我國生物質型煤技術進展

姜玉珊，王高敏，吳越，陳夫山，吉喆

（青島科技大學 海洋科學與生物工程學院，山東青島 266042）

在煤炭儲量緊缺和環境日益惡化的雙重壓力下，生物質型煤受到廣泛關注。生物質型煤是將煤粉與農林廢棄物等可燃生物質及添加劑按一定比例混合壓制而成的一種固體燃料，應用于工業鍋爐、窯爐可節煤10%～27%，煙塵排放量減少50%～60%[1]。生物質型煤技術的發展，不僅實現了原煤的高效清潔利用，還促進了農林廢棄物的資源化和能源化轉化，是符合當下綠色發展理念、緩解國家能源安全危機的重要戰略要求。本文從生物質型煤添加劑、成型工藝和發展現狀進行綜合敘述，并對生物質型煤的發展前景進行了展望。

1 生物質型煤添加劑

生物質型煤添加劑是指在粉煤成型之前，為改善型煤的物理化學性能以達到符合生產目的的輔助性原料，主要包括粘結劑、固硫劑、脫硝劑和助燃劑等。

1.1 粘結劑

粘結劑是增強顆粒之間粘結力，使生物質型煤具有一定形狀和強度的物質。常用的粘結劑主要包含無機粘結劑、有機粘結劑和復合粘結劑[2]。

添加無機黏結劑如石灰、磷酸鹽、硫酸鹽等會使型煤灰分增加，固定碳含量降低，影響型煤燃燒性能。有機粘結劑包括淀粉、腐植酸、生物質和工業廢液等，其中生物質和工業廢液粘結劑由于來源廣泛、綠色環保且具有較好的黏結性而引起重視，是型煤粘結劑發展的重要方向。生物質由纖維素、半纖維素和木質素組成，無定型的木質素是生物質固有的內在膠黏劑。當溫度超過95 ℃，木質素軟化、熔融形成膠體物質，在壓縮成型過程中粘附、聚合生物質和煤粉顆粒，有效提高生物質型煤結合強度和耐久性[3]。在實際生產中，為進一步提高型煤強度，可利用氫氧化鈉水解生物質破壞細胞壁中木質素的吡喃環，并剝離與木質素相互交聯的纖維素和半纖維素，使之在型煤中發揮橋連作用，提高型煤穩定性。與此同時，生物質分解產生的多糖和單寧等物質也擔負粘結作用[4]。牛玉等[5]利用NaOH堿化后的甘蔗渣作為型煤粘結劑，制得了具有較高抗壓強度和跌落強度的生物質基復合型煤。復合粘結劑具有平衡型煤各項性能的優點，如活性污泥中含有大量的有機物、活性菌與無機物，高粘度的污泥可作粘結劑。王龍龍等[6]利用改良苜蓿細草、活性污泥與煤粉制成生物質型煤，研究發現活性污泥的加入大大提高了型煤的跌落強度和防水性能。

1.2 固硫劑與脫硝劑

固硫劑又稱脫硫劑，是添加于型煤之中脫除游離硫或者硫氧化物的試劑。固硫劑的加入極大降低了硫化物向大氣中的排放，燃燒時煙塵和SO2的排放比燃燒散煤時減少40%～60%，能夠充分緩解燃煤帶來的環境污染問題。常見的固硫劑主要有鈣基、鈉基、氨法固硫等無機固硫劑。隨著生物質資源的開發，也出現了許多生物質基固硫劑。田寶農等[7-8]利用造紙黑液作為固硫劑制備了生物質黑液型煤，在型煤高溫燃燒時制漿黑液中存在的堿性物質（如NaOH、Na2CO3等）與燃燒煙氣中SO2反應生成硫酸鹽并將硫酸鹽固定在爐渣中隨灰分排出；黑液添加量為32%，900 ℃下燃燒3 h時，固硫率高達89%。

脫硝劑主要是去除生物質型煤燃燒煙氣中的SO2與NOx等有害氣體。近年來，濕法脫硝添加劑被證實是最有效的，其過程大致為：脫硝劑將不充分燃燒產生的NO氧化為NO2，然后用水溶液將NO2還原成N2。Yutthasin[9]在實驗室規模下，利用模型焦油吸收NO，評估了熱解焦油的脫硝反應特征和性能。何小明等[10]對藻類生物質基脫硝劑進行了系統研究，發現馬尾藻富含的堿性物質會大幅降低氮硫化物的排放；與原煤相比，添加50%馬尾藻后NO和SO2的轉化率分別降低了44.49%和53.81%。

1.3 助燃劑

生物質型煤主要用于層燃鍋爐，其燃燒過程主要分為兩個階段：第一階段是揮發分的析出和燃燒，在高溫輻射下生物質中的有機物開始分解、析出可燃性氣體，當氣體濃度達到一定濃度、溫度且遇到適量氧氣時發生燃燒，隨著燃燒范圍的不斷擴大，溫度升高達到固定碳燃點時，便進入第二階段，即固定碳的擴散燃燒。

