生物燃料的特点范文

导语：如何才能写好一篇生物燃料的特点，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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【关键词】生物质燃料；燃煤锅炉；节能

1、引言

某木制品公司使用一台YGL-350MA型有机热载体锅炉作为供热动力，由于其厂内产生了大量的木削废料，可作为燃料使用，因此就直接采用木削作为有机热载体锅炉燃料，导致锅炉热效率十分低下，其能效问题尤为突出，造成了很大的浪费，也产生了多余的排放。根据现场测试和燃料的分析，发现锅炉日常生产使用负荷情况下，锅炉热效率为43.16%，与相关法规要求的锅炉热效率相差很大。所以本文就现场测试数据和燃料分析，结合锅炉结构特点，以找出燃料变化引起热效率低下的原因，分析小型燃煤锅炉直接使用生物质燃料引发的节能问题。

2、生物质燃料的分析与燃烧特点

所谓生物质燃料，是包括植物材料和动物废料等有机物质在内的燃料，是最古老燃料的新名称。通常我们说的谷壳、木削、茎状农作物、花生壳、树皮、锯末等，总之是以往农业社会常用的燃料，随着工业的发达慢慢不用而废弃，现在却发现这些燃料产生的污染远远低于现代工业的主要燃料-煤。所以这几年出现了许多的专门用于生物质燃料的锅炉，同时也有许多燃煤锅炉改造成燃烧生物质燃料，但真正能充分利用燃料的实例很少。

2.1 生物质燃料的成分分析

以上某木制品公司的木削经检测工业成分分析：收到基灰分为7.32%，收到基水分为13.32%，干燥无灰基挥发分为83.57%，收到基低位发热量为14425kJ/kg ；另一公司使用谷壳作为燃料经检测工业成分分析：收到基灰分为12.65%，收到基水分为12.28%，干燥无灰基挥发分为78.81%，收到基低位发热量为13142kJ/kg。综合长期检测数据，各种生物质燃料的工业成分分析如表1。

根据以上成分分析可得出，生物质燃料的挥发分、H的含量高，说明其易燃烧且燃烧的速度快，能适应炉膛水冷条件高的锅炉，同时产生的烟气量比煤多，所以炉膛要比普通的燃煤锅炉要大。也正因为挥发分、H的含量高，燃料时产生了大量水蒸汽，吸收了大量热，且C含量相对较少，所以生物质燃料的低位发热量相对较低。同样出力的锅炉，如燃料为生物质，其需要燃料量要比烟煤多出近一倍。

2.2 生物质燃料开发及燃烧特点

生物质燃料通俗一点说，就是农林产品的副产品，生物质燃料的利用就是一个变废为宝的过程，生物质燃料的来源广泛，易得，适合农产品加工行业的锅炉使用。我国十分重视生物能源的开发和利用。生物质燃料颗粒产品在我国推广应用还很少，我们还是直接进行燃烧为主，其燃料燃烧状况也不容乐观，燃料热值利用还很低。因为生物质燃料本身被认为是废料利用，从企业管理层到政府管理层都对其真正高效地利用不够重视。

现在生物质燃料燃烧往往不彻底，浪费极大，主要原因是使用单位不了解生物质燃烧燃烧的特点，现分析如下：

（1）生物质燃料挥发分、H的含量高，单位重量的燃料需要氧气量较烟煤多。

（2）生物质燃料都很轻，燃料燃烧时一般随着烟气一边飘一边燃烧，如引风过大或烟气流程短，可能燃料会在尾部烟道中还在燃烧，严重威胁引风机的运行，也造成浪费。

（3）部分生物质燃料有“爆竹”现象，出现喷火，应注意，避免烧伤。

3、燃煤锅炉使用生物质燃料现状

在广大的农村，以往的我们现称之为生物质燃料的产品都放在田间地头燃烧，作为肥料使用，使田间到处弥曼着白烟，同时污染环境。在使用生物质燃料时，这些使用单位大部分未改造炉膛就直接使用生物质燃料，这样燃烧时锅炉房内往往是“乌烟瘴气”的，燃料乱堆乱放，燃料热值的利用很低。燃烧过程中产生的烟灰往往堵塞烟道，使锅炉正火燃烧，产生浪费，锅炉出力也往往不足。

4、使用生物质燃料的燃煤锅炉热效率简单测试

锅炉热效率简单测试是一种利用锅炉热反平衡的方法来测量锅炉热效率的方式。所谓锅炉热反平衡就是测量出锅炉运行各种部位和形式的能量损失，扣除这些能量损失的百分比，得出锅炉热效率。这种方法能更好检测出锅炉运行过程中能量浪费的重点所在，能够通过检测、分析，能抓住解决锅炉能效问题的关键，从而因地置宜的提出解决方案。

5、燃煤锅炉使用生物质燃料提高锅炉热效率的建议

根据以上能量损失检测，目前大部分使用生物质燃料的燃煤锅炉主要能效问题是：（1）排烟温度很高，一般会达到400℃以上，主要生物质燃料在尾部烟管内继续燃烧引起的；（2）气体未完全燃烧热损失高，尾部烟气CO含量高，由于燃料的飞动易使局部氧气供应缺少，使气体未完全燃烧；（3）固体未完全燃烧热损失高，也是因为燃料的飞动并燃烧，有的未完全燃烧就进入烟囱。相对这些问题提出以下锅炉改造建议：（1）严格控制风量及炉膛负压，降低烟气流动速度，降低燃料飘动速度；（2）扩大炉膛体积，才能增加燃料量，使之出力不会因使用生物质燃料而明显下降，拆除所有炉拱，生物质易点燃，炉拱作用不大，而且灰渣很少，也可降低炉排高度；（3）在炉膛出口处增加二次风，阻挡大量燃料飞走，并增加烟路中氧含量使燃烧能顺利进行。

6、结束语

随着生物质燃料的广泛应用使，用生物质燃料的燃煤锅炉的改选工作已显得尤为重要，生物质燃料的产业化也将形成，它有益于我国现行的能源利用结构，有益于节能降耗的基本国策。

参考文献：

[1] 孙达卫，贾连发，张宏伟. 锅炉的三种热效率.广州；暧通空调.2001.6

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新型案例教学设计

基于对微生物燃料电池多年的研究基础及对环境工程专业的认识，笔者总结了微生物燃料电池与以下课程的结合。

1.水质工程学教学

微生物燃料电池作为一种有应用前景的新技术，近年来得到广泛关注，也取得了进展。而微生物燃料电池可以作为案例，引入到水质工程学的教学中来。在讲授生物处理部分，可以引入微生物燃料电池这项新技术。首先需要向学生讲清楚微生物燃料处理废水的原理。在微生物燃料电池阳极室内，同时发生着厌氧生物处理、电化学氧化、生物氧化与生物混凝等多个过程，并逐一介绍此四个过程的原理特征。然后向学生介绍当前应用微生物燃料电池技术进行污染处理的研究状况。近年来，一系列富含生物可降解有机物的废水，在微生物燃料电池中逐渐被尝试用来产电，同时废水本身得到降解。在介绍完整体研究状况后，任课教师可以根据熟悉的特征废水，展开而深入地向学生展示。需要提及的是，氮污染控制是当下环境保护工作的重点，微生物燃料电池处理含氮废水是该技术在废水处理领域最重要的应用之一，也与中国地质大学（北京）以地下水污染防治为特色的环境工程教学特点密切相关。微生物燃料电池生物脱氮的研究最早开始于2004年，研究者发现当阴极电势控制在-500mV时，微生物能够直接以阴极作为电子供体将NO3-还原[7]，这对微生物燃料电池处理含氮废水的实际应用具有十分重要的意义。同时也需要向学生说明，当前受制于材料成本，微生物燃料电池处理废水还只停留在实验室研究，还未真正应用。这样既向学生传授了生物水处理的相关知识，又激发学生进行深入了解研究的动力，培养了学生善于思考与联想的能力。在讲授水处理系统部分时，在讲解完生活污水传统的处理工艺的基础上，可以针对当下相对难以处理的工业废水，介绍基于微生物燃料电池的新型处理工艺。如笔者所在的课题组尝试用UASB-MFC-BAF的组合工艺处理糖蜜酒精废水[8]，高效去除污染物的同时，并获得1410.2mW/m2的最大功率密度。其中，在UASB单元高效去除COD并进行硫酸盐还原，MFC单元氧化硫化物的同时产电，BAF单元去除色度并降解苯酚衍生物。与常规工艺的结合为MFC在污水处理方面的应用提供了新的思路，成为一种很有前途的处理方式。这除了向学生传递了水处理工艺的相关知识，也示范了工艺组合的特点与基本规律，培养了学生讲自己所学的水处理技术融会贯通，灵活运用的能力。

2.固体废物处理处置工程教学

堆肥处理是主要的资源化技术之一，在讲到堆肥部分时，可以介绍微生物燃料电池固体废物堆肥中的应用案例，即微生物燃料电池既可以处理废水，也可以处理固体废物，展示了该技术良好的发展前景。其在固体废物堆肥中，底物不需要频繁更换，而且有机质含量高，堆肥过程自身产热可提高温度，为堆肥过程中形成的高度复杂的微生物种群的富集和生长提供了更加稳定的外部环境，当前以厨余垃圾和园林肥料为原料的堆肥微生物燃料电池也已经有报道[9]。剩余污泥是城市污水处理厂运行中最为头疼的问题，在讲授城市污水处理厂剩余污泥处理处置部分时，可以着重介绍微生物燃料电池在剩余污泥资源化过程中的应用，微生物燃料电池可以将剩余污泥中的化学能转化为最清洁的电能，为污泥资源化提供了新的思路。具体包括直接利用剩余污泥与间接利用剩余污泥两方面，前者是直接以剩余污泥为燃料，在输出电能的同时，能达到良好的污泥减量效果；后者是分别以剩余污泥微波预处理上清液与剩余污泥发酵产生的挥发性脂肪酸作为燃料，可以有效地资源化利用剩余污泥，同时达到污泥减量的目的。将此类案例介绍给学生，既可以传授了固体废物资源化与处置的相关知识点，又可以激发学生的学习热情，提高教学质量，并且进一步培养了学生环境工程意识和环境工程研究的能力，进一步培养了学生分析和解决环境工程实际问题的能力。

