生物質焙燒技術的研究與應用進展

林啟晨， 張文標， 孫 毅， 張曉春， 汪孫國

(1.浙江農林大學 工程學院，浙江 臨安 311300； 2.加拿大新綠生物技術有限公司，基拉姆市 T0B 2L0，加拿大)

·綜述評論——生物質能源·

生物質焙燒技術的研究與應用進展

林啟晨1， 張文標， 孫 毅1， 張曉春1， 汪孫國2

(1.浙江農林大學 工程學院，浙江 臨安 311300； 2.加拿大新綠生物技術有限公司，基拉姆市 T0B 2L0，加拿大)

綜述了國內外生物質焙燒原料、焙燒工藝與設備、焙燒產品性能及潛在應用領域等研究與應用進展，并提出了我國生物質焙燒技術今后的重點研發方向。

生物質；焙燒炭；應用

生物質焙燒是在常壓隔氧、200～300 ℃溫度條件下進行的一種生物質熱處理技術，其產物以固體焙燒炭為主，還有較少量的氣體和液體。通過焙燒能提高生物質的能量密度、可研磨性及疏水性等性能，還能減少生物質的運輸和儲存成本。生物質成型燃料是一種高效的清潔能源，可部分替代化石燃料，緩解人類面臨的能源和環境危機，有效解決生物質原料運輸、儲存、防火等問題，具有廣闊的發展前景[1-2]。然而，當生物質成型燃料單獨使用或與煤共燃時，容易引起鍋爐結渣、燃燒效率低等技術問題[3-4]，嚴重阻礙了生物質成型燃料的產業化進程。生物質焙燒是指生物質原料在隔絕空氣(缺氧)、溫度200～300 ℃條件下進行的溫和熱解反應過程。在此過程中生物質表面特性發生改變，最終的固體產物通常稱為生物質焙燒炭或生物質煤[5-8]。生物質通過焙燒能顯著提高其能量密度、可研磨性及疏水性，由此可大大減少運輸和儲存成本。焙燒炭產品具有類似煤的物化性質，且氮、硫含量明顯低于煤，是一種清潔能源，能與煤混合共燃并可以起到有效降低溫室氣體的作用[9-10]。生物質培燒炭在國外的研究較多，主要在北美和西歐等發達國家[11-12]，在國內研究起步晚，最近幾年才有部分高校和科研院所研究者開始生物質焙燒炭的研究[13-14]。隨著全球環保意識的增強、各國相關法律和法規的相繼出臺，生物質焙燒技術作為一種切實可行的生物質預處理技術開始得到世界范圍的廣泛重視。作者就國內外生物質焙燒原料、焙燒工藝、焙燒設備、焙燒產品性能及其潛在應用領域等方面進行了闡述，同時對焙燒技術的發展方向也進行了展望。

1 焙燒原料

焙燒可采用的原料有很多種，國外一些研究者分別采用了松木、柳樹枝、采伐剩余物、甘蔗渣、芒草、橄欖油廢棄物和銀合歡等進行了焙燒試驗研究[15-19]。國內研究者對稻殼、紅松、棒木松、稻稈、棉稈和沙柳等進行了焙燒研究[13-14，20]。不同的生物質原料，經焙燒后的生物質炭的性能差異較大，有研究結果表明：并不是所有生物質資源都是理想的焙燒原料，一般以含有大量纖維素、半纖維素和木質素的木質生物質資源為最佳。而農作物受季節性收獲的制約，且成分組成與木質生物質差異較高，灰分和揮發分含量較高，焙燒產品會對設備性能造成不利影響，同時還需要比燃用木質生物質焙燒產品增設更多的排放控制設施[10]。因此，目前大多數國外企業還是主要采用木質生物質原料焙燒產品，用于與煤共燃。

