生物质能源转化：挑战和解决方案——有机废弃物作为锅炉燃料
译者：于东 美国明尼苏达州明尼阿波利斯市
来源：中国给水排水 -cnww1985
把有机废弃物转化为能源十分具有吸引力，其既可以减量有机废弃物，又可以节省资金、降低化石燃料的使用量，但也意味着具有很大的挑战性。由于有机废弃物的自然特性，需要采用适当的设备设计，保障工艺安全及设备稳定性，尽可能降低相关风险，既获得经济优势，又保证排放合规。本文将呈现使用有机废弃物作为锅炉燃料的挑战和解决办法，并以真实案例佐证。
作者：
EnriquePosada M.M.E.,HATCH, INDISA S.A., Carrera 75 #48 A27, 哥伦比亚麦德林
MateoJaramillo Ch.E.,HATCH, INDISA S.A., Carrera 75 #48 A27, 哥伦比亚麦德林
Gilmar Saenz Ch.E., HATCH, INDISA S.A., Carrera 75 #48 A 27, 哥伦比亚麦德林
译者：于东 美国明尼苏达州明尼阿波利斯市
译者简介：于东，1995年毕业于东北财经大学，基建预算与投资经理管理专业。
1998年至2013年供职于施维英(SCHWING，1934年始建于德国，是世界著名的柱塞泵和污泥料仓制造商)中国公司及美国公司，2002年为施维英中国公司创建了环境工程部（后因业务拓展至工业，改名为工业系统部），并一直任负责人至离职。其间将施维英环保设备应用于超过60座中国污水处理厂，另有超过500台应用于其他工业系统。施维英公司连续3年（2010年—2012年）被《中国给水排水》杂志评为“中国水工业十大影响力国际品牌”。
2013年至2016年6月，供职于密尔沃基市附近的美国普兹迈斯特(Putzmesiter)公司，作为市政工程部总经理，负责德国总部在全美市场的环保业务，为普兹迈斯特公司建立了覆盖美国大部分地区的代理商网络，并向美国加州橘郡和密歇根州巴特克里特市提供了7套污泥处理系统。
个人喜好户外运动，包括滑雪、浆式冲浪板和自行车运动。
背景介绍
作为燃料的有机废弃物种类繁多，从蔬菜到动物、从工业生产到人类活动都会产生有机废弃物，如木材、海藻、纸浆厂黑液、锯末、食品工艺废弃物、市政垃圾、脱水污泥、咖啡渣、纸板、胶合板皮、蔗渣等。有机废弃物可以通过焚烧产生热量制造蒸汽，可用于干化、发电和其他工艺中。除此之外，从有机废弃物获取能量比使用煤、燃油和天然气更便宜[1]，而且其是自然循环的一部分[2]，在能源项目中焚烧有机废弃物会有更多好处: 首先，可以处置固体废弃物；其次，减少化石燃料造成的温室气体排放；再者，能妥善解决填埋有机固体废弃物场地有限的问题，并且敞开式丢弃和设计管理较差的填埋场会导致地面污染，如渗滤液析出、地表水源污染[3]。
在许多情况下，焚烧废弃物的设备都是临时或者靠经验设计的，到目前为止还没有一个完全成熟的工业废弃物热能设备制造商，特别是发展中国家。近年来，由于更严格的环保法规不断出台，旧设备不得不翻新改造以适应新的管理要求。
本文介绍了使用有机废弃物作为小型锅炉燃料或发热器燃料的经验，并提出了主要的基本考量因素，可为发展中国家的公司和工程师提供设计和运行这些系统的参考。
生物质（有机废弃物）燃料的复杂性
生物质来源于农业、种植业和林业等。世界范围内，这些行业会产生大量残余物，尽管某些种植工业已经开始利用这些残余物，但绝大部分物料没有进行能源转化。目前已有农场将残余物回归土壤或用于饲养动物，但他们最常用的方式是烧掉、丢掉、任其腐烂或填埋。许多农业和生物质研究人员提出应利用大量低成本的农业残余物作为原料，从而获得能量。这些残余物可以加工成液体燃料，或通过焚烧/气化来发电和产生热量[4]。
需要强调的是，不是所有的有机废弃物种类都已被标准化，对焚烧和排放、副产品信息也未进行全面的研究。因此让焚烧设备的设计变得复杂，了解这些物料如何在现有设备上使用也是亟待解决的问题之一。
