南雄市生物质颗粒燃料原料的适宜性分析

王行 何振峰 邱妙文 文志强 张敏坚

摘    要：调查统计了广东省南雄市农经作物和林业剩余物的可收集系数、折煤系数和制作颗粒燃料经济性，并对易收集的三种原料不同配比制作颗粒燃料燃烧特性和工业性状进行分析比较。结果显示，可收集到的农作物秸秆和林业剩余物折算标准煤分别为84 769.61 t和13 364.0 t，能够满足当地一个烟叶烘烤季节煤13 000 t的需求。其中，竹粉和木屑原料充足、价格低、制成颗粒燃料发热量高、硫含量低，是生物质颗粒原料的首选，农经作物收集较难、价格偏高，制成颗粒燃料发热量稍低、燃烧易结渣，可作为辅助原料掺兑使用。

关键词：生物质颗粒;农作物秸秆;林業剩余物;适宜性

Abstract：  This paper carried out that the coal conversion coefficient， fuel economy of agricultural， economic crops and forestry residues were statisticed in Nanxing， analysis the combustion characteristics and industrial properties of three easily collectable raw materials. The results showed that the crop straw were 84 769.61 tons and forest residues were 13 364.0 tons. They could meet the needs of fuel amount to 13 000 tons of coal in a local of tobacco baking season. Among them， bamboo powder and sawdust were the first choice for biomass pellet raw materials， which had sufficient raw materials， low price， high calorific value and low sulfur content of the granulated fuel. It was difficult to collect agricultural and economic crops， with high price， the pellet fuel had a little lower heating capacity and was easy to be slagged during combustion， so it could be used as auxiliary raw material for blending.

Key words： biomass pellet fuel; straw resources; bamboo residue; suitability

生物质颗粒原料主要包括农作物、农作物废弃物，林业木材、竹子和竹木边角料等经过加工产生的块状环保新能源[1-6]。烟叶产区的烟秆和其他作物秸秆因找不到合理利用途径被大量丢弃或随意燃烧，不仅造成特定季节大气污染，而且容易传播农作物病虫害[7]。如果能够充分利用烟区生物质能源，将其加工成生物质颗粒，“变废为宝”、替代燃煤，即可实现循环经济、助农增收，又可杜绝环境污染，减少病虫害传播，具有良好的社会效益和经济效益。广东烤烟生产分布在韶关、梅州、清远、连州等粤北山区等传统的农业区，竹木等林业资源比较丰富，其中韶关烟区的南雄市烤烟产量占广东全省的45%。因此，以广东省南雄市为例进行农林剩余物生物质能源化适用性分析具有一定代表性。生物质原料收集难易程度和材料本身特性等原因影响生物质颗粒燃料的价格和燃烧特性，本文以广东省最大的烟叶产区南雄为例，分析本产区生物质原料来源、价格成本及制成商品生物质颗粒燃料生产使用情况等方面的优劣势，以期为产区选择适宜的生物质原料、生产生物质燃料提供技术支持。

1 材料和方法

针对南雄种植面积较大的农经作物水稻、烤烟、花生、玉米，统计它们草谷比系数、可收集系数、折标煤系数，确定能源化率，为筛选能源化率高的农作物秸秆提出指导。

1.1 秸秆可收集系数

单位面积上农作物秸秆产量与籽粒产量的比值称为草谷比系数，单位面积内秸秆可收集量（秸秆总产量-留茬量-穗轴枝梗损失量）占秸秆总产量的比例[8]称为可收集系数。农经作物草谷比系数和可收集系数取值分别选取王晓玉等[9]和毕于运[10]的研究结果作为计算依据。

1.2 折标煤系数

各种作物秸秆热值与标准煤热值的比值称为作物秸秆的折标煤系数。本试验中，稻谷、玉米的折标煤系数根据《2014年中国能源统计年鉴》[11]获得，花生、烤烟的秸秆折标煤系数根据韦茂贵等[12]统计结果获得。

1.3 生物质颗粒燃烧特性分析方法

工业分析按照的方法分析，固定碳和硫含量按照GB/T212-2008方法[13]和GB/T214-2003方法[14]分析，发热量按照GB/T213-2008方法[15]进行，底灰结渣率测定及计算方法[16-17]，分别取不同处理的生物质成型燃料（20±0.5） g，在燃烧器内燃烧，进料量、进风量等其他条件一致，待燃烧器停止后，冷却，将底灰全部取出，称质量记为m1，筛出灰渣中粒度大于6 mm 的渣块，称质量记为m2，计算方法：粒度大于6 mm 的渣块占灰渣总质量的百分数，即为该试样的底灰结渣率C，C（%）=m2 /mL×100。

2 结果与分析

2.1 农林剩余物做生物质颗粒燃料适用性分析

2.1.1 农经作物秸秆做生物质颗粒燃料适用性分析  农经作物年产量、可收获秸秆量即可能源化量、折标准煤量，及能源化竞争性产业统计于表1。表1统计结果表明，农作物和经济作物秸秆年产量在190 905.40 t，数量可观。目前推广的密集烤房每烤1 kg干烟叶的耗煤量一般为1.5 kg[18-19]，按南雄市2018年烟叶收购量92 000 t，另加上20%级外烟，共需煤炭165 600 t，而南雄每年收集到农经作物秸秆可折算标准煤84 769.61 t，农经作物秸秆折标煤量基本能够满足本地烟叶烘烤对能源需要。

农经作物收获部位和利用方式不同，秸稈的收购价格也受到影响[20-21]。表1统计表明，在秸秆回收价格中人力成本是最主要的影响因素，农经作物秸秆最低价格都在700.0元·t-1以上，若加上收购运输费用价格更高，稻谷秸秆主要竞争产业为种菌、谷壳主要用作饲料添充物，花生收获时带秧、秧苗秸秆主要用于饲料，农民习惯性收割烟秆堆集晾晒，量大且集中，无竞争性产业，因此烟秆更容易收集、用作生物质颗粒原料。

