生物質(zhì)連續(xù)熱裂解設(shè)備開發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展前景

生物質(zhì)連續(xù)熱裂解設(shè)備開發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展前景摘要：生物質(zhì)連續(xù)熱裂解技術(shù)作為一種高效的生物質(zhì)能源資源轉(zhuǎn)化技術(shù)，受到各國的青睞。本文主要論述了國內(nèi)外關(guān)于生物質(zhì)能源利用和生物質(zhì)連續(xù)熱裂解設(shè)備的發(fā)展情況。介紹了國內(nèi)外幾種典型生物質(zhì)連續(xù)熱裂解設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點；與傳統(tǒng)窯式熱裂解設(shè)備相比，國內(nèi)新型回轉(zhuǎn)窯式連續(xù)熱裂解設(shè)備熱解周期短、原料適應(yīng)性和可操作性強，但是問題依然存在；國外更注重生物質(zhì)能源的深層次開發(fā)和利用，其熱裂解設(shè)備趨于將生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為多元化產(chǎn)品方向發(fā)展。未來，生物質(zhì)熱裂解設(shè)備將朝著自動化程度高、熱解連續(xù)性強以及實現(xiàn)生物質(zhì)綜合高效聯(lián)合循環(huán)利用等方向發(fā)展。引言我國作為農(nóng)業(yè)大國，每年產(chǎn)生的秸稈資源有7億左右[1]，約3.5億噸可開發(fā)為生物質(zhì)燃料，折合標準煤1.8億噸；林業(yè)廢棄物資源量約折合3億噸標準煤，是我國石油及煤炭消耗量的10%左右[2]。預(yù)計到2020年，農(nóng)林廢棄物約折合11.65億噸標煤，可開發(fā)量約合8.3億噸標準煤[3]。因此，我國的生物質(zhì)資源有巨大的開發(fā)潛力。開發(fā)利用生物質(zhì)資源，勢在必行。目前，高效利用生物物質(zhì)資源的技術(shù)是生物質(zhì)熱解技術(shù)，即在缺氧條件下，由生物質(zhì)在高溫下分解生成固氣液等能源產(chǎn)物。固體產(chǎn)物主要是生物質(zhì)炭，可作為土壤改良劑，降低肥料及土壤養(yǎng)分的損失，進而提高作物吸收養(yǎng)分的效率，減輕土壤污染[4]。同時，生物炭也是碳封存劑，其熱解及利用是碳減排的過程，因此廢棄生物質(zhì)生產(chǎn)生物炭及其農(nóng)用的效益是多贏的[5]。根據(jù)熱裂解工藝的不同，液體主要產(chǎn)物也不同。氣體產(chǎn)物則主要是甲烷、一氧化碳等可燃性氣體。生物質(zhì)熱裂解炭化、液化及氣化均可得到生物炭，但是所得到的生物質(zhì)炭的產(chǎn)量大不相同[6]。因此，根據(jù)不同的生物質(zhì)特性，選擇最優(yōu)生物質(zhì)熱裂解工藝，利用合適的生物質(zhì)熱裂解設(shè)備，充分利用生物質(zhì)資源。本文在介紹國內(nèi)外生物質(zhì)資源利用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，重點分析國內(nèi)幾種具有代表性的生物質(zhì)連續(xù)熱裂解設(shè)備，結(jié)合相關(guān)生物質(zhì)熱裂解工藝及其設(shè)備存在的問題，提出生物質(zhì)熱裂解設(shè)備發(fā)展的未來方向，為推動我國生物質(zhì)連續(xù)熱解設(shè)備研宄發(fā)展提供借鑒。1國內(nèi)設(shè)備開發(fā)動態(tài)與方向1.1國內(nèi)生物質(zhì)資源利用現(xiàn)狀我國生物質(zhì)資源豐富，每年生物質(zhì)廢棄物大概50億噸，是我國石化能源消耗量的4倍左右[7]，而目前將其作為能源利用的約占其總產(chǎn)量的0.76%，資源開發(fā)利用潛力巨大。