林啟晨， 張文標(biāo)， 孫 毅， 張曉春， 汪孫國(guó)

(1.浙江農(nóng)林大學(xué) 工程學(xué)院，浙江 臨安 311300； 2.加拿大新綠生物技術(shù)有限公司，基拉姆市 T0B 2L0，加拿大)

·綜述評(píng)論——生物質(zhì)能源·

生物質(zhì)焙燒技術(shù)的研究與應(yīng)用進(jìn)展

林啟晨1， 張文標(biāo)， 孫 毅1， 張曉春1， 汪孫國(guó)2

(1.浙江農(nóng)林大學(xué) 工程學(xué)院，浙江 臨安 311300； 2.加拿大新綠生物技術(shù)有限公司，基拉姆市 T0B 2L0，加拿大)

綜述了國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)焙燒原料、焙燒工藝與設(shè)備、焙燒產(chǎn)品性能及潛在應(yīng)用領(lǐng)域等研究與應(yīng)用進(jìn)展，并提出了我國(guó)生物質(zhì)焙燒技術(shù)今后的重點(diǎn)研發(fā)方向。

生物質(zhì)；焙燒炭；應(yīng)用

生物質(zhì)焙燒是在常壓隔氧、200～300 ℃溫度條件下進(jìn)行的一種生物質(zhì)熱處理技術(shù)，其產(chǎn)物以固體焙燒炭為主，還有較少量的氣體和液體。通過(guò)焙燒能提高生物質(zhì)的能量密度、可研磨性及疏水性等性能，還能減少生物質(zhì)的運(yùn)輸和儲(chǔ)存成本。生物質(zhì)成型燃料是一種高效的清潔能源，可部分替代化石燃料，緩解人類面臨的能源和環(huán)境危機(jī)，有效解決生物質(zhì)原料運(yùn)輸、儲(chǔ)存、防火等問(wèn)題，具有廣闊的發(fā)展前景[1-2]。然而，當(dāng)生物質(zhì)成型燃料單獨(dú)使用或與煤共燃時(shí)，容易引起鍋爐結(jié)渣、燃燒效率低等技術(shù)問(wèn)題[3-4]，嚴(yán)重阻礙了生物質(zhì)成型燃料的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。生物質(zhì)焙燒是指生物質(zhì)原料在隔絕空氣(缺氧)、溫度200～300 ℃條件下進(jìn)行的溫和熱解反應(yīng)過(guò)程。在此過(guò)程中生物質(zhì)表面特性發(fā)生改變，最終的固體產(chǎn)物通常稱為生物質(zhì)焙燒炭或生物質(zhì)煤[5-8]。生物質(zhì)通過(guò)焙燒能顯著提高其能量密度、可研磨性及疏水性，由此可大大減少運(yùn)輸和儲(chǔ)存成本。焙燒炭產(chǎn)品具有類似煤的物化性質(zhì)，且氮、硫含量明顯低于煤，是一種清潔能源，能與煤混合共燃并可以起到有效降低溫室氣體的作用[9-10]。生物質(zhì)培燒炭在國(guó)外的研究較多，主要在北美和西歐等發(fā)達(dá)國(guó)家[11-12]，在國(guó)內(nèi)研究起步晚，最近幾年才有部分高校和科研院所研究者開(kāi)始生物質(zhì)焙燒炭的研究[13-14]。隨著全球環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)、各國(guó)相關(guān)法律和法規(guī)的相繼出臺(tái)，生物質(zhì)焙燒技術(shù)作為一種切實(shí)可行的生物質(zhì)預(yù)處理技術(shù)開(kāi)始得到世界范圍的廣泛重視。作者就國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)焙燒原料、焙燒工藝、焙燒設(shè)備、焙燒產(chǎn)品性能及其潛在應(yīng)用領(lǐng)域等方面進(jìn)行了闡述，同時(shí)對(duì)焙燒技術(shù)的發(fā)展方向也進(jìn)行了展望。