如果在设计的早期阶段就对要焚烧的有机物料特性有足够的了解，则会减少诸多问题。用废弃物制造能源通常成本较高，而且效率上低于化石燃料。研究表明，为避免腐蚀对温度的要求、空气和燃料比率的限制，以及废弃物到能源(WTE)总系统有效性总是处于比较低的程度，因此发电转换率约为12%~24%[5]。基于此，在使用焚烧设备处理有机物料时要特别注意以下问题。
积垢、沉淀、成渣和腐蚀问题
焚烧生物质一定会遇到腐蚀问题。尽管木材、泥煤和煤的氯含量较低，但是在木质燃料中需要考虑钠、钾和少量的硫影响。值得注意的是，复杂的碱金属氯化物会造成腐蚀问题[6]。
首先需要考虑热传导设备的表面积垢或沉淀问题。其会影响焚烧设备的设计、寿命和运行，增加运营成本，降低锅炉效率，降低质量，增量氮氧化合物和一氧化碳，减少热传导效率，并使设备腐蚀和腐烂[1]。
大多数生物质燃料比化石燃料含有更多的碱金属。如碱金属中的钾，在焚烧过程中其以气体（氯化钾和氢氧化钾）形式释出[7]。碱金属基化合物熔点低，常在过热器中形成严重的沉淀，产生积垢，并在焚烧阶段造成其他问题。
图 1为两个锅炉管道腐蚀案例， a显示了焚烧高含氯生物质焚烧造成的腐蚀，b显示了焚烧麦秆在锅炉产生的积垢。
图1 锅炉管道腐蚀问题
研究人员建议增加一些物料，如铝矾土、高岭土、石灰石和氧化镁及其他添加剂来提高焚烧灰的熔点[10]。还可使用特殊合金和耐久涂层[11]，例如50%镍-50%铬、合金625、NiCrBSiFe、合金718[12]，采用耐磨和防腐技术处理表面，如高速氧燃料，其使熔化或半熔材料通过高温高速燃气流喷涂表面。
生物质飞灰和火花
由于物料的形状不规整、规格大小不同、富含纤维和异构体，因此有机废弃物很难完全燃烧，且容易导致飞灰中残留未燃烧的废弃物。灰中大量未燃烧的碳说明燃料利用不充分，而且灰的稳定性很低，同时可能急剧增加灰量。这样，反而增加了处置成本和运输与处理最终固体废弃物的成本。另外，当炽亮的灰或火花从焚烧室运送到袋式除尘器时，造成火灾的可能性更高。
设计不合理的设备曾导致过多起火灾事故。当焚烧高沸点有机物时，如废燃料油，有机物在锅炉冷凝器热端解除吸附，在冷端进入袋式除尘器，从而形成液滴或冷凝油滴，这些除尘袋上的积垢为布袋除尘器的火灾埋下了隐患。分析起火的原因，主要是防火花袋式除尘器风机不正确地放在袋式除尘器上游，火花（通常是有机物中的纤维物料）、低自燃温度的化合物如硫被气流带入[13]。
总的建议是解决系统的火花问题，确保焚烧（时间、温度、湍流）条件满足完全燃烧，即从根源上而不是表面现象上解决问题。另外，也可扑灭火花或避免达到着火温度。火花外表的热空气层和火花移动有相对速度，使热量从火花交换到空气中，可以降低火花温度。通过改变空气速度和湍流，达到在气流中产生漩涡，移除火花产生的热空气目的。如果热空气层被干扰，火花可以在不到1 s就被降温，避免点燃除尘袋[14]。涡流可以通过系统管道尺寸突变来制造，或增加带节流孔的单级或多级板，改变管道方向，以及采用火花熄灭器来解决。图2为火花熄灭器。
图2 火花熄灭器[14]
爆炸风险
为了满足环保要求，许多工艺和设备都安装了热氧化器（特别是尾气燃烧器），以在排放前减少挥发性有机物（VOCs）和工艺废气流。根据主流设计，热氧化器会在燃烧室点火或剧烈放热，破坏工艺废气或排放中含有的VOCs。如果在工艺上游（这些排放产生的发源地）没有进行正确管理或控制，热氧化器可能会发生大火或爆炸[15]。
另外，由于不完全燃烧，爆炸性混合气体可在生物质锅炉燃烧室和管路内积聚，随后被点燃，某种形式的爆炸就可能产生。由于潜在的大量爆炸气体聚集，大的烟囱系统可能有更大的爆炸风险[17]。
其他营运条件问题
当焚烧有机废弃物时，由于对设备会遇到的某些实际运行条件及多样性考虑不全面而没有进行相关设计，则可能产生问题。在有机废弃物处置中常符合墨菲定律[18]（可能会发生的最坏的事情一定会发生）。
在进行工艺设计时，允许安全系数在水平方向上具有宽泛可能性，无论物理的或化学的，允许工艺不被单独的运行点控制，其可有足够的灵活性，适应进料数量和质量的变化。但是，过高的安全系数也会产生负作用，因此不要设计过度。
在焚烧工艺中使用结垢系数，是一个建立自信和通用性的考量，特别是在锅炉设计中。结垢系数报告可能是繁杂的，因为它包含了多种可能性：管道布置、气体流速、气体温度、灰尘荷载、飞灰软化点、预计吹灰周期内飞灰在管道的沉积厚度。弄清上述问题，会更好地了解工艺动态，决定仪表和控制思路。
