【行業(yè)分析】煤和生物質(zhì)顆粒質(zhì)量分析

通過(guò)對福州六區七縣在用工業(yè)鍋爐用煤和生物質(zhì)顆粒燃料進(jìn)行檢測，分析煤和生物質(zhì)顆粒中的水分、灰分、揮發(fā)分、熱值、硫和碳氫氮元素分析等指標，評價(jià)煤和生物質(zhì)顆粒質(zhì)量水平及兩者的優(yōu)缺點(diǎn)。

　　自《福建省燃煤鍋爐節能環(huán)保提升工程實(shí)施方案》發(fā)布以來(lái)，福州市逐步對10蒸噸/小時(shí)(含)以下的高污染燃煤小鍋爐進(jìn)行淘汰或改造。生物質(zhì)燃料以其可再生性及CO2的近零排放特性開(kāi)始受到廣泛的關(guān)注，用于鍋爐燃燒也具有較大的發(fā)展前景。在此背景下，福建省政府大力推廣生物質(zhì)成型燃料在工業(yè)鍋爐中的應用，將燃煤層燃工業(yè)鍋爐改造成燃生物質(zhì)工業(yè)鍋爐。為全面了解和掌握福州地區在用鍋爐使用煤、生物質(zhì)顆粒燃料的質(zhì)量情況，本文通過(guò)對2018年地區內在用煤和生物質(zhì)顆粒的水分、灰分、揮發(fā)分、熱值、硫和碳氫氮氧元素等指標進(jìn)行檢測，評價(jià)煤和生物質(zhì)顆粒質(zhì)量水平及優(yōu)缺點(diǎn)。

　　煤和生物質(zhì)分別隨機采取300個(gè)樣品。煤的采樣用煤堆法進(jìn)行，即分別在不同堆形均勻布置在頂、腰、底的部位上采取6個(gè)子樣，每個(gè)子樣約500g，總計3kg。生物質(zhì)顆粒的采樣，以一個(gè)樣品為一個(gè)采樣單元，每個(gè)采樣單元分別采取6個(gè)子樣，每個(gè)子樣約500g，總計3kg[2]。用于全水分化驗用樣品在實(shí)驗室樣品混合充分后用EPS100×60密封式顎式破碎縮分機對其進(jìn)行縮分至500g。工業(yè)分析、熱值及元素分析用樣品，經(jīng)過(guò)烘干達到空氣干燥基后，破碎至粒度≤0.5mm，過(guò)篩、縮分至約100g。

　　1.2檢測儀器

　　BS124S電子分析天平、5E－MF6000智能馬弗爐、HY98－2全密封制樣破碎機、EPS100×60密封式顎式破碎縮分機、5E－MACIV紅外快速煤質(zhì)分析儀、5E－KC系列快速量熱儀、5E－S31100A測硫儀、5E－CHN2000元素分析儀。

　　2.1全水分

　　由表1可知，煤的全水分總體上高于生物質(zhì)顆粒。鍋爐燃燒時(shí)燃料中較多的水分會(huì )降低燃燒溫度，不利于燃料的燃燒，甚至使著(zhù)火發(fā)生困難；水分吸熱變成水蒸氣并隨煙氣排入大氣，使鍋爐效率降低；水蒸氣增加煙氣的體積，使引風(fēng)機的電耗增加。

　　2.2工業(yè)分析

　　(1)內水為在規定條件下一般分析試樣本身所具有的水分，又稱(chēng)為空氣干燥基水分。分析試樣在達到空氣干燥后進(jìn)行內水檢測，由表2可知，生物質(zhì)顆粒內水總體而言略低于煤，全水分和內水之間無(wú)明顯相關(guān)關(guān)系。

　　(2)灰分為燃料中的無(wú)機物，燃料灰分越高，可燃成分相對減少，熱值和燃燒溫度相對降低。燃燒時(shí)，燃料表面上的可燃物質(zhì)燃盡后形成的灰分外殼，隔絕了氧化介質(zhì)(空氣)與可燃物質(zhì)的接觸，使燃料難于燃燒完全，造成爐溫下降。固體狀態(tài)的灰粒沉積在受熱面上造成積灰，熔融狀態(tài)的灰粒吸附在受熱面上造成結渣，影響受熱面的傳熱，給設備的操作和維護帶來(lái)困難?；曳指叩娜剂先紵?，會(huì )排出大量的煙塵和SO2污染環(huán)境。此外，較高的灰分還增加了燃料采集、運輸和粉碎的成本。由表2可知，生物質(zhì)顆粒的灰分比煤小，并且生物質(zhì)的灰分可用作農田肥料。

　　(3)揮發(fā)分指燃料中的有機質(zhì)受熱分解后產(chǎn)生的可燃性氣體，它是由各種碳氫化合物、H2S、CO等化合物組成的混合氣體。揮發(fā)分過(guò)低，則鍋爐不易著(zhù)火，難以保證鍋爐的穩定燃燒。由表2可知，生物質(zhì)顆粒的揮發(fā)分明顯高于煤，所以生物質(zhì)燃料易引燃，可以與煤混合燃燒，提高燃燒效率。

