【行业分析】煤和生物质颗粒质量分析

通过对福州六区七县在用工业锅炉用煤和生物质颗粒燃料进行检测，分析煤和生物质颗粒中的水分、灰分、挥发分、热值、硫和碳氢氮元素分析等指标，评价煤和生物质颗粒质量水平及两者的优缺点。

　　自《福建省燃煤锅炉节能环保提升工程实施方案》发布以来，福州市逐步对10蒸吨/小时(含)以下的高污染燃煤小锅炉进行淘汰或改造。生物质燃料以其可再生性及CO2的近零排放特性开始受到广泛的关注，用于锅炉燃烧也具有较大的发展前景。在此背景下，福建省政府大力推广生物质成型燃料在工业锅炉中的应用，将燃煤层燃工业锅炉改造成燃生物质工业锅炉。为全面了解和掌握福州地区在用锅炉使用煤、生物质颗粒燃料的质量情况，本文通过对2018年地区内在用煤和生物质颗粒的水分、灰分、挥发分、热值、硫和碳氢氮氧元素等指标进行检测，评价煤和生物质颗粒质量水平及优缺点。

　　煤和生物质分别随机采取300个样品。煤的采样用煤堆法进行，即分别在不同堆形均匀布置在顶、腰、底的部位上采取6个子样，每个子样约500g，总计3kg。生物质颗粒的采样，以一个样品为一个采样单元，每个采样单元分别采取6个子样，每个子样约500g，总计3kg[2]。用于全水分化验用样品在实验室样品混合充分后用EPS100×60密封式颚式破碎缩分机对其进行缩分至500g。工业分析、热值及元素分析用样品，经过烘干达到空气干燥基后，破碎至粒度≤0.5mm，过筛、缩分至约100g。

　　1.2检测仪器

　　BS124S电子分析天平、5E－MF6000智能马弗炉、HY98－2全密封制样破碎机、EPS100×60密封式颚式破碎缩分机、5E－MACIV红外快速煤质分析仪、5E－KC系列快速量热仪、5E－S31100A测硫仪、5E－CHN2000元素分析仪。

　　2.1全水分

　　由表1可知，煤的全水分总体上高于生物质颗粒。锅炉燃烧时燃料中较多的水分会降低燃烧温度，不利于燃料的燃烧，甚至使着火发生困难；水分吸热变成水蒸气并随烟气排入大气，使锅炉效率降低；水蒸气增加烟气的体积，使引风机的电耗增加。

　　2.2工业分析

　　(1)内水为在规定条件下一般分析试样本身所具有的水分，又称为空气干燥基水分。分析试样在达到空气干燥后进行内水检测，由表2可知，生物质颗粒内水总体而言略低于煤，全水分和内水之间无明显相关关系。

　　(2)灰分为燃料中的无机物，燃料灰分越高，可燃成分相对减少，热值和燃烧温度相对降低。燃烧时，燃料表面上的可燃物质燃尽后形成的灰分外壳，隔绝了氧化介质(空气)与可燃物质的接触，使燃料难于燃烧完全，造成炉温下降。固体状态的灰粒沉积在受热面上造成积灰，熔融状态的灰粒吸附在受热面上造成结渣，影响受热面的传热，给设备的操作和维护带来困难。灰分高的燃料燃烧后，会排出大量的烟尘和SO2污染环境。此外，较高的灰分还增加了燃料采集、运输和粉碎的成本。由表2可知，生物质颗粒的灰分比煤小，并且生物质的灰分可用作农田肥料。

　　(3)挥发分指燃料中的有机质受热分解后产生的可燃性气体，它是由各种碳氢化合物、H2S、CO等化合物组成的混合气体。挥发分过低，则锅炉不易着火，难以保证锅炉的稳定燃烧。由表2可知，生物质颗粒的挥发分明显高于煤，所以生物质燃料易引燃，可以与煤混合燃烧，提高燃烧效率。

