生物質(zhì)型煤及其在煙葉烘烤中的應(yīng)用

孫建鋒，楊榮生，吳中華，夏開寶，張慶剛

（云南省煙草公司曲靖市公司，云南 曲靖 655000）

生物質(zhì)能是世界第四大能源[1]，也是唯一可運(yùn)輸與儲(chǔ)存的清潔可再生能源[2]。我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，生物質(zhì)能資源十分豐富，僅農(nóng)作物秸稈每年就有8億t以上，以直接燃燒為主，利用效率極低；大部分被遺棄或直接焚燒，不僅污染環(huán)境，還造成了巨大的能源浪費(fèi)[3]。我國(guó)又是以煤炭為主要能源的國(guó)家，每年直接用于燃燒的煤達(dá)9億t以上，造成大量煙塵、SO2等污染物排放到環(huán)境中，形成以煤煙型為特征的大氣污染。生物質(zhì)作為替代能源，實(shí)現(xiàn)了CO2的零排放和微硫化物排放，對(duì)改善環(huán)境、降低溫室效應(yīng)都有極大的好處。生物質(zhì)型煤是合理利用煤炭和生物質(zhì)資源的有效途徑之一，不僅改變了生物質(zhì)秸稈不易儲(chǔ)存、不易運(yùn)輸、能量密度低的缺點(diǎn)，而且使生物質(zhì)秸稈從一種低品位的能源轉(zhuǎn)化為高品位的能源[4]。美國(guó)、日本等國(guó)對(duì)生物質(zhì)型煤技術(shù)進(jìn)行了大量的研究[5]。

烤煙生產(chǎn)需要投入大量的勞力、煙用物資和燃料，在美國(guó)，燃料費(fèi)用約占生產(chǎn)烤煙成本的25%，在我國(guó)烤煙生產(chǎn)中煙葉烘烤成本比例更高[6]。隨著密集烤房在我國(guó)各個(gè)煙區(qū)的推廣應(yīng)用，烘烤勞動(dòng)強(qiáng)度和能耗有較大的改善，但多數(shù)密集烤房烘烤設(shè)備對(duì)煤炭的要求較高，特別是全自動(dòng)烘烤設(shè)備必須要求是顆粒無煙煤，且煤炭?jī)r(jià)格較高，因此，探索與密集烤房相配套的成本低、燃透率高、污染少、使用方便的燃料就顯得十分必要。

1 生物質(zhì)型煤的組成和燃燒特點(diǎn)

1.1 生物質(zhì)型煤的組成

生物質(zhì)型煤是指破碎成一定粒度的煤和可燃生物質(zhì)按一定比例摻混，加入少量固硫劑、粘合劑、助燃劑等由高壓成型機(jī)壓制而成。其加工程序?yàn)橄葘⒃汉蜕镔|(zhì)進(jìn)行破碎，使生物質(zhì)和原煤成顆粒狀或細(xì)粉末，然后將兩者充分混合，按需求加入適量的粘結(jié)劑和固硫劑等，最后將上述混合物一同送入成型機(jī)在高壓下壓制成型。生物質(zhì)型煤是型煤中的一種新產(chǎn)品，具有燃點(diǎn)低、不結(jié)渣、燃燒充分、固硫和煙塵少等特點(diǎn)，且抗壓和防水性能好，并可根據(jù)使用需求壓制成2～20 cm不等的橢圓形、圓形或方形。根據(jù)其處理方法的不同，生物質(zhì)成型可分為三類，一是生物質(zhì)制漿后的黑液，如紙漿廢液作為成型粘結(jié)添加劑；二是生物質(zhì)水解產(chǎn)物，如水解木質(zhì)素、纖維素及碳?xì)浠衔锏茸鳛槌尚驼辰Y(jié)添加劑；三是生物質(zhì)直接和煤粉混合，利用受熱或高壓壓制成型[7]。

