生物质燃料转化利用技术的现状、发展与锅炉行业的选择

生物质燃料转化利用技术的现状、发展与锅炉行业的选择 摘要介绍了生物质成型、生物质气化、生物质液化及热解多联产等几种常见的生物质转化技术。分析了生物质燃料在锅炉行业中的利用现状及存在的主要问题，并指出锅炉行业未来应立足生物质燃料的发展，并朝着原料绿色化、生产清洁化和产品智能化的方向发展。 引言 工业锅炉是重要的热能动力设备，在国民经济发展及人民生活中起着不可或缺的作用。当前我国工业锅炉以燃煤为主，年耗煤量约占全国煤炭消耗总量的1/5，污染物排放总量仅次于电站锅炉[1]。 随着国家对环保要求的日益严格，污染物排放严重的中小型燃煤锅炉在我国将逐渐淘汰，被天然气、电力或生物质等新能源为燃料的高效节能环保型锅炉所替代。 作为一个农业大国，我国生物质资源丰富，能源化利用潜力巨大。全国可作为能源利用的农作物秸秆及农产品加工剩余物、林业剩余物和能源作物、生活垃圾与有机废弃物等生物质资源总量每年约4.6亿吨标准煤。生物质作为一种含碳、固体形态的可再生能源，其热转化利用技术、设备与煤炭具有相似性，且生物质氮、硫含量低，污染物排放要远低于燃煤。因此，大力发展生物质燃料锅炉将有助于缓解燃煤带来的环境污染问题。 我国政府历来重视生物质能的开发利用，并将其作为能源领域的一个重要方面，纳入了国家能源发展战略。国家发改委、国家能源局印发的关于促进生物质能供热发展的指导意见中指出到2035年，生物质热电联产装机容量超过2500万千瓦，生物质成型燃料年利用量约5000万吨，生物质燃气年利用量约250亿立方米，生物质能供热合计折合供暖面积约20亿平方米，年直接替代燃煤约6000万吨[2]。锅炉是生物质燃料利用的主要设备，也是我国节能减排的主战场，锅炉行业必须紧跟新时代要求，加快实现原料绿色化、生产清洁化和产品智能化。 1生物质燃料转化技术现状 生物质资源来源广泛，理化特性各具特色，转化技术也多种多样，包括物理方法、热化学方法和生物化学方法等，可得到的产品包括成型燃料、生物燃气、生物油、生物炭、沼气、燃料乙醇、生物柴油等。下面主要介绍几种与锅炉相关 的生物质燃料转化技术。 1.1生物质成型技术 与传统化石能源相比，生物质具有资源分散、能量密度低、容重小、储运不方便等缺点，造成运输成本较高，严重制约了生物质能的大规模应用。生物质压缩成型技术是生物质能的一种简单、实用、高效的利用形式，可以大大提高生物质能量密度，便于储存和运输，为高效利用农林废弃物提供了一条新的途径。生物质在挤压成型后，密度可达0.8～1.3kg/m3，能量密度与中热值煤相当，非常适合作为锅炉的燃料[3]。 生物质固化成型技术主要分为辊模挤压式成型包括环模式和平模式、活塞冲压式成型包括机械式、液压式和螺旋挤压式成型等几种主要型式，工作原理分别如图1、图2和图3所示。其中的辊模挤压式成型可以实现自然含水率生物质不用任何添加剂、粘结剂的常温压缩成型，生产率较高，是规模化、产业化发展的重点。国外辊模挤压式成型机设备制造比较规范，自动化程度高，生产技术已基本成熟，关键部件寿命达到1000h以上，生产率达到2t/h以上，已实现规模化商品生产。但是，这些成型设备是以木屑等林业剩余物为主要原料，且设备价格高，并不适合我国以秸秆为原料的国情。 近年来，由于国家对秸秆能源化工作的高度重视及相关政策的支持，我国生物质固体成型燃料技术取得明显的进展，生物质成型技术及成型压制设备也逐渐成熟，成型机械的能耗、关键部件使用寿命达到了大规模生产的要求。