生物质型煤及其在烟叶烘烤中的应用

2010-02-13孙建锋杨荣生吴中华夏开宝张庆刚

中国烟草科学 2010年3期

孙建锋，杨荣生，吴中华，夏开宝，张庆刚

（云南省烟草公司曲靖市公司，云南曲靖 655000）

生物质能是世界第四大能源[1]，也是唯一可运输与储存的清洁可再生能源[2]。我国是一个农业大国，生物质能资源十分丰富，仅农作物秸秆每年就有8亿t以上，以直接燃烧为主，利用效率极低；大部分被遗弃或直接焚烧，不仅污染环境，还造成了巨大的能源浪费[3]。我国又是以煤炭为主要能源的国家，每年直接用于燃烧的煤达9亿t以上，造成大量烟尘、SO2等污染物排放到环境中，形成以煤烟型为特征的大气污染。生物质作为替代能源，实现了CO2的零排放和微硫化物排放，对改善环境、降低温室效应都有极大的好处。生物质型煤是合理利用煤炭和生物质资源的有效途径之一，不仅改变了生物质秸秆不易储存、不易运输、能量密度低的缺点，而且使生物质秸秆从一种低品位的能源转化为高品位的能源[4]。美国、日本等国对生物质型煤技术进行了大量的研究[5]。

烤烟生产需要投入大量的劳力、烟用物资和燃料，在美国，燃料费用约占生产烤烟成本的25%，在我国烤烟生产中烟叶烘烤成本比例更高[6]。随着密集烤房在我国各个烟区的推广应用，烘烤劳动强度和能耗有较大的改善，但多数密集烤房烘烤设备对煤炭的要求较高，特别是全自动烘烤设备必须要求是颗粒无烟煤，且煤炭价格较高，因此，探索与密集烤房相配套的成本低、燃透率高、污染少、使用方便的燃料就显得十分必要。

1 生物质型煤的组成和燃烧特点

1.1 生物质型煤的组成

生物质型煤是指破碎成一定粒度的煤和可燃生物质按一定比例掺混，加入少量固硫剂、粘合剂、助燃剂等由高压成型机压制而成。其加工程序为先将原煤和生物质进行破碎，使生物质和原煤成颗粒状或细粉末，然后将两者充分混合，按需求加入适量的粘结剂和固硫剂等，最后将上述混合物一同送入成型机在高压下压制成型。生物质型煤是型煤中的一种新产品，具有燃点低、不结渣、燃烧充分、固硫和烟尘少等特点，且抗压和防水性能好，并可根据使用需求压制成2～20 cm不等的椭圆形、圆形或方形。根据其处理方法的不同，生物质成型可分为三类，一是生物质制浆后的黑液，如纸浆废液作为成型粘结添加剂；二是生物质水解产物，如水解木质素、纤维素及碳氢化合物等作为成型粘结添加剂；三是生物质直接和煤粉混合，利用受热或高压压制成型[7]。

1.2 生物质型煤的燃烧机理

生物质型煤燃烧机理是属于静态渗透式扩散燃烧[8]。燃烧过程从着火开始，第1步是型煤球表面可燃挥发物燃烧，进行可燃气体和氧气的放热化学反应，形成橙黄色火焰；第2步是型煤球表层部分焦炭处于过渡燃烧区，形成橙红色较长火焰；第3步是燃烧向型煤球更深层渗透，焦炭的扩散燃烧占主导，燃尽的生物质不断深入地带动周围焦炭迅速燃烧，在燃尽层形成一定的微孔组织，使一个实心球体变成了一个“多孔形球体”，促使气体的扩散和氧气的渗透，球表层生成薄灰壳，外层包围着淡蓝色短火焰；第4步是型煤球燃烧进一步向球内更深层发展，在层内主要进行焦炭燃烧，在球表面进行一氧化碳的气体燃烧，形成比较厚的灰壳，灰层中呈现微孔组织或空隙通道甚至裂缝，较少的短火焰包围着型煤球；第5步是燃尽灰壳不断加厚，可燃物基本燃尽，形成整体灰球，灰球变成暗红色，完成燃烧过程[9]。

