持续规范生物质能的应用标准

颗粒消费水平的上升已应运而生了更多用于颗粒制造的材料。然而,每种不同的材料具有相异的特性,而这些差异性会对最终得到的生物质是否符合标准要求产生显著的影响。Teresa Miranda ,西班牙埃斯特雷马杜拉大学

 

2014年1月,欧盟(EU)提出了一些到2030年为止需要实现的气候和能源目标, 该目标将更多地聚焦可再生能源对能源结构所做出的贡献。

上述方案,即广为人知的“20-20-20”战略目标是于2008年签署的,其内容是到2020年,欧盟成员国要把温室气体排放量减少20%(针对1990年的排放量而言),采用高效和节能举措将可再生能源占能源消耗总量的比例提高到20%,另外把能源效率提高20%。

欧盟委员会提出了一项新目标:到2030年把温室气体排放量减少40%。欧委会还为欧盟提出了整体目标——到2030年,欧盟所有成员国的可再生能源加在一起的比例至少需要达到27%。

在许多有望实现该能源目标的可再生能源产品中,生物质(biomass)脱颖而出。生物质被定义为农林业生产过程中除粮食、果实以外的秸秆、树木等木质纤维素、农产品加工业下脚料、农林废弃物等物质。它是可再生能源的重要组成部分,生物质能的高效开发利用,对解决能源、生态环境问题将起到十分积极的作用

由于长期依赖化石燃料的使用, 生物质数十年以来都被视作为一种次级能源,它对于初级能源的生产起到的作用相对较小。目前,基于一系列因素的推动,例如油价增长、农业生产规模的扩大、以及寻找废料的替代性用途的需求持续提升等,生物质再一次跃升为一种重要的能源产品。

作为一种能源,生物质产生了大量的社会、经济和环境效益。然而,生物燃料具有较低的容积密度,因而会在某种程度上限制其使用。此外,当涉及到水分和粒度等因素时,生物燃料的异质性是相当明显的。鉴于此,这些劣势被视为生物质在能源应用领域的限制性因素。

然而,致密化(densification)工艺将这些缺点降到了最低点,这一流程指的是压缩原材料后以获得具有均质特性和大小的致密燃料。在这一系列可用的技术中,制粒技术(pelletising)是得到最广泛使用的工艺。

 

日益提升的多样性

其结果是,在过去的几年内,全球粒料产量大幅增长。 2006年至2012年间,全球粒料产量从700万吨上升到1900万吨,实际上,欧洲和北美地区负责了致密产品的生产和消费总量。

颗粒消费水平的增长孕育出更强的多样性,尤其当涉及使用原材料来生产颗粒产品时更是如此。因此,行业开始寻找一系列新的产品,例如从林业、农业或林农活动中获取门类广泛的废料。

造成这种差异化的根源是由一些国家质量标准的发展和演变所导致,目的是为了保证不同类型的颗粒产品在颗料燃烧设备中的正确使用。2011年,欧盟EN 14961标准的实施规范了致密化产品市场,从而推动了制造技术和工艺的发展,并且对国际贸易的发展起到了促进和激励作用。

近日,欧盟EN ISO 17225标准取代了先前的规范,并推出新的分类,如木屑颗粒在工业领域的应用。 鉴于此,这一事实更强调了扩大该门类的废料产品同时在这两个领域的应用的必要性。

致密化产品已得到了广泛研究,这是归因于不同类型的生物质的高可用性、来自于不同的源头、拥有各种不同的特性以及把它们与特定的用途进行适配的需求。

EN ISO 17225-1标准根据生物燃料的来源和成因对其做了初始分类。因此,这一标准对不同的产品组别进行了区分:木质生物质、草本类生物质、果实类生物质以及水生生物质,此外还包括这些产品的组合形式或混合形式。

木质生物质来自于树木和灌木丛。草本生物质是从不具有木茎以及在生长季节结束时枯萎的植物中提取的。果实生物质对应于带种子的植物。水生生物质是从与水生环境有关的植物中提取出来的。最后,组合物和混合物这两个术语指的是材料来自于不同的源头。

 

颗粒分析

在此基础上,分别从每个组别选择了两种不同类型的颗粒,但不包括用途仍处于初级阶段的水生生物质、组合物和混合物。考虑到木质生物质的重要性,分别建立了三个具有不同特性的子群:森林废弃物、来自木材工业的废弃物以及农业木质废弃物。

颗粒质量既取决于生物质的物理、化学和机械性能(作为原料),同时也取决于颗粒变量(如压力,温度)。水分、堆积密度和耐用性是致密化产品的三个主要的评估特性。

颗粒内的水分含量必须低。高水分含量意味着部分燃烧热能需要用于蒸发生物燃料中的水分,而对于干生物燃料而言,所有的热能都得到物尽其用。低水分含量能够引发更高的火焰温度(具有更好的温度梯度和热传递性,并且能够完成燃烧),以及确保燃烧室中的停留时间更短。

