介紹了生物質(zhì)成型、生物質(zhì)氣化、生物質(zhì)液化及熱解多聯(lián)產(chǎn)等幾種常見的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)。分析了生物質(zhì)燃料在鍋爐行業(yè)中的利用現(xiàn)狀及存在的主要問題，并指出鍋爐行業(yè)未來應(yīng)立足生物質(zhì)燃料的發(fā)展，并朝著原料綠色化、生產(chǎn)清潔化和產(chǎn)品智能化的方向發(fā)展.

0引言

工業(yè)鍋爐是重要的熱能動(dòng)力設(shè)備，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人民生活中起著不可或缺的作用。當(dāng)前我國工業(yè)鍋爐以燃煤為主，年耗煤量約占全國煤炭消耗總量的1/5，污染物排放總量僅次于電站鍋爐[1]。

隨著國家對環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，污染物排放嚴(yán)重的中小型燃煤鍋爐在我國將逐漸淘汰，被天然氣、電力或生物質(zhì)等新能源為燃料的高效節(jié)能環(huán)保型鍋爐所替代。

作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，我國生物質(zhì)資源豐富，能源化利用潛力巨大。全國可作為能源利用的農(nóng)作物秸稈及農(nóng)產(chǎn)品加工剩余物、林業(yè)剩余物和能源作物、生活垃圾與有機(jī)廢棄物等生物質(zhì)資源總量每年約4.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。生物質(zhì)作為一種含碳、固體形態(tài)的可再生能源，其熱轉(zhuǎn)化利用技術(shù)、設(shè)備與煤炭具有相似性，且生物質(zhì)氮、硫含量低，污染物排放要遠(yuǎn)低于燃煤。因此，大力發(fā)展生物質(zhì)燃料鍋爐將有助于緩解燃煤帶來的環(huán)境污染問題。

我國政府歷來重視生物質(zhì)能的開發(fā)利用，并將其作為能源領(lǐng)域的一個(gè)重要方面，納入了國家能源發(fā)展戰(zhàn)略。國家發(fā)改委、國家能源局印發(fā)的《關(guān)于促進(jìn)生物質(zhì)能供熱發(fā)展的指導(dǎo)意見》中指出：到2035年，生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)裝機(jī)容量超過2500萬千瓦，生物質(zhì)成型燃料年利用量約5000萬噸，生物質(zhì)燃?xì)饽昀昧考s250億立方米，生物質(zhì)能供熱合計(jì)折合供暖面積約20億平方米，年直接替代燃煤約6000萬噸[2]。鍋爐是生物質(zhì)燃料利用的主要設(shè)備，也是我國節(jié)能減排的主戰(zhàn)場，鍋爐行業(yè)必須緊跟新時(shí)代要求，加快實(shí)現(xiàn)原料綠色化、生產(chǎn)清潔化和產(chǎn)品智能化。

1生物質(zhì)燃料轉(zhuǎn)化技術(shù)現(xiàn)狀

生物質(zhì)資源來源廣泛，理化特性各具特色，轉(zhuǎn)化技術(shù)也多種多樣，包括物理方法、熱化學(xué)方法和生物化學(xué)方法等，可得到的產(chǎn)品包括：成型燃料、生物燃?xì)?、生物油、生物炭、沼氣、燃料乙醇、生物柴油等。下面主要介紹幾種與鍋爐相關(guān)的生物質(zhì)燃料轉(zhuǎn)化技術(shù)。

1.1生物質(zhì)成型技術(shù)

與傳統(tǒng)化石能源相比，生物質(zhì)具有資源分散、能量密度低、容重小、儲(chǔ)運(yùn)不方便等缺點(diǎn)，造成運(yùn)輸成本較高，嚴(yán)重制約了生物質(zhì)能的大規(guī)模應(yīng)用。生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)是生物質(zhì)能的一種簡單、實(shí)用、高效的利用形式，可以大大提高生物質(zhì)能量密度，便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸，為高效利用農(nóng)林廢棄物提供了一條新的途徑。生物質(zhì)在擠壓成型后，密度可達(dá)0.8～1.3kg/m3，能量密度與中熱值煤相當(dāng)，非常適合作為鍋爐的燃料[3]。

生物質(zhì)固化成型技術(shù)主要分為輥模擠壓式成型(包括環(huán)模式和平模式)、活塞沖壓式成型(包括機(jī)械式、液壓式)和螺旋擠壓式成型等幾種主要型式，工作原理分別如圖1、圖2和圖3所示。其中的輥模擠壓式成型可以實(shí)現(xiàn)自然含水率生物質(zhì)不用任何添加劑、粘結(jié)劑的常溫壓縮成型，生產(chǎn)率較高，是規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重點(diǎn)。國外輥模擠壓式成型機(jī)設(shè)備制造比較規(guī)范，自動(dòng)化程度高，生產(chǎn)技術(shù)已基本成熟，關(guān)鍵部件壽命達(dá)到1000h以上，生產(chǎn)率達(dá)到2t/h以上，已實(shí)現(xiàn)規(guī)?；唐飞a(chǎn)。但是，這些成型設(shè)備是以木屑等林業(yè)剩余物為主要原料，且設(shè)備價(jià)格高，并不適合我國以秸稈為原料的國情。

