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生物质热解能源——节能环保新途径

放大字体  缩小字体 发布日期:2022-11-03 09:47  浏览次数:9
 生物质是一种清洁的可再生能源,生物质快速热解技术是生物质利用的重要途径。作为有重要长远意义和战略意义的技术储备,寻求清洁的可再生能源及其利用技术,已成为全球有识之士的共识,受到各国政府和研究机构的广泛关注。

1 生物质热解技术
生物质热化学转化是在加热条件下,用化学手段将生物质转换成燃料物质的技术。通过生物质能转换技术可高效地利用生物质能源,生产各种清洁能源和化工产品,从而减少人类对于化石能源的依赖 减轻化石能源消费给环境造成的污染。目前,世界各国尤其是发达国家,都在致力于开发高效、无污染的生物质能利用技术。以保护本国的矿物能源资源,为实现国家经济的可持续发展提供根本保障。生物质热解是指生物质在没有氧化剂(空气、氧气、水蒸气等)存在或只提供有限氧的条件下,加热到逾 500 ℃,通过热化学反应将生物质大分子物质(木质素、纤维素和半纤维素)分解成较小分子的燃料物质 (固态碳、可燃气、生物油)。生物质热解的燃料能源转化率可达 95.5%。最大限度地将生物质能量转化为能源产品,物尽其用,而热解也是燃烧和气化必不可少的初始阶段。
发展可再生能源是新能源工业的重点,而生物质能的综合利用是大有可为的新兴能源产业。生物质热解技术是世界上生物质能研究的前沿技术之一。该技术能以连续的工艺和工厂化的生产质的易储存、易运输、能量密度高,且使用方便的代用液体燃料(生物油),其不仅可以直接用于现有锅炉和燃气透平等设备的燃烧,而且可通过进一步改进加工使液体燃料的品质接近于柴油或汽油等常规动力燃料的品质,此外还可以从中提取具有商业价值的化工产品。相比于常规的化石燃料,生物油因其所含的硫、氮等有害成分极其微小,可视为21世纪的绿色燃料。
2 生物质热解的工艺类型、热解原理及热解过程
生物质热裂解液化技术是生物质能源领域的前沿课题,目前已得到世界各国的广泛关注。生物质热裂解液化工业化技术难度很大,公认为是世界性难题。如厌氧投料、快速热裂解、热炭降温、气/固分离、烟气净化及重油挂壁等难题成为难以逾越的技术障碍。据了解,通过生物质热裂解液化技术,可将生物质转化为生物油、生物质炭和各种高附加值的化学品。其中,生物油的转化率约为24%,生物质炭的转化率约为36%。生物油是一种用途极其广泛的新型可再生清洁能源产品,加工后可用于锅炉、柴油机、涡轮机等。生物质炭疏松多孔、灰分低、含硫量低,有着良好的燃料特性,在冶金业可用做炼制钢铁的还原剂;通过深加工可制成橡胶行业炭黑替代品;制成活性炭后,可广泛应用于化工、医药、环保等领域;通过生物质热裂解液化技术提取的化学品也具有很高的附加值。
据热解条件和产物的不同,生物质热解工艺可以分为以下几种类型:一是烧炭。将薪炭放置在炭窑或烧炭炉中,通入少量空气进行热分解制取木炭,一个操作期一般需要几天。二是干馏。将木材原料在干馏釜中隔绝空气加热,制取醋酸、甲醇、木焦油抗聚剂、木馏油和木炭等产品。三是热解液化。把林木废料及农副产品在缺氧的状况下中温(500~650℃)快速加热,然后迅速降温使其冷却为液态生物原油。
从化学反应的角度对其进行分析,生物质在热解过程中发生了复杂的热化学反应,包括分子键断裂、异构化和小分子聚合等反应。木材、林业废弃物和农作物废弃物等的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素。热重分析结果表明,纤维素在 52℃时开始热解,随着温度的升高,热解反应速度加快,到 350~370 ℃时,分解为低分子产物。半纤维素分子结构上带有支链,是木材中最不稳定的组分,在 225~325℃分解,比纤维素更易热分解,其热解机理与纤维素相似。
从物质迁移、能量传递的角度对其进行分析,在生物质热解过程中、热量首先传递到颗粒表面、再由表面传到颗粒内部。热解过程由外至内逐层进行。生物质颗粒被加热的成分迅速裂解成木炭和挥发分。挥发分由可冷凝气体和不可冷凝气体组成。可冷凝气体经过快速冷凝可以得到生物油。一次裂解反应生成生物质炭、一次生物油和不可冷凝气体。在多孔隙生物质颗粒内部的挥发分将进一步裂解,形成不可冷凝气体和热稳定的二次生物油。同时,当挥发分气体离开生物颗粒时、还将穿越周围的气相组分,在这里进一步裂化分解,称为二次裂解反应。生物质热解过程最终形成生物油、不可冷凝气体和生物质。
