生物質(zhì)熱裂解技術(shù)及其應(yīng)用前景

王書文，魯楠

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)工系)

　　農(nóng)林業(yè)副產(chǎn)品及其廢棄物是巨大的能源資源。但過去由于缺少高效率的回收轉(zhuǎn)化設(shè)備將這些熱值低的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為能量品質(zhì)較高的商品能源，而不得不被廢棄或直接燃燒掉，這不僅是浪費(fèi)能源，同時給生態(tài)環(huán)境造成了極大的破壞。

　　70年代初期，世界性石油危機(jī)的沖擊，為了減少人類對石油燃料的依賴性，農(nóng)林業(yè)廢棄物的處理問題引起了世界性的普遍關(guān)注。為了最大可能地從生物質(zhì)中提取易貯存，易運(yùn)輸并具有商業(yè)價值的燃料，應(yīng)用生物質(zhì)熱裂解技術(shù)便成為最有效的途徑之一。

　　生物質(zhì)熱裂解技術(shù)的特點(diǎn)是能一個連續(xù)的工藝和工廠化的生產(chǎn)方式處理多種類型的農(nóng)林業(yè)廢棄物，并可將其轉(zhuǎn)化為木炭、生物油和可燃?xì)膺@3種易貯存、易運(yùn)輸、熱值高且具有商業(yè)階值的燃料，可獲得原生物質(zhì)80％-85％的能量。該技術(shù)的應(yīng)用必將為我國工農(nóng)業(yè)開辟新的能源，并將促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和為社會就業(yè)提供更多的機(jī)會。

　　1熱裂解技術(shù)工藝流程簡介

　　生物質(zhì)熱裂解是在反應(yīng)器中完全缺氧或只提供有限的氧以使氣化過程不致于大量發(fā)生的條件下進(jìn)行的熱化學(xué)反應(yīng)過程。其工藝的優(yōu)勢在于具有高效的流化床反應(yīng)器，整個生產(chǎn)系統(tǒng)原理如圖1所示。

　　生物質(zhì)原料經(jīng)過切碎，然后烘干至相對濕度為10％左右，經(jīng)料倉通過一個氣密系統(tǒng)輸送到碳化塔。在碳化塔流化床反應(yīng)器中，通過調(diào)節(jié)輸八反應(yīng)器的空氣量和原料量，使一部分生物質(zhì)原料開始燃燒，以提供足夠的熱量加熱后繼的原料，并適當(dāng)調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度，生物質(zhì)在缺氧條件下轉(zhuǎn)化為木炭和可燃?xì)?，術(shù)炭通過旋風(fēng)式分離機(jī)分離出去?？扇?xì)馑腿肜鋮s塔將所含有機(jī)氣體冷卻為生物油，剩余的可燃?xì)馀懦鰹楹娓稍咸峁崮芑蛴糜诎l(fā)電，使本系統(tǒng)內(nèi)部達(dá)到能源自給；而生物油和木炭作為商品能源出售。

　　2熱裂解和其它生物質(zhì)處理技術(shù)比較

　　目前，處理生物質(zhì)的主要技術(shù)有直接燃燒，氣化和熱裂解。

　　生物質(zhì)的直接燃燒利用是傳統(tǒng)的古老方式，燃燒時生物質(zhì)被轉(zhuǎn)化為熱能，剩余的副產(chǎn)品是灰塵和煙。直接燃燒的效率極低，大致為6％～10％，生物質(zhì)總能量的90％左右都被浪費(fèi)掉。同時，直接燃燒生物質(zhì)存在著潛在胡危險，燃燒冒出的煙塵含有顆粒物質(zhì)、CO和多環(huán)有機(jī)物會引起呼吸系統(tǒng)的疾病和癌癥。另外，生物質(zhì)生產(chǎn)是季節(jié)性的，且單位體積含能量低，所以生物質(zhì)的貯存就需大量的空間?？梢娭苯尤紵镔|(zhì)的方便性也很差。

　　生物質(zhì)的氣化技術(shù)是通過氣化爐將生物質(zhì)在其燃燒之前轉(zhuǎn)化為可燃?xì)?，反?yīng)溫度為1000℃左右。該技術(shù)最有價值的應(yīng)用是用于集中供氣、供暖和發(fā)電等服務(wù)性生產(chǎn)，但只有蒸汽鍋爐和發(fā)電廠建在附近才是最有效的。在遠(yuǎn)距離時，可燃?xì)獾膲嚎s和運(yùn)輸使整個加工系統(tǒng)既不經(jīng)濟(jì)又很復(fù)雜。

