生物质焙烧技术的研究与应用进展

林启晨， 张文标， 孙 毅， 张晓春， 汪孙国

(1.浙江农林大学 工程学院，浙江 临安 311300； 2.加拿大新绿生物技术有限公司，基拉姆市 T0B 2L0，加拿大)

·综述评论——生物质能源·

生物质焙烧技术的研究与应用进展

林启晨1， 张文标， 孙 毅1， 张晓春1， 汪孙国2

(1.浙江农林大学 工程学院，浙江 临安 311300； 2.加拿大新绿生物技术有限公司，基拉姆市 T0B 2L0，加拿大)

综述了国内外生物质焙烧原料、焙烧工艺与设备、焙烧产品性能及潜在应用领域等研究与应用进展，并提出了我国生物质焙烧技术今后的重点研发方向。

生物质；焙烧炭；应用

生物质焙烧是在常压隔氧、200～300 ℃温度条件下进行的一种生物质热处理技术，其产物以固体焙烧炭为主，还有较少量的气体和液体。通过焙烧能提高生物质的能量密度、可研磨性及疏水性等性能，还能减少生物质的运输和储存成本。生物质成型燃料是一种高效的清洁能源，可部分替代化石燃料，缓解人类面临的能源和环境危机，有效解决生物质原料运输、储存、防火等问题，具有广阔的发展前景[1-2]。然而，当生物质成型燃料单独使用或与煤共燃时，容易引起锅炉结渣、燃烧效率低等技术问题[3-4]，严重阻碍了生物质成型燃料的产业化进程。生物质焙烧是指生物质原料在隔绝空气(缺氧)、温度200～300 ℃条件下进行的温和热解反应过程。在此过程中生物质表面特性发生改变，最终的固体产物通常称为生物质焙烧炭或生物质煤[5-8]。生物质通过焙烧能显著提高其能量密度、可研磨性及疏水性，由此可大大减少运输和储存成本。焙烧炭产品具有类似煤的物化性质，且氮、硫含量明显低于煤，是一种清洁能源，能与煤混合共燃并可以起到有效降低温室气体的作用[9-10]。生物质培烧炭在国外的研究较多，主要在北美和西欧等发达国家[11-12]，在国内研究起步晚，最近几年才有部分高校和科研院所研究者开始生物质焙烧炭的研究[13-14]。随着全球环保意识的增强、各国相关法律和法规的相继出台，生物质焙烧技术作为一种切实可行的生物质预处理技术开始得到世界范围的广泛重视。作者就国内外生物质焙烧原料、焙烧工艺、焙烧设备、焙烧产品性能及其潜在应用领域等方面进行了阐述，同时对焙烧技术的发展方向也进行了展望。

1 焙烧原料

焙烧可采用的原料有很多种，国外一些研究者分别采用了松木、柳树枝、采伐剩余物、甘蔗渣、芒草、橄榄油废弃物和银合欢等进行了焙烧试验研究[15-19]。国内研究者对稻壳、红松、棒木松、稻秆、棉秆和沙柳等进行了焙烧研究[13-14，20]。不同的生物质原料，经焙烧后的生物质炭的性能差异较大，有研究结果表明：并不是所有生物质资源都是理想的焙烧原料，一般以含有大量纤维素、半纤维素和木质素的木质生物质资源为最佳。而农作物受季节性收获的制约，且成分组成与木质生物质差异较高，灰分和挥发分含量较高，焙烧产品会对设备性能造成不利影响，同时还需要比燃用木质生物质焙烧产品增设更多的排放控制设施[10]。因此，目前大多数国外企业还是主要采用木质生物质原料焙烧产品，用于与煤共燃。

2 焙烧工艺

2.1 焙烧机理

通常认为焙烧机理实质上是半纤维素分解，纤维素和木质素解聚的过程，在不降低生物质能量的情况下大幅缩减生物质原料的质量[21]。焙烧过程中，生物质在100～170 ℃干燥并部分脱除挥发分，半纤维素在200 ℃左右开始分解，在260～300 ℃剧烈分解，产生大量的挥发性物质，木质素和纤维素在200～300 ℃吸热，分子链结构发生变化，但是分解反应弱[22]。

