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姚宗路1，趙立欣1，Ronnback M2，孟海波1，羅娟1，田宜水1
（1、農業部規劃設計研究院農村能源與環保研究所，北京100125；2、瑞典SP技術研究所能源部，瑞典布羅斯50115）
【摘要】采用歐盟生物質固體成型燃料標準（CEN/TC335）試驗檢測了中國和瑞典典型的10種生物質顆粒燃料，重點對中國的秸稈類顆粒燃料與瑞典的木質顆粒進行了對比，并分析其對燃燒特性的影響。結果表明中瑞兩國的生物質顆粒燃料都能滿足技術標準要求，瑞典木質顆粒具有較高的性能參數；中國的玉米秸稈顆粒燃料發熱量比瑞典木質顆粒低20.9％，揮發分低，燃燒后灰渣中的硅含量高20％，灰熔點低，燃燒后灰分多，易結渣，對燃燒設備有較高的要求。
引言
生物質顆粒燃料具有高效、潔凈、點火容易、CO2近似零排放等優點，可替代煤炭等化石燃料應用于炊事、供暖等民用領域和鍋爐燃燒、發電等工業領域，近幾年來在歐盟、北美、中國得到了迅速發展。尤其是在瑞典，顆粒燃料生產、消費一直呈上升趨勢，每年以8％～10％的速度增加，2008年瑞典生物質顆粒燃料消耗量達到185萬噸，顆粒燃料產業取得了巨大發展。我國自2006年以來，相繼出臺了一系列促進可再生能源發展的法律、政策、規劃、標準等，促進了我國生物質成型燃料的發展，但相比歐盟國家，我國的生物質成型燃料剛剛進入市場化推廣初級階段。
生物質顆粒燃料的一大優點就是能夠應用于小型生物質鍋爐中，通過顆粒燃燒器能夠實現連續自動燃燒。目前，在歐美等國家，一般居民家用的生物質顆粒燃料及配套的高效燃燒設備已經非常普及，但這些生物質顆粒燃料以木質顆粒燃料為主，具有熱值高、灰分低、燃燒后不易結渣等優點，而我國的生物質成型燃料以農作物秸稈為主，與瑞典的木質顆粒燃料相比，在物理特性、化學組分方面有著較大差別，導致燃燒特性存在差異，因此對成型設備、燃燒設備的技術、工藝參數的要求也不同。
本文采用歐盟生物質固體成型燃料標準（CEN/TC335）試驗分析中瑞兩國10種不同生物質顆粒燃料的參數，包括顆粒燃料的物理特性以及燃燒后灰渣的化學組分等，同時重點對中國典型的秸稈類顆粒燃料與瑞典的木質顆粒進行對比，分析其對燃燒特性的影響。
1試驗
選取瑞典生產的生物質顆粒燃料和中國生產的生物質顆粒燃料為試驗燃料，分別在瑞典SP技術研究所生物質顆粒燃料檢測中心和農業部規劃設計研究院生物質顆粒燃料檢測實驗室進行試驗。
1.1試驗燃料
試驗燃料包括瑞典和中國典型的10種生物質顆粒燃料。目前瑞典生物質顆粒燃料以林業剩余物為主，選擇市場上常見的木質顆粒，主要是由刨花加工而成，同時選取油菜稈、虉草、麥稈以及樹皮4種顆粒燃料作為對比分析，前3種顆粒燃料于2009年5月由瑞典農業大學生物質工程中心生產，樹皮顆粒燃料由造紙工業用樹皮加工而成。木質顆粒、樹皮顆粒燃料來自瑞典SodraCell公司，顆粒燃料均壓縮加工為圓柱型，直徑8mm，長度10～30mm。
我國的生物質顆粒燃料主要以農作物秸稈為主，選擇目前市場上常見的玉米秸稈顆粒燃料，同時選取棉稈、麥稈、落葉松、混合木質（楊樹、桃樹和紅松的混合物）等作為對比分析，所用生物質顆粒燃料于2009年7月在北京大興禮賢生物質顆粒燃料公司生產，由農業部規劃設計研究院研制的485型生物質顆粒燃料成型機壓制而成，顆粒燃料均壓縮加工為圓柱型，直徑8mm，長度10～30mm。
1.2試驗儀器與方法
試驗方法按照歐盟CEN/TC335固體生物質燃料技術規范進行測定，該規范主要針對木質顆粒燃料，并于2006年開始向歐盟標準轉換。