图3列举了在生物质焚烧设备设计时会发生的问题。
图3 有机废弃物焚烧系统中的某些问题
案例研究
案例一：手动小型植物纤维锅炉除尘袋着火
一台手动100BHP(75kW) 双通道锅炉，安装有Nomex袋式除尘器，可焚烧植物纤维废弃物。袋式除尘器开始着火，袋子也烧着了，运行在最高温度160℃（袋式除尘器前使用了可控空气喷射系统）。火灾比较慢，没有爆炸也没有爆燃，但是完全摧毁了除尘器。除尘器因此重新更换了几次。甚至在运行水平提高后，控制废弃物进料和焚烧气供应之后火灾也时有发生。1月到11月间火灾总是持续不定期地发生。图4为发生火灾后的照片。
图4 袋式除尘器火灾后照片
分析后，提出了以下考量因素和替代方案:
· 对燃烧气进行细致研究，在延长的一系列测量工作中检测一氧化碳、氢气和甲烷的浓度，用数据结果来解决问题。但由于成本高，而且难以找到有经验和分析设备的本地供应商，客户不同意这么做。
· 增大袋式除尘器，确保进入的气体被稀释，避免任何燃烧条件。由于需要投资，客户也给予否定。
· 在旋风除尘器前安装一个基于温度的预防系统，带可喷水的喷嘴。尽管安装了该系统，但是运行不正常。
· 更改袋式除尘器为湿式洗涤塔。这个方案因为高投资、腐蚀、水管理和其他显而易见的问题被否定。
· 请该领域专家更改锅炉内部条件，也因为高成本被否定。
由于客户要求供应商承担所有新投资和更改所需的全部成本，经过复杂谈判，提出了一个让客户和供应商都接受的合理性检查方案，找到了最终解决问题的出发点。双方发现，更换滤袋的成本远低于客户焚烧废弃物所得到的收益，所以决定先由供应商测试锅炉一段时间，共同分享之前计算过的收益。
在这个前提下，供应商考虑安装一个商业火花扑灭器，但是由于紊乱的燃烧气流条件而被否定。替代方案是利用在锅炉内安装独立的导流板（图5）来增加锅炉的效率并降低出口温度。当然，这需要定期清洁管道和导流板。
图5 锅炉内的导流板
经过测试，客户发现可以让系统带导流板运行，且更换除尘器的成本小于收益。实际证明，经过一段时间利用导流板加上控制好运行条件，可降低损坏和更换除尘器的频率，但是袋式除尘器还是会着火并遭受损坏。分析原因，只是减少了火花的产生，而没有完全避免。
正如前文所述，控制火花产生的建议是保证完全燃烧。
案例二：1000BHP (746kW) 生物质（咖啡渣）锅炉袋式除尘器问题
某客户的业务是制造速溶咖啡和相关产品，他有一台1000BHP(746kW)锅炉，可使用天然气和咖啡渣作为燃料。燃烧气送入直接旋转干化机，用来干化进入锅炉之前的咖啡渣。安装袋式除尘器前，锅炉中由于燃烧大量生物质产生了极大的升温。在干化机后面，气体被导入污染控制系统。用一台辅助天然气燃烧器支持干化机，可保证有足够的能量来干化生物质废弃物，见图6。
图6 咖啡渣锅炉系统工艺
这种情况下，发生了除尘袋由于湿度问题和附着未完全燃烧物质而过早饱和。设计人员试图解决这个问题，方案是选择干化机的燃烧器，使离开干化机的气体保持最基本的温度。但客户并不接受这种措施，因为保持最基本的温度可能会造成火灾，并让整个系统运行温度过低。也许由于这个原因，过滤袋的饱和问题总是存在，因而降低了客户的满意度。
确实，发生了一次火灾，当系统100%使用天然气时，旁通风管处发生了火灾。很显然，这是由于管道里面有可燃性积垢，因为进入风管和通向污染控制系统的管道直接连通在一起，走向污染控制系统的管道通过的是来自焚烧生物质废弃物产生的燃烧气。当问题发生时，追踪到焚烧，在过滤袋上发现大量未燃烧颗粒和凝结的燃烧油，所有这些都是因为锅炉控制不正确（图7 a）导致的。为了确认这个原因，检测了过滤袋上的残留物，自燃点是220℃，产生白炽物足以烧毁过滤袋（图7 b）。
图7 案例二照片
这个案例，提出了以下需注意的要素：
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应该运行干化机的辅助燃烧器来保持最基本的除尘器进气温度，高于94℃。可以解决凝结问题和过滤袋饱和问题。