2.2 焙烧工艺条件

生物质焙烧工艺是指在一定的焙烧温度(200～300 ℃)和保温时间(30～90 min)下，对生物质原料进行热解以得到黑色固体产物和少量气体及液体产物的过程。典型的培烧过程质量和能量平衡如下：生物质原料在250～300℃下焙烧，尽管发生了很多物理化学变化，其70%的质量和90%的能量仍将保留在焙烧生物质炭中，而剩余30%的质量和10%的能量则转移至气体和少量液体产物中[23-24]。

国外许多研究者采用不同的生物质原料，通过大量的焙烧参数研究、工艺模拟和工艺设计，获得了不同的能量产率和热值(见表1)。

表1 焙烧不同原料的能量产率和热值增加比

由表1可知，不同生物质材料在不同焙烧温度和保温时间条件下，其质量损失和能源产率与热值各不相同。一般来说，随着焙烧温度的升高，质量损失增加，能量产率下降，热值增量上升。质量损失范围在4.90%～65.00%，能量产率变化在17.00%～99.00%，热值增加的幅度则在3.05%～40.55%。从几种生物质原料看，能量产率：芒草>木质材料类>甘蔗渣>橄榄油废弃物，橄榄油废弃物能量损失最明显。在类似焙烧工艺条件下，木质生物质原料(松木-云杉-枞木混合物、桦木、柳木、松木)焙烧后的热值比农作物(甘蔗渣和芒草)的热值要高。在相同的生物质原料和不同焙烧工艺条件下，随着温度升高和时间延长，其能量产率下降，热值升高，而温度的影响更为显著，如柳木焙烧温度230 ℃、时间30 min时，产物热值为20.20 MJ/kg，能量产率96.05%，到温度290 ℃时，产物热值为21.90 MJ/kg，能量产率78.84%；在相同温度条件下，随保温时间的延长，桦木焙烧炭的热值和能量产率甚至还略有增加[15-16]，这个现象值得进一步研究。

国内开展生物质焙烧工艺的研究较少且起步较晚，赵辉等[20]采用水曲柳、樟木松、红松和稻壳4种生物质材料在焙烧温度230～290 ℃，时间10～40 min条件下进行焙烧试验，结果表明：4种生物质的能量产率在85%～90%，由高到低依次为水曲柳>樟木松>红松>稻壳(即硬木类>软木类>草本类)。陈应泉等[13]采用稻秆、麦秆、棉秆和玉米秆4种农作物在焙烧温度200～300 ℃，时间30 min条件下进行焙烧试验，结果显示：烘焙过程中农业秸秆的能量产率随烘焙温度提高均有所降低，且随着温度提高这个影响趋势进一步增强。梁宇飞等[25]采用低温烘焙预处理的方法来探索沙柳生物质材料制备焙烧炭的工艺，探讨了焙烧温度230～280 ℃、时间60～240 min条件下对沙柳焙烧炭的影响，结果表明：随着焙烧温度升高，时间延长，所得产物的热值显著升高，而能量产率明显降低。

3 焙烧设备

目前生物质焙烧技术大多处于技术积累和逐步成熟阶段。焙烧技术除了包含焙烧工艺外，其加热方式、反应设备等也是至关重要的。焙烧可分为间接加热和直接加热两大类，它们之间的差别主要在于反应设备，前者可采用螺旋式焙烧装置或转鼓式焙烧装置，后者可采用带有非氧化性气体回路交换器的移动床、转鼓、振动式皮带机或多段炉装置或者采用带有连接到燃烧器上的低氧含量气体回路的隧道式、移动床式焙烧装置或“Torbed”型焙烧装置来实施[26]。Torftech Ltd开发了焙烧反应器[27]，这个反应器采用移动床和流粒炉反应器作业，将高温产生气体通入反应器使之与原材料直接接触，因此热交换和质量交换效率很高。Agri-Tech Producers，LLC开发了ATP焙烧工艺[28]，使用螺杆反应器在300～400 ℃的温度下操作，用热加工气体直接加热原料。