1 焙燒原料

焙燒可采用的原料有很多種，國(guó)外一些研究者分別采用了松木、柳樹(shù)枝、采伐剩余物、甘蔗渣、芒草、橄欖油廢棄物和銀合歡等進(jìn)行了焙燒試驗(yàn)研究[15-19]。國(guó)內(nèi)研究者對(duì)稻殼、紅松、棒木松、稻稈、棉稈和沙柳等進(jìn)行了焙燒研究[13-14，20]。不同的生物質(zhì)原料，經(jīng)焙燒后的生物質(zhì)炭的性能差異較大，有研究結(jié)果表明：并不是所有生物質(zhì)資源都是理想的焙燒原料，一般以含有大量纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的木質(zhì)生物質(zhì)資源為最佳。而農(nóng)作物受季節(jié)性收獲的制約，且成分組成與木質(zhì)生物質(zhì)差異較高，灰分和揮發(fā)分含量較高，焙燒產(chǎn)品會(huì)對(duì)設(shè)備性能造成不利影響，同時(shí)還需要比燃用木質(zhì)生物質(zhì)焙燒產(chǎn)品增設(shè)更多的排放控制設(shè)施[10]。因此，目前大多數(shù)國(guó)外企業(yè)還是主要采用木質(zhì)生物質(zhì)原料焙燒產(chǎn)品，用于與煤共燃。

2 焙燒工藝

2.1 焙燒機(jī)理

通常認(rèn)為焙燒機(jī)理實(shí)質(zhì)上是半纖維素分解，纖維素和木質(zhì)素解聚的過(guò)程，在不降低生物質(zhì)能量的情況下大幅縮減生物質(zhì)原料的質(zhì)量[21]。焙燒過(guò)程中，生物質(zhì)在100～170 ℃干燥并部分脫除揮發(fā)分，半纖維素在200 ℃左右開(kāi)始分解，在260～300 ℃劇烈分解，產(chǎn)生大量的揮發(fā)性物質(zhì)，木質(zhì)素和纖維素在200～300 ℃吸熱，分子鏈結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，但是分解反應(yīng)弱[22]。

2.2 焙燒工藝條件

生物質(zhì)焙燒工藝是指在一定的焙燒溫度(200～300 ℃)和保溫時(shí)間(30～90 min)下，對(duì)生物質(zhì)原料進(jìn)行熱解以得到黑色固體產(chǎn)物和少量氣體及液體產(chǎn)物的過(guò)程。典型的培燒過(guò)程質(zhì)量和能量平衡如下：生物質(zhì)原料在250～300℃下焙燒，盡管發(fā)生了很多物理化學(xué)變化，其70%的質(zhì)量和90%的能量仍將保留在焙燒生物質(zhì)炭中，而剩余30%的質(zhì)量和10%的能量則轉(zhuǎn)移至氣體和少量液體產(chǎn)物中[23-24]。

國(guó)外許多研究者采用不同的生物質(zhì)原料，通過(guò)大量的焙燒參數(shù)研究、工藝模擬和工藝設(shè)計(jì)，獲得了不同的能量產(chǎn)率和熱值(見(jiàn)表1)。

表1 焙燒不同原料的能量產(chǎn)率和熱值增加比

由表1可知，不同生物質(zhì)材料在不同焙燒溫度和保溫時(shí)間條件下，其質(zhì)量損失和能源產(chǎn)率與熱值各不相同。一般來(lái)說(shuō)，隨著焙燒溫度的升高，質(zhì)量損失增加，能量產(chǎn)率下降，熱值增量上升。質(zhì)量損失范圍在4.90%～65.00%，能量產(chǎn)率變化在17.00%～99.00%，熱值增加的幅度則在3.05%～40.55%。從幾種生物質(zhì)原料看，能量產(chǎn)率：芒草>木質(zhì)材料類>甘蔗渣>橄欖油廢棄物，橄欖油廢棄物能量損失最明顯。在類似焙燒工藝條件下，木質(zhì)生物質(zhì)原料(松木-云杉-樅木混合物、樺木、柳木、松木)焙燒后的熱值比農(nóng)作物(甘蔗渣和芒草)的熱值要高。在相同的生物質(zhì)原料和不同焙燒工藝條件下，隨著溫度升高和時(shí)間延長(zhǎng)，其能量產(chǎn)率下降，熱值升高，而溫度的影響更為顯著，如柳木焙燒溫度230 ℃、時(shí)間30 min時(shí)，產(chǎn)物熱值為20.20 MJ/kg，能量產(chǎn)率96.05%，到溫度290 ℃時(shí)，產(chǎn)物熱值為21.90 MJ/kg，能量產(chǎn)率78.84%；在相同溫度條件下，隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，樺木焙燒炭的熱值和能量產(chǎn)率甚至還略有增加[15-16]，這個(gè)現(xiàn)象值得進(jìn)一步研究。

