我國生物質(zhì)型煤技術(shù)進展

姜玉珊，王高敏，吳越，陳夫山，吉喆

（青島科技大學(xué) 海洋科學(xué)與生物工程學(xué)院，山東青島 266042）

在煤炭儲量緊缺和環(huán)境日益惡化的雙重壓力下，生物質(zhì)型煤受到廣泛關(guān)注。生物質(zhì)型煤是將煤粉與農(nóng)林廢棄物等可燃生物質(zhì)及添加劑按一定比例混合壓制而成的一種固體燃料，應(yīng)用于工業(yè)鍋爐、窯爐可節(jié)煤10%～27%，煙塵排放量減少50%～60%[1]。生物質(zhì)型煤技術(shù)的發(fā)展，不僅實現(xiàn)了原煤的高效清潔利用，還促進了農(nóng)林廢棄物的資源化和能源化轉(zhuǎn)化，是符合當(dāng)下綠色發(fā)展理念、緩解國家能源安全危機的重要戰(zhàn)略要求。本文從生物質(zhì)型煤添加劑、成型工藝和發(fā)展現(xiàn)狀進行綜合敘述，并對生物質(zhì)型煤的發(fā)展前景進行了展望。

1 生物質(zhì)型煤添加劑

生物質(zhì)型煤添加劑是指在粉煤成型之前，為改善型煤的物理化學(xué)性能以達到符合生產(chǎn)目的的輔助性原料，主要包括粘結(jié)劑、固硫劑、脫硝劑和助燃劑等。

1.1 粘結(jié)劑

粘結(jié)劑是增強顆粒之間粘結(jié)力，使生物質(zhì)型煤具有一定形狀和強度的物質(zhì)。常用的粘結(jié)劑主要包含無機粘結(jié)劑、有機粘結(jié)劑和復(fù)合粘結(jié)劑[2]。

添加無機黏結(jié)劑如石灰、磷酸鹽、硫酸鹽等會使型煤灰分增加，固定碳含量降低，影響型煤燃燒性能。有機粘結(jié)劑包括淀粉、腐植酸、生物質(zhì)和工業(yè)廢液等，其中生物質(zhì)和工業(yè)廢液粘結(jié)劑由于來源廣泛、綠色環(huán)保且具有較好的黏結(jié)性而引起重視，是型煤粘結(jié)劑發(fā)展的重要方向。生物質(zhì)由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，無定型的木質(zhì)素是生物質(zhì)固有的內(nèi)在膠黏劑。當(dāng)溫度超過95 ℃，木質(zhì)素軟化、熔融形成膠體物質(zhì)，在壓縮成型過程中粘附、聚合生物質(zhì)和煤粉顆粒，有效提高生物質(zhì)型煤結(jié)合強度和耐久性[3]。在實際生產(chǎn)中，為進一步提高型煤強度，可利用氫氧化鈉水解生物質(zhì)破壞細胞壁中木質(zhì)素的吡喃環(huán)，并剝離與木質(zhì)素相互交聯(lián)的纖維素和半纖維素，使之在型煤中發(fā)揮橋連作用，提高型煤穩(wěn)定性。與此同時，生物質(zhì)分解產(chǎn)生的多糖和單寧等物質(zhì)也擔(dān)負粘結(jié)作用[4]。牛玉等[5]利用NaOH堿化后的甘蔗渣作為型煤粘結(jié)劑，制得了具有較高抗壓強度和跌落強度的生物質(zhì)基復(fù)合型煤。復(fù)合粘結(jié)劑具有平衡型煤各項性能的優(yōu)點，如活性污泥中含有大量的有機物、活性菌與無機物，高粘度的污泥可作粘結(jié)劑。王龍龍等[6]利用改良苜蓿細草、活性污泥與煤粉制成生物質(zhì)型煤，研究發(fā)現(xiàn)活性污泥的加入大大提高了型煤的跌落強度和防水性能。

