zhì)成型燃鍋爐的前景分析(.農村能源01,(0):20-2料技術(shù)是生物質(zhì)能源推廣應用中的最經(jīng)濟可行的技〔15張永照,劉全勝,張永福.廢棄物燃燒特性的試驗術(shù)之一,符合國家的能源政策和環(huán)保政策,前景十分研究中國煤化工,11):42-46廣闊?？偟膩?lái)說(shuō),我國在生物質(zhì)成型燃料研究與國外業(yè)大CNMHG的研究(河南農相比還存在著(zhù)一定的差距,需要對我國生物質(zhì)成型120