生物质燃料转化利用技术的现状、发展与锅炉行业的选择

摘要：介绍了生物质成型、生物质气化、生物质液化及热解多联产等几种常见的生物质转化技术。分析了生物质燃料在锅炉行业中的利用现状及存在的主要问题，并指出锅炉行业未来应立足生物质燃料的发展，并朝着原料绿色化、生产清洁化和产品智能化的方向发展。

0引言

工业锅炉是重要的热能动力设备，在国民经济发展及人民生活中起着不可或缺的作用。当前我国工业锅炉以燃煤为主，年耗煤量约占全国煤炭消耗总量的1/5，污染物排放总量仅次于电站锅炉[1]。

随着国家对环保要求的日益严格，污染物排放严重的中小型燃煤锅炉在我国将逐渐淘汰，被天然气、电力或生物质等新能源为燃料的高效节能环保型锅炉所替代。

作为一个农业大国，我国生物质资源丰富，能源化利用潜力巨大。全国可作为能源利用的农作物秸秆及农产品加工剩余物、林业剩余物和能源作物、生活垃圾与有机废弃物等生物质资源总量每年约4.6亿吨标准煤。生物质作为一种含碳、固体形态的可再生能源，其热转化利用技术、设备与煤炭具有相似性，且生物质氮、硫含量低，污染物排放要远低于燃煤。因此，大力发展生物质燃料锅炉将有助于缓解燃煤带来的环境污染问题。

我国政府历来重视生物质能的开发利用，并将其作为能源领域的一个重要方面，纳入了国家能源发展战略。国家发改委、国家能源局印发的《关于促进生物质能供热发展的指导意见》中指出：到2035年，生物质热电联产装机容量超过2500万千瓦，生物质成型燃料年利用量约5000万吨，生物质燃气年利用量约250亿立方米，生物质能供热合计折合供暖面积约20亿平方米，年直接替代燃煤约6000万吨[2]。锅炉是生物质燃料利用的主要设备，也是我国节能减排的主战场，锅炉行业必须紧跟新时代要求，加快实现原料绿色化、生产清洁化和产品智能化。

1生物质燃料转化技术现状

生物质资源来源广泛，理化特性各具特色，转化技术也多种多样，包括物理方法、热化学方法和生物化学方法等，可得到的产品包括：成型燃料、生物燃气、生物油、生物炭、沼气、燃料乙醇、生物柴油等。下面主要介绍几种与锅炉相关的生物质燃料转化技术。

1.1生物质成型技术

与传统化石能源相比，生物质具有资源分散、能量密度低、容重小、储运不方便等缺点，造成运输成本较高，严重制约了生物质能的大规模应用。生物质压缩成型技术是生物质能的一种简单、实用、高效的利用形式，可以大大提高生物质能量密度，便于储存和运输，为高效利用农林废弃物提供了一条新的途径。生物质在挤压成型后，密度可达0.8～1.3kg/m3，能量密度与中热值煤相当，非常适合作为锅炉的燃料[3]。

生物质固化成型技术主要分为辊模挤压式成型(包括环模式和平模式)、活塞冲压式成型(包括机械式、液压式)和螺旋挤压式成型等几种主要型式，工作原理分别如图1、图2和图3所示。其中的辊模挤压式成型可以实现自然含水率生物质不用任何添加剂、粘结剂的常温压缩成型，生产率较高，是规模化、产业化发展的重点。国外辊模挤压式成型机设备制造比较规范，自动化程度高，生产技术已基本成熟，关键部件寿命达到1000h以上，生产率达到2t/h以上，已实现规模化商品生产。但是，这些成型设备是以木屑等林业剩余物为主要原料，且设备价格高，并不适合我国以秸秆为原料的国情。

近年来，由于国家对秸秆能源化工作的高度重视及相关政策的支持，我国生物质固体成型燃料技术取得明显的进展，生物质成型技术及成型压制设备也逐渐成熟，成型机械的能耗、关键部件使用寿命达到了大规模生产的要求。2016年建设农作物秸秆固化成型工程合计1300多处，成型燃料年产量达653万吨；林业三剩物固体成型燃料年产量约250万吨，总计900万吨左右[4]。此外，农业部和地方政府陆续发布了《生物质固体成型燃料技术条件》、《生物质固体成型燃料质量分级》、《生物质成型燃料锅炉》、《生物质成型燃料锅炉大气污染物排放标准》等相关标准，为生物质成型燃料锅炉专业化、规模化和产业化发展打下了较好的基础。

