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中国生物质固体成型燃料标准体系的研究 木屑颗粒机|秸秆颗粒机|秸秆压块机|木屑制粒机|生物质颗粒机|富通新能源 / 14-12-01

摘要:我国生物质固体成型燃料技术已基本成熟,但尚未制定相关标准,这对该产业发展是不利的。通过对美国ASTM、欧盟CEN/TC固体生物质燃料标准及燃烧设备标准的分析,并结合我国生物质固体成型燃料产业发展的实际需求,从产业链的角度出发,提出了我国的生物质固体成型燃料标准体系。该体系分为基础标准、通用标准和专用标准3个层次,同时,按轻重缓急的原则提出相关建议。该标准体系的提出有利于规范我国生物质固体成型燃料市场,为产业发展创造良好的市场环境,富通新能源生产销售的秸秆颗粒机木屑颗粒机专业压制生物质成型颗粒燃料。
关键词:生物质;固体成型燃料;标准体系
0、引言
    生物质固体成型技术是指在一定温度与压力作用下,将松散的生物质压制成具有一定形状的、密度较大的成型燃料的技术。压缩后得到的生物质固体成型燃料体积为原有生物质体积的1/8~1/6,密度为1.0~1.4t/m3,能源密度相当于中质烟煤,使用时火力持久,炉膛温度高燃烧特性得到了明显改善,近年来受到人们的广泛关注。开发利用生物质固体成型燃料,有利于保护和改善生态环境,拓展农业功能,增加农民收入,促进经济社会的可持续发展,是生物质能开发利用技术的主要发展方向之一。也是中国应对气候变化的有效措施之一。稻壳压块机
松树皮生物质颗粒燃料
    目前,美国和欧洲一些国家多以木本生物质为原料生产颗粒状生物质固体成型燃料,并开发了壁炉、蓄热式炉、颗粒燃料炉等专用炉具。2006年,欧洲生物质颗粒燃料的消费量约为450万t,其中瑞典的产量约为145.8万t,消费量约为168.5万t,产销量居世界首位。生物质固体颗粒燃料除通过专门运输工具定点供应给发电厂和供热企业以外,还以袋装的方式在市场上销售,已经成为许多家庭首选的生活燃料。目前,美国已制定9项与生物质燃料相关的标准,欧盟已发布30项固体生物质燃料技术规范。
    我国在20世纪80年代引进了螺旋挤压式秸秆成型机,生物质固体成型技术的研发工作已开展了20多年。近年来,许多科研机构和企业竞相开展研究,已有不少厂家开始进行小批量生产和市场化销售,形成了研究、生产、开发的良好局面。国家发布的《可再生能源中长期发展规划》提出,到2010年我国生物质固体成型燃料年利用量将达到100万t以上,到2020年力争达到5000万t,该产业发展潜力巨大。
    作为一个新兴产业,我国还没有制定相应的生物质固体成型燃料技术、设备标准,影响了该产业的市场化、规模化和专业化发展进程。针对这种情况,本文拟在借鉴欧美先进经验的基础上,结合我国生物质固体成型燃料发展实际情况,建立我国生物质固体成型燃料标准体系。研究和建立我国生物质固体成型燃料标准体系,不仅可以有效地整合研究、开发和推广应用等各个方面的资源,促进生物质固体成型燃料技术、设备和产品市场的建立,还可以克服不同种类燃料特性所造成的市场障碍,使固体成型燃料在生产者与使用者之间进行自由交易,在规范市场的同时,促进产业快速健康发展,这对扩大国际贸易也具有十分重要的意义。此外,统一的标准可使主管部门进行技术监督和市场管理时有章可循,为生物质固体成型燃料技术的推广创造良好的市场环境。
1、国内外相关产业标准现状分析
1.1国外标准分析
    目前,国外生物质固体成型燃料技术及设备的研发已经趋于成熟,相关标准体系也比较完备,形成了商业化生产和市场化运作的模式,发达国家间的技术联盟也对某些标准的制定形成了垄断,其中以美国和欧盟的标准最具代表性。
1.1.1美国标准
美国材料与试验协会(ASTM)于1985年成立了E48生物技术委员会,下设E48.05生物转化子委员会,共制订了9项标准,主要适用于生物质水分、灰分、挥发分、元素分析、堆积密度等特性的测定(表1)。由于体制所限,ASTM所制定的标准存在以下不足之处:适用范围不统一,其中涉及到的生物质、木质燃料和木质颗粒燃料3个概念相互之间存在着交叉重复:没有形成完整的标准体系,缺乏取样、机械特性试验方法等必备的标准;没有制定生物质发热量和元素分析的试验方法,而是引用了垃圾衍生燃料的标准,实际上垃圾衍生燃料的特性与生物质存在着一定的差异,并不完全适用于生物质燃料:测试方法之间(如E871和E1358以及E1534和E1755)也存在着重复现象。
