生物質能源轉化：挑戰(zhàn)和解決方案——有機廢棄物作為鍋爐燃料
譯者：于東 美國明尼蘇達州明尼阿波利斯市
來源：中國給水排水 -cnww1985
把有機廢棄物轉化為能源十分具有吸引力，其既可以減量有機廢棄物，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。由于有機廢棄物的自然特性，需要采用適當?shù)脑O備設計，保障工藝安全及設備穩(wěn)定性，盡可能降低相關風險，既獲得經(jīng)濟優(yōu)勢，又保證排放合規(guī)。本文將呈現(xiàn)使用有機廢棄物作為鍋爐燃料的挑戰(zhàn)和解決辦法，并以真實案例佐證。
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 美國明尼蘇達州明尼阿波利斯市
譯者簡介：于東，1995年畢業(yè)于東北財經(jīng)大學，基建預算與投資經(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，是世界著名的柱塞泵和污泥料倉制造商)中國公司及美國公司，2002年為施維英中國公司創(chuàng)建了環(huán)境工程部（后因業(yè)務拓展至工業(yè)，改名為工業(yè)系統(tǒng)部），并一直任負責人至離職。其間將施維英環(huán)保設備應用于超過60座中國污水處理廠，另有超過500臺應用于其他工業(yè)系統(tǒng)。施維英公司連續(xù)3年（2010年—2012年）被《中國給水排水》雜志評為“中國水工業(yè)十大影響力國際品牌”。
2013年至2016年6月，供職于密爾沃基市附近的美國普茲邁斯特(Putzmesiter)公司，作為市政工程部總經(jīng)理，負責德國總部在全美市場的環(huán)保業(yè)務，為普茲邁斯特公司建立了覆蓋美國大部分地區(qū)的代理商網(wǎng)絡，并向美國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)。
個人喜好戶外運動，包括滑雪、漿式?jīng)_浪板和自行車運動。
背景介紹
作為燃料的有機廢棄物種類繁多，從蔬菜到動物、從工業(yè)生產(chǎn)到人類活動都會產(chǎn)生有機廢棄物，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。有機廢棄物可以通過焚燒產(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]，在能源項目中焚燒有機廢棄物會有更多好處: 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固體廢棄物場地有限的問題，并且敞開式丟棄和設計管理較差的填埋場會導致地面污染，如滲濾液析出、地表水源污染[3]。
在許多情況下，焚燒廢棄物的設備都是臨時或者靠經(jīng)驗設計的，到目前為止還沒有一個完全成熟的工業(yè)廢棄物熱能設備制造商，特別是發(fā)展中國家。近年來，由于更嚴格的環(huán)保法規(guī)不斷出臺，舊設備不得不翻新改造以適應新的管理要求。
本文介紹了使用有機廢棄物作為小型鍋爐燃料或發(fā)熱器燃料的經(jīng)驗，并提出了主要的基本考量因素，可為發(fā)展中國家的公司和工程師提供設計和運行這些系統(tǒng)的參考。
生物質（有機廢棄物）燃料的復雜性
生物質來源于農(nóng)業(yè)、種植業(yè)和林業(yè)等。世界范圍內，這些行業(yè)會產(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行能源轉化。目前已有農(nóng)場將殘余物回歸土壤或用于飼養(yǎng)動物，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)和生物質研究人員提出應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，或通過焚燒/氣化來發(fā)電和產(chǎn)生熱量[4]。
需要強調的是，不是所有的有機廢棄物種類都已被標準化，對焚燒和排放、副產(chǎn)品信息也未進行全面的研究。因此讓焚燒設備的設計變得復雜，了解這些物料如何在現(xiàn)有設備上使用也是亟待解決的問題之一。
如果在設計的早期階段就對要焚燒的有機物料特性有足夠的了解，則會減少諸多問題。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)電轉換率約為12%~24%[5]。基于此，在使用焚燒設備處理有機物料時要特別注意以下問題。
積垢、沉淀、成渣和腐蝕問題
焚燒生物質一定會遇到腐蝕問題。盡管木材、泥煤和煤的氯含量較低，但是在木質燃料中需要考慮鈉、鉀和少量的硫影響。值得注意的是，復雜的堿金屬氯化物會造成腐蝕問題[6]。
首先需要考慮熱傳導設備的表面積垢或沉淀問題。其會影響焚燒設備的設計、壽命和運行，增加運營成本，降低鍋爐效率，降低質量，增量氮氧化合物和一氧化碳，減少熱傳導效率，并使設備腐蝕和腐爛[1]。
