生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化：挑戰(zhàn)和解決方案——有機(jī)廢棄物作為鍋爐燃料
譯者：于東 美國(guó)明尼蘇達(dá)州明尼阿波利斯市
來(lái)源：中國(guó)給水排水 -cnww1985
把有機(jī)廢棄物轉(zhuǎn)化為能源十分具有吸引力，其既可以減量有機(jī)廢棄物，又可以節(jié)省資金、降低化石燃料的使用量，但也意味著具有很大的挑戰(zhàn)性。由于有機(jī)廢棄物的自然特性，需要采用適當(dāng)?shù)脑O(shè)備設(shè)計(jì)，保障工藝安全及設(shè)備穩(wěn)定性，盡可能降低相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)，既獲得經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，又保證排放合規(guī)。本文將呈現(xiàn)使用有機(jī)廢棄物作為鍋爐燃料的挑戰(zhàn)和解決辦法，并以真實(shí)案例佐證。
作者：
EnriquePosada M.M.E.,HATCH, INDISA S.A., Carrera 75 #48 A27, 哥倫比亞麥德林
MateoJaramillo Ch.E.,HATCH, INDISA S.A., Carrera 75 #48 A27, 哥倫比亞麥德林
Gilmar Saenz Ch.E., HATCH, INDISA S.A., Carrera 75 #48 A 27, 哥倫比亞麥德林
譯者：于東 美國(guó)明尼蘇達(dá)州明尼阿波利斯市
譯者簡(jiǎn)介：于東，1995年畢業(yè)于東北財(cái)經(jīng)大學(xué)，基建預(yù)算與投資經(jīng)理管理專業(yè)。
1998年至2013年供職于施維英(SCHWING，1934年始建于德國(guó)，是世界著名的柱塞泵和污泥料倉(cāng)制造商)中國(guó)公司及美國(guó)公司，2002年為施維英中國(guó)公司創(chuàng)建了環(huán)境工程部（后因業(yè)務(wù)拓展至工業(yè)，改名為工業(yè)系統(tǒng)部），并一直任負(fù)責(zé)人至離職。其間將施維英環(huán)保設(shè)備應(yīng)用于超過(guò)60座中國(guó)污水處理廠，另有超過(guò)500臺(tái)應(yīng)用于其他工業(yè)系統(tǒng)。施維英公司連續(xù)3年（2010年—2012年）被《中國(guó)給水排水》雜志評(píng)為“中國(guó)水工業(yè)十大影響力國(guó)際品牌”。
2013年至2016年6月，供職于密爾沃基市附近的美國(guó)普茲邁斯特(Putzmesiter)公司，作為市政工程部總經(jīng)理，負(fù)責(zé)德國(guó)總部在全美市場(chǎng)的環(huán)保業(yè)務(wù)，為普茲邁斯特公司建立了覆蓋美國(guó)大部分地區(qū)的代理商網(wǎng)絡(luò)，并向美國(guó)加州橘郡和密歇根州巴特克里特市提供了7套污泥處理系統(tǒng)。
個(gè)人喜好戶外運(yùn)動(dòng)，包括滑雪、漿式?jīng)_浪板和自行車運(yùn)動(dòng)。
背景介紹
作為燃料的有機(jī)廢棄物種類繁多，從蔬菜到動(dòng)物、從工業(yè)生產(chǎn)到人類活動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生有機(jī)廢棄物，如木材、海藻、紙漿廠黑液、鋸末、食品工藝廢棄物、市政垃圾、脫水污泥、咖啡渣、紙板、膠合板皮、蔗渣等。有機(jī)廢棄物可以通過(guò)焚燒產(chǎn)生熱量制造蒸汽，可用于干化、發(fā)電和其他工藝中。除此之外，從有機(jī)廢棄物獲取能量比使用煤、燃油和天然氣更便宜[1]，而且其是自然循環(huán)的一部分[2]，在能源項(xiàng)目中焚燒有機(jī)廢棄物會(huì)有更多好處: 首先，可以處置固體廢棄物；其次，減少化石燃料造成的溫室氣體排放；再者，能妥善解決填埋有機(jī)固體廢棄物場(chǎng)地有限的問(wèn)題，并且敞開式丟棄和設(shè)計(jì)管理較差的填埋場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致地面污染，如滲濾液析出、地表水源污染[3]。
在許多情況下，焚燒廢棄物的設(shè)備都是臨時(shí)或者靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的，到目前為止還沒有一個(gè)完全成熟的工業(yè)廢棄物熱能設(shè)備制造商，特別是發(fā)展中國(guó)家。近年來(lái)，由于更嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)不斷出臺(tái)，舊設(shè)備不得不翻新改造以適應(yīng)新的管理要求。
本文介紹了使用有機(jī)廢棄物作為小型鍋爐燃料或發(fā)熱器燃料的經(jīng)驗(yàn)，并提出了主要的基本考量因素，可為發(fā)展中國(guó)家的公司和工程師提供設(shè)計(jì)和運(yùn)行這些系統(tǒng)的參考。
生物質(zhì)（有機(jī)廢棄物）燃料的復(fù)雜性
生物質(zhì)來(lái)源于農(nóng)業(yè)、種植業(yè)和林業(yè)等。世界范圍內(nèi)，這些行業(yè)會(huì)產(chǎn)生大量殘余物，盡管某些種植工業(yè)已經(jīng)開始利用這些殘余物，但絕大部分物料沒有進(jìn)行能源轉(zhuǎn)化。目前已有農(nóng)場(chǎng)將殘余物回歸土壤或用于飼養(yǎng)動(dòng)物，但他們最常用的方式是燒掉、丟掉、任其腐爛或填埋。許多農(nóng)業(yè)和生物質(zhì)研究人員提出應(yīng)利用大量低成本的農(nóng)業(yè)殘余物作為原料，從而獲得能量。這些殘余物可以加工成液體燃料，或通過(guò)焚燒/氣化來(lái)發(fā)電和產(chǎn)生熱量[4]。
需要強(qiáng)調(diào)的是，不是所有的有機(jī)廢棄物種類都已被標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)焚燒和排放、副產(chǎn)品信息也未進(jìn)行全面的研究。因此讓焚燒設(shè)備的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜，了解這些物料如何在現(xiàn)有設(shè)備上使用也是亟待解決的問(wèn)題之一。
如果在設(shè)計(jì)的早期階段就對(duì)要焚燒的有機(jī)物料特性有足夠的了解，則會(huì)減少諸多問(wèn)題。用廢棄物制造能源通常成本較高，而且效率上低于化石燃料。研究表明，為避免腐蝕對(duì)溫度的要求、空氣和燃料比率的限制，以及廢棄物到能源(WTE)總系統(tǒng)有效性總是處于比較低的程度，因此發(fā)電轉(zhuǎn)換率約為12%~24%[5]�；诖�，在使用焚燒設(shè)備處理有機(jī)物料時(shí)要特別注意以下問(wèn)題。
積垢、沉淀、成渣和腐蝕問(wèn)題
焚燒生物質(zhì)一定會(huì)遇到腐蝕問(wèn)題。盡管木材、泥煤和煤的氯含量較低，但是在木質(zhì)燃料中需要考慮鈉、鉀和少量的硫影響。值得注意的是，復(fù)雜的堿金屬氯化物會(huì)造成腐蝕問(wèn)題[6]。
