恒力新能源 2020-06-02 09:11 發布

摘要

生物質氣化用途廣泛、原料種類和規模適應性強,是實現生物質分布式開發利用和可燃固體廢棄物處理的效途徑,可部分替代化石能源、推進節能減排、助力實現可持續發展,在世界范圍內得到了廣泛應用。本文綜述了生物質氣化、燃氣凈化關鍵技術和供熱、發電、合成液體燃料等產業的發展現狀,在此基礎上對中國生物質氣化產業前景進行了展望。

前言

生物質氣化用途廣泛且規模靈活,是能夠真正實現生物質“因地制宜”開發利用的有效途徑。分布式生物質氣化利用技術用戶廣泛,原料種類和規模適應性強,資金門檻要求較低,不同的規模下都具有一定的經濟性,比集中式利用更易于商業化。

從生物質資源利用的角度看,分布式生物質氣化產業符合中國生物質資源分散的特點,適合分散利用和工業應用,具有較強的適應能力和生存能力。因此,在中國發展生物質氣化技術有較好的應用前景。

包括氣化在內的生物質能利用技術的進展已有諸多綜述,要全面了解其發展動態、詳細闡述相關技術特征并非易事。本文就生物質氣化技術及產業現狀和趨勢進行概括,予讀者以借鑒。

1. 氣化關鍵技術現狀和發展趨勢

1.1氣化爐

常見氣化爐的優勢與劣勢對比見表1。限制生物質氣化技術推廣的因素包括燃氣熱值低、焦油處理難、氣化效率低、爐內結渣和團聚等問題。

因此對氣化的研究主要方向為提高燃氣熱值或特定可燃氣體含量,降低燃氣焦油含量,提高氣化效率,提升原料適應性等。為提高燃氣熱值或特定可燃氣體含量,可采用水蒸氣氣化、富氧氣化、雙流化床氣化、化學鏈氣化和外熱式氣化等技術;為降低燃氣焦油含量,可利用新型氣化技術如兩段式氣化、氣流床氣化和等離子體氣化等技術。

但這些技術由于成本高、能耗大或技術瓶頸等問題,短期內難以得到規?;茝V。目前最成熟和應用最廣泛的依舊是常規固定床和流化床的空氣氣化。

林業生物質灰分較低、熱值較高,是目前歐美國家乃至中國氣化利用的主要原料。非木質生物質如秸稈、蔗渣、中藥渣等種植業和農產品加工業副產品,由于灰分較高、熱值較低、密度較小、水分含量高和成分復雜等原因,被視為低品質燃料。高灰分容易導致流化床內顆粒團聚、固定床高溫區結渣;密度小的原料,則容易造成架空和搭橋,不能在固定床直接使用。對低品質生物質燃料進行處理利用,一般需要烘干、粉碎、成型或烘焙等預處理手段來提升燃料品質,也需要合理設計氣化爐以適應燃料特性;另外,與木質原料或煤共氣化也是利用低品質生物質的有效手段。

1.2燃氣凈化

由于生物質的不完全轉化,氣化反應過程不可避免地產生焦油和粉塵等雜質,這些雜質可導致下游燃氣輸送管路及利用設備發生堵塞、腐蝕、結垢等,從而影響燃氣利用過程的效率及長期運行的穩定性[3]。內燃機、F-T合成、燃料電池等燃氣利用設備,對粗燃氣的潔凈程度要求較為嚴格[4],必須采取有效措施將上述雜質的含量降低到設備可接受的范圍之內。因此,作為生物質氣化工藝的配套技術,燃氣凈化技術的研發具有重要的現實意義。

將粗燃氣水洗是最簡單且應用最廣泛的焦油脫除方法,脫除效率可達30%~70%。水洗通常在噴淋塔、文丘里管等反應器中進行,粗燃氣與水以并流或逆流的形式直接接觸而被凈化,洗滌水通常循環使用并須定期更換或補充。這種方式的缺點是損失了粗燃氣的顯熱,并且焦油組分從氣相轉移到了液相,污染水體的同時還將蘊含于焦油化合物中的能量不合理地丟棄了。

