第 36 卷 第 9 期 農 業(yè) 工 程 學 報 Vol 36 No 9 2020 年 5月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering May 2020 245 國內外生物質成型燃料質量標準現狀 霍麗麗 1 趙立欣 1 郝彥輝 2 孟海波 1 姚宗路 3 劉 昭 4 劉桐利 2 袁艷文 1 1 農業(yè)農村部規(guī)劃設計研究院 農業(yè)農村部農業(yè)廢棄物能源化利用重點實驗室 北京 100125 2 海南大學機電工程學院 ?？?570228 3 中國農業(yè)科學研究院農業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所 北京 100081 4 中國質量認證中心 北京 100020 摘 要 中國生物質成型燃料標準體系建設初步取得了一些成效 但與歐美發(fā)達國家相比標準制定工作進展較為緩慢 一定程度上制約了產業(yè)發(fā)展 該研究分析了國內外生物質成型燃料標準體系和質量認證體系現狀 研究生物質成型燃料 質量影響因素及質量要求 與 ISO 國際標準比較 分析了木質 非木質生物質成型燃料各指標質量分級要求 結合中國 國情 提出中國生物質成型燃料質量標準仍需進一步完善 同時與國內煤炭質量相關標準進行比較 生物質成型燃料灰 分含量低 硫含量 砷和汞等重金屬含量極低 對環(huán)境友好 是良好的替代散煤的固體燃料 通過研究提出建議成立生 物質成型燃料國家標委會 亟需制定質量分級和污染物排放國家標準 并應區(qū)分商用 民用以及工業(yè)用等不同應用對象 的燃料質量要求 關鍵詞 生物質 燃料 質量標準 認證體系 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 09 028 中圖分類號 S38 文獻標志碼 A 文章編號 1002 6819 2020 09 0245 10 霍麗麗 趙立欣 郝彥輝 等 國內外生物質成型燃料質量標準現狀 J 農業(yè)工程學報 2020 36 9 245 254 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 09 028 http www tcsae org Huo Lili Zhao Lixin Hao Yanhui et al Quality standard system of densified biomass fuels at home and abroad J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2020 36 9 245 254 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 09 028 http www tcsae org 0 引 言 生物質成型燃料指利用專門設備將農林廢棄物等生 物質壓縮為顆?；驂K 棒 狀燃料 具有使用方便 清 潔環(huán)保 燃燒效率高 便于儲存和運輸等優(yōu)點 能夠直 接替代煤炭 既能作為農村居民的炊事取暖燃料 又能 用于城鎮(zhèn)供熱 發(fā)電等 是生物質能利用的主要方向之 一 1 6 據歐洲生物質協會 AEBIOM 統(tǒng)計 2017 年 全球生物質成型燃料消費總量約 3 200 萬 t 不含中國 其中歐洲消費占總量的 75 主要為木質顆粒燃料 7 8 與之相比 中國木質與秸稈類成型燃料并存 中國自 2000 年逐步形成產業(yè) 年產生物質成型燃料約 800 萬 t 據生 物質能 十三五 規(guī)劃目標 到 2020 年利用量將達 3 000 萬 t 9 但就目前發(fā)展規(guī)模來看 還遠達不到預期 除了 煤炭價格競爭 政策導向等原因 生物質成型燃料質量 不一的內因直接制約了產業(yè)發(fā)展 歐美生物質成型燃料 技術走在前列 標準體系較為完善 產品質量認證體系 成熟 已形成商業(yè)市場化運作模式 10 12 中國產業(yè)發(fā)展 初具規(guī)模 但技術標準體系還不完善 缺乏質量認證機 制 極大限制了中國生物質成型燃料商業(yè)化進程 13 收稿日期 2020 01 19 修訂日期 2020 02 25 基金項目 國家重點研發(fā)計劃 2017YFF021190401 現代農業(yè)產業(yè)技術體 系專項資金資助 CARS 02 31 作者簡介 霍麗麗 博士 高級工程師 