摘要：我國是煤炭生產和消費大國，大力開發和應用生物質顆粒燃料，適合我國國情也符合潔凈煤技術的發展趨勢。本文闡述了生物質顆粒燃料的資源優勢和產業前景，重點介紹了我國目前在生物質顆粒燃料產業化的關鍵粘結劑和設備的研究情況，指出了我國發展生物質顆粒燃料的發展趨勢。
關鍵詞：生物質顆粒燃料；生物質；煤炭；潔凈煤技術
    能源是支撐人類文明進步的物質基礎，是現代社會發展不可或缺的基本條件。未來相當長時期內，化石能源在中國能源結構中仍占主體地位，保護生態環境、應對氣候變化的壓力日益增大，迫切需要能源綠色轉型。生物質型煤( Bio - briquette)（生物質型煤也稱為生物質顆粒燃料）是生物質能源利用的重要方式之一，也是潔凈煤技術中的煤炭加工方式之一。生物質顆粒燃料是指在煤中按一定比例加入秸稈等可燃生物質和添加劑后壓制成型的潔凈能源產品。它充分利用煤和生物質自身的優勢，具有節煤和生物質代煤的雙重作用，可以把我國有限的煤資源，尤其是低質煤高效化、潔凈化利用，農林廢棄物資源化、能源化利用，是一種潔凈能源產品，可代替煤、燃油、燃氣，減少C02和S02的排放量，是解決我國散煤鍋爐對大氣污染較為理想、經濟的潔凈燃料之一，對保護環境和節約能源均具有重大意義。生物型煤與原煤相比，有成本低等優點，既能節省能源，又能明顯減少大氣污染，具有儲存、運輸和使用方便等特點。大力發展以生物質能為主的低碳生物質產業，部分替代和節約化石能源，有利于改善能源結構，減少二氧化碳排放，緩解和應對全球氣候變化。
1、生物質顆粒燃料的資源優勢
    生物質顆粒燃料主要的原料為生物質（秸稈）和煤炭。農作物秸稈是地球上最豐富的生物質可再生資源。國家農業部2010發布的《全國農作物秸稈資源與評價報告》顯示，2009年全國農作物秸稈理論資源量為8.20億t（風干，含水量為15%）；考慮到收集過程中的損耗，估算2009年全國農作物秸稈可收集資源量約為6. 87億t，占理論資源量的83.8%。其中秸稈除作為肥料、飼料、燃料、種植食用菌基料、造紙等工業原料外，廢棄及焚燒量約為2.15億t，占31. 31%。廢棄及焚燒的秸稈等于耕地、淡水、化肥和其他農業投入品等資源的浪費，不利于農業資源的節約和循環轉化利用。在秸稈的再生利用過程中，排放的C02與秸稈再生時吸收的C02達到碳平衡，具有C02零排放的作用，對緩解和最終解決溫室效應問題具有潛在的貢獻價值，富通新能源生產銷售的秸稈顆粒機、木屑顆粒機專業壓制生物質成型顆粒燃料，秸稈顆粒機壓制的顆粒燃料如下所示： 生物質顆粒燃料，需要根據生物質和煤的原料特性（見表1），依據煤化學和燃燒學理論，通過成型工藝和化學工藝，改變生物質、煤炭的化學特性和燃燒性能，以改變和大大減少煤煙型大氣污染和提高煤熱效率。
表1 生物質（秸稈）和煤的對比

種類	生物質（秸稈）	煤（煙煤）
元素分析	0含量高而C含量低	C含量高而0含量低
化學成分	纖維素、半纖維素和木質素	縮聚的芳香結構
發熱量／(MJ/kg)	14～20	25.68
平均含硫量／%	0.38	1
平均灰分／%	9.33	27
著火溫度	低	高
資源分布	分布廣泛但分散	區域集中，區域分布不均
產量	受季節、氣候等影響穩定，形成周期相當短	產量穩定，逐年上升，形成周期相當長
運輸特點	單位體積能量密度低，不利于運輸	單位體積能量密度高，易于運輸
可再生性	可再生，可持續供應	不可再生

2、生物質顆粒燃料產業前景
    世界經濟的發展仍然嚴重依賴于煤炭的消耗。然而，大量煤炭的非潔凈開采、利用帶來了嚴重的環境污染，已成為制約我國可持續發展必須面對的重大問題。目前，中國大氣污染物中煙塵排放的70%、S02排放的90%、C02排放的80%，NOx排放的70%是由煤炭燃燒造成的，70%~80%以上的汞也主要來自煤炭直接燃燒排放的煙氣。發展潔凈煤技術，特別是生物質顆粒燃料技術，控制C02和S02排放，不失為一項現實、經濟和可行的措施。煤炭污染并非是煤炭自身的問題，是由于人們對它的開采、加工和利用方式粗放才引致的。環境問題與能源本身無關，而是取決于使用能源的技術和方式。以煤炭為主的能源消費結構在相當長一段時間內不會發生改變，發展潔凈煤技術，推動實現潔凈煤產業化是當前適合國情的能源結構優化措施。與原煤燃燒相比，型煤是提高燃燒效率和減少污染的最有效的方法之一，目前已進入商業化生產階段。
