生物质燃料转化利用技术的现状发展与锅炉行业的选择.doc

《生物质燃料转化利用技术的现状发展与锅炉行业的选择.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《生物质燃料转化利用技术的现状发展与锅炉行业的选择.doc（23页珍藏版）》请在第一文库网上搜索。

1、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

2、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

3、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、

4、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0.81.3kg/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

5、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9

6、00万吨左右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

7、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56MJ/m37。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

8、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

9、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(

10、LHV)为1318MJ/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，生物油中的羧酸含量一般在15%左右，主要是乙酸、甲酸和丙酸，还含有少量的苯甲酸，是制备有机酸钙盐的合适廉价原料。华中科技大学利用生物油和钙基吸附剂制备出富含有机酸的“富钙生物油”，可作为有机酸钙盐的替代品，用于炉内氮硫污染物的联合脱除，图6为不同温

11、度下富钙生物油对SO2及NOx的联合脱除效率，其最大脱硫效率超过90%，脱硝效率约60%8。1.4生物质热解多联产技术生物质热解多联产技术，是一种创新的生物质热解目标产物调控新思路，采用焦炭复合活化、热解油催化调质与分组富集、热解气净化与品质提升等技术实现对目标产物的精确调控和高效提质，同时实现炭、气、油的高效、高值化多联产，以及气、电、热多联供，该技术工艺流程如图7。以秸秆为例，炭产率35%，热值20MJ/kg；热解气产率约25%，热值12MJ/m3；生物油产率30%，富含糠醛、苯酚等物质。其中，品质优良的炭可作为燃料炭、生物炭和活性炭；中高热值的燃气用于集中供气、发电，余热用于供热；富含有

12、机成分的液体产物可以作为化工原料，从而实现了低品位的生物质资源向高附加值的能源和化工产品的转化和利用。与现有技术相比，该技术生产强度提高4倍以上，能耗降低50%。目前已在湖北鄂州、天门、孝感、赤壁等地建设20多处生物质热解多联产技术示范点，每个示范点的供气规模10006000户，经济与社会效益明显。因其先进性和优异的环保性能，该技术获得2014年联合国工业发展组织颁发的“全球可再生能源领域最具投资价值的领先技术蓝天奖”。同时“一种连续式生物质热解炭气油多联产系统”获得第十七届中国专利奖优秀奖。该技术现作为国家“绿色能源示范县”以及“新能源示范城市”等建设的主推技术之一，将很快在全国多地推广应用

13、。因此，经过几十年的发展，各种生物质燃料转化利用技术已比较成熟，已基本满足工业锅炉燃料供给的需要。目前各项技术推广应用的主要障碍是技术的经济性和市场竞争力不足。根据生物质原料自身特点，有必要改变单一产品为主的转化利用模式，积极寻求利用价值最大化的转化技术，综合化、高热值、多联产的资源化利用应是生物质燃料转化技术的发展方向。2生物质燃料锅炉技术现状及存在的问题近年来，我国的生物质燃烧技术有了很大的发展，研发了一批具有自主知识产权的生物质燃烧技术及设备。但从整体来看，我国生物质燃料锅炉系统设计理念、技术还不够先进，在运行、管理、污染物控制等方面还存在诸多问题。生物质燃料在锅炉中应用的主要形式包括：

14、生物质固体燃料燃烧，生物燃气燃烧及生物油燃烧。下面分别阐述生物质燃料锅炉技术现状及存在的问题。2.1生物质固体燃料燃烧按照燃烧方式的不同，生物质固体燃料燃烧技术可分为层燃技术、流化床燃烧技术及悬浮燃烧技术。层燃技术主要包括链条炉、往复炉排炉及振动炉排炉，适用于燃烧含水率较高、颗粒尺寸变化较大的生物质燃料，具有较低的投资和操作成本。国外生物质层燃技术的发展已比较成熟，其中具有代表性的产品有丹麦的“雪茄型”捆烧炉9及比利时的温克生物质炉。我国也有许多研究单位开发出了各种类型的生物质层燃炉，并针对所使用原料的燃烧特性对炉膛结构进行优化，包括双燃烧室结构、闭式炉膛结构及其他结构10。流化床燃烧技术具有

15、燃料适应性广、燃烧温度低、有害气体排放少、负荷调节范围大等一系列的优点，很适合燃烧水分大、热值低的生物质燃料。目前，国外采用流化床燃烧技术开发利用生物质能已具有相当的规模。美国GE公司及爱达荷能源公司分别研制出100t/h的大型燃废木循环流化床发电锅炉及50t/h的蒸汽锅炉11。我国自20世纪80年代末开始，对生物质流化床燃烧技术也进行了深入的研究。国内各研究单位与锅炉厂合作，联合开发了各种类型的生物质流化床锅炉，投入运行后效果良好，还有大量产品出口到了国外，这对我国生物质能的利用起到了很大的推动作用。例如华中科技大学根据稻壳的物理、化学性质和燃烧特性，设计了以流化床燃烧方式为主，辅之以悬浮燃

16、烧和固定床燃烧的组合燃烧式流化床锅炉12。试验研究证明，该锅炉具有流化性能良好、燃烧稳定、不易结焦等优点，已获得国家专利。此外华中科技大学还研究开发了生物质与煤流化床混烧技术，并为广西某糖厂研发了一台35t/h蔗渣与煤混烧循环流化床锅炉，如图8所示。悬浮燃烧技术主要适用于燃烧粉体生物质燃料，燃烧强度及温度较高，可达到较高的燃烧效率，同时可实现负荷快速变化和高效控制。但由于燃烧温度较高，其NOx排放控制需要特别关注。燃烧器是确保生物质粉体高效低NOx燃烧的关键，由于生物质与煤燃烧特性存在巨大差异，常规的煤粉燃烧器并不适用，因此需要从生物质本身的燃烧特性出发，设计专用的生物质燃烧器，图9为针对生物质粉体燃料研发设计的低NOx燃烧器结