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生物质能源有哪些 生物质燃料能替代煤吗 各国生物质能源研究最新动态

作者:影子资源网(www.yzw7.com)

生物质固体成型技术的研究进展及应用效益分析

李平、蔡明、陈争鸣、崔金波

(重庆市农业科学院,重庆)

摘要:阐述了国内外生物质固体成型燃料技术的研究现状,总结了目前生物质成型燃料技术、设备的研究进展以及生物质固化成型燃料的应用现状,分析了我国生物质成型燃料应用的经济、社会和生态效益。

对化石能源的过度依赖造成了两个日益突出的问题:一是环境污染日益严重;二是现有化石燃料储量日益减少。在2009年哥本哈根国际气候大会上,提出了减少碳足迹的倡议。中国承诺,到2020年,单位GDP二氧化碳排放量将比2005年减少40% ~ 45%,非化石能源在一次能源消费中的比重将达到15%左右。世界各国都十分重视新能源的研发,生物质固体型煤燃料应运而生。

生物质固体成型技术的研究现状

生物质压缩成型技术是将包括锯末、秸秆、稻壳等农林废弃物在内的各种生物质资源通过加压和加热压缩成一定形状和密度的成型燃料棒的技术。目前,许多国家都开展了生物质压缩成型技术的研究,通过将松散的低热值物质压缩成具有一定形状和密度的压缩块(Bri-)或压缩颗粒()来高效利用生物质的潜在热能。

1.1国外生物质固体成型燃料的技术现状国外生物质成型燃料的发展始于20世纪30年代。美国在20世纪30年代开始研究压缩成型技术,并研制出螺杆压缩机。在温度80 ~ 350和压力条件下,木屑和刨花可以压缩成固体成型燃料。1978年,美国太阳能公司投资1.2亿美元,建造了一座日产300吨的化肥压缩块厂。20世纪50年代,日本成功研制出冲压成形机;自20世纪80年代以来,对生物质压缩成型燃料的机理进行了探讨,使成型燃料更加实用,在颗粒成型技术上取得了突破,并广泛应用螺杆挤出成型技术,在东南亚国家发展迅速。20世纪90年代以前,主要用于民用烹饪和取暖;1995年后,瑞典、丹麦、奥地利等国家大力推进工业化,一些国家的民用锅炉、工业锅炉和生物质成型燃料设备已经定型。此外,奥地利、瑞典等国的小型火力发电厂也开始应用模压燃料,并开始向国外销售技术和设备。目前,美国、荷兰、瑞典的生物质成型燃料生产已经实现工业化或产业化,原料从收集、干燥、粉碎、包装、销售全部在生产线上生产。此外,日本、美国和欧洲已经出台了成型燃料的生产标准。

1.2我国生物质固体成型燃料技术现状我国生物质固体成型燃料研究起步较晚,始于20世纪80年代,1990年后,机械螺杆和活塞成型技术得到发展,20世纪90年代,河南农业大学成功研制出HPB系列液压驱动柱塞成型机(大棒)。北京市大兴区利用研制的适用于农作物秸秆的HM-485环模成型机,建成年产2万吨生物质固体成型燃料生产线,并投入运行。成型机生产率高,关键部件使用寿命超过400小时。截至2009年12月,累计生产销售秸秆固体成型燃料12300吨。目前,河南、江苏、北京、吉林、湖北、山东、黑龙江、辽宁等省市已建成年产1万吨以上的成型燃料厂10余家,年产170万吨。

生物质成型燃料技术的研究进展

根据不同的工艺特点,原料压缩成型工艺的分类是不同的:是否添加粘结剂可分为有粘结剂和无粘结剂的成型工艺;原料的加热方式可分为常温成型、热压成型和碳化成型;W

2.1碳化成型技术碳化是指通过热解生成含碳量不断增加的有机化合物的漫长过程。炭化成型工艺的基本特点是:首先将生物质原料炭化或部分炭化,然后加入一定量的粘结剂进行挤压成型。常见的情况有两种,一种是用成型机将物料压缩成燃料棒,然后用炭化炉将燃料棒炭化成木炭的过程。工艺流程为原料-粉碎-干燥-成型-炭化-冷却-包装。这个过程并没有把材料的压缩成型和炭化过程结合起来,而是相对独立的;在另一种情况下,压缩成型和热解碳化有机结合,使其连续。柱塞压缩成型机用于压缩,柱塞将物料沿压缩套推入热解筒。通过间接加热,电热炉向热解筒供热,物料在套筒设定的温度下碳化,得到所需的相应产品。

碳化成型技术的优点是能耗低,因为原料的纤维素结构在碳化过程中被破坏,聚合物组分受热裂解转化为碳,释放出挥发性物质,使得成型件的磨损和能耗明显降低。这种技术的缺点是碳化原料保持预定形状的能力差,在储存、运输和使用时容易开裂或断裂。需要使用粘结剂,对成型压力要求较高,会明显增加成型机的成本。然而,随着经济的发展,中国对木炭的需求逐年增加。汪文兵等人认为,在中国发展木炭具有良好的经济、社会和生态效益。