    目前技術、經濟條件下，發展生物質顆粒燃料，將煤炭加工成為高效和清潔能源，實現可再生能源與化石能源一定程度的聯合，部分替代和節約化石能源，有利于改善能源結構，減少二氧化碳排放，緩解和應對全球氣候變化，與燃用原煤相比從節能、環保、經濟等方面具有明顯的優勢。生物質顆粒燃料產業是低碳經濟發展、清潔能源替代方面的最佳契合點和切人點。生物質顆粒燃料、可使秸稈等生物質和煤炭資源可就地轉化，不僅減輕了運輸壓力，還改變了煤炭行業只銷售煤炭初產品的單一產品模式，秸稈資源不能實現高值化利用的現狀。以生物質顆粒燃料為突破口的潔凈煤技術以解決環境污染問題為主導，節能與環保效益相當可觀，應用領域廣泛，有著十分廣闊的市場前景。
3、生物質顆粒燃料產業化的關鍵
    生物質顆粒燃料涉及煤炭能源的高效清潔低碳化利用、生物質的高值化利用，生物質顆粒燃料產業的發展也受到資金、政策、技術等各方面的制約。目前關鍵是研制來源廣、適應性強的廉價防水粘結劑和提高型煤的熱態性能。
3.1生物質顆粒燃料粘接劑的研究
型煤粘結劑是決定型煤品種及其質量的關鍵輔助原料，直接決定型煤的冷熱強度、防水性、熱穩定性和燃燒性等指標。若要開發出優質型煤，首先要開發出適用于型煤的黏合劑。生物質黏結（添加）劑來源廣泛，價格低廉，具有較高的發熱量，經過處理后有較好的黏結性，生產的型煤燃點低。因此，生物質黏結（添加）劑具有廣闊的發展前途。生物質黏接劑的研究現狀見表2。
表2 生物質粘結劑研究現狀

生物質	處理方式	機理分析
稻草秸稈	1% NaOH溶液改性	改性生物質具有黏結作用；堿液濃度與纖維的降解程度成正比；生物質纖維的降解程度直接影響其制得型煤的機械強度。
稻草和鋸木屑	石灰處理	石灰濃度是影響改性稻草黏結性能的主要因素，石灰能去除稻草的彈性。經處理的生物質與膨潤土、焦油或聚丙烯酰胺混合制備復合粘結劑，這種黏結劑防水且能進一步提高型煤的強度。
小麥秸稈	水浸～堿煮	改性生物質纖維形成的立體網狀結構是型煤的骨架，小麥秸稈在處理過程中降解，生成液態小分子化合物及其他物質，與過量堿液等共同組成型煤黏結劑，在型煤內部起黏結作用。
玉米秸稈	氫氧化鈉（氫氧化鈣）水解	玉米秸稈氫氧化鈉水解產物中未分解纖維物質在型煤中起黏結作用，糖類物質以及果膠、單寧等物質也具有黏結作用；玉米秸稈中富含的非金屬元素硅，與氫氧化鈉t#用生成的硅酸鈉類物質也具有黏結性；這兩類組分將附著于煤粒表面起黏結作用。
玉米秸稈和小麥秸稈	1%～2%的NaOH溶液改性	秸稈在90℃經NaOH處理改性后，產生具有黏結作用的糖類以及果膠、單寧等物質，固化后可形成復雜的空間網狀結構會網羅大量煤粒。一定濃度范圍內，隨著NaOH濃度的增加，改性后秸稈的木質索分解更為完全，產生的黏性物質更多，因而能更均勻地與原料煤混合，型煤強度也更高。
小麥秸稈和玉米秸稈	Ca(OH)2石灰處理	Ca(OH)2將秸稈纖維素和木質素分離，成為生物質黏結劑的主要成分，并且處理液中的Ca(OH)2最終轉化為各種難溶性鈣鹽，和植物纖維一起作為黏結劑的有效成分，從而使型煤具有較好的機械強度和防水性能。
蘆竹和象草	250℃熱處理	在適當的溫度內生物質軟化、液化，一定的壓力使軟化的木質素與纖維素緊密黏接，并與相鄰煤炭顆粒互相膠結，在外力作用下，生物質和煤炭顆粒可以開始重新排列位置關系，并發生機械變形和塑性流變。此外，還發生了部分化學反應。

3.2生物質顆粒燃料的設備研究
    生物質顆粒燃料產業化的整體進步，不僅僅是黏結劑的開發，還有成型機開發、生物質顆粒燃料專用鍋爐研制等，需要統籌安排和巨額投入。
3.1生物質顆粒燃料成型工藝和設備
    生物質顆粒燃料成型工藝分為冷壓成型和熱壓成型，我國大多數型煤廠家都采用添加黏結劑的冷壓成型。北京文新德隆有限責任公司研制成功的濕法低壓對輥成型，解決生物質顆粒燃料生產能耗高、粉碎和黏合成型難關，填補國內外生物質顆粒燃料生產領域一項空白。
