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生物質燃料轉化利用技術的現狀、發展與鍋爐行業的選擇(一)

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瀏覽:- 發布日期:2022-02-23 16:51:38【

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介紹了生物質成型、生物質氣化、生物質液化及熱解多聯產等幾種常見的生物質轉化技術。分析了生物質燃料在鍋爐行業中的利用現狀及存在的主要問題,并指出鍋爐行業未來應立足生物質燃料的發展,并朝著原料綠色化、生產清潔化和產品智能化的方向發展.

0引言

工業鍋爐是重要的熱能動力設備,在國民經濟發展及人民生活中起著不可或缺的作用。當前我國工業鍋爐以燃煤為主,年耗煤量約占全國煤炭消耗總量的1/5,污染物排放總量僅次于電站鍋爐[1]。

隨著國家對環保要求的日益嚴格,污染物排放嚴重的中小型燃煤鍋爐在我國將逐漸淘汰,被天然氣、電力或生物質等新能源為燃料的高效節能環保型鍋爐所替代。

作為一個農業大國,我國生物質資源豐富,能源化利用潛力巨大。全國可作為能源利用的農作物秸稈及農產品加工剩余物、林業剩余物和能源作物、生活垃圾與有機廢棄物等生物質資源總量每年約4.6億噸標準煤。生物質作為一種含碳、固體形態的可再生能源,其熱轉化利用技術、設備與煤炭具有相似性,且生物質氮、硫含量低,污染物排放要遠低于燃煤。因此,大力發展生物質燃料鍋爐將有助于緩解燃煤帶來的環境污染問題。

我國政府歷來重視生物質能的開發利用,并將其作為能源領域的一個重要方面,納入了國家能源發展戰略。國家發改委、國家能源局印發的《關于促進生物質能供熱發展的指導意見》中指出:到2035年,生物質熱電聯產裝機容量超過2500萬千瓦,生物質成型燃料年利用量約5000萬噸,生物質燃氣年利用量約250億立方米,生物質能供熱合計折合供暖面積約20億平方米,年直接替代燃煤約6000萬噸[2]。鍋爐是生物質燃料利用的主要設備,也是我國節能減排的主戰場,鍋爐行業必須緊跟新時代要求,加快實現原料綠色化、生產清潔化和產品智能化。

1生物質燃料轉化技術現狀

生物質資源來源廣泛,理化特性各具特色,轉化技術也多種多樣,包括物理方法、熱化學方法和生物化學方法等,可得到的產品包括:成型燃料、生物燃氣、生物油、生物炭、沼氣、燃料乙醇、生物柴油等。下面主要介紹幾種與鍋爐相關的生物質燃料轉化技術。

1.1生物質成型技術

與傳統化石能源相比,生物質具有資源分散、能量密度低、容重小、儲運不方便等缺點,造成運輸成本較高,嚴重制約了生物質能的大規模應用。生物質壓縮成型技術是生物質能的一種簡單、實用、高效的利用形式,可以大大提高生物質能量密度,便于儲存和運輸,為高效利用農林廢棄物提供了一條新的途徑。生物質在擠壓成型后,密度可達0.8~1.3kg/m3,能量密度與中熱值煤相當,非常適合作為鍋爐的燃料[3]。

生物質固化成型技術主要分為輥模擠壓式成型(包括環模式和平模式)、活塞沖壓式成型(包括機械式、液壓式)和螺旋擠壓式成型等幾種主要型式,工作原理分別如圖1、圖2和圖3所示。其中的輥模擠壓式成型可以實現自然含水率生物質不用任何添加劑、粘結劑的常溫壓縮成型,生產率較高,是規?;?、產業化發展的重點。國外輥模擠壓式成型機設備制造比較規范,自動化程度高,生產技術已基本成熟,關鍵部件壽命達到1000h以上,生產率達到2t/h以上,已實現規?;唐飞a。但是,這些成型設備是以木屑等林業剩余物為主要原料,且設備價格高,并不適合我國以秸稈為原料的國情。

近年來,由于國家對秸稈能源化工作的高度重視及相關政策的支持,我國生物質固體成型燃料技術取得明顯的進展,生物質成型技術及成型壓制設備也逐漸成熟,成型機械的能耗、關鍵部件使用壽命達到了大規模生產的要求。2016年建設農作物秸稈固化成型工程合計1300多處,成型燃料年產量達653萬噸;林業三剩物固體成型燃料年產量約250萬噸,總計900萬噸左右[4]。此外,農業部和地方政府陸續發布了《生物質固體成型燃料技術條件》、《生物質固體成型燃料質量分級》、《生物質成型燃料鍋爐》、《生物質成型燃料鍋爐大氣污染物排放標準》等相關標準,為生物質成型燃料鍋爐專業化、規?;彤a業化發展打下了較好的基礎。

1.2生物質氣化技術

生物質氣化是利用空氣中的氧或其它含氧物作氣化劑,在高溫條件下將生物質燃料中的可燃物轉化為可燃氣(主要是氫氣、一氧化碳和甲烷)的熱化學過程。生物質原料揮發分高達70%以上,受熱后在相對較低的溫度下就可使大量的揮發分物質析出,因此,氣化技術非常適用于生物質原料的轉化[6]。生物質氣化得到的燃氣既可作為清潔燃料,又可作為費托合成液體燃料的原料,在電力供應、熱能生產、化工合成、金屬冶煉等領域均有廣泛應用,因此氣化技術是目前國內外競相開發的重要生物質能技術。

