【木屑顆粒機(jī)】木屑顆粒燃料檢驗(yàn)方法建立原則

通過分析比較木屑顆粒燃料和煤(固體礦物燃料)的品質(zhì)特性，提出了建立木屑顆粒燃料檢驗(yàn)方法，包括采、制樣方法的基本原則。

生物質(zhì)能源具有可再生和環(huán)境友好的雙重特點(diǎn)，其開發(fā)利用現(xiàn)已成為解決能源危機(jī)及環(huán)境污染的熱門研究課題，引起世界各國的高度重視。木屑顆粒燃料直接燃燒或與煤炭混燒發(fā)電，國內(nèi)外都有不少機(jī)構(gòu)在研究和開發(fā)利用。歐洲已有不少燃燒生物質(zhì)燃料的電廠建成并正常運(yùn)行，積累了一些較成熟的經(jīng)驗(yàn)。我國近幾年來也積極開展了該領(lǐng)域的研究開發(fā)工作，至2008年6月，我國已有約60個(gè)左右的燃燒生物質(zhì)燃料的電廠建成發(fā)電。為充分、高效地利用生物質(zhì)能源，進(jìn)一步發(fā)展木屑顆粒燃料發(fā)電和其它應(yīng)用技術(shù)，必須盡快建立適合木屑顆粒燃料特性的檢驗(yàn)方法及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。而目前國際標(biāo)準(zhǔn)化組織還未制定木屑顆粒燃料特性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，只有歐盟和美國發(fā)布了一系列有關(guān)木屑顆粒燃料檢驗(yàn)的技術(shù)規(guī)范草案(DD)和標(biāo)準(zhǔn)在試用。

由于我國木屑顆粒燃料應(yīng)用和開發(fā)起步稍晚，還沒有建立完整的木屑顆粒燃料的檢驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)，因此已成為制約木屑顆粒燃料應(yīng)用技術(shù)高水平發(fā)展的瓶頸；需要盡快制定專用的、適用于木屑顆粒燃料的一系列檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。近一兩年來，在國家標(biāo)準(zhǔn)委的支持下，國家煤檢中心開始了從木屑顆粒燃料“檢驗(yàn)通則”到一系列“檢驗(yàn)方法”的研究工作。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21923—2008《木屑顆粒燃料檢驗(yàn)通則》已于2008年5月26日發(fā)布，2008年11月1日正式實(shí)施。系列“檢驗(yàn)方法”的研究工作正在進(jìn)行之中。

該文擬通過分析木屑顆粒燃料與固體礦物燃料(以煤炭為代表)在組成和特性上的異同之處。提出研究建立木屑顆粒燃料檢驗(yàn)方法時(shí)應(yīng)遵循的基本原則，為快速、高效地建立準(zhǔn)確、可靠且適用性強(qiáng)的木屑顆粒燃料檢驗(yàn)方法提供參考。

木屑顆粒燃料與固體礦物燃料煤的異同

木屑顆粒燃料是“由生物質(zhì)直接或間接生產(chǎn)的固體燃料”；而生物質(zhì)是指“生物學(xué)起源的物質(zhì)、不包括埋藏在地下的形式和轉(zhuǎn)化成的化石”(見GB/T 21923《木屑顆粒燃料檢驗(yàn)通則》)。煤是由植物衍生而來，是植物殘骸在地殼劇變過程中，被埋藏在地下，經(jīng)過復(fù)雜的生物化學(xué)、地球化學(xué)、物理化學(xué)作用轉(zhuǎn)化而成的固體有機(jī)可燃沉積巖。作為固體燃料而言，生物質(zhì)燃料與礦物燃料煤在組成結(jié)構(gòu)和特性方面基本相似。如木屑顆粒燃料和煤的主要可燃部分均為有機(jī)碳?xì)浠衔?，其燃燒熱均來自于有機(jī)碳?xì)浠衔锏难趸紵磻?yīng)：