以成型機為核心的成型設備需要保證連續穩定運行，提供合適的成型壓力和成型溫度，我國的成型壓力機長期以來存在著成型壓力偏低，快速磨損等問題，因而造成成型過程中返料率高、型煤強度低等。蔡克波公開了一種生物質顆粒燃料機用成型裝置，變原來的錐形攪龍為平行攪龍，使得經過平行攪龍擠壓的原料進入到模具中，模具包括了外模、中模和動態內模，原料經模具定型后向外推出扇形型煤，該生物質顆粒燃料機用成型裝置有效減小了原料成型時對機械部件的磨損，并且型煤加工工藝簡單，成本低廉，顯著提高了型煤的產量。
    由于成型機理和成型工藝及設備的研究滯后，制約了生物質顆粒燃料產業的發展，需要更多的借鑒相對成熟的生物質成型燃料的成型技術與設備，結合生物質顆粒燃料的原料特性和產品要求，加大生物質顆粒燃料成型技術與設備的研究。
3.2生物質顆粒燃料鍋爐
    鍋爐是生物質顆粒燃料的利用終端，要求高效節能環保，由于生物質含有鋁、鈣、硅等元素容易結渣而影響燃燒，氯、鉀、鈉等元素容易沉積腐蝕，目前對生物質顆粒燃料的燃燒特性研究還不夠充分，國家也無響應標準，造成燃燒效率低、設備結渣腐蝕。并且生物質顆粒燃料和煤的燃料特性有所不同，在著火性能、能量密度和燃燒特性方面有較大區別，設計生物質顆粒燃料專用鍋爐或改造燃煤鍋爐成為生物質顆粒燃料產業化的關鍵之一。北京雄財技貿集團開發的生物質顆粒燃料鍋爐在燃燒方式、爐體結構等方面實現了技術突破，采用“雙向逆流聚焰燃燒”原理設計熱源機，煙氣在爐膛里燃盡，而且爐渣含炭量低于4%，運行熱效率達到81.81%，與同等熱功率的散煤鍋爐相比，節能95%以上。
    現有的燃用生物質顆粒燃料鍋爐基本上是根據燃煤層燃鍋爐為原型設計的，這種爐型一般采用通倉配風，爐拱分為前、后拱且不可調節變動，這樣的結構不利于生物質顆粒燃料的著火以及穩定燃燒，且普遍存在著鍋爐啟動時冒黑煙的問題。浙江金鍋鍋爐有限公司發明的燃生物質顆粒燃料的工業鍋爐，在鍋爐的爐體內設置有前拱和前部呈“叉”型的后拱，爐體內的后拱為可調式，可根據生物質顆粒燃料的燃燒情況調節后拱的開度，從而促進其高效穩定地燃燒；在鍋爐啟動時，使隔離門處于關閉狀態，高溫煙氣經引風機抽出，然后通過爐排下面的末級風倉進入爐膛，從而實現了在第一燃燒室和第二燃燒室之間的封閉循環；該設計不僅提高了一次風的溫度，改善了燃料的燃燒條件，而且加快了鍋爐的啟動速度，解決了鍋爐啟動時冒黑煙的問題；在爐膛上部設置了二次風管，用以提供燃燒后期所需空氣及增加煙氣的擾動，從而降低燃料的不完全燃燒熱損失，提高鍋爐熱效率；還可實現鍋爐的整裝出廠。
    我國工業鍋爐熱效率低的主要原因是實際供應的煤質與鍋爐設計的煤質不相符。我國現有的工業鍋爐及窯爐均非燃生物質顆粒燃料爐，在改燒生物質顆粒燃料時存在的問題的解決有待于生物質顆粒燃料鍋爐原理、設計和制造的不斷完善改進。
4、生物質顆粒燃料產業展望
    能源和環境問題是實現可持續發展的關鍵。中國處于工業化、城鎮化加快發展階段，能源需求會繼續增長，能源供應和環境保護任務更加艱巨。以生物質顆粒燃料為突破口的潔凈煤技術是解決中國煤煙型環境污染問題、能源利用率低，實現可持續發展的必然選擇。生物質顆粒燃料發展形勢利好，但需要更大的市場推廣力度和研發力度，需要企業、政府和社會的共同努力。
    (1)大力開發粉煤以及煤泥、煤矸石等低熱值煤為原料的適用于工業爐窯燃用的生物質顆粒燃料。減少煤泥、煤矸石造成的污染，降低型煤成本，為煤炭的清潔燃燒提供了一條行之有效的途徑。
    (2)生物質顆粒燃料、粘結劑、固硫劑等評價方法尚不完善，亟需開發評價裝置，制定相應的質量標準，規范產業無序競爭。
(3)改進和完善現有的生物質顆粒燃料成型技術及設備，進行配套的工程化技術設計與集成優化研究，實現生物質顆粒燃料工藝可控化．過程集約化，操作規范化，裝備大型化和效率現代化。
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