2.1.2 竹木等原材料和边角料做生物质颗粒燃料适用性分析   南雄作为山区县有较多的竹木资源，分布较多的竹木加工企业（表2），每天竹木加工剩余料约170 t，折标准煤88.5 t，一年按300 d计算，可生产生物质颗粒折标准煤26 550 t，且因原料集中便于收集运输，价格仅是农经作物的62%左右，当前竹木剩余料主要销往纤维板和造纸企业，如果我们在产地建厂购买原料生产物质颗粒燃料，在到货价格相同时，具有收集原料的优势。

2.1.3 不同原料做生物质燃料成本因素对适用性的影响  按照一条55KW颗粒成型生产线，额定产量为0.8～1.0 t·h-1，日产量（按8 h计算）为7～8 t，配套45KW粉碎机，稻谷、花生苗体积较大秸秆要2 h粉1 t原料，玉米秸秆要1.5 h粉1 t原料，烟杆、木屑和竹粉基本上1 h粉1 t原料，因1 t原料基本含水量20%～30%，烘干后1.6 t原料压制1 t颗粒，最终颗粒生产成本列于表3。可以看出，生物质颗粒燃料最基本的生产成本包括：原料费、加工运行电费、生产人工费、设备维护和折旧费用，其中原料的费对产品价格影响最大，只有控制好原料的费用，才能控制产品价格，由于农作物秸秆分散、收集价格偏高，原料总成本最大，而竹木的边角料比较集中，收集方便，价格便宜，适宜用来生产生物质颗粒，从供应量来看竹粉最为充足，但纯竹粉制作颗粒的成型性不是太好、密度也较低，必须在配方上改进或与其他原料搭配。

2.2 适用原料不同比例配方生物质颗粒燃烧特性分析

根据生物质颗粒原料适用性分析，按质量比生产四个配方的生物质颗粒燃料，分别为100%杂木屑（B）、50%杂木屑+50%竹屑（C）、1/3杂木屑+1/3竹屑+1/3烟秆（D）、70%竹屑+20%杂木屑+10%烟秆（E）。以煤炭（A）为对照，对4种生物质成型燃料进行工业分析、发热量测试，结果列于表4。

2.2.1 不同配方生物质燃料的工业分析及热值比较 表4结果表明，不同配方生物质颗粒燃料的工业分析与生产用块煤（CK）相比存在较大的差异。从含水量来看，最低的是CK，仅为2.89%，配方中掺兑烟秆会增加颗粒燃料含水量，含量最高的1/3木屑+1/3竹屑+1/3烟秆为9.03%，70%竹粉+20%木屑+烟秆为7.66%，木基和竹基配方含水量稍低。因此，各生物质颗粒燃料发热量都低于煤炭，木基和竹基配方发热量高于掺兑烟秆的颗粒燃料。

挥发分仍然以CK最低为11.35%，最高是纯木屑配方为82.02%、其次为木屑与竹粉配方，烟秆含量生物质颗粒燃料的挥发分会降低，含量越高降得越多，但各生物质配方处理的挥发分都高于煤炭（CK）。

成型燃料灰分的变化规律与挥发分正好相反，一般木质燃料的灰分相对较低，而秸秆类燃料灰分却相对较高，煤炭灰分含量最高，掺兑烟秆灰分含量也明显偏高。

当秸秆类生物质固体成型燃料在锅炉内燃烧时，炉内温度远高于碱金属化合物的熔点，导致炉排上的秸秆灰在800～900 ℃时就开始发生软化，温度过高时灰分会全部或者部分发生熔化，形成玻璃状坚硬炉渣，难以清除，检测结果表明，掺兑烟秆的颗粒燃料结渣率很高，1/3木屑+1/3竹屑+1/3烟秆配方颗粒燃料燃烧后焦渣量基本占灰烬的50%，即便是含10%烟秆灰烬中焦渣也有20%左右。

固定碳含量的多少会影响发热量的大小，从表2中也可以看出，杂木屑成型炭的固定碳含量最高，其热值也相应高些，掺兑烟秆颗粒燃料发热量下降，会推高燃料用量，但生物质颗粒燃料挥发分与固定碳的比率远高于煤炭，所以生物炭颗粒更容易点燃、燃烧也更剧烈。

2.2.2 不同配方生物质颗粒燃料全硫含量分析 表4显示，块煤中硫元素的含量大于1.22%，而生物质颗粒燃料除1/3木屑+1/3竹屑+1/3烟秆含量为0.12%，其他配方S含量都低于0.1%，基于此点同煤炭相比较，生物质成型燃料更为清洁环保。

2.2.3 发热量 发热量是颗粒燃料最为重要的参数，表4可以看出，不同生物质原料的成型燃料发热量都低于煤炭，纯木屑颗粒燃料的发热量最高为4 544 kCal·kg-1、其次为木屑和竹粉混合配方颗粒燃料，最低为1/3木屑+1/3竹屑+1/3烟秆配方燃料发热量为4 196 kCal·kg-1，但四种成型燃料的发热量都满足SS187120 的参考值（≥16.9 MJ·kg-1）要求[22]。

3 结论与讨论

3.1 生物质颗粒燃料原料丰富

南雄市农经作物秸秆可折算标准煤84 769.61 t，竹木边角料一年按257 d工作日计算可收集约41 120 t左右，折算标准煤13 364 t，而烟叶烘烤一年约需煤炭13 000 t，所以如果能够收集到农林废弃物制作生物质颗粒燃料完全可以满足当地烟叶烘烤对能源的需求。