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生物质颗粒燃料生产线及其关键制造技术的研究与开发

[摘要]生物质颗粒燃料（俗称木煤）作为生物质能源转化的一个重要领域，越来越受到人们的关注。本文对生物质颗粒燃料的燃烧特性、节能减排效果、制造工艺技术、关键生产设备进行了研究与开发，并在此基础上最终建成了规模化（年产2.0×105t）、低成本的木煤生产线，对推动我国木煤产业的健康发展具有重要的示范意义。

1前言

生物质固体成型燃料（俗称木煤）是指通过专门设备将分散的各类生物质原料经干燥、粉碎到一定粒度，在一定的温度、湿度和压力条件下，形成规则形状的密度较大的固体燃料，如生物质颗粒燃料和生物质块状燃料。国家在《可再生能源中长期发展规划》中提出：到2020年，全国生物质固体成型燃料年利用量将达到5.0×107t，因此开展生物质固体成型燃料等生物质能源产业化开发是必由之路。

生物质颗粒燃料生产朝着低成本规模化方向发展。由南京林业大学牵头，联合多家公司和院校于2008年组成木煤开发与应用课题组，对生物质颗粒燃料的物化性能和关键制造技术进行研究，经过6年的努力，开发研究出了年产2.0×105t的生物质颗粒燃料成套生产技术与装备，该生产线为目前国产产能最大的生物质颗粒燃料生产线，采用环模压辊成型技术，颗粒直径为6~8mm，质量达到德国和丹麦的标准。

2木煤燃烧特性和节能减排效果研究

2.1木煤的燃烧特性研究

1）1kg杨木木煤完全燃烧产生的SO2的数量只有烟煤的3%。

2）杨木和稻草木煤在实际燃烧过程中表现为：a.容易着火燃烧；b.燃烧时需要提供足够的炉膛空间和适当的过量空气系数，以促使挥发组分完全燃烧，减少化学不完全燃烧热损失；c.固定碳燃烧和燃尽时间会有所缩短，不如煤耐烧；d.产生的灰渣和飞灰数量很少，对环境的污染很小。

3）杨木木煤的灰熔融性与烟煤非常接近，均属于可熔性灰。稻草木煤的灰软化温度较低，属于易熔性灰。因此采用稻草木煤的锅炉炉排温度不宜过高，否则容易造成比较严重的结渣现象。

4）稻草和杨木木煤的燃烧过程均可分为3个阶段：水分析出阶段、挥发分析出与燃烧阶段、固定碳燃烧与燃尽阶段。其中，挥发分析出与燃烧阶段的失重量最大。

2.2木煤节能减排效果研究

我国工业企业供热和北方地区集中采暖主要采用工业锅炉作为热源设备，目前工业锅炉燃用的主要燃料为煤炭，其中多数地区采用二类烟煤，其平均热值为5100kCal/kg。木煤热值与生产木煤的原料种类有关，以木材加工剩余物和麦秸作为木煤原料，所生产出的木煤热值为4000～4300kCal/kg，且每吨木煤可替代0.96～1.04t（平均为1t）二类烟煤，即1t木煤可替代1t二类烟煤。燃煤工业锅炉的热效率平均为65%。使用木煤后，锅炉效率平均提高15%，提高至80%左右。

木煤是一种清洁高效的可再生能源，具有明显的节能减排效果，年产2.0×105t木煤可替代2.0×105t二类烟煤。与燃烧2.0×105t二类烟煤相比，燃烧木屑木煤或麦秸木煤的减排效果为：a.可减少二氧化硫排放6048t和5632t，减排率为97.4%和90.7%；

b.可减少二氧化碳减排放295168t，减排率为86.5%；c.可减少粉尘排放1276t和1196t，减排率为98.3%和92.0%；d.可减少炉渣排放59284t和42964t，减排率为93.1%和67.5%；e.燃烧木煤所产生的炉灰是良好的肥料。

3年产2.0×105t木煤生产线设计

图1为木煤课题组创建的目前国内首条生产规模为年产2.0×105t生物质颗粒燃料生产线的车间平面布置图。主要包括木材削片与锤碎系统、碎料干燥系统、制粒系统以及成品处理与打包系统。主要设备包括：鼓式削片机、锤式粉碎机、三通道干燥机、环模压辊制粒机、逆流冷却器、颗粒筛选机、袋式包装机、薄膜缠绕机，以及其他与之配套的各种运输机和料仓等。

该生产线中采用了课题组大量自主研发的技术装备，如目前国内产能、规格最大的环模制粒机（环模直径为800mm、产能为5t/h）、三转子粉碎机（产能20t/h），细碎料钻石辊筛、比重气力除砂分选装置等设备（申报5项发明专利、获得授权10项实用新型专利）。

4生物质固体成型燃料的成型机理

4.1加热成型

植物原料主要由纤维素、半纤维素、木素组成。木素属非晶体，为一种热塑性高分子物质，无确定熔点，但具有玻璃态转化温度，而且较高，当温度为70～110℃时软化具有粘性，在压力下可将植物原料中的半纤维素、纤维素在模具内压缩粘结成颗粒燃料，颗粒燃料通常采用加热成型方式。

4.2常温成型

被粉碎后的生物质原料结构疏松、密度较小，当受到一定的外部压力后，原料颗粒先后经过位置重新排列、颗粒机械变形和塑性流变等阶段。由于非弹性或粘弹