生物质气化技术及开发应用研究进展

第25卷增刊 2005年 10月 林 产 化 学 与 工 业 Chemistry and Industry of Forest Products Vo1．25 Supplement 0ct．20o5 YING H 生物质气化技术及开发应用研究进展 应 浩，蒋剑春 (中国林业科学研究院林产化学工业研究所，江苏 南京 210042) 摘 要： 综述了我国生物质资源状况、目前生物质气化技术的研究现状及发展趋势，着重评 价了生物质气化技术的应用意义，生物质能源技术在我国的能源技术领域的地位，并对生物质 气化技术应用前景进行 了展望，分析了生物质气化技术应用的环境效益和经济效益，以及生物 质气化技术的不同应用场合和目前存在的一些不足，在技术创新和扩大规模等方面需要进一 步加强，阐明了生物质气化技术对我国能源可持续发展战略的重要性和现实意义。 关键词： 生物质气化；集中供气；气化供热；气化发电 中图分类号：TQ351．2 文献标识码：A 文章编号：0253—2417(2005)SO一0151—05 PROGRESS OF RESEARC H ON TEC HNIQUE OF BIOMASS GASIFICATION AND ITS APPLICATION YING Hao，JIANG Jian—chun (Institute ofChemical Industry ofForest Products，CAF，Nanjing 210042，China) Abstract：The state on resource of biomass in China was summarized，and the research status and development trend of the technology application of biomass gasification technique were reviewed．The significance on application of biomass gasification technique and its position in the field of energy technology were evaluated． Th e application perspective of biomass gasification also was prospected．Th e environment benefit and economic benefit brought by application of biomass gasification technique as well as different application instances，and the inadequacies of our biomass gasification technique were discussed．Strengthening on technical innovation and capacity enlargment were stressed．Th e importance and significance of biomass gasification in the strategy of sustainable development of energy resources in China were elucidated． Key words：biomass gasification；civil gas supply；biomass gasification boiler；biomass gasification generation 生物质是一种可再生的能源资源。地球上的植物通过光合作用，每年所生成的生物质能总量约为 1 440亿一1 800亿吨，相当于3×10 kJ的能量，约为现在世界能源消耗总量的10倍左右。因此，生物 质能源具有取之不尽、用之不竭的物质基础。目前生物质已成为仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能 源，约占全球总能耗的14％，在发展中国家则更为突出，生物质能占总能耗的35％。据预测，到2050 年，生物质能用量将占全球燃料直接用量的38％，发电量占全球总电量的17％ ]¨。 从20世纪70年代起，生物质能源的开发和利用受到了广泛的关注。目前，世界各国都在寻求绿色 环保、永续利用的新能源和可再生能源，积极开发各种新能源，研究和开发能源的清洁技术，以使人类的 能源利用走上可持续发展的道路。 