生物質精煉技術和生物質能源創新

趙小玲

(西安科技大學，陜西西安，710054)

生物質精煉是目前全球比較熱門的一個話題，這主要源于世界經濟的低迷和能源供給面臨可持續發展的挑戰。另外由于全球生態環境不斷惡化，要求人們必須認真思考如何減少對化石能源的依賴和增加綠色能源使用［1］。目前在我國能源架構中煤炭、石油和天燃氣占據了極其重要的地位。其中煤炭占的比例高達70%，而石油和天燃氣比例約為22%，同時我國有1/2的石油消耗依靠進口供應，如此高的對外依存度是我國經濟發展的風險［2］。另外我國開始注重環保，這兩者要求我國經濟的發展必須節能降耗和增加清潔能源使用。而生物質能源最大的特點就是具有可持續性和減少碳排放。因此關于發展生物質能源的重要性是鮮而易見的。

目前，生物質能源在我國的開發和利用基本上有兩種，一是通過生物質燃燒獲得熱、蒸汽和電力;二是通過對生物質進行低溫發酵產生沼氣［3］。當前，在生物質能源發展方面的創新和生物質精煉技術上，全球生物質精煉技術的引領者——美卓公司已經擁有了很多生物質能源利用的創新技術和應用案例［4］。

美卓公司的生物質精煉技術不僅包括制漿造紙領域的技術創新［4］，而且在生物質能源的開發利用方面，其已經擁有了生物質熱分解技術、生物質高溫熱裂解技術、生物質預水解技術以及木素萃取技術LignoBoost等。

生物質原料很廣泛，包括生活垃圾、農作物廢棄物、木材和廢紙等。生物質精煉技術的應用目標是將這些生物質轉化為材料和燃料，材料包括化學漿、溶解漿、機械漿、紙、紙板、納米級纖維、新型紙種等，以及熱、電和蒸汽。但新的生物質能源技術是通過聯合熱分解和高溫熱裂解技術將生物質轉化為燃料，包括生物燃氣、生物燃油等。

1 生物質熱分解技術及應用

生物質熱分解技術包括生物質直接氣化和生物質間接氣化以及生活垃圾氣化技術三種。

1.1 生物質直接氣化

生物質直接氣化的工藝過程就是將木質生物質經過預處理，干燥，然后在循環式汽化爐中熱分解生產出生物質燃氣，然后將生物質燃氣進行直接燃燒。

具體的應用:在化學漿廠，采用生物質熱分解技術將木質生物質如樹枝、樹皮等進行氣化，生物質燃氣直接送到堿回收系統的石灰窯進行燃燒，這樣可以替代燃油或天然氣從而使漿廠節約原料成本和減少碳排放。另外的應用就是將木質生物質氣化后產生的生物質燃氣送入鍋爐進行燃燒，這樣可以替代煤。采用該技術客戶的收益就是高能效和降低污染物排放。

生物質直接氣化進行燃燒來代替燃煤的案例如圖1所示。

在位于芬蘭瓦薩市的Voima電廠，美卓公司供貨了一條生物質氣化生產線，生物質氣化爐的裝機容量是140 MW。將生物質熱分解出的生物質燃氣供給電力鍋爐，250 MW燃煤鍋爐，可以替代40%的燃煤。相應地，CO2的年排放量也將減少23萬t，相當于7萬輛小汽車的年排放量。

1.2 生物質間接氣化

生物質間接氣化的工藝過程就是將森林殘留物和木質生物質進行干燥，預處理，然后送入鼓泡式流化床氣化爐，這個過程和循環式流化床燃燒爐結合，循環式燃燒爐對生物質熱分解后的殘留物燃燒產生熱、蒸汽，蒸汽用于熱分解等，循環式流化床燃燒爐的床底物質在氣化器中循環對生物質進行熱分解。生物質燃氣在甲烷化工廠經過脫焦、脫硫和除CO2等精加工，最后生產生物質甲烷氣。間接氣化示意圖見圖2。

生物質甲烷氣可以用作汽車燃氣等。生物質甲烷氣由可再生原料制成，因此有助于降低溫室氣體排放。

美卓公司的供貨案例中的一個是位于瑞典Gothenburg的GoBiGas項目。該項目每年用生物質生產20 MW的生物質甲烷氣。GoBiGas項目的目的是將樹枝及樹冠等林區的剩余物經過熱分解來生產生物質甲烷氣。生物質原料在氣化工廠被轉化為可燃氣體。在甲烷化工廠中，生物質燃氣再經過凈化及精加工，最后被加工成生物質甲烷氣。這種氣體的質量與天然氣相當。因此在完全停止使用天然氣前的過渡階段，可將兩種氣體混合，輸到供氣網絡。項目的目標是將65%的生物質轉化為生物質燃氣，總體效率達到90%。

