生物質(zhì)燃油的應用前景

第36卷第8期林業(yè)機械與木工設備2008年8月FORESTRY MACHINERY WooDWORKING EQUipmentAug.2008生物質(zhì)燃油的應用前景張恩惠,王述洋(東北林業(yè)大學(xué)生物質(zhì)能技術(shù)工程中心,黑龍江哈爾濱150040)摘要:從廢棄生物質(zhì)資源利用現狀、生物質(zhì)制燃油的轉化技術(shù)、生物燃油生產(chǎn)成本預算、生物燃油的市場(chǎng)等方面闡述了應用生物質(zhì)能的可行性,表明生物質(zhì)燃油具有廣闊的應用前景。關(guān)鍵詞:生物質(zhì);生物質(zhì)燃油;能源短缺中圖分類(lèi)號:S216文獻標識碼:B文章編號:1001-4462(2008)08004404Application Prospect of Bio-oilZHANG En-hui,. WANG Shu-yang( Engineering Center for Biomass Energy Technology of Northeast Forestry University, Harbin Heilongjiang 150040, China)Abstract: The feasibility of utilizing biomass energy is stated in terms of utilization status of waste biomass resources,conversion technology of fuel produced from bicproduction cost budget of bio-oil and the potential market of bio-oil.which shows that bio-oil has a promising appliKey words: biomass; bio-oil; energy shortage1廢棄生物質(zhì)資源利用現狀還有相當20億多噸標準煤能量的城市有機垃圾需要生物質(zhì)能是地球上最普遍的一種潔凈而又可再生處理和利用的能源其原料資源量大而廣,可開(kāi)發(fā)潛力巨大。全世界綜上所述,目前我國每年至少有當量為5億多噸每年由光合作用而生成的可利用干生物質(zhì)( Driedbiomas)標準煤的廢棄生物質(zhì)可以利用,它相當于每年有3億約為1700億t,而目前將其作為能源來(lái)利用的僅為13多噸生物質(zhì)液化燃油的開(kāi)發(fā)潛力,其資源的開(kāi)發(fā)前景億t,約占其總產(chǎn)量的076%。然而這不足1%的生物十分樂(lè )觀(guān)。質(zhì)能卻解決了全世界能源消費的15%,是世界上大約但由于沒(méi)有先進(jìn)高效和進(jìn)入市場(chǎng)的可利用技術(shù),15億人生活用能的主要來(lái)源,目前其發(fā)揮的能源作用我國每年有相當于數億噸標準煤的各種農作物秸稈、排第四位僅次于石油煤和天然氣。我國是一個(gè)農業(yè)殼皮、樹(shù)皮、鋸末和枝丫等被白白廢棄,造成資源巨大大國,可利用的生物質(zhì)能資源十分豐富。例如我國年的浪費。這些得不到及時(shí)處理的廢棄物既造成環(huán)境污產(chǎn)各種秸稈、玉米芯、棉柴、稻殼等農業(yè)廢棄生物質(zhì)7染和惡化,又增加火災隱患。若對其焚燒處理,不但加億多噸約合3.5億t標準煤,目前,用于取暖做飯、飼劇大氣污染,甚至還影響航空交通安全。料加工、人造板和就地粉碎還田等近3億t,尚有近4億t未被利用。如把這些未被利用的廢棄生物質(zhì)全部2生物質(zhì)制燃油的轉化技術(shù)加工成生物質(zhì)液化燃油則可約合1.3億t輕柴油。除了上述農業(yè)秸稈類(lèi)廢棄生物質(zhì)以外,我國每年還產(chǎn)有21快速熱解技術(shù)相當13~15億t標準煤的薪柴生物質(zhì),可生產(chǎn)約合1中國煤化工解反應器,熱解反0.8866-1.0億t輕柴油。另外,據統計估算,我國每年應器丬CNMH不同在很大程度上決定∫熱解產(chǎn)物的最終分幣。