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生物质燃料转化利用技术的现状、发展与锅炉行业的选择

发布时间:2020-02-27 09:31内容来源:网络整理 点击:

张世红,廖新杰,张雄,陈应泉,邵敬爱,王贤华,杨海平,陈汉平

(华中科技大学煤燃烧国家重点实验室,湖北武汉430074)

  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。

  0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。

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