1.3 生物质型煤的燃烧特点

生物质型煤在燃烧全过程中燃烧速度缓慢，燃尽时间长，在同质量燃料达到较高燃尽率情况下，生物质型煤燃烧时间为正常燃料燃烧时间的 2～3倍[10]。有研究表明，单一生物质燃烧主要集中于燃烧前期，燃烧最大速率也出现在燃烧前期；单一煤燃烧主要集中于燃烧后期，加入生物质后，燃烧最大速率前移，能获得更好的燃尽特性[11]。从挥发分释放规律看，挥发分越高，燃烧过程中瞬时释放量越大，有利于燃烧；从传质理论看，型煤孔隙结构有利于挥发分释放[12]。从总体趋势上分析，生物质型煤的点火温度更趋于生物质的点火特性，而且点火温度变化范围不大；随着生物质含量的增加，最大燃烧速率温度有下降趋势，当达到一定程度时，最大燃烧速率发生在燃烧前期；燃尽温度与纯煤接近，且随着生物质含量的增加，混合物燃尽温度变化不明显[13]。

2 影响生物质型煤质量的主要因素

2.1 煤质与煤粒直径

原煤的质量是影响生物质型煤燃烧性能的关键因素之一，其发热量和比重大小决定着生物质型煤的发热量大小，其粒度和结构直接影响生物质型煤的抗压强度，抗压强度决定了生物质型煤的储存和运输便捷性。一般而言，烘烤专用生物质型煤的原煤要求发热量在4 500大卡以上，可以是无烟煤、烟煤或褐煤。一般随着原煤可磨性系数的不断增大，型煤的抗压强度逐步升高；当煤粒径小于 0.3 mm时，生物质型煤的抗压强度随煤粒径变细而升高很快，普通型煤随煤粒径的变细却略有降低；当煤料粒径大于0.3 mm时，随煤料粒径的增大，普通型煤和生物质型煤的抗压强度均下降，而生物质型煤的变化较为平缓，生物质型煤的抗压强度平均比普通型煤高出25 kg/cm2以上[14]。在成型压力与其他条件一定的情况下，煤料成型时的粒径组成对生物质型煤抗压强度有显著的影响，粒径小于 0.2 mm的成型原料含量越多，生物质型煤的抗压强度越高，而粒径在 1～3 mm之间的成型原料含量越多，生物质型煤的抗压强度会逐渐降低，所以国内外对煤成型粒径一般均要求在3 mm以下[15]。

2.2 生物质加入量

由于生物质型煤的着火点处于生物质和原煤的着火点之间，随着生物质加入量的增多，生物质型煤的着火温度呈下降趋势，且掺入生物质种类不同，生物质型煤着火温度降低的程度不同[16]。生物质含量在 20%以下时对型煤燃烧初期的燃烧速度有一定的影响，但对燃烧的中后期基本无影响，且燃烧速度趋于一致[17]。这与孔隙结构研究的结果一致，当生物质含量占型煤质量分数在0%～20%时，内部孔隙的分形结构在一定范围内存在，空隙结构形核时期，Hausdoff分形维数随着生物质质量分数增加而减少，其孔隙结构复杂度降低；而近着火点处，分形维数趋于稳定，不随生物质质量分数的改变而有大的变化[18]。

2.3 粘合剂

型煤粘合剂是生物质型煤生产中的关键技术，决定着生物质型煤的抗压性能和防水性能，也是制约型煤发展的瓶颈。目前，市场上很难找到高效型煤粘合剂，而且生产成本普遍偏高，其主要原料为淀粉、焦油、SiO2超微粉、分散剂、水泥、碱类物质、粘土等[19]。国内外开发的型煤粘合剂已达数百种，按粘合剂的化学性质分为无机粘合剂、有机粘合剂和复合粘合剂三类；按结合机理分为水化结合、化学结合、缩聚结合、粘附结合和凝聚结合五类[20]。在型煤加工过程中，粘合剂的用量一般控制在1%～10%以内，以复合粘合剂为主，用量过高则增加型煤的生产成本，过低则型煤的抗压强度和防水性能达不到要求[21]。