主要從事生物質能開發(fā)利用研究 Email huolili666 通信作者 趙立欣 博士 研究員 主要從事農業(yè)廢棄物綜合利用研究 Email zhaolixin5092 本文通過研究生物質成型燃料相關標準及質量認證 體系 對比國內外產品質量要求 系統(tǒng)分析影響質量的 主要因素及指標要求 提出適宜中國的生物質成型燃料 質量評價指標體系 為提升成型燃料產品質量和加快產 業(yè)發(fā)展提供依據 1 標準與質量認證體系現狀 1 1 標準體系現狀 2000 年 歐洲標準化委員會 CEN 授權瑞典標準 局 成立生物質成型燃料技術委員會 CEN TC335 經過 2007 2010 年修訂和完善逐漸統(tǒng)一了歐盟標準 并 取代了歐盟其他國家標準 如 DIN ONORM 等標準 目前歐盟標準已發(fā)布 42 項標準 7 項正在制定 14 美國 材料與試驗協會 ASTM 制定了生物質成型燃料的試驗 方法標準 已制定 14 項 2007 年 ISO TC238 委員會開始 制定生物質成型燃料國際標準 基于歐盟標準進一步完 善 目前已制定并發(fā)布了 35 項 ISO 標準 正在制定 12 項 內容涵蓋術語 規(guī)格和等級 質量保證 采樣制樣 試驗方法 安全儲運 排放控制等 同時考慮了住宅 商 業(yè)和工業(yè)應用等不同用戶的分級質量要求 15 中國自 2008 年開始 通過借鑒國外標準經驗 結合 中國國情 由農業(yè)部規(guī)劃設計研究院承擔研究課題初步 建立了生物質成型燃料標準體系 涵蓋原料收儲運 成 型設備 產品質量 產品儲運 燃燒應用等環(huán)節(jié) 目前 已制定國家標準 11 項 行業(yè)標準 38 項 國內外制訂的 相關標準詳見表 1 農業(yè)資源循環(huán)利用工程 農業(yè)工程學報 http www tcsae org 2020 年 246 表 1 國內外生物質成型燃料相關標準 Table1 Relevant standard of densified biomass fuels at home and abroad 標準類別 Property class 國際 International standard 美國 American standard 中國 Chinese standard 術語定義 Terminology ISO 16559 NY T 1915 NB T 3406 規(guī)格和等級 Specifications and classes ISO 17225 1 8 ISO 17225 9 ISO 17225 2 NB T 34024 NY T 2909 采樣與制備 Sample and sample preparation ISO 18135 ISO 21945 Simplified ISO 14780 ASTM E1757 GB T 28730 NY T 1879 NY T 1880 全水分 Total moisture ISO 18134 1 ISO 18134 2 ASTM E1358 GB T 28733 NY T 1881 2 一般樣品水分 Moisture in general analysis sample ISO 18134 3 ASTM E871 GB T 28731 NY T 1881 3 灰分 Ash ISO 18122 ASTM E1534 D1102 GB T 28731 NY T 1881 5 揮發(fā)分 Volatile matter ISO 18123 ASTM E872 NY T 1881 4 低位發(fā)熱量 Calorific value ISO 18125 ISO 18125 GB T 30727 堆積密度 Bulk density ISO 17828 ASTM E873 NY T 1881 6 顆粒密度 Particle density ISO 18847 NY T 1881 7 長度和直徑 Length and diameter ISO 17829 粒度分布 Particle size distribution ISO 17827 1 ISO 17827 2 細顆粒物含量 Fines ISO 18846 ISO 18846 2 機械耐久性 Mechanical durability ISO 17831 1 ISO 17831 2 ISO 23343 1 吸水性 NY T 1881 8 3 15 mm 重質雜質含量 Heavy extraneous materials larger than 3 15mm