3.环境学教学

环境学是环境类专业本科生的专业基础课程，旨在使学生正确理解和掌握与环境问题有关的基本概念、基本知识以及基本原理，以便为学习后续课程奠定必要的基础。而微生物燃料电池与其课程教学也有密切联系，可以成为增强教学效果的有力工具。污染物是环境工程的处理目标，而污染物指标是检验环境技术优劣的标准，在水体污染教学方面，五日生活需氧量（BOD5）的含义与测定是教学中的一项重要内容。常规BOD5测定主要采用呼吸法，该法测定较为复杂，而且耗时长，基于微生物燃料电池工作原理的BOD5传感器具有良好的应用前景，其电流或电压与污染物浓度呈现良好的线性关系，而且能够快速响应，并且测量范围较宽，结果具有良好的重复性，因此成为微生物燃料电池实际应用领域较为重要的直接应用方向。在利用微生物燃料电池类型的传感器测定BOD5时，以待测废水为阳极液，通过之前测定的电压与浓度对应关系，读取电压值，便可换算为BOD5的浓度。此测定方法发现电池转移电荷与BOD5之间呈明显的线性关系，相关系数达到0.99，标准偏差为3%~12%。而且微生物燃料电池类型的BOD5传感器响应快，恢复能力强，当污水浓度发生变化时，电流滞后1h即可达到稳定。而且微生物燃料电池型BOD5测定方法的另一突出优点是可连续运行，无需路外保养。通过介绍微生物燃料电池在测定BOD5中的应用，可以加深学生对BOD5的理解，传授了水体污染指标的概念，也培养了学生触类旁通、理论联系实际的能力。在环境学课程讲授中，会涉及全球的能源与环境问题，也会提到一些新型的清洁能源如氢能、核能等。此时可以介绍微生物燃料电池电助产氢的相关知识，这也是微生物燃料电池可能直接利用的主要形式。根据电化学理论，电解水的分解电压为1.6V，而在无氧气存在的条件下，在双室微生物燃料电池阴极施加一个远小于水的分解电压的小电压（一般小于0.8V），可以促进外电路转移至阴极的电子和阳极转移至阴极的质子结合而生成氢气，从而达到利用微生物燃料电池系统产生氢气的目的，该工艺产生的氢气纯度较高，并可以积累和储存以及运输，克服了以前微生物燃料电池输出功率低、无法直接应用的缺点，从而促进微生物燃料电池技术朝着实际应用又迈进了一步。这一方面可以吸引学生更深的了解微生物燃料电池技术，而且培养学生的研发兴趣与爱好，另一方面传授了氢能等清洁能源的相关知识，拓展了氢能的来源，启发了学生深入探究、勤于联想的能力，取得良好的教学效果。

课堂教学实践

在中国地质大学（北京），笔者主要参与环境工程专业基础课与专业课的教学。在实际教学中，将微生物燃料电池的研究心得与实际教学相结合，对教学起到很好的促进作用。如在环境专业基础课有机化学的教学中，在讲授烯烃部分时，讲到石墨烯作为微生物燃料电池阳极的优点，更多地利用了其比表面积大、易于微生物附着的特征，促进了微生物燃料电池的产电与污染物去除，使得学生对于石墨烯的应用有了更直观的认识，对教学起到了促进与拓展的作用，符合当下理论联系实际的教学思路。在环境专业主干课环境生态学的教学中，将水生生态系统部分引入微生物燃料电池的概念，介绍了产电微生物的工作原理及特性，并介绍了沉积物微生物燃料电池的工作原理及应用，这不仅向学生传递了水生生态系统中的环境微生物的类群与功能，以及污染物在水生生态系统中的迁移转化规律等知识点，而且可以使学生明晰微生物燃料电池的在其中所起的作用，形象地展示了微生物燃料电池参与污染迁移转化的过程，对于此部分知识的教学，起到很好的促进作用。讲到这些案例时，学生的学习热情都比较高涨，教学效果明显提升。可见微生物燃料电池确实是良好的教学载体，有助于提高环境工程教学的质量，笔者在后续教学中还需进一步完善提炼。

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[关键词]生物质 能源使用现状 参考数据 燃烧

[中图分类号]U676.3 [文献码]B [文章编号]1000-405X（2013）-6-187-1

1 生物质资源概述

1.1 生物质燃料的概念

生物质的原料主要为玉米等农作物的秸秆、稻草、稻壳、木屑、芦苇、蒿草、树枝、树叶等生物质废弃物。这些农林剩余物经粉碎、混合、挤压、烘干等工艺，最后制成颗粒状燃料，可直接作为生物质燃料熄灭，具有熄灭时间长、炉膛温度高、经济实惠等特性，因而能够作为煤炭、自然气、电、油等能源的补充以至是替代能源。

1.2 我国能源使用现状

如今我国大力倡导能源的利用效率，以高新技术开发低污染、可再生的新能源，逐步取代石油，煤，天然气等不可再生能源，是解决能源危机和环境问题的重要途径。在我国冬季采暖常用的方式就是应用煤炭、燃油供暖。耗能高、污染大，是这些供暖方式是有很大的弊端的。一到冬季，矿物质燃料在供暖中的大量运用，严重地污染着我们身边的空气环境。国内能源专家普遍以为：生物质燃料是很好的清洁性可再生能源，在环保形势日益严峻的今天，应该依据实践，以生物质燃料取代煤、油燃料。

据调查，采用生物质燃料的取暖锅炉，1小时耗费生物质颗粒约8kg，依照冬季取暖时节5个月计算，共需求耗费生物质颗粒约124吨，以每吨650元计，需求消费近9000元，相比过去燃煤的破费，每个冬季可俭省1612元，并且无污染，有利于维护环境。此外，当前采用电、油、燃气的供暖及供气企业，由于各类清洁燃料价钱的上涨，迫切需求清洁、经济的替代燃料。因而物质燃料锅炉的推行具有重要意义。

2 锅炉生物质能技改项目概况

2.1 锅炉工况的分析

减少和防止锅炉四管漏泄要从备件的运行操作和检修工艺等最基本方面人手，坚持预防为主，质量第一的方针。组织由锅炉检修、锅炉运行、热工、电气、化学、金属和热力试验人员组成的攻关小组，做好基础工作，分析原因，提出合理的措施，开展长期、经常性的防止受热面漏泄的工作。进行了较为全面的工业性试验。根据锅炉生物质料层的高度和布置要求，对燃煤锅炉的前墙水冷壁管进行重新设计制作，增加前锅炉的排表面的距离，增大其空间，对生物质粉料喷口和二次风，增加链条炉排长度并在炉前新设片状生物质小料斗，根据热力计算工况增大省煤器受热面，以适应生物质燃料燃烧特性。

2.2 炉内壁温

锅炉内壁温随负荷的变化。从炉内壁温曲线上可以看出，炉内壁温随着负荷的增加而增加，同时总体壁温水平偏高。处于水平烟道右侧和入口在三通涡流区中的管壁温水平最高。这是热偏差与水利偏差相叠加的结果，实际运行证明了这一点，该管在管材提高档次前常发生爆管。炉内壁温测点采用金属喷涂法安装热电偶，测量值是正误差，曾做过标定，试验值偏高10℃-15℃。热偏差在通过调节炉膛火焰中心位置以达到调节再热气汽温的目的。燃烧器下摆，炉膛出口烟温下降，各级受热面的壁温也随着下降，对改善对流受热面的运行条件，作用是非常明显的。调整好喷嘴角度，由于喷嘴角度检修不当，使火焰冲刷水冷壁及炉墙而结焦。应根据结焦规律和炉膛结构调整喷嘴方位，一般是将火焰尽可能调向炉膛中心中心切圆附近以减少结焦。在此使用优质生物质在锅炉内燃烧，在稳定燃烧区域比较集聚。生物质燃烧得很干净，不留过多灰烬。同时在大量增加燃烧量的情况下，加大鼓引风至最大保证其压力平衡，可以降低其燃烧热度。并且能源节省也很明显。

2.3 锅炉燃烧生物质与煤的燃料特性对比及燃烧特点

生物质中硫的含量极低，基本上无硫化物的排放。所以，利用生物质作为替代能源，对改善环境，减少大气中的CO2含量，在“温室效应”都有极大的好处。因此，将生物质作为化石燃料的替代能源，便能向社会提供一种各方面都可被接受的可再生能源。下面表2典形生物质成型燃料和煤的工业分析及元素分析

分析表2生物质成型燃料的特点：

（1）灰分少，燃烧得充分，残余量极少，利于减少锅炉排热损失。

（2）相比与煤炭生物质含量很高，一般超过50%，它的含氧量也多于煤炭，容易燃烧火势旺。然而，碳的含氧量较低，因此它的发热值较相对低，要想达到锅炉的热力，必须加大燃料供给量，同时还要满足完全燃烧的条件。

（3）生物质的硫的含量极低，对环境的保护的相当有益的，污染空气指数小。

从矿物能源资源有限和因大量使用会造成环境状态恶化的战略观点出发，结合我国拥有丰富生物质资源的现实，逐步发展工业锅炉生物质的燃烧技术，对节约常规能源、优化我国能源结构，将有积极意义。

常规热电联产业配备的燃煤锅炉进行改燃生物质的改造，取得了成功，为我国家节能减排工作作出了贡献。对新能源的开发利用做好榜样，起到了较好的实践示范作用。同时为各企业今后的发展开启先导。

3 结语

在发展中国家中，好的锅炉能提高效率减少燃料垃圾的收集的排放，使得生活环境得到提升，新的先进技术替代陈旧的工业市场中的燃烧技术。在生物能源项目和市场规模不断扩大。在各类市场应用大规模的转换装置的趋势将会持续。增加燃料适应性，降低风险，使得费用最小化，并通过将燃煤锅炉改造为生物质能锅炉其节能减排的功效较为明显，同时也将生物质能利用效率大大提高。采用规模经济对生物质能整体来说非常重要。能源系统的发展是个整体，生物质的使用将日渐成为人们生产运输燃料或生物材料的重要工具。

参考文献

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我国生物质资源(农作物秸秆)丰富，但利用率不高。为了高效利用生物质资源，本文就生物质成型燃料的加工技术与装备进行初步研究，以探讨综合利用生物质资源的技术途径。

一、影响生物质成型燃料加工装备性能的因素分析

1、生物质原料的来源与特点

我国是农业大国，农林废弃物资源十分丰富。我国每年总量约有7亿吨的农作物秸秆，另外，我国每年还有大量的林业采伐和林木制品加工厂产生的废弃物。如枝桠、小径木、板片、木屑等，总量也近1亿吨。生物质成型燃料。是以枝条、树皮、秸秆等农林剩余物为原料。这些原料具有来源广泛、分散、种类多、质地不统一等特点。决定了成型燃料加工技术与装备的设计必须做到满足原料来源的广泛性、多样性和方便灵活性。

2、生物质成型燃料的特点要求与使用对象

生物质成型燃料是将生物质原料经过粉碎、调质等处理，在高压条件下，压缩成颗粒状且质地坚实的成型物，除应具有比重大、便于贮存和运输、着火易、燃烧性能好、热效率高(是直接燃烧的5倍以上)的优点外。还应具有灰分小、燃烧时几乎不产生SO2、不会造成环境污染等优点。可作为工业锅炉、住宅区供热、农业暖房及户用炊事、取暖的燃料。成型燃料的这些特点。决定了成型燃料加工技术与装备的设计必须在充分考虑生物质原料特点的基础上，保证生物质原料的粉碎细度达到成型的要求，燃料成型的密度、成型设备的有关模板、模孔、压辊等成型关键部件，在尽可能满足吨料加工能耗较少，加工关键设备使用寿命较长，加工的成型燃料性能具有较好的燃烧性能的要求下，应具有实用性、适应性和经济性。