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注意分开焚烧生物质产生的进入除尘器的气流和使用天然气时的气流。
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有必要进行自动化控制来充分优化燃烧条件，目前控制某些焚烧参数（特别是氧气）是手动的。另外生物质废弃物进料和含水率控制不正确，易导致燃烧不充分，炭黑排放量过多。
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与上一个案例相似，纠正燃烧是解决问题的方法。
案例三：在焚烧过程中和之后的废弃物沉积问题
某缩合聚合物工厂有一台热处理设备，用来处置污水和气态排放物。污水中含有大量有机溶剂和气体，如VOCs。该设备是一台高温焚烧炉，由有机废弃物提供一部分能量，另带有天然气燃烧器来提温，焚烧炉用于完全分解所有的VOCs。主要的能量都通过热交换器从热流化气中回收，热交换器设计为预热油式。系统工艺见图8。
图8 缩合聚合物工厂废水和废气热处理工艺流程
运行的难点是，在废气里发现了氧气，因为混合物在进入焚烧炉前要求在可燃极限内，工厂必须隔绝设备来避免严重的安全隐患，所以安装了一台防火器。废气中的VOCs量低于预期，因此废气的消耗量更大。幸运的是，废气燃烧气是按最保守的条件设计的，其有足够的处理能力。
另一面，废水中的有机物含量远远超过预期，原来设计时蒸发废水需要补充能源，而现在废水成为系统能源的补充，可补偿废气中的低VOCs。然而有时这也是个问题，特别是废水中可溶性有机物（乙醇）含量特别高，则增加了废水的热值，引起系统温度升高，系统温度不能通过调节燃烧器来控制，综合这些条件，系统经常因为安全原因停机。
运行设备的最大难点是在废水中出现了无机盐。焚烧炉内发现钠盐和钙盐，在热交换器处造成了重大运行问题，因为热交换器被堵塞，造成系统温度过高而停机。盐来自和反应水混合的无控制的清洗废水。工厂发现了这个问题后，增加了检测和修正水流的工作程序。
除了焚烧室和热交换器的盐沉积，其他的问题都被控制住了。设备开始成功处理工厂全部的废气和废水，甚至包括附近另一个工厂[19]的废水。系统照片见图9。
图9 安装好的废水和废气热处理设备
结论
尽管使用WTE（废弃物能源转化）系统有巨大的优势，但是系统能源转换效率低，投资成本比化石燃料高，计划安装WTE设施时要考虑这些问题。
对于WTE系统，需要认真考虑安全性和稳定性问题。这与火灾、爆炸、损坏、沉积、腐蚀、除尘袋饱和等问题相关。正确的设计、足够的预留量、对废弃物品质的完全了解、懂得疑难问题随时会产生的供应商和客户、正确地控制和操作设备，是项目成功的前提。
总的来说，必须做实验性的工作和小试，不仅设计阶段需要，而且在系统运行和遇到问题时也需要。
鸣谢
作者感谢美国的麦克莱维斯（F. Michael Lewis）先生对文章提供的协助，以及知识上的帮助和建议，他的帮助极大地提高了本文的技术水准。
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生物质能分布式利用发展趋势分析
分布式生物质能源技术对原料种类适应性强,项目规模灵活、可满足特殊用户的需求,在小规模下具有更好的经济性,更易于商业化发展,符合生物质资源特点和我国国情。
而目前制约分布式生物质能产业发展的最主要瓶颈是经济性和可靠性,作者提出--国家应在技术创新和政策支持方面增加投入,将生物质能的环境效益和社会效益转化为成本效益,推动生物质能分布式利用产业的发展。
来看今天文章，来自《中国科学院院刊》2016年第2期。 转载：农业环境科学
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背 景
生物质能分布式利用方式主要包括生物质成型燃料和生物燃气两方面,关键技术包括生物质成型燃料加工及燃烧、大中型沼气工程技术、生物质气化热解及燃气利用等。
我国分布式生物质能源技术目前主要处于进行技术完善和应用示范阶段,预计到 2030 年前大部分关键技术将基本成熟,具备产业化的条件。