ISO 19743 碎料粒度分布 Particle size distribution of disintegrated pellets ISO 17830 耐磨性 熱處理后燃料 Grindability Thermally treated biomass fuels ISO 21596 ASTM E 1288 灰熔融性 Ash melting behavior ISO 21404 ASTM D1857 GB T 30726 全碳 全氫 Total content of carbon hydrogen ISO 16948 GB T 28734 全氮 Total content of nitrogen ISO 16948 GB T 30729 可溶性氯化物 鈉 鉀 Water soluble chloride sodium and potassium ISO 16995 全硫 Total content of sulfur ISO 16994 ISO 16994 GB T 28732 全氯 Total content of chlorine ISO 16994 ISO 16994 ASTM E 776 ASTM D 4208 ASTM D 6721 GB T 30729 Al Ca Fe Mg P K Si Na Ti ISO 16993 ISO 16996 X ray fluorescence ASTM E870 NB T 42116 As Cd Co Cr Cu Hg Mn Mo Ni Pb Sb V Zn ISO 16968 ISO 16996 X ray fluorescence ISO 16968 結果基準轉換 Analytical results from one basis to another ISO 16993 ASTM E791 GB T 21923 NY T 1881 1 含相關內容 質量保證 Fuel quality assurance ISO 17588 ISO 17589 燃料安全存儲 Safe handling and storage ISO 20023 住宅 ISO 20024 工業(yè) NB T 34061 燃料存儲自然發(fā)熱 Self heating ISO 20049 架橋行為 散裝燃料 Bridging behavior Bulk biofuels ISO 23437 燃料排放 Off gassing ISO 20048 1 ISO 20048 2 ASTM E2618 13 ASTM E2779 10 ASTM E2515 11 燃料灰成分 Fuel ash composition GB T 30725 注 為在編標準 Note is the compilation standard 1 2 質量分級標準 德國 瑞典等國家首先制定了生物質成型燃料質量 標準 1996 年 德國發(fā)布 DIN 51731 生物質顆粒和塊 棒 狀燃料標準 將木質燃料分為 5 個等級 1999 年 瑞典 發(fā)布標準 SS187120 顆粒燃料 和 SS187121 塊 棒 狀燃料 奧地利也頒布了生物質顆粒和塊 棒 狀標 準 ONORM M1735 16 17 為統(tǒng)一成型燃料標準 2010 2012 年 歐盟提出建立生物質成型燃料通用的技術分類 標準 DIN EN 14961 包含 6 個分標準 涵蓋一般要求 非工業(yè)用木質成型燃料 非工業(yè)用塊 棒 狀成型燃料 非工業(yè)用木片 非工業(yè)用木柴 非工業(yè)用非木質成型燃 料等 18 20 美國生物質顆粒燃料研究所 PFI 制定了住 第 9 期 霍麗麗等 國內外生物質成型燃料質量標準現狀 247 宅 商用生物質成型燃料分級標準 主要針對木質顆粒燃 料分為高級 標準以及實用 3 個等級 2014 年 ISO TC238 技術委員會制定了 ISO 17225 1 7 系列標準 描述了燃料的來源與交易形式 明確了 原料的種類和劃分類別 內容包含通則 木質顆粒燃料 木質塊 棒 狀燃料 木片 薪柴 非木質顆粒燃料 非木質塊 棒 狀燃料等 7 項分標準 21 2016 年 發(fā)布 了 ISO 17225 8 熱處理后的成型燃料質量分級標準 國內 2014 年能源和農業(yè)部門先后制定質量分級行業(yè) 標準 分別規(guī)定了木質顆粒燃料 非木質顆粒燃料 木 質塊棒狀燃料和非木質塊棒狀燃料分級要求 每種燃料 分 3 級 指標等級要求參考了 DIN EN 14961 并結合國 內實際情況 符合國內木質資源有限 秸稈類原料豐富 