根据反应温度和加热速度的不同,生物质热解工艺可分为慢速、常规、快速或闪速几种。慢速裂解工艺己有几千年的历史,是一种以生成木炭为目的的炭化过程,低温和长期的慢速裂解可以得到 30%的焦炭∶低于 600℃的中等温度及中等反应速率的常规热裂解可制成相同比例的气体、液体和固体产品;快速热裂解大致在 10~200 ℃/s的升温速率,小于5s的气体停留时间;闪速热裂解相比于快速热裂解的反应条件更为严格,气体停留时间通常小于1s,升温速率要求大于103 ℃/s,并以 102-103℃/s 的冷却速率对产物进行快速冷却。生物质快速热解过程中,生物质原料在缺氧的条件下,被快速加热到较高反应温度,从而引发了大分子的分解,产生了小分子气体和可凝性挥发分以及少量焦炭产物。可凝性挥发分被快速冷却成可流动的液体,称之为生物油或焦油。生物油为深棕色或深黑色,并具有刺激性的焦味。通过快速或闪速热裂解方式制得的生物油具有下列共同的物理特征∶高密度(约1 200 kg/m³);酸性(pH为 2.8~3.8);高水分含量以及较低的发热量(14~18.5 MJ/kg)。
3 农村开发利用生物质能实现可持续发展
生物质能一直是人类赖以生存的重要能源,它是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第四位的能源,在整个能源系统中占有重要地位。根据各方面专家的研究分析,结合生物质能技术现状和农村地区的需求特点,具体目标为∶进一步提高禽畜粪便厌氧消化器的池容产气率,争取提高30%以上;提高沼气发电转化效率,沼气消耗量降低10%以上;研究沼气池商品化快速建造技术,推进市场化进程;研究秸秆干发酵沼气技术。提高和稳定产气率;研究秸秆中热值气化及相关技术。提高气化效率和应用范围;研究秸秆直接燃烧热利用技术及装置,拓展秸秆利用领域。
我国是一个人口大国,又是一个经济迅速发展的国家,21世纪将面临着经济增长和环境保护的双重压力。因此改变能源生产和消费方式,开发利用生物质能等可再生的清洁能源资源,对建立可持续的能源系统。促进国民经济发展和环境保护意义重大。开发利用生物质能对中国农村更具特殊意义。中国80%人口生活在农村,秸秆和薪柴等生物质能是农村的主要生活燃料。尽管煤炭等商品能源在农村的使用迅速增加,但生物质能仍占有重要地位。农村开发利用生物质能实现可持续发展研发方向主要有下述方面∶秸秆干发酵及其配套技术研究,秸秆厌氧发酵及集中供气技术,提高秸秆发酵的转化效率,实现秸秆厌氧发酵转换技术的规模化和商品化。关键技术包括;好氧发酵与厌氧发酵工艺配合技术和干发酵最佳发酵条件;优良菌种筛选及最佳发酵条件;低含水量、高活力"保护剂"筛选和厌氧启动菌剂的保存技术;促进细菌快速繁殖的 "激活剂"技术等。
组装式沼气发酵装置及配套设备和工艺技术:是适合我国规模化养殖中占绝大部分的养殖场沼气工程建设需要。研究沼气池商品化快速建造技术,实现沼气池的工厂化生产,规范化施工,促进大中型沼气工程产业化和市场化发展。主要研究内容包括∶组装部件的研究、设计;组装部件的生产设备;密封材料的研究、选择及生产技术;工程中的现场组装技术等。
中热值秸秆气化技术:针对目前低热值热解气化技术的不足,开发出适合我国农村应用、技术上相对成熟、安全、燃气热值接近城市管道煤气、投资适中的秸秆气化集中供气技术。标准状态燃气热值达到11.7~14 MJ/m³,燃料利用率达到80%,杂质含量达到国家标准。技术包括中热值气化装置和燃气净化技术及装置等。
综合开发利用模式:以"四位一体"模式和"能源-环境工程" 技术为代表的能源综合开发利用模式得到了快速发展,表明以多能互补、综合利用、产生综合效益为特点的可再生能源与农业生产其它技术的优化组合模式具有很强的生命力。因此,随着生物质能和农业各方面技术的不断进步以及农村经济的发展。需要不断开发探讨新的生物质能综合利用模式。
发展趋势主要为进一步提高生物质能转换技术的效率;生物质能发电技术;生物质供热技术及装置-生活及生产用;生物质热-电联供技术;与上述技术相关的配套技术及设备等。
4 生物质能在能源系统中的重要地位