2 焙燒工藝

2.1 焙燒機理

通常認為焙燒機理實質上是半纖維素分解，纖維素和木質素解聚的過程，在不降低生物質能量的情況下大幅縮減生物質原料的質量[21]。焙燒過程中，生物質在100～170 ℃干燥并部分脫除揮發分，半纖維素在200 ℃左右開始分解，在260～300 ℃劇烈分解，產生大量的揮發性物質，木質素和纖維素在200～300 ℃吸熱，分子鏈結構發生變化，但是分解反應弱[22]。

2.2 焙燒工藝條件

生物質焙燒工藝是指在一定的焙燒溫度(200～300 ℃)和保溫時間(30～90 min)下，對生物質原料進行熱解以得到黑色固體產物和少量氣體及液體產物的過程。典型的培燒過程質量和能量平衡如下：生物質原料在250～300℃下焙燒，盡管發生了很多物理化學變化，其70%的質量和90%的能量仍將保留在焙燒生物質炭中，而剩余30%的質量和10%的能量則轉移至氣體和少量液體產物中[23-24]。

國外許多研究者采用不同的生物質原料，通過大量的焙燒參數研究、工藝模擬和工藝設計，獲得了不同的能量產率和熱值(見表1)。

表1 焙燒不同原料的能量產率和熱值增加比

由表1可知，不同生物質材料在不同焙燒溫度和保溫時間條件下，其質量損失和能源產率與熱值各不相同。一般來說，隨著焙燒溫度的升高，質量損失增加，能量產率下降，熱值增量上升。質量損失范圍在4.90%～65.00%，能量產率變化在17.00%～99.00%，熱值增加的幅度則在3.05%～40.55%。從幾種生物質原料看，能量產率：芒草>木質材料類>甘蔗渣>橄欖油廢棄物，橄欖油廢棄物能量損失最明顯。在類似焙燒工藝條件下，木質生物質原料(松木-云杉-樅木混合物、樺木、柳木、松木)焙燒后的熱值比農作物(甘蔗渣和芒草)的熱值要高。在相同的生物質原料和不同焙燒工藝條件下，隨著溫度升高和時間延長，其能量產率下降，熱值升高，而溫度的影響更為顯著，如柳木焙燒溫度230 ℃、時間30 min時，產物熱值為20.20 MJ/kg，能量產率96.05%，到溫度290 ℃時，產物熱值為21.90 MJ/kg，能量產率78.84%；在相同溫度條件下，隨保溫時間的延長，樺木焙燒炭的熱值和能量產率甚至還略有增加[15-16]，這個現象值得進一步研究。

國內開展生物質焙燒工藝的研究較少且起步較晚，趙輝等[20]采用水曲柳、樟木松、紅松和稻殼4種生物質材料在焙燒溫度230～290 ℃，時間10～40 min條件下進行焙燒試驗，結果表明：4種生物質的能量產率在85%～90%，由高到低依次為水曲柳>樟木松>紅松>稻殼(即硬木類>軟木類>草本類)。陳應泉等[13]采用稻稈、麥稈、棉稈和玉米稈4種農作物在焙燒溫度200～300 ℃，時間30 min條件下進行焙燒試驗，結果顯示：烘焙過程中農業秸稈的能量產率隨烘焙溫度提高均有所降低，且隨著溫度提高這個影響趨勢進一步增強。梁宇飛等[25]采用低溫烘焙預處理的方法來探索沙柳生物質材料制備焙燒炭的工藝，探討了焙燒溫度230～280 ℃、時間60～240 min條件下對沙柳焙燒炭的影響，結果表明：隨著焙燒溫度升高，時間延長，所得產物的熱值顯著升高，而能量產率明顯降低。

