摘要：木質(zhì)顆粒燃料（簡稱木煤）是一種可再生、清潔和成本穩(wěn)定的燃料，可由農(nóng)作物秸稈、木竹加工剩余物及普通的廢舊木料等可再生的物質(zhì)制成，北美和歐洲正在大量使用。本文主要介紹木質(zhì)顆粒燃料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀、產(chǎn)品特點(diǎn)、用途和制造工藝以及我們?cè)谶@方面所做的工作，并分析這種燃料在我國的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：顆粒燃料；生物質(zhì)燃料；木竹加工剩余物；廢舊木料；農(nóng)作物秸稈 

前言

能源的開發(fā)和利用一直以來見證著人類文明的進(jìn)步，能源的更新替換，成為人類適應(yīng)環(huán)境、利用環(huán)境、改造環(huán)境的重要標(biāo)志之一。 當(dāng)今的新型替代能源，如風(fēng)能、太陽能、生物能、地?zé)崮艿燃娂娪楷F(xiàn)，各具優(yōu)勢(shì)，且利用技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，其中生物能在實(shí)用性、可行性、廣泛性方面，顯現(xiàn)出獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是未來30～50年里，最具大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化開發(fā)前景的新型能源。

生物質(zhì)能源的原料來源廣泛，如美國用玉米、巴西用甘蔗制備乙醇，歐洲用油菜生產(chǎn)生物柴油等。但使用農(nóng)作物發(fā)展生物質(zhì)能源，會(huì)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的市場(chǎng)需求、價(jià)格和基本民生造成很大影響，尤其是對(duì)于我國這樣的農(nóng)業(yè)大國。 而利用生物質(zhì)的廢棄物如利用農(nóng)林的加工采伐廢棄物、農(nóng)作物秸稈、工業(yè)有機(jī)垃圾等來制造能源，這種不與民爭糧、不與糧爭地的發(fā)展生物質(zhì)能源的方式科學(xué)而現(xiàn)實(shí)，是值得關(guān)注的。

１　木質(zhì)顆粒燃料的發(fā)展概況

木質(zhì)顆粒燃料，簡稱木煤，其發(fā)展源于19世紀(jì)70年代美國能源短缺時(shí)期，當(dāng)時(shí)的原材料主要來源于家具、造紙等工廠的木材（屑）廢料，產(chǎn)生的能源可替代電能、薪炭燃料、化石燃料等。期間發(fā)生的石油危機(jī)，還促使丹麥開始研究木質(zhì)能源發(fā)電技術(shù)，1988年誕生了世界上第一座秸稈生物燃燒發(fā)電廠，目前已有130家秸稈發(fā)電廠遍及丹麥，秸稈發(fā)電等可再生能源占到全國能源消費(fèi)量的24%以上。

近年來，北美木質(zhì)顆粒燃料的產(chǎn)量和銷售量均呈上升趨勢(shì)，見圖１、圖2；而木質(zhì)顆粒燃料在歐洲的價(jià)格則呈現(xiàn)小幅波動(dòng)，見圖3。

圖 1  加拿大和美國近年來木質(zhì)顆粒燃料的產(chǎn)量

  圖 2  北美住宅顆粒燃料年度銷售情況

圖3  2006—2007年歐洲木質(zhì)顆粒燃料價(jià)格變化 

在美國，目前谷類作物的15%用于生產(chǎn)非柴油運(yùn)輸燃料，乙醇生產(chǎn)增長的速度更快。美國能源部已制定了2010年以農(nóng)作物為原料的大規(guī)模一體化生物煉油廠發(fā)展計(jì)劃，到2030年，計(jì)劃生物質(zhì)能源占美國發(fā)電量的5%、運(yùn)輸燃料的20%和化學(xué)品生產(chǎn)量的25%。屆時(shí)將相當(dāng)于現(xiàn)有石油消費(fèi)量的30%。世界瞭望學(xué)會(huì)預(yù)測(cè)，采用新技術(shù)后，在今后25年內(nèi)生物燃料可望占美國運(yùn)輸燃料的37%，如果汽車燃料經(jīng)濟(jì)性翻一番，占運(yùn)輸燃料比例可提高到75%。

為了節(jié)省天然氣和石油，減少CO₂和SO₂的排放量，美國大力倡導(dǎo)使用木質(zhì)顆粒燃料，并給予適當(dāng)補(bǔ)貼，部分發(fā)電和供熱的燃料被木質(zhì)顆粒燃料所取代。此外，石油天然氣的上漲，也極大推動(dòng)木質(zhì)顆粒燃料的發(fā)展。2005年，美國林地提供了3.68億 t木質(zhì)燃料資源用于能源生產(chǎn)，其中不包括目前無法到達(dá)的林區(qū)和環(huán)境敏感地區(qū)的林地。木質(zhì)燃料資源利用約占美國能源需求的10%。