荷蘭 Twente大學(xué)開(kāi)發(fā)收稿日期:2008-06-10的旋轉錐式反應工藝不用載氣,這不僅大大減少了裝基金項目:863計劃資助(2007AA057414);黑龍江省博士后資助項目(LBH-Z06140)置體積,而且減輕了冷凝器負荷;但生產(chǎn)規模小,能耗第8期張恩惠,等:生物質(zhì)燃油的應用前景較高。美國 reorga工學(xué)院(Gr)開(kāi)發(fā)的攜帶床反應向低溫區移動(dòng)較大,轉化率也有所提高。張秀梅等研究器,其內部高溫燃燒氣可將生物質(zhì)快速加熱分解,得了利用催化劑(5種金屬氧化物和2種碳酸鹽熱解制到58%的液體產(chǎn)物,但需要大量高溫燃燒氣,而且還取富氫燃料氣,結果表明,在5種金屬氧化物中,CrO3產(chǎn)生大量低熱值的不凝氣。加拿大 Ensyn工程師協(xié)會(huì )的催化效果最好。催化劑(CaCO3和NaCO)所占生物開(kāi)發(fā)研制的循環(huán)流化床設備小巧,氣相停留時(shí)間短,質(zhì)的質(zhì)量分數對熱解氣和富氫氣體產(chǎn)率有明顯的影可防止熱解蒸汽的二次裂解;但主要缺點(diǎn)是需要載氣響,當質(zhì)量分數從0增加到30%時(shí),熱解氣和富氫氣體對設備內的熱載體及生物質(zhì)進(jìn)行流化。美國國家可再產(chǎn)率增加較為明顯,而后其值的增加可以忽略,因此推生能源實(shí)驗室(NREL)開(kāi)發(fā)了渦旋反應器,加拿大薦使用的催化劑質(zhì)量分數為30%。Laval大學(xué)開(kāi)發(fā)了多層真空熱解磨反應器。熱等離子體2.3生物轉化與快速熱解結合制液體燃料方法的研究快速熱解液化是最近采用的生物質(zhì)液化新方法,它采及開(kāi)發(fā)熱等離子體加熱生物質(zhì)顆粒,使其快速升溫,然后迅速分離冷凝得到液體產(chǎn)物。除此還有 Bastien Baumlin生物質(zhì)熱解油的產(chǎn)率及品質(zhì)除受熱解反應技術(shù)因等對自行攪拌反應器應用的研究, a B Ross等對C-素影響外,還受到生物質(zhì)組成、灰分等因素的影響。除Ms應用的研究。國內研究的反應器有流化床、固定了直接快速熱解、酸洗預處理和快速熱解結合快速熱床、循環(huán)流化床、輸運床、層流爐、真空移動(dòng)床、旋轉錐解與發(fā)酵結合等方法,還有生物轉化與快速熱解結合形反應器、旋轉篩板熱解反應器等,它們都有各自的的方法制備生物燃油。優(yōu)缺點(diǎn)。目前,用于商業(yè)運行的只有輸運床和循環(huán)流中國科學(xué)院工程研究所開(kāi)發(fā)出了生物轉化與快速化床系統。熱解結合制備液體燃料,即將生物質(zhì)(如秸稈)進(jìn)行蒸快速熱解液化應具有如下特征:①非常高的加汽汽爆,再經(jīng)水抽提除去半纖維素然后將殘渣進(jìn)行固熱和傳熱速率,因此要求進(jìn)料粒度細;②氣相反應態(tài)發(fā)酵制得液體燃料乙醇,發(fā)酵殘余物再通過(guò)快速熱溫度約在50℃蒸汽停留時(shí)間少于2s;③對熱解蒸解制得液體燃料工藝流程如圖2所示。半纖維可進(jìn)行汽采取驟冷處理。生物質(zhì)快速熱裂解工藝設備如圖水解得到低木糖、乙醇等產(chǎn)品。1所示。生物質(zhì)(秸稈、木材等)蒸汽汽」[水解→低木糖和乙醇汽爆殘余物(高含纖維和木質(zhì)素)水抽提半纖維素固態(tài)發(fā)醇生物油炭收集器發(fā)醇殘余物快速熱解燥、粉→半焦和氣體冷凝系統(富含木質(zhì)素和(450-600℃)生物燃油少量纖維素熱分解反應器2生物轉化與快速熱解結合工藝流程圖1生物質(zhì)熱裂解工藝設備24熱解產(chǎn)物分析22催化熱解①熱解氣體和固體。生物質(zhì)熱解產(chǎn)生的熱解蒸汽目前,催化熱解受到了國內外研究者的重視。和固體焦、灰離開(kāi)熱解區后必須迅速分開(kāi),這樣才能有FundaAtes等研究了不同催化劑對生物質(zhì)快速熱解的利于生成較高產(chǎn)率和品質(zhì)的液體產(chǎn)品。