根据Koppejan等[26]的报道，目前市场上主要有8种不同的反应器类型： 1)转鼓式反应器，可实现直接、间接2种加热，满足多种干燥温度需要，但加工中产品颗粒摩擦所致的质量损失较大； 2)螺旋式反应器，可实现垂直、水平同时加热； 3)多层炉排反应器，原料适应性高，温度控制精确，适用于多种焙烧产品制造，且设备利用率达95%以上； 4)Torbed反应器，可进行分批和连续操作，传热效率高，保温时间短，占地面积较小，可进行高温生产，但对原料进料粒度的变化敏感； 5)微波反应器，设备绿色环保，但运营成本较高； 6)移动床型反应器，结构紧凑，占地面积小，传热效率高，可精确控制反应温度，设备投资成本低，但产品品质有不均匀现象，并且设备结构受技术限制较大； 7)带式反应器，工艺过程简单，设备易于成比例放大以适应大规模工业的要求，另外，设备能耗低，但对原料的稳定性要求高，成品颗粒有质量不均匀现象； 8)固定床，机械损耗小，结构简单，但传热能力差。

我国目前生物质焙烧技术研究主要还停留在实验室阶段，焙烧设备主要是实验用的小型炭化炉或者自制小型生物质焙烧装置，目前还没有规模化的焙烧炭专用生产设备。

4 产品性能

木质焙烧成型燃料和其它几种生物质燃料性能的比较如表2所示。

表2 部分燃料/燃料产品的性能对比

由表2可以看出，与木材原料、木质成型燃料、竹炭、机制炭以及煤相比，木质焙烧炭成型燃料的含水率大大减少，仅为1%～5%，仅为煤的1/3～1/2；木质焙烧炭成型燃料堆积密度和煤及木质成型燃料基本相近；木质成型能量密度(15.0～18.7 GJ/m3)和低位热值(20～24 MJ/kg)均大大高于木材原料和木质成型燃料，但低位热值低于木炭和竹炭。焙烧炭能量密度和热值基本接近煤的能量密度(18.4～23.8 GJ/m3)和低位热值(23～28 MJ/kg)；焙烧炭成型燃料的易磨性和生物降解性均优于木材原料和木质成型燃料，与煤的性质已很相近。表2数据进一步说明，木质焙烧炭成型燃料和煤具有相似的物理和化学性能，比其他生物质原料及其衍生的生物质固体成型燃料更适合同煤的混合共燃，由此可以部分代替煤的使用、减低大气污染、清洁环境。

5 应用领域

生物质焙烧产品具有广阔的应用领域，可被用作大型电力发电燃料、气化原料，还可用作家庭采暖或区域性集中供热的热源等[33]。

5.1 与煤共燃

生物质联合燃烧技术可利用燃煤发电厂现有装置，而不用对装置系统进行更换，由于前者低的氮、硫含量，混合燃烧可使电力生产过程更加清洁[34]。然而，燃煤电厂的现有装置系统并不适合大比例的生物质燃料与煤进行联合燃烧。一般来说，参与联合燃烧过程的生物质比例不能超过5%～10%，即使增加生物质处理和加工专用设备也只能使生物质的比例最多提高到20%。由于生物质燃料与煤之间的物理、化学性质差异较大，使用木质生物质颗粒成型燃料在联合燃烧过程中还会有相当一部分粉尘颗粒会从混合燃料中“飞离”出去。生物质焙烧炭成型燃料则不同于生物质本身及其颗粒成型燃料，经焙烧之后形成的焙烧炭或其衍生的压缩颗粒有着类似煤的物化性质。采用生物质焙烧炭(或焙烧炭颗粒成型燃料)与煤共燃时，前者的比例可增至40%，与未经焙烧加工的生物质燃料相比，可以显著节约设备投资成本和后期运营成本包括设备保养、维修成本。

5.2 独立燃烧

焙烧炭独立燃烧并没有共燃时存在的设备需要调整的问题。一般适用于家用壁炉或区域供暖的小型锅炉。生物质焙烧炭具有良好的疏水性及较高的能量密度，能够改善燃料物流，比木质颗粒成型燃料热值高，且储存和运输成本较低。

5.3 气化

气化是指在一定温度及压力下使生物质中有机质与气化剂(如蒸汽、空气或氧气等)发生一系列化学反应，将固体煤转化为含有CO、H2、CH4等可燃气体和CO2、N2等非可燃气体的过程。生物质焙烧炭具有低含水率，良好的可磨性和更高的C/H/O比率。使用生物质焙烧炭进行气化可提高原料的流动性、H2和CO混合气体含量以及气化的效率，且N、S含量显著低于煤，在气化方面有很大的应用潜力[35]，这方面还有待国内外同仁进一步探讨。