1.2生物质气化技术

生物质气化是利用空气中的氧或其它含氧物作气化剂，在高温条件下将生物质燃料中的可燃物转化为可燃气(主要是氢气、一氧化碳和甲烷)的热化学过程。生物质原料挥发分高达70%以上，受热后在相对较低的温度下就可使大量的挥发分物质析出，因此，气化技术非常适用于生物质原料的转化[6]。生物质气化得到的燃气既可作为清洁燃料，又可作为费托合成液体燃料的原料，在电力供应、热能生产、化工合成、金属冶炼等领域均有广泛应用，因此气化技术是目前国内外竞相开发的重要生物质能技术。

根据所使用气化剂的不同，生物质气化可分为空气气化、氧气气化、水蒸气气化、氢气气化等。出于成本考虑，一般采用空气气化，但所产生的燃气热值较低，一般在5～6MJ/m3[7]。气化炉是生物质气化技术的核心设备，按设备运行方式，生物质气化炉可分为固定床、流化床和气流床。其中固定床和流化床是比较常见的两种气化炉型式。固定床气化炉分为下吸式和上吸式(如图4)，流化床气化炉分为鼓泡流化床和循环流化床(如图5)。不同气化设备的技术对比如表1所示。通常，固定床气化炉结构简单，操作方便，适合较小规模和对燃气品质要求不高的场合，如户用或农村集中供气；而流化床特别是循环流化床气化炉适合大规模连续生产，如发电或制合成气。

我国生物质气化技术研究始于20世纪80年代初期，目前已研制出可用于户用、集中供气和发电的各种类型气化设备，拥有成熟的燃气锅炉供热、内燃机发电等技术。其中，气化集中供气已在山东、辽宁、吉林、安徽等十几个省市推广，MW级气化发电技术设备实现了出口，生物质气化合成液体燃料技术也已完成了千吨级的示范。

1.3生物质液化技术

20世纪70年代爆发石油危机后，可以直接从生物质得到液体燃料的生物质热解液化技术迅速发展。生物质热解液化是指在中温(500℃左右)和缺氧条件下使生物质快速受热分解，热解气体再经快速冷凝得到以液体产物(生物油)为主的热化学转化过程。在合适的条件下，生物油的最高产率可以达到70%以上。

国外在生物质热解液化研究方面起步较早，所开发的鼓泡流化床、循环流化床、旋转锥和真空反应器等技术均实现了较大规模的应用。其中流化床热解装置的最大处理量达到200吨/天，所生产的生物油用于热电联产。我国从1995年开始发展该技术，目前已有多家单位研发热解液化技术，但大多停留在实验室阶段。其中，中国科学技术大学建立了年产10000吨生物油的生物质热解制备生物油应用示范工程，华中科技大学开发了移动式生物质液化技术，可有效解决生物质资源低成本收集和高值化利用问题。

表2给出了生物油与重油基本特性对比。生物油热值(LHV)为13～18MJ/kg，约为重油的一半，可以作为锅炉、柴油发动机和燃气轮机的燃料，比直接燃烧生物质要高效、清洁。但同时生物油中的氧含量较高，还含有15%～30%的水，所以生物油往往表现出强酸性、高粘度、低热值和品质不稳定等特性，使生物油的推广应用受到了很大的限制。除用作燃料外，生物油还可作为大规模气化、制氢的原料及用于提炼高附加值的化学品。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，还含有少量的苯甲酸，是制备有机酸钙盐的合适廉价原料。华中科技大学利用生物油和钙基吸附剂制备出富含有机酸的“富钙生物油”，可作为有机酸钙盐的替代品，用于炉内氮硫污染物的联合脱除，图6为不同温度下富钙生物油对SO2及NOx的联合脱除效率，其最大脱硫效率超过90%，脱硝效率约60%[8]。