劉志永

（永清環(huán)保股份有限公司湖南長(zhǎng)沙410329）

解決生物質(zhì)燃料規(guī)模化利用新方法——生物質(zhì)烘焙技術(shù)

劉志永

（永清環(huán)保股份有限公司湖南長(zhǎng)沙410329）

生物質(zhì)能是可再生能源的重中之重，在未來的能源格局中將扮演越來越重要的角色。但是由于生物質(zhì)本身特點(diǎn)的限制，在生物質(zhì)燃料規(guī)?；瘧?yīng)用的道路上，仍有不少的障礙，比如低熱值、高水分含量等。因此，本文介紹了一種有效的生物質(zhì)預(yù)處理方法——烘焙。烘焙能顯著改變生物質(zhì)的能源特性，對(duì)以木顆粒生物質(zhì)為代表的生物質(zhì)燃料應(yīng)用有重要意義。文章著眼于當(dāng)下國(guó)內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究，簡(jiǎn)述了烘焙對(duì)生物質(zhì)能源特性的影響，以及該技術(shù)的應(yīng)用狀況和研究進(jìn)展等。最后，本文對(duì)生物質(zhì)烘焙預(yù)處理的潛力作了分析和展望。

生物質(zhì)；烘焙；應(yīng)用；能源特性

1　背景

1.1世界生物質(zhì)能發(fā)展的規(guī)劃

2015年12月12日，《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》近200個(gè)締約方在巴黎達(dá)成新的全球氣候協(xié)議，新一輪的可再生能源的投資和建設(shè)將隨之開始。生物質(zhì)能是將太陽(yáng)能以化學(xué)能形式貯存在生物質(zhì)中的能量形式。它可轉(zhuǎn)化為常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料，可謂取之不盡、用之不竭。相對(duì)于其他可再生能源，生物質(zhì)能是唯一的可以為所有能源部門（包括交通運(yùn)輸、電力、加熱和制冷等行業(yè)）提供化石燃料替代方案，且實(shí)現(xiàn)完全的碳中性可持續(xù)發(fā)展的能源。

1.2中國(guó)生物質(zhì)能發(fā)展的規(guī)劃

中國(guó)近年在生物質(zhì)能方面投入巨大，已初具規(guī)模。2013年全國(guó)共有生物質(zhì)直燃發(fā)電項(xiàng)目200余項(xiàng)，并網(wǎng)容量7790MW，上網(wǎng)電量356×108kW·h，相當(dāng)于三峽電站1/3的發(fā)電量。同時(shí)，《生物質(zhì)能“十二五”規(guī)劃》中明確指出，到2015年，我國(guó)生物質(zhì)能年利用量將超過5000萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤。其中，生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)容量1300× 104kW。屆時(shí)，每年生物質(zhì)直燃發(fā)電量約780×108kW·h，供氣220×108m3，成型燃料和液體燃料產(chǎn)量分別達(dá)到1000×104t和500×104t。無論是從全球范圍還是立足中國(guó)，無論今天還是未來，生物質(zhì)能都注定扮演著重要的角色。

1.3生物質(zhì)燃料缺點(diǎn)和烘焙技術(shù)的解決方案

盡管生物質(zhì)具有巨大的直接轉(zhuǎn)化為燃料的潛力，但其自身具有的一些缺點(diǎn)約束了其更廣泛的利用。其中比較顯著的缺點(diǎn)有：高水分、低能量密度、可磨性和均勻性差，這些缺點(diǎn)導(dǎo)致生物質(zhì)在作為燃料利用的過程當(dāng)中，產(chǎn)生一些問題。烘焙預(yù)處理則可以解決大部分問題，得到優(yōu)質(zhì)的燃料-生物炭，生物質(zhì)烘焙技術(shù)是近年發(fā)展起來的生物質(zhì)預(yù)處理和燃料升級(jí)技術(shù)，可以應(yīng)對(duì)生物質(zhì)作為燃料利用過程的大部分問題，甚至將生物質(zhì)變成與煤相似的能源商品，在世界范圍內(nèi)流通。例如：烘焙前的松木屑的研磨能耗為238 kW·h/t，而烘焙后的產(chǎn)物則只需要23 kW·h/t。而且，可以利用現(xiàn)有的煤粉鍋爐已有的燃料處理系統(tǒng)，直接實(shí)現(xiàn)高比例的煤粉/生物質(zhì)共燃，甚至是百分百的替代（煤粉）燃燒。

2　烘焙的概念和特點(diǎn)

烘焙，通常是指在常壓無氧條件下，對(duì)生物質(zhì)在200℃～300℃范圍內(nèi)進(jìn)行慢速熱解，從而得到固體燃料的生物質(zhì)預(yù)處理和燃料升級(jí)技術(shù)。典型的情況是，烘焙后生物質(zhì)質(zhì)量的30%以氣態(tài)的形式揮發(fā)，包括水分、一些含氧烴和一些其他氣體。但是，這些氣體揮發(fā)物只帶走了生物質(zhì)中10%的能量，因此烘焙后的固體產(chǎn)物比未經(jīng)處理的原材料有更高的能量密度。烘焙后的生物炭主要是由芳香烴和單質(zhì)碳或具有石墨結(jié)構(gòu)的碳組成，它的燃料性能會(huì)比起烘焙前得到很大的提升。