2016年建设农作物秸秆固化成型工程合计1300多处，成型燃料年产量达653万吨；林业三剩物固体成型燃料年产量约250万吨，总计900万吨左右[4]。此外，农业部和地方政府陆续发布了生物质固体成型燃料技术条件、生物质固体成型燃料质量分级、生物质成型燃料锅炉、生物质成型燃料锅炉大气污染物排放标准等相关标准，为生物质成型燃料锅炉专业化、规模化和产业化发展打下了较好的基础。 1.2生物质气化技术 生物质气化是利用空气中的氧或其它含氧物作气化剂，在高温条件下将生物质燃料中的可燃物转化为可燃气主要是氢气、一氧化碳和甲烷的热化学过程。生物质原料挥发分高达70以上，受热后在相对较低的温度下就可使大量的挥发分物质析出，因此，气化技术非常适用于生物质原料的转化[6]。生物质气化得到的燃气既可作为清洁燃料，又可作为费托合成液体燃料的原料，在电力供应、热能生产、化工合成、金属冶炼等领域均有广泛应用，因此气化技术是目前国内外竞相开发的重要生物质能技术。 根据所使用气化剂的不同，生物质气化可分为空气气化、氧气气化、水蒸气气化、氢气气化等。出于成本考虑，一般采用空气气化，但所产生的燃气热值较低，一般在5～6MJ/m3[7]。气化炉是生物质气化技术的核心设备，按设备运行方式，生物质气化炉可分为固定床、流化床和气流床。其中固定床和流化床是比较常见的两种气化炉型式。固定床气化炉分为下吸式和上吸式如图4，流化床气化炉分为鼓泡流化床和循环流化床如图5。不同气化设备的技术对比如表1所示。通常，固定床气化炉结构简单，操作方便，适合较小规模和对燃气品质要求不高的场合，如户用或农村集中供气；而流化床特别是循环流化床气化炉适合大规模连续生产，如发电或制合成气。 我国生物质气化技术研究始于20世纪80年代初期，目前已研制出可用于户用、集中供气和发电的各种类型气化设备，拥有成熟的燃气锅炉供热、内燃机发电等技术。其中，气化集中供气已在山东、辽宁、吉林、安徽等十几个省市推广，MW级气化发电技术设备实现了出口，生物质气化合成液体燃料技术也已完成了千吨级的示范。 1.3生物质液化技术 20世纪70年代爆发石油危机后，可以直接从生物质得到液体燃料的生物质热解液化技术迅速发展。生物质热解液化是指在中温500℃左右和缺氧条件下使生物质快速受热分解，热解气体再经快速冷凝得到以液体产物生物油为主的热化学转化过程。在合适的条件下，生物油的最高产率可以达到70以上。 国外在生物质热解液化研究方面起步较早，所开发的鼓泡流化床、循环流化床、旋转锥和真空反应器等技术均实现了较大规模的应用。其中流化床热解装置的最大处理量达到200吨/天，所生产的生物油用于热电联产。我国从1995年开始发展该技术，目前已有多家单位研发热解液化技术，但大多停留在实验室阶段。其中，中国科学技术大学建立了年产10000吨生物油的生物质热解制备生物油应用示范工程，华中科技大学开发了移动式生物质液化技术，可有效解决生物质资源低成本收集和高值化利用问题。 表2给出了生物油与重油基本特性对比。生物油热值LHV为13～18MJ/kg，约为重油的一半，可以作为锅炉、柴油发动机和燃气轮机的燃料，比直接燃烧生物质要高效、清洁。但同时生物油中的氧含量较高，还含有15～30的水，所以生物油往往表现出强酸性、高粘度、低热值和品质不稳定等特性，使生物油的推广应用受到了很大的限制。除用作燃料外，生物油还可作为大规模气化、制氢的原料及用于提炼高附加值的化学品。此外，生物油中