國(guó)內(nèi)開(kāi)展生物質(zhì)焙燒工藝的研究較少且起步較晚，趙輝等[20]采用水曲柳、樟木松、紅松和稻殼4種生物質(zhì)材料在焙燒溫度230～290 ℃，時(shí)間10～40 min條件下進(jìn)行焙燒試驗(yàn)，結(jié)果表明：4種生物質(zhì)的能量產(chǎn)率在85%～90%，由高到低依次為水曲柳>樟木松>紅松>稻殼(即硬木類>軟木類>草本類)。陳應(yīng)泉等[13]采用稻稈、麥稈、棉稈和玉米稈4種農(nóng)作物在焙燒溫度200～300 ℃，時(shí)間30 min條件下進(jìn)行焙燒試驗(yàn)，結(jié)果顯示：烘焙過(guò)程中農(nóng)業(yè)秸稈的能量產(chǎn)率隨烘焙溫度提高均有所降低，且隨著溫度提高這個(gè)影響趨勢(shì)進(jìn)一步增強(qiáng)。梁宇飛等[25]采用低溫烘焙預(yù)處理的方法來(lái)探索沙柳生物質(zhì)材料制備焙燒炭的工藝，探討了焙燒溫度230～280 ℃、時(shí)間60～240 min條件下對(duì)沙柳焙燒炭的影響，結(jié)果表明：隨著焙燒溫度升高，時(shí)間延長(zhǎng)，所得產(chǎn)物的熱值顯著升高，而能量產(chǎn)率明顯降低。

3 焙燒設(shè)備

目前生物質(zhì)焙燒技術(shù)大多處于技術(shù)積累和逐步成熟階段。焙燒技術(shù)除了包含焙燒工藝外，其加熱方式、反應(yīng)設(shè)備等也是至關(guān)重要的。焙燒可分為間接加熱和直接加熱兩大類，它們之間的差別主要在于反應(yīng)設(shè)備，前者可采用螺旋式焙燒裝置或轉(zhuǎn)鼓式焙燒裝置，后者可采用帶有非氧化性氣體回路交換器的移動(dòng)床、轉(zhuǎn)鼓、振動(dòng)式皮帶機(jī)或多段爐裝置或者采用帶有連接到燃燒器上的低氧含量氣體回路的隧道式、移動(dòng)床式焙燒裝置或“Torbed”型焙燒裝置來(lái)實(shí)施[26]。Torftech Ltd開(kāi)發(fā)了焙燒反應(yīng)器[27]，這個(gè)反應(yīng)器采用移動(dòng)床和流粒爐反應(yīng)器作業(yè)，將高溫產(chǎn)生氣體通入反應(yīng)器使之與原材料直接接觸，因此熱交換和質(zhì)量交換效率很高。Agri-Tech Producers，LLC開(kāi)發(fā)了ATP焙燒工藝[28]，使用螺桿反應(yīng)器在300～400 ℃的溫度下操作，用熱加工氣體直接加熱原料。

根據(jù)Koppejan等[26]的報(bào)道，目前市場(chǎng)上主要有8種不同的反應(yīng)器類型： 1)轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器，可實(shí)現(xiàn)直接、間接2種加熱，滿足多種干燥溫度需要，但加工中產(chǎn)品顆粒摩擦所致的質(zhì)量損失較大； 2)螺旋式反應(yīng)器，可實(shí)現(xiàn)垂直、水平同時(shí)加熱； 3)多層爐排反應(yīng)器，原料適應(yīng)性高，溫度控制精確，適用于多種焙燒產(chǎn)品制造，且設(shè)備利用率達(dá)95%以上； 4)Torbed反應(yīng)器，可進(jìn)行分批和連續(xù)操作，傳熱效率高，保溫時(shí)間短，占地面積較小，可進(jìn)行高溫生產(chǎn)，但對(duì)原料進(jìn)料粒度的變化敏感； 5)微波反應(yīng)器，設(shè)備綠色環(huán)保，但運(yùn)營(yíng)成本較高； 6)移動(dòng)床型反應(yīng)器，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，傳熱效率高，可精確控制反應(yīng)溫度，設(shè)備投資成本低，但產(chǎn)品品質(zhì)有不均勻現(xiàn)象，并且設(shè)備結(jié)構(gòu)受技術(shù)限制較大； 7)帶式反應(yīng)器，工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，設(shè)備易于成比例放大以適應(yīng)大規(guī)模工業(yè)的要求，另外，設(shè)備能耗低，但對(duì)原料的穩(wěn)定性要求高，成品顆粒有質(zhì)量不均勻現(xiàn)象； 8)固定床，機(jī)械損耗小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但傳熱能力差。

我國(guó)目前生物質(zhì)焙燒技術(shù)研究主要還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，焙燒設(shè)備主要是實(shí)驗(yàn)用的小型炭化爐或者自制小型生物質(zhì)焙燒裝置，目前還沒(méi)有規(guī)?；谋簾繉Ｓ蒙a(chǎn)設(shè)備。