　　生物質(zhì)熱裂解技術(shù)可獲得高品質(zhì)的燃料——木炭、生物油和可燃，具有很高的熱值，由表1知其能量密度比原生物質(zhì)大5～10倍。這就使得這些被濃縮了的燃料可以很容易地輸送到高效率的電站或其它商業(yè)用戶。事實(shí)上，從生物質(zhì)中獲得的最有價值的產(chǎn)品是生物油，生物油有類似于礦物油的特性，經(jīng)過精煉可替代來自石油的液體燃料。另外，該技術(shù)的另一優(yōu)點(diǎn)是整個裝置耗能較少(15％)，并可通過自產(chǎn)可燃?xì)庠傺h(huán)達(dá)到系統(tǒng)能量自給。可見生物質(zhì)熱裂解技術(shù)較前兩種有著明顯的優(yōu)勢。

　　3生物質(zhì)熱裂解反應(yīng)機(jī)惻

　　3.1化學(xué)反應(yīng)機(jī)制 影響生物質(zhì)熱裂解的主要因素為反應(yīng)溫度，生物質(zhì)顆粒大小，加熱速率，固相滯留期及生物質(zhì)的組成，其中反應(yīng)溫度是關(guān)鍵因素。在整個滯留期內(nèi)，生物質(zhì)在反應(yīng)器中發(fā)生下列反應(yīng)：(1)溫度低于150℃，主要是生物質(zhì)游離水的蒸發(fā)；(2)150～250℃，纖維晶格分解，轉(zhuǎn)化成含有CO、H2的有機(jī)蒸汽、水蒸汽、呵燃?xì)饧芭_有部分揮發(fā)性物質(zhì)的術(shù)炭；(3)350～550℃，有機(jī)氣體進(jìn)一步裂解成CH4、H2，乙酸、甲醇、丙酮等簡單有機(jī)化臺物；(4)溫度超過550℃，木炭完全釋放出揮發(fā)性物質(zhì)此時如繼續(xù)升高溫度，木炭會被氧化，低碳?xì)湮镔|(zhì)及CO將增多。

　　3.2熱裂解產(chǎn)品形成機(jī)制 農(nóng)林業(yè)廢棄物可被認(rèn)為是纖維素、木質(zhì)素和半纖維素3種主要成份的混臺物半纖維素首先在200～260℃分解，接著纖維素在240～350℃范圍內(nèi)分解，木質(zhì)素在280~500℃之間分解，半纖維素和纖維素傾向于產(chǎn)生更大比例的可燃?xì)?，而木質(zhì)素可產(chǎn)生更多的生物油。另外對于熱裂解裝置，設(shè)計(jì)目標(biāo)不同，反應(yīng)溫度，加熱速率和滯留期也將不同。圖2所示為不同熱裂解溫度下產(chǎn)生能源物質(zhì)的情況。試驗(yàn)表明：(1)低溫區(qū)(200~400℃)，低的加熱速率和較長的滯留期可產(chǎn)生更多的木炭；(2)高溫區(qū)(600℃以上)，較長的滯留期有利于產(chǎn)生更多的可燃?xì)猓?3)中溫區(qū)(450~600℃)，通過高的加熱速率和短的滯留期抑制生物油揮發(fā)性物質(zhì)的二次反應(yīng)可產(chǎn)出更多的生物油。

　　3.3生物質(zhì)熱裂秤系統(tǒng)的物質(zhì)和能量平衡 以廢木屑為原料進(jìn)行熱裂解為例：木屑直徑0.1—10mm，熱值為19228kJ／kg干物質(zhì)，濕度為15％～55％，物質(zhì)平衡和能量平衡分析表明：轉(zhuǎn)換1000kg干物質(zhì)原料的木屑可產(chǎn)出860kg可燃?xì)猓?00kg生物油和200kg木炭，這3種燃料的質(zhì)量占總輸入量的74％。適當(dāng)調(diào)節(jié)設(shè)備工藝參數(shù)，可以調(diào)節(jié)產(chǎn)出的木炭，生物油相可燃?xì)獾南鄬Ρ壤Ｉ镔|(zhì)通過熱裂解，總能量的回收率可高達(dá)85％，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其它轉(zhuǎn)換技術(shù)。

　　4熱裂解產(chǎn)品的特性及其用途

　　4.1生物油 生物油具有類似于礦物油的特性，經(jīng)過加工轉(zhuǎn)換后可用來替代化石燃料。特別是生物油含硫較低，非常適用于目前嚴(yán)格的大氣污染控制要求，如不經(jīng)轉(zhuǎn)換亦可直接替代重油。但由于生物油粘度大，易聚合，有腐蝕性且揮發(fā)性差的特點(diǎn)，不能直接用作內(nèi)燃機(jī)燃料，需經(jīng)過進(jìn)一步的催化氫化裂解和氫化處理，經(jīng)過處理后的生物油非常接近于普通原油特性對比原油的特性，如表2所示，催化生物油再經(jīng)過精煉可產(chǎn)出柴油作為內(nèi)燃機(jī)的替代燃料。