主要試驗儀器包括：GJ2型密封式化驗制樣粉碎機、XL1型箱式高溫爐、電熱鼓風干燥箱、VatioEL元素分析儀、ZDHW5型微機全自動量熱儀、HRA5型微機灰熔點測定儀、VISTAMPX型離子發射光譜儀、SZ114型往復式自動振篩機、BSA223SCW型分析天平、PL2002型電子天平等。
1.3測試參數
（1）堆積密度：根據單位標準體積的凈質量來計算堆積密度。
（2）顆粒密度：稱取一定量的生物質固體成型燃料樣品，通過測定樣品在空氣中質量與在隨后液體中測定質量的差值，來測定浮力，計算出樣品的體積，再計算出生物質固體成型燃料的顆粒密度。
（3）全水分：將生物質固體成型燃料樣品置于105℃的溫度下干燥至質量恒定，然后根據樣品質量損失并修正浮力作用計算出全水分。
（4）灰分：樣品在（550±10）℃加熱后剩余物的質量占樣品總質量的百分比來測定灰分。
（5）揮發分：樣品在（900±10）℃隔絕空氣的環境中加熱7min，扣除水分質量損失后，樣品質量損失占樣品質量的百分數來計算揮發分。
（6）機械耐久性：通過可控的振動，在試驗樣品之間、樣品與測試器內壁之間發生碰撞后，將已磨損和細小的顆粒分離出來，根據剩余的樣品質量計算機械耐久性。
（7）熱值：將樣品在自動量熱儀中燃燒測量其熱值。
（8）灰熔融性：將生物質顆粒燃料放在高溫爐中加熱，根據灰錐形態變化確定軟化溫度（DT）、變形溫度（ST）、半球溫度（HT）和流動溫度（FT）。一般用ST評定灰熔融性。
（9）元素分析：包括C、H、O、N、S、CL，其中C、H、O、N、CL測試是將生物質顆粒燃料燃燒后通過氣體色譜儀進行分離，再通過元素分析儀分離檢測其含量，S通過定硫儀檢測。
（10）灰渣的化學組成成分：燃燒后測試灰分，同時測量其灰渣中化學組成成分，測試金屬元素包括Si、Al、Fe、Ca、Mg、K、Na等。
2試驗結果與分析
2.1物理特性
測試后的生物質顆粒燃料的物理特性如表1所示。
（1）密度
顆粒燃料的堆積密度能夠影響能量密度，也影響生產者和消費者的運輸成本和儲藏成本。瑞典生物質顆粒燃料除樹皮的堆積密度大于瑞典生物質顆粒燃料的標準（SS187120）一級顆粒的參考值（600Kg/m3）以外，其他的為535～590Kg/m3，但均滿足二級顆粒燃料的標準要求（≥500Kg/m3），其中麥稈顆粒燃料的堆積密度最低。我國的生物質顆粒燃料的堆積密度為532～568Kg/m3，也均低于一級標準參考值，但都能滿足二級標準要求。
生物質顆粒燃料的顆粒密度能夠影響堆積密度和燃燒特性，顆粒密度越大，燃燒持續時間越長。瑞典木質顆粒燃料和樹皮顆粒燃料的顆粒密度能夠滿足SS187120的參考值（＞1.12g/cm3）要求，分別為1.18和1.14g/cm3，其他3種均低于該標準參考值；我國的生物質顆粒燃料的顆粒密度除麥稈的為1.08g/cm3以外，其余均在1.12g/cm3以上。
（2）機械耐久性
機械耐久性是顆粒燃料非常重要的參數，因為在用戶運輸、儲藏過程中，機械強度較低的顆粒燃料容易破碎，導致粉末增加，影響進料，同時在燃燒過程中，還影響煙氣的排放。瑞典生物質顆粒燃料標準中要求顆粒燃料的機械耐久性大于95％，結果表明所有的顆粒燃料均能滿足要求，瑞典的顆粒燃料中，木質顆粒機械耐久性最高，為97.8％，但其他幾種顆粒燃料相差不大。我國的燃料也具有較高的機械耐久性，表明我國秸稈類顆粒燃料的成型技術已經能夠滿足要求。
（3）低位發熱量