2.4 固硫剂

生物质型煤在燃烧过程中，生物质碳化后留下空隙起到膨化疏松作用，使固硫剂CaO颗粒内部不易发生烧结，甚至可使孔隙率增加，增大了钙的利用率，又有利于固硫反应中先生成的CaSO3及时氧化成更耐高温分解的CaSO4，从而提高其固硫率。因SO2的释放主要在生物质型煤燃烧的中后期，所以要提高型煤的固硫率，固硫剂要有大比表面积、高反应活性和高耐温性，所生成的硫酸盐在高温下不易分解[15]。

2.5 成型压力

生物质型煤的抗压强度除与原煤粒度、粘合剂性能等有关外，还与成型压力有关。适当提高成型压力有助于增加型煤的强度，但压力增加到一定的程度时，其强度提高就不大明显，一般控制在30～35 MPa为宜[22]。一般随着成型压力的增加，型煤煤粉颗粒间距减小，颗粒间接触面积加大，导致传热传质系数增加，使型煤在加热过程中升温速度加快，挥发分析出速率变快，有利于燃烧；同时由于空隙率降低，使氧气及挥发物、燃烧产物的扩散阻力增大，不利燃烧[23]。

3 生物质型煤在烟叶烘烤中的发展前景

生物质型煤在烟叶烘烤中的推广应用对解决烟叶烘烤替代能源问题具有重要意义，是实现烘烤能源改革的新途径之一。通过在烟叶烘烤中的实践应用，生物质型煤具有以下优势。

3.1 节能减排效果好

通过密集烘烤应用得知，生物质型煤只在燃烧初期有烟气冒出，此后的烟气、废气排放量很少，肉眼几乎看不到，减排效果好；与原煤相比，使用生物质型煤烘烤烟叶可节约用煤约 0.15 kg/kg干烟，每炉烟叶可节约煤炭50 kg以上，节能效果显著；烘烤用煤的煤矸石含量一般在20%左右，而生物质型煤中煤矸石含量为零，综合利用率较高。

3.2 减工降本效益好

由于生物质型煤的原料来源较广，原料煤价格相对较低，生物质主要是废弃的植物茎秆，加上粘合剂、固硫剂和加工成本，比同等发热量的原煤价格低100元/t左右；在生产工艺上，可生产出与烘烤设备外形、尺寸大小相配套的生物质型煤；同时由于生物质型煤的燃透率高，燃尽时间较长，烘烤每炉烟叶平均可减少加煤3次左右，有效地降低了烘烤用工成本。

3.3 与控制系统配套好

生物质型煤要燃烧良好，最根本的原则是实现有效合理配风下的控温燃烧，而密集烤房自控设备有控温系统、排湿系统、控风系统、加煤系统等，自控系统是通过控制通风和加煤来实现控温控湿的。因此，生物质型煤在使用过程中很容易实现配风的精准控制，进而实现了与密集烤房控制系统相配套。

3.4 与烘烤工艺吻合好

在烟叶烘烤过程中，根据烟叶变化需求通过通风和添加燃料来调整燃料着火大小，进而控制装烟室内的温湿度。而生物质型煤由于加入生物质，在燃烧过程中较易控制着火大小，生火快，升降温速率均较快，能够更好地满足烟叶烘烤工艺的需求。

4 展望

生物质型煤的燃烧特性决定了其在烟叶烘烤中具有良好的应用前景。要使生物质型煤在烟叶烘烤中大量应用，关键是要解决生物质型煤的发热量、生产成本及运输与储存问题。发热量和生产成本与原材料的成本密切相关，运输、储存问题与抗压强度、防水性能直接相关。因此，生物质型煤的原材料来源要广泛且价格低廉，专用粘合剂添加量较少且粘结与防水性能好。同时，在烘烤应用中应加大生物质型煤与烘烤设备、控制系统、烘烤工艺的配套研究，形成原材料筛选、生产加工、运输储存和烘烤使用一套完整的技术体系。

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