生物质型煤技术研究

第24卷第1期煤炭转化2001年1月COAL CONVERSIONlan.2001生物质型煤技术研究毛玉如骆仲泱?)蒋林3)方梦祥2岑可法摘要生物质型煤是由原煤、生物质和固硫剂混合压制而成的一种新型型煤.生物质型煤技术将不可再生的化石能源与可再生的生物质能结合起来,具有综合利用能源和减少环境污染的双重功能.介绍了生物质型煤技术在国內外的发展现状,分析了生物质型煤技术的几个关键问题,论述了中国发展生物质型煤技术的重要性和工业化应用中存在的问题,展望了生物质型煤技术的发展前景及方向关键词生物质型煤,型煤,固硫,高压成型,工业锅炉中图分类号TQ534大体上可以分为三类:(1)生物质制浆后的黑液0引言如纸浆废液作为成型粘结添加剂;(2)生物质水解产物,如水解木质素、纤维素、半纤维素及碳氢化生物质型煤是指破碎成一定粒度和干燥到一定合物等作为成型粘结添加剂;(3)生物质直接和煤程度的煤及可燃生物质,按一定比例掺混,加入少粉混合,利用受热或高压压制成型.中国利用植物量固硫剂,利用生物质中的木质素、纤维素、半纤纤维和碱法草浆原生黑液、腐植酸钠渣等作复合粘维素等的粘结与助燃作用,经高压成型机压制而成.结剂,用氢氧化钠处理稻草制备的粘结剂生产型煤.生物质型煤水分低、挥发分高;在燃烧过程中,干德国、土耳其等国研究用糖浆作粘结剂,同时掺燥、干馏的时间短,挥发分易析岀,容易着火和点锯末和造纸厂废纸生产型煤.俄罗斯、乌克兰燃,透气性好;在燃烧过程中形成微孔,增大了与美国、英国、匈牙利等国用生物质水解产物作为粘空气的接触面积,因而能够充分燃烧,并能改变煤结剂生产型煤.美国、瑞典等国还用脱水泥炭和磨炭燃烧冒黑烟的现象,还能固硫和降低烟尘生成量;细的生物质混合、挤压、切割成型生产型煤.成型强度高,便于贮存运输.生物质型煤技术将不日本在面临石油危机的境况下开发了生物质型可再生的化石能源和可再生旳生物质能巧妙地结合煤技术,将粉碎后的农作物秸秆、原煤与固硫剂混在一起,具有如下优点:(1)预示着一种极有生命力合后经高压成型机压制而成,其中生物质占15%的复合新能源的诞生;(2)为生物质能大规模工业30%,固硫率可达80%,燃烧效率高达99%;日本化利用提供了可能的有效途径;(3)为中国工业型于1985年即在北海道建成了一座年产6000t生物煤加速发展与推广应用注入了新的活力;(4)对于质型煤的工厂,日本还试验生产了生物质型煤的小开辟能源新领域,合理高效的利用能源,减少大气型燃烧装置和专用燃烧设备.6日本很重视在中国污染和保护环境都有着极其重要的意义土耳其、澳大利亚、巴基斯坦和泰国等发展中国家推广应用其生物质型煤技术.7生物质型煤技术发展现状中国煤化玉临沂矿务局汤庄煤矿生物CNMHG底建成,是中国第一家根据生物质成型处理的不同方法,生物质型煤工业规模的生物质型煤生产厂.9该厂由日本政府1)博士生;2)教授、博士生导师;3)硕士生;4)中国工程院院士,浙江大学能源洁净利用与环境工程教育部重点实验室,310027杭州收稿日期:2000-11-18煤炭转化2001年的绿色援助计划(GAN)资助,临沂矿务局配套厂点.12,13房进行建设.该厂设计年产量为3万t,生产的型煤浙江大学、清华大学、哈尔滨理工大学、煤炭呈枕型,外观平整光滑,不破碎,无裂纹,粒度为科学硏究总院北京煤化学硏究所、杭州环境保护研40mm×40mm×25mm,热值为12.12MJ/kg~究所和沈阳环境科学研究所等单位也进行了生物质18.48MJ/kg,崩溃强度大于392N,固硫率大于型煤的部分开发工作和小型实验研究50%,含生物质10%~30%.设备安装运行期间存在许多问题,如烧后灰壳黑心、烟大、不耐烧等.2生物质型煤技术特点重庆市中日共同研究的生物质固硫型煤试验厂于1997年建成.该厂设计年产量为1万t,高压成生物质型煤是型煤中的一种新品,它除具有普型机由日本国际善邻协会赠送,安装调试成功后压通型煤的优点外,还有自己独特之处.根据生物质制岀的生物质和非生物质固硫型煤的初步燃烧测试型煤的实验室及工业测定可知:生物质型煤易着火表明,民用型煤可以获得较高的固硫率,工业固硫燃烧速度快;不冒烟,可固硫;燃烧充分,灰渣含型煤也有希望获得5%~70%的固硫率.该厂试验碳量低且不结渣.生物质型煤具有热效率高、灰分成功后将在重庆市普及推广,使重庆市日益严重的少、固硫率高、生产成本低等优点,既能节约能源酸雨问题得到有效的控制.0,1又能明显减少对大气的污染,具有综合的经济效益、成都市于1999年中日合作进行研究、试验生产环境效益和社会效益生物质型煤,型煤成型主机装置及其相关技术由日2.1生产工艺本庆应大学提供.