表1 ASTM 固体生物质颗粒燃料标准
标准名称 适用范围 测试内容和方法
E870木质燃料分析测试方法 适用于木质燃料。 工业分析和元素分析,引用了D1102,E771,E775,E777。E778等本材、垃圾衍生燃料的标准。
E871木质颗粒燃料全水分试验方法 适用于锯末、颗粒、木屑、木块及其它体积不超过16.39cm3的木质颗粒燃料。 取出50g样品,放置在103±1℃干燥箱内烘干16h。
E872木质颗粒燃料挥发分试验方法 同E871。 将1mg样品放置在密闭的坩埚内,放置在950±20℃马弗炉内7min。
E873生物质颗粒成型燃料堆积密度的试验方法 适用于体积不超过16.39cm3的生物质颗粒成型燃料。 采用规格为305mmx305mmx305mm的容器进行测量。
E1358木质颗粒全水分试验方法——微波法 提供了E871的替代试验方法。 在控制温度、时间、样品质量的条件下,用微波炉进行加热。
E1534本质颗粒燃料灰分试验方法 适用于木质颗粒燃料。
 
将2g样品放人马弗炉中,缓慢升温至580~600℃。
E1755生物质灰分试验方法 适用于硬木、软木、草本作物(如柳枝稷等)、农业剩余物(如玉米秸、稻草和蔗渣)、废纸等,其中木质颗粒燃料适用于E1534。 在温度为575±20℃马弗炉中氧化。
E1757生物质分析样品准备方法 同E1755。 用于元素分析,分为A,B.C3个方法。
1.1.2欧洲标准
欧盟虽然没有专门制定燃烧设备的标准,但已制定的标准中包括锅炉和燃烧器、室内采暖设备等相关标准,主要适用于包括生物质在内的周体燃料(表2)。在欧盟使用的生物质固体燃料燃烧设备种类较多,包括锅炉、颗粒燃烧器、炊事炉、嵌入式壁炉和蓄热式炉等多种形式,这也与生物质固体燃料用途广泛有关。
表2  CEN燃烧设备标准
标准名称 发布时间 规定的内容
EN 303-5加热锅炉第5部分:热输出小于300kW的手动或自动炉排固体燃料加热锅炉一定义、要求、测试和销售 1999 该标准适用于薪柴、木屑、木质颗粒和压块、锯末、烟煤、褐煤、焦炭等固体燃料。根据热输出可分为<50 kW,50~150 kW和150~300 kW 3个规格。
EN 12953-12火管锅炉第12部分:固体燃料锅炉一炉排系统要求 2003 该标准适用于煤炭、生物质固体燃料、城市固体废物和工业同体废物等,规定了从料仓至灰室的炉排系统的要求。
用于小型供热锅炉的颗粒燃烧器一定义、要求、测试和标示(CEN/TC 57) 正在制定 该标准适用于额定热输出小于70 kW的颗粒燃烧器,使用高质量的颗粒燃料(CEN/TS 14961),可用于热水锅炉,包括安全、燃烧质量、运行和维护的要求和测试方法。
EN 1324WA2固体燃料房间加热器一要求和测试方法 2004 该标准适用于使用固体燃料(如木材)、无机械部件的加热装置,规定了设计、制造、安装、性能(效率和污染物排放)、安全、操作指南、标示的要求以及测试方法,可以通过对流或辐射产生热量或热水。另外,该标准也适用于中心供热系统。
EN 12809/A1热输出小于50 kW的民用独立式固体燃料锅炉一要求和测试方法 2004 该标准适用于手动和自动燃烧设备,额定热输出小于50kW,仅适用于工作压力不大于0.4MPa的开放式排放系统。该系统可用于提供热水或取暖。
EN 12815/Al民用固体燃料炊事炉灶一要求和测试方法。 2004 该标准适用于炊事炉或炊事采暖炉,规定了设计、制造、安装、性能(效率和污染物排放).安全、操作指南、标示的要求以及测试方法。该设备可以使用矿物固体燃料、泥煤球、木材等。
EN 13229/A2固体燃料嵌入式装置一要求和测试方法 2004 该标准适用于嵌入式固体燃料燃烧装置,可用于室内采暖或提供热水,包括定义、要求、测试方法。
EN 14785木质颗粒民用采暖装置一要求和测试方法 正在制定 该标准适用干以本质颗粒为燃料,自动进料,额定热输出小于50kW的家用采暖炉,规定了设计、制造、安装、性能(效率和污染物排放)、安全、操作指南、标示等要求以及测试方法。