大多數(shù)生物質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低，常在過熱器中形成嚴重的沉淀，產(chǎn)生積垢，并在焚燒階段造成其他問題。
圖 1為兩個鍋爐管道腐蝕案例， a顯示了焚燒高含氯生物質焚燒造成的腐蝕，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提高焚燒灰的熔點[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處理表面，如高速氧燃料，其使熔化或半熔材料通過高溫高速燃氣流噴涂表面。
生物質飛灰和火花
由于物料的形狀不規(guī)整、規(guī)格大小不同、富含纖維和異構體，因此有機廢棄物很難完全燃燒，且容易導致飛灰中殘留未燃燒的廢棄物�；抑写罅课慈紵奶颊f明燃料利用不充分，而且灰的穩(wěn)定性很低，同時可能急劇增加灰量。這樣，反而增加了處置成本和運輸與處理最終固體廢棄物的成本。另外，當熾亮的灰或火花從焚燒室運送到袋式除塵器時，造成火災的可能性更高。
設計不合理的設備曾導致過多起火災事故。當焚燒高沸點有機物時，如廢燃料油，有機物在鍋爐冷凝器熱端解除吸附，在冷端進入袋式除塵器，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埋下了隱患。分析起火的原因，主要是防火花袋式除塵器風機不正確地放在袋式除塵器上游，火花（通常是有機物中的纖維物料）、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)的火花問題，確保焚燒（時間、溫度、湍流）條件滿足完全燃燒，即從根源上而不是表面現(xiàn)象上解決問題。另外，也可撲滅火花或避免達到著火溫度�；鸹ㄍ獗淼臒峥諝鈱雍突鸹ㄒ苿佑邢鄬λ俣�，使熱量從火花交換到空氣中，可以降低火花溫度。通過改變空氣速度和湍流，達到在氣流中產(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，避免點燃除塵袋[14]。渦流可以通過系統(tǒng)管道尺寸突變來制造，或增加帶節(jié)流孔的單級或多級板，改變管道方向，以及采用火花熄滅器來解決。圖2為火花熄滅器。
圖2 火花熄滅器[14]
爆炸風險
為了滿足環(huán)保要求，許多工藝和設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)性有機物（VOCs）和工藝廢氣流。根據(jù)主流設計，熱氧化器會在燃燒室點火或劇烈放熱，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）沒有進行正確管理或控制，熱氧化器可能會發(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鍋爐燃燒室和管路內積聚，隨后被點燃，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險[17]。
其他營運條件問題
當焚燒有機廢棄物時，由于對設備會遇到的某些實際運行條件及多樣性考慮不全面而沒有進行相關設計，則可能產(chǎn)生問題。在有機廢棄物處置中常符合墨菲定律[18]（可能會發(fā)生的最壞的事情一定會發(fā)生）。
在進行工藝設計時，允許安全系數(shù)在水平方向上具有寬泛可能性，無論物理的或化學的，允許工藝不被單獨的運行點控制，其可有足夠的靈活性，適應進料數(shù)量和質量的變化。但是，過高的安全系數(shù)也會產(chǎn)生負作用，因此不要設計過度。
在焚燒工藝中使用結垢系數(shù)，是一個建立自信和通用性的考量，特別是在鍋爐設計中。結垢系數(shù)報告可能是繁雜的，因為它包含了多種可能性：管道布置、氣體流速、氣體溫度、灰塵荷載、飛灰軟化點、預計吹灰周期內飛灰在管道的沉積厚度。弄清上述問題，會更好地了解工藝動態(tài)，決定儀表和控制思路。
圖3列舉了在生物質焚燒設備設計時會發(fā)生的問題。
圖3 有機廢棄物焚燒系統(tǒng)中的某些問題
案例研究
案例一：手動小型植物纖維鍋爐除塵袋著火
一臺手動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)）�；馂谋容^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。甚至在運行水平提高后，控制廢棄物進料和焚燒氣供應之后火災也時有發(fā)生。1月到11月間火災總是持續(xù)不定期地發(fā)生。圖4為發(fā)生火災后的照片。
圖4 袋式除塵器火災后照片
分析后，提出了以下考量因素和替代方案:
· 對燃燒氣進行細致研究，在延長的一系列測量工作中檢測一氧化碳、氫氣和甲烷的濃度，用數(shù)據(jù)結果來解決問題。但由于成本高，而且難以找到有經(jīng)驗和分析設備的本地供應商，客戶不同意這么做。
· 增大袋式除塵器，確保進入的氣體被稀釋，避免任何燃燒條件。由于需要投資，客戶也給予否定。
· 在旋風除塵器前安裝一個基于溫度的預防系統(tǒng)，帶可噴水的噴嘴。盡管安裝了該系統(tǒng)，但是運行不正常。
· 更改袋式除塵器為濕式洗滌塔。這個方案因為高投資、腐蝕、水管理和其他顯而易見的問題被否定。