1.2 固硫劑與脫硝劑

固硫劑又稱脫硫劑，是添加于型煤之中脫除游離硫或者硫氧化物的試劑。固硫劑的加入極大降低了硫化物向大氣中的排放，燃燒時煙塵和SO2的排放比燃燒散煤時減少40%～60%，能夠充分緩解燃煤帶來的環(huán)境污染問題。常見的固硫劑主要有鈣基、鈉基、氨法固硫等無機固硫劑。隨著生物質(zhì)資源的開發(fā)，也出現(xiàn)了許多生物質(zhì)基固硫劑。田寶農(nóng)等[7-8]利用造紙黑液作為固硫劑制備了生物質(zhì)黑液型煤，在型煤高溫燃燒時制漿黑液中存在的堿性物質(zhì)（如NaOH、Na2CO3等）與燃燒煙氣中SO2反應(yīng)生成硫酸鹽并將硫酸鹽固定在爐渣中隨灰分排出；黑液添加量為32%，900 ℃下燃燒3 h時，固硫率高達89%。

脫硝劑主要是去除生物質(zhì)型煤燃燒煙氣中的SO2與NOx等有害氣體。近年來，濕法脫硝添加劑被證實是最有效的，其過程大致為：脫硝劑將不充分燃燒產(chǎn)生的NO氧化為NO2，然后用水溶液將NO2還原成N2。Yutthasin[9]在實驗室規(guī)模下，利用模型焦油吸收NO，評估了熱解焦油的脫硝反應(yīng)特征和性能。何小明等[10]對藻類生物質(zhì)基脫硝劑進行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)馬尾藻富含的堿性物質(zhì)會大幅降低氮硫化物的排放；與原煤相比，添加50%馬尾藻后NO和SO2的轉(zhuǎn)化率分別降低了44.49%和53.81%。

1.3 助燃劑

生物質(zhì)型煤主要用于層燃鍋爐，其燃燒過程主要分為兩個階段：第一階段是揮發(fā)分的析出和燃燒，在高溫輻射下生物質(zhì)中的有機物開始分解、析出可燃性氣體，當(dāng)氣體濃度達到一定濃度、溫度且遇到適量氧氣時發(fā)生燃燒，隨著燃燒范圍的不斷擴大，溫度升高達到固定碳燃點時，便進入第二階段，即固定碳的擴散燃燒。

助燃劑是提高生物質(zhì)型煤燃燒性能的輔助原料。由于生物質(zhì)中揮發(fā)分的析出溫度遠低于煤中揮發(fā)分的析出溫度，因此生物質(zhì)的加入不僅能降低型煤燃點，提高燃燒速度，還使型煤燃燒充分、灰渣含碳量低。龍尚俊等[11]利用薏苡秸稈為原料，制得的生物質(zhì)型煤著火點低，燃燒時間短，燃盡率高。王華山等[12]在蘭炭中摻雜大豆后著火溫度降低，并改善了蘭炭的燃燒特性。此外，Wang等[13]對無機助燃劑V-TiO2催化煤和玉米芯共混物燃燒的過程進行了評估，發(fā)現(xiàn)V-TiO2的加入使煤焦的比表面積增大，有效提高了玉米芯與煤的混合燃料效率。

2 生物質(zhì)型煤技術(shù)

2.1 冷壓成型

冷壓成型包括不摻入粘結(jié)劑的冷壓成型與摻入粘結(jié)劑的冷壓成型兩種類型。第一種方法是將煤與生物質(zhì)分別粉碎后混合，借助高壓器械在室溫下直接壓制成型；第二種方法是對生物質(zhì)進行預(yù)處理，使主要組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成具有粘結(jié)性的物質(zhì)，隨后摻入粘結(jié)劑和煤粉，進行加壓成型[14]。在壓縮初期，較低的壓力傳遞至生物質(zhì)顆粒中，使原先松散堆積的固體顆粒排列結(jié)構(gòu)開始改變，生物質(zhì)內(nèi)部空隙率減少；當(dāng)壓力逐漸增大時，生物質(zhì)大顆粒在壓力作用下破裂，變成更加細小的粒子，并發(fā)生變形或塑性流動，粒子開始填充空隙并緊密接觸進而互相嚙合，一部分殘余應(yīng)力貯存于成型塊內(nèi)部，使粒子間結(jié)合更牢固。冷壓成型制得的型煤燃燒性能和強度較高，且設(shè)備及工藝研究成熟，無須高溫能耗低，但型煤不具防水性。