的特點 1 3 質量認證體系 質量認證體系建立有效促進了木質顆粒燃料在歐洲 乃至世界范圍的流通 目前 在歐美地區(qū)應用較為廣泛 的主要有 DINplus ENplus CANplus 等認證體系 以及 美國 PFI 標準計劃 22 26 詳見表 2 DINplus 成立于 2002 年 作為第一個木質顆粒燃料 質量認證計劃進入市場 ENplus 最初由 Deutsches Pelletinstitut GmbH DEPI 公司 2010 年設計 作為供熱 市場中木質顆粒的質量認證計劃 目前由歐洲顆粒委員 會 European pellets council 進行管理 從產品收集 加 工生產 運輸 貯藏最終到用戶 貫穿整個供應鏈 CANplus 由加拿大木顆粒協會認證 與 ENplus 本質上基 本相同 ENplus 授權加拿大木顆粒燃料協會頒發(fā)認證全 國許可證者 美國 Pellet Fuels Institute PFI 1995 年提 出了生物質成型燃料質量分級標準 經過多次修訂 已 成為顆粒燃料質量認證主要依據 美國 PFI 計劃提供住 宅和工業(yè)兩個級別木質顆粒燃料的規(guī)格 美國木材標準 委員會 ALSC 作為該計劃的認證機構 提供計劃實施 和執(zhí)行 以及促進計劃注冊 質量認證體系包括認證范圍 認證程序 產品原料 和顆粒燃料質量的要求 使用規(guī)定和產品檢測 在認證 申請的過程中 對申請者進行相應的審核 審核通過后 授予申請者使用商標以及許可轉讓等權利 通過第三方 檢測以及定期的測試來保證產品和服務的質量 當被認 證的對象或產品不再符合認證要求 將按照程序嚴格執(zhí) 行 認證程序能夠確保生物質顆粒燃料高質量以及公開 透明性 為生物質顆粒燃料市場化運作提供良好的保障 認證貫穿整個供應鏈 從加工生產到最終的供熱 發(fā)電 等的應用 使用第三方進行審核和檢測 能夠保證交易 和使用中的顆粒燃料能夠符合燃燒要求 環(huán)境要求以及 質量要求 認證的實施促進了顆粒燃料質量控制以及產 業(yè)化的推進 認證體系實施都取得了良好的效果 16 有 利于生物質成型燃料全球貿易 近年來歐洲 北美市場 以及亞洲市場的木質顆粒燃料市場貿易不斷發(fā)展 進出 口量逐年增長 ENplus 目前擁有來自 42 個國家有八百余 家認證公司 經 ENplus 認證的木質顆粒燃料貿易量超過 1 100 萬 t 超過全球認證總量的 1 3 26 27 表 2 ENplus DINplus 和 PFI 認證體系 Table 2 ENplus DINplus and PFI quality certification systems 內容 content 認證依據 Certification basis 認證機構 Certification body EN plus ISO 9001 EN 15234 2 CEN TC 15370 1 EN 14778 EN 14961 2 ISO 3166 ISO 16948 ISO 16968 ISO 16994 ISO 17225 1 ISO 17225 2 ISO 17828 ISO 17829 ISO 17831 1 ISO 18122 ISO 18125 ISO 18134 ISO 18846 歐洲顆粒委員會 EPC DIN plus ISO 9001 ISO 14001 ISO IEC 27001 OHSAS 18001 ISO 17225 2 德國標準化協會 DIN PFI 住宅 工業(yè)成型燃料的 PFI 標準規(guī)范 ALSC 住宅 工業(yè)成型燃料執(zhí)法條例 PFI 住宅 工業(yè)成型燃料標準計劃 美國木材標準委員 會 ALSC 2 質量評價指標 生物質成型燃料產品質量評價指標涵蓋物理機械特 性 燃燒特性 環(huán)境影響等 2 1 物理機械特性 2 1 1 規(guī)格尺寸 生物質成型燃料與生物質鍋爐 壁爐 熱風爐等配 套使用 應用在取暖 炊事 供熱等各個領域 為確保 燃料適應各類鍋爐應用 保證燃料的儲運方便 實現自 動進料連續(xù)燃燒 避免搭橋 堵塞等 需規(guī)定其規(guī)格要 求 顆粒燃料長度不宜過長 直徑小于 8 mm 時 長度應 小于 40 mm 直徑 12 25 mm 時 長度應小于 50 mm 2 1 2 全水分 生物質成型燃料的水分易受外界環(huán)境影響 易吸潮 導致運輸與貯存過程松散或變質 也會影響燃燒效果 水分高 熱值低 導致起燃困難 水分蒸發(fā)吸熱導致燃 燒溫度低 易引起設備腐蝕 