【行業分析】煤和生物質顆粒質量分析

通過對福州六區七縣在用工業鍋爐用煤和生物質顆粒燃料進行檢測，分析煤和生物質顆粒中的水分、灰分、揮發分、熱值、硫和碳氫氮元素分析等指標，評價煤和生物質顆粒質量水平及兩者的優缺點。

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

　　煤和生物質分別隨機采取300個樣品。煤的采樣用煤堆法進行，即分別在不同堆形均勻布置在頂、腰、底的部位上采取6個子樣，每個子樣約500g，總計3kg。生物質顆粒的采樣，以一個樣品為一個采樣單元，每個采樣單元分別采取6個子樣，每個子樣約500g，總計3kg[2]。用于全水分化驗用樣品在實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行縮分至500g。工業分析、熱值及元素分析用樣品，經過烘干達到空氣干燥基后，破碎至粒度≤0.5mm，過篩、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顆粒。鍋爐燃燒時燃料中較多的水分會降低燃燒溫度，不利于燃料的燃燒，甚至使著火發生困難；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，使引風機的電耗增加。

　　2.2工業分析

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

　　(2)灰分為燃料中的無機物，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，燃料表面上的可燃物質燃盡后形成的灰分外殼，隔絕了氧化介質(空氣)與可燃物質的接觸，使燃料難于燃燒完全，造成爐溫下降。固體狀態的灰粒沉積在受熱面上造成積灰，熔融狀態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困難?；曳指叩娜剂先紵?，會排出大量的煙塵和SO2污染環境。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，生物質顆粒的灰分比煤小，并且生物質的灰分可用作農田肥料。

　　(3)揮發分指燃料中的有機質受熱分解后產生的可燃性氣體，它是由各種碳氫化合物、H2S、CO等化合物組成的混合氣體。揮發分過低，則鍋爐不易著火，難以保證鍋爐的穩定燃燒。由表2可知，生物質顆粒的揮發分明顯高于煤，所以生物質燃料易引燃，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，是燃燒產生熱量的主要成分。燃料的固定碳含量會影響燃料發熱值，由表2可知，固定碳數值高的試樣其收到基低位發熱量數值也相應高。生物質顆粒的固定碳含量明顯比煤低得多，其收到基低位發熱量也比煤低。

　　2.3全硫

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

　　2.4發熱量

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

　　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固體生物質燃料中碳氫測定方法和GB/T 30728-2014固體生物質燃料中氮的測定方法進行測定，結果見表3。

　　燃料中碳、氫、氮含量的測定對于了解燃料的性質、優化鍋爐燃燒和減少環境污染有著十分重要的意義。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，這與測得的低位發熱量相符。但生物質釋放出的CO2很低，相比煤可以認為是CO2零排放，可減少溫室氣體效應。生物質的含氫量與煤相比偏高，生物質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分，使揮發分明顯偏高，所以生物質燃料易點燃。生物質顆粒含氧量明顯高于煤炭，也是造成生物質燃料熱值偏低的原因之一。

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

　　(3)生物質燃料的熱值低于煤，這是由于生物質雖有較高揮發分但固定碳含量少，因此用作鍋爐燃料時，可以考慮生物質與煤摻混燃燒，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。生物質顆粒燃料清潔衛生，投料方便，減少工人的勞動強度，改善了勞動環境，企業可減少勞動力成本。