陳暉暉

(福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院，國家工業(yè)鍋爐質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(福建)，福建福州350008)

　　摘要：通過對福州六區(qū)七縣在用工業(yè)鍋爐用煤和生物質(zhì)顆粒燃料進(jìn)行檢測，分析煤和生物質(zhì)顆粒中的水分、灰分、揮發(fā)分、熱值、硫和碳?xì)涞胤治龅戎笜?biāo)，評價煤和生物質(zhì)顆粒質(zhì)量水平及兩者的優(yōu)缺點(diǎn)。

　　0引言

　　自《福建省燃煤鍋爐節(jié)能環(huán)保提升工程實(shí)施方案》發(fā)布以來，福州市逐步對10蒸噸/小時(含)以下的高污染燃煤小鍋爐進(jìn)行淘汰或改造。生物質(zhì)燃料以其可再生性及CO₂的近零排放特性開始受到廣泛的關(guān)注，用于鍋爐燃燒也具有較大的發(fā)展前景。在此背景下，福建省政府大力推廣生物質(zhì)成型燃料在工業(yè)鍋爐中的應(yīng)用，將燃煤層燃工業(yè)鍋爐改造成燃生物質(zhì)工業(yè)鍋爐。為全面了解和掌握福州地區(qū)在用鍋爐使用煤、生物質(zhì)顆粒燃料的質(zhì)量情況，本文通過對2018年地區(qū)內(nèi)在用煤和生物質(zhì)顆粒的水分、灰分、揮發(fā)分、熱值、硫和碳?xì)涞踉氐戎笜?biāo)進(jìn)行檢測，評價煤和生物質(zhì)顆粒質(zhì)量水平及優(yōu)缺點(diǎn)。

　　1準(zhǔn)備工作

　　1.1樣品的采集和制備

　　煤和生物質(zhì)分別隨機(jī)采取300個樣品。煤的采樣用煤堆法進(jìn)行，即分別在不同堆形均勻布置在頂、腰、底的部位上采取6個子樣，每個子樣約500g，總計3kg[1]。生物質(zhì)顆粒的采樣，以一個樣品為一個采樣單元，每個采樣單元分別采取6個子樣，每個子樣約500g，總計3kg[2]。用于全水分化驗(yàn)用樣品在實(shí)驗(yàn)室樣品混合充分后用EPS100×60密封式顎式破碎縮分機(jī)對其進(jìn)行縮分至500g。工業(yè)分析、熱值及元素分析用樣品，經(jīng)過烘干達(dá)到空氣干燥基后，破碎至粒度≤0.5mm，過篩、縮分至約100g。

　　1.2檢測儀器

　　BS124S電子分析天平、5E－MF6000智能馬弗爐、HY98－2全密封制樣破碎機(jī)、EPS100×60密封式顎式破碎縮分機(jī)、5E－MACIV紅外快速煤質(zhì)分析儀、5E－KC系列快速量熱儀、5E－S31100A測硫儀、5E－CHN2000元素分析儀。

　　2檢測與分析

　　檢測項目為：全水分、工業(yè)分析(空干基水分、灰分、揮發(fā)分、固定碳)的測定、收到基低位發(fā)熱量、全硫和碳?xì)涞Ｃ宽棛z測對同一樣品進(jìn)行2次重復(fù)測定，若測定結(jié)果超過測定方法中精密度規(guī)定，即重復(fù)性限的要求，則需要進(jìn)行第三次、第四次測定直至結(jié)果符合要求為止。

　　2.1全水分

　　煤、生物質(zhì)顆粒的全水分為外在水分和內(nèi)在水分的總和。參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 211-2007煤中全水分的測定方法[3]和GB/T 28733-2012固體生物質(zhì)燃料全水分測定方法[4]進(jìn)行測定，結(jié)果見表1。

　　由表1可知，煤的全水分總體上高于生物質(zhì)顆粒。鍋爐燃燒時燃料中較多的水分會降低燃燒溫度，不利于燃料的燃燒，甚至使著火發(fā)生困難；水分吸熱變成水蒸氣并隨煙氣排入大氣，使鍋爐效率降低；水蒸氣增加煙氣的體積，使引風(fēng)機(jī)的電耗增加。