國際 ISO 標準要求木質顆 粒燃料 10 木質塊 棒 狀燃料 15 非木質燃料 均 15 國內標準要求木質顆粒燃料 12 木質塊 棒 狀燃料 15 非木質燃料均 16 2 1 3 堆積密度 顆粒密度 密度表征原料的壓實程度 密度越高抗磨損能力越 強 使用和運輸過程不易斷裂 壓縮后的成型燃料體積 縮小 6 8 倍 大大減少了存儲 運輸以及燃燒設備的空 間 顆粒燃料一般采用堆積密度表征 塊 棒 狀燃料 可直接采用顆粒密度表征 顆粒燃料的堆積密度 ISO 標 準要求木質 600 kg m 3 非木質 550 kg m 3 國內標準 要求均 550 kg m 3 塊 棒 狀燃料的顆粒密度 ISO 標 準要求木質 900 kg m 3 非木質 600 kg m 3 國內標準 要求均 800 kg m 3 2 1 4 機械耐久性 機械耐久性指在裝卸 輸送和運輸過程中保持完整 個體的能力 表征成型燃料的粘結性能 由成型燃料的 壓縮條件及松弛密度所決定 主要表征顆粒燃料的不同 使用性能和貯藏性能 28 ISO 標準要求木質顆粒燃料 96 5 非木質顆粒燃料 96 0 國內標準要求均 95 0 農業(yè)工程學報 http www tcsae org 2020 年 248 2 2 燃燒特性 2 2 1 工業(yè)分析 工業(yè)分析包括一般樣品水分 灰分 揮發(fā)分 固定 碳 灰分反映生物質中礦物質含量 包括鈣 Ca 氯 Cl 鉀 K 氮 N 硫 S 硅 Si 等元素 來源主要是生物質原料本身及收獲 運輸 加工和存儲 過程中帶入的雜質 對于同一種類燃料 發(fā)熱量隨灰分 增加而減少 燃料含有較多礦物質時 礦物質會分解吸 熱 礦物質含量越高 所吸收的分解熱越多 發(fā)熱量隨 之越少 固定碳越高 發(fā)熱量越高 相同灰分條件下 揮發(fā)分含量越高 固定碳含量越低 越易引燃 但熱值 相對較低 反之 揮發(fā)分含量越低 固定碳含量就會越 高 燃料不易引燃 但熱值較高 灰分過高 易導致燃燒設備損耗 燃燒室易產生 結渣現象 燃料設備需耐腐蝕 控制燃燒溫度 避免 高溫灰熔融后結焦 同時燃燒形成飛灰通過煙囪排出 易污染大氣環(huán)境 灰分 ISO 標準要求木質顆粒燃料 2 0 木質塊 棒 狀燃料 3 0 非木質燃料均 10 國內標準要求木質燃料均 6 0 非木質燃 料均 15 根據 GB T 15224 1 2018 煤炭質量分 級 第 1 部分 灰分 非木質燃料三級 熱處理后非 木質燃料三級可達到低煤灰 10 20 的質量標準 要求 其他均可達到特低灰煤 10 煤炭的最 優(yōu)標準要求 2 2 2 發(fā)熱量 發(fā)熱量是衡量生物質成型燃料質量優(yōu)劣的重要指標 之一 一般以低位發(fā)熱量為基準 發(fā)熱量差異取決于生 物質自身組成 以及水分 灰分含量等 低位發(fā)熱量 ISO 標準木質顆粒燃料 16 5 MJ kg 木質塊 棒 狀燃料 14 9 MJ kg 非木質燃料 14 5 MJ kg 國內標準木質類 均 14 6 MJ kg 非木質類均 12 6 MJ kg 2 2 3 氯元素 Cl 氯元素是影響燃燒結渣和腐蝕的重要元素之一 燃 燒過程中 Cl 幾乎完全蒸發(fā) 形成 HCl Cl 2 和堿金屬氯化 物 部分 Cl 束縛在飛灰中 或以 HCl 的形式隨煙氣排放 堿土金屬氯化物冷凝在飛灰顆?；驌Q熱器表面上 造成 積灰結渣問題 氯和堿土金屬的結合可對燃燒單元造成 嚴重危害 29 同時 Cl 元素含量過高 易導致二噁英排 放污染問題 Cl 元素燃燒過程經過銅等金屬離子的催化 作用易生成二噁英 秸稈類生物質成型燃料中 Cl 元素含量比木質類燃料 高 個別秸稈的 Cl 含量可超過 1 多分布在 0 01 0 60 之間 Cl 元素 ISO 標準要求木質燃料 0 03 非 木質燃料 0 30 國內標準要求木質燃料 0 03 非 木質燃料 0 80 2 2 4 結渣性與灰熔融點 生物質成型燃料的結渣性與燃燒溫度和生物質中氯 元素及堿土金屬含量直接相關 通常燃燒溫度越高越易結 渣 30 Cl K Na 元素含量越高 越易結渣 31 32 K 是生 物質成型燃料中含量最高的堿金屬元素 大部分以無機鉀 離子形式存在于植物內 以 K 元素為主的堿金屬會導致燃 燒過程結渣 腐蝕和聚團等 在高溫條件下一部分 K 元素 以氣態(tài)形式釋放 如氣態(tài) KCl 氣態(tài) K 2 SO 4 以及氣態(tài) KOH 另一部分 K 元素固定在底灰中 如硅鋁酸鉀 AlKO 6 Si 2 硅酸鉀 K 2 SiO 