2  木質(zhì)顆粒燃料的生產(chǎn)工藝及特點(diǎn)

目前，發(fā)達(dá)國家采用高溫高壓擠壓設(shè)備，將生物質(zhì)材料擠壓成一定的顆粒（pellets）或壓塊（briquettes）作為燃料（見圖1、圖2），即木質(zhì)顆粒燃料。這種燃料質(zhì)地堅(jiān)硬，屬能量高效聚集的固化型燃料，具有比重大、熱值高、燃燒充分、成本低、使用方便、清潔衛(wèi)生，便于貯存和運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，可作為燃燒爐、氣化爐、取暖爐、氣化站、鍋爐和發(fā)電的燃料，用于供熱的燃燒效率可達(dá)83%；同時(shí)還可作為生產(chǎn)沼氣、制作肥料、飼料、人造板、隔墻板、餐飲具、育苗缽等的原料；各種農(nóng)作物秸稈還可壓縮成塊狀飼料。

               圖4 木質(zhì)顆粒                                    

 圖5  木質(zhì)壓塊

美國生產(chǎn)的木質(zhì)顆粒燃料wood pellets和briquettes，是由木質(zhì)廢料經(jīng)加壓制成，用于各種供熱裝置的燃料。常見的供熱裝置可分為4種^[1]：

（1）微型燃燒裝置（1MW）：主要用于住宅或辦公室的取暖。木質(zhì)顆粒燃料既可通過加熱空氣或水供暖，也可以在家庭的壁爐中直接燃燒。

（2）小型燃燒裝置（1～5 MW）：熱水介質(zhì)，屬經(jīng)濟(jì)型供熱裝置。木質(zhì)顆粒燃料也可用于驅(qū)動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)。

（3）中型燃燒裝置（5～15 MW）：在美國一般為學(xué)?；騿挝徊捎?。

（4）大型燃燒裝置（15 MW）以上：通常用于林區(qū)工業(yè)企業(yè)，或林區(qū)附近的其他工業(yè)企業(yè)，如水泥企業(yè)。

（5）特大型的燃燒裝置：一般用于發(fā)電廠，常見的規(guī)模為10～20 MW，有的甚至達(dá)到75 MW以上。常采用木質(zhì)顆粒燃料和煤搭配燃燒，以降低空氣污染。

2.1 制粒工藝

木煤pellets的典型制造工藝流程為：

原料→粉碎→除塵去鐵→輸送→去鐵→攪拌→高溫壓縮→冷卻→包裝→儲(chǔ)存→運(yùn)輸。

先將原料含水率干燥至8%~10%，送入振動(dòng)料倉，經(jīng)過除鐵器和氣流分選機(jī)，將其中的金屬物質(zhì)和石頭等雜質(zhì)分離出來，再采用雙螺旋進(jìn)料器將其送入錘式打磨機(jī)打碎。

將打碎的木屑用傳送帶送入混合器，加入適量的水進(jìn)行混合，然后送入攪拌器進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，木屑吸收適當(dāng)?shù)乃郑欣谏a(chǎn)出高質(zhì)量的木屑顆粒。

物料自攪拌器的底部，通過重力自流進(jìn)入位于造粒機(jī)頂部的進(jìn)料器，進(jìn)料器將木屑定量注入造粒機(jī)，進(jìn)料速度通過變頻調(diào)整。

造粒機(jī)將木屑?jí)嚎s成一定直徑的長條圓棒形狀并擠出。在圓棒出口處通過鋼齒切割機(jī)，將圓棒切割成一定長度的顆粒狀。

高溫的木質(zhì)顆粒經(jīng)過不銹鋼傳送帶，傳送到逆流空氣冷卻器，將其冷卻至高于周圍環(huán)境5~10℃的溫度，顆粒冷卻所需要的強(qiáng)氣流，由冷卻器底部的一臺(tái)強(qiáng)力鼓風(fēng)機(jī)提供。

冷卻后的木質(zhì)顆粒按順序成批送入篩式過濾器，將其中的粉塵篩出，并返回到系統(tǒng)中再加工。最后將成品木質(zhì)顆粒包裝、儲(chǔ)存、運(yùn)輸。