3 焙燒設備

目前生物質焙燒技術大多處于技術積累和逐步成熟階段。焙燒技術除了包含焙燒工藝外，其加熱方式、反應設備等也是至關重要的。焙燒可分為間接加熱和直接加熱兩大類，它們之間的差別主要在于反應設備，前者可采用螺旋式焙燒裝置或轉鼓式焙燒裝置，后者可采用帶有非氧化性氣體回路交換器的移動床、轉鼓、振動式皮帶機或多段爐裝置或者采用帶有連接到燃燒器上的低氧含量氣體回路的隧道式、移動床式焙燒裝置或“Torbed”型焙燒裝置來實施[26]。Torftech Ltd開發了焙燒反應器[27]，這個反應器采用移動床和流粒爐反應器作業，將高溫產生氣體通入反應器使之與原材料直接接觸，因此熱交換和質量交換效率很高。Agri-Tech Producers，LLC開發了ATP焙燒工藝[28]，使用螺桿反應器在300～400 ℃的溫度下操作，用熱加工氣體直接加熱原料。

根據Koppejan等[26]的報道，目前市場上主要有8種不同的反應器類型： 1)轉鼓式反應器，可實現直接、間接2種加熱，滿足多種干燥溫度需要，但加工中產品顆粒摩擦所致的質量損失較大； 2)螺旋式反應器，可實現垂直、水平同時加熱； 3)多層爐排反應器，原料適應性高，溫度控制精確，適用于多種焙燒產品制造，且設備利用率達95%以上； 4)Torbed反應器，可進行分批和連續操作，傳熱效率高，保溫時間短，占地面積較小，可進行高溫生產，但對原料進料粒度的變化敏感； 5)微波反應器，設備綠色環保，但運營成本較高； 6)移動床型反應器，結構緊湊，占地面積小，傳熱效率高，可精確控制反應溫度，設備投資成本低，但產品品質有不均勻現象，并且設備結構受技術限制較大； 7)帶式反應器，工藝過程簡單，設備易于成比例放大以適應大規模工業的要求，另外，設備能耗低，但對原料的穩定性要求高，成品顆粒有質量不均勻現象； 8)固定床，機械損耗小，結構簡單，但傳熱能力差。

我國目前生物質焙燒技術研究主要還停留在實驗室階段，焙燒設備主要是實驗用的小型炭化爐或者自制小型生物質焙燒裝置，目前還沒有規?；谋簾繉Ｓ蒙a設備。

4 產品性能

木質焙燒成型燃料和其它幾種生物質燃料性能的比較如表2所示。

表2 部分燃料/燃料產品的性能對比

由表2可以看出，與木材原料、木質成型燃料、竹炭、機制炭以及煤相比，木質焙燒炭成型燃料的含水率大大減少，僅為1%～5%，僅為煤的1/3～1/2；木質焙燒炭成型燃料堆積密度和煤及木質成型燃料基本相近；木質成型能量密度(15.0～18.7 GJ/m3)和低位熱值(20～24 MJ/kg)均大大高于木材原料和木質成型燃料，但低位熱值低于木炭和竹炭。焙燒炭能量密度和熱值基本接近煤的能量密度(18.4～23.8 GJ/m3)和低位熱值(23～28 MJ/kg)；焙燒炭成型燃料的易磨性和生物降解性均優于木材原料和木質成型燃料，與煤的性質已很相近。表2數據進一步說明，木質焙燒炭成型燃料和煤具有相似的物理和化學性能，比其他生物質原料及其衍生的生物質固體成型燃料更適合同煤的混合共燃，由此可以部分代替煤的使用、減低大氣污染、清潔環境。

5 應用領域

生物質焙燒產品具有廣闊的應用領域，可被用作大型電力發電燃料、氣化原料，還可用作家庭采暖或區域性集中供熱的熱源等[33]。

5.1 與煤共燃

生物質聯合燃燒技術可利用燃煤發電廠現有裝置，而不用對裝置系統進行更換，由于前者低的氮、硫含量，混合燃燒可使電力生產過程更加清潔[34]。然而，燃煤電廠的現有裝置系統并不適合大比例的生物質燃料與煤進行聯合燃燒。一般來說，參與聯合燃燒過程的生物質比例不能超過5%～10%，即使增加生物質處理和加工專用設備也只能使生物質的比例最多提高到20%。由于生物質燃料與煤之間的物理、化學性質差異較大，使用木質生物質顆粒成型燃料在聯合燃燒過程中還會有相當一部分粉塵顆粒會從混合燃料中“飛離”出去。生物質焙燒炭成型燃料則不同于生物質本身及其顆粒成型燃料，經焙燒之后形成的焙燒炭或其衍生的壓縮顆粒有著類似煤的物化性質。采用生物質焙燒炭(或焙燒炭顆粒成型燃料)與煤共燃時，前者的比例可增至40%，與未經焙燒加工的生物質燃料相比，可以顯著節約設備投資成本和后期運營成本包括設備保養、維修成本。