3 KCl 和 K 2 SO 4 氣態(tài)鉀可經冷凝形成 氣溶膠粘附于飛灰上 或者直接冷凝與硫酸鹽化合到飛 灰 降低熔點 造成顆粒聚團和積灰 33 35 結渣性一般用灰熔融點表征 包含變形溫度 軟化 溫度 半球溫度 熔融溫度等 4 個特征溫度 結渣性隨 著軟化溫度的升高而降低 13 一般軟化溫度 1 390 燃料輕微結渣 軟化溫度在 1 260 1 390 時 中等結 渣 當軟化溫度 1 260 時 嚴重結渣 ISO 標準要求 生物質成型燃料應給出灰熔融點的具體數值 生物質成 型燃料灰熔融點軟化溫度一般 1 200 1 300 典型生 物質成型燃料的灰熔融點測定結果見表 3 國內結渣特 性除了采用灰熔融點表征外 參考煤炭還可采用結渣率 指標表征 非木質燃料為中等結渣性 木質燃料為弱結 渣性 表 3 典型生物質成型燃料的灰熔融點 Table 3 Ash melting behavior of typical densified biomass fuels 項目 Item 水稻秸稈 遼寧 Rice straw Liaoning Province 小麥秸稈 河南 Wheat straw Henan Province 玉米秸稈 河北 Maize stovers Hebei Province 豆秸 河北 Bean straw Hebei Province 花生殼 河北 Peanut shell Hebei Province 木屑 河北 Sawdust Hebei Province 變形溫度 Deformation temperature DT 1 221 938 1 196 1 168 1 204 1 158 軟化溫度 Softening temperature ST 1 266 1 242 1 201 1 212 1 221 1 198 半球溫度 Hemispherical temperature HT 1 283 1 225 1 205 1 238 1 225 1 212 流動溫度 Flow temperature FT 1 430 1 398 1 218 1 305 1 230 1 266 2 2 5 添加劑 生物質成型燃料的添加劑能夠緩解結渣問題和減少 對燃燒設備腐蝕影響 Steenari等將添加劑 Al 2 O 3 和 CaCO 3 加入流化床床料中 結果發(fā)現換熱面上沉積現象減輕 并且沉積物中 KCl 的含量減少 從而使換熱面的腐蝕程 度降低 36 劉兵等 37 研究 Al 2 O 3 對生物質燃料的結渣問 題有抑制作用 認為 Al 2 O 3 比 SiO 2 更容易與堿金屬 K 元 素結合生成高熔點的化合物硅鋁酸鉀 有效緩解堿金屬 K 產生結渣問題 添加劑中的 Al 元素與氣態(tài) KCl 反應 減 少氣態(tài) KCl 的生成量 燃料質量要求添加劑需標明添加 劑成分 ISO 標準要求木質燃料 2 非木質燃料 5 國內標準要求均 2 2 3 環(huán)境影響 生物質成型燃料所含細顆粒物不僅污染大氣 還會 對人體健康造成一定危害 燃燒排放的污染物可分為兩 第 9 期 霍麗麗等 國內外生物質成型燃料質量標準現狀 249 類 不完全燃燒產生的污染物和完全燃燒產生的污染 物 不完全燃燒產生的污染物包括一氧化碳 焦油 多 環(huán)芳烴 碳氫化合物和焦炭 這些污染物通常是由于燃 燒溫度過低 用于燃燒的空氣在燃燒區(qū)與燃料混合不充 分或者停留時間過短造成的 因此 需要使用生物質成 型燃料專用燃燒設備 實現高效充分燃燒 生物質成型 燃料完全燃燒 也會產生顆粒物 NO X SO 2 以及固 體灰渣重金屬 37 38 污染等 生物質成型燃料中的細顆 粒物含量 以及 N S 重金屬等元素直接影響污染物 含量 2 3 1 小于 3 15 mm 細顆粒物 生物質顆粒燃料在運輸過程其細顆粒物含量過高 會增加粉塵爆炸的風險 同時細小顆粒易吸入粉塵影響 人身健康 細小顆粒物燃燒易產生 PM10 PM2 5 等 39 生物質成型燃料的顆粒物排放遠少于煤 如松木和玉米 秸稈燃燒顆粒物比傳統(tǒng)煤燃燒減少 70 但生物質成 型燃料的 PM2 5 所占比重較大 主要成分 K 2 SO 4 含 有 K S Cl Zn Na Pb 等元素 40 42 生物質中的 K 等金屬元素通過燃燒釋放出來 大部分以無機鹽形式凝 結成渣 但也有一小部分以氣溶膠形式進入環(huán)境 這是 顆粒物形成的一個重要途徑 根據 GB13271 2014 鍋 爐大氣污染物排放標準 燃煤鍋爐的顆粒物排放限值 在用鍋爐 80 mg m 3 新建鍋爐 50 mg