我国分布式生物质能产业发展的主要方向是传统燃煤燃气替代、城镇/农村清洁生活能源供应和农村生态环境保护,发展重点是服务节能减排战略,利用生物质实现部分替代工业燃料,减少燃煤/燃油带来的污染,同时围绕国家新型城镇化战略,为新农村建设提供可持续的清洁能源,提高农村生态环境保护水平。
以下为文章主体内容
生物质能分布式利用的意义
生物质资源来源多样、能量密度较低、分布分散,这些资源特点决定了因地制宜、分布式利用是发展生物质能产业的必然要求。
资源供应方面,应该就地开发、利用,不必长距离运输,有效降低运输成本,符合生物质资源密度低,分布分散的自然属性;能源使用 方面,应该就近使用,直接面向终端用户,多余能源可外送;管理运行方面,应该具备独立运行的能力和条件,必要时可以联网或与化石能源互补相利用。
分布式生物质能源技术应用的规模很灵活,可根据当地的实际情况满足不同的需要。
如：既可以建设小型发电站,也可以作为居民生活燃气,甚至可作为供热、工业窑炉的燃料等,是真正实现生物质能“因地制宜”开发利用的有效途径。
而且从产业化上看,由于分布式生物质能源技术对原料种类和规模适应性强,项目规模要求小、资金门槛要求低、投资回报高,对各种用户需求的适应性较好,不同的规模下 都具有一定的经济性,所以生物质能分布式利用比集中式利用更易于商业化。总的来说,分布式生物质能源技术符合中国生物质资源分散的特点,适合分散利用和工业应用,具有较强的适应能力和生存能力,在中国发展分布式生物质能源技术有广阔的应用前景。
我国经济发展不平衡,各地居民能源消费结构有较大差异。一方面,目前仍有约 1.33 亿户农村家庭将传统生物质能作为主要炊事或采暖能源,许多中西部农村地区仍然以秸秆、薪柴等直接燃烧的传统生物质能源作为主要生活能源;另一方面,随着东部沿海地区农村经济的发展和生活水平的提高,传统生物质能作为生活能源的情况已大幅减少,大量作物秸秆被遗弃在田间地头, 就地焚烧,空气污染十分严重。
我国正在大力推进新型城镇化及新农村建设,需要大量的清洁能源供应,在广大农村地区充分利用丰富廉价的生物质资源,加快生物质产业的发展,是解决农村今后能源持续供应的有效途径。
生物质能作为来源于农林副产物的清洁能源,可以为农村城镇化提供生活能源,包括采暖、燃气和电力等,形成农村能源自产自销的新型供应模式。而分布式生物质能转化技术是最适合农村分散利用的产业化方向,如利用秸秆为农村提供热、电、气等生活能源,是新农村摆脱燃煤依赖的有效 措施。
生物质能分布式利用发展现状
生物质能分布式利用的主要方式是成型燃料和生物燃气(沼气和气化)。生物质成型燃料和生物燃气与传统化石燃料的使用习惯一致,是煤或天然气的良好替代品,符合可持续发展的要求,实现了低品位燃料向高品位、低污染燃料的转变,可广泛用于各种小型热水锅炉、热风炉、家庭取暖炉或壁炉,不仅可解决城乡家庭 的炊事取暖,也可用于小型发电供暖设施,为中小热电 厂能源结构的调整创造条件。
(1)成型燃料生产及应用。欧洲以及其他大部分地区生产成型燃料主要以木质生物质为原料。目前大部分用于各种小型热水锅炉、热风炉、家庭取暖炉或壁炉,部分用于小型社区热电联供电站,满足居民供暖需求。我国在新型城镇化规划中明确提出农村可再生能源在 10 年后要求达到 13%,其中利用生物质成型燃料为农村、小城镇住户提供炊事和采暖能源,将是一个重要的途径。
生物质固体颗粒燃料除通过专门运输工具定点供应给发电厂和供热企业以外,还以袋装的方式在市场上销售,已经成为许多家庭首选的生活燃料。2014 年,全球木质颗粒产量达 2410 万吨,欧盟约占 62%,北美地区约占 34%(图 1)。最大的生产国依次为美国(总产量的26%)、德国(10%)、加拿大(8%)、瑞典(6%)和 拉脱维亚(5%)。欧盟国家消费了世界上最多的木质颗粒,2013 年消耗量为 1500 万吨。
(2)生物燃气生产及应用。生物燃气是指从生物质转化而来的燃气,包括沼气、合成气和氢气。目前沼气具有较大的成本优势，所以生物燃气经常特指沼气。