3、生物质成型燃料加工技术与设备的国内外现状

成型燃料有颗粒状和棒状两大类。根据成型主要工艺特征的差别，国内外生产生物质压缩燃料的工艺大致可划分为湿压(冷压)成型、热压成型、碳化成型等3种。按成型加压的方法不同来区分，技术较为成熟、应用较多的成型燃料加工机有辊模挤压式(包括环模式和平模式)、活塞冲压式(包括机械式、液压式)、螺旋挤压式等三种机型，其中辊模挤压式成型机采用的是湿压(冷压)成型工艺，活塞冲压式、螺旋挤压式成型机都采用的是热压成型工艺。

国外开发工作始于20世纪40年代。1948年日本申报了利用木屑为原料采用螺旋挤压方法生产棒状成型燃料的第1个专利，60年代成立了成型燃料行业协会。70年代初，美国研究开发了环模挤压式颗粒成型机，并在国内形成大量生产。瑞士、瑞典、西欧等发达国家都先后开发研究了冲压式成型机、辊模挤压式颗粒成型机。其中已有120多年历史的世界著名饲料机械生产企业――德国卡尔公司(Kahl)生产的动辊式平模制粒机，不仅能生产中低密度的颗粒饲料，而且还能生产较优高密度的颗粒燃料，成品产量大、能耗低而且质量好，在欧洲和东南亚国家使用较为广泛。在最早开发螺旋挤压成型燃料生产技术的日本也有采用环模颗粒成型机加工木屑成型燃料的大型生产企业。如今，固化成型燃烧在日本、欧、美等地已经商品化，在丹麦的一座叫阿文多的发电厂，还利用木屑压缩颗粒来发电。1985年日本平均每户家庭消耗成型燃料达750kg。1985年美国生产成型燃料达200万t以上。

我国从20世纪80年代中期起开始了成型燃料的开发研究，一方面组织科技攻关，另一方面，引进国外先进机型。经消化、吸收，研制出各种类型的适合我国国情的生物质压缩成型机。用以生产棒状、块状或颗粒生物质成型燃料。全国现有生物质压缩成型厂35个。生物质成型燃料的种类按其密度分为中密度(800―1100Kg/m3)和高密度(1100―1400kg／m3)二种，前者适宜于家庭炉灶或小型锅炉用，也可满足自动炉排机械加料的大型锅炉用，后者更适于进一步加工成为炭化产品。

国内主要的几种成型燃料生产技术的现状分述如下：

1)螺旋挤压技术

螺旋挤压成型技术是目前生产生物质成型燃料最常采用的技术，尤其是以机制炭为最终产品的用户，大都选用螺旋挤压成型机。

1990年中国林科院林产化学工业研究所与江苏省东海粮食机械厂合作，完成了国家“七五”攻关项目――木质棒状(螺旋挤压)成型机的开发研究工作，并建立了1000t／年棒状成型燃料生产线；1 993年前后，中国大陆的一部分企业和省农村能源办公室从日本、中国台湾、比利时、美国引进了近20条生物质压缩成型生产线，基本上都采用螺旋挤压式，以锯木屑为原料，生产“炭化”燃料。棒状成型燃料的形状为直径50*10-3m2左右、长度450*10-3m2左右，横截面为圆形或六角形，每根重约1Kg，用于蒸发量≤1000kg／h工业锅炉或民用炉灶。

国内现已有包括陕西武功县轻工机械厂、河南省巩义合英实业公司等在内的近十家厂家生产此种类型的设备。

螺旋挤压成型机的优点是：

①成品密度高。以木屑、稻壳、麦草等为原料，国内生产的几种螺旋挤压成型机加工的成型棒料的密度都在1100～1400Kg／m3。

②成品质量好、热值高，更适合再加工成为炭化燃料。

螺旋挤压成型机的缺点是：

①产量低，目前国产设备的最高台时产量不到150Kg／h，距离规模化生产的产量要求相差较大。

②能耗高，粉料在螺旋挤压成型前先要经过电加温预热，挤压成型过程的吨料电耗就在90Kwh／t以上。

③易损件寿命短，国产设备主要工作部件――螺杆的最高寿命不超过500h，距离国际先进水平1000h以上还有不小的差距。

④原料要求苛刻。螺旋挤压成型机采用连续挤压，成型温度通常调整在220～280℃之间，为了避免成型过程中原料水分的快速汽化造成成型块的开裂和“放炮”现象发生，一般要将原料含水率控制在8～12％之间，所以对有的物料要进行预干燥处理，增加了加工成本。这一点，对于移动式的成型燃料加工系统来说也许是一个致命伤，因为与旋挤压成型工艺相衔接还需有配套的烘干机。

2)活塞冲压技术

这种设备的优点是成型密度较大，允许物料水分高达20％左右，但因为是油缸往复运动，间歇成型，生产 率不高，产品质量不太稳定，不适宜炭化。活塞式的成型模腔容易磨损，一般100h要修一次，有的含SO2少的生物质材料可维持300h。

另据报道，2003年，河南农业大学承担完成了科技部研究项目“秸秆压块成型燃料产业化生产的可行性研究”，开发了HPB―m2型液压驱动式秸秆成型机，采用活塞套筒双向挤压间歇成型。生产率：400kg／h；吨料成型电耗：60Kwh／t左右。

另外北京三升集团研发了机械传动、活塞挤压成型技术，在工业化生产中密度饲料块的同时，还生产高密度(>900Kg／m3)的燃料块。

3)辊模挤压技术

生物质颗粒燃料的辊模挤压成型技术是在颗粒粒饲料生产技术基础上发展起来的。二者的主要区别在于纤维性物料含量的多少和成型密度的高低。用辊模挤压式成型机生产颗粒成型燃料一般不需要外部加热，依靠物料挤压成型时所产生的摩擦热，即可使物料软化和黏合。对原料的含水率要求较宽。一般在10％～40％之间均能成型。其最佳水份成型条件为18％左右，相比于螺旋挤压和活塞；中压而言，辊模挤压成型法对物料的适应性最好。因此。国内一些生产秸秆颗粒饲料的企业在生产颗粒饲料的同时也生产颗粒燃料，以提高设备的利用率。

以国内知名饲料机械生产企业――江苏正昌集团为代表的我国饲料机械业界，目前在环模制粒机和平模制粒机的设计、制造方面，已积累了丰富的经验，某些方面已达到世界先进水平。在生物质颗粒成型燃料加工机械的研发方面也进行了多年的探索，并取得了可喜的成绩。

4)环模挤压成型技术

1994～1998年，江苏正昌集团公司联合中国林科院林产化学工业研究所承担了国家林业局下达的项目“林业剩余物制造颗粒成型燃料技术研究”。该项目以江苏正昌集团公司生产的KYW32型环模式饲料颗粒成型机为基本结构，研究成功了以木屑和刨花粉为主要原料的颗粒燃料成型机，台时产量在250Kg／h左右，产品规格：直径6*10-3m2，长度为8-15*10-3m2，颗粒密度>1000Kg／m3，其热值为4800kcal／Kg左右。产品质量达到日本“全国燃料协会”公布的颗粒成型燃料标准的特级或一级。但是由于当时在材料和加工工艺等方面的原因，主要易损件环模在面对粗纤维物料时，暴露出了使用寿命短的缺陷。使用成本高，成为环模式制粒机难以在生物质成型燃料领域大面积推广的重要原因。但是，该项目的开展，为我国今后在辊模挤压成型燃料技术的发展打下了良好的基础。

5)平模挤压成型技术。由于在平模制造工艺水平和主要加工物料对象方面与国外的差距等原因，以前国内在对平模式制粒机的研究方面不够深入，国内能生产的最大平模直径只有400*10-3m2。2000年，我所承担了农业部引进国际先进农业科学技术项目(简称“948”项目)――秸秆颗粒饲料加工技术与设备的引进，在引进国际上著名的德国卡尔公司(Kahl)的38-780型大型平模式制粒机的基础上，结合我国实际，又进行了多处技术改进和创新。2003年12月，该项目通过了农业部“948”项目办公室的验收。

与其他生物质成型颗粒(块)加工技术相比。大型平模式制粒机的优点在于：

①原料适应性广。平模式制粒机压制室空间较大，可采用大直径压辊，因而能将诸如秸秆、干甜菜根、稻壳、木屑等体积粗大、纤维较长的原料强行压碎后压制成粒，对原料的粉碎度要求降低了。另外，平模式制粒机在压缩纤维性物料时，原料水分在15～25％(最佳18％左右)都能被压缩成型。大多数情况下，不需要对原料进行干煤。

②产量大。经江苏省农机鉴定站检测，SZLP-780型平模制粒机在以100％苜蓿草粉为原料时，产量可达2100kg／h。在此后进行的以木屑为原料的制粒试验时，当成型颗粒密度在1100Kg／m3时，产量达到1500Kg／h，是国内现有成型颗粒燃料加工设备所达到的最大产量。

③吨料耗电低。一方面，平模式制粒机由于压制室空间大、压辊直径大的原因，能将粒度相当大的原料制成颗粒，因而能克服环模挤压制粒机和螺旋式挤压机在这方面的局限，这就减少了物料在粉碎工段的能耗；另一方面，与环模制粒机相比，平模模孔带面积比值高，出料孔多。而且出料颗粒密度和大小比较一致。

④辊模寿命长。由于工作原理的差异，平模式制粒机压辊的线速度比环模式的低，因而辊、模的磨损比较慢。而且，平模在一侧面工作面磨损后可翻过来使用另一侧面，可以提高使用寿命。

⑤成型密度可调。压辊和压模之间的工作间隙和压力可通过液压式中央螺母调节装置使压辊同步升降，操作简单省时。既可生产中低密度的颗粒饲料，也可生产较高密度的颗粒燃料，一机多用。

但总体来看，目前，我国的生物质固化成型装备在设备的实用性、系列化、规模化上还很不足，距国际先进水平还有不小的差距。这一问题以成型机最为突出，表现在生产率低、成型能耗高、主要工作部件寿命短、机器故障率多、费用高等方面。

4、生物质成型燃料加工技术与设备的发展趋势

进入二十一世纪以来，人们愈加感觉到石化能源渐趋枯竭，在对可持续发展、保护环境和循环经济的追求中，世界开始将目光聚焦到了可再生能源与材料， “生物质经济”已经浮出水面。以生物能源和化工产品生产为主的生物质产业正在兴起，引起了世界各国政府和科学家的关注。许多国家都制定了相应的计划，如日本的“阳光计划”，美国的“能源农场”，印度的“国家战略行动”等。2005年“可再生能源法”在我国正式颁布实施，所有这些。预示着各国在包括生物质成型燃料开发在内的生物质技术领域的竞争进入一个白热化时代。

虽说生物质产业是世界发展之大势和新兴的朝阳产业，但其当前成本与价格尚难与石油基产品竞争，这一点对于成型燃料来说，表现得尤其明显。因此，以降低储运成本和压缩成型成本为目的，寻求技术上的创新、突破，成为生物质成型燃料领域最大的命题。降低颗粒燃料的吨料能耗、降低设备的使用成本。也成为本“863”项目所追求的最大目标。

在生物质固化成型技术装备研究、开发方面，国内外的发展趋势是装备生产专业化、产品生产批量扩大化、生产装备系列化和标准化。尤其在国内应在设备实用性、系列化上下功夫。不断降低成本并提高技术水平，为21世纪大规模开发利用生物质能提供必要的技术储备。

