生物质秸秆预处理工艺及经济性分析.pdf

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第24卷第2期电站系统工程Vol.24No.22008年3月PowerSystemEngineering30文章编号：

1005-006X（2008）02-0030-04生物质秸秆预处理工艺及经济性分析山东大学能源与动力工程学院，环境热工过程教育部工程研究中心赵希强马春元王涛宋占龙摘要：

秸秆预处理是进行秸秆大规模应用的重要前提和组成部分，随着秸秆应用项目的日益增多，对于秸秆预处理的研究显得更为重要。

依照关键技术划分，秸秆预处理工艺主要分固化成型和压缩打包两种，对其进行了经济性分析和比较。

关键词：

秸秆；预处理；经济性分析；成型；打包中图分类号：

S210；TK6文献标识码：

AThePretreatmentTechnologyofStrawandEconomicAnalysisZHAOXi-qiang,MAChun-yuan,WANGTao,SONGZhan-longAbstract:

Thepretreatmentofstrawistheimportantpreconditionandcomposingpartofthelarge-scaleutilizationofbiomass.Withtheincreasingofthelarge-scaleutilizationofbiomass,thestudyofthepretreatmentofbiomassstalksbecomesmoreimportant.Dividedbythekeytechniqueusedbypretreatment,itconsistsoftwomaintechnologies:

moldingbysolidificationandbalingbycompressed.Theintroductionandcostanalysisofworkingproceduresarecarriedout.Toofferreferencesforthechooseofpretreatment,theeconomicanalysisandcompareofthetwotechnologyhavebeencarriedoutonthebasisofanalysisabove,andsomeviewpointsandadvicesarebroughtout.Keywords:

straw;pretreatment;economicanalysis;molding;baling近年来，随着化石能源的紧缺和价格上涨，曾一度冷落的生物质能利用技术又变得火热，特别是出现秸秆发电的应用实例后，农作物秸秆的大规模应用项目纷纷上马，对于秸秆资源的需求也越来越大。

我国秸秆资源非常丰富，但是，作为一种散抛型低容重的能源存在形式，农作物秸秆具有资源分散、季节性、能量密度低、容重小、储运不方便等缺点，严重制约了秸秆的大规模应用1。

对于秸秆利用企业来说，秸秆来源的可靠性及收购综合成本已成为影响建设秸秆应用项目的前提条件和决定企业效益的关键因素2。

秸秆预处理可以有效解决以上问题，如秸秆经过压缩打包，然后运输，可以克服其能量密度低、容重小和储运不方便的缺点；设立收购转运点可以解决其资源分散和收集困难问题，保证秸秆来源的可靠性。

但是对于不同的企业，秸秆利用方式可能不同，因而需要不同的秸秆预处理工艺，同时涉及秸秆预处理的最佳经济性。

如何针对具体项目选择预处理工艺，并具有较好的经济性，无论对于企业本身，还是对于秸秆大规模的推广应用，无疑具有重要意义。

1秸秆预处理工艺介绍秸秆最终利用（气化、燃烧等）前，为降低秸秆收购成本、便于长期存放或提高利用效率而对其进行的必要处理，如干燥、破碎、压缩成型、打包/捆等，称为秸秆的预处理。

对于秸秆的大规模工业应用，如直接燃烧发电、混合燃烧发电、热解气化发电等，依照预处理所用关键技术划分，主要分为固化成型和压缩打包/捆两种。

1.1固化成型预处理工艺对于秸秆固化成型，如进行气化利用，可以设定合适的收稿日期:

2007-09-07赵希强（1981-），男，博士研究生。

济南，250061成型尺寸，使产品可以直接进行气化；如进行燃烧利用，可改变成型尺寸，使之满足直接燃烧的要求，或仅对成型后的产品进行简单的破碎即可满足要求。

其工艺流程如下：

收集破碎压缩/固化成型运输储存最终利用1.2压缩打包/捆预处理工艺对于秸秆压缩打包，如进行气化利用，需进行解包、破碎（粉碎）处理，使破碎产物满足气化利用的尺寸要求；如进行燃烧利用，只需使破碎产物满足燃烧利用的尺寸要求即可。