据国际能源署统计,2012 年,欧洲地区在运行的沼气发电厂超过 13800 家,装机容量 7.5 吉瓦。大部分是热电联产,小部分被送入天然气管网,发电量和供热量分别达 44.5 吉瓦时和 1.1×105 吉焦。2013 年底,德国的沼气生产厂已达 8000 家左右,装机容量约 3.8 吉瓦,98% 用于发电,并实行热电联供,当年供电 2.7×104 吉瓦时,供热1.2×104 吉瓦时,分别占全国供电和供热总量的4.2%和 0.8%,据估计到 2020 年,生物燃气发电总装机容量将达到 9500 兆瓦。另有 169 家沼气厂向天然气管网输气, 输气量达 9 亿立方米。
(1)成型燃料生产及应用。近年我国开始重视生物质成型燃料产业的发展,国家发改委在《可再生能源长期发展规划》中提出,力争在 2020 年达到颗粒燃料年利用量 5000 万吨的目标。目前国内生物质成型燃料主要应用于工业高温蒸汽供应,包括钢铁、纺织、 印染、造纸、食品、化工等行业,由于国内生物质成型燃料行业还处起步阶段,企业分散,没有统一的行业标准和产品标准,很难统计具体的产业规模,估算为 500 万吨/年左右。国家能源局在《2014 年能源工作指导意见》强调年内新增生物质工业和民用供热折算分 别为 200 万吨和 80 万吨(蒸汽),而根据发改委、国家能源局和环保部《关于印发能源行业加强大气污染防治工作方案的通知》,争取 2017 年生物质成型燃料利用量超过 1500 万吨。
(2)生物燃气生产及应用。我国生物质能资源丰富,可用于制取生物燃气的资源品种繁多,包括作物秸秆、畜禽粪便、林业废弃物等。据统计,我国每年可用于生产生物燃气的资源总量约折合 7 亿吨标准煤(表1)。
若考虑技术可行性和市场竞争能力,目前可利用的资源量约为 2.5 亿吨标准煤,可生产沼气量为 1 990 亿立方米,约折合天然气 1 200 亿立方米,相当于我国 2014 年天然气消费量 1 800 亿立方米的 2/3。
近年来,我国生物燃气产业取得较大进展,生物燃气产量已达 150 亿立方米/年,实现 CO2 减排 765 万吨, 大中型生物燃气工程约 4 000 多个。但总的来看,我国处理农业有机废弃物的沼气工程由于相对规模小,又远离城镇,产生的沼气仅有少量用于发电和集中供气(沼气发电用气量约占总产气量的 2.53%,集中供气约占总产 气量的 1 %),大量的沼气用于养殖场自身的生产、生活 燃料。农业沼气工程平均池容只有 283 立方米,池容在1 000 立方米以上的大型沼气工程仅占 9% 左右,沼气技术和产业的发展急需转型升级。
(3)生物质气化发电及燃气应用。生物质气化发电及燃气应用是具有我国特色的生物质能分布式利用方式。基于生物质热解气化技术,我国开发出生物质热解 气化集中供气系统,以满足农村居民炊事和采暖用气, 相关技术已得到初步应用。其中,利用生物质热解炭化技术,建设生物质炭、气、油多联产系统,为农村居民提供生活燃气,同时生产生物质炭和生物焦油,取得了较好的经济社会效益,在湖北、安徽和河南等地得到初步推广,具有较好的发展前景。在生物质气化发电方面,目前已开发出多种以木屑、稻壳、秸秆等生物质为原料的固定床和流化床气化炉,成功研制了从 400 千瓦到 10 千瓦的不同规格的气化发电装置,出口到泰国、缅甸、老挝和我国的台湾地区,是国际上中小型生物质气 化发电应用最多的国家之一。
生物质能分布式利用的主要技术
目前有多种生物质能源分布式利用技术已基本成 熟,且最有可能实现市场化,包括沼气、生物质成型、 生物质气化、生物质采暖供热利用等,相关核心技术发 展现状如图 2 所示。
沼气工程所处理的有机废弃物比较广泛,如:畜禽粪便、青贮饲料、过期的残粮、厨余残渣、生活有机垃圾、动物屠宰的废弃物、农副产品加工的废弃物等,或由上述几种有机废物混合构成。由于我国近 10 年畜牧养殖发展很快,畜禽粪便排放总量远远超过环境承载能力,政府希望通过沼气工程建设项目的实施,基本解决重点区域畜禽养殖场对周围环境的污染问题。因此,沼气工程将发挥多功能的作用(生产能源、综合利用及环境保护等),具有广阔的应用前景。
大中型沼气工程已非常成熟,是生物质能分布式利用的主要方式,也是目前产业化发展最好生物质能利用方向之一。
然而......