5、生物质成型燃料加工技术与设备的先进性与性价比

生物质成型燃料加工技术与设备先进程度的高低必须与其性价比有机的结合起来综合考虑。单一讲究技术 和设备的先进性，不考虑技术的投入成本和市场的接受程度，不考虑技术和设备的性能与市场接受的价格合理之比，再先进的技术在市场上如得不到应用，也得不到用户的认可，这种技术起码可以说是不完全适用的技术。生物质成型燃料加工技术与装备的先进性主要体现在以下几方面：一是理想的吨料加工耗能量；二是适度的关键部件的使用寿命；三是良好的产品结构组成；四是合理的加工工艺路线等等。因此，在研究和设计生物质成型燃料加工技术和加工设备时，要在尽可能低的吨料耗能的前提下，使得产品的结构优化与合理，在产品得到较高的使用寿命的基础上，保证产品的价格尽可能适应市场的接受程度。使生物质成型燃料加工技术与装备的先进性与产品的性价比有机结合与统一，以利于推广应用。

二、生物质成型燃料加工装备技术方案技术特征

1、技术路线和技术方案

考虑到上述一些因素，我们在研究设计时充分借鉴利用现有技术成果，并在利用国产制粒机进行成型燃料加工试验的基础上，优化创新设计，采用新结构、新材料、新工艺，研发关键部件；其系统技术方案如下所述。

(1)技术方案分析

我们研究设计的技术方案及机组总体配置示意见以下附图：

本技术方案以秸秆等农林废弃物为原料，既可将多物料联合粉碎机、粉料输送组合装置、制粒机等有机集成组装在一台拖车上，形成一个可移动的颗粒燃料加工设备系统，又可将多物料联合粉碎机、粉料输送组合装置、制粒机等有机集成组装在一个固定场所进行加工。系统各部分的设计方案说明如下：

1)多物料一次粉碎机

适应的原料包括经自然风干的玉米秆、棉秆以及麦秆、稻草等，充分考虑到了移动式成型燃料加工系统对原料应具有广泛适应性的要求特点。采用搓揉装置和锤片粉碎、筛分装置的有机组合技术，对原料进行切段粉碎复合作业。粉碎后的粉料过筛后经风管直接输送到粉料暂贮箱中输送至制粒机中；人工只要把待粉碎的原料放到加料斗里即可，大大减轻了劳动强度，并改善了劳动条件。

2)粉料输送组合装置

秸秆类生物质经粉碎后，堆密度很低，输送过程中容易结拱，使送料受阻。本装置的作用是接受由粉碎机经风管输送来的粉料，通过简易脉冲装备向制粒机内连续不断地输送粉料。

该装置将采用料仓防结拱技术，有效地避免因纤维性物料流动性差，而导致喂料不均匀情况的发生。

3)颗粒燃料制粒机

这是本技术装备的核心和关键。根据移动式作业特点考虑上述的多种因素。采用平模制粒技术方案。实施时通过试验，进一步优化设计平模制粒成型模孔，调整颗粒燃料制粒工艺，减小功率，降低主轴转速，增加辊模压力，保证得到较高密度、质量稳定的成型燃料的。

在主要工作部件(同时也是主要易损件)压辊和模具的加工方面。充分利用国内辊模制造领域技术工艺和设备方面的优势，采用新材料和新工艺，进一步提高辊模耐磨性。

4)系统集成技术

上述3部分集成装在1台拖车上，可以灵活方便地在村镇间转移。成为一个流动的加工车间，适应了农村秸秆原料既分散、季节性又强的实际作业条件。同时，可以根据不同的用户要求，也可将上述3部分集成在固定的工作场所进行作业。

本技术方案在粉碎机喂料、粉料输送、成型颗粒筛分等环节充分考虑到了自动化的有机衔接，因此，整个系统的操作工人只要有3―5名即可。

如上所述，本方案全面考虑了农村的实际条件，从有效发挥机组加工效能、减轻人工劳动强度等方面着眼，优化了系统的设计。整个加工系统总功率80KW左右，处理能力500―1000Kg／h。是可以满足课题确定的指标要求。

(2)设备投资分析

本技术方案以枝条、秸秆等农林废弃物为原料，有机集成从原料筛分、粉碎到制粒成型的工艺，形成为一个整体可移动的加工设备系统，其中从粉碎到压缩成型所需的设备投资合计约为20万元。综合分析国内外现有成型燃料加工设备的生产率和设备投资情况，本项目制的成型燃料加工设备系统有较大竞争优势。

2、生物质成型燃料加工技术与装备技术特征

(1)技术特征

1)多物料一次粉碎技术。该技术针对不同来源、不同生物质原料，采用组合粉碎转子等结构，实现多种生物质原料一次粉碎，并达到制粒成型所需的细度要求。

2)物料流量自动调节技术。该技术就是主要是根据成型机加工成型燃料的产量要求，采用简易脉冲、负压输送等机构自动调节来自于粉碎机粉碎后的生物质原料的流量，在保证成型机不发生堵塞的情况下，使输送到成型机的物料流量达到最大。

3)颗粒燃料成型技术。该技术就是将由粉碎机输送来的生物质原料。通过平面辊压和平模将原料压制成颗粒成型燃料。动力通过减速传动机构带动主轴运转，不同直径模孔的平模可以根据需要进行更换，成型燃料加工过程可以通过检查视窗口直接观察并可通过打开视窗进行维护和修理，模辊间隙和压制压力实现自动调节，确保颗粒成型燃料的密度符合规定的要求。

4)既可移动又可固定场所连续生产机组集成技术。该技术就是根据用户需要将多物料一次粉碎机和颗粒燃料成型加工机有机的集成为连续生产机组。这种机组既可安装在固定场所，也可集成在平板机车上，所需加工动力既可适用于电力。也可适用于柴油机动力机等。

(2)主要技术指标

1)成型燃料加工机组

总功率：80KW左右；生产能力：500―1000Kg／h；

可方便地整体转移作业；

2)成型燃料加工成本

农林剩余物固化成型燃料成本低于煤的价格，吨料能耗≤70KWh／t；

3)成型燃料产品性能

密度≥1g／cm3；

水分≤12％。

进料流量可调。

三、生物质成型燃料加工装备的设计与研究

1、多物料一次粉碎机的设计

多物料一次粉碎机采用同轴搓揉旋切装置和锤片式粉碎、下置式筛分装置有机组合技术。电机动力通过皮带盘驱动转子高速旋转，使秸秆通过搓揉旋切装置，搓揉旋切成3～5厘米长，再进入锤片粉碎室，经受锤片撞击剪切而粉碎。另一方面，物料与物料之间、物料与锤片之间相互摩擦进一步破碎。小于筛孔的粉体被排出粉碎室。大于筛孔的原料则继续被锤片打击、粉碎、直至通过筛孔，从而达到粉碎的目的。其结构示意如下图所示。

本粉碎机主要由：转子、机座、上下壳体、操作料斗、传动装置等五大部分组成。考虑到使用与维护的需要，设计了方便安装更换筛片和锤片的简易拆卸机构。可以方便用户使用。

多物料一次粉碎机的主要设计技术参数为：转子直径：720m2m2，主轴转速：2700rpm2一3500rpm2，锤片数量：128片，配用功率：22kw，轴承型号：NSK SN520， 吸风量：3300m3/h，产量：500～1 000Kg／h，整机重量：1200Kg，外形尺寸(m2m2)：2975×1730×1140。筛片面积(m2m2)：1120×540。

2、颗粒燃料成型机的设计

根据技术方案，成型机采用平面辊压和平模的组合结构，而这种结构按执行部件的运动状态分，有动辊式、动模式、模辊双动式三种。由于后两种仅适用于小型平模燃料成型制粒机，较大机型一般用动辊式。因此本机即采用动辊式结构。按磨辊的形状分，又可以分为锥辊式和直辊式两种。考虑到加工的工艺性本机设计为直辊式。其工作原理如下图所示。

由图可以看出，电动机通过减速箱驱动主轴，主轴带动磨辊。磨辊绕主轴公转的同时也绕磨辊轴自转。加工颗粒时，生物质原料被送入平模机的喂料室。在分料器和刮板的共同作用下均匀地铺在平模上，主轴带动的压辊连续不断地滚过料层。将物料挤压进入模孔，物料在模孔中经历成型、保型等过程。具体过程为：供料区内的物料在重力作用下紧贴在平模上，当压辊向前滚动，物料进入变形压紧区。这时因受到挤压，原料粒子不断进入粒子间的空隙内，间隙中的空气被排出，粒子间的相互位置不断更新，粒子间所有较大的空隙逐渐都被能进入的粒子占据。随着压辊继续滚动，被压实的原料进入挤压成型区，模孔的锥孔部分和前半部分都属于挤压成型区，该区内，压力继续增加。粒子本身发生变形和塑性流动，在垂直于最大主应力的方向被延展。并继续充填周围较小的空隙，由于压辊和物料间的摩擦作用加剧而产生大量热量。导致原料中含有的木质素软化。粘合力增加，软化的木质素和生物质中固有的纤维素联合作用。使生物质逐渐成形，这时部分残余应力贮存于成型块内部，粒子结合牢固但不甚稳定。成型块在挤压作用下进入模孔的保型段，在该段不利于形状保持的残余应力被消除，颗粒被定型。一定时间后以圆柱状态被挤出，旋转的切刀将物料切断，形成颗粒。由扫料板将颗粒送出。

本燃料成型机主要由：电动机、传动箱、主轴、喂科室、压辊、平模、切刀、扫料板、出料口等九大部分组成。考虑到加工密度的调节和辊模间间隙的调整，设计有液压调节机构，一是保证加工过程中的加工压力的稳定。二是保证辊模问间隙的自动调节。同时考虑到安装与维修的方便性。在制粒室周围设计有观察与调节窗口。

颗粒燃料成型机设计的主要技术参数为：平模直径：520m2m2。压辊转速：56rpm2，压辊压强：100m2pa，配用功率：45Kw，整机重量：1 500Kg，外形尺寸(m2m2)：1530×840×2047，产量：500―1000Kg／h。颗粒直径：10m2m2一20m2m2，颗粒长度：30m2m2，颗粒产品密度：≥1g／m3。

3、生物质成型颗粒燃料加工装备的集成设计

生物质成型颗粒燃料加工装备的集成设计，就是将多物料一次粉碎机和颗粒燃料成型机，通过负压简易脉冲风网系统有机的连接起来，一方面要求加工系统在加工过程中确保生物质原料的输送均匀，防止堵塞与结拱，另一方面要保证加工系统在加工过程中不会对环境造成严重污染，同时尽可能少用人工作业，减少作业劳动强度和用工量。因此。系统的集成设计成两种方案，一是直接将集成系统安装在固定场所。二是将系统集成安装在可移动的平板车上。