　　(4)固定碳指燃料中的可燃性固体物，是燃烧产生热量的主要成分。燃料的固定碳含量会影响燃料发热值，由表2可知，固定碳数值高的试样其收到基低位发热量数值也相应高。生物质颗粒的固定碳含量明显比煤低得多，其收到基低位发热量也比煤低。

　　2.3全硫

　　全硫是指固态燃料中有机硫和无机硫的总和。参照标准GB/T 214-2007煤中全硫的测定方法和GB/T 28732-2012固体生物质燃料全硫测定方法中库伦滴定法进行测定，结果见表2。燃料中的硫会腐蚀受热面、风机和污染空气。由表2可知，生物质颗粒的全硫含量比煤明显低得多，最大值仅为0.14%，因此燃生物质锅炉不必设置脱硫装置，既降低了成本，又利于环境的维护。生物质颗粒全硫的标准偏差很小，仅为0.03%，说明生物质颗粒原料来源含硫量组成稳定，燃料颗粒加工过程中也不易带入含硫物质。

　　2.4发热量

　　参照标准GB/T 213-2008煤的发热量测定方法和GB/T 30727-2014固体生物质燃料发热量测定方法中氧弹法进行测定，结果见表2。高位发热量是指1kg燃料完全燃烧时放出的全部热量，高位发热量扣除烟气中水蒸气的汽化潜热即为燃料的低位发热量。因为低位发热量最接近工业锅炉燃烧时的实际发热量，常用于锅炉热力计算。由表2可知，煤和生物质颗粒的热值较为稳定，生物质颗粒的收到基低位发热量普遍比煤低。

　　2.5碳氢氮氧

　　参照标准GB/T 476-2008煤中碳和氢的测定方法、GB/T 19227-2008煤中氮的测定方法、GB/T 28734-2012固体生物质燃料中碳氢测定方法和GB/T 30728-2014固体生物质燃料中氮的测定方法进行测定，结果见表3。

　　燃料中碳、氢、氮含量的测定对于了解燃料的性质、优化锅炉燃烧和减少环境污染有着十分重要的意义。由表3可知，福州市在用煤的含碳量为43.74%～60.11%，含氢量为2.36%～3.71%，生物质燃料含碳量为43.75%～48.49%，含碳量普遍在4.84%～5.99%，碳氢之和占燃料的50%以上。生物质燃料含碳量总体上比煤低，其中含碳量最高的也仅49%左右，相比煤的热值较低，这与测得的低位发热量相符。但生物质释放出的CO2很低，相比煤可以认为是CO2零排放，可减少温室气体效应。生物质的含氢量与煤相比偏高，生物质中大多数碳和氢结合成低分子的碳氢化合物，达到一定温度后热分解而析出挥发分，使挥发分明显偏高，所以生物质燃料易点燃。生物质颗粒含氧量明显高于煤炭，也是造成生物质燃料热值偏低的原因之一。

　　(2)分析比较煤炭和生物质燃料的检测数据，生物质颗粒易于燃尽，燃烧后灰烬中残留的碳量比煤少。生物质灰烬是品位极高的优质有机钾肥，可以制造化肥，实现废物减量化、无害化、资源化利用，矿物燃料煤则难以做到。生物质颗粒挥发分含量高，易点燃。生物质颗粒含硫量极低，对环境的污染程度较低，同时，低含硫量不会对锅炉造成腐蚀，可延长锅炉的使用寿命。

　　(3)生物质燃料的热值低于煤，这是由于生物质虽有较高挥发分但固定碳含量少，因此用作锅炉燃料时，可以考虑生物质与煤掺混燃烧，既保证燃料具有足够的热值又可以提高燃烧稳定性。

　　(4)此外，生物质颗粒燃烧所释放的二氧化碳接近零排放，有助于缓解温室效应。生物质颗粒燃料清洁卫生，投料方便，减少工人的劳动强度，改善了劳动环境，企业可减少劳动力成本。