　　(4)固定碳指燃料中的可燃性固體物，是燃燒產(chǎn)生熱量的主要成分。燃料的固定碳含量會(huì )影響燃料發(fā)熱值，由表2可知，固定碳數值高的試樣其收到基低位發(fā)熱量數值也相應高。生物質(zhì)顆粒的固定碳含量明顯比煤低得多，其收到基低位發(fā)熱量也比煤低。

　　2.3全硫

　　全硫是指固態(tài)燃料中有機硫和無(wú)機硫的總和。參照標準GB/T 214-2007煤中全硫的測定方法和GB/T 28732-2012固體生物質(zhì)燃料全硫測定方法中庫倫滴定法進(jìn)行測定，結果見(jiàn)表2。燃料中的硫會(huì )腐蝕受熱面、風(fēng)機和污染空氣。由表2可知，生物質(zhì)顆粒的全硫含量比煤明顯低得多，最大值僅為0.14%，因此燃生物質(zhì)鍋爐不必設置脫硫裝置，既降低了成本，又利于環(huán)境的維護。生物質(zhì)顆粒全硫的標準偏差很小，僅為0.03%，說(shuō)明生物質(zhì)顆粒原料來(lái)源含硫量組成穩定，燃料顆粒加工過(guò)程中也不易帶入含硫物質(zhì)。

　　2.4發(fā)熱量

　　參照標準GB/T 213-2008煤的發(fā)熱量測定方法和GB/T 30727-2014固體生物質(zhì)燃料發(fā)熱量測定方法中氧彈法進(jìn)行測定，結果見(jiàn)表2。高位發(fā)熱量是指1kg燃料完全燃燒時(shí)放出的全部熱量，高位發(fā)熱量扣除煙氣中水蒸氣的汽化潛熱即為燃料的低位發(fā)熱量。因為低位發(fā)熱量最接近工業(yè)鍋爐燃燒時(shí)的實(shí)際發(fā)熱量，常用于鍋爐熱力計算。由表2可知，煤和生物質(zhì)顆粒的熱值較為穩定，生物質(zhì)顆粒的收到基低位發(fā)熱量普遍比煤低。

　　2.5碳氫氮氧

　　參照標準GB/T 476-2008煤中碳和氫的測定方法、GB/T 19227-2008煤中氮的測定方法、GB/T 28734-2012固體生物質(zhì)燃料中碳氫測定方法和GB/T 30728-2014固體生物質(zhì)燃料中氮的測定方法進(jìn)行測定，結果見(jiàn)表3。

　　燃料中碳、氫、氮含量的測定對于了解燃料的性質(zhì)、優(yōu)化鍋爐燃燒和減少環(huán)境污染有著(zhù)十分重要的意義。由表3可知，福州市在用煤的含碳量為43.74%～60.11%，含氫量為2.36%～3.71%，生物質(zhì)燃料含碳量為43.75%～48.49%，含碳量普遍在4.84%～5.99%，碳氫之和占燃料的50%以上。生物質(zhì)燃料含碳量總體上比煤低，其中含碳量最高的也僅49%左右，相比煤的熱值較低，這與測得的低位發(fā)熱量相符。但生物質(zhì)釋放出的CO2很低，相比煤可以認為是CO2零排放，可減少溫室氣體效應。生物質(zhì)的含氫量與煤相比偏高，生物質(zhì)中大多數碳和氫結合成低分子的碳氫化合物，達到一定溫度后熱分解而析出揮發(fā)分，使揮發(fā)分明顯偏高，所以生物質(zhì)燃料易點(diǎn)燃。生物質(zhì)顆粒含氧量明顯高于煤炭，也是造成生物質(zhì)燃料熱值偏低的原因之一。

　　(2)分析比較煤炭和生物質(zhì)燃料的檢測數據，生物質(zhì)顆粒易于燃盡，燃燒后灰燼中殘留的碳量比煤少。生物質(zhì)灰燼是品位極高的優(yōu)質(zhì)有機鉀肥，可以制造化肥，實(shí)現廢物減量化、無(wú)害化、資源化利用，礦物燃料煤則難以做到。生物質(zhì)顆粒揮發(fā)分含量高，易點(diǎn)燃。生物質(zhì)顆粒含硫量極低，對環(huán)境的污染程度較低，同時(shí)，低含硫量不會(huì )對鍋爐造成腐蝕，可延長(cháng)鍋爐的使用壽命。

　　(3)生物質(zhì)燃料的熱值低于煤，這是由于生物質(zhì)雖有較高揮發(fā)分但固定碳含量少，因此用作鍋爐燃料時(shí)，可以考慮生物質(zhì)與煤摻混燃燒，既保證燃料具有足夠的熱值又可以提高燃燒穩定性。

　　(4)此外，生物質(zhì)顆粒燃燒所釋放的二氧化碳接近零排放，有助于緩解溫室效應。生物質(zhì)顆粒燃料清潔衛生，投料方便，減少工人的勞動(dòng)強度，改善了勞動(dòng)環(huán)境，企業(yè)可減少勞動(dòng)力成本。