1.3 城市垃圾氣化

城市垃圾氣化技術的工藝流程包括城市垃圾進行分類、預處理、在生物質氣化爐中熱分解，然后將生產的生物質燃氣經過冷卻過濾，最后送入鍋爐燃燒。

芬蘭拉赫提Energia電廠是全球首座用城市垃圾進行熱電生產的工廠。城市固體垃圾及其他能源廢料通過工業及民用回收系統被回收并轉化成生物質燃氣。這種燃氣經過凈化工藝，最終變成綠色清潔氣體。該燃氣被轉送入電力鍋爐中燃燒并產生高溫，從而生成高溫高壓蒸汽。這種蒸汽被用于發電及地區供熱。它區別于城市固體垃圾直接燃燒的優點包括:

(1)高效:160 MW燃料轉化為50 MW電+90 MW城市供熱;新蒸汽12 MPa，540℃;高效使用垃圾，CO2排放大大降低。

(2)適應低熱值垃圾:拉赫提城市垃圾 (生活垃圾，工業廢料，木材廢棄物，木屑);低熱值 (LHV)14～24 MJ/kg(干燥后);水分＜30%，Cl＜0.4%。

(3)適應性強:當地垃圾，種類繁多。

該項目氣化工藝每小時可處理360 m3回收廢料。如此折算下來，每年可處理25萬t廢料。

2 生物質熱裂解的技術和應用

生物質油化的聯合生產工藝是:首先將木質生物質進行干燥、預處理，然后進行熱裂解，這個過程是無氧進行的，熱裂解的熱量主要來自流化床鍋爐的爐砂。生物質熱裂解后的焦炭循環進入鍋爐進行燃燒，產生的熱轉化為蒸汽，再進一步用來發電。生物質油經過進一步處理后可用于多種用途。熱裂解示意圖見圖3。

圖3 熱裂解示意圖

聯合熱裂解工藝對木質生物質材料的要求比較嚴格。材料必須非常干燥，且粒徑必須小于5 mm。在數秒鐘之內，這種固體生物質材料在反應器 (熱裂解爐)中被加熱到約500℃。在該溫度下，生物質木料被裂解為氣體。氣體冷卻后變為生物油。裂解過程中未冷凝的氣體和焦煤送入鍋爐作為燃料。

聯合熱裂解工藝的特點是:①生物油聯合生產工藝具備許多優勢，最明顯的當屬其一流的能效。干燥工藝是生物油生產過程中能耗較高的一個工段。在此段工藝中，可利用熱電廠的剩余能量。②快速聯合熱裂解工藝是一種可降低CO2排放的經濟可行的生物質燃料生產方案。聯合熱裂解工藝的生產特點是與鼓泡流化床鍋爐連接。鍋爐中的熱量被用作熱源。

3 對木素的新利用LignoBoost技術

一般而言，木材中木素的含量為15% ～25%。漿廠中木素的常規處理就是將含木素的黑液送入堿回收鍋爐進行燃燒，獲取熱、蒸汽和電力。但是，堿回收鍋爐一般又是漿廠提產時候的最大瓶頸。一般來說，通過鍋爐改造來增加產能的成本比較大。但是黑液中木素沉淀后再經過造粒可以直接作為燃料，此外，人們還在不斷地研究開發木素的新應用，所以，木素的應用前景廣闊。目前，木素顆粒的新應用包括:①直接作為燃料，比如用在石灰窯的煅燒過程;②進一步加工為生物質甲烷氣和生物質燃油;③木素顆粒深加工為苯、碳纖維、活性炭、膠黏劑等。

由于新型交通工具要求有更低的能耗和更輕的質量，而碳纖維可用于此目的，因此木素在這一行業的應用前景也非常廣闊。活性炭是另一個可用木素作為原料生產的潛在產品。對重金屬排放等的嚴格要求，增加了對活性炭的需求。塑料行業是另一個巨大的市場。木素可用作該行業的基礎材料。苯酚或苯酚混合物即是一例。2006年，全球苯酚產量為800萬t。目前，苯酚以化石材料制成。

黑液中木素萃取的簡單工藝過程就是對黑液中的木素進行沉淀，然后脫水，調態最后進行造粒。這個工藝過程采用的技術就是美卓公司開發的LignoBoost技術。

4 小結

生物質精煉技術將制漿造紙以及電力產業的價值鏈進行延展，同時將降低制漿造紙過程的成本。另外，生物質精煉技術將會對生物質的利用提供創新，比如生產生物質燃料、納米級纖維、以及新型紙種等。所有對生物質的精煉，都將進一步帶給制漿造紙產業發展的新動力。生物質能源技術的創新將深化人類對生物質能源的充分利用和環保利用，當然最主要是使整個產業和社會的清潔發展和可持續發展。

［1］曹邦威.關于生物質利用的最新進展［J］.中國造紙，2011，30(7):57.

［2］林智欽.我國新能源領域中的競爭問題分析［C］.2012’新能源發展論壇.北京，2012.

［3］毛長斌，倪永浩.生物質提煉的研究進展及在造紙工業上的應用［J］.中國造紙，2008，27(7):63.

［4］Jussi M?ntyniemi.美卓生物質能源創新［S］.2012. CPP