首先需要考慮熱傳導(dǎo)設(shè)備的表面積垢或沉淀問(wèn)題。其會(huì)影響焚燒設(shè)備的設(shè)計(jì)、壽命和運(yùn)行，增加運(yùn)營(yíng)成本，降低鍋爐效率，降低質(zhì)量，增量氮氧化合物和一氧化碳，減少熱傳導(dǎo)效率，并使設(shè)備腐蝕和腐爛[1]。
大多數(shù)生物質(zhì)燃料比化石燃料含有更多的堿金屬。如堿金屬中的鉀，在焚燒過(guò)程中其以氣體（氯化鉀和氫氧化鉀）形式釋出[7]。堿金屬基化合物熔點(diǎn)低，常在過(guò)熱器中形成嚴(yán)重的沉淀，產(chǎn)生積垢，并在焚燒階段造成其他問(wèn)題。
圖 1為兩個(gè)鍋爐管道腐蝕案例， a顯示了焚燒高含氯生物質(zhì)焚燒造成的腐蝕，b顯示了焚燒麥稈在鍋爐產(chǎn)生的積垢。
圖1 鍋爐管道腐蝕問(wèn)題
研究人員建議增加一些物料，如鋁礬土、高嶺土、石灰石和氧化鎂及其他添加劑來(lái)提高焚燒灰的熔點(diǎn)[10]。還可使用特殊合金和耐久涂層[11]，例如50%鎳-50%鉻、合金625、NiCrBSiFe、合金718[12]，采用耐磨和防腐技術(shù)處理表面，如高速氧燃料，其使熔化或半熔材料通過(guò)高溫高速燃?xì)饬鲊娡勘砻妗?/span>
生物質(zhì)飛灰和火花
由于物料的形狀不規(guī)整、規(guī)格大小不同、富含纖維和異構(gòu)體，因此有機(jī)廢棄物很難完全燃燒，且容易導(dǎo)致飛灰中殘留未燃燒的廢棄物。灰中大量未燃燒的碳說(shuō)明燃料利用不充分，而且灰的穩(wěn)定性很低，同時(shí)可能急劇增加灰量。這樣，反而增加了處置成本和運(yùn)輸與處理最終固體廢棄物的成本。另外，當(dāng)熾亮的灰或火花從焚燒室運(yùn)送到袋式除塵器時(shí)，造成火災(zāi)的可能性更高。
設(shè)計(jì)不合理的設(shè)備曾導(dǎo)致過(guò)多起火災(zāi)事故。當(dāng)焚燒高沸點(diǎn)有機(jī)物時(shí)，如廢燃料油，有機(jī)物在鍋爐冷凝器熱端解除吸附，在冷端進(jìn)入袋式除塵器，從而形成液滴或冷凝油滴，這些除塵袋上的積垢為布袋除塵器的火災(zāi)埋下了隱患。分析起火的原因，主要是防火花袋式除塵器風(fēng)機(jī)不正確地放在袋式除塵器上游，火花（通常是有機(jī)物中的纖維物料）、低自燃溫度的化合物如硫被氣流帶入[13]。
總的建議是解決系統(tǒng)的火花問(wèn)題，確保焚燒（時(shí)間、溫度、湍流）條件滿足完全燃燒，即從根源上而不是表面現(xiàn)象上解決問(wèn)題。另外，也可撲滅火花或避免達(dá)到著火溫度。火花外表的熱空氣層和火花移動(dòng)有相對(duì)速度，使熱量從火花交換到空氣中，可以降低火花溫度。通過(guò)改變空氣速度和湍流，達(dá)到在氣流中產(chǎn)生漩渦，移除火花產(chǎn)生的熱空氣目的。如果熱空氣層被干擾，火花可以在不到1 s就被降溫，避免點(diǎn)燃除塵袋[14]。渦流可以通過(guò)系統(tǒng)管道尺寸突變來(lái)制造，或增加帶節(jié)流孔的單級(jí)或多級(jí)板，改變管道方向，以及采用火花熄滅器來(lái)解決。圖2為火花熄滅器。
圖2 火花熄滅器[14]
爆炸風(fēng)險(xiǎn)
為了滿足環(huán)保要求，許多工藝和設(shè)備都安裝了熱氧化器（特別是尾氣燃燒器），以在排放前減少揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）和工藝廢氣流。根據(jù)主流設(shè)計(jì)，熱氧化器會(huì)在燃燒室點(diǎn)火或劇烈放熱，破壞工藝廢氣或排放中含有的VOCs。如果在工藝上游（這些排放產(chǎn)生的發(fā)源地）沒有進(jìn)行正確管理或控制，熱氧化器可能會(huì)發(fā)生大火或爆炸[15]。
另外，由于不完全燃燒，爆炸性混合氣體可在生物質(zhì)鍋爐燃燒室和管路內(nèi)積聚，隨后被點(diǎn)燃，某種形式的爆炸就可能產(chǎn)生。由于潛在的大量爆炸氣體聚集，大的煙囪系統(tǒng)可能有更大的爆炸風(fēng)險(xiǎn)[17]。
其他營(yíng)運(yùn)條件問(wèn)題
當(dāng)焚燒有機(jī)廢棄物時(shí)，由于對(duì)設(shè)備會(huì)遇到的某些實(shí)際運(yùn)行條件及多樣性考慮不全面而沒有進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)，則可能產(chǎn)生問(wèn)題。在有機(jī)廢棄物處置中常符合墨菲定律[18]（可能會(huì)發(fā)生的最壞的事情一定會(huì)發(fā)生）。
在進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)時(shí)，允許安全系數(shù)在水平方向上具有寬泛可能性，無(wú)論物理的或化學(xué)的，允許工藝不被單獨(dú)的運(yùn)行點(diǎn)控制，其可有足夠的靈活性，適應(yīng)進(jìn)料數(shù)量和質(zhì)量的變化。但是，過(guò)高的安全系數(shù)也會(huì)產(chǎn)生負(fù)作用，因此不要設(shè)計(jì)過(guò)度。
在焚燒工藝中使用結(jié)垢系數(shù)，是一個(gè)建立自信和通用性的考量，特別是在鍋爐設(shè)計(jì)中。結(jié)垢系數(shù)報(bào)告可能是繁雜的，因?yàn)樗硕喾N可能性：管道布置、氣體流速、氣體溫度、灰塵荷載、飛灰軟化點(diǎn)、預(yù)計(jì)吹灰周期內(nèi)飛灰在管道的沉積厚度。弄清上述問(wèn)題，會(huì)更好地了解工藝動(dòng)態(tài)，決定儀表和控制思路。
圖3列舉了在生物質(zhì)焚燒設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)發(fā)生的問(wèn)題。
圖3 有機(jī)廢棄物焚燒系統(tǒng)中的某些問(wèn)題
案例研究
案例一：手動(dòng)小型植物纖維鍋爐除塵袋著火
一臺(tái)手動(dòng)100BHP(75kW) 雙通道鍋爐，安裝有Nomex袋式除塵器，可焚燒植物纖維廢棄物。袋式除塵器開始著火，袋子也燒著了，運(yùn)行在最高溫度160℃（袋式除塵器前使用了可控空氣噴射系統(tǒng)）�；馂�(zāi)比較慢，沒有爆炸也沒有爆燃，但是完全摧毀了除塵器。除塵器因此重新更換了幾次。甚至在運(yùn)行水平提高后，控制廢棄物進(jìn)料和焚燒氣供應(yīng)之后火災(zāi)也時(shí)有發(fā)生。1月到11月間火災(zāi)總是持續(xù)不定期地發(fā)生。圖4為發(fā)生火災(zāi)后的照片。
圖4 袋式除塵器火災(zāi)后照片
分析后，提出了以下考量因素和替代方案:
· 對(duì)燃燒氣進(jìn)行細(xì)致研究，在延長(zhǎng)的一系列測(cè)量工作中檢測(cè)一氧化碳、氫氣和甲烷的濃度，用數(shù)據(jù)結(jié)果來(lái)解決問(wèn)題。但由于成本高，而且難以找到有經(jīng)驗(yàn)和分析設(shè)備的本地供應(yīng)商，客戶不同意這么做。
· 增大袋式除塵器，確保進(jìn)入的氣體被稀釋，避免任何燃燒條件。由于需要投資，客戶也給予否定。
· 在旋風(fēng)除塵器前安裝一個(gè)基于溫度的預(yù)防系統(tǒng)，帶可噴水的噴嘴。盡管安裝了該系統(tǒng)，但是運(yùn)行不正常。
· 更改袋式除塵器為濕式洗滌塔。這個(gè)方案因?yàn)楦咄顿Y、腐蝕、水管理和其他顯而易見的問(wèn)題被否定。
· 請(qǐng)?jiān)擃I(lǐng)域?qū)＜腋腻仩t內(nèi)部條件，也因?yàn)楦叱杀颈环穸ā?/span>