1.2 生物質(zhì)型煤的燃燒機(jī)理

生物質(zhì)型煤燃燒機(jī)理是屬于靜態(tài)滲透式擴(kuò)散燃燒[8]。燃燒過程從著火開始，第1步是型煤球表面可燃揮發(fā)物燃燒，進(jìn)行可燃?xì)怏w和氧氣的放熱化學(xué)反應(yīng)，形成橙黃色火焰；第2步是型煤球表層部分焦炭處于過渡燃燒區(qū)，形成橙紅色較長(zhǎng)火焰；第3步是燃燒向型煤球更深層滲透，焦炭的擴(kuò)散燃燒占主導(dǎo)，燃盡的生物質(zhì)不斷深入地帶動(dòng)周圍焦炭迅速燃燒，在燃盡層形成一定的微孔組織，使一個(gè)實(shí)心球體變成了一個(gè)“多孔形球體”，促使氣體的擴(kuò)散和氧氣的滲透，球表層生成薄灰殼，外層包圍著淡藍(lán)色短火焰；第4步是型煤球燃燒進(jìn)一步向球內(nèi)更深層發(fā)展，在層內(nèi)主要進(jìn)行焦炭燃燒，在球表面進(jìn)行一氧化碳的氣體燃燒，形成比較厚的灰殼，灰層中呈現(xiàn)微孔組織或空隙通道甚至裂縫，較少的短火焰包圍著型煤球；第5步是燃盡灰殼不斷加厚，可燃物基本燃盡，形成整體灰球，灰球變成暗紅色，完成燃燒過程[9]。

1.3 生物質(zhì)型煤的燃燒特點(diǎn)

生物質(zhì)型煤在燃燒全過程中燃燒速度緩慢，燃盡時(shí)間長(zhǎng)，在同質(zhì)量燃料達(dá)到較高燃盡率情況下，生物質(zhì)型煤燃燒時(shí)間為正常燃料燃燒時(shí)間的 2～3倍[10]。有研究表明，單一生物質(zhì)燃燒主要集中于燃燒前期，燃燒最大速率也出現(xiàn)在燃燒前期；單一煤燃燒主要集中于燃燒后期，加入生物質(zhì)后，燃燒最大速率前移，能獲得更好的燃盡特性[11]。從揮發(fā)分釋放規(guī)律看，揮發(fā)分越高，燃燒過程中瞬時(shí)釋放量越大，有利于燃燒；從傳質(zhì)理論看，型煤孔隙結(jié)構(gòu)有利于揮發(fā)分釋放[12]。從總體趨勢(shì)上分析，生物質(zhì)型煤的點(diǎn)火溫度更趨于生物質(zhì)的點(diǎn)火特性，而且點(diǎn)火溫度變化范圍不大；隨著生物質(zhì)含量的增加，最大燃燒速率溫度有下降趨勢(shì)，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，最大燃燒速率發(fā)生在燃燒前期；燃盡溫度與純煤接近，且隨著生物質(zhì)含量的增加，混合物燃盡溫度變化不明顯[13]。

2 影響生物質(zhì)型煤質(zhì)量的主要因素

2.1 煤質(zhì)與煤粒直徑

原煤的質(zhì)量是影響生物質(zhì)型煤燃燒性能的關(guān)鍵因素之一，其發(fā)熱量和比重大小決定著生物質(zhì)型煤的發(fā)熱量大小，其粒度和結(jié)構(gòu)直接影響生物質(zhì)型煤的抗壓強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度決定了生物質(zhì)型煤的儲(chǔ)存和運(yùn)輸便捷性。一般而言，烘烤專用生物質(zhì)型煤的原煤要求發(fā)熱量在4 500大卡以上，可以是無煙煤、煙煤或褐煤。一般隨著原煤可磨性系數(shù)的不斷增大，型煤的抗壓強(qiáng)度逐步升高；當(dāng)煤粒徑小于 0.3 mm時(shí)，生物質(zhì)型煤的抗壓強(qiáng)度隨煤粒徑變細(xì)而升高很快，普通型煤隨煤粒徑的變細(xì)卻略有降低；當(dāng)煤料粒徑大于0.3 mm時(shí)，隨煤料粒徑的增大，普通型煤和生物質(zhì)型煤的抗壓強(qiáng)度均下降，而生物質(zhì)型煤的變化較為平緩，生物質(zhì)型煤的抗壓強(qiáng)度平均比普通型煤高出25 kg/cm2以上[14]。在成型壓力與其他條件一定的情況下，煤料成型時(shí)的粒徑組成對(duì)生物質(zhì)型煤抗壓強(qiáng)度有顯著的影響，粒徑小于 0.2 mm的成型原料含量越多，生物質(zhì)型煤的抗壓強(qiáng)度越高，而粒徑在 1～3 mm之間的成型原料含量越多，生物質(zhì)型煤的抗壓強(qiáng)度會(huì)逐漸降低，所以國(guó)內(nèi)外對(duì)煤成型粒徑一般均要求在3 mm以下[15]。