近年來，由于國家對秸稈能源化工作的高度重視及相關(guān)政策的支持，我國生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)取得明顯的進(jìn)展，生物質(zhì)成型技術(shù)及成型壓制設(shè)備也逐漸成熟，成型機(jī)械的能耗、關(guān)鍵部件使用壽命達(dá)到了大規(guī)模生產(chǎn)的要求。2016年建設(shè)農(nóng)作物秸稈固化成型工程合計(jì)1300多處，成型燃料年產(chǎn)量達(dá)653萬噸;林業(yè)三剩物固體成型燃料年產(chǎn)量約250萬噸，總計(jì)900萬噸左右[4]。此外，農(nóng)業(yè)部和地方政府陸續(xù)發(fā)布了《生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)條件》、《生物質(zhì)固體成型燃料質(zhì)量分級》、《生物質(zhì)成型燃料鍋爐》、《生物質(zhì)成型燃料鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，為生物質(zhì)成型燃料鍋爐專業(yè)化、規(guī)模化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展打下了較好的基礎(chǔ)。

1.2生物質(zhì)氣化技術(shù)

生物質(zhì)氣化是利用空氣中的氧或其它含氧物作氣化劑，在高溫條件下將生物質(zhì)燃料中的可燃物轉(zhuǎn)化為可燃?xì)?主要是氫氣、一氧化碳和甲烷)的熱化學(xué)過程。生物質(zhì)原料揮發(fā)分高達(dá)70%以上，受熱后在相對較低的溫度下就可使大量的揮發(fā)分物質(zhì)析出，因此，氣化技術(shù)非常適用于生物質(zhì)原料的轉(zhuǎn)化[6]。生物質(zhì)氣化得到的燃?xì)饧瓤勺鳛榍鍧嵢剂?，又可作為費(fèi)托合成液體燃料的原料，在電力供應(yīng)、熱能生產(chǎn)、化工合成、金屬冶煉等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，因此氣化技術(shù)是目前國內(nèi)外競相開發(fā)的重要生物質(zhì)能技術(shù)。

根據(jù)所使用氣化劑的不同，生物質(zhì)氣化可分為空氣氣化、氧氣氣化、水蒸氣氣化、氫氣氣化等。出于成本考慮，一般采用空氣氣化，但所產(chǎn)生的燃?xì)鉄嶂递^低，一般在5～6MJ/m3[7]。氣化爐是生物質(zhì)氣化技術(shù)的核心設(shè)備，按設(shè)備運(yùn)行方式，生物質(zhì)氣化爐可分為固定床、流化床和氣流床。其中固定床和流化床是比較常見的兩種氣化爐型式。固定床氣化爐分為下吸式和上吸式(如圖4)，流化床氣化爐分為鼓泡流化床和循環(huán)流化床(如圖5)。不同氣化設(shè)備的技術(shù)對比如表1所示。通常，固定床氣化爐結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，適合較小規(guī)模和對燃?xì)馄焚|(zhì)要求不高的場合，如戶用或農(nóng)村集中供氣;而流化床特別是循環(huán)流化床氣化爐適合大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)，如發(fā)電或制合成氣。

我國生物質(zhì)氣化技術(shù)研究始于20世紀(jì)80年代初期，目前已研制出可用于戶用、集中供氣和發(fā)電的各種類型氣化設(shè)備，擁有成熟的燃?xì)忮仩t供熱、內(nèi)燃機(jī)發(fā)電等技術(shù)。其中，氣化集中供氣已在山東、遼寧、吉林、安徽等十幾個(gè)省市推廣，MW級氣化發(fā)電技術(shù)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了出口，生物質(zhì)氣化合成液體燃料技術(shù)也已完成了千噸級的示范。

1.3生物質(zhì)液化技術(shù)

20世紀(jì)70年代爆發(fā)石油危機(jī)后，可以直接從生物質(zhì)得到液體燃料的生物質(zhì)熱解液化技術(shù)迅速發(fā)展。生物質(zhì)熱解液化是指在中溫(500℃左右)和缺氧條件下使生物質(zhì)快速受熱分解，熱解氣體再經(jīng)快速冷凝得到以液體產(chǎn)物(生物油)為主的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過程。在合適的條件下，生物油的最高產(chǎn)率可以達(dá)到70%以上。

國外在生物質(zhì)熱解液化研究方面起步較早，所開發(fā)的鼓泡流化床、循環(huán)流化床、旋轉(zhuǎn)錐和真空反應(yīng)器等技術(shù)均實(shí)現(xiàn)了較大規(guī)模的應(yīng)用。其中流化床熱解裝置的最大處理量達(dá)到200噸/天，所生產(chǎn)的生物油用于熱電聯(lián)產(chǎn)。我國從1995年開始發(fā)展該技術(shù)，目前已有多家單位研發(fā)熱解液化技術(shù)，但大多停留在實(shí)驗(yàn)室階段。其中，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)建立了年產(chǎn)10000噸生物油的生物質(zhì)熱解制備生物油應(yīng)用示范工程，華中科技大學(xué)開發(fā)了移動(dòng)式生物質(zhì)液化技術(shù)，可有效解決生物質(zhì)資源低成本收集和高值化利用問題。

