生物质成型燃料研究现状及进展

第27卷,总第154期〈节能技术》Vol 272009年3月,第2期ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGYMar.2009,No.2生物质成型燃料研究现状及进展苏俊林,赵晓文,王巍(1.吉林大学热能工程系,吉林长春130025;2.吉林大学汽运系,吉林长春130025)摘要:本文讨论了发展生物质成型燃料的意义,详细介绍了国内外生物质成型燃料的发展历程及现状,介绍了一些目前采用的新技术和存在的问题。最后对生物质成型燃料的未来进行了展望,指出生物质成型燃料在节能及环保方面将大有作为。关键词:生物质成型燃料;研究现状;发展应用中图分类号:TK16文献标识码:A文章编号: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发展生物质成型燃料的意义加工和使用有关,这些矿物燃料燃烧后放出大量的CO2、SO2、NO,被认为是形成大气环境污染、产生酸长期以来,石油、天然气、煤炭等化石燃料一直雨以及温室气体等地区性环境问题的根源是人类消耗的主要能源,并为人类经济的繁荣、社会我国是一个农业大国生物质能资源十分丰富的进步和生活水平的提高做出了很大的贡献。但仅农作物秸秆折合7亿t左右,而目前年实际使用是由于煤、石油和天然气等矿物资源是不可再生量仅为22亿t左右。因此我国的生物质资源的的,资源是有限的正面临着逐渐枯竭的危险因此利用还有很大的开发潜力①)。生物质能在我国商业它们不是人类所能长久依赖的理想资源。再者目前用能结构所占的比例极小。植物约有一半弃于荒野地球所面临的环境危机直接或间接的与矿物燃料的未能利用甚至焚烧不但利用水平低造成资源的严重浪费,且污染环境。所以充分合理开发使用生物质能国的能源利用环培和人类的生态环境,收稿日期2009-01修订稿日期20003-16中国煤基金项目:吉林省重大科技发展计划资助项目(20003加某化二重要的意义作者简介:苏俊林(1953-),男,博士,教授。研究方向:洁净燃CNMHG、液化燃料及固化烧技术锅炉及换热器强化传热,节能技术燃料。目前,在技术经济上最为可行的生物质能利用技术就是固化——即生物质能致密成型燃料技2生物质成型燃料的发展概况术生物质成型燃料的优点:21国外生物质成型燃料及燃烧设备发展现状1.1清洁燃烧随着社会经济的发展与人们生活水平的提高,(1)飞灰极少。生物质灰分一般少于3%(稻壳木材下脚料、植物秸秆的剩余量越来越大由于这些等除外),从而简化了燃烧装置的除灰设备。废弃物都是密度小、体积膨松,大量堆积,销毁处理(2)生物质成型燃料最主要燃烧成分是挥发分,不但需要一定的人力物力且污染环境因此世界一般含量在70%~80%以上,烟尘产生很少,不冒各国都在探索解决这一问题的有效途径2)。黑烟。美国在20世纪30年代就开始研究压缩成型燃(3)生物质的燃烧通常不会影响自然界碳的自料技术及燃烧技术,并研制了螺旋压缩机及相应的然循环即使不燃烧利用、不烧荒生物质也会在自燃烧设备,现有9个生产能力250vd的生产厂,另有然消化过程中放出CO。因此生物质能的排碳量6个州兴建了日产量为300的树皮成型燃料加工厂不会超出其生长期间所吸收的碳量从而实现CO及较多的专业燃烧设备厂(3)。日本在20世纪30年的零排放。代开始研究机械活塞式成型技术处理木材废弃物,(4)生物质本身N含量比煤少得多,这对于减1954年研制成棒状燃料成型机及相关的燃烧设备,少NO的生成非常有利1983年前后从美国引进颗粒成型燃料成型技术及(5)燃烧中SO,排放量较少。生物质含硫量相应燃烧设备,并发展成了日本压缩成型及燃烧的般少于01%,不需要烟气脱硫装置从而降低了成工业体系。到1987年有十几个颗粒成型工厂投人本,又有利环境保护。运行,年产生物颗粒燃料十几万吨,并相继建立了(6)降低重金属污染物的排放。研究表明煤中批专业燃烧设备厂(4,70年代后期,由于出现世界能源危机,石油价格上涨,西欧许多国家如芬兰、比含有多种微量元素如:As、Hg、V、Pb、zn、Se、Co、Ni利时、法国、德国、意大利等国家也开始重视压缩成C等,其中许多是有毒有老的重金属元素。而生型技术及燃烧技术的研究各国先后有了各类成型物质中基本不含重金属。机及配套的燃烧设备。法国近年来也开始研究压缩1.2优良的经济性(1)我国生物质资源丰富,价格低廉,用生物质块燃料及燃烧设备,并达到了应用阶段。