2.2 木質(zhì)顆粒燃料的優(yōu)勢(shì)

（1）清潔環(huán)保。木質(zhì)顆粒燃料制造過程中不添加膠黏劑，是一種天然生物質(zhì)燃料。由于含水率較低，助燃空氣容易調(diào)節(jié)，燃燒效率高，燃燒時(shí)產(chǎn)生的煙氣平均排放量為1.2 g/h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于美國環(huán)保局規(guī)定的7.5 g/h。

（2）節(jié)省空間。由于木質(zhì)顆粒燃料經(jīng)過高溫壓縮，大大節(jié)約了儲(chǔ)存空間，也便于運(yùn)輸。

（3）燃燒熱效率高。木質(zhì)顆粒燃料能大大提高木質(zhì)材料的燃燒效率，對(duì)制成一定的密集形態(tài)粒狀或塊狀燃料，熱效率可提高80%以上。據(jù)測(cè)算，1t的木質(zhì)顆粒燃料所產(chǎn)生的熱量相當(dāng)于1 t煤。

（4）使用安全。木質(zhì)顆粒燃料由于取自于自然狀態(tài)的生物廢料，不含有易裂變、爆炸等化學(xué)物質(zhì)，故不會(huì)像其他能源那樣，發(fā)生中毒、爆炸、泄漏等事故。

（5）可持續(xù)性利用。木質(zhì)顆粒燃料燃燒后的爐灰可以作為肥料，促進(jìn)新的植物生長，進(jìn)入新的循環(huán)，使生物資源的供應(yīng)源源不斷，持續(xù)利用。

3  木煤節(jié)能效益評(píng)估

我國工業(yè)企業(yè)供熱和北方地區(qū)集中采暖主要采用工業(yè)鍋爐作為熱源設(shè)備，工業(yè)鍋爐目前燃用的主要燃料為煤炭，其中多數(shù)地區(qū)采用二類煙煤，其低位熱值從4500 kCal/kg～5700 kCal/kg不等，平均熱值為5100kCal/kg左右。燃煤工業(yè)鍋爐的熱效率約為60％～70％，平均為65％。

木煤熱值與生產(chǎn)木煤的原料種類有關(guān)，普遍來講，木材加工剩余物和秸稈作為生產(chǎn)木煤的原料，所生產(chǎn)出的木煤熱值為4000kCal/kg～4700 kCal/kg。

木煤顆粒尺寸均勻，在鍋爐中燃燒時(shí)吹飛量和漏煤量大為減少；木煤易于著火、易于燃盡，鍋爐爐渣含碳量接近于零；使用木煤可以降低鍋爐空氣過剩系數(shù)，減少鍋爐床層通風(fēng)阻力，降低風(fēng)機(jī)功耗，減少排煙損失，鍋爐效率可以提高10％～20％，平均提高15％。以目前燃煤鍋爐的平均熱效率為65％計(jì)，使用木煤后，鍋爐熱效率可以提高至80％左右。

如以木材加工剩余物和麥秸為木煤原料，則每噸木煤可以替代1.04噸～0.96噸（平均為1噸）二類煙煤，簡言之，1噸木煤可以替代1噸二類煙煤。

4　木煤項(xiàng)目環(huán)境效益評(píng)估

煤炭在鍋爐中燃燒后，排出大量的飛灰、爐渣、二氧化硫和二氧化碳，其中飛灰和二氧化硫是主要的空氣污染物，爐渣占用大量的土地面積，二氧化碳是主要的溫室氣體。而鍋爐使用木煤則可最大限度地減少這些物質(zhì)的排放量，具有非常顯著的環(huán)境效益。

4.1 評(píng)估對(duì)象與基本數(shù)據(jù)

本項(xiàng)評(píng)估以木材加工剩余物（木屑）和麥秸為原料生產(chǎn)的木煤為評(píng)估對(duì)象，以鍋爐代表性設(shè)計(jì)煤種（二類煙煤）作為對(duì)比對(duì)象，分別計(jì)算鍋爐使用木煤替代煤炭后各項(xiàng)主要污染物的排放量 。

鍋爐選取鏈條式鍋爐，在工業(yè)企業(yè)中，該型鍋爐約占鍋爐總量的90％左右。鏈條式鍋爐中，飛灰比率為20％，除塵器的除塵效率統(tǒng)一取為90％。

鍋爐未安裝煙氣脫硫設(shè)備。由于脫硫設(shè)備投資大、運(yùn)行成本高，所以一般企業(yè)鍋爐很少安裝，而且這一狀況近期很難有所改變。

鍋爐燃燒5萬噸二類煙煤，向大氣排放的飛灰（粉塵）量為325噸，而燃燒5萬噸木煤，向大氣排放的飛灰（粉塵）量僅為6噸（燃燒木屑木煤）或26噸（燃燒麥秸木煤），比燃燒煙煤分別少排放319噸和299噸。