C+O2——CO2+Q

H2+O2——H2O+Q

因此，多數(shù)用于煤炭品質(zhì)特性的檢驗(yàn)方法也可應(yīng)用于木屑顆粒燃料。但與煤比較，木屑顆粒燃料的密度小，揮發(fā)分高，易燃、易噴，含水量較高，吸水性強(qiáng)。另外，木屑顆粒燃料和煤的成分組成也有較大的差異，如大部分木屑顆粒燃料的灰分小于10%，揮發(fā)分在60%～80%，全硫小于0.15%，很低；碳含量在40%～50%，氯含量很高，且含量范圍很寬，從約0.01%到約2%，兩個(gè)數(shù)量級(jí)還多；相當(dāng)多數(shù)樣品中的氯含量大于0.5%；鉀、鈉、鈣、鎂含量多數(shù)也都遠(yuǎn)高于煤。此特性和成分差異決定了煤的品質(zhì)特性檢驗(yàn)方法多半不能完全適用于木屑顆粒燃料，必須對(duì)煤炭試驗(yàn)方法中的各個(gè)試驗(yàn)條件做進(jìn)一步的研究和改進(jìn)，才能建立起一系列適用于木屑顆粒燃料的、準(zhǔn)確可靠的成分和特性檢驗(yàn)方法。

建立木屑顆粒燃料檢驗(yàn)方法的基本原則

2.1采樣和制樣

木屑顆粒燃料樣品的采取和制備對(duì)獲取準(zhǔn)確可靠的試驗(yàn)結(jié)果至關(guān)重要。

采樣的基本要求是，所采取的樣品應(yīng)能代表被采整批物料的特性。因此要求所采整批或分批物料中的每一顆粒都應(yīng)有相同的機(jī)會(huì)被包括在樣品中。制定的采樣方法應(yīng)盡可能滿足此要求。

與煤類散裝物料相比，木屑顆粒燃料情況較為復(fù)雜。從商品形態(tài)來講，有顆粒狀、粉末狀，大小塊狀、片狀，粗、細(xì)條稈狀，捆包狀，壓縮成型狀等；不同形狀、不同種類的物料密度相差很大，一些品質(zhì)特性相差很大，均勻程度也相差較大。從采樣地點(diǎn)來看，從原材料生長地，從生產(chǎn)廠，從運(yùn)送中，從存儲(chǔ)地，或入爐前采取樣品，情況也將大不相同；有較新鮮的植物，木材，也有較干燥的植物、木材等，甚至各種類型的生物質(zhì)燃料混雜在一起，給采取有代表性的樣品造成很大的困難。

因此，在制定木屑顆粒燃料采樣方法時(shí)，需針對(duì)顆粒材料的采樣，大片、大塊物料的采樣，秸稈、枝條的采樣，捆包的整體采樣，捆包內(nèi)和容器內(nèi)、儲(chǔ)樣堆中采樣等，給出適用的采樣工具和采樣方法。對(duì)從輸送膠帶上采樣，從落流中采樣，從在斗式提升機(jī)、刮板輸送機(jī)、斗式裝料機(jī)或爪式裝料機(jī)中的生物質(zhì)燃料中采樣，從火車車廂、船中和汽車運(yùn)輸?shù)牟牧现胁蓸樱瑧?yīng)給出子樣數(shù)、子樣量、子樣點(diǎn)的布置等合理的規(guī)定；此規(guī)定針對(duì)不同的情況應(yīng)有所不同。總的目的是要保證采取的樣品對(duì)整批物料有良好的代表性。同時(shí)，采樣方法中還應(yīng)給出對(duì)采樣精密度的評(píng)估方法，以便人們可根據(jù)希望達(dá)到的精密度設(shè)計(jì)采樣方案。