由于客戶要求供應(yīng)商承擔(dān)所有新投資和更改所需的全部成本，經(jīng)過(guò)復(fù)雜談判，提出了一個(gè)讓客戶和供應(yīng)商都接受的合理性檢查方案，找到了最終解決問(wèn)題的出發(fā)點(diǎn)。雙方發(fā)現(xiàn)，更換濾袋的成本遠(yuǎn)低于客戶焚燒廢棄物所得到的收益，所以決定先由供應(yīng)商測(cè)試鍋爐一段時(shí)間，共同分享之前計(jì)算過(guò)的收益。
在這個(gè)前提下，供應(yīng)商考慮安裝一個(gè)商業(yè)火花撲滅器，但是由于紊亂的燃燒氣流條件而被否定。替代方案是利用在鍋爐內(nèi)安裝獨(dú)立的導(dǎo)流板（圖5）來(lái)增加鍋爐的效率并降低出口溫度。當(dāng)然，這需要定期清潔管道和導(dǎo)流板。
圖5 鍋爐內(nèi)的導(dǎo)流板
經(jīng)過(guò)測(cè)試，客戶發(fā)現(xiàn)可以讓系統(tǒng)帶導(dǎo)流板運(yùn)行，且更換除塵器的成本小于收益。實(shí)際證明，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間利用導(dǎo)流板加上控制好運(yùn)行條件，可降低損壞和更換除塵器的頻率，但是袋式除塵器還是會(huì)著火并遭受損壞。分析原因，只是減少了火花的產(chǎn)生，而沒有完全避免。
正如前文所述，控制火花產(chǎn)生的建議是保證完全燃燒。
案例二：1000BHP (746kW) 生物質(zhì)（咖啡渣）鍋爐袋式除塵器問(wèn)題
某客戶的業(yè)務(wù)是制造速溶咖啡和相關(guān)產(chǎn)品，他有一臺(tái)1000BHP(746kW)鍋爐，可使用天然氣和咖啡渣作為燃料。燃燒氣送入直接旋轉(zhuǎn)干化機(jī)，用來(lái)干化進(jìn)入鍋爐之前的咖啡渣。安裝袋式除塵器前，鍋爐中由于燃燒大量生物質(zhì)產(chǎn)生了極大的升溫。在干化機(jī)后面，氣體被導(dǎo)入污染控制系統(tǒng)。用一臺(tái)輔助天然氣燃燒器支持干化機(jī)，可保證有足夠的能量來(lái)干化生物質(zhì)廢棄物，見圖6。
圖6 咖啡渣鍋爐系統(tǒng)工藝
這種情況下，發(fā)生了除塵袋由于濕度問(wèn)題和附著未完全燃燒物質(zhì)而過(guò)早飽和。設(shè)計(jì)人員試圖解決這個(gè)問(wèn)題，方案是選擇干化機(jī)的燃燒器，使離開干化機(jī)的氣體保持最基本的溫度。但客戶并不接受這種措施，因?yàn)楸３肿罨镜臏囟瓤赡軙?huì)造成火災(zāi)，并讓整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行溫度過(guò)低。也許由于這個(gè)原因，過(guò)濾袋的飽和問(wèn)題總是存在，因而降低了客戶的滿意度。
確實(shí)，發(fā)生了一次火災(zāi)，當(dāng)系統(tǒng)100%使用天然氣時(shí)，旁通風(fēng)管處發(fā)生了火災(zāi)。很顯然，這是由于管道里面有可燃性積垢，因?yàn)檫M(jìn)入風(fēng)管和通向污染控制系統(tǒng)的管道直接連通在一起，走向污染控制系統(tǒng)的管道通過(guò)的是來(lái)自焚燒生物質(zhì)廢棄物產(chǎn)生的燃燒氣。當(dāng)問(wèn)題發(fā)生時(shí)，追蹤到焚燒，在過(guò)濾袋上發(fā)現(xiàn)大量未燃燒顆粒和凝結(jié)的燃燒油，所有這些都是因?yàn)殄仩t控制不正確（圖7 a）導(dǎo)致的。為了確認(rèn)這個(gè)原因，檢測(cè)了過(guò)濾袋上的殘留物，自燃點(diǎn)是220℃，產(chǎn)生白熾物足以燒毀過(guò)濾袋（圖7 b）。
圖7 案例二照片
這個(gè)案例，提出了以下需注意的要素：
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應(yīng)該運(yùn)行干化機(jī)的輔助燃燒器來(lái)保持最基本的除塵器進(jìn)氣溫度，高于94℃�？梢越鉀Q凝結(jié)問(wèn)題和過(guò)濾袋飽和問(wèn)題。
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注意分開焚燒生物質(zhì)產(chǎn)生的進(jìn)入除塵器的氣流和使用天然氣時(shí)的氣流。
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有必要進(jìn)行自動(dòng)化控制來(lái)充分優(yōu)化燃燒條件，目前控制某些焚燒參數(shù)（特別是氧氣）是手動(dòng)的。另外生物質(zhì)廢棄物進(jìn)料和含水率控制不正確，易導(dǎo)致燃燒不充分，炭黑排放量過(guò)多。
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與上一個(gè)案例相似，糾正燃燒是解決問(wèn)題的方法。
案例三：在焚燒過(guò)程中和之后的廢棄物沉積問(wèn)題
某縮合聚合物工廠有一臺(tái)熱處理設(shè)備，用來(lái)處置污水和氣態(tài)排放物。污水中含有大量有機(jī)溶劑和氣體，如VOCs。該設(shè)備是一臺(tái)高溫焚燒爐，由有機(jī)廢棄物提供一部分能量，另帶有天然氣燃燒器來(lái)提溫，焚燒爐用于完全分解所有的VOCs。主要的能量都通過(guò)熱交換器從熱流化氣中回收，熱交換器設(shè)計(jì)為預(yù)熱油式。系統(tǒng)工藝見圖8。
圖8 縮合聚合物工廠廢水和廢氣熱處理工藝流程
運(yùn)行的難點(diǎn)是，在廢氣里發(fā)現(xiàn)了氧氣，因?yàn)榛旌衔镌谶M(jìn)入焚燒爐前要求在可燃極限內(nèi)，工廠必須隔絕設(shè)備來(lái)避免嚴(yán)重的安全隱患，所以安裝了一臺(tái)防火器。廢氣中的VOCs量低于預(yù)期，因此廢氣的消耗量更大。幸運(yùn)的是，廢氣燃燒氣是按最保守的條件設(shè)計(jì)的，其有足夠的處理能力。
另一面，廢水中的有機(jī)物含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)預(yù)期，原來(lái)設(shè)計(jì)時(shí)蒸發(fā)廢水需要補(bǔ)充能源，而現(xiàn)在廢水成為系統(tǒng)能源的補(bǔ)充，可補(bǔ)償廢氣中的低VOCs。然而有時(shí)這也是個(gè)問(wèn)題，特別是廢水中可溶性有機(jī)物（乙醇）含量特別高，則增加了廢水的熱值，引起系統(tǒng)溫度升高，系統(tǒng)溫度不能通過(guò)調(diào)節(jié)燃燒器來(lái)控制，綜合這些條件，系統(tǒng)經(jīng)常因?yàn)榘踩蛲C(jī)。
運(yùn)行設(shè)備的最大難點(diǎn)是在廢水中出現(xiàn)了無(wú)機(jī)鹽。焚燒爐內(nèi)發(fā)現(xiàn)鈉鹽和鈣鹽，在熱交換器處造成了重大運(yùn)行問(wèn)題，因?yàn)闊峤粨Q器被堵塞，造成系統(tǒng)溫度過(guò)高而停機(jī)。鹽來(lái)自和反應(yīng)水混合的無(wú)控制的清洗廢水。工廠發(fā)現(xiàn)了這個(gè)問(wèn)題后，增加了檢測(cè)和修正水流的工作程序。
除了焚燒室和熱交換器的鹽沉積，其他的問(wèn)題都被控制住了。設(shè)備開始成功處理工廠全部的廢氣和廢水，甚至包括附近另一個(gè)工廠[19]的廢水。系統(tǒng)照片見圖9。
圖9 安裝好的廢水和廢氣熱處理設(shè)備