比利时研制成功的“T7”螺旋压块机。联邦德国KAHL系列作燃料降低了原材料的成本压粒机及块状燃料炉已经投入使用。意大利的阿基(2)燃烧充分,燃尽度高因不完全燃烧造成的普公司开发出一种类似与玉米联合收割机那样的大浪费降低型秸秆收获、致密成型的大型机械能够在田间将秸(3)利用生物质纤维的网络连结作用,可以显著秆收割、切碎榨汁、烘干、成型,生产出瓦棱状固体提高生物质成型燃料的强度从而省去粘结剂的使成型燃料,并研制出简易型燃烧炉具(s6)。用;也没有后续烘千工序因此能大大降低加工成20世纪80年代,亚洲除日本外,泰国、印度、菲本律宾、韩国、马来西亚已建了不少固化、碳化专业生1.3着火燃烧性能好产厂,并已研制出相关的燃烧设备。国外成型的主玉米秸秤等燃点较低的生物质挥发分远高于要设备有颗粒成型机( Pellet press),螺旋式成型机原煤,着火性比煤好,易于点火,即使量少、燃烧强度( Extruder press)机械驱动冲压成型机( Piston presses弱,也不会造成灭火,提高了着火性能。with mechanical drive)和液压驱动冲压式成型机(Ps1.4配套工艺设备较齐全ton presses with hydraulic drive)(7)生物质致密成型技术受到国外发达国家的普遍20世纪90年代日本、美国及欧洲一些国家生重视,并投入了大量的资金和技术力量研究和开发物质成型燃料燃烧设备已经定型,并形成了产业化,致密成型技术。目前世界各地的成型燃料主要有两在加热、供暖、干燥、发电等领域已普遍推广应用。种:压块( Briquette)和颗粒(Pelt成型机。根据成按其规中国煤化立和热电联产锅炉型原理的不同成型机可分为:活塞成型机( Piston(Smllheat and power)螺旋式成型机( Extruder pres)、模压颗粒成型 boilers)CNMHG:木材炉、壁炉、机( Matrix pellet press)和卷扭式成型机( Twist press)颗粒燃料炉、薪柴锅炉、木片锅炉、颗粒燃料锅炉秸118秆锅炉、其它燃料锅炉( Wood stoves, Fireplaces,Pel-的压缩成型机可分为2种:螺旋挤压式成型( Extrud-let stoves, Boilers for wood chips、 boilers for pellets and er)和液压冲压式成型机( Piston presses with hydrauligrain、 Boilers for straw boilers for other fuels)。按燃烧dive),国内螺旋挤压成型机在运行的曾有800多形式可分为:片烧炉、捆烧炉、颗粒层燃炉等(Chip-台,单台生产能力多在10~200kg/h之间,电机功fired boilers or cutting string- fired boilers, Batch-fred率7.5-18kW电加热功率2-4kW,生产的成型燃boilers or small bale- fired boilers, Pellet- fired boilers料多为棒状,直径为50~70mm,单位产品电耗70~etc)8.10)。这些国家生物质成型燃料燃烧设备具100kWh12.3。但目前有部分产品由于多方面有加工工艺合理、专业化程度高、操作自动化程度因素影响而停产了。由此可看出国产成型加工设备好、热效率高、排烟污染小等优点。但相对与我国存在引进及设计制造过程中都不同程度地存在这样或在着价格高、使用燃料品种单一、易结渣、电耗高等那样的技术与工艺方面的问题。螺旋挤压设备磨损缺点,不适合引进我国。东南亚一些国家生物质成严重寿命短(60-80h),耗电高,成型设备单台生型燃料燃烧设备大多数为碳化炉与焦碳燃烧炉,直产率低,仅为100-980kg/h,规模小,不能满足商业接燃用生物质成型燃料的设备较少,同时这些燃烧化的要求。对秸秆压缩成型基础理论方面的研究很设备存在着加工工艺差、专业化程度低热效率低、薄弱,无法满足生物质压缩成型设备开发与生产的排烟污染严重、劳动强度大等缺点燃烧设备还未定需要。对秸秆成型燃料燃烧理论及燃烧特性方面的型,还需进一步的研究、实验与开发。这些国家生物研究不够深人,先进的秸秆成型燃料专用燃烧设备质成型燃料燃烧设备也不适合引进我国。