南雄市生物質顆粒燃料原料的適宜性分析

王行 何振峰 邱妙文 文志強 張敏堅

摘? ? 要：調查統(tǒng)計了廣東省南雄市農經作物和林業(yè)剩余物的可收集系數、折煤系數和制作顆粒燃料經濟性，并對易收集的三種原料不同配比制作顆粒燃料燃燒特性和工業(yè)性狀進行分析比較。結果顯示，可收集到的農作物秸稈和林業(yè)剩余物折算標準煤分別為84 769.61 t和13 364.0 t，能夠滿足當地一個煙葉烘烤季節(jié)煤13 000 t的需求。其中，竹粉和木屑原料充足、價格低、制成顆粒燃料發(fā)熱量高、硫含量低，是生物質顆粒原料的首選，農經作物收集較難、價格偏高，制成顆粒燃料發(fā)熱量稍低、燃燒易結渣，可作為輔助原料摻兌使用。

關鍵詞：生物質顆粒;農作物秸稈;林業(yè)剩余物;適宜性

Abstract：? This paper carried out that the coal conversion coefficient， fuel economy of agricultural， economic crops and forestry residues were statisticed in Nanxing， analysis the combustion characteristics and industrial properties of three easily collectable raw materials. The results showed that the crop straw were 84 769.61 tons and forest residues were 13 364.0 tons. They could meet the needs of fuel amount to 13 000 tons of coal in a local of tobacco baking season. Among them， bamboo powder and sawdust were the first choice for biomass pellet raw materials， which had sufficient raw materials， low price， high calorific value and low sulfur content of the granulated fuel. It was difficult to collect agricultural and economic crops， with high price， the pellet fuel had a little lower heating capacity and was easy to be slagged during combustion， so it could be used as auxiliary raw material for blending.

Key words： biomass pellet fuel; straw resources; bamboo residue; suitability

生物質顆粒原料主要包括農作物、農作物廢棄物，林業(yè)木材、竹子和竹木邊角料等經過加工產生的塊狀環(huán)保新能源[1-6]。煙葉產區(qū)的煙稈和其他作物秸稈因找不到合理利用途徑被大量丟棄或隨意燃燒，不僅造成特定季節(jié)大氣污染，而且容易傳播農作物病蟲害[7]。如果能夠充分利用煙區(qū)生物質能源，將其加工成生物質顆粒，“變廢為寶”、替代燃煤，即可實現循環(huán)經濟、助農增收，又可杜絕環(huán)境污染，減少病蟲害傳播，具有良好的社會效益和經濟效益。廣東烤煙生產分布在韶關、梅州、清遠、連州等粵北山區(qū)等傳統(tǒng)的農業(yè)區(qū)，竹木等林業(yè)資源比較豐富，其中韶關煙區(qū)的南雄市烤煙產量占廣東全省的45%。因此，以廣東省南雄市為例進行農林剩余物生物質能源化適用性分析具有一定代表性。生物質原料收集難易程度和材料本身特性等原因影響生物質顆粒燃料的價格和燃燒特性，本文以廣東省最大的煙葉產區(qū)南雄為例，分析本產區(qū)生物質原料來源、價格成本及制成商品生物質顆粒燃料生產使用情況等方面的優(yōu)劣勢，以期為產區(qū)選擇適宜的生物質原料、生產生物質燃料提供技術支持。

1 材料和方法

針對南雄種植面積較大的農經作物水稻、烤煙、花生、玉米，統(tǒng)計它們草谷比系數、可收集系數、折標煤系數，確定能源化率，為篩選能源化率高的農作物秸稈提出指導。

1.1 秸稈可收集系數

單位面積上農作物秸稈產量與籽粒產量的比值稱為草谷比系數，單位面積內秸稈可收集量（秸稈總產量-留茬量-穗軸枝梗損失量）占秸稈總產量的比例[8]稱為可收集系數。農經作物草谷比系數和可收集系數取值分別選取王曉玉等[9]和畢于運[10]的研究結果作為計算依據。