农村对于高品位优质能源的需求,开发利用生物质能尤其在我国农村地区实现可持续发展战略的重要意义。随着农村经济发展和农民生活水平的提高,农村对于优质燃料的需求日益迫切。传统能源利用方式已经难以满足农村现代化需求,生物质能优质化转换利用势在必行。生物质能高新转换技术不仅能够大大加快村镇居民实现能源现代化进程,满足农民富裕后对优质能源的迫切需求,同时也可在乡镇企业等生产领域中得到应用。由于我国地广人多,常规能源不可能完全满足广大农村日益增长的需求,而且由于国际上正在制定各种有关环境问题的公约,限制CO2等温室气体排放,这对以煤炭为主的我国是很不利的。因此,立足于农村现有的生物质资源,研究新型转换技术,开发新型装备既是农村发展的迫切需要,又是减少排放、保护环境、实施可持续发展战略的需要。
5 天禹智控气体浓度监测仪助力发展新能源
生物质液化有气、液、固3种产物,气体主要由H2、CO、CO2、CH4及 C2~4烃组成,可作为燃料气;固体主要是焦炭,可作为固体燃料使用;作为主要产品的液体产物被称为生物油,有较强的酸性,组成复杂,以碳、氢、氧元素为主,成分多达几百种。
在工艺过程中,企业对氧气、可燃气含量的监测十分重视,一般会采用实时监测的气体浓度监测设备防患于未然。在生物质液化工艺中应用气体监测设备的目的是主要为了提高燃烧效率节约成本、工艺环境的安全监测,在烟气排出口会安装烟气监测系统来监测排放气体是否达到国家要求的排放标准。天禹智控的气体监测设备对工业工艺具有很大的指导意义。

6 生物质热解技术的未来发展
能源资源是经济发展的基础,仅从我国目前掌握的能源资源看,煤炭的剩余可采储量约为1100亿t,石油的剩余可采储量约为24亿t,天然气的剩余可采储量约为2万亿m³,其人均拥有量分别为世界人均水平的70%、10%和5%。生物质能的综合利用是近年逐步发展起来的新兴能源产业,其中以生物柴油、燃料乙醇、生物质发电、沼气为代表的生物质能的综合利用项目,相关关键技术已得到解决,应用技术和商业化运作模式也日臻完善,为可再生能源的综合利用起到了很好的示范作用。非粮化生物质能的综合利用,是发展可再生新型能源的发展方向。我国非粮生物质能资源十分丰富,主要有农作物秸秆、树木枝桠、畜禽粪便、能源作物(植物)、城市生活垃圾等。目前全国农作物秸秆年产生量约6亿t,除部分作为造纸原料和畜牧饲料外,大约3亿t可作为燃料使用,折合约1.5亿t标准煤。在发达国家中,生物质能研究开发工作主要集中于气化、液化、热解、固化和直接燃烧等方面。生物质能气化是在高温条件下,利用部份氧化法,使有机物转化成可燃气体的过程。产生的气体可直接作为燃料,用于发动机、锅炉、民用炉灶等场合。随着人们对生物质能源开发利用的关注,对气化技术应用研究重又引起人们的重视。目前研究主要用途是利用气化发电和合成甲醇以及产生蒸汽。
多年以来,我国先后对禽畜粪便厌氧消化、农作物秸秆热解气化、致密成型等技术进行了攻关研究和开发已经取得了一定成绩。在厌氧消化技术方面,目前国内处理有机废弃物的沼气工程已有六百多处,总池容20万m3,年产沼气1亿m³左右。经过十多年的研究开发,厌氧消化工艺技术已取得了较大进展。
另外,以生物质能利用技术为核心的综合利用技术模式由于其明显的经济和社会效益而得到快速发展,这也成为中国生物质能利用的特色,如"四位一体"模式,"能源环境工程"等。所谓"四位一体"就是一种综合利用太阳能和生物质能发展农村经济的模式,其内容是在温室的一端建地下沼气池,池上建猪舍、厕所。在一个系统内既提供能源,又生产优质农产品。 "能源环境工程"技术是在原大中型沼气工程基础上发展起来的多功能、多效益的综合工程技术,既能有效解决规模化养殖场的粪便污染问题,又有良好的能源、经济和社会效益。其特点是粪便经固/液分离后.液体部分进行厌氧发酵产生沼气,厌氧消化液和渣经处理后成为商品化的肥料和饲料。
生物质能尤其是薪材不仅是很好的能源、而且可以用来制造出木炭、活性炭、木醋液等化工原料。大量速生薪炭材基地的建设,为工业化综合开发利用木质能源提供了丰富的原料。由于我国经济不断发展,促进了农村分散居民逐步向城镇集中,为集中供气,提高用能效率提供了现实的可能性。将来应根据集中居住人口的多少,建立能源工厂,把生物质能进行化学转换,产生的气体收集净化后,输送到居民家中作燃料,提高使用热效率和居民生活水平。这种生物质能的集约化综合开发利用,既可以解决居民用能问题,又可通过工厂的化工产品生产创造良好的经济效益,也为农村剩余劳动力提供就业机会。因此,从生态环境和能源利用角度出发,建立能源材基地,实施"林能"结合工程,是切实可行的发展方向。
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生物质热解能源——节能环保新途径
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