具体的打包/捆尺寸，以便于后续的解包、破碎工序为准，同时兼顾经济性。

其工艺流程如下：

储存运输压缩打包/捆破碎最终利用收集2预处理关键技术介绍秸秆预处理工艺的划分是依据关键技术的不同，其他工序是为其服务或以其为根据进行选择的，是预处理工艺的核心技术，而且是影响整个工艺经济性的重要部分，因而介绍预处理工艺的关键技术非常必要。

2.1压缩/固化成型技术秸秆压缩/固化成型就是将秸秆用机械加压的方法，使原来松散、无定形的秸秆压缩成具有一定形状、密度较大的固体成型燃料。

秸秆经过压缩成型，其密度、强度和燃烧性能都有了本质的改善，大大提高了其作为燃料的品质3。

同时，其体积大为减少，可以有效地降低运输成本。

秸秆中含有木质素（木素），没有熔点但有软化点，当温度为70110时软化，具有黏性，当温度达到200300第2期赵希强等：

生物质秸杆预处理工艺及经济性分析31时成熔融状，黏性高4。

此时加以一定压力就可使其与纤维素紧密粘接并与相邻颗粒互相胶接，冷却后即可固化成型为颗粒燃料。

2.2压缩打包/捆技术压缩打包/捆技术来源于包装和造纸行业。

在秸秆开始大规模应用时，为减少运输成本和便于储存，此项技术便被借鉴过来，用于秸秆原料的预处理。

其原理是：

用机械加压的方法，压缩松散秸秆，其体积发生剧减，然后继续添加秸秆压缩，直至达到一定的尺寸要求，然后用草绳等材料进行捆装，防止松散。

对于不同尺寸或密度要求，可对模具或压力大小进行调节，以满足要求。

利用此技术，可使秸秆体积缩小为1/31/5，密度大大提高，有助于降低运输和储存成本；同时，其电耗较低，已成为常用的秸秆预处理技术。

2.3破碎/粉碎技术秸秆含大量纤维，有别于一般破碎原料，因此需要专门的破碎设备。

现有针对普通原料的粉碎设备用于大批量的秸秆破碎，成本较高而且生产效率低；而目前专门针对秸秆的破碎机械，产物粒径在10mm以上，属粗破碎的范围。

因此，亟需开发和研制专门针对秸秆特点的破碎/粉碎技术和设备，同时应具有一定的经济适用性5。

常用的秸秆破碎设备有粗破碎机和细破碎机两种。

对于不同的最终尺寸要求，可以选择其一或联合使用。

2.3.1粗破碎机粗破碎机也称卧式破碎机、一级破碎机。

运行时，物料经刀片高速剪切磨削，以及物料间的碰撞摩擦而被破碎为小颗粒及短纤维丝，较小较轻的物料脱离高速圆周运动的轨道进入出料口，而较大较重的物料则继续留在破碎室内被破碎。

2.3.2精破碎机精破碎机也称二级破碎机、立式破碎机，用于粗破碎产物的细破碎。

进料平均粒度一般小于5mm，经过刀片间的研磨以及物料间的互磨以达到更细的粒度。

粒度小的物料浮在上层，被风机抽出，而较大颗粒则留在下层继续被破碎。

3各项工序成本和工艺的经济性分析3.1各项工序成本对于以生物质秸秆为主要原料的企业而言，其产品成本受秸秆预处理费用的影响很大，控制预处理成本在可接受的范围之内是企业所必须解决的问题。

3.1.1收集成本秸秆收集是指生产企业设立收购转运点或直接以企业为接收单位，从农民或草贩手中收购符合一定要求（如含水率、不含杂物等）的秸秆，并进行简单的堆放或储存，其发生的相关费用即为收集成本。