EN 15250固体燃料蓄热式炉一要求和测试方法 正在制定 该标准规定了蓄热式炉的设计、制造、安装、性能(效率和污染物排放)、安全、操作指南、标示要求以及测试方法。蓄热式炉在燃烧阶段可贮存大量热量,当火焰熄灭后,炉灶仍能够时间地向室内空气施放热量。
    2000年,欧洲标准化委员会(CEN)授权瑞典标准局,组建了固体生物质燃料技术委员会(CEN/TC335),德国、芬兰、荷兰等国开始制定欧盟固体生物质燃料标准。为了尽可能快地服务于市场,欧洲固体生物质燃料技术委员会决定首先制定技术规范,此项工作的主要部分已于2006年完成,已发布30项技术规范,并于2006年向欧盟标准转化,现正着手将标准纳入ISO标准体系。CEN/TC 335分为术语.规格、分类和质量保证,采样和样品制备,物理(或机械)试验,化学试验等5部分。根据起源和来源,固体生物质成型燃料可分为木本生物质、草本生物质、果木生物质、混合物和混杂物等:根据交易类型可分为压块、颗粒、饼粕、木屑、碎木燃料、圆术、锯末、树皮、秸秆捆等;物理试验规定了堆积密度、颗粒密度、工业分析、机械强度等测试方法;化学试验规定了C,H,N,S,CI等主要元素和微量元素的测试方法(表3)。
表3 CEN/TC335 固体生物质颗粒燃料标准体系 
分类 规定的内容 技术规范
术语 术语 CEN/TS 14588
规格、分类和质量 规格和分类 CEN/TS 14961
保证 质量保证和质量控制 CEN/TS 15234
采样和样品设备 采样方法、抽样检验方法、样品制备方法 CEN/TS 14778-1
CEN/TS 14778-2
CEN/TS 14779
CEN/TS 14780
物理(或机械)试验 热值
堆积密度
累积密度
CEN/TS 14918
CEN/TS 15103
CEN/TS 15150
化学试验 全水分 CEN/TS 14774-1
CEN/TS 14774-2
CEN/TS 14774-3
灰分 CEN/TS 14775
CEN/TS 15370
挥发分 CEN/TS 15148
机械强度 CEN/TS 15210-1
CEN/TS 15210-2
尺寸分布 CEN/TS 15149-1
CEN/TS 15149-2
CEN/TS 15149-3
CxHxN CEN/TS 15104
CL,Na,K CEN/TS 15105
S,Cl CEN/TS 15289
主要元素(AL,Si,K,Na,Ca,Mg,Fe,P和Ti CEN/TS 15290
微量元素(As,Ba,Be,Cd,Co,Cr,Cu,Hg,Mo,Mn,Ni,Pb,Se,Te,V和Zn) CEN/TS 15297
    综上所述,目前欧盟在固体生物质燃料和燃烧设备方面,特别是燃料方面,已经形成了完整的标准体系,可供我国制定标准时加以借鉴。但是,欧盟尚缺乏固体生物质燃料贮藏和运输、成型设备、安全卫生环境等标准。另外,欧盟标准中所规定的对象是生物质固体燃料,生物质固体成型燃料仅是其中的一种形式,还包括诸如木屑、锯末、圆木、草捆等其它类型固体燃料,与我国的实际情况不同。
1.2国内相关标准发展现状
    我国已制订了GB/T17664-1999《木炭和木炭试验方法》、NY/T12-1985《生物质燃料发热量测试方法》、NY/T8-2006《民用柴炉、柴灶热性能试验方法》、NY/T1001-2006《民用省柴节煤灶、炉、炕技术条件》、CB/T21923-2008《固体生物质燃料检测通则》等国家或农业行业标准。农业部正在组织制定《生物质固体成型燃料技术条件》和《生物质固体成型设备技术条件》2项农业行业标准。此外,《固体生物质燃料检测通则》在术语和定义、分类和特性信息方面完全参考了欧盟标准,并不符合我国国情。
    目前,我国生物质固体成型燃料的试验方法基本上是参照煤炭的测试方法。虽然都属于固体燃料,存在着许多共同之处,但由于生物质燃料和煤炭的组成及结构存在一定的差异,其物理和化学特性也不同,因此煤炭的测试标准不完全适用于生物质固体成型燃料。随着生物质固体成型燃料市场的逐渐成熟,我国生物质固体成型燃料的标准化工作已明显滞后于生物质燃料产业的发展速度。