結(jié)論
盡管使用WTE（廢棄物能源轉(zhuǎn)化）系統(tǒng)有巨大的優(yōu)勢(shì)，但是系統(tǒng)能源轉(zhuǎn)換效率低，投資成本比化石燃料高，計(jì)劃安裝WTE設(shè)施時(shí)要考慮這些問(wèn)題。
對(duì)于WTE系統(tǒng)，需要認(rèn)真考慮安全性和穩(wěn)定性問(wèn)題。這與火災(zāi)、爆炸、損壞、沉積、腐蝕、除塵袋飽和等問(wèn)題相關(guān)。正確的設(shè)計(jì)、足夠的預(yù)留量、對(duì)廢棄物品質(zhì)的完全了解、懂得疑難問(wèn)題隨時(shí)會(huì)產(chǎn)生的供應(yīng)商和客戶、正確地控制和操作設(shè)備，是項(xiàng)目成功的前提。
總的來(lái)說(shuō)，必須做實(shí)驗(yàn)性的工作和小試，不僅設(shè)計(jì)階段需要，而且在系統(tǒng)運(yùn)行和遇到問(wèn)題時(shí)也需要。
鳴謝
作者感謝美國(guó)的麥克萊維斯（F. Michael Lewis）先生對(duì)文章提供的協(xié)助，以及知識(shí)上的幫助和建議，他的幫助極大地提高了本文的技術(shù)水準(zhǔn)。
參考文獻(xiàn)：
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生物質(zhì)能分布式利用發(fā)展趨勢(shì)分析
分布式生物質(zhì)能源技術(shù)對(duì)原料種類適應(yīng)性強(qiáng),項(xiàng)目規(guī)模靈活、可滿足特殊用戶的需求,在小規(guī)模下具有更好的經(jīng)濟(jì)性,更易于商業(yè)化發(fā)展,符合生物質(zhì)資源特點(diǎn)和我國(guó)國(guó)情。
而目前制約分布式生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最主要瓶頸是經(jīng)濟(jì)性和可靠性,作者提出--國(guó)家應(yīng)在技術(shù)創(chuàng)新和政策支持方面增加投入,將生物質(zhì)能的環(huán)境效益和社會(huì)效益轉(zhuǎn)化為成本效益,推動(dòng)生物質(zhì)能分布式利用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
來(lái)看今天文章，來(lái)自《中國(guó)科學(xué)院院刊》2016年第2期。 轉(zhuǎn)載：農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)
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背 景
生物質(zhì)能分布式利用方式主要包括生物質(zhì)成型燃料和生物燃?xì)鈨煞矫?關(guān)鍵技術(shù)包括生物質(zhì)成型燃料加工及燃燒、大中型沼氣工程技術(shù)、生物質(zhì)氣化熱解及燃?xì)饫玫取?/span>
我國(guó)分布式生物質(zhì)能源技術(shù)目前主要處于進(jìn)行技術(shù)完善和應(yīng)用示范階段,預(yù)計(jì)到 2030 年前大部分關(guān)鍵技術(shù)將基本成熟,具備產(chǎn)業(yè)化的條件。
我國(guó)分布式生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要方向是傳統(tǒng)燃煤燃?xì)馓娲�、城�?zhèn)/農(nóng)村清潔生活能源供應(yīng)和農(nóng)村生態(tài)環(huán)境保護(hù),發(fā)展重點(diǎn)是服務(wù)節(jié)能減排戰(zhàn)略,利用生物質(zhì)實(shí)現(xiàn)部分替代工業(yè)燃料,減少燃煤/燃油帶來(lái)的污染,同時(shí)圍繞國(guó)家新型城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略,為新農(nóng)村建設(shè)提供可持續(xù)的清潔能源,提高農(nóng)村生態(tài)環(huán)境保護(hù)水平。
以下為文章主體內(nèi)容
生物質(zhì)能分布式利用的意義
生物質(zhì)資源來(lái)源多樣、能量密度較低、分布分散,這些資源特點(diǎn)決定了因地制宜、分布式利用是發(fā)展生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)的必然要求。
資源供應(yīng)方面,應(yīng)該就地開發(fā)、利用,不必長(zhǎng)距離運(yùn)輸,有效降低運(yùn)輸成本,符合生物質(zhì)資源密度低,分布分散的自然屬性;能源使用 方面,應(yīng)該就近使用,直接面向終端用戶,多余能源可外送;管理運(yùn)行方面,應(yīng)該具備獨(dú)立運(yùn)行的能力和條件,必要時(shí)可以聯(lián)網(wǎng)或與化石能源互補(bǔ)相利用。
分布式生物質(zhì)能源技術(shù)應(yīng)用的規(guī)模很靈活,可根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況滿足不同的需要。
如：既可以建設(shè)小型發(fā)電站,也可以作為居民生活燃?xì)?甚至可作為供熱、工業(yè)窯爐的燃料等,是真正實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)能“因地制宜”開發(fā)利用的有效途徑。
而且從產(chǎn)業(yè)化上看,由于分布式生物質(zhì)能源技術(shù)對(duì)原料種類和規(guī)模適應(yīng)性強(qiáng),項(xiàng)目規(guī)模要求小、資金門檻要求低、投資回報(bào)高,對(duì)各種用戶需求的適應(yīng)性較好,不同的規(guī)模下 都具有一定的經(jīng)濟(jì)性,所以生物質(zhì)能分布式利用比集中式利用更易于商業(yè)化。總的來(lái)說(shuō),分布式生物質(zhì)能源技術(shù)符合中國(guó)生物質(zhì)資源分散的特點(diǎn),適合分散利用和工業(yè)應(yīng)用,具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力和生存能力,在中國(guó)發(fā)展分布式生物質(zhì)能源技術(shù)有廣闊的應(yīng)用前景。
我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡,各地居民能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)有較大差異。一方面,目前仍有約 1.33 億戶農(nóng)村家庭將傳統(tǒng)生物質(zhì)能作為主要炊事或采暖能源,許多中西部農(nóng)村地區(qū)仍然以秸稈、薪柴等直接燃燒的傳統(tǒng)生物質(zhì)能源作為主要生活能源;另一方面,隨著東部沿海地區(qū)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高,傳統(tǒng)生物質(zhì)能作為生活能源的情況已大幅減少,大量作物秸稈被遺棄在田間地頭, 就地焚燒,空氣污染十分嚴(yán)重。