主要包括如下两部分：

（1）收购费用：

用于购买秸秆支付的成本。

（2）其他费用：

包括装卸费用、劳动力费用、生物质储存费用等。

*收集工序中秸秆的运输不由企业负担，故运输费用计入收购成本。

3.1.2固化成型成本工序中涉及破碎、加热和机械加压过程，电耗很大，同时设备中存在易损件，需要经常进行检修，维修费和人工费较高。

我国生产的生物质成型机一般为螺旋挤压式，生产能力多为100300kg/h，电机功率7.518kW，电加热功率24kW，产品耗电70120kWh/t6。

如果采用造粒技术，成本提高约30%50%。

3.1.3压缩打包/捆成本工序中涉及机械加压过程，电耗较大，需操作人员较多，人工费和维护费用较高。

我国生产的打包机，产量一般为1.62.0t/h，功率1825kW，草捆密度约300kg/m3，产品耗电2430kWh/t。

3.1.4破碎工序成本粗破碎系统电耗为3540kWh/t，设备维护费、折旧费和人工费较高。

粗破碎系统的生产成本约为4065元/t。

精破碎系统电耗为7590kWh/t，维修费、设备折旧费、人工费较高。

精破碎系统的生产成本合计为7696元/t。

若两者联用，成本应相加，而且略有增加。

3.1.5运输成本秸秆在收购转运点经过初步加工后，可运输至企业建立的储存设施进行储存，此过程产生的费用即为运输费用。

其与运费、运输量和转运点距离有关。

若运输任务由生产企业负担，则运费主要包括燃料费、人工费和设备折旧费。

参考值为2.43.0元/km。

3.1.6储存成本秸秆在储存期间，需要一定的维护、人工和其他费用，如消防、用电等，其间产生的费用即为储存费用。

按照0.25元/m3天计算。

表1工序成本分析工序名称主要构成能源费折旧费维护费人工费备注，元/t合计收集收购、装卸、人工、储存费用等6102014收购费用各地差异较大，100400150450固化成型电、设备折旧、人工、维护费用等70150102052514其它费用按10，造粒成本约为153110220压缩打包电、设备折旧、人工、维护费用等8.40.7554其他费52430破碎24.5356粗破碎4065电、设备折旧、人工、维护费用等52.56108精破碎7696运输燃料、设备折旧、人工、其他费用等160715560参考值，元/km2.43.0储存电、水、人工费用等参考0.25元/m3天0.25*因各地区存在差异，各工序成本存在较大差别，以上数据仅作参考；能源费用主要指电费，对于运输工序，指的是燃料费用。

32电站系统工程2008年第24卷3.2工艺的经济性分析3.2.1固化成型工艺按照表1中的各工序成本核算，秸秆固化成型预处理工艺的综合成本为：

综合成本=收集成本+粗破碎成本+固化成型成本+运输成本+储存成本。

计算为294735元/t，另加运费和储存费用。

3.2.2压缩打包/捆工艺按照表1中的各工序成本核算，秸秆压缩打包预处理工艺的综合成本为：

综合成本=收集成本+压缩打包成本+运输成本+储存成本+粗破碎成本。

计算为184545元/t，另加运费和储存费用，或者精破碎成本。

3.2.3工艺的经济性对比在收集量一定情况下（10000t），收集成本按250元/t计，收购转运点距生产企业平均距离35km，固化密度1000kg/m3，草捆密度300kg/m3，运输车辆载重20t，运输载容50m3，储存时间60d，两种工艺的经济性对比见表2。

表2收集量10000t时综合成本分析（单位：

万元）工艺名称收集固化/压缩破碎运输储存合计固化成型250110220粗40658.49.515423.4559.5所占比例/%455926399.511.51.532.53.5100粗4065粗375.2409压缩打包2502430精769611.21450粗精451.2505616767111633.51213粗100所占比例/%50555617192.51011粗精100由此可知，对于两种预处理工艺，收集成本占综合成本的比重都较大，故秸秆的收集成本是衡量建设秸秆应用项目可行性的重要标准。