收稿日期：2005—06—20 作者简介：应 浩(1963一)，男，浙江永康人，副研究员，从事生物质能技术开发应用及林产品化学加工工艺和设备设计研究； E·mail：hy2478@ 163．com。 维普资讯 http://www.cqvip.com 152 林 产 化 学 与 工 业 第 25卷 传统的生物质能源利用方式是直接燃烧来获取热能，其利用效率很低，并带来环境污染等问题。高 效开发利用生物质能，将可再生的生物质能转化为洁净的高品位气体和液体燃料，能量转换效率比直接 燃烧有较大提高，并作为化石燃料的替代能源用于电力、供热、采暖、交通运输、城市煤气等方面，使人类 摆脱对有限的化石燃料资源的依赖，大幅度减少大气污染物及温室气体的排放，有助于减轻温室效应和 保持生态良性循环，是一种具有发展前途的可再生能源利用方式。 1 国内外研究现状及发展趋势 生物质能源是人类利用最早、最多、最直接的能源，生物质的直接燃烧技术和人类利用火的历史一 样古老。但直接燃烧生物质特别是木材，产生的颗粒排放物对人体的健康有影响。此外，由于生物质中 含有大量的水分(有时高达60％ ～70％)，在燃烧过程中大量的热量以汽化潜热的形式被烟气带走排 人大气，燃烧效率相当低，并带来环境污染等问题 。 生物质能源利用技术主要可分为直接燃烧、气化、热解、固化成型和液化等技术。生物质热解气化 技术可以将固体生物质原料转变成气体燃料，使其使用更加方便清洁，提高了能源利用效率。目前主要 有固定床、移动床、流化床、气流床等反应装置；所产生的燃气则可用于集中供气、供热、锅炉或发电等。 生物质气化技术已有 100多年的历史，早期的生物质热解气化技术主要是将木炭气化后用作内燃 机燃料。2O世纪7O年代，美国、日本、加拿大、欧盟等就开始了生物质热裂解气化技术研究与开发，到 2O世纪8O年代，美国就有 l9家公司和研究机构从事生物质热裂解气化技术的研究与开发，美国可再 生能源实验室(NREL)和夏威夷大学也在进行生物质燃气联合循环(IGCC)的蔗渣发电系统的研究 ； 加拿大 12个大学的实验室在开展生物质热裂解气化技术的研究；德国鲁奇公司建立了100 MW IGCC 的发电系统示范工程；瑞典能源中心利用生物质气化、联合循环发电等先进技术在巴西建一座装机容量 为2O～30 MW的蔗渣发电厂；荷兰特温特(Twente)大学进行流化床气化器和焦油催化裂解装置的研 究，推出了无焦油气化系统，还开展研究将生物质转化为高氢燃气、生物油等高品质燃料，并结合燃气轮 机、斯特林发动机、燃料电池等转换方式，将生物质转化为电能。英国Aston大学和美国多个研究机构 在生物质快速热解液化的研究方面也取得了一定的突破。国外的生物质能技术和装置多实现规模化产 业经营，以美国、瑞典和奥地利3国为例，分别占该国一次能源消耗量的4％、16％和 1O％。在美国， 生物质能发电的总装机容量已超过 10000 MW，单机容量达 1O～25 MW。1999年，瑞典地区供热和热 电联产所消耗的能源中，26％是生物质能 。 我国生物质气化技术研究始于2O世纪8O年代初期，至今已广泛开展了生物质能高品位转换技术 以及装置的研究和开发，形成了生物质气化集中供气、燃气锅炉供热、内燃机发电等技术，把农林废弃 物、工业废弃物等生物质能转换为高品位的煤气、电能或蒸汽，提高生物质能源的利用效率，实现以生物 质替代气、油和煤。从单一固定床气化炉发展到流化床、循环流化床、双循环流化床和富氧气化流化床 等高新技术；由低热值气化装置发展到中热值气化装置；由户用燃气炉发展到工业烘干、集中供气和发 电系统等工程应用，建立了各种类型的试验示范系统。多种较为成熟的固定床和流化床气化炉，以秸 秆、木屑、稻壳、树枝等为原料，生产热值为4～10 MJ／m 的燃气，用于村镇级秸秆气化集中供气系统近 300处，供气户数3万余户；木材和农副产品干燥器有800多台；MW级木屑、稻壳气化发电系统已经进 行实际应用 。 我国是一个人口大国，又是一个经济迅速发展的国家，21世纪将面临着经济增长和环境保护的双 重压力。我国在电力供应方面也存在较大的缺口，要实现2020年国民经济翻两番的目标，可靠的电力 供应是必备条件。因地制宜地利用当地生物质能资源，秸秆、薪柴、谷壳和木屑等，建立分散、独立的离 网或并网电站具有广阔的市场前景。如果利用当前农林废弃物产量的4O％作为电站燃料，每年可发 电 3 000亿 kW ·h，占我国目前总耗电量的 2O％ 以上 。同时，在我国生物质能的消耗量 占农村总能 耗的39％，占全国总能耗的 17．4％。一方面，在经济落后的边远地区，为了获得生活用能，对森林资源 进行掠夺性地采伐，自然生态 日趋恶化；另一方面，生活开始富裕的农民转向使用化石燃料，大量的生物 维普资讯 http://www.cqvip.com 增刊 应 浩，等：生物质气化技术及开发应用研究进展 153 质资源被废弃，有的直接焚烧，导致资源浪费并且造成严重的环境污染。