我國(guó)正在大力推進(jìn)新型城鎮(zhèn)化及新農(nóng)村建設(shè),需要大量的清潔能源供應(yīng),在廣大農(nóng)村地區(qū)充分利用豐富廉價(jià)的生物質(zhì)資源,加快生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,是解決農(nóng)村今后能源持續(xù)供應(yīng)的有效途徑。
生物質(zhì)能作為來(lái)源于農(nóng)林副產(chǎn)物的清潔能源,可以為農(nóng)村城鎮(zhèn)化提供生活能源,包括采暖、燃?xì)夂碗娏Φ?形成農(nóng)村能源自產(chǎn)自銷的新型供應(yīng)模式。而分布式生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)是最適合農(nóng)村分散利用的產(chǎn)業(yè)化方向,如利用秸稈為農(nóng)村提供熱、電、氣等生活能源,是新農(nóng)村擺脫燃煤依賴的有效 措施。
生物質(zhì)能分布式利用發(fā)展現(xiàn)狀
生物質(zhì)能分布式利用的主要方式是成型燃料和生物燃?xì)?沼氣和氣化)。生物質(zhì)成型燃料和生物燃?xì)馀c傳統(tǒng)化石燃料的使用習(xí)慣一致,是煤或天然氣的良好替代品,符合可持續(xù)發(fā)展的要求,實(shí)現(xiàn)了低品位燃料向高品位、低污染燃料的轉(zhuǎn)變,可廣泛用于各種小型熱水鍋爐、熱風(fēng)爐、家庭取暖爐或壁爐,不僅可解決城鄉(xiāng)家庭 的炊事取暖,也可用于小型發(fā)電供暖設(shè)施,為中小熱電 廠能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整創(chuàng)造條件。
(1)成型燃料生產(chǎn)及應(yīng)用。歐洲以及其他大部分地區(qū)生產(chǎn)成型燃料主要以木質(zhì)生物質(zhì)為原料。目前大部分用于各種小型熱水鍋爐、熱風(fēng)爐、家庭取暖爐或壁爐,部分用于小型社區(qū)熱電聯(lián)供電站,滿足居民供暖需求。我國(guó)在新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃中明確提出農(nóng)村可再生能源在 10 年后要求達(dá)到 13%,其中利用生物質(zhì)成型燃料為農(nóng)村、小城鎮(zhèn)住戶提供炊事和采暖能源,將是一個(gè)重要的途徑。
生物質(zhì)固體顆粒燃料除通過(guò)專門運(yùn)輸工具定點(diǎn)供應(yīng)給發(fā)電廠和供熱企業(yè)以外,還以袋裝的方式在市場(chǎng)上銷售,已經(jīng)成為許多家庭首選的生活燃料。2014 年,全球木質(zhì)顆粒產(chǎn)量達(dá) 2410 萬(wàn)噸,歐盟約占 62%,北美地區(qū)約占 34%(圖 1)。最大的生產(chǎn)國(guó)依次為美國(guó)(總產(chǎn)量的26%)、德國(guó)(10%)、加拿大(8%)、瑞典(6%)和 拉脫維亞(5%)。歐盟國(guó)家消費(fèi)了世界上最多的木質(zhì)顆粒,2013 年消耗量為 1500 萬(wàn)噸。
(2)生物燃?xì)馍a(chǎn)及應(yīng)用。生物燃?xì)馐侵笍纳镔|(zhì)轉(zhuǎn)化而來(lái)的燃?xì)?包括沼氣、合成氣和氫氣。目前沼氣具有較大的成本優(yōu)勢(shì)，所以生物燃?xì)饨?jīng)常特指沼氣。
據(jù)國(guó)際能源署統(tǒng)計(jì),2012 年,歐洲地區(qū)在運(yùn)行的沼氣發(fā)電廠超過(guò) 13800 家,裝機(jī)容量 7.5 吉瓦。大部分是熱電聯(lián)產(chǎn),小部分被送入天然氣管網(wǎng),發(fā)電量和供熱量分別達(dá) 44.5 吉瓦時(shí)和 1.1×105 吉焦。2013 年底,德國(guó)的沼氣生產(chǎn)廠已達(dá) 8000 家左右,裝機(jī)容量約 3.8 吉瓦,98% 用于發(fā)電,并實(shí)行熱電聯(lián)供,當(dāng)年供電 2.7×104 吉瓦時(shí),供熱1.2×104 吉瓦時(shí),分別占全國(guó)供電和供熱總量的4.2%和 0.8%,據(jù)估計(jì)到 2020 年,生物燃?xì)獍l(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到 9500 兆瓦。另有 169 家沼氣廠向天然氣管網(wǎng)輸氣, 輸氣量達(dá) 9 億立方米。
(1)成型燃料生產(chǎn)及應(yīng)用。近年我國(guó)開始重視生物質(zhì)成型燃料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,國(guó)家發(fā)改委在《可再生能源長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》中提出,力爭(zhēng)在 2020 年達(dá)到顆粒燃料年利用量 5000 萬(wàn)噸的目標(biāo)。目前國(guó)內(nèi)生物質(zhì)成型燃料主要應(yīng)用于工業(yè)高溫蒸汽供應(yīng),包括鋼鐵、紡織、 印染、造紙、食品、化工等行業(yè),由于國(guó)內(nèi)生物質(zhì)成型燃料行業(yè)還處起步階段,企業(yè)分散,沒有統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn),很難統(tǒng)計(jì)具體的產(chǎn)業(yè)規(guī)模,估算為 500 萬(wàn)噸/年左右。國(guó)家能源局在《2014 年能源工作指導(dǎo)意見》強(qiáng)調(diào)年內(nèi)新增生物質(zhì)工業(yè)和民用供熱折算分 別為 200 萬(wàn)噸和 80 萬(wàn)噸(蒸汽),而根據(jù)發(fā)改委、國(guó)家能源局和環(huán)保部《關(guān)于印發(fā)能源行業(yè)加強(qiáng)大氣污染防治工作方案的通知》,爭(zhēng)取 2017 年生物質(zhì)成型燃料利用量超過(guò) 1500 萬(wàn)噸。
(2)生物燃?xì)馍a(chǎn)及應(yīng)用。我國(guó)生物質(zhì)能資源豐富,可用于制取生物燃?xì)獾馁Y源品種繁多,包括作物秸稈、畜禽糞便、林業(yè)廢棄物等。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)每年可用于生產(chǎn)生物燃?xì)獾馁Y源總量約折合 7 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤(表1)。
若考慮技術(shù)可行性和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力,目前可利用的資源量約為 2.5 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,可生產(chǎn)沼氣量為 1 990 億立方米,約折合天然氣 1 200 億立方米,相當(dāng)于我國(guó) 2014 年天然氣消費(fèi)量 1 800 億立方米的 2/3。