6 结 语

生物质焙烧技术在国外已有许多的研究成果与应用实例，但在国内尚处于起步阶段。生物质焙烧炭是一种清洁能源，因其能量密度高、可研磨性及疏水性好、运输和储存成本低等优点，可广泛应用于与煤共燃以及用作直接能源和气化的原材料。针对我国生物质资源分布特点，建议广泛开展竹子资源、废旧家具、林业废弃物、农业废弃物等生物质原料焙烧技术的基础研究，为生物质焙烧技术及焙烧炭产品的开发与应用提供丰富的理论数据。研发适合我国生物质资源的焙烧生产设备和工艺技术。如开发体积较小、质量轻、便于移动作业，适用于山林和农村的焙烧生产设备；开展不同生物质原料的焙烧工艺优化研究，开展生物质焙烧炭压缩成型及焙烧炭与煤混燃工艺与装备的研究和开发。开展生物质焙烧炭及焙烧压缩成型炭的效益综合评估研究，包括全产业链的详细成本分析，如原料收集、运输和储存，焙烧炭和焙烧炭压缩成型燃料的生产，焙烧炭及其压缩成型燃料的运输和销售，焙烧炭及其压缩成型燃料的燃烧工艺与装备开发或改进，社会效益、环境效益和生态效益的综合评价等。

[1]闫金定.我国生物质能源发展现状与战略思考[J].林产化学与工业,2014,34(4)：151-152.

[2]陈正宇,张雷,陆辛,等.生物质成型燃料在我国的发展与应用[J].锻压技术,2012,37(5)：129-131.

[3]李英丽,王建,程晓天.生物质成型燃料及其发电技术[J].农机化研究,2013,35(6)：226-229.

[4]赵立欣,孟海波,姚宗路,等.中国生物质固体成型燃料技术和产业[J].中国工程科学,2011,13(2)：78-82.

[5]NIMLOS M N,BROOKING E,LOOKER M,et al.Biomass torrefaction studies with a molecular beam mass spectrometer[J].American Chemical Society,Division of Petroleum Chemistry,2003,48(2):590-591.

[6]LIPINSKY E S,ARCATE J R,Reed T B.Enhanced wood fuels via torrefaction[J].Fuel Chemistry Division Preprints,2002,47(1):408-410.

[7]PENTANANUNT R A,RAHMAN,BHATTACHARYA S C.Upgrading of biomass by means of torrefaction[J].Energy,1990,15(12):1175-1179.

[8]PHANPHANICHM,MANIS S.Impact of torrefaction on the grindability and fuel characteristics of forest biomass[J].Bioresource Technology,2011,102(2):1246-1253.

[9]BOURGOIS J,BARTHOLIN M C,GUYONNET R.Thermal treatment of wood:Analysis of the obtained product[J].Wood Science and Technology,1989,23(4):303-310.

[10]VAN DER STELT M J C,GERHAUSER H,KIEL J H A,et al.Biomass upgrading by torrefaction for the production of biofuels:A review[J]. Biomass and Bioenergy,2011,35(9):3748-3762.

[11]PENG Jiang-hong.A study of softwood torrefaction and densification for the production of high quality wood pellets[D].Vancouver:Doctoral Dissertation of University of British Columbia,2012.

[12]BRIDGEMAN T G,JONESJ M,SHIELD I,et al.Torrefaction of reed canary grass,wheat straw and willow to enhance solid fuel qualities and combustion properties[J].Fuel,2008,87(6):844-856.

[13]陈应泉,杨海平,朱波,等.农业秸秆烘焙特性及对其产物能源特性的影响[J].农业机械学报,2012,43(4):75-82.

[14]梁宇飞.沙柳焙烧炭的工艺与性能研究[D].呼和浩特：内蒙古农业大学硕士学位论文,2014.

[15]PACH M,ZAZI R,BJORNBOM E.Torrefied biomass a substitute for wood and charcoal[C]∥6th Asia-Pacific International Symposium on Combustion and Energy Utilization,Kuala Lumpur,Malaysia,2002.

[16]ZANZI R,FERRO D,TORRES A,et al.Biomass torrefaction[C]∥2nd World Conference on Biomass for Energy,Industry and Climate Protection.Rome:[s.n.],2004:859-862.