4、生物质成型燃料加工装备有关重要技术参数的研究结论

(1)生物质原料压缩特性

粉碎后的生物质原料(秸秆)在压缩过程中。是在一定压力下，通过秸秆的塑性变形和其本身的木质素软化固化成型的。在压缩过程中可分为3个阶段：松软阶段、过渡阶段和压紧阶段。在压力较小时，成型密度随压力的增大显著增大，但达到压紧阶段后，变化缓慢，趋于常数。一般情况下，在压力为85m2Pa时，制粒的成型效果就较好，将压力控制在85―100m2Pa范围内就可以达到较理想的成型要求。同时通过试验，探索了生物质压缩力和压缩密度的关系。确定了压缩力、压缩密度、压缩量的关系。

(2)生物质原料的特性对成型的影响

生物质原料具有流动性差、相互牵连力较大的特性，是成型喂入和压缩的瓶颈。对于不同的原料、不同的含水率、不同的粒度，压缩特性有很大的差异，并对成型过程和产品质量有很大的影响。当原料水分过高时，加热过程中产生的蒸汽不能顺利地从燃料中心孔排出，造成表面开裂，严重时产生爆鸣。但含水率太低。成型也很困难，这是因为微量水分对木素的软化、塑化有促进作用。成型原料的含水率一般在16％左右。植物秸秆易压缩，在压力作用下变形较大，压缩比在9～12之间，木屑废料较难压缩，压缩比在5～9之间。粒度小的原料轻易成型，粒度大的较难压缩。试验与研究的结果表明，生物质的特性对于解释和说明物质的机械变化过程很有价值。

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【关键词】燃料品质； 燃烧特性； 尾部负压

1.前言

生物质锅炉的燃烧是生物质燃烧发电的重要环节，其燃烧的稳定性又在整个锅炉燃烧中起着至关重要的作用。了解燃料品质，把握锅炉燃烧特性尤为重要。

2.生物质循环硫化床锅炉燃烧方式及燃料特点

生物质循环流化燃烧采用的是生物质燃料流化态的燃烧方式，燃料的特点是热值相对于燃煤较低，发电单耗多，密度小，颗粒大，水分多，含挥发分多，其中夹杂的石头，泥土等杂物多，燃料一旦被淋湿，易结团，因其需量和供应的特点，它在燃烧中品种变化大，对锅炉稳定燃烧影响大。

3.燃料品质决定锅炉燃烧的稳定性

以广东粤电湛江生物质发电有限公司为例，来看看燃料品质对燃烧的影响。

3.1.首先，其生物质燃烧锅炉主要参数、结构如下：

HX220―9.8-IV1型号锅炉是高温高压、单汽包、汽水自然循环、平衡通风锅炉，露天布置；锅炉采用循环流化床燃烧技术；循环物料分离采用绝热式旋风分离器。这里重点说一下尾部烟道的情况：尾部烟道由汽冷包墙组成的上烟道和绝热式的下烟道组成，上烟道内布置3组低温过热器，下烟道内布置有省煤器、光管卧式安装的一，二次风空气预热器。整个烟道分层分级都布置有检测负压，温度的各类测点。

3.2近期，锅炉燃料的品种形式、规格及其他基本情况如下：

杂腐率超过8%的主要特征，腐烂变黑或目测外观泥沙杂质较多，也可以用水洗沉淀法来判断。水份超标明显特征，表皮青绿，易压榨出水。

3.3生物质循环流化床锅炉稳定燃烧的因素

影响生物质循环流化床锅炉稳定燃烧的因素其实有很多，但是最主要的不外乎床温床压、风料配比、炉膛及尾部负压、剩余氧量、气温气压等等，并且它们之间都相互关联，往往一个参数发生变化，其他参数也随之变化。

3.4参数曲线最能表现锅炉燃烧的问题。用近期两次停机时尾部烟道负压分布和开机时以及正常运行状态下做个对比：

图1是正常燃烧状态下锅炉尾部烟道的负压分布。可以看出，低温过热器前的压力是-2.0KP左右，省煤器的压力是-2.5KP左右，二次风空预器前的压力是-3.0KP左右，一次风空预器前的压力是-3.3KP，机组排烟压力是-5.0KP左右，几个数据曲线分布均匀，之间的间隔不大，说明这时的锅炉燃烧稳定理想，风烟系统是稳定的，负荷在50MW左右，达到了额定负荷，据查，这时的燃料配比是碎树皮：干树头：木尾：散料=3：3：1：3， 锅炉给料系统顺畅无堵料。

图2是某次开机时锅炉尾部烟道的负压分布。因锅炉经历从启动烧油到投料退油枪到并网带负荷一系列过程，这时的负压分布有一些波动，几个参数的数值因为尾部烟温的步步提升而有节奏的有所减少，呈现阶梯状态，总的来说，数据之间的差值稳定，待到满负荷时也趋于图1的状态。这也属于正常情况。

图3是锅炉A次停机时尾部烟道负压分布。从曲线可以看出以上的几个数据差值已经很大了，低温过热器前的压力是-3.5KP左右，而且后期还有所增大，到了-4.2KP左右，省煤器前的压力是-4.5KP左右，到了停机时几乎趋近于-5KP，而二次风空预器前的压力和一次风空预器前的压力在停机前的10小时都已经接近-5KP，机组排烟压力也从之前的-4.7KP渐变到-5KP，经查，除低温过热器前的压力显示正常外，其他几个数据负压值到已经顶表。分析得出结论，低温过热器区域可能严重堵塞。经检修，发现低温过热器确实严重堵塞。具体分析时发现近时段锅炉燃料多是含杂腐率、不可燃物（石块，泥土）较多的湿树皮（压榨树皮），比例占到50%-60%，。此类燃料在燃烧时产生的灰分在低温过热器熔化，结焦造成堵塞，即使加大吹灰力度也无济于事，这导致尾部烟道前正压不断，其后负压顶表，严重影响锅炉燃烧工况，负荷率一再降低，设备经受很大的危害，不得不计划停机。

图4是锅炉B次停机时尾部烟道负压分布。曲线显示锅炉低温过热器前的压力是-1.5KP左右，省煤器的压力是-2.5KP左右，二次风空预器前的压力是-2.8KP左右，一次风空预器前的压力是-3.1KP，机组排烟压力是-6.2KP左右。很明显，前4个数据压差都比较平稳，但是最后的一次风空预器前后压差却高达3KP之多。分析得出：空预器下部，即一次风空预器区域有堵塞。经查，近时段锅炉燃料多是建筑废料、干树头和碎树皮。停机后检修人员不仅证实一次风空预器堵塞的猜想是正确的，还发现炉膛布风板有风帽被铁钉等熔化铁制物覆盖现象。这正是导致停机的原因。

要说明的是，上述的事例分析是在不考虑人为控制因素下进行的。当然，人为控制技术有一定影响，但是在没有出现操作失误的情况下可以忽视。那么，从以上四张曲线图的对比可以看出，在燃烧风料配比，床温床压，剩余氧量等参数控制在允许范围内的情况下，进入炉膛的燃料品质严重影响了锅炉燃烧状态。事实证明，碎料，干料利于提升锅炉效率，也是锅炉运行在良好的环境中，负荷率高，折损低，反之。湿料，含灰分高的料不仅给料困难，容易造成堵料，而且降低了锅炉燃烧温度，还不能保证燃烧的负压环境，严重破坏燃烧的内外两大循环，不利于锅炉辐射面的热交换，热效率低，负荷率低，损耗大。因此，可以说，燃料品质决定了生物质循环流化床锅炉燃烧的稳定性。

4.总结

生物质燃烧发电是一项较新的技术，涉及到很多环节，每个环节又有诸多因素，搞清各个环节之间的联系，熟悉各个因素之间关系，并在理论与实践的紧密结合中加以改善和利用，有助于技术的推广，惠及全民。

参考文献

[1]蔡永祥，蔡宏伟，陈俊《流化床生物质燃烧技术的应用和发展》《工业锅炉》 2011（06）

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关键词：生物质燃料 小型火力发电机组 改造技术 可行性研究

中图分类号：TK223 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）07（c）-0117-01

随着社会经济的发展，能源需求不断增加，同时能源使用生态化理念也应运而生，节能减耗清洁生产已经成为企业生产与政府研究的重要课题。在国家生态经济战略推进落实过程中，众多的小型燃煤火电因耗能与污染生产而关停，电力企业也在不断开展能源研发与资源利用技术创新工作，以求实现资源利用最大化。这种情况下，众多火电企业将目光投向了生物质改造利用，因此小型燃煤火电机组转换生物质燃料技术的可行性研究提上日程。笔者在本文中着重分析了小火电生物质改造转化技术的必要性与系统性，并就其应用风险进行了阐述。

1 小火电机组进行生物质改造的意义分析

近年来，一些小型火电电力生产运营过程中存在着污染严重、耗能过多等弊端，这与当今生态和谐社会建设要求严重不符，因此小型燃煤火电发电机组进行生物质燃料改造具有必要性。此外，生物质改造能够降低生产成本，还能提升企业生产生态效益，具有明显的推广优势。

1.1 小火电进行生物质改造的紧迫性

与大型发电机组生产运营情况相比，小火电具有高耗煤、低产量、高污染、低经济效益的“两高两低”特征，因而被冠以“能源消耗与环境污染大户”的专称。随着近年来国家经济结构调整措施的落实，小型火电已经成为经济结构调整的重点整顿对象，并对一批严重耗能与污染的小火电实施了关停政策，迫于形势压力，小火电必须进行生产结构调整，并着重进行能源改造，加大新能源创新与应用研发。

生物质燃料具体表现为柴薪等有形物质，区别于太阳能与风能等清洁可再生能源，生物质燃料的情节性主要取决于燃料改造技术，但是生物质具有一项明显的能源优势便是可再生并且可运输，这就为生物质开发应用提供了便利，也为小型火电进行生物质气燃料改造提供了条件。

1.2 小火电生物质改造技术及其应用意义

现阶段，国家不断提倡进行能源改造与清洁能源研发，这为生物质能源转化应用提供了政策支持，国家还对生物质能源转化应用进行经济政策规定，为生物质能源转化应用提供了良好的外部环境。小型火电进行生物质能源转化主要是进行就地取材，既节省了煤耗，还降低了污染，而且企业发展还享有国家基金与经济倾斜，能为企业经济效益的实现提供保证。

2 小型燃煤火电发电机组生物质改造的可行性与风险性分析

2.1 小火电生物质改造技术可行性分析

小型燃煤发电机组进行生物质燃料转换具有明显的可能性。进行生物质能源改造需要资金少，而且还可以进行生物质燃料混燃，其中的各种改造方案都具有明显的可能性。小型燃煤发电机组改造活动集合理化设计、整合技术、试验验证等各环节于一体，因而生物质能源改造具有系统性。生物质能源改造技术的可能性与系统性决定了该技术具有可行性。

2.1.1 生物质能源改造的可能性

现阶段，我国小型火电发电机组进行生物质能源改造主要有三类设计，每种方案设计都具有可能性。

小型火电生物质燃烧利用主要分为生物质纯燃与生物质混燃两种，这两种应用技术都具有可能性。所谓生物质纯燃即指生物质直燃，该种技术应用不存在难点，但是具有一定的应用弊端。生物质直燃技术的应用首先要进行燃料机改进，以使燃料设备能应用于生物质燃烧，还要在生物质燃烧过程中进行纯燃弊端克服。生物质混燃技术在现阶段应用比较广泛，主要是将生物质与煤等碳化燃料进行混合燃烧应用，该技术能够有效降低氮氧化物的排放，而且在混燃过程中还能有效降低生物质的活性指数，有效降低温室气体的排放，具有良好的生态效益。