5.2 獨立燃燒

焙燒炭獨立燃燒并沒有共燃時存在的設備需要調整的問題。一般適用于家用壁爐或區域供暖的小型鍋爐。生物質焙燒炭具有良好的疏水性及較高的能量密度，能夠改善燃料物流，比木質顆粒成型燃料熱值高，且儲存和運輸成本較低。

5.3 氣化

氣化是指在一定溫度及壓力下使生物質中有機質與氣化劑(如蒸汽、空氣或氧氣等)發生一系列化學反應，將固體煤轉化為含有CO、H2、CH4等可燃氣體和CO2、N2等非可燃氣體的過程。生物質焙燒炭具有低含水率，良好的可磨性和更高的C/H/O比率。使用生物質焙燒炭進行氣化可提高原料的流動性、H2和CO混合氣體含量以及氣化的效率，且N、S含量顯著低于煤，在氣化方面有很大的應用潛力[35]，這方面還有待國內外同仁進一步探討。

6 結 語

生物質焙燒技術在國外已有許多的研究成果與應用實例，但在國內尚處于起步階段。生物質焙燒炭是一種清潔能源，因其能量密度高、可研磨性及疏水性好、運輸和儲存成本低等優點，可廣泛應用于與煤共燃以及用作直接能源和氣化的原材料。針對我國生物質資源分布特點，建議廣泛開展竹子資源、廢舊家具、林業廢棄物、農業廢棄物等生物質原料焙燒技術的基礎研究，為生物質焙燒技術及焙燒炭產品的開發與應用提供豐富的理論數據。研發適合我國生物質資源的焙燒生產設備和工藝技術。如開發體積較小、質量輕、便于移動作業，適用于山林和農村的焙燒生產設備；開展不同生物質原料的焙燒工藝優化研究，開展生物質焙燒炭壓縮成型及焙燒炭與煤混燃工藝與裝備的研究和開發。開展生物質焙燒炭及焙燒壓縮成型炭的效益綜合評估研究，包括全產業鏈的詳細成本分析，如原料收集、運輸和儲存，焙燒炭和焙燒炭壓縮成型燃料的生產，焙燒炭及其壓縮成型燃料的運輸和銷售，焙燒炭及其壓縮成型燃料的燃燒工藝與裝備開發或改進，社會效益、環境效益和生態效益的綜合評價等。

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Overview of Biomass Torrefaction Technology

LIN Qi-chen1, ZHANG Wen-biao1, SUN Yi1, ZHANG Xiao-chun1, WANG Sun-guo2

(1. School of Engineering,Zhejiang A&F University, Lin′an 311300, China；2. Nova Green INC.,Killam, Alberta T0B 2L0, Canada)

This paper presents a global overview of the torrefaction raw materials, existing torrefaction technologies, characteristics and applications of products, as well as the future opportunities and challenges especially in China.

biomass；torrefied biomass；application

10.3969/j.issn.1673-5854.2015.05.009

2015- 02- 06

國家科技部農業科技成果轉化項目(2010GB2C200175)；浙江省農業科技成果轉化項目( 2012T201-06);浙江農林大學科研發展基金項目(2034020049)

林啟晨(1989—)，男，浙江紹興人，碩士生，研究方向為生物質炭加工利用；E-mail:oneonly888@126.com

*通訊作者：張文標，男，浙江遂昌人，教授，博士，主要從事竹木材加工與利用研究工作；E-mail:zwb@zafu.edu.cn。

TQ35

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1673-5854(2015)05- 0047- 06