在900℃以上的高溫狀態下將焦油熱裂解可得到常溫不可凝氣體,能回收部分焦油中的能量,但裂解溫度須高于1100℃才能顯著進行[5]。這需要輸入額外的能量以再加熱粗燃氣,因此催化劑常被用來降低焦油裂解反應活化能。常用的催化劑[6]有白云石、半焦、Ni基及貴金屬催化劑等。由于催化劑的引入,焦油裂解反應溫度大幅度降低至250~800℃,焦油裂解率的大小與催化劑的種類、反應條件等相關,從50%到高于95%均有報道,并且更多的焦油成分被選擇性地裂解為輕質氣體,因而可增加粗燃氣的熱值。但催化劑積碳反應的發生使該技術鮮有連續運行時間超過100h。

中國科學院廣州能源研究所(以下簡稱廣州能源研究所)在該領域的研究經歷了“水洗”?“催化凈化”?“等離子催化凈化”?“凈化?提質一體化”幾個發展階段,取得了一系列的研究成果。在基礎研究方面,先后開展了半焦[7]、白云石[8-9]、Ni基催化劑[10-12]除焦油的研究,但實際應用過程中發現催化劑失活很快。2012年前后采用“高溫除塵+焦油吸收”工藝用于處理100Nm3/h的生物質粗燃氣,最高連續運行時間達7d[13-14]。但工藝流程較復雜,需要兩個串聯的反應器分別進行除塵和除焦油,投資成本較大,并需要相應的輔助設備,動力消耗嚴重。2015年起,廣州能源研究所開展了臨氧除塵除焦油[15]、等離子催化凈化提質一體化[16-18]等研究,現已搭建流光電暈等離子體反應器和介質阻擋放電反應器各1套,初步研究結果表明該方法可將焦油中的重質組分裂解為輕質焦油組分,但400℃下將輕質焦油組分繼續裂解為C4以下烷烴或烯烴所需能量密度為400~600J/L,經換算相當于生物質氣化發電總輸出電能的20%[17]。在此基礎上進一步開展了等離子體耦合催化裂解焦油的實驗研究[18],采用傳統Ni基催化劑耦合等離子體放電,可在430℃條件下,達到100%的苯、甲苯脫除率,能量消耗為16.9g/(kW·h),提高了焦油脫除效率的同時降低了能耗。在應用研究方面,開發了3000Nm3/h粗燃氣處理量的“旋風除塵?臨氧陶瓷過濾?水洗?電捕焦”燃氣凈化工藝,連續運行時間超過2000h,燃氣凈化后焦油與粉塵的含量分別為14mg/Nm3與43mg/Nm3[19],潔凈燃氣可廣泛用于內燃機發電、化工品合成等過程。

1.3污染物排放控制

工業有機固廢、垃圾及污泥等廣義生物質,其主要元素組成為C、H、O、N、S及少量的Cl、堿金屬等,產生于特定的工業生產過程,富含纖維素、蛋白質、木質素三大類,代表了一種已經被集中了的生物質資源[20],可以通過熱化學途徑進行高效清潔轉化生產高品質燃料。然而,由于工業生物質廢物來源廣泛、成分復雜,含有一定量的N、S、Cl等污染成分,其熱化學特性和污染排放與普通生物質相比存在較大差異,以單位發熱量計算得到的污染物排放濃度值較高,并非是一種傳統意義上的清潔燃料,針對其熱化學轉化過程污染物排放與控制的研究具有重要的應用前景。氣化、熱解或者共燃等利用生物質能的方式是減排CO2、NOx和SOx的有效措施[21];烘焙預處理有利于減少氣化過程中含N前驅物的生成[22];生物質解耦氣化[23-24]則可望實現高效率、低污染物排放、高產品質量、多聯產及廣譜燃料適應性的多目標優化。N2是唯一無污染的含N物種,理論上有兩種方法可降低熱解氣化過程氮氧化物的生成量:①在熱解前和熱解過程中控制反應條件或添加催化劑使燃料N最大程度轉化為N2[21-22,25];②利用熱解產生的HCN、NH3還原半焦氧化得到的NOx并生成N2[23-24,26]。S、Cl等污染元素則采用在熱解氣化過程中添加固硫劑、固氯劑的方式,使之穩定化在以固態形式存在的爐渣或飛灰中。根據各污染元素在熱化學轉化過程的賦存形態與特性,今后的研究將朝分而治之、多污染物協同控制方向發展。