O/C和H/C原子比的關(guān)系是燃料的重要性質(zhì)。該比例低的燃料，能減少燃燒時(shí)的煙氣量、水蒸氣量和能量損失。生物質(zhì)原料的O/C和H/C原子比就比較高，但由于烘焙過程脫除了水分和二氧化碳，使得烘焙后的生物炭具有更低的O/C-H/C原子比。而且隨著烘焙的溫度的提高和時(shí)間的延長(zhǎng)，烘焙后的生物炭的O/C和H/C原子比就對(duì)木質(zhì)生物質(zhì)原料、生物炭、煤作了更詳細(xì)的對(duì)比。從中可知，烘焙后的生物質(zhì)與煤相比，含水量、干基固定碳含量明顯更低，而熱值、體能值密度則大致相當(dāng)。部分性能，如水分、灰分和重金屬含量方面還比煤要好。

3　研究現(xiàn)狀

生物質(zhì)烘焙是一種非常有前景的生物質(zhì)預(yù)處理技術(shù)，相關(guān)的研究方興未艾。在著名的數(shù)據(jù)庫(kù)Science Direct中，近3年每年都有約100篇的論文發(fā)表，其中大部分是關(guān)于生物質(zhì)烘焙技術(shù)的發(fā)展和生物炭的性能的研究。

出于對(duì)烘焙技術(shù)的潛力的興趣，現(xiàn)在世界上很多組織都在推進(jìn)各種烘焙系統(tǒng)的技術(shù)及商業(yè)化發(fā)展，包括政府或商業(yè)組織的研究中心。目前烘焙反應(yīng)器開發(fā)商的資料顯示。它們的設(shè)備主要都是基于滾筒、螺旋運(yùn)輸、移動(dòng)床鍋爐等技術(shù)。

4　顆?；秃姹杭夹g(shù)的應(yīng)用和展望

如今在丹麥等歐洲國(guó)家，木質(zhì)顆粒常常被用作煤的替代燃料，參與到熱電聯(lián)產(chǎn)當(dāng)中。木質(zhì)顆?；谷剂细子诖鎯?chǔ)、運(yùn)輸和利用。而且，歐盟已經(jīng)公布了木顆粒標(biāo)準(zhǔn)化要求，為木顆粒作為能源商品的交易流通奠定了很好的基礎(chǔ)。近來，人們的目光轉(zhuǎn)向了“顆?；姹骸甭?lián)合生產(chǎn)。目前，該技術(shù)已成功引起了商業(yè)和科研機(jī)構(gòu)的興趣。

目前，世界范圍內(nèi)木質(zhì)燃料的生產(chǎn)大國(guó)有美國(guó)、澳大利亞、瑞典、俄羅斯、中國(guó)和加拿大[1]。根據(jù)《Renewables 2015 Global Status Report》，2014年全球木顆粒生物質(zhì)產(chǎn)量達(dá)到2410×104t，且呈持續(xù)上升趨勢(shì)

木顆粒生物質(zhì)能源的迅猛發(fā)展很大程度上歸功于歐盟積極應(yīng)對(duì)氣候變化的能源政策。歐盟《Renewable EnergyDirective》2009年制定了“20-20-20”目標(biāo)：到2020年歐盟將在1990年的基礎(chǔ)上，減少20%的溫室氣體排放，減少20%的能源消費(fèi)量，提升可再生能源比重至20%。這一系列計(jì)劃促使歐盟成為全球最大的木顆粒生物質(zhì)市場(chǎng)，占有全世界近80%的木顆粒生物質(zhì)消耗量，遠(yuǎn)超第二位的美國(guó)和第三位的韓國(guó)。在2014年，歐盟將此目標(biāo)調(diào)整為，到2030年，減少40%的溫室氣體排放；可再生能源比重升至27%；能源效率同比提高27%?？梢灶A(yù)見，隨著烘焙技術(shù)的發(fā)展，形成新的市場(chǎng)和技術(shù)規(guī)范后，該技術(shù)在未來會(huì)有著廣闊的前景。

5　結(jié)語

生物質(zhì)能的利用是實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展和改善氣候問題的重要手段。目前中國(guó)乃至全球的生物質(zhì)儲(chǔ)存量和可利用量都非常巨大，但由于生物質(zhì)的種種缺點(diǎn)，其作為燃料利用和能源商品流通的功能并沒有得到大規(guī)模的實(shí)現(xiàn)。生物質(zhì)的烘培預(yù)處理技術(shù)，可以解決生物質(zhì)儲(chǔ)存、運(yùn)輸和破碎方面的問題，大大提高其燃燒性能，有望使生物質(zhì)成為一種能大規(guī)模和大范圍流通的能源商品，實(shí)現(xiàn)全社會(huì)的低碳可持續(xù)發(fā)展。目前我國(guó)電廠鍋爐中將大規(guī)模實(shí)施超潔凈排放的煙氣控制技術(shù)，生物質(zhì)替代煤炭的環(huán)保性能不容易得到體現(xiàn)。但根據(jù)2014年發(fā)布的《燃煤鍋爐節(jié)能環(huán)保綜合提升工程實(shí)施方案》，我國(guó)有46.7萬臺(tái)燃煤工業(yè)鍋爐將面臨升級(jí)和淘汰。生物質(zhì)烘焙技術(shù)的發(fā)展，預(yù)計(jì)可以為實(shí)現(xiàn)這些燃煤鍋爐的環(huán)保升級(jí)發(fā)揮巨大的作用。同時(shí)，更大規(guī)模的生物質(zhì)能源的應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)的低碳減排承諾的重要保證。

[1]WorldEnergyCouncil.WorldEnergyResources:2013Survey[R].2013.

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