解決生物質燃料規模化利用新方法——生物質烘焙技術

劉志永

（永清環保股份有限公司湖南長沙410329）

解決生物質燃料規模化利用新方法——生物質烘焙技術

劉志永

（永清環保股份有限公司湖南長沙410329）

生物質能是可再生能源的重中之重，在未來的能源格局中將扮演越來越重要的角色。但是由于生物質本身特點的限制，在生物質燃料規模化應用的道路上，仍有不少的障礙，比如低熱值、高水分含量等。因此，本文介紹了一種有效的生物質預處理方法——烘焙。烘焙能顯著改變生物質的能源特性，對以木顆粒生物質為代表的生物質燃料應用有重要意義。文章著眼于當下國內外在該領域的研究，簡述了烘焙對生物質能源特性的影響，以及該技術的應用狀況和研究進展等。最后，本文對生物質烘焙預處理的潛力作了分析和展望。

生物質；烘焙；應用；能源特性

1　背景

1.1世界生物質能發展的規劃

2015年12月12日，《聯合國氣候變化框架公約》近200個締約方在巴黎達成新的全球氣候協議，新一輪的可再生能源的投資和建設將隨之開始。生物質能是將太陽能以化學能形式貯存在生物質中的能量形式。它可轉化為常規的固態、液態和氣態燃料，可謂取之不盡、用之不竭。相對于其他可再生能源，生物質能是唯一的可以為所有能源部門（包括交通運輸、電力、加熱和制冷等行業）提供化石燃料替代方案，且實現完全的碳中性可持續發展的能源。

1.2中國生物質能發展的規劃

中國近年在生物質能方面投入巨大，已初具規模。2013年全國共有生物質直燃發電項目200余項，并網容量7790MW，上網電量356×108kW·h，相當于三峽電站1/3的發電量。同時，《生物質能“十二五”規劃》中明確指出，到2015年，我國生物質能年利用量將超過5000萬噸標準煤。其中，生物質發電裝機容量1300× 104kW。屆時，每年生物質直燃發電量約780×108kW·h，供氣220×108m3，成型燃料和液體燃料產量分別達到1000×104t和500×104t。無論是從全球范圍還是立足中國，無論今天還是未來，生物質能都注定扮演著重要的角色。

1.3生物質燃料缺點和烘焙技術的解決方案

盡管生物質具有巨大的直接轉化為燃料的潛力，但其自身具有的一些缺點約束了其更廣泛的利用。其中比較顯著的缺點有：高水分、低能量密度、可磨性和均勻性差，這些缺點導致生物質在作為燃料利用的過程當中，產生一些問題。烘焙預處理則可以解決大部分問題，得到優質的燃料-生物炭，生物質烘焙技術是近年發展起來的生物質預處理和燃料升級技術，可以應對生物質作為燃料利用過程的大部分問題，甚至將生物質變成與煤相似的能源商品，在世界范圍內流通。例如：烘焙前的松木屑的研磨能耗為238 kW·h/t，而烘焙后的產物則只需要23 kW·h/t。而且，可以利用現有的煤粉鍋爐已有的燃料處理系統，直接實現高比例的煤粉/生物質共燃，甚至是百分百的替代（煤粉）燃燒。

2　烘焙的概念和特點

烘焙，通常是指在常壓無氧條件下，對生物質在200℃～300℃范圍內進行慢速熱解，從而得到固體燃料的生物質預處理和燃料升級技術。典型的情況是，烘焙后生物質質量的30%以氣態的形式揮發，包括水分、一些含氧烴和一些其他氣體。但是，這些氣體揮發物只帶走了生物質中10%的能量，因此烘焙后的固體產物比未經處理的原材料有更高的能量密度。烘焙后的生物炭主要是由芳香烴和單質碳或具有石墨結構的碳組成，它的燃料性能會比起烘焙前得到很大的提升。

O/C和H/C原子比的關系是燃料的重要性質。該比例低的燃料，能減少燃燒時的煙氣量、水蒸氣量和能量損失。生物質原料的O/C和H/C原子比就比較高，但由于烘焙過程脫除了水分和二氧化碳，使得烘焙后的生物炭具有更低的O/C-H/C原子比。而且隨著烘焙的溫度的提高和時間的延長，烘焙后的生物炭的O/C和H/C原子比就對木質生物質原料、生物炭、煤作了更詳細的對比。從中可知，烘焙后的生物質與煤相比，含水量、干基固定碳含量明顯更低，而熱值、體能值密度則大致相當。部分性能，如水分、灰分和重金屬含量方面還比煤要好。