廣州能源研究所對富含N、Cl、S的工業生物質在熱解氣化階段污染元素的遷移與轉化進行了研究。工業源生物質主要為藥渣、污泥、豆秸等。以富N木質纖維素類[27-29]及非木質纖維素工業生物質廢棄物[30]、藥渣涼茶渣[31-32]等為原料,研究了在不同升溫速率、熱解終溫條件下不同含N官能團的N釋放規律,結合熱重分析和X射線光電子能譜表征,對比研究了熱解過程NOx前驅物的生成特征[29-30,33],并對其中的機理進行了詳細分析[34-35]。此外,本研究組還在水熱條件下對市政污泥、脫墨污泥在加壓高溫水相環境里N的遷移與轉化進行了研究[36-38],為污泥的高值化、能量化、減量化開辟了一條新途徑。在Cl、S遷移轉化研究方面,利用礦化垃圾制備衍生燃料,采用熱重紅外質譜聯用技術(TG-FTIR-MS)和水平管式熱解爐/化學吸收法,對比研究了礦化垃圾和常規垃圾衍生燃料熱解過程腐蝕性氣體(HCl和H2S)的析出特性,分析了熱解溫度及熱解類型對析出行為的影響,并對熱解固相產物腐蝕性元素的賦存特點進行了考察[39]。為不同垃圾衍生燃料的熱利用提供了一定依據和參考。

1.4灰渣綜合利用

生物質氣化過程中產生的灰渣是由生物質本身含有的灰分和氣化過程產生的副產物組成[40]。近年來,國內外學者針對生物質氣化灰利用進行了大量研究。EBERHARDT等[41]利用生物質灰制備出輕質保溫磚;SCHETTINO等[42]利用添加一定量甘蔗灰渣的茹土制備出陶瓷材料;QUARANTA等[43]以葵花籽殼灰為主要原料,附以不同比例的廢棄玻璃渣,成功制備出陶瓷制品;涂湘巍等[44]研究發現秸稈氣化灰渣中含有較多營養元素,其對改良土壤和農作物增產有一定的促進作用。稻殼灰由于其巨大的產量和獨特的物化特性,成為研究熱點。稻殼灰中SiO2含量占87%~97%,還有少量的K2O、Na2O、MgO及Al2O3等[45]。根據稻殼灰中硅的物化特性,可分為非結晶態稻殼灰和結晶態稻殼灰。

非結晶態稻殼灰中硅多以無定型態存在,具有較強的反應性,可用于制備碳化硅、水玻璃、白碳黑及氣凝膠等多種化工產品[46-49],但由于稻殼灰中含有多種無機礦物質,無法滿足這些產品對純度的要求,一定程度上制約了該方向的產業化進程。有研究發現無定型稻殼灰中的硅可與硅酸鹽水泥中的化學物質發生化學反應,提高了混凝土的強度[50-51],以非結晶態稻殼灰替代現有水泥原料中的骨料,可以有效節約建筑成本[52]。稻殼灰中的無定形SiO2也可作為危險廢物固化中的水泥外加劑[53]。

結晶態SiO2具有較好的耐高溫特性,可用于制備隔熱材料用于鋼鐵、絕熱材料、耐火磚和陶瓷生產[54],添加有結晶態稻殼灰的隔熱材料已在煉鋼生產中商業化應用[55]。

2004年,CHAREONPANICH等[56]通過高溫煅燒的方法,利用稻殼制備出純度較高的白色SiO2,并以其為硅源,在特定的條件下制備出ZSM-5分子篩。而實際工業燃燒或氣化工藝產出的稻殼灰的雜質含量較高,無法直接用于制備ZSM-5分子篩。廣州能源研究所通過高溫堿液水熱處理工藝提純電廠稻殼灰中的SiO2,以制備出的硅溶膠(RHA硅溶膠)為硅源,成功制備出K-ZSM-5分子篩[57],并系統研究了模版劑用量、反應時間及未外加鋁源等對ZSM-5分子篩制備和合成殘液組成的影響,摸索出最優制備方案[58]。