與燃燒二類煙煤相比，燃燒木煤的飛灰（粉塵）減排率分別為98.3％和92.0％，飛灰（粉塵）減排效果非常顯著。

4.2 燃燒木煤減少爐渣排放量

鍋爐燃燒5萬噸二類煙煤，產(chǎn)生的爐渣量為15915噸，而燃燒5萬噸木煤，排放的爐渣量僅為1094噸（燃燒木屑木煤）或5174噸（燃燒麥秸木煤），比燃燒煙煤分別少排放14821噸和10741噸。

與燃燒二類煙煤相比，燃燒木煤的灰渣減排率分別為93.1％和67.5％，爐渣減排效果非常顯著。

木煤燃燒后產(chǎn)生的爐渣是良好的肥料，可用于花卉等經(jīng)濟(jì)作物的生長。

4.3 燃燒木煤減少二氧化硫排放

鍋爐燃燒5萬噸二類煙煤，向大氣排放的二氧化硫?yàn)?/span>1552噸，而燃燒5萬噸木煤，向大氣排放的二氧化硫僅為40噸（燃燒木屑木煤）或144噸（燃燒麥秸木煤），比燃燒煙煤分別少排放1512噸和1408噸。

與燃燒二類煙煤相比，燃燒木煤的二氧化硫減排率分別為97.4％和90.7％，二氧化硫減排效果非常顯著。

4.4 燃燒木煤減少二氧化碳排放

木煤的原料均為生物質(zhì)，生物質(zhì)中的碳來自空氣中流動(dòng)的二氧化碳,通過光合作用將其固化在生物質(zhì)中，而木煤在燃燒過程中，又產(chǎn)生等量的二氧化碳排放到空氣中，即：生物質(zhì)生長過程和燃燒過程集合在一起，實(shí)現(xiàn)了二氧化碳的零排放。

然而, 生物質(zhì)來源地分散、能量密度低, 收集、運(yùn)輸、粉碎、干燥等處理過程都需要消耗一定的能源

（如：汽油、柴油、電力和熱力）；每噸木煤成型過程也需要消耗約100kWh的電力。消耗這些能源的同時(shí)，也要排出一定量的二氧化碳。

鍋爐燃燒5萬噸二類煙煤，向大氣排放的二氧化碳為85342噸，而燃燒5萬噸木煤，向大氣排放的二氧化碳僅為11550噸，比燃燒煙煤少排放73792噸。

與燃燒二類煙煤相比，燃燒木煤的二氧化碳減排率為86.5％，二氧化碳減排效果非常顯著。

5  我國發(fā)展木煤燃料的可行性

5.1 能源利用情況

我國每年消耗16億t煤炭，其中9億t用于發(fā)電， 7億t是用于工業(yè)用鍋爐和生活用鍋爐^{[2 ]}。鍋爐用煤的熱效率只有60%左右，同時(shí)排放大量的CO₂和SO₂。在替代將近7億t的工業(yè)用煤中，木煤將會(huì)發(fā)揮很大的作用。

目前，我國木質(zhì)能源仍以直接燃燒的柴灶方式為主，由于薪材原始狀態(tài)很松散，燃燒過程中，80%~90%的能量隨著煙氣和灰分的散失而浪費(fèi)，熱利用效率很低，只有10％~15％左右。

5.2 資源情況　

我國擁有豐富的木煤資源，目前可供利用開發(fā)的資源主要為木質(zhì)廢棄物，包括農(nóng)作物秸稈、薪材、加工剩余物和城市固體有機(jī)垃圾中的廢舊木料等。據(jù)理論測(cè)算，我國木煤資源可達(dá)50億t左右。

（1）農(nóng)作物秸稈。我國作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物秸稈是主要的木質(zhì)能源資源之一，目前，主要作為生活燃料、飼料、肥料和工業(yè)原料等，仍有大量未得到有效利用。 每到收割季節(jié)，有大量秸稈焚燒，污染環(huán)境，影響交通，已成為嚴(yán)重的社會(huì)公害。按每年廢棄的農(nóng)作物秸稈約有6~7億t，其中約有3億t可作為能源使用，折合標(biāo)準(zhǔn)煤1.5億t左右，如果將這些秸稈資源用于發(fā)電，相當(dāng)2套0.9億KW火電機(jī)組年平均運(yùn)行5000 h，年發(fā)電量為9000億KW/時(shí)^[3]。