小型燃煤发电机组生物质燃料改造还包含流化床燃烧技术设计与层燃炉燃烧技术设计，这两方面技术主要是根据生物质燃烧进行的技术设计。其中流化床燃烧技术主要是进行生物质的流态化燃烧，该技术能够保证生物质的充分燃烧，而且能满足生物质多元燃料混合燃烧需求，燃料普适性较高。流化床燃烧技术因为这些优势具有广泛的应用前景。而生物质层燃炉燃烧技术主要是应用层燃炉排进行生物质燃烧，该种燃烧技术应用时间较长，流化床燃烧技术便是基于该种燃烧技术进行的燃烧技术创新，相比于层燃技术，流化床技术能够有效降低火电运行成本，且操作设备简单，易于推广。

小型火电生物质改造主要是针对生物质燃烧进行设备改造，基于此小型电厂进行了燃烧设备与系统改造处理，还进行了发电机组锅炉低成本设计改良。此间的设计与改造主要根据企业经济条件、设备运行情况实际情况进行的改良，具有明显的可行性。

2.1.2 小火电生物质改造系统性分析

小型火电生物质改造作为一项系统化的技术，其技术要点从设计环节到技术可行性预测再到技术方案的确定都经过科学论证，有效提升了改造技术的可行性。

在生物质改造技术中着重进行了燃料供应量设计与工艺系统改良，并基于小型火电设备运行与需求情况进行了锅炉参数设计。小型火电生物质改造转化中还进行了燃料可供性与入炉形式预测分析。生物质供应是影响企业生产运营成本的重要因素，确定合理化的生物质供应也能影响项目成败；而生物质入炉形式是影响生物质能否全面燃烧的关键因素，还能影响到燃烧设备的使用性能，不科学的入炉形式会缩短设备的使用寿命，还能影响企业生产运营的安全可靠性。

2.2 小火电生物质改造转换技术风险性分析

小型火电生物质转换改造技术在应用中尚存在一定风险，主要表现为技术风险、市场风险、实施与投资风险等，这些风险的存在主要影响技术管理水平，需要进行有效的技术管理措施加强。小型火电生物质技术的技术风险主要表现为锅炉改造与生物质燃烧技术。我国的生物质改造技术尚未发展成熟，也并未形成与国际技术的接轨，因此技术设计与应用中管理措施的不到位引发风险不由必然性。此外，生物质改良转换技术还具有一定的市场风险与投资风险。该种风险主要是由于生物质的供应与生产回报具有众多的不确定因素，以致风险指数较高。

3 结语

小型火电生物质燃料改造与转换技术具有十分明显的可行性，但是也具有一定的风险性，虽然风险的存在并不会影响技术的实施与应用，但是我们仍应该加大技术的风险管理，以全面提升转换技术的科学化与可行性水平。

参考文献

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关键词：燃煤锅炉改造；生物质燃烧机；生物质成型燃料；应用

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.06.057

0 引言

燃煤锅炉在使用过程中排尘浓度大，产生的二氧化硫含量高，对大气环境造成较大的污染，为加强大气环境治理，采用天然气、生物质、等清洁能源对现有的燃煤锅炉进行整治改造，完成燃煤锅炉大气污染治理，已势在必行。

考虑到采用生物质燃烧机对燃煤锅炉进行改造，现有的锅炉设备和辅机设备不动，只配套一台生物质燃料机和除尘设施，构成简单，总投资少，改造时间短，施工工程量小，能有效的降低二氧化硫、烟尘排放量，达到环保要求。另一方面可避免改用燃气炉带来的经济负担（采用天然气改造，现有锅炉主机拆除，订购天然气锅炉全部设备，加上天然气公司管道配置和调压箱等配套设备，投资较大，而且运行费用也比生物质燃料高）。根据我公司实际情况，综合考虑，决定采用生物质颗粒燃烧机对现有的4吨燃煤锅炉进行改造。

1 生物质颗粒燃烧机的构成特点

生物质颗粒燃烧机是一种使用生物质颗粒作为燃料，提供热能转换的设备。其燃烧过程为：燃料被螺旋给料机送入燃烧室引燃后，颗粒以半气化悬浮状态进行低温燃烧，火焰与切线旋流配风会合，形成高温喷射状火焰喷出。

燃烧机采用沸腾或半气化燃烧加切线旋流式配风设计，燃烧充分、稳定，效率高，在微压状态下不发生回火和脱火，热负荷调节范围宽，无污染，环境效益明显。而且投资和运行费用低，运行时比采用天然气的锅炉加热成本降低40%以上，在小型燃煤锅炉改造中得到了大量应用。

我们选用临沂木子原热能科技有限公司自主研制生产的生物质智能燃烧机，整机由控制系统，自动送风系统，点火系统，自动除焦系统组成，主要特点为：

（1）采用耐高温稀土合金材料，无负压开放式燃烧，可连续持久运行，故障率低。

（2）采用双绞笼双进料电机，解决运行中卡料、堵料、进料不畅及回烟，回火问题。

（3）采用公司专利产品，自动除焦除灰装置，可自主设定除焦流程，时刻保持燃烧室内配氧充足，燃烧充分。

（4）采用PLC可编程控制，燃烧设备中送风，送料电机同时接受锅炉压力、水位、温度信号与控制信号，实现运行过程中自动调节。

（5）用于燃煤锅炉改造直接对接即可，无需改变锅炉以前所有配置，且操作简单、使用方便，维护量小。

2 燃烧机的安装使用

（1）拆除原燃煤锅炉上煤系统，在前炉拱中间位置根据燃烧机燃烧室出口口径开口，并用耐火水泥将周边密封。将燃烧机燃烧室头端与锅炉开口处对接，固定密封。

（2）检查锅炉供电，供水，风机系统，检查锅炉气泡水位情况，清理炉膛积灰，将生物质原料加入烧燃机料仓。

（3）将锅炉引风机风量调至较小，开启燃烧机。手动启动时，点击控制器面板上的手动键，手动进料，同时按（点火）“启动”键和（鼓风）“小火”键，60秒后，喷火口喷出火焰，按（点火）“停止”键，燃烧机开始工作。

（4）运行中，根据需要调整（鼓风）和（进料）中的“大火”，“中火”，“小火”键来调整火力的大小（即通过变频器控制上料电机和鼓风电机的转速）。一般大风配大料，中风配中料，小风配小料，但尽量不要小风配大料，否则会因配风不足，导致燃烧不尽冒烟。

（5）除灰时间的设置，应根据燃料灰渣情况进行调节，时间短了可导致没有烧尽的燃料推出燃烧室外，时间太长又会导致灰渣太多影响燃烧，一般可在10-20分钟内调节。

（6）自动启动时，点击控制器面板上的“自动”键，10-15分钟后，设备会自动进入工作状态，随锅炉蒸汽压力大小自动调节鼓风、上料参数。

（7）停机时，提前15分钟停止进料，待燃烧室内燃料烧尽后（约0.5小时），停止鼓风，断开电源。

3 应用中的几个问题

（1）选用生物质燃烧机时，其热能输出功率要与配套锅炉标称的蒸汽产量匹配，只有良好的匹配，才能发挥生物质燃烧机的性能，保证炉膛稳定燃烧，达到预期的热能输出，获的锅炉良好热效率。在实际应用在中，可选比锅炉标称蒸汽量大一规格，如4吨锅炉可选300万大卡燃烧机，以确保使用效果。

（2）设备的内置参数设定好后，非专业人员不得随意改变，随便改动设备参数，易导致燃烧机出现异常，不能正常工作。

（3）燃料必须使用直径6-8mm木质生物质颗粒，不能使用颗粒碎屑和杂质太多的颗粒。

（4）严禁将任何金属品进入料斗，以防损坏送料系统。

（5）若出现阻料和卡料，可用木棍捅下来，不能用钢筋、铁丝，以防卷入螺杆，造成螺杆损坏。

（6）燃烧正常使用后。要经常检查观察料仓，及时添加燃料，料仓内燃料不能少于三分之一，严禁无燃料工作。

（7）炉膛应保持负压，严禁正压太大。

（8）运行中，不可因用气量增加而加料过猛，当燃料用量增加时，易导致降低燃烧机效率。

（9）工作过程中可通过炉子观火口，观察燃烧室出口生物质颗粒燃烧情况。

（10）经常清理燃烧室内部灰渣，不工作时将生物质颗粒燃烧完成或清理干净。

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关键词：葡萄糖燃料电池 生物燃料电池 直接燃料电池 研究进展

中图分类号：TM911 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2015）06-0289-02

燃料电池作为一种新型能源，具有能量转换效率高、功率密度高、响应速度快、启动时间短、洁净、无污染、噪声低等优点，适用于可移动动力源、电动车以及分散电站，既可以集中供电也适合分散供电。葡萄糖是具有潜在的巨大能量密度的生物质燃料，其完全转化为CO2将转移24个电子，经热力计算可得理论能量密度为4430 Wh・kg-1[1]。造纸、酿酒等工业废水中都含有大量的葡萄糖，且相较于甲醇等生物质燃料，葡萄糖具有无毒无臭、清洁等特点，可成为代替甲醇作为燃料电池的能源。

一、葡萄糖燃料电池的分类

根据葡萄糖燃料电池（Glucose fuel cell， GFC）按照催化剂的种类可以分为葡萄糖生物燃料电池（Biofuel cell， BFC））和葡萄糖直接燃料电池（Direct glucose fuel cell， DGFC）。葡萄糖生物燃料电池是以微生物或酶为催化剂，将燃料中的化学能直接转化为电能的一种特殊燃料电池。 微生物燃料电池（Microbial fuel cell， MFC）是通过微生物的催化反应将化学能转换成电能，相对酶燃料电池（Enzyme biofuel cell， EBFC）寿命较长。但由于细胞膜的传质阻碍，使电子从微生物转移到电极上的比较困难，导致其产电性能较低。酶生物燃料电池通过的酶来催化燃料的氧化和氧的还原。一方面，单酶只能部分氧化葡萄糖，能输出的能量密度较低；另一方面酶是蛋白质，其寿命很短也很容易受到环境的影响，所以大多酶生物燃料电池只能部分氧化燃料且寿命有限。近年来的一些研究中，在碱性溶液下使用贵金属催化剂（如铂）来代替酶或微生物，以增加葡萄糖燃料电池的产电性能[2]。这些贵金属由于其长期稳定性和生物相容性，成为葡萄糖燃料电池中合适的催化剂。所以使用金属催化剂的葡萄糖直接碱性燃料电池逐渐得到关注。

二、葡萄糖生物燃料电池

生物燃料电池是利用酶或者微生物组织作为催化剂将燃料的化学能转化为电能的一类电池。19世纪80年代，研究人员试图用生物燃料电池从天然作物的废弃物中产生电能，出现了采用固定酶电极和电子介体的生物燃料电池。20世纪90年代起，利用微生物发电的技术出现了较大突破，生物燃料电池在环境领域的研究与应用也逐步发展起来。