m 3 重點地區(qū) 30 mg m 3 2 3 2 N 元素 N 元素燃燒生成 NO x 有 3 種途徑 即熱力型 瞬態(tài) 型以及燃料型 生物質燃燒溫度很難達到 1 300 以上 基本不產生熱力型 NO x 80 的 NO x 來自于 800 1 100 時 N 的氧化 燃料型 也有少量在特定條件下由空氣 中的 N 轉化而成 瞬態(tài)型 NO x 排放量主要與生物質 成型燃料中 N 元素含量相關 43 通常 生物質成型燃料 中 N 含量越高 O N 比值越大 燃燒后 NO x 排放量也越 高 瑞典研究結果表明 在 CFB 燃燒爐中 雖然 NO x 的 整體排放量比固定床燃燒系統(tǒng)低得多 30 100 mg Nm 3 但是 NO x 生成量與燃料中含氮量成明顯 的依賴關系 44 相比煤炭 生物質成型燃料中 N 含量相 對較低 NO x 排放相對較少 如玉米秸稈中 N 元素含量 為 0 50 0 67 而煤中 N 元素含量為 0 52 1 41 ISO 標準和中國標準均要求木質燃料 1 0 非木質燃 料 2 0 2 3 3 S 元素 S 元素包括生物質機體結構中的有機硫和硫酸鹽形 式存在的無機硫 45 有機硫分解是硫析出的主要來源 燃燒時主要以 SO 2 和堿金屬 堿土金屬硫酸鹽的形式存 在 大部分 S 都在氣相中釋放 隨著煙氣的冷卻 硫酸 鹽沉積在設備表面或附著在灰渣表面 SO 2 則在燃料揮發(fā) 分的析出及燃燒階段釋放出來 且燃料中 80 100 的 S 轉化成 SO 2 46 SO 2 排放要求根據 GB13271 2014 鍋 爐大氣污染物排放標準 燃煤鍋爐的排放限值 47 在用 鍋爐 400 mg m 3 新建鍋爐 300 mg m 3 重點地區(qū) 200 mg m 3 一般生物質成型燃料燃燒鍋爐 SO 2 均可達標 排放 S 元素 ISO 標準要求木質燃料 0 05 非木質燃 料 0 30 國內標準要求木質燃料 0 10 非木質燃 料 0 20 生物質成型燃料中的 S 元素含量少 一般比 煤炭低 2 10 個數量級 根據 GB T 15224 2 2010 煤 炭質量分級 第 2 部分 硫分 48 均可達到特低硫煤 0 30 煤炭的最優(yōu)標準 2 3 4 重金屬 重金屬元素包括砷 銅 鉛 鋅 鐵 鈷 鎳 鎘 汞等 生物質成型燃料的燃燒過程中 極少部分重金屬 元素會隨煙氣中顆粒物排出 大部分存在于灰渣中 重 金屬含量過高 其燃燒后灰渣回用會對土壤等造成污染 因此需嚴格要求重金屬含量 根據 GB T 20475 3 2012 煤中有害元素含量分級 第 3 部分 砷 49 特低砷煤 4 mg kg 低砷煤 4 25 mg kg 中砷煤 25 80 mg kg 高砷煤 80 mg kg 生物質成型燃料中的砷元素含量較低 基本在特低砷煤 范圍 根據 GB T 20475 4 2012 煤中有害元素含量分 級 第 43 部分 汞 50 特低汞煤 0 15 mg kg 低汞 煤 0 15 0 25 mg kg 中汞煤 0 25 0 60 mg kg 高汞 煤 0 60 mg kg 生物質成型燃料中汞元素含量較低 基 本在特低汞煤范圍 3 生物質成型燃料質量評價 3 1 質量分級 生物質成型燃料的質量分級具體要求詳見表 4 6 51 56 其中 生物質成型燃料指標數量分別為顆粒燃 料 21 項 塊 棒 狀燃料 20 項 熱處理后的成型燃料 23 項 生物質成型燃料質量與 ISO 國際標準相比 國內生 物質成型燃料質量及指標要求還不夠全面 缺少熱處理 后的生物質成型燃料質量分級標準 同時 國內對生物 質成型燃料標準質量的等級劃分指標也不夠全面 缺少 重金屬元素 As Cd Cr Cu Pb Hg Ni Zn 和灰 熔融點等指標要求 低位發(fā)熱量 S Cl 等部分指標要求 仍偏低 需要進一步完善質量等級要求 3 2 與煤炭質量比較 生物質成型燃料與煤炭相比 如表 7 所示 57 生物 質成型燃料發(fā)熱量低 但灰分含量低 硫含量 砷和汞 等重金屬含量極低 環(huán)境效益較優(yōu) 對保護大氣及人居 環(huán)境具有重要作用 根據 GB T 15224 3 2010 煤炭質量分級 第 3 部分 發(fā)熱量 58 熱處理后的生物質成型燃料 木質顆粒燃 料一級可達到中低發(fā)熱量煤 16 7 21 3 MJ kg 標準 其他均在低發(fā)熱量煤 16 7 MJ kg 范圍 根據 GB 34169 2017 商品煤質量 民用散煤 要 求 57 灰分含量無煙 1 號和煙煤 1 號 