制樣的基本要求是，最終制備出的分析試樣必須對(duì)原始樣品有充分的代表性，且能滿足各試驗(yàn)方法的需要。樣品制備通常就是將樣品縮制到一份或多份粒度比原樣小、質(zhì)量比原樣少、可直接用于各項(xiàng)試驗(yàn)的分析試樣。制樣過程中要求，從現(xiàn)場采回的樣品的組成和特性在樣品制備的每一階段都不會(huì)被改變。每個(gè)分樣都應(yīng)對(duì)原樣具有充分代表性。

針對(duì)樣品制備，木屑顆粒燃料與煤的最大的不同是，其形態(tài)各異，多數(shù)樣品水分高，韌性大，有的樣品還有一定的油性，很難將其破碎至所需的粒度，特別是對(duì)稈狀、枝條狀，并帶高性皮的樣品。因此，在制定木屑顆粒燃料樣品制備方法時(shí)，一定要注意破碎設(shè)備應(yīng)具有切割功能，且功率應(yīng)適當(dāng)，以避免局部熱量聚集和強(qiáng)烈氣流引起樣品的水分的過度損失和某些品質(zhì)特性的改變。

樣品縮分應(yīng)根據(jù)物料的形態(tài)和特性，以及粒度狀況，分別給出最適用、最簡捷方便的方法。對(duì)于每一質(zhì)量縮分階段，保留足夠的樣品質(zhì)量是重要的，否則，產(chǎn)生的分樣對(duì)原樣就可能沒有代表性。與煤炭不同，木屑顆粒燃料縮分時(shí)應(yīng)保留的最小樣品質(zhì)量，除依賴于樣品的標(biāo)稱最大粒度外，還與樣品的容積密度有關(guān)。應(yīng)注意在規(guī)定樣品每一縮分階段的最小留樣量。另外，應(yīng)合理使用干燥、破碎、篩分和縮分程序，以便使制備的分析試樣粒度盡可能小，因較小的分析試樣粒度，有利于提高試驗(yàn)結(jié)果的精密度。

按歐盟標(biāo)準(zhǔn)和美國標(biāo)準(zhǔn)，分析試樣粒度至少小于1mm。但通過使用適宜的破碎設(shè)備和破碎方法，以及合理應(yīng)用干燥程序(溫度和時(shí)間)，有可能使制備的分析試樣粒度小于0.5mm，甚至小于0.2mm。

在制定木屑顆粒燃料樣品制備方法時(shí)，可通過研究試驗(yàn)，確定既能保證分析試樣有充分的代表性、又能使分析試樣粒度盡可能小、且制樣時(shí)間也較短的最佳制樣程序。在該程序中，需針對(duì)不同類型的試驗(yàn)樣品，對(duì)破碎設(shè)備和其它制樣工具，樣品破碎方法，樣品縮分方法，每一縮分階段樣品的粒度和最小留樣量；預(yù)干燥的階段和干燥溫度、干燥時(shí)間；樣品粉碎方法，分析試樣的粒度，達(dá)空氣干燥狀態(tài)的方式，制樣方法的精密度評(píng)估等作出合理規(guī)定。

2.2工業(yè)分析

工業(yè)分析包括水分、灰分、揮發(fā)分的測定和固定碳的計(jì)算。

在制定木屑顆粒燃料水分測定方法時(shí)，應(yīng)注意干燥溫度的影響。木屑顆粒燃料揮發(fā)分很高，水分含量也較高。其含有的部分低碳分子的碳?xì)浠衔镏锌赡苡猩倭繛樘匾讚]發(fā)物質(zhì)，在110℃以上可能就揮發(fā)，因此，歐盟標(biāo)準(zhǔn)選擇(105±2)℃和美國標(biāo)準(zhǔn)選擇(103±1)℃作為木屑顆粒燃料水分測定溫度，未超過104℃～107℃。在進(jìn)行木屑顆粒燃料水分測定時(shí)，可能需對(duì)干燥溫度給予嚴(yán)格的控制。