根據所使用氣化劑的不同,生物質氣化可分為空氣氣化、氧氣氣化、水蒸氣氣化、氫氣氣化等。出于成本考慮,一般采用空氣氣化,但所產生的燃氣熱值較低,一般在5~6MJ/m3[7]。氣化爐是生物質氣化技術的核心設備,按設備運行方式,生物質氣化爐可分為固定床、流化床和氣流床。其中固定床和流化床是比較常見的兩種氣化爐型式。固定床氣化爐分為下吸式和上吸式(如圖4),流化床氣化爐分為鼓泡流化床和循環流化床(如圖5)。不同氣化設備的技術對比如表1所示。通常,固定床氣化爐結構簡單,操作方便,適合較小規模和對燃氣品質要求不高的場合,如戶用或農村集中供氣;而流化床特別是循環流化床氣化爐適合大規模連續生產,如發電或制合成氣。

我國生物質氣化技術研究始于20世紀80年代初期,目前已研制出可用于戶用、集中供氣和發電的各種類型氣化設備,擁有成熟的燃氣鍋爐供熱、內燃機發電等技術。其中,氣化集中供氣已在山東、遼寧、吉林、安徽等十幾個省市推廣,MW級氣化發電技術設備實現了出口,生物質氣化合成液體燃料技術也已完成了千噸級的示范。

1.3生物質液化技術

20世紀70年代爆發石油危機后,可以直接從生物質得到液體燃料的生物質熱解液化技術迅速發展。生物質熱解液化是指在中溫(500℃左右)和缺氧條件下使生物質快速受熱分解,熱解氣體再經快速冷凝得到以液體產物(生物油)為主的熱化學轉化過程。在合適的條件下,生物油的最高產率可以達到70%以上。

國外在生物質熱解液化研究方面起步較早,所開發的鼓泡流化床、循環流化床、旋轉錐和真空反應器等技術均實現了較大規模的應用。其中流化床熱解裝置的最大處理量達到200噸/天,所生產的生物油用于熱電聯產。我國從1995年開始發展該技術,目前已有多家單位研發熱解液化技術,但大多停留在實驗室階段。其中,中國科學技術大學建立了年產10000噸生物油的生物質熱解制備生物油應用示范工程,華中科技大學開發了移動式生物質液化技術,可有效解決生物質資源低成本收集和高值化利用問題。

表2給出了生物油與重油基本特性對比。生物油熱值(LHV)為13~18MJ/kg,約為重油的一半,可以作為鍋爐、柴油發動機和燃氣輪機的燃料,比直接燃燒生物質要高效、清潔。但同時生物油中的氧含量較高,還含有15%~30%的水,所以生物油往往表現出強酸性、高粘度、低熱值和品質不穩定等特性,使生物油的推廣應用受到了很大的限制。除用作燃料外,生物油還可作為大規模氣化、制氫的原料及用于提煉高附加值的化學品。此外,生物油中的羧酸含量一般在15%左右,主要是乙酸、甲酸和丙酸,還含有少量的苯甲酸,是制備有機酸鈣鹽的合適廉價原料。華中科技大學利用生物油和鈣基吸附劑制備出富含有機酸的“富鈣生物油”,可作為有機酸鈣鹽的替代品,用于爐內氮硫污染物的聯合脫除,圖6為不同溫度下富鈣生物油對SO2及NOx的聯合脫除效率,其最大脫硫效率超過90%,脫硝效率約60%[8]。

1.4生物質熱解多聯產技術

生物質熱解多聯產技術,是一種創新的生物質熱解目標產物調控新思路,采用焦炭復合活化、熱解油催化調質與分組富集、熱解氣凈化與品質提升等技術實現對目標產物的精確調控和高效提質,同時實現炭、氣、油的高效、高值化多聯產,以及氣、電、熱多聯供,該技術工藝流程如圖7。以秸稈為例,炭產率≥35%,熱值≥20MJ/kg;熱解氣產率約25%,熱值≥12MJ/m3;生物油產率≥30%,富含糠醛、苯酚等物質。其中,品質優良的炭可作為燃料炭、生物炭和活性炭;中高熱值的燃氣用于集中供氣、發電,余熱用于供熱;富含有機成分的液體產物可以作為化工原料,從而實現了低品位的生物質資源向高附加值的能源和化工產品的轉化和利用。與現有技術相比,該技術生產強度提高4倍以上,能耗降低50%。

目前已在湖北鄂州、天門、孝感、赤壁等地建設20多處生物質熱解多聯產技術示范點,每個示范點的供氣規模1000~6000戶,經濟與社會效益明顯。因其先進性和優異的環保性能,該技術獲得2014年聯合國工業發展組織頒發的“全球可再生能源領域最具投資價值的領先技術藍天獎”。同時“一種連續式生物質熱解炭氣油多聯產系統”獲得第十七屆中國專利獎優秀獎。該技術現作為國家“綠色能源示范縣”以及“新能源示范城市”等建設的主推技術之一,將很快在全國多地推廣應用。

因此,經過幾十年的發展,各種生物質燃料轉化利用技術已比較成熟,已基本滿足工業鍋爐燃料供給的需要。目前各項技術推廣應用的主要障礙是技術的經濟性和市場競爭力不足。根據生物質原料自身特點,有必要改變單一產品為主的轉化利用模式,積極尋求利用價值最大化的轉化技術,綜合化、高熱值、多聯產的資源化利用應是生物質燃料轉化技術的發展方向。

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