2. 氣化產業發展現狀和趨勢

2.1總體狀況

在世界范圍內,生物質氣化主要用于供熱/窯爐、熱電聯產(combined heat and power,CHP)、混燃應用和合成燃料(圖1),目前規模最大的應用是CHP。20世紀80年代起,生物質氣化被美國、瑞典和芬蘭等國用于水泥窯和造紙業的石灰窯,既能保證原料供給又能滿足行業需求,具有較強的競爭力,但應用卻不多。20世紀90年代,生物質氣化開始被應用于熱電聯產、多用柴油或燃氣內燃機,生物質整體氣化聯合循環(biomass integrated gasification combined cycle,BIGCC)也成為研究熱點,在瑞典、美國、巴西等國建成幾個示范工程,由于系統運行要求和成本較高,大都已停止運行。1998年,生物質氣化混合燃燒技術已被用于煤電廠,將生物質燃氣輸送至鍋爐與煤混燃,目前已商業化運行。

生物質氣化最新的發展趨勢是合成燃料,利用氣化獲得一定H2/CO比的合成氣及通過合成反應生產液體燃料(如甲醇、乙醇和二甲醚),能部分替代現有的石油和煤炭化工。早在20世紀80年代,氣化合成燃料技術在歐美已經有了初步的發展。近年來,受可再生能源發展政策的激勵,各國加大了對氣化合成技術的關注和投入,美國在氣化合成燃料乙醇方面取得了很大的成就,其產能已達600億L/a[59]。

中國的生物質氣化主要用于發電/CHP、供熱/窯爐和集中供氣,已建成了從200kWe~20MWe不同規格的氣化發電裝置,氣化發電正向產業規?;较虬l展,是國際上中小型生物質氣化發電應用最多的國家之一。較具代表性的項目包括廣州能源研究所“九五”期間建成的福建莆田1MWe谷殼氣化發電系統、海南三亞1MWe木粉氣化發電系統、河北邯鄲600kWe秸稈氣化發電系統,以及“十五”期間建成的江蘇興化5MWe氣化?蒸汽聯合循環電站。

氣化燃氣工業鍋爐/窯爐應用方面,中國的科研單位和企業也進行了探索。在廣州能源研究所技術支持下,廣東省已建立生物燃氣工業化完整的產業鏈條基礎,近幾年來成功地完成了幾十個生物質燃氣項目,典型項目包括常州運達印染、珠海麗珠合成制藥、深圳華美鋼鐵和廣州天天洗衣等項目。目前主要發展途徑為以生物質燃氣替代石化燃油、燃氣作為鍋爐/窯爐燃料。

利用生物質氣化技術建設集中供氣系統以滿足農村居民炊事和采暖用氣也已得到廣泛應用,自1994年在山東省桓臺縣東潘村建成中國第一個生物質氣化集中供氣試點以來,山東、河北、遼寧、吉林、黑龍江、北京、天津等省市陸續推廣應用生物質氣化集中供氣技術。據農業部統計,截至2010年底全國共建成秸稈氣化集中供氣站900處,運行數量為600處,供氣20.96萬戶,每個正在運行的氣化站平均供氣約350戶[61]。

2.2生物質氣化內燃機發電/CHP

生物質氣化發電/CHP可以通過蒸汽輪機、內燃機、燃氣輪機和燃料電池等多種方式實現??筛鶕K端用戶的需要靈活配置、選用合適的發電設備,規模一般在20kWe~10MWe之間,非常適用于分布式發電系統。目前應用最廣的是內燃機發電(圖2),其負荷可調性高,20%以上負荷就能運行,也可以多臺并聯運行。

生物質氣化獲得的燃氣熱值較低,H2含量較高,容易引起爆燃;生物質燃氣中的焦油容易引起點火系統失靈,燃燒產生的積炭會增加機械磨損;燃氣中的顆粒物也會增加設備磨損,嚴重時引起拉缸。所以生物質燃氣內燃機的配件損耗和潤滑油消耗一般比其他燃氣內燃機高。從氣化爐出來的燃氣需要經過凈化處理,內燃機和其他燃氣利用設備對燃氣的要求見表2。