因此，改变生物质的传统利用 方式，研究高效的能量转化技术，建立先进的能源生产和消费方式，开发利用生物质能等可再生的清洁 能源资源，对实施可持续发展战略，促进国民经济发展和环境保护具有重大意义㈨。 2 生物质气化技术应用分析 我国的农林生物质资源十分丰富。目前农作物秸秆总量6亿多吨，除用于造纸、畜牧饲料、还田肥 料、工业原料及直接燃用秸秆作为农民的炊事燃料以外，可作为能源加以利用的秸秆总量约3亿吨 。 我国林区目前仅薪炭林总面积就达300多万hm ，按各类林地及林种估计，薪材合理采伐量，加上其它 林业修枝剩余物，年产1．6亿多吨薪材，有待进一步开发利用 J。此外还有许多以生物质为原料的各类 生产企业，比如有大量的木材加工厂、造纸厂、蔗糖厂、糠醛厂、中药厂、粮食加工厂和林产品化学加工企 业等等，生产过程需要大量的商品能源如电能、热油、蒸汽等能源，同时又有数以千万吨计的生物质废弃 物产生，如木屑、砂光粉、木块边角料、造纸废渣、蔗渣、糠醛渣、中药渣、稻壳以及森林采伐剩余物枝桠柴 等等，如果采用生物质气化发电、供热、供气技术，不仅解决企业的废弃物处理问题，还能够自给用电、用 汽、供热，还可向电网输送电力，既给企业带来良好经济效益，又能解决环保问题。目前的生物质气化发 电技术，可以解决电能装机容量在 200～2 000 kW左右的供电需求，气化发电机组单位投资约 3 500 kW，发电成本在0．25～0．35．To,／(kW·h)左右 ；生物质气化供热技术，可以满足2～4吨蒸汽 锅炉的规模，蒸汽价格低于燃煤锅炉；生物质气化供气技术，可以为广大农村地区提供100～1 000户居 民规模的生活用能。以下分别就上述各类生物质资源的能源利用技术、产品用途等进行应用分析。 2．1 木材加工厂 近几年，随着我国经济建设的发展，木材加工业快速增长，目前全国有数千家各类大型木材加工企 业，2004年人造板产量达到1 500万m ，生产过程中产生大量的加工剩余物，如砂光粉、木屑、木材下脚 料等，仅砂光粉就有150多万吨／年，还有木屑、边角料 100多万吨／年，这种木粉非常细碎且含有大量 的粘合剂，成为厂家的一个难题，大部分直接燃烧使用，能源转化效率很低，还造成一定的环境污染 。 可以采用生物质气化技术，进行发电、干燥或供热，能源利用率大大提高。供热1 MW或发电200 kW 以 内可以采用投资较为节省的固定床气化炉，每年可节约大量的煤，在获得蒸汽或电能的同时，还可以得 到木炭产品，如用其生产机制木炭或成型燃料，还可获取更大的经济效益，并可解决部分职工的就业问 题。因此制材、家俱、地板等工厂是生物质气化技术颇具潜力的市场。 2．2 造纸厂、蔗糖厂、糠醛厂、中药厂 全国有众多的造纸厂、蔗糖厂、中药厂等企业，若将企业每天生产过程中产生的大量生物质废渣等， 通过生物质流化床热解气化技术，作为工业燃料供蒸汽或用于发电提供电能，一方面可替代部分商品能 源，另一方面可减少工业废渣的处理费用，从而降低企业的生产成本，企业在获取可观经济效益的同时， 还解决废渣的环保问题。 2．3 粮食加工厂 稻壳是稻谷加工的副产品，作为粮食加工企业，每年都要处理数千吨至上万吨的稻壳废弃物，填埋 或焚烧，带来环境污染。如果采用生物质固定床(~<200 kW规模)或流化床气化技术，建立流化床稻壳 气化发电机组，除用于发电供碾米机组使用，还可输送更多的电能上网。稻壳炭还可以卖给钢厂作保温 材料。稻壳气化发电不但节约了工厂电费开支，还使稻壳变废为宝，经济效益十分明显。 2．4 林产品化学加工厂 多数林产品化学加工厂分布在山区或林区，每年存有大量的森林采伐加工剩余物，而且相对比较集 中，如枝桠、小径木、板片、木屑等，一般占木材采伐量的3O％左右，目前转化利用量仅占lO％，余下多 为直接燃烧利用或废弃。如果林产品化学加工厂利用当地的生物质资源，进行生物质气化供热或发电， 可以提供蒸汽或电能，并且得到木炭，既可解决企业的热能或电能供应，又可取得更大的经济效益，这对 改变部分林区过量采伐，保持生态平衡有～定作用。 维普资讯 http://www.cqvip.com 林 产 化 学 与 工 业 第25卷 2．5 农作物秸秆资源丰富的农区 据测算，我国农作物秸秆年产量6亿多吨，约折算 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 煤3亿吨，是非常庞大的能源储备。目前农 村生活能源中，秸秆燃料消费居首位，远大于煤炭、液化石油气和薪柴所占比重。