随着全球少,限制了秸秆成型燃料的大量生产,严重制约了秸性大气污染的进一步加剧,减少CO2等有害气体净秆成型行业的发展。这就有待于人们去深人研究、排放量已成为世界各国解决能源与环境问题的焦开发,逐渐解决秸秆在成型方面的问题物质成型燃料燃烧CO2的净排放量基本我国秸秆成型原料丰富,成型后的燃料具有体为0,NOx排放量仅为燃煤的1/5,S02的排放量仅为积小,密度大,储运方便,成型燃料致密,无碎屑飞燃煤的1/10,因此生物质成型燃料直接燃用是世界扬,使用方便、卫生,燃烧持续稳定,燃烧效率高的特范围内解决生物质高效、洁净化利用的一个有效途点。燃烧后,灰渣及烟气中污染物含量小,是清洁能源,有利于环境保护,因此生物质成型燃料是高效洁2.2我国生物质成型燃料及燃烧设备发展现状净能源,可替代矿物能源用于生产与生活领域。成我国成型燃料开发研究工作起步较晚,从20世型燃料的竞争力也会随着矿物能源价格上涨,对环纪80年代,由于能源危机,生物压块作为一种可再境污染程度增加及生物质成型燃料技术水平提高、生能源得到人们的重视,便开始对生物质固化成型规模增大、成本降低而不断增强。在我国未来的能燃料进行研究。“七五”期间,中国林业科学院林产源消耗中将占有越来越大的比重,应用领域及范围化工所通过对引进的样机消化吸收,系统地进行了也逐步扩大成型工艺条件实验完成了木质成型设备的试制,并对生物质成型燃料燃烧的理论研究和技术研究建成了年产1000棒状燃料生产线。其后西北农业是推动生物质成型燃料推广应用的一个重要因素。大学对该技术的工艺做了进一步的研究和探讨。先目前我国对秸秆成型燃料燃烧所进行的理论研究很后研制出了X-7.5,Ⅸ-11,S-80A三种型号的少,对生物质成型燃烧的点火理论、燃烧机理、动力秸秆燃料成型机。“八五”期间,作为国家重点攻关学特性、空气动力场、结渣特性及确定燃烧设备主要项目,中国农机院能源动力研究所,辽宁省能源研究设计参数的研究才刚刚开始。关于生物质成型燃料所、中国林业科学院林产化工所、中国农业工程研究特别是秸秆成型燃料燃烧设备设计与开发几乎是个设计院对生物质冲压挤压式压块技术装置进行了空白。20世纪以来北京万发炉业中心从欧洲(荷攻关,推进了我国对固化成型研究工作。随着生物兰、比利时)引进、吸收、消化生物质颗粒微型炉(壁质致密技术和碳化技术的研究成果出现,我国生物炉、水暖炉、炊事炉具)。这些炉具适应燃料范围窄质致密成型产业也有一定的发展。20世纪9年代只适用木材制成的颗粒成型燃料,而不适合于以秸以来我国部分省市能源部门、乡镇企业及个体生产秆、野中国煤化工是秸秆、野草中含者积极引进成型技术,创办生产企业,全国先后40有较多个中小型企业开展了这方面的工作,并进行了产影响CNMHG极易形成结渣而国情。在我国业化生产,形成了固化成型的良好势头。我国发展些单位为燃用生物质成型燃料,在未弄清生物质成型燃料燃烧理论及设计参数的情况下,盲目把原有燃料的燃烧特性和燃烧技术等方面做大量的基础性的燃烧设备改为生物质成型燃料燃烧设备,但改造工作,也需要继续不断的努力推广成型燃料制造设后的燃烧设备仍存在着空气流动场分布、炉膛温度备及燃烧装置场分布、浓度场分布、过量空气系数大小受热面布参考文献置等不合理现象,严重影响了生物质成型燃料燃烧〔1〕骆仲泱,周劲松,王树荣,余春江,方梦祥,岑可法正常速度与工作状况。致使改造后的燃烧设备存在中国生物质能利用技术评价.中国能源204,26(9):39着热效率低,排烟中的污染物含量高,易结渣等问题[2]Food and Agriculture Organization o the United Nations为了使生物质成型燃料能稳定、充分燃烧,根 AO Environment and Energy Pape. The Briquetting of agric据生物质成型燃料燃烧理论、规律及主要设计参数tural Waster for fuel, 1991, (11): 4-6[3)P D Grover, SK Mishra. Proceedings of the重新设计与研究生物质成型燃料专用燃烧设备是非orkshop on Biomass Briqueting[ M]. New Delhi, India, 1996,32常重要的,也是非常紧迫的。2006年至今,吉林大学承担了吉林省重大科技[4]Faborode M0, Callaghan J.R. Optimizing the compr发展计划有关生物质成型燃料及锅炉的研究项目。 