· 請該領域專家更改鍋爐內部條件，也因為高成本被否定。
由于客戶要求供應商承擔所有新投資和更改所需的全部成本，經(jīng)過復雜談判，提出了一個讓客戶和供應商都接受的合理性檢查方案，找到了最終解決問題的出發(fā)點。雙方發(fā)現(xiàn)，更換濾袋的成本遠低于客戶焚燒廢棄物所得到的收益，所以決定先由供應商測試鍋爐一段時間，共同分享之前計算過的收益。
在這個前提下，供應商考慮安裝一個商業(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安裝獨立的導流板（圖5）來增加鍋爐的效率并降低出口溫度。當然，這需要定期清潔管道和導流板。
圖5 鍋爐內的導流板
經(jīng)過測試，客戶發(fā)現(xiàn)可以讓系統(tǒng)帶導流板運行，且更換除塵器的成本小于收益。實際證明，經(jīng)過一段時間利用導流板加上控制好運行條件，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（咖啡渣）鍋爐袋式除塵器問題
某客戶的業(yè)務是制造速溶咖啡和相關產(chǎn)品，他有一臺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干化機，用來干化進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產(chǎn)生了極大的升溫。在干化機后面，氣體被導入污染控制系統(tǒng)。用一臺輔助天然氣燃燒器支持干化機，可保證有足夠的能量來干化生物質廢棄物，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題和附著未完全燃燒物質而過早飽和。設計人員試圖解決這個問題，方案是選擇干化機的燃燒器，使離開干化機的氣體保持最基本的溫度。但客戶并不接受這種措施，因為保持最基本的溫度可能會造成火災，并讓整個系統(tǒng)運行溫度過低。也許由于這個原因，過濾袋的飽和問題總是存在，因而降低了客戶的滿意度。
確實，發(fā)生了一次火災，當系統(tǒng)100%使用天然氣時，旁通風管處發(fā)生了火災。很顯然，這是由于管道里面有可燃性積垢，因為進入風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)的管道通過的是來自焚燒生物質廢棄物產(chǎn)生的燃燒氣。當問題發(fā)生時，追蹤到焚燒，在過濾袋上發(fā)現(xiàn)大量未燃燒顆粒和凝結的燃燒油，所有這些都是因為鍋爐控制不正確（圖7 a）導致的。為了確認這個原因，檢測了過濾袋上的殘留物，自燃點是220℃，產(chǎn)生白熾物足以燒毀過濾袋（圖7 b）。
圖7 案例二照片
這個案例，提出了以下需注意的要素：
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應該運行干化機的輔助燃燒器來保持最基本的除塵器進氣溫度，高于94℃�？梢越鉀Q凝結問題和過濾袋飽和問題。
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注意分開焚燒生物質產(chǎn)生的進入除塵器的氣流和使用天然氣時的氣流。
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有必要進行自動化控制來充分優(yōu)化燃燒條件，目前控制某些焚燒參數(shù)（特別是氧氣）是手動的。另外生物質廢棄物進料和含水率控制不正確，易導致燃燒不充分，炭黑排放量過多。
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與上一個案例相似，糾正燃燒是解決問題的方法。
案例三：在焚燒過程中和之后的廢棄物沉積問題
某縮合聚合物工廠有一臺熱處理設備，用來處置污水和氣態(tài)排放物。污水中含有大量有機溶劑和氣體，如VOCs。該設備是一臺高溫焚燒爐，由有機廢棄物提供一部分能量，另帶有天然氣燃燒器來提溫，焚燒爐用于完全分解所有的VOCs。主要的能量都通過熱交換器從熱流化氣中回收，熱交換器設計為預熱油式。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
運行的難點是，在廢氣里發(fā)現(xiàn)了氧氣，因為混合物在進入焚燒爐前要求在可燃極限內，工廠必須隔絕設備來避免嚴重的安全隱患，所以安裝了一臺防火器。廢氣中的VOCs量低于預期，因此廢氣的消耗量更大。幸運的是，廢氣燃燒氣是按最保守的條件設計的，其有足夠的處理能力。
另一面，廢水中的有機物含量遠遠超過預期，原來設計時蒸發(fā)廢水需要補充能源，而現(xiàn)在廢水成為系統(tǒng)能源的補充，可補償廢氣中的低VOCs。然而有時這也是個問題，特別是廢水中可溶性有機物（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)溫度不能通過調節(jié)燃燒器來控制，綜合這些條件，系統(tǒng)經(jīng)常因為安全原因停機。