在农村用商品能源难 以有大量增加的情况下，用秸秆生产燃气，实现集中供气是切实可行的。将各类农林废弃物生物质能资 源转化为使用方便、清洁的高品位能源，可以缓解商品能源的短缺，促进农村经济的发展和广大农村居 民生活方式的进步。 2．6 副产品综合利用 生物质热解气化生产燃气并得到副产品炭，压制成型炭可广泛应用于工业炉、民用烧烤等场合；进 一 步加工得到的活性炭，可广泛用于制糖、制药、化工行业，污水处理也需要活性炭，随着环境保护的强 化，净化废水、废气所需活性炭的用量会越来越大。实践证明，用生物质资源生产燃气、提供电力、采暖、 供热等能源，同时得到价格低廉的成型炭、活性炭，具有市场竞争力，使生物质资源带来环境效益，同时 产生显著的经济效益。 3 生物质气化技术的经济效益和社会效益 3．1 经济效益 以粮食加工企业为例，以200 kW规模计算，按每年300工作日，平均每天工作20 h，平均输出功率 180 kW，每年可发电约100万kW·h。假设工业用电从电网购电的价格为0．70 (kW·h)，按此计算， 每年可节省电费开支70万元。另外，稻壳炭按目前销售价格为 300 吨计，每年约收入 l5万元。稻 壳是稻谷加工的副产品，不计成本，只需要支出气化发电机组的日常维护费用、操作工人工资和折旧费 每年约 35万元。这样使用该机组后，企业每年可获取约 50万元的直接经济效益。同时，每生产 l kW·h电大约消耗1．8 kg左右的稻壳，这样生物质气化发电机组为企业每年处理了约l 800吨的稻壳。 对农村集中供气而言，在一个300户居民的村庄，如其生活用能均采用生物质燃气，每年比省柴灶 可节约300吨秸秆燃料，可替代约300吨标准燃煤或54吨液化石油气，而且每年每户农村居民只需支 付200元左右的燃气费，比用煤或液化石油气节约了上百元的燃料费。 在木材加工厂、造纸厂、糠醛厂、蔗糖厂、中药厂等企业，如将企业生产过程所产生的加工剩余物、生 物质废渣等，进行生物质气化获得燃气，一方面替代企业所需的全部或部分商品能源，另一方面还可节 省处理这些剩余物或废渣而需要的费用，从而降低了企业的生产成本，增加了利润，并给企业带来十分 可观的经济效益。 推广应用生物质气化发电、供热或供气技术装置，还将促进相关行业包括设备制造、副产品加工业 等的发展。利用生物质气化燃气作为生活能源或工业燃料，不仅节省大量的高品质商品能源，每年至少 还可以新增数十亿元的产值，成为新的经济增长点。 3．2 社会效益 生物质气化技术可将废弃的秸秆、工业生物质垃圾转换为清洁的燃气，实现了生物质原料的高品位 利用。在农村作为生活燃气，进一步充分发挥生物质能源作为农村补充能源的作用，有利于实现秸秆全 面禁烧，减轻秸秆直接焚烧产生的大气污染，改善农村生活环境和生活条件，提高农村文明程度；同时气 化燃气作为生活燃气或工业燃料还可节约大量的石油、煤炭等商品能源，减轻对商品能源的需求压力； 还可解决部分企业的工业废弃物堆放或填埋等造成的环境污染，从而产生明显的环境效益。大力发展 生物质能源技术利用，可以调整国家能源消费结构，减轻对进口能源的依赖，有力地促进了农村社会和 经济的可持续发展，还具有提高农民收入、增加就业人口等社会效益。 4 结 语 虽然生物质气化技术及开发应用研究已取得了一定的进步，但尚有许多技术上的问题有待进一步 研究和开发。比如燃气中焦油含量偏高，给使用造成不便；燃气热值低，导致供气系统管网、气柜等投资 维普资讯 http://www.cqvip.com 增刊 应 浩，等：生物质气化技术及开发应用研究进展 相对较大，不利于推广应用，也限制了应用范围；目前系统设备的机械化、自动化程度较低；应用规模偏 小，有待进一步提高。这些技术的进步同世界先进水平相比仍有较大的差距，特别是在技术设备的产业 化和商业化生产方面的差距更为明显。目前国外这些技术基本上都实现了工业化生产或已达到商业化 水平；而国内一般都处于商业化的前期，有的还停留在示范阶段。产业化和商业化是科学技术转化为生 产力的根本措施，因此迫切需要加快实现生物质气化技术的产业化应用。 尽管如此，我国有着丰富的生物质资源，可开发的生物资源达7亿吨，为产业化开发提供了丰富的 资源基础。如果能够充分开发与利用生物质能源，尤其是农林生物质、工业生物质废弃物资源，将在我 国的能源消费中占重要的地位，这对改善我国能源消费结构，减少我国对石化燃料的依赖，进而减少 CO 和sO 等污染物的排放，最终缓解能源消耗给环境造成的压力，实现我国能源安全战略的可持续发 展具有重大的现实意义和深远的历史意义。生物质气化技术具有良好的经济效益和社会效益，市场前 景必将十分广阔。 参考文献： 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