　　2.2工業(yè)分析

　　參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 212-2008煤的工業(yè)分析方法[5]和GB/T 28731-2012固體生物質(zhì)燃料工業(yè)分析方法[6]進(jìn)行測定，結(jié)果見表2。

　　(1)內(nèi)水為在規(guī)定條件下一般分析試樣本身所具有的水分，又稱為空氣干燥基水分。分析試樣在達(dá)到空氣干燥后進(jìn)行內(nèi)水檢測，由表2可知，生物質(zhì)顆粒內(nèi)水總體而言略低于煤，全水分和內(nèi)水之間無明顯相關(guān)關(guān)系。

　　(2)灰分為燃料中的無機(jī)物，燃料灰分越高，可燃成分相對減少，熱值和燃燒溫度相對降低。燃燒時，燃料表面上的可燃物質(zhì)燃盡后形成的灰分外殼，隔絕了氧化介質(zhì)(空氣)與可燃物質(zhì)的接觸，使燃料難于燃燒完全，造成爐溫下降。固體狀態(tài)的灰粒沉積在受熱面上造成積灰，熔融狀態(tài)的灰粒吸附在受熱面上造成結(jié)渣，影響受熱面的傳熱，給設(shè)備的操作和維護(hù)帶來困難。灰分高的燃料燃燒后，會排出大量的煙塵和SO₂污染環(huán)境。此外，較高的灰分還增加了燃料采集、運(yùn)輸和粉碎的成本。由表2可知，生物質(zhì)顆粒的灰分比煤小，并且生物質(zhì)的灰分可用作農(nóng)田肥料。

　　(3)揮發(fā)分指燃料中的有機(jī)質(zhì)受熱分解后產(chǎn)生的可燃性氣體，它是由各種碳?xì)浠衔铩₂S、CO等化合物組成的混合氣體。揮發(fā)分過低，則鍋爐不易著火，難以保證鍋爐的穩(wěn)定燃燒。由表2可知，生物質(zhì)顆粒的揮發(fā)分明顯高于煤，所以生物質(zhì)燃料易引燃，可以與煤混合燃燒，提高燃燒效率。

　　(4)固定碳指燃料中的可燃性固體物，是燃燒產(chǎn)生熱量的主要成分。燃料的固定碳含量會影響燃料發(fā)熱值，由表2可知，固定碳數(shù)值高的試樣其收到基低位發(fā)熱量數(shù)值也相應(yīng)高。生物質(zhì)顆粒的固定碳含量明顯比煤低得多，其收到基低位發(fā)熱量也比煤低。

　　2.3全硫

　　全硫是指固態(tài)燃料中有機(jī)硫和無機(jī)硫的總和。參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 214-2007煤中全硫的測定方法[7]和GB/T 28732-2012固體生物質(zhì)燃料全硫測定方法中庫倫滴定法[8]進(jìn)行測定，結(jié)果見表2。燃料中的硫會腐蝕受熱面、風(fēng)機(jī)和污染空氣。由表2可知，生物質(zhì)顆粒的全硫含量比煤明顯低得多，最大值僅為0.14%，因此燃生物質(zhì)鍋爐不必設(shè)置脫硫裝置，既降低了成本，又利于環(huán)境的維護(hù)。生物質(zhì)顆粒全硫的標(biāo)準(zhǔn)偏差很小，僅為0.03%，說明生物質(zhì)顆粒原料來源含硫量組成穩(wěn)定，燃料顆粒加工過程中也不易帶入含硫物質(zhì)。

　　2.4發(fā)熱量

　　參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 213-2008煤的發(fā)熱量測定方法[9]和GB/T 30727-2014固體生物質(zhì)燃料發(fā)熱量測定方法中氧彈法[10]進(jìn)行測定，結(jié)果見表2。高位發(fā)熱量是指1kg燃料完全燃燒時放出的全部熱量，高位發(fā)熱量扣除煙氣中水蒸氣的汽化潛熱即為燃料的低位發(fā)熱量。因?yàn)榈臀话l(fā)熱量最接近工業(yè)鍋爐燃燒時的實(shí)際發(fā)熱量，常用于鍋爐熱力計算。由表2可知，煤和生物質(zhì)顆粒的熱值較為穩(wěn)定，生物質(zhì)顆粒的收到基低位發(fā)熱量普遍比煤低。