助燃劑是提高生物質型煤燃燒性能的輔助原料。由于生物質中揮發分的析出溫度遠低于煤中揮發分的析出溫度，因此生物質的加入不僅能降低型煤燃點，提高燃燒速度，還使型煤燃燒充分、灰渣含碳量低。龍尚俊等[11]利用薏苡秸稈為原料，制得的生物質型煤著火點低，燃燒時間短，燃盡率高。王華山等[12]在蘭炭中摻雜大豆后著火溫度降低，并改善了蘭炭的燃燒特性。此外，Wang等[13]對無機助燃劑V-TiO2催化煤和玉米芯共混物燃燒的過程進行了評估，發現V-TiO2的加入使煤焦的比表面積增大，有效提高了玉米芯與煤的混合燃料效率。

2 生物質型煤技術

2.1 冷壓成型

冷壓成型包括不摻入粘結劑的冷壓成型與摻入粘結劑的冷壓成型兩種類型。第一種方法是將煤與生物質分別粉碎后混合，借助高壓器械在室溫下直接壓制成型；第二種方法是對生物質進行預處理，使主要組分發生化學反應，生成具有粘結性的物質，隨后摻入粘結劑和煤粉，進行加壓成型[14]。在壓縮初期，較低的壓力傳遞至生物質顆粒中，使原先松散堆積的固體顆粒排列結構開始改變，生物質內部空隙率減少；當壓力逐漸增大時，生物質大顆粒在壓力作用下破裂，變成更加細小的粒子，并發生變形或塑性流動，粒子開始填充空隙并緊密接觸進而互相嚙合，一部分殘余應力貯存于成型塊內部，使粒子間結合更牢固。冷壓成型制得的型煤燃燒性能和強度較高，且設備及工藝研究成熟，無須高溫能耗低，但型煤不具防水性。

2.2 熱壓成型

熱壓成型是將煤粉與生物質粉末進行篩分、復配、均勻混合后，在成型模具中進行高溫加壓成型的過程。采用熱壓成型時，不用任何添加劑即可制得高強度的生物質復合型煤，降低了加工成本，因為生物質中的纖維素和半纖維素在粘聚體內發揮了類似“鋼筋”的加強作用，成為提高型煤強度的“網絡骨架”。木質素作為生物質固有的內在膠黏劑，在高溫下軟化、熔融形成膠體物質，提高了成型物的機械強度和耐久性。此外，經熱壓的生物質燃燒會產生孔隙結構，有利于分子間共價鍵的形成，使生物質與煤緊密膠粘在一起，保持較高的強度。同時煤炭會產生煤焦油，使型煤表面疏水化，因此熱壓生物質型煤具有良好的防水性能。與冷壓成型相比，熱壓成型技術對壓力的要求較小，能夠延長機器零件壽命，但是加熱過程能耗相對較高。

3 應用現狀與前景

目前，生物質型煤主要應用于中小型企業的工業鍋爐，有效緩解了企業供煤不足的問題，同時削減了污染物的排放，減免了除塵脫硫設備及其運行維護費用。生物質型煤技術的發展，實現了農林廢棄物的高值化利用，部分替代和節約化石資源，有利于改善中國的能源結構，在節能、環保、經濟等方面展現出明顯的優勢。

生物質型煤技術是新型的潔凈煤技術，能有效緩解工業型煤需求量大與生產水平有限、技術不過關的矛盾，為我國工業型煤的研制、生產和加速推廣應用注入新的活力，具有廣闊的應用前景。當地政府和企業應遵循因地制宜的原則，開發適合當地使用的生物質型煤技術，就地取材對農林廢棄物進行高值化利用。生物質型煤技術的發展需要國家的推廣和企業的支持，使其廣泛地應用于電力、建材等工業領域，減少對煤炭等不可再生資源的依賴。生物質型煤技術與人工智能相結合，篩選生產型煤的工藝條件，逐步提高型煤的各項性能并降低生產成本，生產滿足企業需求的優質型煤，使生物質型煤大規模工業化生產成為可能。

4 結語

利用原煤和生物質制備固體燃料將是我國生物質型煤發展的趨勢，為煤炭的清潔燃燒提供了行之有效的途徑。生物質型煤具有良好的燃燒性能和節能環保特點，但是其燃燒熱值比原煤要低，并且工業生產的生物質型煤在高溫熱強度和固硫率、防水性等方面仍然存在一些問題有待完善，在我國尚處于實驗室研究、工業試生產階段，未形成規模的工業生產體系。生物質型煤生產過程中，需有高壓設備以及前期的測定與篩選環節，這增加了型煤的生產配套設備，而且消耗大量的水、電資源，從而增加了生產成本。生物質型煤的發展與推廣亟需政府的大力支持和引領，以及研發機構和企業的共同努力。同時生物質型煤產業應與人工智能大數據相結合，繼續尋找合適的制備工藝，不斷完善型煤固硫固硝、防水、燃燒等各項性能，并進一步降低生產成本，制造出符合生產需求的清潔型煤。