這就要求氣固影響 Judit Adama等也對A-MCM-41型催化劑進(jìn)行分離效率高分離時(shí)間短將二次反應程度降到最低,了分析。通過(guò)在流化態(tài)反應器中的催化氣化試驗發(fā)現,因此催化劑CaO能明顯提高煤氣熱值、降低C0組分,利用量綣中國煤化工除灰工藝,但必須盡NaCO3催化氣化能提高H2的含量。在秸稈中添加催化CNMHG術(shù)至關(guān)重要,其中溫劑碳酸鈉能使半纖維素的主要熱解區間向低溫區移度選擇是關(guān)鍵。過(guò)低的冷凝溫度會(huì )使熱解液凝結而堵動(dòng)催化劑對木質(zhì)素的影響最為顯著(zhù)其DTG曲線(xiàn)由無(wú)塞管道影響操作;冷凝溫度過(guò)高則會(huì )降低傳熱速率催化劑時(shí)的單峰變?yōu)橐淮笠恍蓚€(gè)峰,主要熱解區間延長(cháng)熱解蒸汽的停留時(shí)間增加二次分解機會(huì ),熱解液林業(yè)機械與木工設備第36卷收率也會(huì )降低?？紤]到上述因素,要使熱解蒸汽快速冷原料可以通過(guò)計算獲得。若建廠(chǎng)初期生物質(zhì)原料的成凝、降溫,應采用多級冷凝的方法,其可以得到多級油本為100元t,熱載體原料為380元t,則可通過(guò)計算得產(chǎn)品,也有利于生物油的回收到生產(chǎn)用料的費用②熱解液體。熱解液體(生物油)的特點(diǎn)是其含碳量因為本工藝生產(chǎn)自動(dòng)化程度較高,用工相對較少和含氧量高必須對其精制才能更好的利用。處理方法若按4人班,每天3班,則需12人天;若按每人每月包括催化加氫、熱加氫催化裂解及兩段精制等。其中,600元工資計,則可計算出每年需支出的工資費用催化裂解反應可在常壓下進(jìn)行,不需用還原性氣體,是其它輔助費用包括水、電及生產(chǎn)維修費用。目前最經(jīng)濟的方法。生物油精制的另一種方法是先對水主要用于冷卻,用量不大,由于可以循環(huán)使用,生物油進(jìn)行熱解氣化制備合成氣,然后再轉化為高品這部分費用可忽略不計。位的液體燃料。朱錫鋒等進(jìn)行了生物質(zhì)熱解油氣化試電費按實(shí)際的功率消耗可按普通工業(yè)用電計算,驗研究。在無(wú)外部供氧情況下,生物油中氫氧元素的質(zhì)電價(jià)平均為0735元度,則可估算出每年耗電的費用。量轉化率為85%,而碳元素的轉化率只有55%。由此說(shuō)生產(chǎn)維修費用:若按生產(chǎn)設備費用的5%計算,則明,生物油熱解氣化仍需外部提供少量氧氣作為氣化可估算得到每年的投人費用劑。 Jaakko jauhiainen等也對生物油熱解燃燒的溢出氣體進(jìn)行了研究。W-TTai等認為快速熱解制生物油是33其他費用解決能源危機的重要途徑之一,并證實(shí)了生物油和柴其他費用包括廠(chǎng)房建設、管理費用等。這部分費用油混燃的可行性。在整個(gè)成本中占較大的比例,但屬于一次性投入,可以在投資回收期分攤。3生物燃油生產(chǎn)成本預算粗略估計需要廠(chǎng)房面積30m×80m=2400m2,這部分黑龍江省生物質(zhì)制燃油中試示范工程基地采用快資金可按簡(jiǎn)易廠(chǎng)房建設估算。速熱裂解技術(shù),其生產(chǎn)工藝包括預處理制氣供熱和制根據以上各項成本估算,假設廠(chǎng)房、設備投資回收油三大部分。裂解反應器采用不用載氣的斜槽式熱載期為3年,可粗略估算出年生產(chǎn)300生物燃油的成本體加熱采用串式復合加熱爐,供熱設備采用大功率秸大約為160元t稈氣燃燒機。其中斜槽式反應器的特點(diǎn)是依靠生物質(zhì)若適當增加產(chǎn)量,生物燃油的成本會(huì )相應下降。這熱載體的重力工作無(wú)需動(dòng)力;串式復合加熱爐的特點(diǎn)樣的成本有利于進(jìn)行生物燃油的產(chǎn)業(yè)化推廣。是加熱熱載體高速高效,提高了熱能的利用率;大功率秸稈氣燃燒機的特點(diǎn)是采用廉價(jià)的秸稈氣化燃燒節煤、4生物燃油市場(chǎng)節電。這些工藝裝備有利于降低能耗,并得到高質(zhì)量的生物我國的石油缺口非常大,目前年石油缺口已超過(guò)燃油(生物燃油熱值為18-25MJ/kg)。