3　研究現狀

生物質烘焙是一種非常有前景的生物質預處理技術，相關的研究方興未艾。在著名的數據庫Science Direct中，近3年每年都有約100篇的論文發表，其中大部分是關于生物質烘焙技術的發展和生物炭的性能的研究。

出于對烘焙技術的潛力的興趣，現在世界上很多組織都在推進各種烘焙系統的技術及商業化發展，包括政府或商業組織的研究中心。目前烘焙反應器開發商的資料顯示。它們的設備主要都是基于滾筒、螺旋運輸、移動床鍋爐等技術。

4　顆粒化和烘焙技術的應用和展望

如今在丹麥等歐洲國家，木質顆粒常常被用作煤的替代燃料，參與到熱電聯產當中。木質顆粒化使燃料更易于存儲、運輸和利用。而且，歐盟已經公布了木顆粒標準化要求，為木顆粒作為能源商品的交易流通奠定了很好的基礎。近來，人們的目光轉向了“顆粒化—烘焙”聯合生產。目前，該技術已成功引起了商業和科研機構的興趣。

目前，世界范圍內木質燃料的生產大國有美國、澳大利亞、瑞典、俄羅斯、中國和加拿大[1]。根據《Renewables 2015 Global Status Report》，2014年全球木顆粒生物質產量達到2410×104t，且呈持續上升趨勢

木顆粒生物質能源的迅猛發展很大程度上歸功于歐盟積極應對氣候變化的能源政策。歐盟《Renewable EnergyDirective》2009年制定了“20-20-20”目標：到2020年歐盟將在1990年的基礎上，減少20%的溫室氣體排放，減少20%的能源消費量，提升可再生能源比重至20%。這一系列計劃促使歐盟成為全球最大的木顆粒生物質市場，占有全世界近80%的木顆粒生物質消耗量，遠超第二位的美國和第三位的韓國。在2014年，歐盟將此目標調整為，到2030年，減少40%的溫室氣體排放；可再生能源比重升至27%；能源效率同比提高27%。可以預見，隨著烘焙技術的發展，形成新的市場和技術規范后，該技術在未來會有著廣闊的前景。

5　結語

生物質能的利用是實現低碳發展和改善氣候問題的重要手段。目前中國乃至全球的生物質儲存量和可利用量都非常巨大，但由于生物質的種種缺點，其作為燃料利用和能源商品流通的功能并沒有得到大規模的實現。生物質的烘培預處理技術，可以解決生物質儲存、運輸和破碎方面的問題，大大提高其燃燒性能，有望使生物質成為一種能大規模和大范圍流通的能源商品，實現全社會的低碳可持續發展。目前我國電廠鍋爐中將大規模實施超潔凈排放的煙氣控制技術，生物質替代煤炭的環保性能不容易得到體現。但根據2014年發布的《燃煤鍋爐節能環保綜合提升工程實施方案》，我國有46.7萬臺燃煤工業鍋爐將面臨升級和淘汰。生物質烘焙技術的發展，預計可以為實現這些燃煤鍋爐的環保升級發揮巨大的作用。同時，更大規模的生物質能源的應用，是實現我國的低碳減排承諾的重要保證。

[1]WorldEnergyCouncil.WorldEnergyResources:2013Survey[R].2013.

[2]European Biomass Association.European bioenergy outlook 2015 [J].Statistical Report.AEBIOM,Brussels,2015.

[3]王卓峰.生物質能發展春光初現[BE/OL].http://forestry.gov. cn/portal/swzny/s/731/content-732494/html.

[4]陳登宇.干燥和烘焙預處理制備高品質生物質原料的基礎研究[D].中國科學技術大學,2013.

[5]王秦超,盧平,黃震,等.物質低溫熱解炭化特性的實驗研究[J].中國電機工程學報,2012,32(z1):121-126.

[6]肖軍,段菁春,莊新國,等.生物質與煤共燃研究（Ⅰ）生物質的低溫熱解[J].煤炭轉化,2003,26(1):61-66.

[7]Phanphanich M,Mani S.Impact of torrefaction on the grindability and fuel characteristics of forest biomass[J].Bioresource technology, 2011,102(2):1246-1253.