2.2冷压(湿压)成型技术冷压(湿压)成型技术是将粉碎后的生物质纤维结构通过特殊的挤压方法在常温下包埋包裹成颗粒。因为这种成型工艺对原料含水率要求不高(前粉含水率范围可以扩大到6% ~ 25%),所以也称为湿压成型工艺。这项技术的过程很简单,只需要两步:粉碎和压缩。与热压工艺相比,该工艺在原料、设备和能耗方面具有很强的优势:原料适用性广;该设备系统结构简单、体积小、重量轻、价格低、机动性强。能耗低,成本低。

2.3热压技术热压技术是在170 ~ 220的高温高压下,释放木质素中的胶体物质,起到粘结剂的作用。同时,通过高压,粉碎的生物质材料,

挤压成的高密度颗粒。热压成型技术的优点是极大地降低了生物质的储运成本,提高了燃烧效率。较冷压成型技术,其缺点是:①工艺环节复杂,由粉碎、干燥、加热、压缩、冷却5个环节组成;②对成型前粉料含水率有严格要求,必须控制在6%~12%;③成本高,欧洲市场售价为110~150欧元/t,在我国生产时,售价高达1000元/t以上。

虽然冷压成型技术较热压成型技术能耗相对较低,但总体上讲,其能耗仍然较高(平均耗电达&;h/kg)。意大利研发出的ETS新型木质颗粒制粒生产系统是一种常温成型技术。该技术主要具有以下几个优点:①对原料的含水率要求不高(范围可达10%~35%);②无需干燥,由于对原料的湿度适应性强,在技术工艺上可以减少干燥环节,即可直接用于制粒;③无需冷却,成粒时机器的升温只有10~15℃,压制出的颗粒温度一般只有55~60℃,所以无需冷却即可直接进行包装;④能耗、成本低,由于省掉干燥和冷却2道工序,ETS系统在整个制粒过程的单位能耗为25~60kW&;h/t,而传统工艺的单位能耗为80~180kWh/t,单位能耗减少60%~70%,且机器磨损也大大减小,总成本降低。

  3生物质固体成型设备研究进展

现已研制开发的生物质成型设备按成型原理主要有三大类:螺旋挤压生产棒状成型设备;机械和活塞式挤压制得圆柱块状成型设备;压辊辗压颗粒状成型设备(包括环模式和平模式)。辊模挤压式成型机采用的是冷压成型工艺,活塞冲压式、螺旋挤压式成型机采用的是热压成型工艺。

3.1螺旋挤压式成型设备螺旋挤压成型技术是生产生物质成型燃料常采用的技术。用于燃料成型的螺旋挤压机分为锥形螺杆、双螺杆等大型纯压缩型和小型外部加热成型3种。西欧和美国一般都采用前2种大型压块机,东南亚、中国和日本多采用小型外部加热成型机。螺旋挤压式成型机是最早研制开发的生物质热压成型机,主要包括驱动机、传动部件、进料机构、压缩螺杆、成型套筒和电加热等几部分。工作过程是将粉碎后的生物质经干燥后,从料斗中加入,螺旋推挤进入成型套筒中,并经螺杆压成带孔的棒状成品,连续从成型套筒中挤出。成型温度一般维持150~300℃,原料的含水率控制在8%~12%,原料粒度<40mm,螺旋挤压机的生产能力多在100~200kg/h,单位能耗为70~120kWh/t,产品成型密度一般在1100~1400kg/m3,成型燃料形状通常为直径50~60mm的空心棒。

螺旋挤压成型机的优点:运行平稳,生产连续。缺点:①单位产品能耗高,螺旋式成型机主要是靠螺旋杆的转动推进生物质逐层成型的,螺旋杆的前段和头部在整个推挤过程中与生物质之间作高速相对运动,增加了单位产品的能耗,一般为100~125kWh/t;②成型部件寿命短,螺旋杆的端部摩擦使温度升高,磨损速度加快,其平均寿命仅有60~80h。因此,螺旋式成型机成型生产过程的维修或故障状态就比较长,从而降低其运行效率;③产品成本较高,以当前设备生产的成本价格计算,固定成本在280元/t以上;④原料含水率难以控制,设备配套性能差、管理自动化程度较低等问题的存在,导致其难以形成规模效益,不能满足商业化利用的需要。图1为螺旋挤压成型部件结构示意图。

3.2活塞冲压式成型设备活塞冲压技术是采用飞轮或液压驱动的间断式的冲压方式,生物质原料的成型是靠活塞的往复运动实现的。该类成型机可分为机械驱动活塞式成型机和液压驱动活塞式成型机。液压活塞式秸秆成型设备的突出特点是增加了进料预压机构,物料先经垂直和水平2次预压,再推进成型套筒内挤压成型。我国河南农业大学先后设计研制出HPB-I、HPB-11、HPB-IH型液压活塞式秸秆成型机。活塞冲压成型设备的优点:改善了成型部件磨损严重的问题,原料不需要加热烘干,产品成本较低。缺点:①产品质量不太稳定,产品为实心燃料棒或燃料块,密度稍低,为0.8~1.1g/cm3,容易松散;②机器运行稳定性差,噪音较大,润滑油污染严重,成型模腔容易磨损,一般使用100h就要修1次,而且其造价高达10万元/台。图2为活塞冲压成型部件结构示意图。