1.2 折標煤系數

各種作物秸稈熱值與標準煤熱值的比值稱為作物秸稈的折標煤系數。本試驗中，稻谷、玉米的折標煤系數根據《2014年中國能源統(tǒng)計年鑒》[11]獲得，花生、烤煙的秸稈折標煤系數根據韋茂貴等[12]統(tǒng)計結果獲得。

1.3 生物質顆粒燃燒特性分析方法

工業(yè)分析按照的方法分析，固定碳和硫含量按照GB/T212-2008方法[13]和GB/T214-2003方法[14]分析，發(fā)熱量按照GB/T213-2008方法[15]進行，底灰結渣率測定及計算方法[16-17]，分別取不同處理的生物質成型燃料（20±0.5） g，在燃燒器內燃燒，進料量、進風量等其他條件一致，待燃燒器停止后，冷卻，將底灰全部取出，稱質量記為m1，篩出灰渣中粒度大于6 mm 的渣塊，稱質量記為m2，計算方法：粒度大于6 mm 的渣塊占灰渣總質量的百分數，即為該試樣的底灰結渣率C，C（%）=m2 /mL×100。

2 結果與分析

2.1 農林剩余物做生物質顆粒燃料適用性分析

2.1.1 農經作物秸稈做生物質顆粒燃料適用性分析? 農經作物年產量、可收獲秸稈量即可能源化量、折標準煤量，及能源化競爭性產業(yè)統(tǒng)計于表1。表1統(tǒng)計結果表明，農作物和經濟作物秸稈年產量在190 905.40 t，數量可觀。目前推廣的密集烤房每烤1 kg干煙葉的耗煤量一般為1.5 kg[18-19]，按南雄市2018年煙葉收購量92 000 t，另加上20%級外煙，共需煤炭165 600 t，而南雄每年收集到農經作物秸稈可折算標準煤84 769.61 t，農經作物秸稈折標煤量基本能夠滿足本地煙葉烘烤對能源需要。

農經作物收獲部位和利用方式不同，秸稈的收購價格也受到影響[20-21]。表1統(tǒng)計表明，在秸稈回收價格中人力成本是最主要的影響因素，農經作物秸稈最低價格都在700.0元·t-1以上，若加上收購運輸費用價格更高，稻谷秸稈主要競爭產業(yè)為種菌、谷殼主要用作飼料添充物，花生收獲時帶秧、秧苗秸稈主要用于飼料，農民習慣性收割煙稈堆集晾曬，量大且集中，無競爭性產業(yè)，因此煙稈更容易收集、用作生物質顆粒原料。

2.1.2 竹木等原材料和邊角料做生物質顆粒燃料適用性分析? ?南雄作為山區(qū)縣有較多的竹木資源，分布較多的竹木加工企業(yè)（表2），每天竹木加工剩余料約170 t，折標準煤88.5 t，一年按300 d計算，可生產生物質顆粒折標準煤26 550 t，且因原料集中便于收集運輸，價格僅是農經作物的62%左右，當前竹木剩余料主要銷往纖維板和造紙企業(yè)，如果我們在產地建廠購買原料生產物質顆粒燃料，在到貨價格相同時，具有收集原料的優(yōu)勢。

2.1.3 不同原料做生物質燃料成本因素對適用性的影響? 按照一條55KW顆粒成型生產線，額定產量為0.8～1.0 t·h-1，日產量（按8 h計算）為7～8 t，配套45KW粉碎機，稻谷、花生苗體積較大秸稈要2 h粉1 t原料，玉米秸稈要1.5 h粉1 t原料，煙桿、木屑和竹粉基本上1 h粉1 t原料，因1 t原料基本含水量20%～30%，烘干后1.6 t原料壓制1 t顆粒，最終顆粒生產成本列于表3。可以看出，生物質顆粒燃料最基本的生產成本包括：原料費、加工運行電費、生產人工費、設備維護和折舊費用，其中原料的費對產品價格影響最大，只有控制好原料的費用，才能控制產品價格，由于農作物秸稈分散、收集價格偏高，原料總成本最大，而竹木的邊角料比較集中，收集方便，價格便宜，適宜用來生產生物質顆粒，從供應量來看竹粉最為充足，但純竹粉制作顆粒的成型性不是太好、密度也較低，必須在配方上改進或與其他原料搭配。