16 無煙 2 號 和煙煤 2 號 25 生物質成型燃料灰分含量可到達民用 散煤的最優(yōu)標準要求 農業(yè)工程學報 http www tcsae org 2020 年 250 表 4 生物質顆粒燃料質量評價指標及要求 Table 4 Quality evaluation of biomass pellet fuels 木質顆粒燃料 Wood pellets 非木質顆粒燃料 Non woody pellets 指標 Property class I II III I II III 規(guī)格 Specification 長度小于直徑 4 倍 D6 1 8 1 3 15 L 40 長度小于直徑 4 倍 D6 25 1 3 15 L 40 D6 10 3 15 L 50 D12 25 長度小于直徑 5 倍 D6 25 1 3 15 L 40 D6 10 3 15 L 50 D12 25 長度小于直徑 5 倍 D6 25 1 3 15 L 40 D6 10 3 15 L 50 D12 25 水分 Moisture 10 10 10 10 16 10 10 12 12 16 15 12 10 灰分 Ash 1 5 0 7 3 0 1 2 6 0 2 0 6 0 6 0 8 0 12 0 10 0 6 0 4 0 8 0 機械耐久性 Mechanical durability 97 5 97 5 97 5 97 5 96 5 95 0 97 5 97 5 95 0 95 0 97 5 96 5 低位發(fā)熱量 Net calorific value MJ kg 1 16 9 16 5 15 9 16 5 14 6 16 5 14 6 14 5 13 4 12 6 14 5 給出具體數值 添加劑 Additives 2 2 2 5 需要具體說明 小于 3 15mm 細顆粒物 Fines 1 0 1 0 1 0 2 0 1 0 1 0 3 0 1 0 堆積密度 Bulk density kg m 3 600 600 500 600 500 600 600 600 500 500 600 580 550 N 0 3 0 3 0 5 0 5 1 0 1 0 1 0 1 5 1 5 2 0 2 0 0 7 0 5 S 0 05 0 04 0 08 0 05 0 1 0 05 0 1 0 2 0 2 0 2 0 3 0 1 0 05 Cl 0 03 0 02 0 03 0 02 0 03 0 03 0 2 0 1 0 2 0 8 0 3 0 1 0 08 As mg kg 1 1 1 Cd mg kg 1 0 5 0 5 Cr mg kg 1 10 50 Cu mg kg 1 10 20 Pb mg kg 1 10 10 Hg mg kg 1 0 1 0 1 Ni mg kg 1 10 10 Zn mg kg 1 100 100 灰熔融性 Ash melting behavior 需要說明 需要說明 結渣性 Slagging 弱結渣性 弱結渣性 弱結渣性 中等結渣性 注 1 外為 NY T 2909 要求 內為 ISO 17225 要求 2 表示草本生物質 水果生物質 水生生物質及其混合物和混合物制得的顆粒燃料 表 示谷物秸稈顆粒燃料 表示芒草顆粒燃料 表示蘆葦金絲雀草顆粒燃料 分別為 NY T2909 中 A1 A3 B1 B3 下同 Note outside are the requirements of NY T 2909 in are the requirements of ISO 17225 2 indicates pellets produced from herbaceous biomass fruit biomass aquatic biomass and blends and mixtures indicates cereal straw pellets indicates miscanthus pellets indicates reed canary grass pellets are A1 A3 B1 B3 in NY T2909 respectively the same below 表 5 生物質塊 棒 狀燃料質量評價指標及要求 Table 5 Quality evaluation of biomass briquettes 木質塊 棒 狀燃料 Wood briquettes 非木質塊 棒 狀燃料 Non woody briquettes 指標 Property class I II III I II III 規(guī)格