近年來(lái),我國(guó)生物燃?xì)猱a(chǎn)業(yè)取得較大進(jìn)展,生物燃?xì)猱a(chǎn)量已達(dá) 150 億立方米/年,實(shí)現(xiàn) CO2 減排 765 萬(wàn)噸, 大中型生物燃?xì)夤こ碳s 4 000 多個(gè)。但總的來(lái)看,我國(guó)處理農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物的沼氣工程由于相對(duì)規(guī)模小,又遠(yuǎn)離城鎮(zhèn),產(chǎn)生的沼氣僅有少量用于發(fā)電和集中供氣(沼氣發(fā)電用氣量約占總產(chǎn)氣量的 2.53%,集中供氣約占總產(chǎn) 氣量的 1 %),大量的沼氣用于養(yǎng)殖場(chǎng)自身的生產(chǎn)、生活 燃料。農(nóng)業(yè)沼氣工程平均池容只有 283 立方米,池容在1 000 立方米以上的大型沼氣工程僅占 9% 左右,沼氣技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展急需轉(zhuǎn)型升級(jí)。
(3)生物質(zhì)氣化發(fā)電及燃?xì)鈶?yīng)用。生物質(zhì)氣化發(fā)電及燃?xì)鈶?yīng)用是具有我國(guó)特色的生物質(zhì)能分布式利用方式�；谏镔|(zhì)熱解氣化技術(shù),我國(guó)開發(fā)出生物質(zhì)熱解 氣化集中供氣系統(tǒng),以滿足農(nóng)村居民炊事和采暖用氣, 相關(guān)技術(shù)已得到初步應(yīng)用。其中,利用生物質(zhì)熱解炭化技術(shù),建設(shè)生物質(zhì)炭、氣、油多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),為農(nóng)村居民提供生活燃?xì)?同時(shí)生產(chǎn)生物質(zhì)炭和生物焦油,取得了較好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益,在湖北、安徽和河南等地得到初步推廣,具有較好的發(fā)展前景。在生物質(zhì)氣化發(fā)電方面,目前已開發(fā)出多種以木屑、稻殼、秸稈等生物質(zhì)為原料的固定床和流化床氣化爐,成功研制了從 400 千瓦到 10 千瓦的不同規(guī)格的氣化發(fā)電裝置,出口到泰國(guó)、緬甸、老撾和我國(guó)的臺(tái)灣地區(qū),是國(guó)際上中小型生物質(zhì)氣 化發(fā)電應(yīng)用最多的國(guó)家之一。
生物質(zhì)能分布式利用的主要技術(shù)
目前有多種生物質(zhì)能源分布式利用技術(shù)已基本成 熟,且最有可能實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化,包括沼氣、生物質(zhì)成型、 生物質(zhì)氣化、生物質(zhì)采暖供熱利用等,相關(guān)核心技術(shù)發(fā) 展現(xiàn)狀如圖 2 所示。
沼氣工程所處理的有機(jī)廢棄物比較廣泛,如:畜禽糞便、青貯飼料、過(guò)期的殘糧、廚余殘?jiān)⑸钣袡C(jī)垃圾、動(dòng)物屠宰的廢棄物、農(nóng)副產(chǎn)品加工的廢棄物等,或由上述幾種有機(jī)廢物混合構(gòu)成。由于我國(guó)近 10 年畜牧養(yǎng)殖發(fā)展很快,畜禽糞便排放總量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)環(huán)境承載能力,政府希望通過(guò)沼氣工程建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施,基本解決重點(diǎn)區(qū)域畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)對(duì)周圍環(huán)境的污染問(wèn)題。因此,沼氣工程將發(fā)揮多功能的作用(生產(chǎn)能源、綜合利用及環(huán)境保護(hù)等),具有廣闊的應(yīng)用前景。
大中型沼氣工程已非常成熟,是生物質(zhì)能分布式利用的主要方式,也是目前產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最好生物質(zhì)能利用方向之一。
然而......
我國(guó)傳統(tǒng)的沼氣利用方式以家用沼氣池為主,規(guī)模小,效率低;
而大中型沼氣工程與國(guó)外技術(shù)相比仍存在較大差距,設(shè)備工藝和制造技術(shù)水平不高,如國(guó)際上 CSTR 工藝的產(chǎn)氣率可達(dá) 15 m3 . m-3 . d-1,熱電系統(tǒng)率達(dá)90%,而我國(guó)產(chǎn)氣率僅為 0.8—5.0 m3 . m-3 . d-1,發(fā)電效率僅為 35%。
目前我國(guó)已建的大中型畜禽糞污沼氣工程在工藝設(shè)計(jì)階段沒有考慮充分利用資源,大多數(shù)沒有采用熱電聯(lián)供,常溫發(fā)酵或外加熱源近中溫發(fā)酵工藝在冬季不能維持穩(wěn)定產(chǎn)氣,能源凈輸出率很低。
成型技術(shù)主要有兩類:一類是顆粒燃料成型機(jī),不同規(guī)格的環(huán)模機(jī)是顆粒燃料成型機(jī)的主流機(jī)型;另一類是棒狀或塊狀成型機(jī),棒狀或塊狀成型燃料主要在農(nóng)場(chǎng)應(yīng)用,原料是作物秸稈,絕大多數(shù)是大螺距、大直徑擠壓機(jī),也有液壓驅(qū)動(dòng)活塞沖壓式成型機(jī)。
目前生物質(zhì)成型燃料從原料收集、干燥、粉碎、包裝、銷售環(huán)節(jié)全部實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線生產(chǎn),自動(dòng)化、規(guī)模化和商業(yè)化程度都很高,單機(jī)生產(chǎn)規(guī)模大都在每小時(shí) 2 噸以上。
我國(guó)生產(chǎn)成型燃料以農(nóng)作物秸稈為主要原料,秸稈成型特性、燃燒特性方面與林業(yè)剩余物有很大不同,不能照搬國(guó)外的技術(shù)以及設(shè)備。
目前在生物質(zhì)沖壓式壓塊技術(shù)及裝置、擠壓式壓塊技術(shù)及裝置、烘烤炭技術(shù)及裝置等方面有了明顯的進(jìn)步,但我國(guó)生物質(zhì)成型機(jī)還普遍存在著能耗過(guò)高、磨損嚴(yán)重和使用壽命短等問(wèn)題,需要 進(jìn)一步加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)改進(jìn),提高能源利用效率。另外, 秸稈燃料鍋爐燃燒應(yīng)用技術(shù)還不成熟,還缺乏核心技術(shù)和設(shè)備,尚無(wú)技術(shù)成熟的鍋爐產(chǎn)品制造廠家,鍋爐燃燒中容易出現(xiàn)結(jié)渣、結(jié)焦、腐蝕和飛灰嚴(yán)重等問(wèn)題,運(yùn)行 維護(hù)不易。因此,提高鍋爐對(duì)秸稈成型燃料的適應(yīng)性, 是大規(guī)模推廣生物質(zhì)成型燃料的關(guān)鍵技術(shù)之一。
生物質(zhì)氣化的主要優(yōu)勢(shì)是將難以燃用的生物質(zhì)低品位燃料轉(zhuǎn)化為燃?xì)?實(shí)現(xiàn)清潔和高效燃燒,是生物質(zhì)分布式利用的有效途徑。
我國(guó)的小規(guī)模生物質(zhì)氣化及利用技術(shù)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平,尤其在氣化發(fā)電和生物燃?xì)馓娲I(yè)燃料方面。但是總體來(lái)看,目前氣化設(shè)備對(duì)燃料的適應(yīng)性較差,對(duì)原料水分、灰分或熱值的變化比較敏感;氣化發(fā)電還存在效率偏低、穩(wěn)定性較差和燃?xì)鈨艋到y(tǒng)太復(fù)雜等問(wèn)題，需要提高生物質(zhì)氣化效率及其自動(dòng)化控制水平；生物質(zhì)燃?xì)馊紵嬖谌細(xì)夂统Ｒ?guī)燃燒設(shè)備(如鍋爐、窯爐 等)匹配技術(shù)不成熟等問(wèn)題,急需解決生物質(zhì)燃?xì)飧咝紵饣到y(tǒng)與工業(yè)鍋爐/窯爐耦合調(diào)控等關(guān)鍵技術(shù)。