在制定木屑顆粒燃料灰分測定方法時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮灰化溫度和灰化速度的影響。大多數(shù)木屑顆粒燃料中的鉀、鈉、氯含量都遠(yuǎn)高于煤，而以上元素的無機(jī)、有機(jī)化合物大多在600℃以上就開始揮發(fā)，致使在815℃下測得的灰分結(jié)果可能偏低，不能正確反應(yīng)樣品中所含礦物質(zhì)的量。因此，歐盟標(biāo)準(zhǔn)選擇了(550±10)℃和美國標(biāo)準(zhǔn)選擇了(575±25)℃作為木屑顆粒燃料灰分測定溫度，均未超過600℃。另外，若對(duì)木屑顆粒燃料樣品的加熱速度過快，可能導(dǎo)致樣品爆燃飛出瓷舟，因而也應(yīng)對(duì)灰化速度給出合理的規(guī)定。

在制定木屑顆粒燃料揮發(fā)分測定方法時(shí)，主要應(yīng)關(guān)注馬弗爐的適用性，預(yù)先升高的爐溫。其目的是保證爐溫在3min鐘內(nèi)回升到(900±10)℃且在總的加熱時(shí)間7min內(nèi)不會(huì)超過910℃。另外，因?yàn)榻^大多數(shù)的木屑顆粒燃料樣品的揮發(fā)分都遠(yuǎn)高于煤，釋放速度也更快，因此應(yīng)關(guān)注加熱過程中是否有樣品噴濺和被氧化的現(xiàn)象等，確保揮發(fā)分測定結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.3發(fā)熱量

前已述及，木屑顆粒燃料與固體礦物燃料煤在組成上有許多相似之處，利用其熱能的方式基本一致，用于測定煤的發(fā)熱量的氧彈量熱法完全可以用于木屑顆粒燃料。但相對(duì)于煤而言，木屑顆粒燃料的密度較小，揮發(fā)分很高，易燃、易噴，含水量較高，吸水性較強(qiáng)等。因此，在將氧彈量熱法用于木屑顆粒燃料的發(fā)熱量測定時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)解決樣品燃燒不完全或燃燒噴濺問題。根據(jù)多年對(duì)高揮發(fā)分、易爆燃煤樣的研究經(jīng)驗(yàn)，引起燃燒不完全或試樣爆燃的主要因素有氧彈內(nèi)加水量、充氧壓力和樣品的狀態(tài)。燃燒速度快、低密度的粉狀試樣，如苯甲酸粉末，如不壓餅，則燃燒不完全。粉末狀木屑顆粒燃料不能在氧彈中完全燃燒，需壓餅、裝入燃燒袋和膠囊、或包紙，才可能使其燃燒完全。制定木屑顆粒燃料發(fā)熱量的方法(氧彈量熱法)時(shí)，應(yīng)通過研究試驗(yàn)，確定能有效防止樣品噴濺和燃燒不完全的試驗(yàn)條件。

2.4碳、氫、硫、氯等元素分析

在三節(jié)爐、兩節(jié)爐法測碳?xì)?，電?重量半自動(dòng)儀器法測碳?xì)?，庫侖滴定儀器法測全硫，高溫燃燒-水解法測氯的過程中，樣品的前處理均是通過在高溫管式爐中燃燒煤樣，使其定量釋放出被測元素后再進(jìn)行測定。以上方法應(yīng)用于木屑顆粒燃料時(shí)，應(yīng)關(guān)注幾方面的問題。

(1)木屑顆粒燃料的揮發(fā)分高，密度較小，燃燒速度快，易噴，分析試樣不宜直接送入高溫區(qū)，通常需從低溫區(qū)開始分段推進(jìn)樣品。制定該類試驗(yàn)方法時(shí)，應(yīng)通過試驗(yàn)研究，確定防止樣品噴燃、保證被測元素定量釋放和定量測定的合理進(jìn)樣程序。