不同原料的顆粒燃料發熱量差異較大，瑞典木質顆粒燃料的發熱量為19.13MJ/Kg，而其他顆粒燃料的發熱量均低于木質顆粒，但均高于標準的參考值16.9MJ/Kg。我國的木質顆粒燃料的發熱量在13.15～16.83MJ/Kg之間，其中棉稈最低，為13.15MJ/Kg。相比瑞典木質燃料的發熱量，我國玉米秸稈顆粒燃料的發熱量要低20.9％。
（4）工業分析
工業分析包括全水分、揮發分、灰分和固定碳。從表1可知，除虉草顆粒燃料以外所有的顆粒燃料的水分都能夠滿足標準要求。尤其是瑞典木質顆粒最低，全水分為6.5％，相比木質顆粒，秸稈類顆粒燃料的全水分較高，尤其是瑞典虉草顆粒燃料，全水分為12％。這與成型工藝有關，鋸末全水分較高，一般超過50％，因此在成型前需要進行干燥，含水率在8％～10％再進行擠壓成型；而我國的秸稈原料經過預處理后，成型前含水率在10％～20％，但能夠滿足成型要求。
生物質顆粒燃料的揮發分通常是較高的，木質顆粒燃料的一般在76％～86％之間。瑞典木質顆粒燃料的揮發分為85.1％，而我國棉稈的揮發分僅為62.33％。
瑞典木質顆粒中的灰分最低，僅為0.3％，其次是樹皮顆粒，為3.4％，其他的秸稈類顆粒燃料較高；而我國的棉稈顆粒燃料灰分最高，為21.69％，其次是麥稈，為9.95％，玉米秸稈顆粒燃料與瑞典的秸稈類顆粒燃料灰分相差不大。
對于顆粒燃料中的固定碳，瑞典樹皮顆粒的較高（14.1％），而虉草的較低，為4.1％，其他的生物質顆粒燃料相差不大，在6％～9％之間。
2.2元素分析
生物質顆粒燃料C、H、O質量分數如表2所示，從表中可以看出，除我國的棉稈顆粒燃料C質量分數較低外，其他顆粒燃料相差不大，在45％～50％之間，瑞典木質顆粒燃料和樹皮顆粒燃料的C質量分數最高，分別為50.6％和52.5％；對于H，所有顆粒燃料相差不大，基本保持在6％左右。對于O含量，所有顆粒燃料相差不大，保持在40％左右。
對于不同顆粒燃料中的CL、S、N質量分數差異較大，從表2中可看出，木質燃料的CL、S、N要遠低于秸稈類顆粒燃料，其中棉稈顆粒燃料最高，其次是玉米秸稈顆粒燃料。
瑞典木質顆粒燃料中N僅為0.1％，遠低于其他顆粒燃料，虉草顆粒燃料最高，為0.59％；我國的棉稈顆粒燃料中的N最高，其次是玉米秸稈，分別為1.55％、0.98％。顆粒燃料中N較高，在燃燒過程中，將產生較高的NOx，這在Öhman M的試驗中已經證明，由于虉草顆粒燃料中的N比木質顆粒高，導致燃燒后煙氣中產生較多的NOx。
在瑞典木質、樹皮顆粒燃料中的S、CL是較低的，低于0.01％，而油菜稈、虉草和麥稈是較高的，尤其是在麥稈中，CL為0.71％。而我國玉米秸稈中的S為0.21％，遠高于瑞典木質顆粒。
2.3灰分、灰熔融性
由表3可知，瑞典木質顆粒燃料灰分最低，僅為0.3％，但虉草、麥稈類的灰分較高，與我國的玉米秸稈、麥稈相差不大，但我國的棉稈顆粒燃料灰分最高，為21.69％。
瑞典木質、樹皮、油菜稈以及虉草顆粒燃料的變形溫度在1340℃以上，其灰熔點已經達到作為燃料使用的要求，屬于難熔性灰，尤其是木質顆粒的灰熔點達到了1550℃。因此在燃燒過程中難以結渣，而麥稈的變形溫度僅為990℃，屬于易熔性灰。
我國5種生物質顆粒燃料中除落葉松的灰熔點較高（1389℃）能夠達到難熔性以外，其他的顆粒燃料灰熔點在1198～1213℃，屬于可熔性灰，因此在燃燒過程中容易結渣，而且灰分也較高。
2.4灰渣中化學成分
對各種生物質顆粒燃料燃燒后的灰渣以及灰分進行了分析，結果發現結渣最嚴重的是我國的玉米秸稈、麥稈、棉稈和瑞典的虉草顆粒燃料，其次是瑞典的麥稈和我國的混合木質顆粒燃料，而瑞典的木質顆粒燃料結渣現象最輕。