　　2.5碳?xì)涞?/p>

　　參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 476-2008煤中碳和氫的測定方法、GB/T 19227-2008煤中氮的測定方法、GB/T 28734-2012固體生物質(zhì)燃料中碳?xì)錅y定方法和GB/T 30728-2014固體生物質(zhì)燃料中氮的測定方法進(jìn)行測定，結(jié)果見表3。

　　燃料中碳、氫、氮含量的測定對于了解燃料的性質(zhì)、優(yōu)化鍋爐燃燒和減少環(huán)境污染有著十分重要的意義。由表3可知，福州市在用煤的含碳量為43.74%～60.11%，含氫量為2.36%～3.71%，生物質(zhì)燃料含碳量為43.75%～48.49%，含碳量普遍在4.84%～5.99%，碳?xì)渲驼既剂系?0%以上。生物質(zhì)燃料含碳量總體上比煤低，其中含碳量最高的也僅49%左右，相比煤的熱值較低，這與測得的低位發(fā)熱量相符。但生物質(zhì)釋放出的CO₂很低，相比煤可以認(rèn)為是CO₂零排放，可減少溫室氣體效應(yīng)。生物質(zhì)的含氫量與煤相比偏高，生物質(zhì)中大多數(shù)碳和氫結(jié)合成低分子的碳?xì)浠衔铮_(dá)到一定溫度后熱分解而析出揮發(fā)分，使揮發(fā)分明顯偏高，所以生物質(zhì)燃料易點(diǎn)燃。生物質(zhì)顆粒含氧量明顯高于煤炭，也是造成生物質(zhì)燃料熱值偏低的原因之一。

　　3結(jié)論

　　(1)根據(jù)檢測數(shù)據(jù)分析，按照GB/T 5751-2009中國煤炭分類方法，福州地區(qū)在用煤種主要是煙煤[11]。300個生物質(zhì)燃料樣品經(jīng)檢測均符合NY/T 1878-2010生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)條件的要求。

　　(2)分析比較煤炭和生物質(zhì)燃料的檢測數(shù)據(jù)，生物質(zhì)顆粒易于燃盡，燃燒后灰燼中殘留的碳量比煤少。生物質(zhì)灰燼是品位極高的優(yōu)質(zhì)有機(jī)鉀肥，可以制造化肥，實(shí)現(xiàn)廢物減量化、無害化、資源化利用，礦物燃料煤則難以做到。生物質(zhì)顆粒揮發(fā)分含量高，易點(diǎn)燃。生物質(zhì)顆粒含硫量極低，對環(huán)境的污染程度較低，同時，低含硫量不會對鍋爐造成腐蝕，可延長鍋爐的使用壽命。

　　(3)生物質(zhì)燃料的熱值低于煤，這是由于生物質(zhì)雖有較高揮發(fā)分但固定碳含量少，因此用作鍋爐燃料時，可以考慮生物質(zhì)與煤摻混燃燒，既保證燃料具有足夠的熱值又可以提高燃燒穩(wěn)定性。

　　(4)此外，生物質(zhì)顆粒燃燒所釋放的二氧化碳接近零排放，有助于緩解溫室效應(yīng)。生物質(zhì)顆粒燃料清潔衛(wèi)生，投料方便，減少工人的勞動強(qiáng)度，改善了勞動環(huán)境，企業(yè)可減少勞動力成本。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]GB/T 475-2008商品煤樣人工采取方法[S].

　　[2]NY/T 1879-2010生物質(zhì)固體成型燃料采樣方法[S].

　　[3]GB/T 211-2007煤中全水分的測定方法[S].

　　[4]GB/T 28733-2012固體生物質(zhì)燃料全水分測定方法[S].

　　[5]GB/T 212-2008煤的工業(yè)分析方法[S].

　　[6]GB/T 28731-2012固體生物質(zhì)燃料工業(yè)分析方法[S].

　　[7]GB/T 214-2007煤中全硫的測定方法[S].

　　[8]GB/T 28732-2012固體生物質(zhì)燃料全硫測定方法[S].

　　[9]GB/T 213-2008煤的發(fā)熱量測定方法[S].

　　[10]GB/T 30727-2014固體生物質(zhì)燃料發(fā)熱量測定方法[S].

　　[11]GB/T 5751-2009中國煤炭分類[S].