用生石灰作固硫剂,Ca/S=1~2在原煤中添加生物质秸秆和木屑的混合物20%~生物质型煤生产工艺主要由烘干、粉碎、混合、30%,挤压固化成型,实际测得研制的生物质型煤高压成型等单元组成,生物质型煤生产工艺流程见具有易燃、固硫效果显著、未燃损失小等特图1.1313生产过程一般是:首先将原煤和准备掺入CrusherSulphurCrusherDryerMixerSizingBriquetterusherDryerDetectorMagnetic filter图1生物质型煤生产工艺流程g 1 Production crafts for bio-briquette的生物质分别进行烘干,将干燥后的原煤进行破碎,13.64:9.08.7成都中日合作的研究认为生物质生物质则加以碾碎,曆成微细粉末.然后将两者进型煤在成型之前,一定要控制混合成型的煤粉、生行充分混合,此时可根据原煤和生物质的特性,视物质和生石灰的水分小于5%,以便通过成型主机情况加入适量的粘结剂和固硫剂.最后将上述混合固化成型.23物一同送入成型机,在高压下压制成型.生物质型2.2抗压强度煤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)和城市生活垃圾V凵中国煤化工各项机械性能指标中最大新洁净煤厂将烟煤(肥煤)粉碎至3mm,干直CNMHG]一般而言,随着原煤可燥使其水分降为1%左右;生物质(玉米秸)切碎至曆性系数(HGⅠ)的不断增大,型煤的抗压强度逐步2mm~3mm,干燥使其水分降为10%左右;消石升高.含20%左右的生物质型煤和普通型煤的煤料灰固硫剂粉颗粒破碎至小于ω.mm,干燥使其水粒径与抗压强度具有不同旳关系(见第23页图2).分小于3%,三种原料混合的重量比为77.28当煤料粒径小于0.3mm时,生物质型煤的抗压强第1期毛玉如等生物质型煤技术研究23度随煤料粒径变细而升高很快,普通型煤随煤料粒径的变细却略有降低;当煤料粒径大于0.3mm时,随煤料粒径的増大,普通型煤和生物质型煤的抗压强度均下降,而生物质型煤的变化较为平缓;生物Coal-briquette质型煤的抗压强度平均比普通型煤高出25kg/cm2以上Coal particle size/mm在成型压力与其他条件一定的情况下,煤料成图2煤料粒径与型煤抗压强度的关系型时的粒径组成对生物质型煤抗压强度有显著的影F响(见图3).粒径小于0.2mm的成型原料含量越(CS) and coal particle size多,生物质型煤的抗压强度越高,而粒径在1mm~briquette;●—Coal- briquette3mm之间的成型原料含量越多,生物质型煤的抗图3成型原料粒径组成与生物质型煤抗压强度的关系Fig 3 Relationship between briquetting size containment and bio-briquette's compressive strength(CS)(a) Briquetting coal containment (<0. 2 mm): (b) Briquetting size containment (I mm-3 mm)压强度会逐渐降低.所以,国内外对煤成型粒径—与折算可燃基灰分成正比.生物质型煤点火的延迟般均要求在3mm以下时间与燃料种类、燃料的性质(挥发分、灰分、水2.3点火性能分等)、混料配比、主燃火焰温度、配风形式及大小等有关生物质型煤比原煤可燃基挥发分有所提高,在2.4燃烧机理点火的过程中,易燃的生物质率先点火放热,使生物质型煤在短时间内升温迅速达到着火点,使不易生物质型煤在燃烧的过程中呈多孔球燃烧有利点火的原煤也随之很快着火,而且随着生物质的迅于氧向内和燃烧产物向外的扩散,有利于加速传热速燃烧,在型煤中生物质燃料原来占有的体积迅速传质和保证充分燃烧,因而不会产生煤热解过程中收缩,型煤中空岀了许多孔道及空隙,使一个实心因为局部供氧不充分发生的热解析碳冒烟现象.生的球体变成了一个“多孔形球体”,这样就为氧气的物质型煤灰渣中残碳含量低,残余灰渣也难于粘结渗透扩散创造了条件,所以点火能深入到球面表层成块,一般呈香烟灰状,用手一捻即散.·8实验证下一定深度,形成稳定旳点火燃烧.