燃燒后瑞典生物質顆粒燃料灰渣中化學成分如圖1所示。木質、樹皮、油菜稈顆粒燃料灰渣的化學成分主要以Ca、K、Si為主，Ca最高，超過20％；木質、樹皮顆粒Al較高，其中木質顆粒中Al為7.7％；虉草顆粒中Si最高，達到35％，其他化學成分較低；麥稈中主要以K、Si為主，Si達到13％。
我國生物質顆粒燃料灰渣中化學成分如圖2所示。我國的落葉松、混合木質顆粒灰分也是以Ca、K、Si為主，與瑞典木質顆粒燃料相比，灰分中的Si較高；秸稈類顆粒燃料灰分中Si最高，基本在25％左右或更高，除Si元素外，秸稈類顆粒燃料中的堿金屬元素（K）及堿土金屬元素（Ca、Mg）也較高，尤其是麥秸的K元素高達14.17％。
2.5討論
試驗結果表明，瑞典的木質、樹皮顆粒燃料能夠滿足瑞典生物質顆粒燃料標準要求，我國的秸稈類顆粒燃料總體性能要低于瑞典顆粒燃料，但在堆積密度、顆粒密度、機械耐久性等物理特性方面相差不大，這說明我國在秸稈類顆粒燃料成型技術方面已經達到了國際水平，完全滿足要求。
發熱量方面，瑞典的木質顆粒燃料比其他樹皮、油菜稈、虉草、麥稈等顆粒燃料的發熱量要高7％～10％。這主要是由于木材的物理特性要優于秸稈，木質顆粒燃料具有較高的揮發分和灰熔點，揮發分含量為85.1％。揮發分的含量將影響熱分解和燃燒特性，在燃燒過程中揮發分將有利于生物質燃料的主要部分被蒸發，因此燃燒過程中易著火，且灰分少（0.3％），同時C和H作為顆粒燃料的重要組成部分，木質顆粒中的碳含量是較高的，分別為50.6％和52.5％，這也是其熱值要比秸稈原料顆粒燃料高的原因。我國林業資源匱乏，目前我國的生物質顆粒燃料主要以玉米秸稈類為主，由于秸稈物理特性劣于木材，揮發分和灰熔點較低，燃燒后灰分較高，我國玉米秸稈顆粒燃料發熱量較低，僅為15.13MJ/Kg，比瑞典木質顆粒燃料低20.9％。
通過對各種顆粒的元素分析可知，秸稈類顆粒燃料的CL、S、N含量較高，這可能導致燃燒后煙氣中較高的NOx，同時可能導致對燃燒設備有侵蝕。
一般來說，燃料中Si元素含量越高，燃燒后結渣趨勢越明顯，另外堿金屬元素（K、Na）含量越高，燃料結渣趨勢越明顯；堿土金屬（Ca、Mg）含量越高，燃料結渣趨勢越小。通過燃燒后對灰渣的化學成分分析可知，瑞典木質顆粒燃燒后灰渣主要以Ca、K、Si為主，其中Ca占45％，而Si占7％，因此燃燒后結渣現象不明顯；而我國的玉米秸稈顆粒燃料燃燒后灰渣中的Si為27.7％，比瑞典木質顆粒高20％，另外相比瑞典木質顆粒燃料，秸稈類顆粒燃料的灰熔點較低，因此燃燒后也發現秸稈類顆粒燃料灰分較高、結渣嚴重。因此針對秸稈類顆粒燃料，在選擇燃燒設備（如鍋爐、燃燒器）時應充分考慮燃燒后的清渣裝置。
3結論
（1）瑞典的木質顆粒燃料性能指標能夠完全滿足標準要求，發熱量、揮發分較高，我國玉米秸稈顆粒燃料性能指標略低于瑞典木質顆粒燃料，但能滿足標準要求。
（2）瑞典木質顆粒燃料發熱量為19.13MJ/Kg，相比樹皮、油菜稈、虉草、麥稈等顆粒燃料高7％～10％。我國玉米秸稈顆粒燃料發熱量為15.13MJ/Kg，比瑞典木質顆粒燃料低20.9％。
（3）瑞典木質顆粒灰熔點較高，燃燒后灰渣中的Ca占45％、Si占7％，而我國玉米秸稈顆粒燃料灰渣中Si為27.7％，因此瑞典木質顆粒燃燒后灰分少、灰渣少，我國的玉米秸稈顆粒燃料燃燒后灰分較高、結渣現象比較嚴重。
（4）針對秸稈類生物質顆粒燃料的特性，建議在生產過程中添加相關的抗結渣劑，以降低燃燒過程中的結渣現象、減少顆粒排放等，同時研究開發具有破渣、清灰機構的生物質顆粒燃燒器，以適應我國秸稈類生物質顆粒燃料。 |