雖然農(nóng)作物秸稈等生物質(zhì)資源豐富，但在年產(chǎn)億噸秸稈中，每年約1.07億噸生物質(zhì)秸稈被浪費[8-9]。傳統(tǒng)的焚燒處理方式不僅會污染環(huán)境，還會浪費能源，且產(chǎn)生的PM2.5己成為大氣污染的重要來源，更成為近年來全國性環(huán)境污染問題。因此，研宄開發(fā)生物質(zhì)資源利用技術(shù)成為當前的一大熱點課題[10]。我國從20世紀70年代開始加大對生物質(zhì)能源的開發(fā)支持力度，熱裂解工藝及設(shè)備研宄開發(fā)得到迅速發(fā)展[11-14]。目前，國內(nèi)生物質(zhì)熱裂解技術(shù)研宄主要集中在生物質(zhì)熱解炭化設(shè)備上。生物質(zhì)熱解炭化裝置分為兩類：間歇式、連續(xù)式。常規(guī)的間歇式的炭化流程是運輸—破碎—干燥—成型—炭化—炭棒—粉碎等環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)都會耗費大量人力物力，成本過高。由于整爐一次性排除生物質(zhì)炭，造成炭化爐反復(fù)加熱與冷卻，浪費能源且生產(chǎn)效率低，制約著生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。而連續(xù)型的生物質(zhì)熱解設(shè)備可以有效減少人力成本，提高熱解炭化的效率，符合當代工業(yè)的發(fā)展需求。1.2國內(nèi)傳統(tǒng)生物質(zhì)熱解設(shè)備20世紀80年代，國內(nèi)主要利用土窯來燒炭，這是最傳統(tǒng)的炭化工藝。采用原木為原料，將捆扎打包好的原木直接放入窯內(nèi)，從窯門處直接點燃悶燒或者由土窯內(nèi)的煤炭燃燒提供炭化所需的熱量；窯內(nèi)處于半封閉狀態(tài)，頂部設(shè)有煙囪，控制空氣的進入量，使其原木在缺氧的狀態(tài)下燃燒；土窯生產(chǎn)木炭對窯內(nèi)的溫度及炭化時間要求很嚴格，溫度過高出現(xiàn)過燒現(xiàn)象，保溫時間不夠又會出現(xiàn)炭化不完全的問題。1.3國內(nèi)新型生物質(zhì)連續(xù)熱裂解設(shè)備20世紀70年代，我國開始重視生物質(zhì)能源技術(shù)的發(fā)展。國內(nèi)某大學(xué)從荷蘭引進一整套生物質(zhì)熱裂解炭化裝置，之后各大院校及科研院所合作開發(fā)研宄生物質(zhì)連續(xù)熱裂解設(shè)備。通過近幾十年的發(fā)展，我國在生物質(zhì)炭化、氣化工藝方面取得了較高成就[15]。國內(nèi)許多大型的生物質(zhì)能源開發(fā)企業(yè)通過引進國外先進技術(shù)，結(jié)合自主創(chuàng)新，相繼研發(fā)出多種大型生物質(zhì)熱裂解設(shè)備。中國節(jié)能旗下中環(huán)公司在江蘇宿遷投建的我國首個擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的生物質(zhì)直燃發(fā)電示范項目，裝機容量24MW，每年可節(jié)約標煤10萬噸。有研究表明，生物生物質(zhì)氣化與生物質(zhì)熱解炭化相比，能源利用效率略低，但生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益髙于生物質(zhì)熱解炭化技術(shù)。因此，生物質(zhì)熱解炭化與生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)各具優(yōu)勢，需要根據(jù)生物質(zhì)原料特性、生物質(zhì)熱解產(chǎn)品應(yīng)用特性來選擇合適的生物質(zhì)熱解工藝方案[16]，以達到重返有效利用生物質(zhì)資源的目的。沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計的豎流移動床生物質(zhì)連續(xù)熱解炭化爐，主要部件包括直立炭化爐體，爐體內(nèi)部安裝螺旋攪拌裝置、煙氣冷凝凈化裝置，如圖1所示。該熱解炭化裝置將粉碎處理后的秸稈由傳送裝置從喂料口進入，在引火口被點燃后，秸稈自下而上進行燃燒[17]。此炭化裝置的主要特點是炭化爐體頂部安裝有攪拌器。炭化過程中，攪拌器旋轉(zhuǎn)炭化爐體內(nèi)上下部分的秸稈物料交替螺旋運動，秸稈碎料在炭化爐內(nèi)充分進行熱量傳遞，最終通過絞龍從爐體底部出炭。攪拌器的存在，可避免一般直立炭化爐秸稈炭化裝置容易堵料以及炭化不均勻現(xiàn)象，提高燃燒效率，并實現(xiàn)連續(xù)秸稈炭化。整個炭化裝置所產(chǎn)生的高溫?zé)煔?，首先?jīng)過炭化爐爐蓋進行冷凝得到冷凝后的水蒸氣，緊接著進入氣體冷凝凈化裝置回收木焦油、木醋酸以及可燃性氣體。傳統(tǒng)立式炭化設(shè)備生物質(zhì)原料在立式管內(nèi)底部移動完全依靠其自重，容易產(chǎn)生搭橋和結(jié)拱現(xiàn)象[17]，而此設(shè)備通過設(shè)置的攪拌器避免了此現(xiàn)象的產(chǎn)生，但爐體內(nèi)攪拌器會影響熱解過程中揮發(fā)性產(chǎn)物的排除，從而影響設(shè)備運行的效率。浙江某大學(xué)開發(fā)設(shè)計了一種外加熱回轉(zhuǎn)窖式生物質(zhì)連續(xù)熱裂解爐，如圖2所示。回轉(zhuǎn)窯筒體長0.45m，內(nèi)徑0.205m，主要特點是炭化筒體轉(zhuǎn)速可在0.5?10r/min范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。由于采用電加熱方式，其爐體溫度容易控制。在整個加熱過程中，窯壁和窯膛溫度可以穩(wěn)定升高直至熱解終溫，這種回轉(zhuǎn)式窯體炭化爐的固體炭產(chǎn)率可達40%以上，己達到較髙水平。與立式熱解炭化裝置相比，回轉(zhuǎn)窯式熱解炭化裝置在爐體加熱方式、溫度控制方式以及髙溫?zé)煔獾幕厥昭b置等方面做了較大改進[18]。浙江大學(xué)開發(fā)設(shè)計的回轉(zhuǎn)窯炭化系統(tǒng)處于中試階段，由于沒有設(shè)置引風(fēng)機，熱解生成的焦油氣回滲與生物質(zhì)原料混合，使生物質(zhì)原料容易粘附在回轉(zhuǎn)爐體筒壁上，導(dǎo)致熱解條件下的生物質(zhì)原料殘留量升高并且不易清除，影響生物質(zhì)熱解產(chǎn)物產(chǎn)率。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)王明峰等人自行設(shè)計開發(fā)無軸螺旋式連續(xù)熱解裝置，如圖3所示，優(yōu)化了喂料部件的結(jié)構(gòu)，為熱解產(chǎn)物的出料節(jié)省了有效空間，是一種高效的連續(xù)熱解裂解炭化裝置[19]。文獻[19]在此連續(xù)熱解裝置上，以花生殼、稻殼和木薯莖稈為原料進行熱解試驗，以分析無軸螺旋式連續(xù)裝置熱解特性。實驗發(fā)現(xiàn)，在無軸螺旋連續(xù)熱解裝置上，熱解固氣液產(chǎn)物分布特性與其他熱解設(shè)備無區(qū)別。然而，該設(shè)備存在最大的問題是熱解反應(yīng)器內(nèi)物料輸送存在死角，在喂料口處形成殘留區(qū)域，不同生物質(zhì)原料的殘留量不同。目前，國內(nèi)多數(shù)生物質(zhì)炭化企業(yè)規(guī)模小，主要依靠間歇式炭化設(shè)備和傳統(tǒng)炭化工藝，自動化程度低、勞動強度大；炭化周期長，且不同批次生物質(zhì)炭品質(zhì)不齊；木煤氣、木醋液和木醋酸等副產(chǎn)品無法回收利用。雖然連續(xù)炭化裝置己經(jīng)發(fā)展多年，但是問題依然存在，主要體現(xiàn)在：（1)設(shè)計的標準不一，導(dǎo)致炭化產(chǎn)品質(zhì)量不一，同時不利于裝置批量化；（2)液相、氣相產(chǎn)物處理困難；（3)進料及出料不流暢；（4)能源利用率不高等。