微生物燃料电池具有酶生物燃料电池所不具备的优点，如长期工作稳定性好以及对燃料的催化效率较高等。与微生物燃料电池使用全细胞微生物作为生物催化剂，因为没有细胞膜限制传质，而且没有微生物分子的稀释作用而实现的高的酶负载量，酶生物燃料电池可能有更高的能量输出。由于酶电极催化反应的性质不同，不同酶修饰的电极可以分别用于酶生物燃料电池的阳极或阴极。酶生物燃料电池通常在阳极利用氧化还原酶作为生物催化剂通过氧化化学化合物产生电能。酶生物燃料电池的阳极主要有含有辅基FAD 的氧化酶（如葡萄糖氧化酶，GOx） 电极、具有辅基NAD（P）+的脱氢酶（如乳酸脱氢酶，LDH） 电极。研究较多的阴极有微过氧化物酶电极、漆酶Lac 电极、胆红素氧化酶BOD 电极、HRP 电极。根据电极上固定酶数量的不同，可以分为单酶电极和多酶电极。固定化GOx电极是酶燃料电池中采用最多的酶阳极。以阳极为葡萄糖氧化酶修饰电极为例，电池工作时，在GOx的辅因子FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸） 的作用下葡萄糖转化为葡萄糖酸内酯并最终转化为葡萄糖酸。反应产生的电子通过介体转移到电极上，H+透过质子交换膜传到阴极；Lac和BOD常用作O2 还原的生物催化剂，O2被还原为水。

完全氧化燃料能够获得很高的能量输出，但是大多数酶生物燃料电池中，都只采用一个酶来部分氧化生物燃料。例如虽然葡萄糖具有很高的能量密度，但它需要12个酶氧化步骤才能完全氧化它，因此单一酶生物燃料电池只能获得有一个相对较低的能量密度。多酶电极是用固定在同一电极上的多种酶催化连续或同时发生的多个反应。多酶电极扩大了酶燃料电池可使用燃料的范围，提高了输出电流或电压，具有单酶电极难以达到的性能。在已有的研究中，多酶级联的范围从简单的双酶系统到复杂的仿代谢途径酶系统。在一个生物燃料电池中，第一个使用的一种酶级联的是Palmore等[3]，利用以NAD（P）+为辅酶的醇脱氢酶（ADH）、醛脱氢酶（AldDH）和甲酸脱氢酶（FDH）的多酶级联，将甲醇完全至二氧化碳。这是第一次将酶串联然后将燃料完全氧化的研究，但是这个理论适用于氧化所有的生物燃料。此后，科学家们开始研究使用代谢途径中的多酶应用于生物燃料电池以提高其能量输出，Akers等[4]用相同与甲醇的酶级联用于氧化乙醇，Daria等[5]利用三羧酸循环（Kreb’s cycle）中多酶完全氧化乳酸，Xu等[6]利用一个六酶级联将葡萄糖氧化为CO2。

三、葡萄糖直接燃料电池

葡萄糖直接燃料电池即是以金属催化剂作为葡萄糖燃料电池的催化剂催化氧化葡萄糖，将反应的化学能转化为电能。直接燃料电池不用与生物燃料电池一样考虑适宜酶及微生物活性的pH、温度、营养物等环境条件，因此此类燃料电池也具有较强的稳定性。在目前的葡萄糖直接燃料电池的研究中，常用于催化葡萄糖反应的催化剂通常分为贵金属如铂、金和银，合金和过渡金属及过渡金属氧化物等。

直接燃料电池大多是采用膜电极组件作为空气阴极的单室燃料电池。直接葡萄糖燃料电池根据其反应环境可以分为碱性葡萄糖燃料电池和中性葡萄糖燃料电池；根据其使用的离子交换膜可以分为无膜燃料电池、阴离子交换膜燃料电池（AEM-DGFC）和阳离子交换膜电池（CEM-DGFC）。

非酶催化剂在CEM-DGFC中作为阳极催化剂催化葡萄糖氧化，发生电子转移的过程如下[7]。

阳极反应：

阴极反应：

在阳极催化层表面，氢氧根离子与阳极反应生成的H+发生反应，促进阳极表面反应的正向进行，从而影响电池的性能。在CEM-DGFC中，葡萄糖氧化反应生成的H+从阳极通过阳离子交换膜向阴极转移，在阴极与空气中的氧气发生氧还原反应，传递电子，因此空气阴极处气体为氧气或空气即可。

非酶催化剂在AEM-DGFC中作为阳极催化剂催化葡萄糖氧化，发生电子转移的过程如下[8]：

阳极反应：

阴极反应：

在阳极催化层表面，氢氧根离子的浓度直接影响电极表面葡萄糖氧化反应的动力，从而影响电池的性能。在AEM-DGFC中，阴极上空气中的氧气和水发生氧还原反应生成OH-，通过阴离子交换膜转移至阳极发生葡萄糖氧化反应，因此阴极处需同潮湿空气或潮湿氧气。

四、总结与展望

随着经济发展与环境、能源之间的矛盾越来越突出，燃料电池因其绿色无污染且原料来源广泛、生物相容性好，是一种可再生的绿色能源，越来越受到人们的关注。

目前葡萄糖燃料电池的研究还处于基础理论研究阶段，还存在电池的输出功率比较低、使用寿命短等问题。但随着生物、电化学、材料学和环境工程等学科交叉研究的深入，特别是传感器和生物电化学研究的快速发展，以及对电极材料、纳米材料科学等研究的层层深入，葡萄糖燃料电池的研究必然会得到更快的发展。并将有望成为一种电子装置在疾病的诊断和治疗、航空航天等领域得到广泛应用。

参考文献

[1]Basu D， Basu S. A study on direct glucose and fructose alkaline fuel cell [J]. Electrochimica Acta， 2010， 55（20）： 5775-5779.

[2]Basu D， Sood S， Basu S. Performance comparison of PtCAu/C and PtCBi/C anode catalysts in batch and continuous direct glucose alkaline fuel cell [J]. Chemical Engineering Journal， 2013， 228（867-870.

[3]Palmore G T R， Bertschy H， Bergens S H， et al. A methanol/dioxygen biofuel cell that uses NAD+-dependent dehydrogenases as catalysts： application of an electro-enzymatic method to regenerate nicotinamide adenine dinucleotide at low overpotentials [J]. Journal of Electroanalytical Chemistry， 1998， 443（1）： 155-161.

[4]Akers N L， Moore C M， Minteer S D. Development of alcohol/O2 biofuel cells using salt-extracted tetrabutylammonium bromide/Nafion membranes to immobilize dehydrogenase enzymes [J]. Electrochimica Acta， 2005， 50（12）： 2521-2525.

[5]Sokic-Lazic D， de Andrade A R， Minteer S D. Utilization of enzyme cascades for complete oxidation of lactate in an enzymatic biofuel cell [J]. Electrochimica Acta， 2011， 56（28）： 10772-10775.

[6]Xu S， Minteer S D. Enzymatic biofuel cell for oxidation of glucose to CO2 [J]. ACS Catalysis， 2011， 2（1）： 91-94.

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一直以来，中国生物质能源的发展较远落后于风能及太阳能，甚至不少人士认为生物质能源在我国成不了“大气候”。作为中国农业大学教授、生物质工程中心主任的程序则认为，部分人之所以对生物质能有误解，是因为不了解生物质能的潜力和升级换代的技术。

在第一代生物燃油已近极限，第二代纤维素生物乙醇技术、经济可行性久“攻”不克的情况下，“先进生物燃料”特别是热化学途径的生物天然气和木质原料气化合成燃油有望脱颖而出。

《能源》：全球生物质能源的发展经历了第一代生物燃油和第二代纤维素生物乙醇技术的发展，目前，这两种生物质能的发展情况如何？

程序：目前，这两种技术的发展都遇到了瓶颈，这也助长了部分人认为生物质能发展不起来的认识。

发达国家能源界的学者和企业家越来越认识到，第一代生物燃料作车用有不确定性。因为需要和化石燃油掺混，其总用量有限，也就是所谓的“混合墙”限制。

从2010年起，第一代生物燃料增长形势就明显受挫了。2009-2010年产量增长率还有13.6%，而2010-2011年仅有3.1%。

对于第二代生物燃料，在美国曾经呼声很高。但是，虽然经历了连续多年的研发热潮，目前仍没有完全突破商业化的障碍。其关键在于纤维素乙醇的生产成本还远未达到预想的价位。而且，这种技术使用的原料需要用酸、碱等预处理，会造成环境问题。

《能源》：第一代和第二代生物质能技术都难以继续往前发展，那按您的说法，生物质能源产业要靠什么得以推进？

程序：所以，我说现在要提“先进生物燃料”的概念。实际上在2009年，美国环保署就率先提出了要支持“先进生物燃料”研发的原则。所谓先进生物燃料，就是指第一代生物能源以外的一类新型生物燃料。它们的生命全周期的温室气体排放量，比化石燃料低至少50%。

它采用的技术路线有多条，最主要的方式是用木质纤维类作为原料，如林木下脚料和废弃物、秸秆等，通过热化学途径，生产生物合成液体或气体燃料，英文为Biomass to Liquids，简称 BtL。

《能源》：“先进生物燃料”的最大特点是什么？与前面两代技术相比，“先进生物燃料”有哪些优点？

程序：生物质的组成成分，一般来讲可以分为六类：淀粉、脂肪、蛋白质、纤维素、半纤维素、木质素。第一代生物质能技术利用的成分是淀粉、脂肪、蛋白质。第二代技术用的是纤维素。

但事实上，生物质所含能量中，淀粉、脂肪、蛋白质占40%，纤维素占了20%，剩下占40%的半纤维素和木质素在前面两种方式中并不能被利用。唯一能全部利用这六大类成分的方法是燃烧，也就是通过生物质电厂，但它的热量转化效率在这几种方式中是最低的，是最不经济的方式。

通过热化学方式生产“先进生物燃料”，恰恰能利用和转化半纤维素和木质素，显著提高生物质能的转化效率，而且大大拓宽了原料的来源。

生产出的生物合成燃料，属于所谓的“直接使用燃油”，就是说，可以在发动机不改装的情况下，以纯态或高掺混比车用，因而完全摆脱了前面所说的第一代生物燃料的“混合墙”制约。

《能源》：那目前，“先进生物燃料”在国外的发展情况如何？是否有成熟项目？

程序：在2009-2013年的5年间，先进生物燃料项目，包括中试和生产性示范的，数目增加了3倍，而它的总产量则扩大了10倍，达到了年产24亿公升（相当于168万吨）。

欧盟国家对用气化-费托合成途径制作生物柴油、航空煤油的热情很高。一些大型企业集团如Uhde、UPM、Axen，也都在进行商业化的努力。

德国的科林（Choren）公司在世界上第一次生产出用木屑合成的液体柴油。2012年9月，科林公司将气化技术转让给德国林德（Linde）集团。林德与芬兰Forest BtL Oy合作，在芬兰建设一座年产13万吨的生物合成柴油/石脑油厂，计划于2016年底投产。