（2）木、竹采伐和加工剩余物。我國林木生物質(zhì)總量約178.86億t，每年可采伐剩余物的生物量約16.2億t?？紤]到采運(yùn)條件、生態(tài)防護(hù)、資源分布等多方面因素，每年可提供發(fā)展生物質(zhì)能源生物量為3.3億t，折合標(biāo)準(zhǔn)煤約2億t，如全部得到利用，能夠減少1/10的化石能源消耗^[4]。

（3）工業(yè)木質(zhì)廢棄物。在其它工業(yè)生產(chǎn)中，例如造紙廠、糖廠和糧食加工廠等，每年也會(huì)產(chǎn)生大量的木屑、樹皮、蔗渣、谷殼等。

（4）城市廢棄木材。隨著我國城市化進(jìn)程加快，城市數(shù)量和規(guī)模都在不斷擴(kuò)大，與此同時(shí)，我國城鎮(zhèn)的垃圾量每年以10％左右的速度增長，每年產(chǎn)生的城市垃圾約為60億t，其中各類木材垃圾可達(dá)6000萬t，完全可以用于顆粒燃料的制造^[5]。

5.3 生物質(zhì)能源的政策扶持

我國在《中國新能源和可再生能源發(fā)展綱要（1996～2010）》中提出，要把發(fā)展“高效的直接燃燒技術(shù)、致密固化成型技術(shù)、氣化技術(shù)”，作為今后能源工作的一個(gè)主要方面來抓。對(duì)于生物燃料的發(fā)展，我國的“十一五”規(guī)劃，也明確了要按照以新能源替代傳統(tǒng)能源、以優(yōu)勢(shì)能源替代稀缺能源、以可再生能源替代化石能源的發(fā)展思路，逐步提高替代能源在能源結(jié)構(gòu)中的比重。

國家發(fā)改委2007年9月發(fā)布的《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》也指出，要逐步提高優(yōu)質(zhì)清潔可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中的比例，力爭到2010年使可再生能源消費(fèi)量，達(dá)到能源消費(fèi)總量的10％左右，到2020年達(dá)到15％左右，同時(shí)指出，我國可再生能源發(fā)展的重點(diǎn)是水能、生物質(zhì)能、風(fēng)能和太陽能。國家將采取強(qiáng)制性市場(chǎng)份額、優(yōu)惠電價(jià)和費(fèi)用分?jǐn)偂①Y金支持和稅收優(yōu)惠、建立產(chǎn)業(yè)服務(wù)體等政策和措施，積極支持可再生能源的技術(shù)進(jìn)步、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和開發(fā)利用。

5.4 現(xiàn)階段所做的工作

根據(jù)國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要，南京林業(yè)大學(xué)與美國泛歐木工機(jī)械有限公司早在2007年就開展了合作，在河北豐寧實(shí)施了“年產(chǎn)5萬噸木煤研發(fā)中試項(xiàng)目”，并于2009年9月16日通過國家發(fā)改委、農(nóng)業(yè)部、環(huán)保部、國資委、國家林業(yè)局等五部委的驗(yàn)收。在此基礎(chǔ)上，我們與河北豐寧宏森木業(yè)有限公司又聯(lián)合向國家發(fā)改委申報(bào)了“年產(chǎn)20萬噸木煤開發(fā)項(xiàng)目”并獲得立項(xiàng)（發(fā)改辦環(huán)資[2010]26號(hào)）。目前研發(fā)工作正在逐步推進(jìn)。

綜上所述，以木質(zhì)材料和農(nóng)作物秸稈為基礎(chǔ)的可再生能源符合國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展導(dǎo)向，充足的資源與國家政策的扶持，將為我國生物質(zhì)能源的發(fā)展提供一個(gè)廣闊的平臺(tái)，也為木煤燃料的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

 參考文獻(xiàn)：

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[4]國家林業(yè)局植樹造林司．維護(hù)能源安全發(fā)展林業(yè)生物質(zhì)能源作用巨大［R/EB］．http://news./content/2007 -06 -25/297539.html．

[5] 木材節(jié)約發(fā)展中心』第二屆全國廢舊木材回收利用研討會(huì)暨首屆全國農(nóng)作物（秸稈）綜合利用研討會(huì)成功召開［EB/OL］．http://www./ShowArticle.asp？Article ID2007-12-11=1011．