在高压成型的明,用烟煤压制的生物质型煤在其燃烧时生成的煤生物质型煤中,其组织结构决定了挥发分的析岀及烟,用肉眼几乎看不岀来,煤烟的生成量只是原烟向型煤内部传递热量比较缓慢,所以形成挥发分点煤的115.生物质型煤燃烧充分,能顺利的实现层火逐步进行,且点火所需的氧气比原煤层状燃烧点状燃烧,使灰渣粘结成片造成通风不良的情况会有火时要少.从总体趋势上分析,生物质型煤的点火所中国煤化工温度更趋向于生物质的点火特性,而且点火温度变CNMHG⌒实质是属于静态渗透式化范围不大.4扩散燃烍,燃烷围统生物质型煤表面及不断地深随着生物质加入量的增多,生物质型煤点火温入到球内进行,少量的CO在空间燃烧.生物质型煤度呈降低的趋势,且掺入生物质种类的不同,生物燃烧特性既有着火容易、易燃炽优越可取的一面,又质型煤点火温度降低的程度不同(见第24页图4).存在灰壳阻碍气体扩散、降低燃烧速度的另一面.生生物质型煤点火温度与折算可燃基挥发分成反比,物质型煤要燃烧良好,最根本的原则是要实现有效煤炭转化2001年052图4点火温度与生物质含量的变化关系Fig 4 Relationship between burning temperature(BT) and biomass containmentO--Sawdust anthracite briquette; SAwdust sulphur coal briquette(a) Red-hot phase; (b) Flame phase合理的配风下的控温燃烧.理论上讲可能影响生物表1燃烧性质比较质型煤燃烧速度的主要因素包括生物质与煤的种Table 1 Comparison of combustion performance类、燃烧温度、燃烧时通风情况、固硫剂添加情况、Sample (1 ksFierce flame生物质不同掺量、生物质型煤外形与质量大小等Sulphur retention Ash/kg time/minFurong coa2.5固硫特性Coal briquette (Ca/$=2)0.442生物质型煤在成型过程中,不仅加固硫剂氧化0.318钙,而且加有机活性物质(如秸秆,锯木屑等),生Ca/s=2riquet物质型煤在燃烧过程中,随着温度的升高,由于这Ca/S=2,50.356些有机生物质比煤先燃烧完,碳化后留下空隙起到Ca/S=20.331膨化疏松作用,使固硫剂CaO颗粒內部不易发生烧Note: Adding sulphur retention additive(ferric结,甚至使孔隙率反而增加,增大了SO2和O2向CaO颗粒内的扩散作用,提高了钙的利用率,又有3应用前景分析利于固硫反应中先生成的CaSO3及时氧化成更耐高温分解的CaSO1,从而提高其固硫率.此外由于生中国目前块煤的产量难以满足工业锅炉燃用需物质型煤在成型过程中煤与固硫剂接触混合均匀,求,大多数工业锅炉基本上燃用粒度筛分很宽的未可以在较低的钙硫比下,使固硫率达到50%以上,经加工的散煤,在燃烧过程中普遍存在着燃烧效率同时生物质对生物质型煤在燃烧过程中起到的膨化低、机械不完全燃烧损失大、污染环境严重等问题疏松作用会增加燃烧时的空气流通量,使得生物质中国工业型煤在总体上虽已达到世界先进水平,但型煤的热效率不仅大大高于散煤,而且高于普通型还未形成规模产业,目前尚处于工业示范阶段,特别是锅炉型煤及其推广应用方面仍然有不少问题有待生物质型煤的燃烧过程表现为两个阶段:挥发完善解决.利用生物质型煤技术可以提高工业锅炉分燃烧阶段和煤焦燃烧阶段η,生物质型煤在燃烧热效率,削减污染物排放,减免除尘脱硫设备及其运初期时生成的SO3较少,燃烧中后期生成的SO较行维护费用,节约能源;还能有效的解决工业型煤需多,8:1提高型煤固硫率的关键是固硫剂的制备,求量大与生产水平有限技术不过关的矛盾,加速中要求固硫剂有尽可能大的比表面积,反应活性尽可国中国煤化工制生产、使用的积极性能高,同时要求固硫剂能耐较高的温度,并能使所为CNMHG应用注入新的活力再生成的硫酸盐在高温下不易分解.实验证实,在氧者,山王初能页彐丰富,但大多处于低效利化钙固硫剂的基础上加入适当的添加剂可以改善固用状态,目前的生物质能利用技术在近期内很难实硫效果.芙蓉煤、普通型煤、生物质型煤燃烧性质现工业化应用.