14億t,預計到2015年將達到25億t。與此同時(shí),我物質(zhì)制燃油的生產(chǎn)成本可粗略分為如下幾部國農村有大量的秸稈等廢棄物,每年約產(chǎn)生7億t的生物質(zhì),除去農民的日常消耗外,約有4億t的生物質(zhì)31設備費閑置。把大量的低值農林廢棄資源加工成高附加值的能源商品——生物燃油,是實(shí)現資源的有效利用和農年產(chǎn)3000生物燃油所需設備可分為三類(lèi):①生物村、林區經(jīng)濟的可持續發(fā)展,進(jìn)一步促進(jìn)國民經(jīng)濟發(fā)展質(zhì)燃氣制氣供熱主要設備;②生物質(zhì)制燃油預處理主要的有效途徑。若產(chǎn)油轉化率按60%計算,4億t的廢棄生設備;③生物質(zhì)制燃油主要設備。物質(zhì)相當于4(億t)×60%=24億t(生物燃油)≈12根據生產(chǎn)能力及相應的參數,經(jīng)過(guò)初步計算可選定億t石油當量。這將大大緩解我國石油的進(jìn)口壓力?；蜓兄葡嚓P(guān)的設備。這部分費用在整個(gè)成本中占較大的根據成本預算,年產(chǎn)3000生物原油生產(chǎn)線(xiàn),生產(chǎn)比例,但屬于一次性投入,可以在投資回收期分攤。成本在1600-1800元之間,按等熱值粗略折算,2t生3.2生產(chǎn)費物原油可折合1t石化燃油,則生產(chǎn)石油當量lt的生物生產(chǎn)費用可粗略的分為料、工及其它輔助費用。這原油中國煤化工柴油汽油的價(jià)格部分費用在整個(gè)成本中所占的比例與產(chǎn)量有關(guān)一般都CNMHG趨勢。從有利于生若年產(chǎn)300生物燃油每年按300天(每天24h)物質(zhì)液化燃油的市場(chǎng)黨爭出發(fā),將生物原油的價(jià)格定計算考慮到原料的轉化率(按60%計算)耗損率(可在200元左右是有競爭力的。每生產(chǎn)30生物燃按5%計算)含水率(按1%計算),則每天所需的生產(chǎn)油,可實(shí)現產(chǎn)值600萬(wàn)元獲利60-120萬(wàn)元。若全國年第8期張恩惠等:生物質(zhì)燃油的應用前景生產(chǎn)1.5億t生物原油,即可創(chuàng )收300-600億元人民(1):30-31幣?？梢?jiàn),其商業(yè)開(kāi)發(fā)前景十分可觀(guān)。與化石燃料相比[2]王洪志陳攀峰,等生物質(zhì)熱解研究進(jìn)展[]河北科技學(xué)院學(xué)使用生物質(zhì)液化燃料可大大減少SO、NO,的排放其綜報,2006,20(3):75-80.[3]楊昌炎魯長(cháng)波,呂雪松等生物質(zhì)熱解制燃料油及化學(xué)品的工合效益更顯著(zhù)。藝技術(shù)研究進(jìn)展[]現代化工,2006,26(4):10-14.5結束語(yǔ)[4]王黎明,王述洋國內外生物質(zhì)熱解液化裝置的研發(fā)進(jìn)展[J]太我國生物質(zhì)熱解液化技術(shù)的研究主要是以單項技陽(yáng)能學(xué)報,2006,27(11):1180-1184術(shù)為主,缺乏系統性,與歐美等國相比還有較大的差[5】劉世鋒,王述洋白雪雙生物質(zhì)閃速熱解技術(shù)及生物油的應用距,特別是在高效反應器研發(fā)、工藝參數優(yōu)化、液化產(chǎn)[J]林業(yè)勞動(dòng)安全,2006,19(1):29-33[6]Xu Shuangning, Yi Weiming, Bao mingLi. Flash pyrolysis of物精制以及生物燃油對發(fā)動(dòng)機性能的影響等方面存在agricultural residues using a plasma heated laminar entrained flow明顯差距。同時(shí),熱解技術(shù)還存在如下一些問(wèn)題:①生reactor[J]. Biomass and Bioenergy, 2005.