sion Briquetting of Fibrous Agricultural Materials((. Journal of A对生物质成型燃料的理化特性、燃烧特性、排放特性 gricultural Engineering Research,1987,38(4):245-262.及成型规律等基础性研究做了大量工作,研究成果〔5〕 Neale M.A. Research and Development for on-Fan具有一定的创新性和实用性。吉林大学研制出气化 Straw Packaging Machines.Sumw: A Valuable material,hood燃烧换热一体化生物质锅炉,经吉林省能源利用检tional Conference, Cambridge England, October测中心热工检测和吉林省环保产品质量检验站环保987,120-132.[6]Dogherty M.J.A Review o the mechanical Behaviour o测试的结果表明,样机各项指标已超过国内其它类 Straw When Compressed to high dens,Ae.EpBe型生物质锅炉的指标。1989,44:243-285.3发展生物质成型燃料的前景[7]Ayhan Demiras, ayse Sahin. Evaluation of Biomass Reside(1)Briqueting Waste Paper and Wheat Straw Mixtures[J].Fuel中国是当今世界燃煤工业锅炉生产和使用最多 Processing Technol,98,(55):85-19的国家。工业锅炉总量已超过50万台120万蒸吨,[8]J W Taylor, L. Hennah. The affect of每年燃用全国原煤产量的1/3燃煤使工业锅炉的热 ments during Briqueeting on the Strength of Formed效率降低,而且造成对环境的严重污染。据统计:我91,(70):80-85国每年排入大气的污染物中,80%的CO2、79%的尘[9JLaunhardt Thomas. How Clean Do Chip Fumace.Bum埃87%的SO、69%的NO2来源于煤的直接燃烧。 measuring Emissions from Domestic Wood Chip Furnaces All ActBavaria[J]. Lan Technik, 1999, 54(1): 28-35.针对这种状况,为了提高锅炉热效率和减少污染排[10]Faborode M0, Callaghan J. R. Theoretical Analysis of放在改进工业锅炉及配套产品结构的同时,应同时 the Compression of Fibrous agricultural materials). oumal of a改变工业锅炉长期燃用原煤的状况,而发展和推广 gricultural Engineering Research1935(3):170-19洁净生物质成型燃料是经济而有效的途径〔11〕李保谦张百良,马孝琴.液压驱动式秸秆成型技国家大力支持发展生物质能源,2005年颁布了术研究及其产业化[C.00年国际可再生能源研讨会论文《中华人民共和国可再生能源法》,200年农业部发集,20002-206布了《农业生物质能产业发展规划》。《中共中央国12〕王民郭康权.秸秆制作成型燃料的试验研究务院关于积极发展现代农业扎实推进社会主义新农农业工程学报,193,.9(1):9-10B村建设的若干意见》提出,“以生物能源、生物基产品〔13〕何元斌.生物质压缩成型燃料及成型技术(二)和生物质原料为主要内容的生物质产业是拓展农(.农村能源,195,(6):19-2〔14〕马孝琴,李刚.小型燃煤锅炉改造成秸秆成型燃料业功能促进资源利用的朝阳产业”。生物质成型燃锅炉的前景分析(.农村能源01,(0):20-2料技术是生物质能源推广应用中的最经济可行的技〔15张永照,刘全胜,张永福.废弃物燃烧特性的试验术之一,符合国家的能源政策和环保政策,前景十分研究中国煤化工,11):42-46广阔。总的来说,我国在生物质成型燃料研究与国外业大CNMHG的研究(河南农相比还存在着一定的差距,需要对我国生物质成型120