4 產(chǎn)品性能

木質(zhì)焙燒成型燃料和其它幾種生物質(zhì)燃料性能的比較如表2所示。

表2 部分燃料/燃料產(chǎn)品的性能對(duì)比

由表2可以看出，與木材原料、木質(zhì)成型燃料、竹炭、機(jī)制炭以及煤相比，木質(zhì)焙燒炭成型燃料的含水率大大減少，僅為1%～5%，僅為煤的1/3～1/2；木質(zhì)焙燒炭成型燃料堆積密度和煤及木質(zhì)成型燃料基本相近；木質(zhì)成型能量密度(15.0～18.7 GJ/m3)和低位熱值(20～24 MJ/kg)均大大高于木材原料和木質(zhì)成型燃料，但低位熱值低于木炭和竹炭。焙燒炭能量密度和熱值基本接近煤的能量密度(18.4～23.8 GJ/m3)和低位熱值(23～28 MJ/kg)；焙燒炭成型燃料的易磨性和生物降解性均優(yōu)于木材原料和木質(zhì)成型燃料，與煤的性質(zhì)已很相近。表2數(shù)據(jù)進(jìn)一步說(shuō)明，木質(zhì)焙燒炭成型燃料和煤具有相似的物理和化學(xué)性能，比其他生物質(zhì)原料及其衍生的生物質(zhì)固體成型燃料更適合同煤的混合共燃，由此可以部分代替煤的使用、減低大氣污染、清潔環(huán)境。

5 應(yīng)用領(lǐng)域

生物質(zhì)焙燒產(chǎn)品具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，可被用作大型電力發(fā)電燃料、氣化原料，還可用作家庭采暖或區(qū)域性集中供熱的熱源等[33]。

5.1 與煤共燃

生物質(zhì)聯(lián)合燃燒技術(shù)可利用燃煤發(fā)電廠現(xiàn)有裝置，而不用對(duì)裝置系統(tǒng)進(jìn)行更換，由于前者低的氮、硫含量，混合燃燒可使電力生產(chǎn)過(guò)程更加清潔[34]。然而，燃煤電廠的現(xiàn)有裝置系統(tǒng)并不適合大比例的生物質(zhì)燃料與煤進(jìn)行聯(lián)合燃燒。一般來(lái)說(shuō)，參與聯(lián)合燃燒過(guò)程的生物質(zhì)比例不能超過(guò)5%～10%，即使增加生物質(zhì)處理和加工專用設(shè)備也只能使生物質(zhì)的比例最多提高到20%。由于生物質(zhì)燃料與煤之間的物理、化學(xué)性質(zhì)差異較大，使用木質(zhì)生物質(zhì)顆粒成型燃料在聯(lián)合燃燒過(guò)程中還會(huì)有相當(dāng)一部分粉塵顆粒會(huì)從混合燃料中“飛離”出去。生物質(zhì)焙燒炭成型燃料則不同于生物質(zhì)本身及其顆粒成型燃料，經(jīng)焙燒之后形成的焙燒炭或其衍生的壓縮顆粒有著類似煤的物化性質(zhì)。采用生物質(zhì)焙燒炭(或焙燒炭顆粒成型燃料)與煤共燃時(shí)，前者的比例可增至40%，與未經(jīng)焙燒加工的生物質(zhì)燃料相比，可以顯著節(jié)約設(shè)備投資成本和后期運(yùn)營(yíng)成本包括設(shè)備保養(yǎng)、維修成本。

5.2 獨(dú)立燃燒

焙燒炭獨(dú)立燃燒并沒(méi)有共燃時(shí)存在的設(shè)備需要調(diào)整的問(wèn)題。一般適用于家用壁爐或區(qū)域供暖的小型鍋爐。生物質(zhì)焙燒炭具有良好的疏水性及較高的能量密度，能夠改善燃料物流，比木質(zhì)顆粒成型燃料熱值高，且儲(chǔ)存和運(yùn)輸成本較低。

5.3 氣化

氣化是指在一定溫度及壓力下使生物質(zhì)中有機(jī)質(zhì)與氣化劑(如蒸汽、空氣或氧氣等)發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，將固體煤轉(zhuǎn)化為含有CO、H2、CH4等可燃?xì)怏w和CO2、N2等非可燃?xì)怏w的過(guò)程。生物質(zhì)焙燒炭具有低含水率，良好的可磨性和更高的C/H/O比率。使用生物質(zhì)焙燒炭進(jìn)行氣化可提高原料的流動(dòng)性、H2和CO混合氣體含量以及氣化的效率，且N、S含量顯著低于煤，在氣化方面有很大的應(yīng)用潛力[35]，這方面還有待國(guó)內(nèi)外同仁進(jìn)一步探討。