美国伦泰克公司在科罗拉多州建成了BtL商业示范厂并投产，年产能1万吨生物合成燃油。该公司还计划2015年在加拿大安大略省建成年产能为60万吨生物气化合成柴油和航煤厂。

《能源》：那您的意思是，目前这一技术并未达到商业化程度？这其中的制约因素是什么？

程序：是的，目前它的技术成熟度还没有完全达到商业化生产、应用的程度，但是已经达到半商业化了，我认为离商业化也不远了。

根据测算，能够达到有规模经济效益的年生产产能，终端产品应该在20万吨以上。

目前主要的制约因素是，项目规模化后，会需要巨大数量的原料，该如何解决原料问题。还有，如何保证相应的较低成本，以及预处理大幅度增大的难度如何克服。

《能源》：先进生物燃料的研究和开发在我国处于一个怎样的情况？

程序：据我调研，目前采用生物质气化-合成途径制取生物燃油的，主要是武汉阳光凯迪新能源公司在做。这家公司于2013年初取得突破，其年产1万吨的半工业化装置于1月投产，并且连续正常运行至今。

据了解，目前，该公司技术放大到年产20万吨级工业化规模的工艺包已经完成。计划在两年时间内，分别在湖北新洲和广西北海筹建年产能10万和30万吨的生物质气化合成燃油的工厂，原料主要为林业剩余物和进口的棕榈油榨渣、枝叶，预计2016年底建成。

《能源》：先进生物燃料的生产成本大约为多少？是否又是需要补贴才能盈利？我国要发展先进生物燃料，需要面临的阻碍有哪些？

程序：阳光凯迪采用的方式生产出以生物合成柴油为主体的合成燃油，目前的成本是可控制在8000元/吨以内。如果今后规模化了，成本应该会有大幅的下降。

在这种成本条件下，不需要政府补贴，也是可以盈利的。目前，阳光凯迪急待向国家要的不是补贴，而是油品准入市场的政策，希望产品能够到市场上去参与公平竞争的准入。因为我国的油品市场准入具有垄断性，如果阳光凯迪生产的生物合成油不能进入市场合法交易，那阳光凯迪就会陷入困境。

《能源》：那您对我国发展先进生物燃料有哪些建议？

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【关键词】 生物质燃料 估算低位热值 收购燃料 合理定价 燃料有效利用

随着世界能源结构多元化、高效化、清洁化的开发和利用，生物质以其低碳、可再生的特点受到人们的重视，以生物质能源为燃料的锅炉也应运而生。

燃料的发热量是燃料的一个很重要的特性，它是单位质量的燃料完全燃烧时所能释放出的最大发热量，发热量的高低取决于其化学组成以及可燃成分的多少，并与燃烧条件有关，发热量是衡定燃料质量的重要指标。

生物质是由纤维素、粗纤维素、木质素的碳水化合物、粗蛋白、蛋白酶、以及与微量元素等共同组成多种复杂 高分子有机化合物的复合体。自然环境下生物质燃料都含有一定量的水分，因种类的不同而变化。生物质中的水分以不同的形态存在， 即化合结晶水、内在水分和外在水分。化合结晶水用于生物质的合成。内在水分以物理化学结合力被吸附在 生物质内部的毛细管中，其含量比较稳定，一般5%左右；由于内在水分所处的位置结构其水分的蒸汽压力小于同温度下纯水的蒸汽压力，所以在常温下很难除去，必须在105℃至110℃下用加热干燥设备才能除去，是一个较为恒定值。生物质的外在水分以机械吸附携带方式存在于生物质的表面、结构间隙以及较大毛细孔中，与其运输和储存紧密相关。外在水分可用自然干燥法除去，在自然环境条件下，生物质燃料的外在水分不断蒸发，直到外在水分的蒸汽压力与空气的水蒸汽压力相同时，达到气液两相平衡，此时失去的水分是外在 水分，但失去水分的多少决定于相伴空气的 温度和空气的相对湿度，随自然环境的变化是一个相对的变量，所以外在水分是一个相对值而不是一个绝对值。一般来讲，水分是生物质燃料中的杂质，它即增加了运输和设备运行与检修中的费用、又降低生物质燃料的热值等。

燃料热值的高低取决于燃料中含有可燃成分的多少，但是，燃料的发热量（热值）并不等于可燃组成的C、H、S发热量的代数和。因为它们是在生长过程中通过光合作用等有机合成的产物，并于生物质的种属，植物的部位、生长地域、环境条件等有关。对于生物质燃料高位热值的测定通过常用的元素分析法不仅十分繁琐而且设备复杂，必须有专业的化学实验室来完成。在实际操作中，对于工厂技术人员，用门捷列夫经验公式估算和氧弹量热器来测定燃料热值并不实用，又没有较为成熟的经验公式。

燃料的热值分为高位热值HHVdaf由专业化实验室测得和低位热值（净热值）LHV。HHVdaf是燃料实际最大可能发热量，它是挥发份和固定碳的燃烧反应热之和。燃料燃烧后烟气中的水蒸汽包含了燃料中元素H在燃烧时与氧气反应生成的水蒸汽、燃烧过程中燃料的内在水分和外在水分形成气相的水蒸汽、冷空气中的过热水蒸汽。实际应用中燃料在燃烧设备燃烧后产生的高温烟气，通过尾部换热面时的温度仍相当高，一般都在100℃以上，，而且水蒸汽在烟气中的分压力又比大气压力低，所以此时燃烧反应产物中的水和燃料中携带的全水份仍然都是气相的饱和蒸汽或过热蒸汽，不能凝结成液相的水。为了有效地防止低温腐蚀，这部分汽化潜热就无法利用，而被排入大气，燃料的实际可利用热值就减小，所以从燃料高位热值HHVdaf中扣除掉这部分水蒸汽的汽化潜热，再减去灰渣热焓（无冷渣系统）后，就得到所能利用的净热值LHV。

由于生物质各种属燃料的有机物物质成分变化范围较小，工业分析中只要查出专业实验室对各种生物质燃料的高位热值HHVdaf（见表）的测定值，再测定出生物质燃料的全水分、全灰分、知道灰分的比热容，就可较准确地估算出单位质量的生物质燃料可利用的低位热值LHV，生物质的低位热值可以用以下公式进行估算：

LHV=HHVdaf（100%-Mar-Aar）-25M`ar-Am×C×Δt

式中：HHVdaf―生物质燃料的高位热值 kJ/kg

Mar―水分收到基质量分数%、

Aar―灰分收到基质量分数%

Am―每公斤生物质燃料含灰分质量 Kg

C ―灰分的比热容 kJ/kg℃

Δt―灰渣温度与环境温度的温差 ℃

M`ar―水分收到基百分数 %

25M'ar-1大气压下水分收到基转化蒸汽热焓KJ/Kg燃料

几种主要生物质燃料的高位热值 单位KJ/Kg（如表1）

灰分的比热容 C

干泥土 0.879 kJ/kg℃ 砂石0.921kJ/kg℃

影响生物质的燃烧特性因素.有挥发份V固定碳C水分M

灰分A等；燃料的（燃烧热）热值来源于挥发份、固定碳的燃烧反应热；其燃烧机理基本与煤相同，不同之处生物质固定碳燃烧多为剥落性燃烧。灰分视为生物质中不能燃烧的矿物杂质，它可分为两种即生物质自身结构的矿物质和在采取、运输、储存过程中的生物质所携带的外部杂质。灰渣是在生物质燃烧或在空气中经过一系列的分解，化合等复杂反应后所剩余的残渣。在生物质的燃烧过程中，少量的飞灰对燃烧有催化作用（石英砂除外），有助于加强有焰燃烧与相间的能量传输；但随着灰分含量的增大，使单位质量的可燃物质的含量相对减少很多，相应燃料的热值减少就越多，并降低燃烧温度，阻碍燃烧过程中的辐射传热，降低燃烧速度，包裹焦炭颗粒，阻碍氧气向焦炭内部扩散，增大机械不完全燃烧热损失；并在燃烧过程中的热泳、惯性碰撞、以及烟道、尾部换热面的凝结，化学反应过程中，增加受热面与换热面的积灰、磨损和腐蚀，使排烟飞灰热焓增大等。所以一般视灰分为生物质燃料中的渣质，增加运行费用。

在生物质燃烧的热解过程中分为水分析出阶段、分子断链热分解阶段和缩聚阶段（焦炭降解阶段）三个阶段。由于高分子有机化合物的失水，化学键断裂，自由基的形成以及重组反应，形成挥发分而完成相变过程，后期缩聚阶段形成残碳。在整个燃烧过程中伴随着同相燃烧和异相燃烧，在挥发分开始燃烧时，按照链式反应的机理，H和水蒸气对CO的燃烧反应具有触媒作用，少量2%（空气干燥后的燃料中所含内在水分的质量百分数远远超过此临界值）的水蒸气可以减小生物质燃烧的活化能、降低可燃质燃烧着火点、便于低温燃烧，改善生物质燃烧后期焦碳燃烧的温度场，加快燃烧速度，并影响烟气中NOx的排放量。但随着内外在水分的增加，在层燃锅炉中，质地较软的生物质燃料会在加热过程中出现软化黏结以及布风不均现象，这种现象产生了一定的后果，例如：造成燃料的料层与通风间隙不均和单位质量可燃质的燃烧面积缩减，降低炉膛内燃料反应温度与化学反应速度，延长固态可燃质在推动或转动机械式燃烧设备上的停留时间，增加物理不完全燃烧热损失，削弱炉膛火焰充满度，减少炉膛的容积热强度、壁面热强度、截面热强度，加大烟气过剩空气系数，降低锅炉出力。在燃料燃烧的过程中因水分蒸发汽化以及过热要消耗大量的热量，（无论是层燃或流化燃烧，水蒸气导致可燃物质与氧气的浓度场减弱、炉膛燃烧温度场的温度降低，影响化学反应速度），烟气体积增大，随之烟气带走的热量损失增多，伴随引风机电耗加大，厂用电率增高等，经济效率下降。化学燃烧反应虽然是放热反应，然而水分子蒸发与过热却要吸收热量，因此大多数生物质燃烧自维持燃烧时，要求其水分不大于65%，超过此数值则需加入辅助燃料来助燃。

为了确保证生物质燃料的经济价值、发挥其潜力，在生物质的采获、晾晒、运输、储存的过程中应避免外在水分和机械携带水分的混入。根据盖斯定律可知，防止微生物发酵、腐烂是保证生物质燃烧热值不致降低的有效措施。因此对生物质燃料的低位热值进行估算，控制水分、灰分，为收购燃料、合理定价以及生物质燃料的有效利用，使之发挥较好的经济效益而提供参考。

参考文献：

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[2]西北农学院编.《饲料与营养》教材.

[3]张全国，张百良，黄德仁 编.《燃烧学》河南农业大学工程系.

[4]范从振，编著.《锅炉原理》东南大学.

[5]沈维道，郑佩芝，蒋淡安，编.《工程热力学》（第二版）.

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[2]The feed and nutrition of northwest agricultural college textbooks compiled.

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