颗粒经过分析后显示,水分含量少于10%(WB),除了葡萄蔓,其水分含量值要高于这个比例。从该参数中获得的结果相似,并且根据原材料的含水量、干燥过程和设备的操作条件等因素而发生变化。

就堆积密度而言,它被认为是颗粒产品主要的品质指标,除此之外还包括整个工艺流程中的粒度分布、水分和压缩强度等指标。除了橄榄枝以外,大部分的颗粒密度都比标准所要求的最小极限更高。

在一般情况下,颗粒密度与颗粒尺寸成反比。这是因为在整个工艺流程中,最小的颗粒具有较高的表面面积,从而获得更高的密度值。在这种情况下,研磨或筛滤通常成为高品质颗粒制造工艺中不可或缺的预处理手段。

取决于原材料密度,致密化比率(被定义为颗粒密度与原材料密度之间的商数)会产生相当大的变化。因此,较低的堆积密度意味着更高的压实值。

 

致密化因素

另一方面,耐久性与致密化的有效性息息相关。在航运、装卸和运输过程中,颗粒产品可能会承受不同的苛刻条件。否则,可能会产生数量可观的灰尘在非燃烧的情况下进入燃烧室,并且增加居家环境的废料和排放量,继而可引发健康风险(爆燃性环境,呼吸系统疾病)。

大部分颗粒的耐久值都在95%以上,比标准所要求的下限略少。这些结果对于实验室制成的颗粒而言是十分常见的,因为相比工业领域使用的设备而言,其使用的设备更小型,工作压强也更少。从松木屑、葡萄芽和橄榄枝等材料提炼出来的颗粒产品适用于运输、处理和进一步利用。

最终分析的知识对于确定生物燃料的热性能而言是尤为重要的。因此,热值与碳,氢,氧百分比之间的相关性均得到了观察。与此同时,最终分析对于预测引发有害性排放物的元素—这一被视为混合型生物质使用过程中的“关卡问题”来说也是非常有用的。

该样本显示了不同的硫和氮含量。 大麦秸秆、小麦秸秆、橄榄油渣和葡萄果渣等颗粒产品的氮气含量(0.6%)超过了氮氧化物排放量可被接受的上限。

通常情况下,颗粒的碳比例越高,其热值水平也越高,无论选用的原材料是什么。这是因为碳和氢对生物燃料中的能量含量起到重要作用,主要是由于燃烧过程中氧气的参与所产生的放热反应,继而分别生成了二氧化碳和水分。

同样,在每一组别中,针对所挑选的颗粒产品,其碳值和高热值都是相似的,除了农业-工业废料外。最高的热值体现为森林废料和木材行业的废料

 

能量密度

灰分含量就其本身而言,足以成为快速评估颗粒和其品质的一个参数代表。灰分含量是变化多样的。正如木本农业废料一样,草本农业废料的灰分含量水平非常高,其含量远远超过森林废料。

首先,形成的第一层关系是直接的:灰分含量越高,高热值便越低。然而,第二层关系,即灰分含量与耐用性之间的关系并非直接。一般来说,高灰分含量相当于低耐用性。对于木质生物质而言,树皮含量会增加致密产品中的灰分百分比,但并没有降低其集聚能力。

能量密度是通过将堆积密度与低热值(wb)相乘后得出的,并且对位时间内的可用能源进行量化。农产工业废料基于它们的高堆积密度和低热值获得了最高的能量密度值,其次是森林废料、木材工业废料以及草本农业废料。

高密度以及低热值的生物燃料的单位能源量更大。造粒(Pelletising)工艺显著增加了能量密度,能量密度反过来又降低了物流和存储需求。假定原材料以及其相应的致密产品中的热值几乎是相同的,能量密度的增加主要受到设备和其压实性能的影响,这些因素将决定在制颗粒的堆积密度。

根据结果来看,经分析的颗粒没有满足所有要求的产品。SW颗粒具有更好的性能,并且接近标准要求:其氮气和灰分含量比最苛刻的类别敲定的上限略高一些。

总体而言,实验室自制的粒料分别满足了水分和堆积密度的要求,除葡萄芽和橄榄枝之外。然而,这些问题可通过对流程采用更精准的控制过程轻易得到解决(预干燥以及施加更多的工作压强)。

对耐久性指标来说,所有样品(除橄榄渣和葡萄果渣)显示出较高的值:超过94%;这些结果可以通过加入添加剂或其它木质素含量较高的残余物(木材、锯屑)得到改善,但条件是两者的灰分熔融行为必须相似。

 针对热值指标来说,所有的粒料(除了藤芽和橄榄枝)的热值均超过标准的上限值,因此建议与其它能够改善这一性能的产品进行混合。

 

 

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