所以開發(fā)新型的生物質(zhì)氣化技術(shù)和設(shè)備,完善并提高燃?xì)饫?用效率,建設(shè)示范工程,形成分布式生物質(zhì)氣化利用的商業(yè)化解決方案,是生物質(zhì)氣化技術(shù)發(fā)展的主要方向。
生物質(zhì)熱解技術(shù)可將低品位生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高品位的木炭、燃油等,是高值化利用生物質(zhì)的主要方式之一。我國(guó)生物質(zhì)熱解技術(shù)方面研究較早,但產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展緩慢,主要是因?yàn)檠芯恳詥雾?xiàng)技術(shù)為主,缺乏系統(tǒng)性,與歐美等國(guó)相比還有較大差距。特別是在高效反應(yīng)器研發(fā)、工藝參數(shù)優(yōu)化、液化產(chǎn)物精制以及生物燃油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響等方面存在明顯差距。同時(shí),熱解技術(shù)還存在如下一些問(wèn)題:生物油成本通常比礦物油高,生物油同傳統(tǒng)液體燃料不相容,需要專用的燃料處理設(shè)備;生物油是高含氧量碳?xì)浠衔?物理、化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定,長(zhǎng)時(shí)間貯存會(huì)發(fā)生相分離、沉淀等現(xiàn)象,并具有腐蝕性;由于物理、化學(xué)性質(zhì)的不穩(wěn)定,生物油目前不能直接用于現(xiàn)有的動(dòng)力設(shè)備,必須經(jīng)過(guò)改性和精制后才可使用;這些都是阻礙生物質(zhì)熱解規(guī)模化利用的瓶頸所在。
針對(duì)以上存在的差距和問(wèn)題,今后的研究重點(diǎn)是如何提高液化產(chǎn)物收率,尋求高效精制技術(shù),提高生物油品質(zhì),降低運(yùn)行成本,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物的綜合利 用和工業(yè)化生產(chǎn)等。
生物質(zhì)能分布式利用發(fā)展前景分析
發(fā)展分布式生物質(zhì)能的關(guān)鍵是因地制宜,不能脫離當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展條件,追求不切實(shí)際的發(fā)展目標(biāo)。我國(guó)目前開發(fā)利用生物質(zhì)能的主要功能是環(huán)保和節(jié)能,目的是減少污染,提供經(jīng)濟(jì)、可行的潔凈替代能源,減少化石能源的壓力。
在定位上,近期應(yīng)圍繞節(jié)能減排戰(zhàn)略需求, 實(shí)現(xiàn)部分替代工業(yè)燃料,減少燃煤/燃油/燃?xì)獾南?降低企業(yè)減排成本;長(zhǎng)期應(yīng)發(fā)展液體燃料替代,實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)液體燃料規(guī)模化生產(chǎn)、能源作物規(guī)�；N植及能源藻的商業(yè)化利用。根據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析和預(yù)測(cè),我國(guó)分布式生物質(zhì)能源技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展大致可分為兩個(gè)階段(圖3)。
(1)近期(2015—2020年)。生物質(zhì)分散供熱和天然氣替代技術(shù)基本成熟,產(chǎn)業(yè)化商業(yè)模式基本建立,產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)和產(chǎn)品主要以生物質(zhì)分散供熱和生物質(zhì)替代天然氣為主,其他分布式生物質(zhì)能源利用技術(shù)僅僅處于應(yīng)用示范階段。此階段發(fā)展的重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)包括:沼氣工程及其熱電氣聯(lián)供系統(tǒng)、沼氣制備車用燃?xì)庀到y(tǒng)、生物質(zhì)氣化燃?xì)飧G爐燃燒系統(tǒng)、生物質(zhì)燃?xì)忮仩t燃燒系統(tǒng)、生物質(zhì)熱電聯(lián)供系統(tǒng)、高效生物質(zhì)供熱鍋爐、秸稈成型燃料燃燒鍋爐、成型燃料家用采暖設(shè)備、成型燃料家用爐 灶設(shè)備、養(yǎng)殖等污水大型沼氣工程等。
(2)中期(2020—2030年)。生物質(zhì)分散供熱和天然氣替代技術(shù)和產(chǎn)品處于快速發(fā)展階段,產(chǎn)業(yè)規(guī)模、經(jīng)濟(jì)效益、減排效益日益顯著;城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村分散利用生物質(zhì)能源作為生活能源的技術(shù)、產(chǎn)品日趨成熟,國(guó)家/地方政府對(duì)新型城市化中利用生物質(zhì)能源政策措施進(jìn)一步強(qiáng)化,分布式生物質(zhì)能技術(shù)為新型城鎮(zhèn)化提供能源供應(yīng)和環(huán)境保護(hù)解決方案的地位初步確立。此階段發(fā)展的重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)包括:生物質(zhì)氣化集中供氣系統(tǒng)、生物質(zhì)集中供熱系統(tǒng)、生物質(zhì)熱電氣聯(lián)供系統(tǒng)、生物質(zhì)替代LPG燃料集成系統(tǒng)、垃圾熱解焚燒設(shè)備、垃圾/生物質(zhì)混合炭化/氣化系統(tǒng)、垃圾分級(jí)及綜合利用、秸稈/糞便混合發(fā)酵設(shè)備及系統(tǒng)、戶用沼氣模塊化系統(tǒng)等。
傳統(tǒng)燃煤燃?xì)馓娲⒊擎?zhèn)/農(nóng)村清潔生活能源供應(yīng)和農(nóng)村生態(tài)環(huán)境保護(hù)是生物質(zhì)能分布式利用的三大發(fā)展方向,相關(guān)核心技術(shù)包括堿金屬腐蝕及結(jié)焦控制技術(shù)、高效生物質(zhì)氣化技術(shù)、生物質(zhì)熱解/炭化技術(shù)、秸稈干發(fā)酵技術(shù)、生物質(zhì)氣化燃?xì)鈨艋夹g(shù)、生物燃?xì)鈨艋峒兗?術(shù)、生物燃?xì)獾臀廴救紵鞍l(fā)電技術(shù)等。其中,生物質(zhì)能燃煤燃?xì)馓娲矫?關(guān)鍵技術(shù)已基本成熟,大部分系統(tǒng)完成應(yīng)用示范,如果在政策和經(jīng)濟(jì)性方面具備條件, 預(yù)計(jì)在 5—10 年內(nèi)可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并進(jìn)行大規(guī)模推廣應(yīng)用;農(nóng)村生態(tài)環(huán)境保方面,秸稈等固廢利用技術(shù)已具備 產(chǎn)業(yè)化條件;分散規(guī)模的垃圾/污水處理系統(tǒng)、戶用沼氣 升級(jí)、秸稈沼氣制備等關(guān)鍵技術(shù)處在研發(fā)階段;城鎮(zhèn)/農(nóng)村清潔生活能源供應(yīng)方面,生物質(zhì)清潔利用技術(shù)處于工 程示范階段,核心技術(shù)問(wèn)題包括生物質(zhì)成型燃料家用采 暖模塊化技術(shù)、生物質(zhì)家用燃?xì)饽K化技術(shù)等。