6 結(jié) 語(yǔ)

生物質(zhì)焙燒技術(shù)在國(guó)外已有許多的研究成果與應(yīng)用實(shí)例，但在國(guó)內(nèi)尚處于起步階段。生物質(zhì)焙燒炭是一種清潔能源，因其能量密度高、可研磨性及疏水性好、運(yùn)輸和儲(chǔ)存成本低等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于與煤共燃以及用作直接能源和氣化的原材料。針對(duì)我國(guó)生物質(zhì)資源分布特點(diǎn)，建議廣泛開(kāi)展竹子資源、廢舊家具、林業(yè)廢棄物、農(nóng)業(yè)廢棄物等生物質(zhì)原料焙燒技術(shù)的基礎(chǔ)研究，為生物質(zhì)焙燒技術(shù)及焙燒炭產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用提供豐富的理論數(shù)據(jù)。研發(fā)適合我國(guó)生物質(zhì)資源的焙燒生產(chǎn)設(shè)備和工藝技術(shù)。如開(kāi)發(fā)體積較小、質(zhì)量輕、便于移動(dòng)作業(yè)，適用于山林和農(nóng)村的焙燒生產(chǎn)設(shè)備；開(kāi)展不同生物質(zhì)原料的焙燒工藝優(yōu)化研究，開(kāi)展生物質(zhì)焙燒炭壓縮成型及焙燒炭與煤混燃工藝與裝備的研究和開(kāi)發(fā)。開(kāi)展生物質(zhì)焙燒炭及焙燒壓縮成型炭的效益綜合評(píng)估研究，包括全產(chǎn)業(yè)鏈的詳細(xì)成本分析，如原料收集、運(yùn)輸和儲(chǔ)存，焙燒炭和焙燒炭壓縮成型燃料的生產(chǎn)，焙燒炭及其壓縮成型燃料的運(yùn)輸和銷售，焙燒炭及其壓縮成型燃料的燃燒工藝與裝備開(kāi)發(fā)或改進(jìn)，社會(huì)效益、環(huán)境效益和生態(tài)效益的綜合評(píng)價(jià)等。

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計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具 竭誠(chéng)歡迎使用檢定

松香色度標(biāo)準(zhǔn)塊

本產(chǎn)品具有國(guó)內(nèi)行業(yè)中質(zhì)量檢驗(yàn)的權(quán)威性 長(zhǎng)期、周到的售后服務(wù)讓客戶無(wú)后顧之憂

松香色度標(biāo)準(zhǔn)裝置(又名《松香顏色分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》玻璃比色塊)，是符合我國(guó)松香光學(xué)特性具有完整體系的松香顏色分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。1982年榮獲林業(yè)部科技成果二等獎(jiǎng)。1987年至今，被《脂松香》、《松香試驗(yàn)方法》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)所采用，并多次經(jīng)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局復(fù)查考核合格。

聯(lián)系地址：210042 南京市鎖金五村16號(hào) 中國(guó)林科院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所

電 話：(025)85482449，85482533 聯(lián)系人：譚衛(wèi)紅

傳 真：(025)85482450

Overview of Biomass Torrefaction Technology

LIN Qi-chen1, ZHANG Wen-biao1, SUN Yi1, ZHANG Xiao-chun1, WANG Sun-guo2

(1. School of Engineering,Zhejiang A&F University, Lin′an 311300, China；2. Nova Green INC.,Killam, Alberta T0B 2L0, Canada)

This paper presents a global overview of the torrefaction raw materials, existing torrefaction technologies, characteristics and applications of products, as well as the future opportunities and challenges especially in China.

biomass；torrefied biomass；application

10.3969/j.issn.1673-5854.2015.05.009

2015- 02- 06

國(guó)家科技部農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目(2010GB2C200175)；浙江省農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目( 2012T201-06);浙江農(nóng)林大學(xué)科研發(fā)展基金項(xiàng)目(2034020049)

林啟晨(1989—)，男，浙江紹興人，碩士生，研究方向?yàn)樯镔|(zhì)炭加工利用；E-mail:oneonly888@126.com

*通訊作者：張文標(biāo)，男，浙江遂昌人，教授，博士，主要從事竹木材加工與利用研究工作；E-mail:zwb@zafu.edu.cn。

TQ35

A

1673-5854(2015)05- 0047- 06