表2給出了生物油與重油基本特性對比。生物油熱值(LHV)為13～18MJ/kg，約為重油的一半，可以作為鍋爐、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的燃料，比直接燃燒生物質(zhì)要高效、清潔。但同時(shí)生物油中的氧含量較高，還含有15%～30%的水，所以生物油往往表現(xiàn)出強(qiáng)酸性、高粘度、低熱值和品質(zhì)不穩(wěn)定等特性，使生物油的推廣應(yīng)用受到了很大的限制。除用作燃料外，生物油還可作為大規(guī)模氣化、制氫的原料及用于提煉高附加值的化學(xué)品。此外，生物油中的羧酸含量一般在15%左右，主要是乙酸、甲酸和丙酸，還含有少量的苯甲酸，是制備有機(jī)酸鈣鹽的合適廉價(jià)原料。華中科技大學(xué)利用生物油和鈣基吸附劑制備出富含有機(jī)酸的“富鈣生物油”，可作為有機(jī)酸鈣鹽的替代品，用于爐內(nèi)氮硫污染物的聯(lián)合脫除，圖6為不同溫度下富鈣生物油對SO2及NOx的聯(lián)合脫除效率，其最大脫硫效率超過90%，脫硝效率約60%[8]。

1.4生物質(zhì)熱解多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)

生物質(zhì)熱解多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，是一種創(chuàng)新的生物質(zhì)熱解目標(biāo)產(chǎn)物調(diào)控新思路，采用焦炭復(fù)合活化、熱解油催化調(diào)質(zhì)與分組富集、熱解氣凈化與品質(zhì)提升等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)產(chǎn)物的精確調(diào)控和高效提質(zhì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)炭、氣、油的高效、高值化多聯(lián)產(chǎn)，以及氣、電、熱多聯(lián)供，該技術(shù)工藝流程如圖7。以秸稈為例，炭產(chǎn)率≥35%，熱值≥20MJ/kg;熱解氣產(chǎn)率約25%，熱值≥12MJ/m3;生物油產(chǎn)率≥30%，富含糠醛、苯酚等物質(zhì)。其中，品質(zhì)優(yōu)良的炭可作為燃料炭、生物炭和活性炭;中高熱值的燃?xì)庥糜诩泄?、發(fā)電，余熱用于供熱;富含有機(jī)成分的液體產(chǎn)物可以作為化工原料，從而實(shí)現(xiàn)了低品位的生物質(zhì)資源向高附加值的能源和化工產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化和利用。與現(xiàn)有技術(shù)相比，該技術(shù)生產(chǎn)強(qiáng)度提高4倍以上，能耗降低50%。

目前已在湖北鄂州、天門、孝感、赤壁等地建設(shè)20多處生物質(zhì)熱解多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)示范點(diǎn)，每個(gè)示范點(diǎn)的供氣規(guī)模1000～6000戶，經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益明顯。因其先進(jìn)性和優(yōu)異的環(huán)保性能，該技術(shù)獲得2014年聯(lián)合國工業(yè)發(fā)展組織頒發(fā)的“全球可再生能源領(lǐng)域最具投資價(jià)值的領(lǐng)先技術(shù)藍(lán)天獎(jiǎng)”。同時(shí)“一種連續(xù)式生物質(zhì)熱解炭氣油多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)”獲得第十七屆中國專利獎(jiǎng)優(yōu)秀獎(jiǎng)。該技術(shù)現(xiàn)作為國家“綠色能源示范縣”以及“新能源示范城市”等建設(shè)的主推技術(shù)之一，將很快在全國多地推廣應(yīng)用。

因此，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，各種生物質(zhì)燃料轉(zhuǎn)化利用技術(shù)已比較成熟，已基本滿足工業(yè)鍋爐燃料供給的需要。目前各項(xiàng)技術(shù)推廣應(yīng)用的主要障礙是技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和市場競爭力不足。根據(jù)生物質(zhì)原料自身特點(diǎn)，有必要改變單一產(chǎn)品為主的轉(zhuǎn)化利用模式，積極尋求利用價(jià)值最大化的轉(zhuǎn)化技術(shù)，綜合化、高熱值、多聯(lián)產(chǎn)的資源化利用應(yīng)是生物質(zhì)燃料轉(zhuǎn)化技術(shù)的發(fā)展方向。

石家莊宏勝達(dá)新能源有限公司，遵循可持續(xù)化發(fā)展要求，專注生物質(zhì)能源的研究，現(xiàn)主要生產(chǎn)大力士生物質(zhì)燃燒器、布袋除塵器、旋風(fēng)除塵器等生物質(zhì)能源設(shè)備;如果您的生物質(zhì)燃燒器使用中遇到任何問題，歡迎您來電咨詢。