對燃氣進行深度凈化的成本很高,為了應對燃氣中的焦油問題,通常有兩種方法:一是對內燃機進行定期清潔和維護以保證正常運行;二是將入口燃氣保持在燃氣殘存焦油冷凝溫度(約75℃)之上,適用于稀混合氣、高轉速、渦輪增壓的內燃機組,發電效率可高達40%[63]。國外的生物質燃氣內燃機多為低熱值燃氣與柴油共燒的雙燃料機組,大型的MW級機組和單燃料機組則主要由天然氣機組改造而成。中國用于生物質燃氣的內燃機主要由柴油發電機改造而成,采用低壓縮比、低轉速、燃氣和空氣進入氣缸前充分預混等措施,比較成熟的機組單機功率達到500kWe。

廣州能源研究所在生物質氣化?內燃機發電/CHP方面處于國內領先水平,已推廣生物質氣化發電/CHP系統近30套。2005?2006年,在國家863計劃支持下,建成國內首個生物質氣化內燃機?蒸汽輪機聯合循環發電示范工程(圖3a),系統裝機規模為4.5MWe(內燃機組)+1.5MWe(汽輪機組),發電效率超過26%;2012?2014年,在國家科技支撐計劃的支持下,建成“2MWe生物質氣化發電及熱氣聯供系統(圖3b)”,研制出了發電效率為34.5%的8300D/M-2非增壓型500kWe低熱值生物質燃氣內燃機,示范系統發電效率為25.5%,CHP綜合熱效率為52.3%;目前,在國家重點研發計劃項目支持下,計劃建設2MWe生物質氣化發電和熱氣聯供示范系統,將機組發電效率提高到35%以上,系統發電效率≥27%,熱電聯供總熱效率≥50%,目前已完成選址和設計,進入裝置研發和加工階段。

2.3生物質整體氣化聯合循環

IGCC將布雷頓循環和朗肯環聯合(圖4),具有較高的發電效率。BIGCC是20世紀90年代的研究熱點,最初目的是為了更高效地利用甘蔗渣,目前仍處于發展完善階段,中國在這方面的研究幾乎空白。BIGCC可通過內燃和外燃兩種方式實現,內燃方式是燃氣和空氣在燃燒器混合燃燒生成高溫高壓煙氣,進入到透平中膨脹做功;外燃是燃氣與空氣混合燃燒后,通過換熱器將熱量供給壓縮空氣,吸熱后的高溫高壓空氣進入到透平中膨脹做功。外燃方式對燃氣質量要求不高,也不需要高壓燃燒,燃氣凈化成本和壓縮能耗較低,但投資成本較高,高溫換熱器等技術難題未攻克。內燃方式對燃氣(表2)的焦油、顆粒物和堿金屬含量要求非常高,以避免氣輪機葉片出現磨損、腐蝕和沉積;燃氣需要增壓后(一般0.7MPa以上)進入燃燒器燃燒,而生物質燃氣熱值低、體積流量大,增加了壓縮能耗和成本,加壓氣化可以避免該問題,但增加了氣化爐進料和燃氣凈化的難度。

瑞典Varnamo電廠是世界上首座BIGCC電廠,發電凈效率為32%。電廠采用FosterWheeler公司的加壓循環流化床氣化技術,以空氣為氣化劑,燃氣經冷卻器冷卻至350~400℃后,由高溫管式過濾器凈化。電廠1995年開始正式運行,系統整體運行時間超過3600h,其中加壓氣化爐運行時間超過8500h,驗證了生物質加壓氣化和燃氣高溫凈化系統的可行性,獲得了寶貴的運行經驗。由于運行成本過高,該項目于2000年停止運行。其他BIGCC示范項目見表3,有四個項目采用了瑞典TPS的常壓CFB氣化技術,這些示范工程目前都已停止運行。