2國外設(shè)備開發(fā)動態(tài)與方向2.1國外生物質(zhì)資源利用現(xiàn)狀國外開發(fā)利用生物質(zhì)能源起步較早，在1900年初就實現(xiàn)了將生物質(zhì)到液體燃料的轉(zhuǎn)化技術(shù)，目前很多生物能源技術(shù)和裝置已經(jīng)達到商業(yè)化應(yīng)用程度。歐洲等發(fā)達國家非常重視生物質(zhì)炭氣聯(lián)產(chǎn)以及生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)研發(fā)，生物質(zhì)主要利用形式有發(fā)電和生物柴油等[20]。丹麥是最早利用生物質(zhì)秸稈進行發(fā)電的國家，BWE公司是享譽世界的發(fā)電設(shè)備研發(fā)和生產(chǎn)企業(yè)，在歐洲甚至全球范圍內(nèi)建立了許多生物質(zhì)秸稈直燃發(fā)電廠，其中全球最大的生物質(zhì)電廠隸屬于英國的Elyan發(fā)電廠，裝機容量達到38MW。德國的CHOREN公司生物質(zhì)加壓合成生物質(zhì)柴油技術(shù)，己完成年產(chǎn)200噸的小型試驗，正在建設(shè)年產(chǎn)15000噸的中型示范裝置。此外，歐美部分國家以及日本等盡管生物質(zhì)熱裂解工藝技術(shù)研究起步較早，對于生物熱解炭化及氣化工藝的研究報道較多，但對于熱裂解設(shè)備的研宄開發(fā)報道甚少，在本國生物質(zhì)資源進行熱裂解設(shè)備研宄方面開展的也不多[21]。2.2國外生物質(zhì)連續(xù)熱裂解設(shè)備巴西是世界主要木炭生產(chǎn)國家，每年大約900萬噸，其中75%的木炭用于鋼鐵行業(yè)。雖然巴西每年木炭產(chǎn)量巨大，但大部分還是以傳統(tǒng)窯爐形式生產(chǎn)。為了維持鋼鐵行業(yè)的發(fā)展，必須研宄新的炭化工藝，以適應(yīng)行業(yè)的需求[22]。巴西對于生物質(zhì)熱解工藝研宄比較深入，其中巴西利亞大學(xué)研究設(shè)計一種熱解炭化系統(tǒng)[23]，如圖4所示。該系統(tǒng)利用背壓增壓器來實現(xiàn)反應(yīng)器增壓，以桉木為實驗原料，通過實驗數(shù)據(jù)驗證加壓能夠提高木炭產(chǎn)率以及相應(yīng)縮短炭化時間，使生物質(zhì)熱裂解更充分。但要，在加壓的工況下實現(xiàn)連生物質(zhì)續(xù)熱解炭化以及實現(xiàn)炭氣聯(lián)產(chǎn)，還有待進一步研宄開發(fā)。歐美等發(fā)達國家隊宇生物質(zhì)熱解工藝的研究較早，更注重于生物質(zhì)能源的深層次開發(fā)和多元化利用。美國在聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)方面世界領(lǐng)先，盡管生物質(zhì)氣化技術(shù)研究經(jīng)歷了幾十年，但是有些技術(shù)難題依然無法突破，也是亟待解決的問題。其中，聯(lián)合循環(huán)生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)中，生物質(zhì)熱解氣化將伴隨一定量的木焦油產(chǎn)生，而木焦油經(jīng)過冷凝設(shè)備后粘性增加，流動性差，容易堵塞管道設(shè)備，從而影響生物質(zhì)熱裂解設(shè)備的穩(wěn)定性。3結(jié)語隨著世界節(jié)約能源、保護環(huán)境意識的增強以及提髙生物質(zhì)能源利用效率、降低能源開發(fā)成本的要求，對生物質(zhì)連續(xù)熱裂解裝置進行研宄開發(fā)勢在必行。雖然國外在生物質(zhì)熱解工業(yè)化方面技術(shù)成熟，但對于熱解理論研究尚不完善。究其原因，在于生物質(zhì)的組成