　　4.2木炭 木炭呈粉末狀，熱值為29260kJ／kg，含硫少，灰份小，具有良好的燃燒特性這種木炭有良好的表面特性，更容易加工成活性炭用于化工和冶煉。木炭如制成水煤泥，具有16720kJ／kg的熱值，可用作火力發(fā)電廠燃料。另外，木炭也可加工成無煙煤球，供家庭取暖或炊事用能，絨作為閑散利用。

　　4.3可燃?xì)?可燃?xì)鉄嶂禐?180~5225kJ／kg，主要用于熱裂解系統(tǒng)內(nèi)部原料的烘干以及轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)內(nèi)必需的電力。多余的可燃?xì)猓缬袟l件還可輸出用于集中供氣等服務(wù)設(shè)施。

　　5生物質(zhì)熱裂解系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)評價

　　5.1基本生產(chǎn)成本 以原料處理能力為2噸／小時的設(shè)備為側(cè)，基本生產(chǎn)成本估算如表3所示。

　　表3說明，生物質(zhì)熱裂解生產(chǎn)成本的主要部分是原材料費(fèi)，其次是投資折舊費(fèi)和人工費(fèi)。我國農(nóng)村和林區(qū)資源較豐富，原料價格較低，另外人工費(fèi)也相對較低，所以在我國應(yīng)用該技術(shù)的生產(chǎn)成本會大幅度下降。

　　5.2生物油成本 以歐共體原料成本30.5美元／噸為例計(jì)算，生物油成本：32美元／當(dāng)量桶，扣除：8美元／當(dāng)量桶(低硫補(bǔ)咕相當(dāng)于石油脫疏所花費(fèi)用)，5美元／當(dāng)量桶(人工節(jié)省費(fèi))；1美元／當(dāng)量桶(支付平衡費(fèi))；其實(shí)際成術(shù)為18美元／當(dāng)量桶，已達(dá)到歐佩克目前規(guī)定的原油價格。世界上其它國家或地區(qū)，如中美洲、亞洲和非洲國家，原料的價格大大低于歐洲每噸30.5美元的價格，大致為15美元／噸，這樣會大大降低生物油的成本，使其和原油在價格上具有很強(qiáng)的競爭能力。

　　6應(yīng)用前景與展望

　　生物質(zhì)能是我國農(nóng)村生活用能和部分生產(chǎn)用能的主要資源。近幾年來，我國農(nóng)村年總能耗量是3.3—3.5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其中生活用能的消費(fèi)掏成是：薪柴占40％，秸桿43％，煤炭12.5％，其它占4.5％(T)。上述能源消費(fèi)結(jié)掏反映出，一是由于薪柴和礦物能源不足，每年要低效率地直接燒掉約2.3億噸秸桿.造成秸桿不能還田，土壤有機(jī)質(zhì)下降，二是每年至少要燒掉1.8憶噸薪柴，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了薪炭能源的合理提供量(8858萬噸)的承受能力，導(dǎo)致森林資源過度揀采。因此，為了解決農(nóng)村能源不足和生態(tài)環(huán)境日趨惡化的現(xiàn)狀，在開發(fā)生物質(zhì)資源的同時，應(yīng)用生物質(zhì)熱裂解技術(shù)提高生物質(zhì)利用的轉(zhuǎn)化率，將生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為商品能源是出路之一。

　　從我國薪炭林應(yīng)用來講，我國林業(yè)用地和森林資源分布極不平衡，廣大平原地區(qū)人多地少，林業(yè)用地嚴(yán)重不足，山區(qū)則相對人少地多，林業(yè)用地比較豐富，因此各地薪柴能源余缺不均。由于薪柴本身無一定規(guī)格難以成為商品，同時，薪柴能量密度低，遠(yuǎn)距離收集運(yùn)輸尚存困難，這樣我國主要林區(qū)每年都有大量薪柴被白白燒掉，麗嚴(yán)重缺柴地區(qū)連樹根也作燃料，所以通過林業(yè)廢棄物的熱裂解將其轉(zhuǎn)化成木炭，生物油和可燃?xì)獾葻嶂蹈叩纳唐纺茉?，作到物以盡用，以豐補(bǔ)缺，將有重要意義。