2、我国生物质固体成型燃料标准体系的研究
    标准体系是指一定范围内的标准按其内在的联系形成的科学的有机整体,是由标准组成的系统,包括现有的标准和预计应发展的标准。制定生物质固体成型燃料标准体系,目的是促进生物质固体成型燃料标准化的发展,提高标准化管理水平,确保标准编制工作的秩序,减少标准之间的重复与矛盾,使标准之间协调,配套,使标准组成合理。
2.1研究原则
    根据生物质固体成型燃料生产应用全过程对标准的需求和标准体系自身分类的特点,在编制标准体系框架的过程中,应遵循以下原则:①完整性。标准体系的组成应完整、配套,要基本覆盖生物质固体成型燃料已经实现产业化或在近期能够实现产业化的领域。②前瞻性。标准体系要尽可能反映生物质固体成型燃料的国内外发展现状和趋势,尽可能包容最新研究成果。③统一性。标准体系内各项标准之间,应尽量做到协调、统一。④科学性。标准体系分类应科学、层次清晰、结构合理,并具有一定的可分解性和可扩展空间。⑤实用性。标准体系应便于使用和管理,对今后的生物质固体成型燃料标准化工作应具有引导作用。
2.2总体框架和标准体系构成
    根据标准体系的内在联系特征和生物质固体成型燃料行业的具体特点,可将生物质固体成型燃料标准分为基础标准、通用标准和专用标准3个层次。
    通过分析国内外相关领域标准化研究的现状和原则可知,生物质固体成型燃料标准体系的创建应根据其产业化发展的需求,涵盖未来宽泛的商业化范围,包括生产、应用等方方面面。从产业链的角度看,生物质固体成型燃料产业包括从农作物秸秆等生物质资源的收集、存储和运输,到燃料生产、配送以及应用等(图2),主要分为生物质原料方面的收集、运输和贮藏:生产装备设施方面的仪器、设备和关键部件等;产品方面的成型燃料规格、试验方法、包装和贮运;应用方面的专用燃烧器具技术条件、试验方法和环境保护;卫生、安全和环境保护等。
2.2.1基础标准
    基础标准阐述了标准化的总体需求、涉及的概念与术语、标准的组成与相互关系,是制定生物质固体成型燃料技术规范和标准的基础。此层次包括生物质固体成型燃料术语、生物质固体成型燃料规格和分类2项标准,建议近期制定完成。
2.2.2通用标准
    适用于本行业的通用性标准包括原料收集、运输和贮藏;生物质固体成型燃料厂的建设规划和设计规范:固体成型设备的技术条件和试验方法:生物质固体成型燃料的取样和样品制备、物理特性和试验方法、化学特性和试验方法、质量保证等;生物质固体成型燃料配送技术规范;各种燃烧设备的命名、分类、技术条件、试验方法以及污染物排放;安全、卫生和环境保护等标准。
2.2.3专业标准
    适用于某一具体对象的专业标准,包括成型设备的关键部件(如模具、压辊)、配套设备(如粉碎机)等。
2.3近期拟制定的标准
    根据轻重缓急原则,结合我国实际情况,建议近期制定生物质固体成型燃料原料收集、贮藏和运输技术规范,生物质固体成型燃料厂建设规划和设计规范,生物质固体成型设备命名、分类和技术条件,生物质固体成型设备试验方法,生物质固体成型燃料取样方法,生物质固体成型燃料全水分试验方法,生物质固体成型燃料颗粒密度试验方法,生物质固体成型燃料堆积密度试验方法,生物质固体成型燃料机械性能试验方法,生物质固体成型燃料工业分析试验方法,生物质固体成型燃料元素分析试验方法,生物质固体成型燃料配送技术规范,生物质固体成型燃料厂安全、卫生和环境保护等13项国家或行业标准。
3、结束语
本文在全面分析国内外生物质固体成型燃料技术与标准发展现状和趋势的基础上,系统地确定我国生物质固体成型燃料各标准项目的名称、内容和在标准体系中的位置,构建一个结构优化、层次清晰、数量合理的标准体系。该标准体系的制定,有利于提高标准化管理水平,减少标准之间的重复与矛盾,提高标准的编制和管理效率,节约人力、物力、财力,使标准化工作有计划、有目标、有秩序地进行,对促进生物质固体成型燃料标准的发展,加快标准制定的进程,适应市场经济的需要,都有着重要的理论意义与实用价值。
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