2.2 生物質(zhì)加入量

由于生物質(zhì)型煤的著火點(diǎn)處于生物質(zhì)和原煤的著火點(diǎn)之間，隨著生物質(zhì)加入量的增多，生物質(zhì)型煤的著火溫度呈下降趨勢(shì)，且摻入生物質(zhì)種類不同，生物質(zhì)型煤著火溫度降低的程度不同[16]。生物質(zhì)含量在 20%以下時(shí)對(duì)型煤燃燒初期的燃燒速度有一定的影響，但對(duì)燃燒的中后期基本無影響，且燃燒速度趨于一致[17]。這與孔隙結(jié)構(gòu)研究的結(jié)果一致，當(dāng)生物質(zhì)含量占型煤質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0%～20%時(shí)，內(nèi)部孔隙的分形結(jié)構(gòu)在一定范圍內(nèi)存在，空隙結(jié)構(gòu)形核時(shí)期，Hausdoff分形維數(shù)隨著生物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而減少，其孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜度降低；而近著火點(diǎn)處，分形維數(shù)趨于穩(wěn)定，不隨生物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的改變而有大的變化[18]。

2.3 粘合劑

型煤粘合劑是生物質(zhì)型煤生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)，決定著生物質(zhì)型煤的抗壓性能和防水性能，也是制約型煤發(fā)展的瓶頸。目前，市場(chǎng)上很難找到高效型煤粘合劑，而且生產(chǎn)成本普遍偏高，其主要原料為淀粉、焦油、SiO2超微粉、分散劑、水泥、堿類物質(zhì)、粘土等[19]。國(guó)內(nèi)外開發(fā)的型煤粘合劑已達(dá)數(shù)百種，按粘合劑的化學(xué)性質(zhì)分為無機(jī)粘合劑、有機(jī)粘合劑和復(fù)合粘合劑三類；按結(jié)合機(jī)理分為水化結(jié)合、化學(xué)結(jié)合、縮聚結(jié)合、粘附結(jié)合和凝聚結(jié)合五類[20]。在型煤加工過程中，粘合劑的用量一般控制在1%～10%以內(nèi)，以復(fù)合粘合劑為主，用量過高則增加型煤的生產(chǎn)成本，過低則型煤的抗壓強(qiáng)度和防水性能達(dá)不到要求[21]。

2.4 固硫劑

生物質(zhì)型煤在燃燒過程中，生物質(zhì)碳化后留下空隙起到膨化疏松作用，使固硫劑CaO顆粒內(nèi)部不易發(fā)生燒結(jié)，甚至可使孔隙率增加，增大了鈣的利用率，又有利于固硫反應(yīng)中先生成的CaSO3及時(shí)氧化成更耐高溫分解的CaSO4，從而提高其固硫率。因SO2的釋放主要在生物質(zhì)型煤燃燒的中后期，所以要提高型煤的固硫率，固硫劑要有大比表面積、高反應(yīng)活性和高耐溫性，所生成的硫酸鹽在高溫下不易分解[15]。

2.5 成型壓力

生物質(zhì)型煤的抗壓強(qiáng)度除與原煤粒度、粘合劑性能等有關(guān)外，還與成型壓力有關(guān)。適當(dāng)提高成型壓力有助于增加型煤的強(qiáng)度，但壓力增加到一定的程度時(shí)，其強(qiáng)度提高就不大明顯，一般控制在30～35 MPa為宜[22]。一般隨著成型壓力的增加，型煤煤粉顆粒間距減小，顆粒間接觸面積加大，導(dǎo)致傳熱傳質(zhì)系數(shù)增加，使型煤在加熱過程中升溫速度加快，揮發(fā)分析出速率變快，有利于燃燒；同時(shí)由于空隙率降低，使氧氣及揮發(fā)物、燃燒產(chǎn)物的擴(kuò)散阻力增大，不利燃燒[23]。