(2)木屑顆粒燃料中氯含量遠(yuǎn)高于煤，制定木屑顆粒燃料碳?xì)錅y定方法時(shí)應(yīng)考慮氯對(duì)碳?xì)錅y定的干擾問題。在上述的煤的碳?xì)錅y定方法中，用銀絲卷消除氯的干擾；在木屑顆粒燃料的碳?xì)錅y定中，爐內(nèi)裝入的銀絲卷的量是否足以消除氯的干擾?是否需要更頻繁地更換銀絲卷等?需要研究確定。

(3)氯對(duì)庫侖滴定儀器法測定木屑顆粒燃料中全硫的影響是否存在，需通過試驗(yàn)觀察。另外需要關(guān)注的問題是，樣品燃燒速度和硫的釋放速度過快，是否會(huì)引起滴定終點(diǎn)過沖，或滴定不完全等問題。因此，需對(duì)進(jìn)樣方式和空氣流量進(jìn)行研究，以確定最佳條件。

(4)制定木屑顆粒燃料氯測定方法時(shí)，應(yīng)特別關(guān)注氯含量高，含量范圍跨度大(0101%～2%)的問題。應(yīng)通過研究稱取的試樣量，燃燒反應(yīng)時(shí)間，進(jìn)樣程序，氧氣流量和蒸汽發(fā)生量，電位滴定溶液的濃度等的影響，確定最佳試驗(yàn)條件，使高溫燃燒水解法能更好地適用于木屑顆粒燃料。

2.5灰成分和灰熔融性分析

根據(jù)木屑顆粒燃料的特點(diǎn)，灰成分和灰熔融性分析所用的灰應(yīng)為550℃～600℃灼燒完全的灰，而不是如同煤灰一樣的815℃灼燒的灰。木屑顆粒燃料灰中的K2O和P2O5含量大多數(shù)遠(yuǎn)高于煤灰，CaO和MgO含量多數(shù)高于煤灰，Al2O3、Fe2O3大多低于煤灰很多，在制定灰成分分析方法時(shí)應(yīng)注意標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度和標(biāo)準(zhǔn)曲線的范圍，需要時(shí)，還應(yīng)考慮通過調(diào)整稱樣量、定容體積、或分取溶液的體積來使被測成分量在標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性范圍內(nèi)，以確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。在灰熔融性分析方法的制定中，應(yīng)考慮到木屑顆粒燃料的灰是在較低溫度下灼燒得到的，且其灰分組成與煤灰也有很大不同，因此在灰熔融性測定過程中，隨爐溫升高灰錐形態(tài)的變化與煤灰也有可能不同，灰錐4個(gè)形態(tài)出現(xiàn)的溫度范圍可能比煤灰的大，需注意升溫速度控制的起始點(diǎn)和觀察變形溫度的起始點(diǎn)等問題。

木屑顆粒燃料和固體礦物燃料煤在基本組成和特性、以及燃燒應(yīng)用上有許多相似之處，因而煤炭檢驗(yàn)方法可以應(yīng)用于木屑顆粒燃料。參照煤炭檢驗(yàn)方法來建立木屑顆粒燃料檢驗(yàn)方法是快速而有效的捷徑。但木屑顆粒燃料與煤炭還有許多不同之處，簡單照搬煤炭檢驗(yàn)方法不可行。需針對(duì)木屑顆粒燃料與煤炭的特性差異，仔細(xì)研究各檢驗(yàn)方法中試驗(yàn)條件的適用性，才能建立一系列適用于木屑顆粒燃料檢驗(yàn)的、準(zhǔn)確可靠的試驗(yàn)方法。該文根據(jù)國家煤檢中心近幾年的木屑顆粒燃料檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和長期的煤炭檢驗(yàn)方法研究，以及對(duì)國內(nèi)外相關(guān)資料的分析和研究，提出建立木屑顆粒燃料檢驗(yàn)方法時(shí)的基本原則，供廣大分析工作者參考。