運行設備的最大難點是在廢水中出現(xiàn)了無機鹽。焚燒爐內發(fā)現(xiàn)鈉鹽和鈣鹽，在熱交換器處造成了重大運行問題，因為熱交換器被堵塞，造成系統(tǒng)溫度過高而停機。鹽來自和反應水混合的無控制的清洗廢水。工廠發(fā)現(xiàn)了這個問題后，增加了檢測和修正水流的工作程序。
除了焚燒室和熱交換器的鹽沉積，其他的問題都被控制住了。設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備
結論
盡管使用WTE（廢棄物能源轉化）系統(tǒng)有巨大的優(yōu)勢，但是系統(tǒng)能源轉換效率低，投資成本比化石燃料高，計劃安裝WTE設施時要考慮這些問題。
對于WTE系統(tǒng)，需要認真考慮安全性和穩(wěn)定性問題。這與火災、爆炸、損壞、沉積、腐蝕、除塵袋飽和等問題相關。正確的設計、足夠的預留量、對廢棄物品質的完全了解、懂得疑難問題隨時會產(chǎn)生的供應商和客戶、正確地控制和操作設備，是項目成功的前提。
總的來說，必須做實驗性的工作和小試，不僅設計階段需要，而且在系統(tǒng)運行和遇到問題時也需要。
鳴謝
作者感謝美國的麥克萊維斯（F. Michael Lewis）先生對文章提供的協(xié)助，以及知識上的幫助和建議，他的幫助極大地提高了本文的技術水準。
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生物質能分布式利用發(fā)展趨勢分析
分布式生物質能源技術對原料種類適應性強,項目規(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)濟性,更易于商業(yè)化發(fā)展,符合生物質資源特點和我國國情。
而目前制約分布式生物質能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最主要瓶頸是經(jīng)濟性和可靠性,作者提出--國家應在技術創(chuàng)新和政策支持方面增加投入,將生物質能的環(huán)境效益和社會效益轉化為成本效益,推動生物質能分布式利用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
來看今天文章，來自《中國科學院院刊》2016年第2期。 轉載：農(nóng)業(yè)環(huán)境科學
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背 景
生物質能分布式利用方式主要包括生物質成型燃料和生物燃氣兩方面,關鍵技術包括生物質成型燃料加工及燃燒、大中型沼氣工程技術、生物質氣化熱解及燃氣利用等。
我國分布式生物質能源技術目前主要處于進行技術完善和應用示范階段,預計到 2030 年前大部分關鍵技術將基本成熟,具備產(chǎn)業(yè)化的條件。
我國分布式生物質能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要方向是傳統(tǒng)燃煤燃氣替代、城鎮(zhèn)/農(nóng)村清潔生活能源供應和農(nóng)村生態(tài)環(huán)境保護,發(fā)展重點是服務節(jié)能減排戰(zhàn)略,利用生物質實現(xiàn)部分替代工業(yè)燃料,減少燃煤/燃油帶來的污染,同時圍繞國家新型城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略,為新農(nóng)村建設提供可持續(xù)的清潔能源,提高農(nóng)村生態(tài)環(huán)境保護水平。
以下為文章主體內容
生物質能分布式利用的意義
生物質資源來源多樣、能量密度較低、分布分散,這些資源特點決定了因地制宜、分布式利用是發(fā)展生物質能產(chǎn)業(yè)的必然要求。
資源供應方面,應該就地開發(fā)、利用,不必長距離運輸,有效降低運輸成本,符合生物質資源密度低,分布分散的自然屬性;能源使用 方面,應該就近使用,直接面向終端用戶,多余能源可外送;管理運行方面,應該具備獨立運行的能力和條件,必要時可以聯(lián)網(wǎng)或與化石能源互補相利用。
分布式生物質能源技術應用的規(guī)模很靈活,可根據(jù)當?shù)氐膶嶋H情況滿足不同的需要。
如：既可以建設小型發(fā)電站,也可以作為居民生活燃氣,甚至可作為供熱、工業(yè)窯爐的燃料等,是真正實現(xiàn)生物質能“因地制宜”開發(fā)利用的有效途徑。
而且從產(chǎn)業(yè)化上看,由于分布式生物質能源技術對原料種類和規(guī)模適應性強,項目規(guī)模要求小、資金門檻要求低、投資回報高,對各種用戶需求的適應性較好,不同的規(guī)模下 都具有一定的經(jīng)濟性,所以生物質能分布式利用比集中式利用更易于商業(yè)化�？偟膩碚f,分布式生物質能源技術符合中國生物質資源分散的特點,適合分散利用和工業(yè)應用,具有較強的適應能力和生存能力,在中國發(fā)展分布式生物質能源技術有廣闊的應用前景。
我國經(jīng)濟發(fā)展不平衡,各地居民能源消費結構有較大差異。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)濟的發(fā)展和生活水平的提高,傳統(tǒng)生物質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,空氣污染十分嚴重。