2.2 適用原料不同比例配方生物質顆粒燃燒特性分析

根據生物質顆粒原料適用性分析，按質量比生產四個配方的生物質顆粒燃料，分別為100%雜木屑（B）、50%雜木屑+50%竹屑（C）、1/3雜木屑+1/3竹屑+1/3煙稈（D）、70%竹屑+20%雜木屑+10%煙稈（E）。以煤炭（A）為對照，對4種生物質成型燃料進行工業(yè)分析、發(fā)熱量測試，結果列于表4。

2.2.1 不同配方生物質燃料的工業(yè)分析及熱值比較 表4結果表明，不同配方生物質顆粒燃料的工業(yè)分析與生產用塊煤（CK）相比存在較大的差異。從含水量來看，最低的是CK，僅為2.89%，配方中摻兌煙稈會增加顆粒燃料含水量，含量最高的1/3木屑+1/3竹屑+1/3煙稈為9.03%，70%竹粉+20%木屑+煙稈為7.66%，木基和竹基配方含水量稍低。因此，各生物質顆粒燃料發(fā)熱量都低于煤炭，木基和竹基配方發(fā)熱量高于摻兌煙稈的顆粒燃料。

揮發(fā)分仍然以CK最低為11.35%，最高是純木屑配方為82.02%、其次為木屑與竹粉配方，煙稈含量生物質顆粒燃料的揮發(fā)分會降低，含量越高降得越多，但各生物質配方處理的揮發(fā)分都高于煤炭（CK）。

成型燃料灰分的變化規(guī)律與揮發(fā)分正好相反，一般木質燃料的灰分相對較低，而秸稈類燃料灰分卻相對較高，煤炭灰分含量最高，摻兌煙稈灰分含量也明顯偏高。

當秸稈類生物質固體成型燃料在鍋爐內燃燒時，爐內溫度遠高于堿金屬化合物的熔點，導致爐排上的秸稈灰在800～900 ℃時就開始發(fā)生軟化，溫度過高時灰分會全部或者部分發(fā)生熔化，形成玻璃狀堅硬爐渣，難以清除，檢測結果表明，摻兌煙稈的顆粒燃料結渣率很高，1/3木屑+1/3竹屑+1/3煙稈配方顆粒燃料燃燒后焦渣量基本占灰燼的50%，即便是含10%煙稈灰燼中焦渣也有20%左右。

固定碳含量的多少會影響發(fā)熱量的大小，從表2中也可以看出，雜木屑成型炭的固定碳含量最高，其熱值也相應高些，摻兌煙稈顆粒燃料發(fā)熱量下降，會推高燃料用量，但生物質顆粒燃料揮發(fā)分與固定碳的比率遠高于煤炭，所以生物炭顆粒更容易點燃、燃燒也更劇烈。

2.2.2 不同配方生物質顆粒燃料全硫含量分析 表4顯示，塊煤中硫元素的含量大于1.22%，而生物質顆粒燃料除1/3木屑+1/3竹屑+1/3煙稈含量為0.12%，其他配方S含量都低于0.1%，基于此點同煤炭相比較，生物質成型燃料更為清潔環(huán)保。

2.2.3 發(fā)熱量 發(fā)熱量是顆粒燃料最為重要的參數，表4可以看出，不同生物質原料的成型燃料發(fā)熱量都低于煤炭，純木屑顆粒燃料的發(fā)熱量最高為4 544 kCal·kg-1、其次為木屑和竹粉混合配方顆粒燃料，最低為1/3木屑+1/3竹屑+1/3煙稈配方燃料發(fā)熱量為4 196 kCal·kg-1，但四種成型燃料的發(fā)熱量都滿足SS187120 的參考值（≥16.9 MJ·kg-1）要求[22]。

3 結論與討論

3.1 生物質顆粒燃料原料豐富

南雄市農經作物秸稈可折算標準煤84 769.61 t，竹木邊角料一年按257 d工作日計算可收集約41 120 t左右，折算標準煤13 364 t，而煙葉烘烤一年約需煤炭13 000 t，所以如果能夠收集到農林廢棄物制作生物質顆粒燃料完全可以滿足當地煙葉烘烤對能源的需求。