[17]BENAVENTE V,FULLANA A.Torrefaction of olive mill waste[J].Biomass and Bioenergy,2015,73:186-194.

[18] BRIDGEMAN T G,JONES J M,SHIELD I,et al.Torrefaction of reed canary grass,wheat straw and willow to enhance solid fuel qualities and combustion properties[J].Fuel,2008,87(6):844-856.

[19]WANNAPEERA J,FUNGTAMMASAN B,WORASUWANNARAK N.Effects of temperature and holding time during torrefaction on the pyrolysis behaviors of woody biomass[J].Journal of Analytical and Applied Pyrolysis,2011,92(1):99-105.

[20]赵辉,周劲松,曹小伟,等.生物质烘焙预处理对气流床气化的影响[J].太阳能学报,2008,29(12):1578-1586.

[21]CHEN W H,KUO P C.Torrefaction and co-torrefaction characterization of hemicellulose,cellulose and lignin as well as torrefaction of some basic constituents in biomass[J].Energy,2011,36(2):803-811.

[22]ADAMS P W R,SHIRLEY J E J,MCMANUS M C.Comparative cradle-to-gate life cycle assessment of wood pellet production with torrefaction[J].Applied Energy,2015,138:367-380.

[23]KLEINSCHMIDT C.Overview of international developments in torrefaction[C].Torrefaction Workshop,2011

[24]ACHARYA B,SULE I,DUTTA A.A review on advances of torrefaction technologies for biomass processing[J].Biomass Conversion and Biorefinery,2012,2(4):349-369.

[25]梁宇飞,薛振华.沙柳的低温热解特性研究[J].木材加工机械,2014,25(4)：48-50.

[26]KOPPEJAN J,SOKHANSANJ S,MELIN S,et al.Status overview of torrefaction technologies[C]∥IEA Bioenergy Task,2012:1-54.

[27]ENERGY T.Topell on torrefaction[C]∥Workshop IEA Bioenergy Task.2009.

[28]JAMES J.Using torrefied wood as a coal replacement,for superior pellets and cellulosic ethanol production[J].Agri-Tech Producers,LLC,2010.

[29]张文标.竹炭竹醋液的研究[D].南京:南京林业大学博士学位论文,2002.

[30]赵树凯,张文标,李杰,等.GB/T 26913—2011竹炭[S].北京：中国标准出版社,2011.

[31]周建斌.竹炭环境效应及作用机理的研究[D] .南京:南京林业大学博士学位论文,2005.

[32]张文标,王伟龙,赵丽华,等.机制炭理化性能的研究[J].浙江林学院学报,2003,20(2):215-218.

[33]BATIDZIRAI B,VAN DER HILST F,MEERMAN H,et al.Optimization potential of biomass supply chains with torrefaction technology[J].Biofuels,Bioproducts and Biorefining,2014,8(2):253-282.

[34]盛昌栋,张军.煤粉锅炉共燃生物质发电技术的特点和优势[J].热力发电,2006,35(3):8-11.

[35]于广锁,牛苗任,王亦飞,等.气流床煤气化的技术现状和发展趋势[J].现代化工,2004,24(5):23-26.

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Overview of Biomass Torrefaction Technology

LIN Qi-chen1, ZHANG Wen-biao1, SUN Yi1, ZHANG Xiao-chun1, WANG Sun-guo2

(1. School of Engineering,Zhejiang A&F University, Lin′an 311300, China；2. Nova Green INC.,Killam, Alberta T0B 2L0, Canada)

This paper presents a global overview of the torrefaction raw materials, existing torrefaction technologies, characteristics and applications of products, as well as the future opportunities and challenges especially in China.

biomass；torrefied biomass；application

10.3969/j.issn.1673-5854.2015.05.009

2015- 02- 06

国家科技部农业科技成果转化项目(2010GB2C200175)；浙江省农业科技成果转化项目( 2012T201-06);浙江农林大学科研发展基金项目(2034020049)

林启晨(1989—)，男，浙江绍兴人，硕士生，研究方向为生物质炭加工利用；E-mail:oneonly888@126.com

*通讯作者：张文标，男，浙江遂昌人，教授，博士，主要从事竹木材加工与利用研究工作；E-mail:zwb@zafu.edu.cn。

TQ35

A

1673-5854(2015)05- 0047- 06