我國正在大力推進新型城鎮(zhèn)化及新農(nóng)村建設,需要大量的清潔能源供應,在廣大農(nóng)村地區(qū)充分利用豐富廉價的生物質資源,加快生物質產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,是解決農(nóng)村今后能源持續(xù)供應的有效途徑。
生物質能作為來源于農(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、燃氣和電力等,形成農(nóng)村能源自產(chǎn)自銷的新型供應模式。而分布式生物質能轉化技術是最適合農(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。
生物質能分布式利用發(fā)展現(xiàn)狀
生物質能分布式利用的主要方式是成型燃料和生物燃氣(沼氣和氣化)。生物質成型燃料和生物燃氣與傳統(tǒng)化石燃料的使用習慣一致,是煤或天然氣的良好替代品,符合可持續(xù)發(fā)展的要求,實現(xiàn)了低品位燃料向高品位、低污染燃料的轉變,可廣泛用于各種小型熱水鍋爐、熱風爐、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)電供暖設施,為中小熱電 廠能源結構的調整創(chuàng)造條件。
(1)成型燃料生產(chǎn)及應用。歐洲以及其他大部分地區(qū)生產(chǎn)成型燃料主要以木質生物質為原料。目前大部分用于各種小型熱水鍋爐、熱風爐、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 年后要求達到 13%,其中利用生物質成型燃料為農(nóng)村、小城鎮(zhèn)住戶提供炊事和采暖能源,將是一個重要的途徑。
生物質固體顆粒燃料除通過專門運輸工具定點供應給發(fā)電廠和供熱企業(yè)以外,還以袋裝的方式在市場上銷售,已經(jīng)成為許多家庭首選的生活燃料。2014 年,全球木質顆粒產(chǎn)量達 2410 萬噸,歐盟約占 62%,北美地區(qū)約占 34%(圖 1)。最大的生產(chǎn)國依次為美國(總產(chǎn)量的26%)、德國(10%)、加拿大(8%)、瑞典(6%)和 拉脫維亞(5%)。歐盟國家消費了世界上最多的木質顆粒,2013 年消耗量為 1500 萬噸。
(2)生物燃氣生產(chǎn)及應用。生物燃氣是指從生物質轉化而來的燃氣,包括沼氣、合成氣和氫氣。目前沼氣具有較大的成本優(yōu)勢，所以生物燃氣經(jīng)常特指沼氣。
據(jù)國際能源署統(tǒng)計,2012 年,歐洲地區(qū)在運行的沼氣發(fā)電廠超過 13800 家,裝機容量 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 44.5 吉瓦時和 1.1×105 吉焦。2013 年底,德國的沼氣生產(chǎn)廠已達 8000 家左右,裝機容量約 3.8 吉瓦,98% 用于發(fā)電,并實行熱電聯(lián)供,當年供電 2.7×104 吉瓦時,供熱1.2×104 吉瓦時,分別占全國供電和供熱總量的4.2%和 0.8%,據(jù)估計到 2020 年,生物燃氣發(fā)電總裝機容量將達到 9500 兆瓦。另有 169 家沼氣廠向天然氣管網(wǎng)輸氣, 輸氣量達 9 億立方米。
(1)成型燃料生產(chǎn)及應用。近年我國開始重視生物質成型燃料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,國家發(fā)改委在《可再生能源長期發(fā)展規(guī)劃》中提出,力爭在 2020 年達到顆粒燃料年利用量 5000 萬噸的目標。目前國內生物質成型燃料主要應用于工業(yè)高溫蒸汽供應,包括鋼鐵、紡織、 印染、造紙、食品、化工等行業(yè),由于國內生物質成型燃料行業(yè)還處起步階段,企業(yè)分散,沒有統(tǒng)一的行業(yè)標準和產(chǎn)品標準,很難統(tǒng)計具體的產(chǎn)業(yè)規(guī)模,估算為 500 萬噸/年左右。國家能源局在《2014 年能源工作指導意見》強調年內新增生物質工業(yè)和民用供熱折算分 別為 200 萬噸和 80 萬噸(蒸汽),而根據(jù)發(fā)改委、國家能源局和環(huán)保部《關于印發(fā)能源行業(yè)加強大氣污染防治工作方案的通知》,爭取 2017 年生物質成型燃料利用量超過 1500 萬噸。
(2)生物燃氣生產(chǎn)及應用。我國生物質能資源豐富,可用于制取生物燃氣的資源品種繁多,包括作物秸稈、畜禽糞便、林業(yè)廢棄物等。據(jù)統(tǒng)計,我國每年可用于生產(chǎn)生物燃氣的資源總量約折合 7 億噸標準煤(表1)。
若考慮技術可行性和市場競爭能力,目前可利用的資源量約為 2.5 億噸標準煤,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,相當于我國 2014 年天然氣消費量 1 800 億立方米的 2/3。