对于固化成型预处理工艺，固化成型工序成本是影响综合成本的重要因素；对于压缩打包预处理工艺，破碎和储存成本是影响综合成本的关键因素。

在进行秸秆利用项目可行性调查时，应重点对以上因素进行分析。

4秸秆预处理工艺的选择关于如何选择秸秆预处理工艺的讨论，建立在下列假设基础之上：

生产企业的秸秆利用形式已经确定，如掺烧发电、气化发电等；生产企业周围半径50km内秸秆资源丰富；亩产干秸秆1t（两季）。

4.1以生产企业规模为依据生产企业规模越大，则需要秸秆量越多，收集辐射半径就越大，这与运输成本关系密切，所以企业的生产规模是进行秸秆预处理工艺选择的重要指标。

假设以企业为中心的圆周范围内种植农作物，年耗秸秆1万t的生产企业，辐射半径约1.5km，实际辐射半径在34km内的秸秆产量即可满足需求；若生产企业规模相对较小，实际辐射半径5km之内秸秆量可满足企业需求，可由生产企业直接收购，不设立收购转运点，秸秆以散装形式运输和收集，在电厂内完成其他工序；而对于秸秆需求量较大的企业，年耗秸秆超过10万吨，或实际辐射半径超过20km，则应建立秸秆收购点，具体工艺选择还需考其他因素。

4.2以企业利用形式为依据秸秆预处理工艺选择的出发点是满足企业利用的需要，同时兼顾经济性。

如果是秸秆直燃发电，可以根据炉型或燃烧方式选择秸秆预处理工艺，比如流化床燃烧优先选择压缩打包预处理工艺等；气化发电一般规模较小，优先选择成型或造粒；如果是煤和秸秆掺烧，则看锅炉是流化床还是煤粉炉等进行预处理的选择，煤粉炉优先选择压缩打包工艺，流化床视其规模大小可选择压缩打包或成形造粒。

4.3其他在进行预处理工艺选择时，还要考虑许多其他因素，如企业是新建还是技术改造等。

若是新建电厂，技术和设备是针对秸秆特点选用的，其规模和利用方式可与预处理协同考虑，有较大选择余地，但是新建电厂大都为130t/h高温高压和75t/h中温中压两种锅炉，秸秆需求量较大，从经济角度分析，收集半径宜控制在50km范围内；而技术改造时，受原有技术和设备的限制较多，选择余地较小。

如十里泉电厂煤粉炉掺烧秸秆，由于锅炉是针对煤粉设计的，掺烧秸秆时由于腐蚀问题，掺烧量有限，而且应优先采用秸秆粉形式，故其预处理工艺采用压缩打包工艺8。

从以上分析不难看出，秸秆预处理工艺的选择是个综合考虑分析的过程，需要考虑多种因素，设计多种方案并进行可行性分析比较后才能确定。

5结论在我国，秸秆的大规模应用才刚刚兴起，虽然已有成功运营的实例，但技术和设备几乎都是从国外引进，未能很好地适应我国的国情，在运行中出现了许多问题。

特别是在秸秆预处理阶段，直接引进使用外国技术和设备并不可行，而应该根据我国的实际情况，发展有中国特色的秸秆预处理工艺。

在目前秸秆利用中，还存在下列问题亟待解决：

（1）秸秆大规模应用成功与否，关键在于秸秆原料的组织和管理。

初期需依靠地方政府行政引导、组织和政策支持，保证充足的秸秆燃料（按合理价格）供应。

而发电企业应加快建设自主秸秆收、储、运网络和模式，用较短时间建立起市场化运营的模式，并力求最大幅度降低燃料运营成本9。

（2）现有国情下，建造只烧秸秆的小电厂，局限于秸秆难收集、资源分散等特点，其规模一般较小，而且运行效率远不能和大电厂相比，发电成本很高，能否实现可持续发展还是个疑问。

而进行煤和秸秆的混烧，在技术和经济层面上更加可行，特别适合于原有锅炉的技术改造。

（3）新建秸秆电厂多应用国外水冷振动炉排技术，这种技术燃料适应性差，除秸秆外不能烧其它燃料。

如何应对秸秆缺乏或者高成本，是电厂必须面对的问题。

已有实例表明，第2期赵希强等：

生物质秸杆预处理工艺及经济性分析33在电厂投入运营后，由于燃料单一，农民普遍提高秸秆的出售价格，而企业缺乏必要的应对措施。

而生物质循环流化床技术，燃料适应性广，可以烧煤，是生物质秸秆利用的发展方向。

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1518.9钟史明,马永贵.浅谈秸秆发电技术.中国电力科技网EB.http:

/川（上接第29页场灰样的含碳量，右边是乙侧电场灰样的含碳量，工况2的2电场甲侧试验期间无法取出灰样，故用“-”表示。

从表5中可以直观地看出工况2和工况3的飞灰可燃物含量都有明显下降（机械未完全燃烧损失将相对下降），但是工况2的排烟氧量较高，其带来排烟损失较大，经济性有限；工况3降低了一次风风量，而总的氧量并没有增加，使得炉膛整体温度水平有2030提高，炉膛出口最高温度达到了960。

考虑到较高的温度水平会增加炉内屏式受热面的变形量，并有可能降低分离器内耐火材料的使用寿命，因此建议将工况3的流化风量适当加大作为今后运行工况，其具体参数见表6。

由于工况3采取了较低的一次风率，这将有助于降低炉膛内的磨损量，延长锅炉连续运行时间。

表6140150MW推荐运行操作参数序号参数名称推荐运行值1流化风量/Nm3h-11770001870002风室压力/kPa10113二次风量/Nm3h-12（8700094000）4床温/9009405炉膛出口温度/9009506表盘指示氧量/%3.23.65效率核算为了便于运行人员掌握锅炉设备的运行情况，利用试验期间采集到的运行数据，结合入炉煤以及灰样和渣样的化验数据，专门进行了锅炉的效率核算，核算结果如表7所示，表中同时列出了BMCR条件下的效率计算值。

对比优化运行前后的数据可以发现，试验前锅炉热效率为91.62%（修正前为91.65%），通过运行优化调整，锅炉热效率提高到92.16%（修正前为92.21%），上升了0.54%（修正前为0.56%），需要着重指出的是试验期间的入炉煤灰分较低，仅为15.88%（设计煤质的灰分为37.85%），如果入炉煤接近设计煤种的话，锅炉热效率可以提高1%以上。

表7锅炉设计效率表项目设计值（BMCR）优化运行前优化运行后干燥无灰基挥发分/%34.4633.933.9收到基灰分/%37.8515.8815.88入炉煤收到基碳/%47.4251.0951.09入炉煤收到基低位发热量/kJkg-1181001809018090排烟热损失/%5.906.135.87可燃气体未完全损失/%0.080.080.08固体未完全燃烧热损失/%2.591.681.39散热损失/%0.360.360.36炉渣物理热损失/%0.120.090.09石灰石煅烧热损失/%-0.0100有效利用热（效率）/%90.9490.34（保证值）91.6591.62（修正后）92.2192.16（修正后）6结论通过此次试验和运行优化调整，修正了锅炉设备的风量测量元件，为运行人员提供了可靠翔实的数据，减少了运行的盲目性。

试验证明，冷态试验和热态试验对于锅炉的安全经济运行非常重要，合理的运行方式可以减轻锅炉炉内的磨损。

改造完成后，该锅炉的连续运行时间超过了100天，相比改造之前的频繁爆管停炉，锅炉设备的安全经济性显著提高。

参考文献1黄中.内蒙古华电乌达热电有限公司480t/h循环流化床锅炉（1号炉）冷态试验、热态试验及运行优化调整研究报告R.西安热工研究院有限公司,2006.2P.巴苏,S.A.弗雷泽.循环流化床锅炉的设计与运行M.科学出版社,1994.3党黎军.循环流化床锅炉的启动调试与安全运行M.中国电力出版社,2002.4岑可法,倪明江,骆仲泱,等.循环流化床锅炉理论设计与运行M.中国电力出版社,1998.496.5柳目,谭云松.480t/hCFB锅炉的运行调节及常见事故处理J.电站系统工程,2004,20（4）.6徐朝刚.2135MW机组循环流化床锅炉整套启动调试方案J.电站系统工程,2007,23

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