我国传统的沼气利用方式以家用沼气池为主,规模小,效率低;
而大中型沼气工程与国外技术相比仍存在较大差距,设备工艺和制造技术水平不高,如国际上 CSTR 工艺的产气率可达 15 m3 . m-3 . d-1,热电系统率达90%,而我国产气率仅为 0.8—5.0 m3 . m-3 . d-1,发电效率仅为 35%。
目前我国已建的大中型畜禽粪污沼气工程在工艺设计阶段没有考虑充分利用资源,大多数没有采用热电联供,常温发酵或外加热源近中温发酵工艺在冬季不能维持稳定产气,能源净输出率很低。
成型技术主要有两类:一类是颗粒燃料成型机,不同规格的环模机是颗粒燃料成型机的主流机型;另一类是棒状或块状成型机,棒状或块状成型燃料主要在农场应用,原料是作物秸秆,绝大多数是大螺距、大直径挤压机,也有液压驱动活塞冲压式成型机。
目前生物质成型燃料从原料收集、干燥、粉碎、包装、销售环节全部实现了生产线生产,自动化、规模化和商业化程度都很高,单机生产规模大都在每小时 2 吨以上。
我国生产成型燃料以农作物秸秆为主要原料,秸秆成型特性、燃烧特性方面与林业剩余物有很大不同,不能照搬国外的技术以及设备。
目前在生物质冲压式压块技术及装置、挤压式压块技术及装置、烘烤炭技术及装置等方面有了明显的进步,但我国生物质成型机还普遍存在着能耗过高、磨损严重和使用寿命短等问题,需要 进一步加强技术研发改进,提高能源利用效率。另外, 秸秆燃料锅炉燃烧应用技术还不成熟,还缺乏核心技术和设备,尚无技术成熟的锅炉产品制造厂家,锅炉燃烧中容易出现结渣、结焦、腐蚀和飞灰严重等问题,运行 维护不易。因此,提高锅炉对秸秆成型燃料的适应性, 是大规模推广生物质成型燃料的关键技术之一。
生物质气化的主要优势是将难以燃用的生物质低品位燃料转化为燃气,实现清洁和高效燃烧,是生物质分布式利用的有效途径。
我国的小规模生物质气化及利用技术达到了国际先进水平,尤其在气化发电和生物燃气替代工业燃料方面。但是总体来看,目前气化设备对燃料的适应性较差,对原料水分、灰分或热值的变化比较敏感;气化发电还存在效率偏低、稳定性较差和燃气净化系统太复杂等问题，需要提高生物质气化效率及其自动化控制水平；生物质燃气燃烧存在燃气和常规燃烧设备(如锅炉、窑炉 等)匹配技术不成熟等问题,急需解决生物质燃气高效燃烧、气化系统与工业锅炉/窑炉耦合调控等关键技术。
所以开发新型的生物质气化技术和设备,完善并提高燃气利 用效率,建设示范工程,形成分布式生物质气化利用的商业化解决方案,是生物质气化技术发展的主要方向。
生物质热解技术可将低品位生物质转化为高品位的木炭、燃油等,是高值化利用生物质的主要方式之一。我国生物质热解技术方面研究较早,但产业化进展缓慢,主要是因为研究以单项技术为主,缺乏系统性,与欧美等国相比还有较大差距。特别是在高效反应器研发、工艺参数优化、液化产物精制以及生物燃油对发动机性能的影响等方面存在明显差距。同时,热解技术还存在如下一些问题:生物油成本通常比矿物油高,生物油同传统液体燃料不相容,需要专用的燃料处理设备;生物油是高含氧量碳氢化合物,物理、化学性质不稳定,长时间贮存会发生相分离、沉淀等现象,并具有腐蚀性;由于物理、化学性质的不稳定,生物油目前不能直接用于现有的动力设备,必须经过改性和精制后才可使用;这些都是阻碍生物质热解规模化利用的瓶颈所在。
针对以上存在的差距和问题,今后的研究重点是如何提高液化产物收率,寻求高效精制技术,提高生物油品质,降低运行成本,实现产物的综合利 用和工业化生产等。
生物质能分布式利用发展前景分析
发展分布式生物质能的关键是因地制宜,不能脱离当地的社会经济发展条件,追求不切实际的发展目标。我国目前开发利用生物质能的主要功能是环保和节能,目的是减少污染,提供经济、可行的洁净替代能源,减少化石能源的压力。
在定位上,近期应围绕节能减排战略需求, 实现部分替代工业燃料,减少燃煤/燃油/燃气的消耗,降低企业减排成本;长期应发展液体燃料替代,实现生物质液体燃料规模化生产、能源作物规模化种植及能源藻的商业化利用。根据产业发展分析和预测,我国分布式生物质能源技术产业发展大致可分为两个阶段(图3)。
(1)近期(2015—2020年)。生物质分散供热和天然气替代技术基本成熟,产业化商业模式基本建立,产业化的技术和产品主要以生物质分散供热和生物质替代天然气为主,其他分布式生物质能源利用技术仅仅处于应用示范阶段。此阶段发展的重点产业包括:沼气工程及其热电气联供系统、沼气制备车用燃气系统、生物质气化燃气窑炉燃烧系统、生物质燃气锅炉燃烧系统、生物质热电联供系统、高效生物质供热锅炉、秸秆成型燃料燃烧锅炉、成型燃料家用采暖设备、成型燃料家用炉 灶设备、养殖等污水大型沼气工程等。