2.2 熱壓成型

熱壓成型是將煤粉與生物質(zhì)粉末進行篩分、復(fù)配、均勻混合后，在成型模具中進行高溫加壓成型的過程。采用熱壓成型時，不用任何添加劑即可制得高強度的生物質(zhì)復(fù)合型煤，降低了加工成本，因為生物質(zhì)中的纖維素和半纖維素在粘聚體內(nèi)發(fā)揮了類似“鋼筋”的加強作用，成為提高型煤強度的“網(wǎng)絡(luò)骨架”。木質(zhì)素作為生物質(zhì)固有的內(nèi)在膠黏劑，在高溫下軟化、熔融形成膠體物質(zhì)，提高了成型物的機械強度和耐久性。此外，經(jīng)熱壓的生物質(zhì)燃燒會產(chǎn)生孔隙結(jié)構(gòu)，有利于分子間共價鍵的形成，使生物質(zhì)與煤緊密膠粘在一起，保持較高的強度。同時煤炭會產(chǎn)生煤焦油，使型煤表面疏水化，因此熱壓生物質(zhì)型煤具有良好的防水性能。與冷壓成型相比，熱壓成型技術(shù)對壓力的要求較小，能夠延長機器零件壽命，但是加熱過程能耗相對較高。

3 應(yīng)用現(xiàn)狀與前景

目前，生物質(zhì)型煤主要應(yīng)用于中小型企業(yè)的工業(yè)鍋爐，有效緩解了企業(yè)供煤不足的問題，同時削減了污染物的排放，減免了除塵脫硫設(shè)備及其運行維護費用。生物質(zhì)型煤技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)了農(nóng)林廢棄物的高值化利用，部分替代和節(jié)約化石資源，有利于改善中國的能源結(jié)構(gòu)，在節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟等方面展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。

生物質(zhì)型煤技術(shù)是新型的潔凈煤技術(shù)，能有效緩解工業(yè)型煤需求量大與生產(chǎn)水平有限、技術(shù)不過關(guān)的矛盾，為我國工業(yè)型煤的研制、生產(chǎn)和加速推廣應(yīng)用注入新的活力，具有廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)?shù)卣推髽I(yè)應(yīng)遵循因地制宜的原則，開發(fā)適合當(dāng)?shù)厥褂玫纳镔|(zhì)型煤技術(shù)，就地取材對農(nóng)林廢棄物進行高值化利用。生物質(zhì)型煤技術(shù)的發(fā)展需要國家的推廣和企業(yè)的支持，使其廣泛地應(yīng)用于電力、建材等工業(yè)領(lǐng)域，減少對煤炭等不可再生資源的依賴。生物質(zhì)型煤技術(shù)與人工智能相結(jié)合，篩選生產(chǎn)型煤的工藝條件，逐步提高型煤的各項性能并降低生產(chǎn)成本，生產(chǎn)滿足企業(yè)需求的優(yōu)質(zhì)型煤，使生物質(zhì)型煤大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)成為可能。

4 結(jié)語

利用原煤和生物質(zhì)制備固體燃料將是我國生物質(zhì)型煤發(fā)展的趨勢，為煤炭的清潔燃燒提供了行之有效的途徑。生物質(zhì)型煤具有良好的燃燒性能和節(jié)能環(huán)保特點，但是其燃燒熱值比原煤要低，并且工業(yè)生產(chǎn)的生物質(zhì)型煤在高溫?zé)釓姸群凸塘蚵?、防水性等方面仍然存在一些問題有待完善，在我國尚處于實驗室研究、工業(yè)試生產(chǎn)階段，未形成規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)體系。生物質(zhì)型煤生產(chǎn)過程中，需有高壓設(shè)備以及前期的測定與篩選環(huán)節(jié)，這增加了型煤的生產(chǎn)配套設(shè)備，而且消耗大量的水、電資源，從而增加了生產(chǎn)成本。生物質(zhì)型煤的發(fā)展與推廣亟需政府的大力支持和引領(lǐng)，以及研發(fā)機構(gòu)和企業(yè)的共同努力。同時生物質(zhì)型煤產(chǎn)業(yè)應(yīng)與人工智能大數(shù)據(jù)相結(jié)合，繼續(xù)尋找合適的制備工藝，不斷完善型煤固硫固硝、防水、燃燒等各項性能，并進一步降低生產(chǎn)成本，制造出符合生產(chǎn)需求的清潔型煤。