近年來,我國生物燃氣產(chǎn)業(yè)取得較大進展,生物燃氣產(chǎn)量已達 150 億立方米/年,實現(xiàn) CO2 減排 765 萬噸, 大中型生物燃氣工程約 4 000 多個。但總的來看,我國處理農(nóng)業(yè)有機廢棄物的沼氣工程由于相對規(guī)模小,又遠離城鎮(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,沼氣技術和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展急需轉型升級。
(3)生物質氣化發(fā)電及燃氣應用。生物質氣化發(fā)電及燃氣應用是具有我國特色的生物質能分布式利用方式�；谏镔|熱解氣化技術,我國開發(fā)出生物質熱解 氣化集中供氣系統(tǒng),以滿足農(nóng)村居民炊事和采暖用氣, 相關技術已得到初步應用。其中,利用生物質熱解炭化技術,建設生物質炭、氣、油多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),為農(nóng)村居民提供生活燃氣,同時生產(chǎn)生物質炭和生物焦油,取得了較好的經(jīng)濟社會效益,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、緬甸、老撾和我國的臺灣地區(qū),是國際上中小型生物質氣 化發(fā)電應用最多的國家之一。
生物質能分布式利用的主要技術
目前有多種生物質能源分布式利用技術已基本成 熟,且最有可能實現(xiàn)市場化,包括沼氣、生物質成型、 生物質氣化、生物質采暖供熱利用等,相關核心技術發(fā) 展現(xiàn)狀如圖 2 所示。
沼氣工程所處理的有機廢棄物比較廣泛,如:畜禽糞便、青貯飼料、過期的殘糧、廚余殘渣、生活有機垃圾、動物屠宰的廢棄物、農(nóng)副產(chǎn)品加工的廢棄物等,或由上述幾種有機廢物混合構成。由于我國近 10 年畜牧養(yǎng)殖發(fā)展很快,畜禽糞便排放總量遠遠超過環(huán)境承載能力,政府希望通過沼氣工程建設項目的實施,基本解決重點區(qū)域畜禽養(yǎng)殖場對周圍環(huán)境的污染問題。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)境保護等),具有廣闊的應用前景。
大中型沼氣工程已非常成熟,是生物質能分布式利用的主要方式,也是目前產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最好生物質能利用方向之一。
然而......
我國傳統(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外技術相比仍存在較大差距,設備工藝和制造技術水平不高,如國際上 CSTR 工藝的產(chǎn)氣率可達 15 m3 . m-3 . d-1,熱電系統(tǒng)率達90%,而我國產(chǎn)氣率僅為 0.8—5.0 m3 . m-3 . d-1,發(fā)電效率僅為 35%。
目前我國已建的大中型畜禽糞污沼氣工程在工藝設計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。
成型技術主要有兩類:一類是顆粒燃料成型機,不同規(guī)格的環(huán)模機是顆粒燃料成型機的主流機型;另一類是棒狀或塊狀成型機,棒狀或塊狀成型燃料主要在農(nóng)場應用,原料是作物秸稈,絕大多數(shù)是大螺距、大直徑擠壓機,也有液壓驅動活塞沖壓式成型機。
目前生物質成型燃料從原料收集、干燥、粉碎、包裝、銷售環(huán)節(jié)全部實現(xiàn)了生產(chǎn)線生產(chǎn),自動化、規(guī)�；蜕虡I(yè)化程度都很高,單機生產(chǎn)規(guī)模大都在每小時 2 噸以上。
我國生產(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,不能照搬國外的技術以及設備。
目前在生物質沖壓式壓塊技術及裝置、擠壓式壓塊技術及裝置、烘烤炭技術及裝置等方面有了明顯的進步,但我國生物質成型機還普遍存在著能耗過高、磨損嚴重和使用壽命短等問題,需要 進一步加強技術研發(fā)改進,提高能源利用效率。另外, 秸稈燃料鍋爐燃燒應用技術還不成熟,還缺乏核心技術和設備,尚無技術成熟的鍋爐產(chǎn)品制造廠家,鍋爐燃燒中容易出現(xiàn)結渣、結焦、腐蝕和飛灰嚴重等問題,運行 維護不易。因此,提高鍋爐對秸稈成型燃料的適應性, 是大規(guī)模推廣生物質成型燃料的關鍵技術之一。
生物質氣化的主要優(yōu)勢是將難以燃用的生物質低品位燃料轉化為燃氣,實現(xiàn)清潔和高效燃燒,是生物質分布式利用的有效途徑。
我國的小規(guī)模生物質氣化及利用技術達到了國際先進水平,尤其在氣化發(fā)電和生物燃氣替代工業(yè)燃料方面。但是總體來看,目前氣化設備對燃料的適應性較差,對原料水分、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)定性較差和燃氣凈化系統(tǒng)太復雜等問題，需要提高生物質氣化效率及其自動化控制水平；生物質燃氣燃燒存在燃氣和常規(guī)燃燒設備(如鍋爐、窯爐 等)匹配技術不成熟等問題,急需解決生物質燃氣高效燃燒、氣化系統(tǒng)與工業(yè)鍋爐/窯爐耦合調控等關鍵技術。