(2)中期(2020—2030年)。生物质分散供热和天然气替代技术和产品处于快速发展阶段,产业规模、经济效益、减排效益日益显著;城镇、乡村分散利用生物质能源作为生活能源的技术、产品日趋成熟,国家/地方政府对新型城市化中利用生物质能源政策措施进一步强化,分布式生物质能技术为新型城镇化提供能源供应和环境保护解决方案的地位初步确立。此阶段发展的重点产业包括:生物质气化集中供气系统、生物质集中供热系统、生物质热电气联供系统、生物质替代LPG燃料集成系统、垃圾热解焚烧设备、垃圾/生物质混合炭化/气化系统、垃圾分级及综合利用、秸秆/粪便混合发酵设备及系统、户用沼气模块化系统等。
传统燃煤燃气替代、城镇/农村清洁生活能源供应和农村生态环境保护是生物质能分布式利用的三大发展方向,相关核心技术包括碱金属腐蚀及结焦控制技术、高效生物质气化技术、生物质热解/炭化技术、秸秆干发酵技术、生物质气化燃气净化技术、生物燃气净化提纯技 术、生物燃气低污染燃烧及发电技术等。其中,生物质能燃煤燃气替代方面,关键技术已基本成熟,大部分系统完成应用示范,如果在政策和经济性方面具备条件, 预计在 5—10 年内可实现产业化并进行大规模推广应用;农村生态环境保方面,秸秆等固废利用技术已具备 产业化条件;分散规模的垃圾/污水处理系统、户用沼气 升级、秸秆沼气制备等关键技术处在研发阶段;城镇/农村清洁生活能源供应方面,生物质清洁利用技术处于工 程示范阶段,核心技术问题包括生物质成型燃料家用采 暖模块化技术、生物质家用燃气模块化技术等。
基于目前相关核心技术的研发及其应用现状,我国分布式生物质能源技术近期主要处于进行技术完善和应用示范阶段,预计到 2030 年前大部分关键技术将基本成熟,具备产业化的条件(图 4)。
生物质能分布式利用发展条件分析
生物质原料分散,种类复杂,从本质上看,生物质能更适合于分散利用,所以发展生物质供热、供气和热/电/气联产等分布式利用模式,是我国生物质能发展的主要方向,但从产业发展现状看,目前制约分布式生物质能产业发展的最主要瓶颈是经济性和可靠性。为了实现上述分布式生物质能产业的发展目标和潜力,必须重点解决这两方面的问题,才能为产业发展创造有利条件。
技术创新是提高分布式生物质能产业经济性和可靠性的基础,政府应该增加科研投入,增强技术研发和技术转移能力,进行关键技术研究和创新、系统集成与工程示范,推动分布式生物质能技术产业化的发展。
(1)开发生物质替代工业燃料的关键技术,保证生物质作为燃料可以在锅炉、窑炉等工业设备中稳定使用。包括:研究燃料适应性强的生物质高效燃烧技术, 防止不合格燃料的影响,并实现炉膛燃烧温度可控;研究解决生物质利用过程中的炉内结焦、换热设备腐蚀等问题;开发适应多种原料的生物质气化技术,重点解决低焦油、大负荷、高稳定性等技术难题。
(2)开发与农村环境保护及农村生活能源供应相关的共性技术，使分布式生物质能成为新型城镇化能有保障和农村环境保护的有效途径。为了达到低成本、提高可靠性的目的,必须将生物质能利用技术和我国农村发展需求相结合,进行工程示范并经过长期的商业应用, 有效提高技术的可靠性和实用性,才能具有较大的行业带动作用,引导并推动相关产业发展。
我国分布式生物质能产业尚处于起步阶段,用户认可度低,商业模式未成熟;同时与传统能源相比,分布式生物质能产业存在单位投资大、运行维护成本高等缺点。政府应该加强政策支持和引导,鼓励商业化示范、 商业模式创新,提高其市场竞争力。
(1)不断创新和完善分布式生物质能产业的商业模 式。首先,提高生物能源设备系统集成能力,将设备制造加工与销售核心设备、核心技术研制于成套设备开发、技术服务与工程安装调试等各方面有机结合;其次,构建生物能源燃料生产与供应商的市场网络,在专注生物燃料收集、加工及生产的同时,为用户提供保障燃料供应的解决方案;最后,建立减少用户后顾之忧的商业模式,利用核心技术和低成本设备,通过专业的燃料供应和项目运行管理,为客户提供生物质能源分散利用的综合解决方案,形成具有市场价值的商业模式,提高生物质能的市场竞争力。
(2)制定经济激励政策,将生物质能的环保优势转化为成本优势。生物质燃料的单位热量成本远远高于化石能源,简单利用生物质能替代燃煤、天然气没有经济性, 但生物质属于可再生的清洁能源,具有显著的减排优势和环境效益。政府应该制定相应的激励政策,建立产业发展的激励机制,包括立项鼓励、税收和环保负荷减免、热电价格补贴、CO2 减排补贴、城镇化建设补贴等政策,提高其经济性,调动社会发展分布式生物质能的积极性。
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