3 生物質(zhì)型煤在煙葉烘烤中的發(fā)展前景

生物質(zhì)型煤在煙葉烘烤中的推廣應(yīng)用對(duì)解決煙葉烘烤替代能源問題具有重要意義，是實(shí)現(xiàn)烘烤能源改革的新途徑之一。通過在煙葉烘烤中的實(shí)踐應(yīng)用，生物質(zhì)型煤具有以下優(yōu)勢(shì)。

3.1 節(jié)能減排效果好

通過密集烘烤應(yīng)用得知，生物質(zhì)型煤只在燃燒初期有煙氣冒出，此后的煙氣、廢氣排放量很少，肉眼幾乎看不到，減排效果好；與原煤相比，使用生物質(zhì)型煤烘烤煙葉可節(jié)約用煤約 0.15 kg/kg干煙，每爐煙葉可節(jié)約煤炭50 kg以上，節(jié)能效果顯著；烘烤用煤的煤矸石含量一般在20%左右，而生物質(zhì)型煤中煤矸石含量為零，綜合利用率較高。

3.2 減工降本效益好

由于生物質(zhì)型煤的原料來源較廣，原料煤價(jià)格相對(duì)較低，生物質(zhì)主要是廢棄的植物莖稈，加上粘合劑、固硫劑和加工成本，比同等發(fā)熱量的原煤價(jià)格低100元/t左右；在生產(chǎn)工藝上，可生產(chǎn)出與烘烤設(shè)備外形、尺寸大小相配套的生物質(zhì)型煤；同時(shí)由于生物質(zhì)型煤的燃透率高，燃盡時(shí)間較長(zhǎng)，烘烤每爐煙葉平均可減少加煤3次左右，有效地降低了烘烤用工成本。

3.3 與控制系統(tǒng)配套好

生物質(zhì)型煤要燃燒良好，最根本的原則是實(shí)現(xiàn)有效合理配風(fēng)下的控溫燃燒，而密集烤房自控設(shè)備有控溫系統(tǒng)、排濕系統(tǒng)、控風(fēng)系統(tǒng)、加煤系統(tǒng)等，自控系統(tǒng)是通過控制通風(fēng)和加煤來實(shí)現(xiàn)控溫控濕的。因此，生物質(zhì)型煤在使用過程中很容易實(shí)現(xiàn)配風(fēng)的精準(zhǔn)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了與密集烤房控制系統(tǒng)相配套。

3.4 與烘烤工藝吻合好

在煙葉烘烤過程中，根據(jù)煙葉變化需求通過通風(fēng)和添加燃料來調(diào)整燃料著火大小，進(jìn)而控制裝煙室內(nèi)的溫濕度。而生物質(zhì)型煤由于加入生物質(zhì)，在燃燒過程中較易控制著火大小，生火快，升降溫速率均較快，能夠更好地滿足煙葉烘烤工藝的需求。

4 展 望

生物質(zhì)型煤的燃燒特性決定了其在煙葉烘烤中具有良好的應(yīng)用前景。要使生物質(zhì)型煤在煙葉烘烤中大量應(yīng)用，關(guān)鍵是要解決生物質(zhì)型煤的發(fā)熱量、生產(chǎn)成本及運(yùn)輸與儲(chǔ)存問題。發(fā)熱量和生產(chǎn)成本與原材料的成本密切相關(guān)，運(yùn)輸、儲(chǔ)存問題與抗壓強(qiáng)度、防水性能直接相關(guān)。因此，生物質(zhì)型煤的原材料來源要廣泛且價(jià)格低廉，專用粘合劑添加量較少且粘結(jié)與防水性能好。同時(shí)，在烘烤應(yīng)用中應(yīng)加大生物質(zhì)型煤與烘烤設(shè)備、控制系統(tǒng)、烘烤工藝的配套研究，形成原材料篩選、生產(chǎn)加工、運(yùn)輸儲(chǔ)存和烘烤使用一套完整的技術(shù)體系。

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