2.4生物質氣化燃煤耦合發電

生物質氣化燃煤耦合發電是將生物質在氣化爐中轉化為燃氣,燃氣再送入燃煤鍋爐與煤混合燃燒發電,如圖5。

該技術也稱間接混燃,也適用于以油、天然氣為燃料的火電廠。需要在燃煤鍋爐設備基礎上增加獨立的生物質氣化系統,并根據生物質燃氣在鍋爐內的燃燒段位置增加燃氣燃燒器或局部改造原有的煤粉燃燒器。從氣化爐出來的高溫燃氣直接進入鍋爐燃燒,燃氣顯熱和焦油的能量得到充分利用。該技術可以利用現役大容量、高效率燃煤機組,發電效率可達40%~46%,依托燃煤熱電聯產機組發電并供熱,綜合能源利用效率可達到70%以上。生物質氣化燃煤耦合發電技術可以充分發揮大型燃煤發電機組的優勢,而且初投資成本較低、建設周期短、生物質利用規模靈活、可針對煤和生物質價格波動進行自身調節,對生物質價格控制力強,是生物質最高效、經濟的利用方式之一。與生物質/煤直接混燃技術相比,其優勢在于燃煤鍋爐腐蝕和沉積的風險較小、對尾氣處理系統無影響、生物質灰和煤灰可分別處理,能夠利用的原料范圍更廣。

目前生物質氣化燃煤耦合發電項目并不多,如表4。國內第一個氣化耦合項目是國電荊門電廠660MWe機組生物質氣化耦合燃燒發電項目,氣化爐處理量為8t/h,生物質燃氣耦合發電部分為10.8MWe。該項目于2013年10月正式投運,截至2015年11月,累計實現上網電量15157萬kW·h,綜合利用秸稈104685t。該項目獲得了與生物質直燃電廠同等的生物質發電上網電價。為鼓勵生物質燃煤耦合技術發展,2018年6月21日,國家能源局、生態環境部聯合下發了《關于燃煤耦合生物質發電技改試點項目建設的通知》,明確了84個試點項目,其中生物質氣化燃煤耦合發電項目54個,占比64.3%,涵蓋全國18個省和直轄市,反映出市場對發展生物質氣化燃煤耦合發電的廣泛認可。但與此同時,《關于公布可再生能源電價附加資金補助目錄(第七批)的通知》將燃煤耦合生物質發電排除在補貼范圍外。

2.5生物質氣化?燃料電池發電

固體氧化物燃料電池(solid Oxide fuel cell,SOFC)技術突破和規?;l展為生物質高效分布式發電提供了一條可行途徑。SOFC在高溫下直接將燃料的化學能轉化為電能,發電效率可高達60%;對燃料適應性比較強,氣化燃氣中可燃組分(H2、CO和CH4)均可作為燃料,且發電效率不受規模影響,適合分布式發電應用。生物質氣化SOFC發電流程見圖6。

生物質氣化SOFC發電最早在20世紀80年代被提出。近幾年,隨著氣化技術和燃料電池技術的發展,二者耦合發電再次在國際上受到廣泛關注,但相關研究仍處于起步階段,現有的研究大多集中在生物質氣化-SOFC系統的模擬計算[66-68],實驗研究尤其是以真實生物質氣化燃氣作為SOFC燃料的研究很少,僅有的實驗研究多集中在歐洲。奧地利Güssing示范工程[69]將快速內循環流化床水蒸氣氣化燃氣與SOFC聯合運行26h,結果顯示SOFC輸出電壓一直保持穩定;荷蘭能源研究中心[70]將兩段式氣化燃氣與小型SOFC電池堆(5~30組電池,350W,SulzerHEXIS)聯合起來運行48~250h,得到系統發電效率為36%~41%;雅典國家技術大學的HOFMANN等[71]考察了平板型SOFC耦合生物質氣化燃氣時的運行性能,其中氣化工藝采用丹麥理工大學開發的兩段式氣化爐連續運行了150h后電池無壓降,驗證了生物質氣化燃氣耦合SOFC運行的可行性。

總的來說,現階段生物質氣化SOFC發電在世界范圍內研究差別不大,中國可以利用研究積累和核心技術,開展生物質氣化耦合SOFC發電的研究,為生物質高效分布式發電應用提供技術儲備。該技術研究將不僅有利于島嶼、邊遠山區和農村地區的經濟發展,同時還可帶來可觀的環境效益,在中國具有良好的發展前景。