∞生物质型煤技术使人类有可能实的比较见表1现工业化大规模的开发与利用生物质能,使工、农林业废弃物变废为宝,充分利用生物质能的可再生第1期毛玉如等生物质型煤技术研究25性,建立起可持续发展的能源系统,促进社会经济发此外,工业生产旳生物质型煤在高温热强度和固硫展与生态环境改善的协调进行率、防水性、生产成本等方面仍然存在一些问题有待生物质型煤虽然具有优良的燃烧性能和环保节完善解决能效应,但在中国尚处于实验室研究、工业试生产阶段,尚未形成规模产业技术经济因素阻碍了它的工4结束语业化发展应用.由国内外的经验可知,高压成型机是生物质型煤成型的关键设备.中国目前大部分是(1)生物质型煤技术理论上在中国应该有广泛万t/a的小型对辊成型机,成型压力一般只有500的应用前景和发展前途,因为既具备丰富的原料,又kg/cm2左右,高压成型因成型工艺尚不完善,未能有巨大的潜在市场.生物质型煤技术、产品的开发与大规模生产应用.日本的高压成型机采用液压传动,研制涉及多个学科门类,需要有丰富的煤燃烧、煤成成型压力达2t/cm2~5t/cm2以上,且压辊表面采型、生物质燃烧、生物质成型、优化配煤、机械设计等用高压耐曆材料成型机对辊的使用寿命长.引进国方面的知识外的高压成型主机及其配套设备价格惊人,设备成(2)目前国内众多高等院校、科研院所的深入本投资过高.某年产3万t生物质型煤生产线按20研究,试验、生产厂家的运行实践均为生物质型煤规年的使用寿命进行估算,每吨生物质型煤的设备折模产业的形成提供了可能,高压型煤成型主机及相旧成本为84.3元关设备的国产化,企业和公众环保意识的加强与提生物质型煤生产时需要将原煤、生物质、固硫剂髙必将有利的促进生物质型煤的推广应用粉碎至一定粒径才能进行混合,并要求烘干及严格3)生物质型煤技术今后的研究重点应该是开的水分检测、配比控制,同时还要进行磁选、筛选等发低成本、高固硫率和防潮抗水型适用于工业锅炉工序,这样,不仅增加了型煤的生产配套设备,而且燃用的生物质型煤,可以适量加入粘结剂或根据生还需要消耗大量的水、电、蒸汽、压缩空气,从而增加物质具体性能对其进行生物化学预处理以适当提高了生产成本.如某年产3万t生物质型煤生产线的其粘结力;可以通过应用人工智能、神经网络等先进电耗为530kW,水耗为5.ot/h,气耗为1.6t/h(7技术对多种煤配比及生物质配比的调整和配方的优kg/cm2),压缩空气量为180Nm3/h,若工业用电化设计,将生物质型煤的灰分、水分、挥发分、发热按ω.5元/W·h计,光电费一项,1t生物质型煤量、燃料比、粒径大小、反应活性、焦渣特性、热变形的生产成本即53元,再加上其他三项消耗和固硫特性等调整到有利于燃烧的最佳值和大幅度降低生剂、人工费用,1t生物质型煤比原煤要贵120多元,产成本,努力使之发展成国际上最先进的具有一流普通型煤一般1t只比原煤贵40元~50元,尚因生水平的高效清洁燃料,还可以设计生物质型煤专用产成本高而企业不愿主动接受,更何况生物质型煤.燃烧设备1]陈贵烽,曲思建,庞雁原,生物质工业型煤的技术特点及问题探讨,煤炭加工与综合利用,1994(2):13-1[2] Kleisa K, Lehmann J, Verfuss F et al. 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In this paper, the current development of bio-briquette technology in and abroad is intro-duced and the production crafts, compressive strength, firing(burning) performance, combustion mechanism and sulphur retention characteristics of bio-briquette are analyzed. What's morethe necessity for development of bio-briquette technology and some problems of industrializationin China are expatiated. At the end of this paper, the prospect and orientation of bio-briquettegy are disciKEY WORDS bio-briquette, coal briquette, sulphur retention, high pressure briquettingindustrial boiler中国煤化工CNMHG