所以開發(fā)新型的生物質氣化技術和設備,完善并提高燃氣利 用效率,建設示范工程,形成分布式生物質氣化利用的商業(yè)化解決方案,是生物質氣化技術發(fā)展的主要方向。
生物質熱解技術可將低品位生物質轉化為高品位的木炭、燃油等,是高值化利用生物質的主要方式之一。我國生物質熱解技術方面研究較早,但產(chǎn)業(yè)化進展緩慢,主要是因為研究以單項技術為主,缺乏系統(tǒng)性,與歐美等國相比還有較大差距。特別是在高效反應器研發(fā)、工藝參數(shù)優(yōu)化、液化產(chǎn)物精制以及生物燃油對發(fā)動機性能的影響等方面存在明顯差距。同時,熱解技術還存在如下一些問題: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備;生物油是高含氧量碳氫化合物,物理、化學性質不穩(wěn)定,長時間貯存會發(fā)生相分離、沉淀等現(xiàn)象,并具有腐蝕性;由于物理、化學性質的不穩(wěn)定,生物油目前不能直接用于現(xiàn)有的動力設備,必須經(jīng)過改性和精制后才可使用;這些都是阻礙生物質熱解規(guī)�；玫钠款i所在。
針對以上存在的差距和問題,今后的研究重點是如何提高液化產(chǎn)物收率,尋求高效精制技術,提高生物油品質,降低運行成本,實現(xiàn)產(chǎn)物的綜合利 用和工業(yè)化生產(chǎn)等。
生物質能分布式利用發(fā)展前景分析
發(fā)展分布式生物質能的關鍵是因地制宜,不能脫離當?shù)氐纳鐣?jīng)濟發(fā)展條件,追求不切實際的發(fā)展目標。我國目前開發(fā)利用生物質能的主要功能是環(huán)保和節(jié)能,目的是減少污染,提供經(jīng)濟、可行的潔凈替代能源,減少化石能源的壓力。
在定位上,近期應圍繞節(jié)能減排戰(zhàn)略需求, 實現(xiàn)部分替代工業(yè)燃料,減少燃煤/燃油/燃氣的消耗,降低企業(yè)減排成本;長期應發(fā)展液體燃料替代,實現(xiàn)生物質液體燃料規(guī)模化生產(chǎn)、能源作物規(guī)模化種植及能源藻的商業(yè)化利用。根據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析和預測,我國分布式生物質能源技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展大致可分為兩個階段(圖3)。
(1)近期(2015—2020年)。生物質分散供熱和天然氣替代技術基本成熟,產(chǎn)業(yè)化商業(yè)模式基本建立,產(chǎn)業(yè)化的技術和產(chǎn)品主要以生物質分散供熱和生物質替代天然氣為主,其他分布式生物質能源利用技術僅僅處于應用示范階段。此階段發(fā)展的重點產(chǎn)業(yè)包括:沼氣工程及其熱電氣聯(lián)供系統(tǒng)、沼氣制備車用燃氣系統(tǒng)、生物質氣化燃氣窯爐燃燒系統(tǒng)、生物質燃氣鍋爐燃燒系統(tǒng)、生物質熱電聯(lián)供系統(tǒng)、高效生物質供熱鍋爐、秸稈成型燃料燃燒鍋爐、成型燃料家用采暖設備、成型燃料家用爐 灶設備、養(yǎng)殖等污水大型沼氣工程等。
(2)中期(2020—2030年)。生物質分散供熱和天然氣替代技術和產(chǎn)品處于快速發(fā)展階段,產(chǎn)業(yè)規(guī)模、經(jīng)濟效益、減排效益日益顯著;城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村分散利用生物質能源作為生活能源的技術、產(chǎn)品日趨成熟,國家/地方政府對新型城市化中利用生物質能源政策措施進一步強化,分布式生物質能技術為新型城鎮(zhèn)化提供能源供應和環(huán)境保護解決方案的地位初步確立。此階段發(fā)展的重點產(chǎn)業(yè)包括:生物質氣化集中供氣系統(tǒng)、生物質集中供熱系統(tǒng)、生物質熱電氣聯(lián)供系統(tǒng)、生物質替代LPG燃料集成系統(tǒng)、垃圾熱解焚燒設備、垃圾/生物質混合炭化/氣化系統(tǒng)、垃圾分級及綜合利用、秸稈/糞便混合發(fā)酵設備及系統(tǒng)、戶用沼氣模塊化系統(tǒng)等。
傳統(tǒng)燃煤燃氣替代、城鎮(zhèn)/農(nóng)村清潔生活能源供應和農(nóng)村生態(tài)環(huán)境保護是生物質能分布式利用的三大發(fā)展方向,相關核心技術包括堿金屬腐蝕及結焦控制技術、高效生物質氣化技術、生物質熱解/炭化技術、秸稈干發(fā)酵技術、生物質氣化燃氣凈化技術、生物燃氣凈化提純技 術、生物燃氣低污染燃燒及發(fā)電技術等。其中,生物質能燃煤燃氣替代方面,關鍵技術已基本成熟,大部分系統(tǒng)完成應用示范,如果在政策和經(jīng)濟性方面具備條件, 預計在 5—10 年內可實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并進行大規(guī)模推廣應用;農(nóng)村生態(tài)環(huán)境保方面,秸稈等固廢利用技術已具備 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、秸稈沼氣制備等關鍵技術處在研發(fā)階段;城鎮(zhèn)/農(nóng)村清潔生活能源供應方面,生物質清潔利用技術處于工 程示范階段,核心技術問題包括生物質成型燃料家用采 暖模塊化技術、生物質家用燃氣模塊化技術等。