2.6生物質氣化合成

近年來,歐美等發達國家的眾多跨國公司和科研單位相繼開展了生物質氣化合成液體燃料的研究工作,建立了多套示范裝置[1,72]:德國科林公司(Choren)和林德集團(Linde)合作,在芬蘭Kemi建設了一座年消耗林業廢棄物1.2×106t、年產1.3×105t生物質合成柴油/石腦油的工廠;德國卡爾斯魯厄理工學院和魯奇公司(Lurgi)建立了BTL合成汽油中試廠,以林木剩余物、秸稈和油棕樹葉為原料,日產生物合成汽油2t;瑞典Chemrec公司在瑞典北部Pitea建立了年產1800t甲醇和二甲醚的造紙黑液氣化合成車用燃料示范系統。此外,還有美國的Hynol Process示范工程、美國可再生能源實驗室的生物質制甲醇項目和日本三菱重工的MHI生物質氣化合成甲醇系統等[73]。最近,DIMITRIOU等[74]計算分析了6種不同BTL氣化合成系統的能效(37.9%~47.6%)和液體燃料生產成本(17.88~25.41€/GJ),其中費托合成工藝最接近傳統石油化工生產成本,且考慮到傳統生產中逐漸增加的環保成本,生物燃料在未來將更具備競爭優勢。

近幾年,中國雖然在生物質氣化技術上有較大發展,催化合成工業也逐漸成熟,但有關生物質氣化合成液體燃料技術的研究尚處于起步階段,僅有河南農業大學、浙江大學、中國科技大學、中國科學院青島生物能源與過程研究所、中國科學院廣州能源研究所等為數不多科研機構的研究報道,產品主要為汽柴油、二甲醚和低碳混合醇等。廣州能源研究所在國家“十五”863計劃支持下,較早開展了生物質氣化合成含氧液體燃料的實驗研究[75];“十一五”期間在國家863計劃、國際合作及中國科學院知識創新項目的支持下,建立了百噸級生物質氣化合成二甲醚的評價系統和中試裝置;“十二五”期間在國家科技計劃項目的支持下,建成了千噸級生物質氣化合成醇醚燃料示范示范系統(圖7),并開發出具有自主知識產權的萬噸級工藝包。

3. 中國生物質氣化產業發展定位

中國生物質能利用技術多種多樣,目前產業仍不成熟,但堅持分布式發展是今后的方向。需要根據技術特點、市場需求,明確其發展定位。結合前述分析,中國生物質氣化產業的基本定位如下。

(1)部分替代燃煤、燃氣,建設分散工業供熱、供氣系統,滿足分散、小規模燃煤燃氣用戶需求,推進國家節能減排計劃。

生物質能源產業具有良好的經濟效益、生態效益和社會效益。中國CO2減排壓力巨大,分散燃煤造成的霧霾等環境問題日益嚴重,降低化石能源比例、減少燃煤污染是中國能源發展中相當長時期內的核心任務。生物質氣化利用技術可實現在終端用戶部分替代燃煤和天然氣,例如利用生物質為企業分散供熱、將生物質氣化燃燒系統應用于工業窯爐等,將生物質能利用與節能減排工作有機結合,為可燃固體廢棄物處理和高耗能行業節能減排開辟了新的方法和途徑。

(2)建設村鎮規模的分布式生物質氣化多聯供系統,為國家新型城鎮化戰略提供支撐。

生物質能是分散的地域性能源,主要分布在農村地區。中國農村經濟發展極不平衡。一方面,經濟發達地區的農民使用潔凈的電能、液化氣等商品能源,將富余的秸稈在田間焚燒,造成極大的環境污染;另一方面,仍有邊遠地區沒有電力供應,生活用能沒有保障。根據當地需求,發展生物質能分布式氣化多聯供產業,提供熱、電、燃氣、活性炭、土壤改良劑等產品,可以有效替代高污染、高排放的化石燃料及其產品,資源化利用有機固體廢棄物,有利于建立資源節約型和環境友好型社會,促進人與自然的和諧發展及經濟社會的可持續發展。

(3)氣化合成液體燃料和化工品,部分替代石油工業產品,服務國家能源發展戰略。

從長遠看,應重點研發利用農林廢棄物等纖維素類生物質氣化合成燃料及化工品?;茉从绕涫鞘唾Y源嚴重不足、能源結構失衡,已威脅到中國的能源安全和經濟社會的可持續發展。生物質作為唯一一種能直接轉化為液體燃料的可再生能源,可以緩解中國對進口石油的依賴,而且能夠大幅度減少溫室氣體的排放,是生物質利用的跨越式發展,其研究和開發也是世界各國可再生能源發展的熱點和焦點。

來源:中生燃料