基于目前相關(guān)核心技術(shù)的研發(fā)及其應(yīng)用現(xiàn)狀,我國(guó)分布式生物質(zhì)能源技術(shù)近期主要處于進(jìn)行技術(shù)完善和應(yīng)用示范階段,預(yù)計(jì)到 2030 年前大部分關(guān)鍵技術(shù)將基本成熟,具備產(chǎn)業(yè)化的條件(圖 4)。
生物質(zhì)能分布式利用發(fā)展條件分析
生物質(zhì)原料分散,種類復(fù)雜,從本質(zhì)上看,生物質(zhì)能更適合于分散利用,所以發(fā)展生物質(zhì)供熱、供氣和熱/電/氣聯(lián)產(chǎn)等分布式利用模式,是我國(guó)生物質(zhì)能發(fā)展的主要方向,但從產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀看,目前制約分布式生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最主要瓶頸是經(jīng)濟(jì)性和可靠性。為了實(shí)現(xiàn)上述分布式生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展目標(biāo)和潛力,必須重點(diǎn)解決這兩方面的問(wèn)題,才能為產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)造有利條件。
技術(shù)創(chuàng)新是提高分布式生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)性和可靠性的基礎(chǔ),政府應(yīng)該增加科研投入,增強(qiáng)技術(shù)研發(fā)和技術(shù)轉(zhuǎn)移能力,進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)研究和創(chuàng)新、系統(tǒng)集成與工程示范,推動(dòng)分布式生物質(zhì)能技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。
(1)開發(fā)生物質(zhì)替代工業(yè)燃料的關(guān)鍵技術(shù),保證生物質(zhì)作為燃料可以在鍋爐、窯爐等工業(yè)設(shè)備中穩(wěn)定使用。包括:研究燃料適應(yīng)性強(qiáng)的生物質(zhì)高效燃燒技術(shù), 防止不合格燃料的影響,并實(shí)現(xiàn)爐膛燃燒溫度可控;研究解決生物質(zhì)利用過(guò)程中的爐內(nèi)結(jié)焦、換熱設(shè)備腐蝕等問(wèn)題;開發(fā)適應(yīng)多種原料的生物質(zhì)氣化技術(shù),重點(diǎn)解決低焦油、大負(fù)荷、高穩(wěn)定性等技術(shù)難題。
(2)開發(fā)與農(nóng)村環(huán)境保護(hù)及農(nóng)村生活能源供應(yīng)相關(guān)的共性技術(shù)，使分布式生物質(zhì)能成為新型城鎮(zhèn)化能有保障和農(nóng)村環(huán)境保護(hù)的有效途徑。為了達(dá)到低成本、提高可靠性的目的,必須將生物質(zhì)能利用技術(shù)和我國(guó)農(nóng)村發(fā)展需求相結(jié)合,進(jìn)行工程示范并經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的商業(yè)應(yīng)用, 有效提高技術(shù)的可靠性和實(shí)用性,才能具有較大的行業(yè)帶動(dòng)作用,引導(dǎo)并推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
我國(guó)分布式生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)尚處于起步階段,用戶認(rèn)可度低,商業(yè)模式未成熟;同時(shí)與傳統(tǒng)能源相比,分布式生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)存在單位投資大、運(yùn)行維護(hù)成本高等缺點(diǎn)。政府應(yīng)該加強(qiáng)政策支持和引導(dǎo),鼓勵(lì)商業(yè)化示范、 商業(yè)模式創(chuàng)新,提高其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
(1)不斷創(chuàng)新和完善分布式生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)的商業(yè)模 式。首先,提高生物能源設(shè)備系統(tǒng)集成能力,將設(shè)備制造加工與銷售核心設(shè)備、核心技術(shù)研制于成套設(shè)備開發(fā)、技術(shù)服務(wù)與工程安裝調(diào)試等各方面有機(jī)結(jié)合;其次,構(gòu)建生物能源燃料生產(chǎn)與供應(yīng)商的市場(chǎng)網(wǎng)絡(luò),在專注生物燃料收集、加工及生產(chǎn)的同時(shí),為用戶提供保障燃料供應(yīng)的解決方案;最后,建立減少用戶后顧之憂的商業(yè)模式,利用核心技術(shù)和低成本設(shè)備,通過(guò)專業(yè)的燃料供應(yīng)和項(xiàng)目運(yùn)行管理,為客戶提供生物質(zhì)能源分散利用的綜合解決方案,形成具有市場(chǎng)價(jià)值的商業(yè)模式,提高生物質(zhì)能的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
(2)制定經(jīng)濟(jì)激勵(lì)政策,將生物質(zhì)能的環(huán)保優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為成本優(yōu)勢(shì)。生物質(zhì)燃料的單位熱量成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于化石能源,簡(jiǎn)單利用生物質(zhì)能替代燃煤、天然氣沒有經(jīng)濟(jì)性, 但生物質(zhì)屬于可再生的清潔能源,具有顯著的減排優(yōu)勢(shì)和環(huán)境效益。政府應(yīng)該制定相應(yīng)的激勵(lì)政策,建立產(chǎn)業(yè)發(fā)展的激勵(lì)機(jī)制,包括立項(xiàng)鼓勵(lì)、稅收和環(huán)保負(fù)荷減免、熱電價(jià)格補(bǔ)貼、CO2 減排補(bǔ)貼、城鎮(zhèn)化建設(shè)補(bǔ)貼等政策,提高其經(jīng)濟(jì)性,調(diào)動(dòng)社會(huì)發(fā)展分布式生物質(zhì)能的積極性。
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