(29): 135-141物油通常需要專(zhuān)用的燃料處理設備;②生物油是高含氧[7] Zhongyang Luo, Shurong Wang, Kefa Cer. A model of wood nash量碳氫化合物,在物理、化學(xué)性質(zhì)上存在不穩定因素pyrolysis in fluidized bed reactor [J]. Renewable Energy, 2005必須經(jīng)過(guò)改性和精制后才能使用;③生物油的使用和銷(xiāo)(30):377-392售缺少統一標準阻礙了其廣泛應用[8]張秀梅陳冠益等催化熱解生物質(zhì)制取富氫氣體的研究[門(mén)]燃料化學(xué)學(xué)報,2004,32(4):46449針對以上存在的差距和問(wèn)題,今后的研究主要(9]陳洪章徐建,等秸稈分層多級轉化液體燃料新工藝的研究進(jìn)應集中在如何提高液化產(chǎn)物收率,尋求高效精制技[J]生物加工過(guò)程,2005,3(1):9-13術(shù),提高生物油品質(zhì),降低運行成本,實(shí)現產(chǎn)物的綜10]李濱,王述洋ZR5200型錐式生物質(zhì)閃速熱解裝置液化冷凝技合利用和工業(yè)化生產(chǎn)等方面。在理論研究的基礎上,術(shù)的研究[門(mén)]林業(yè)機械與木工設備,2006,34(1):16-18擴大現有的生產(chǎn)規模,降低生物油生產(chǎn)成本,不斷完1劉世,王述洋,張勇生物質(zhì)熱解液化制取燃油的綠合效益分善生物油成分和物理特性的測定方法,制定統一的析門(mén)]農機化研究,200,(1):220-22.[12]張妹玉,王述洋生物燃油的特性及應用J林業(yè)機械與木工設規范和標準,使其能夠參與化石燃料市場(chǎng)的競爭。備,2005,33(6):45-46主要參考文獻第一作者簡(jiǎn)介:張恩惠(1965-),男,東北林業(yè)大學(xué)機電工[]趙軍王述洋我國農業(yè)生物質(zhì)資源與利用打]現代化農業(yè),00,程學(xué)院副教授,主要從事機電設備、生物能利用研究。(上接第39頁(yè))名[N]報紙題名,出版日期(版次兒引用日期]例如:[9]蕭鈺.出版業(yè)信息邁入快車(chē)道[EBOL例如:[6]謝希德創(chuàng )造學(xué)習的新思路[N]人民日(2001-12-19)[2002-04-15lhtp/ wwreader. com報,1998-12-25(10)[20003-06]news/200112190019htm⑥國際、國家標準著(zhù)錄格式:[序號]主要責任者標準編號標準名稱(chēng)S出版地:出版者,出版年3小結例如:[7]全國文獻工作標準化技術(shù)委員會(huì )第七分摘要及參考文獻是科技論文的重要組成部分,必會(huì )GB/TS795-1986,中國標準書(shū)號[S]北京:中國標準須按規范格式和要求撰寫(xiě)。這樣才能從整體上提高論出版社,1986文質(zhì)量提高投稿命中率⑦專(zhuān)利文獻著(zhù)錄格式:[序號]專(zhuān)利申請或所有者.主要參考文獻:專(zhuān)利題名:專(zhuān)利國別,專(zhuān)利號[P公告日期或公開(kāi)日期1]陳浩元科技書(shū)刊標準化18講[M]北京:北京師范大學(xué)出版社[引用日期].例如:[8]姜錫洲.一種溫熱外敷藥制備方案:中國[2]中國國家標準化管理委員會(huì )GB6447-86,文摘編寫(xiě)規范[S]北88105607[P]1987-07-26京:中國標準出版社,1986③電子文獻著(zhù)錄格式:電子圖書(shū)電子報刊及其析3]中國家標準化管理悉會(huì )CB7420,文后參考文獻著(zhù)中國煤化工出文獻的著(zhù)錄格式按圖書(shū)、報刊等規則處理,除此以外CNMHG遼寧省交通高等專(zhuān)科學(xué)的電子文獻按以下方式著(zhù)錄。校學(xué)報,2003,5(4):78-79[序號]主要責任者題名:其他題名信息[文獻類(lèi)型[5]黃寧廷科技論文寫(xiě)作蕃本規范]經(jīng)濟林研究,200,24)標志文獻載體標志]出版地:出版者出版年(更新或109-111修改日期)引用日期]獲取和訪(fǎng)問(wèn)路徑