基于目前相關核心技術的研發(fā)及其應用現(xiàn)狀,我國分布式生物質能源技術近期主要處于進行技術完善和應用示范階段,預計到 2030 年前大部分關鍵技術將基本成熟,具備產(chǎn)業(yè)化的條件(圖 4)。
生物質能分布式利用發(fā)展條件分析
生物質原料分散,種類復雜,從本質上看,生物質能更適合于分散利用,所以發(fā)展生物質供熱、供氣和熱/電/氣聯(lián)產(chǎn)等分布式利用模式,是我國生物質能發(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能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最主要瓶頸是經(jīng)濟性和可靠性。為了實現(xiàn)上述分布式生物質能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展目標和潛力,必須重點解決這兩方面的問題,才能為產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)造有利條件。
技術創(chuàng)新是提高分布式生物質能產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟性和可靠性的基礎,政府應該增加科研投入,增強技術研發(fā)和技術轉移能力,進行關鍵技術研究和創(chuàng)新、系統(tǒng)集成與工程示范,推動分布式生物質能技術產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。
(1)開發(fā)生物質替代工業(yè)燃料的關鍵技術,保證生物質作為燃料可以在鍋爐、窯爐等工業(yè)設備中穩(wěn)定使用。包括:研究燃料適應性強的生物質高效燃燒技術, 防止不合格燃料的影響,并實現(xiàn)爐膛燃燒溫度可控;研究解決生物質利用過程中的爐內結焦、換熱設備腐蝕等問題;開發(fā)適應多種原料的生物質氣化技術,重點解決低焦油、大負荷、高穩(wěn)定性等技術難題。
(2)開發(fā)與農(nóng)村環(huán)境保護及農(nóng)村生活能源供應相關的共性技術，使分布式生物質能成為新型城鎮(zhèn)化能有保障和農(nóng)村環(huán)境保護的有效途徑。為了達到低成本、提高可靠性的目的,必須將生物質能利用技術和我國農(nóng)村發(fā)展需求相結合,進行工程示范并經(jīng)過長期的商業(yè)應用, 有效提高技術的可靠性和實用性,才能具有較大的行業(yè)帶動作用,引導并推動相關產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
我國分布式生物質能產(chǎn)業(yè)尚處于起步階段,用戶認可度低,商業(yè)模式未成熟;同時與傳統(tǒng)能源相比,分布式生物質能產(chǎn)業(yè)存在單位投資大、運行維護成本高等缺點。政府應該加強政策支持和引導,鼓勵商業(yè)化示范、 商業(yè)模式創(chuàng)新,提高其市場競爭力。
(1)不斷創(chuàng)新和完善分布式生物質能產(chǎn)業(yè)的商業(yè)模 式。首先,提高生物能源設備系統(tǒng)集成能力,將設備制造加工與銷售核心設備、核心技術研制于成套設備開發(fā)、技術服務與工程安裝調試等各方面有機結合;其次,構建生物能源燃料生產(chǎn)與供應商的市場網(wǎng)絡,在專注生物燃料收集、加工及生產(chǎn)的同時,為用戶提供保障燃料供應的解決方案;最后,建立減少用戶后顧之憂的商業(yè)模式,利用核心技術和低成本設備,通過專業(yè)的燃料供應和項目運行管理,為客戶提供生物質能源分散利用的綜合解決方案,形成具有市場價值的商業(yè)模式,提高生物質能的市場競爭力。
(2)制定經(jīng)濟激勵政策,將生物質能的環(huán)保優(yōu)勢轉化為成本優(yōu)勢。生物質燃料的單位熱量成本遠遠高于化石能源,簡單利用生物質能替代燃煤、天然氣沒有經(jīng)濟性, 但生物質屬于可再生的清潔能源,具有顯著的減排優(yōu)勢和環(huán)境效益。政府應該制定相應的激勵政策,建立產(chǎn)業(yè)發(fā)展的激勵機制,包括立項鼓勵、稅收和環(huán)保負荷減免、熱電價格補貼、CO2 減排補貼、城鎮(zhèn)化建設補貼等政策,提高其經(jīng)濟性,調動社會發(fā)展分布式生物質能的積極性。
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