3.3压辊辗压成型设备压辊式成型技术是压辊碾压过穿孔的表面,将物料压入模具(小孔)内而成型,大多用于生产颗粒状的成型燃料,一般不需要外部加热,但需要在原料中加入一定量的黏结剂。压辊辗压设备分为环模压辊式成型机和平模辗压成型机。环模压辊式颗粒成型机是目前使用最为广泛的压制机机型,主要有齿轮传动和皮带传动2种方式。与螺旋挤压式和活塞冲压式成型技术相比较,压辊辗式成型技术不要求原料含水率,无需加温和添加剂,生产率较高,可产业化、规模化发展。缺点:产品的耐湿性较差,遇水容易松散,设备的能耗较高,模具磨损较为严重。图3为环模压辊式成型部件结构示意图。

  4我国生物质固体成型燃料的应用

利用固化成型技术开发生物质能源的前景十分广阔,不但可缓解能源短缺,改善生态环境,还能为其他的生物质能综合利用技术提供原料供给,符合国际生物质能利用发展总趋势和我国国情,与其他技术相比,成本低、易于实施。据预测,到2050年,生物质能用量将占全球燃料直接用量的38%,发电量占全球总电量的17%。我国己将新能源、可再生能源的开发利用列入十一五规划和农业发展纲要中,国务院批准在农业部设立农业跨越计划项目,加速农业科技成果的转化,引导和推动农业科技成果尽快转变为现实生产力。根据我国《可再生能源中长期发展规划》确定的主要发展目标,到2020年,全国生物质发电装机容量达到3000万kW。

成型后的生物质成品有如下特点:①与普通薪柴燃料相比,它具有密度高、形状和性质均一的特点,便于运输、装卸、储存。生物质原料经挤压成型后,密度可达1.8~1.4t/m3,含水率在20%以下。②热效率提高、燃烧性能好。生物质成型燃料热值高,热值可达3400kcal/kg以上,能源密度相当于中质褐煤,在专用炉具中燃烧热效率可达50%以上,而我国农村每年消耗的21339Mt柴草,在传统的旧式炉灶直接燃烧后热效率只有5%~10%。③与传统的化石燃料相比是清洁的可再生能源,它使用方便、燃烧完全,含挥发物高(70%以上),灰分低(一般<5%),燃烧过程实现零排放,即无烟尘、无二氧化硫等有害气体,不污染环境。④成型燃料取用方便且损失少,是易于进行商品化生产和销售的可再生能源。⑤成型饲料经过由生变熟、淀粉糊化、消毒灭菌、粗纤维降解等过程,使水溶性糖类增加,粗蛋白含量提高到6%~8%,有机物消化吸收率可提高20%,达到65%以上。⑥用途广泛,可用于常规层燃炉排工业锅炉、水冷振动炉排锅炉、流化床锅炉进行直燃发电、供热,也可与垃圾、煤混烧发电、供热;还可作为生物质气化、液化利用的原料。生物质成型燃料已成为清洁环保、燃烧效率高、能部分替代煤炭等化石燃料的新型生物质燃料。既可作为农村居民的炊事和取暖燃料,又可作为发电、供热等工业化燃料。表1是生物质成型燃料可达技术指标。

我国成型燃料的应用主要在生活用能和工农业用能2个方面。生活用能主要是取暖和炊事,目前,各种成型燃料的配套炉具都已问世,有炊事炉具、采暖壁炉,也有炊事采暖两用炉。工农业用能目前主要应用在设施农业生产供热、利用生物质锅炉对办公区域供热和工业发电。我国的生物质燃料发电已经具有了一定的规模,主要集中在南方地区的许多糖厂利用甘蔗渣发电。广东和广西两省(区)共有小型发电机组300余台,总装机容量800MW,云南也有一些甘蔗渣电厂。我国第一批农作物秸秆燃烧发电厂在河北石家庄晋州市和山东菏泽市单县建设,装机容量分别为212和225MW,发电量分别为1.2亿和1.56亿kWh,年消耗秸秆20万t。

  5我国生物质固体成型燃料应用的效益分析

生物质能源有哪些 生物质燃料能替代煤吗 各国生物质能源研究最新动态

我国生物质固体成型燃料的应用能达到经济、社会和环境效益三效合一的局面。成型燃料的应用解决了农林业废弃物数千吨,减少了乱堆乱放和乱烧现象,且在锅炉中燃烧时,黑烟少、火力持久、燃烧充分、排放的飞灰少、NOx和SOx都远比煤低,使农村及城市周边更加清洁;每年生产生物质成型燃料20000t,相当于10000t标准煤,减少了由于燃煤对大气环境造成的污染;每年消化24000t秸秆,以每吨秸秆150元计,可为当地农民增收360万元,同时可吸收农民剩余劳动力;并在一定程度上降低煤等化石能源的使用量,减少环境危害,提高广大农民用能质量,减少用能支出,又可推动农村产业结构调整,具有良好的经济社会生态效益。

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