解决生物质燃料规模化利用新方法——生物质烘焙技术

刘志永

（永清环保股份有限公司湖南长沙410329）

解决生物质燃料规模化利用新方法——生物质烘焙技术

刘志永

（永清环保股份有限公司湖南长沙410329）

生物质能是可再生能源的重中之重，在未来的能源格局中将扮演越来越重要的角色。但是由于生物质本身特点的限制，在生物质燃料规模化应用的道路上，仍有不少的障碍，比如低热值、高水分含量等。因此，本文介绍了一种有效的生物质预处理方法——烘焙。烘焙能显著改变生物质的能源特性，对以木颗粒生物质为代表的生物质燃料应用有重要意义。文章着眼于当下国内外在该领域的研究，简述了烘焙对生物质能源特性的影响，以及该技术的应用状况和研究进展等。最后，本文对生物质烘焙预处理的潜力作了分析和展望。

生物质；烘焙；应用；能源特性

1　背景

1.1世界生物质能发展的规划

2015年12月12日，《联合国气候变化框架公约》近200个缔约方在巴黎达成新的全球气候协议，新一轮的可再生能源的投资和建设将随之开始。生物质能是将太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式。它可转化为常规的固态、液态和气态燃料，可谓取之不尽、用之不竭。相对于其他可再生能源，生物质能是唯一的可以为所有能源部门（包括交通运输、电力、加热和制冷等行业）提供化石燃料替代方案，且实现完全的碳中性可持续发展的能源。

1.2中国生物质能发展的规划

中国近年在生物质能方面投入巨大，已初具规模。2013年全国共有生物质直燃发电项目200余项，并网容量7790MW，上网电量356×108kW·h，相当于三峡电站1/3的发电量。同时，《生物质能“十二五”规划》中明确指出，到2015年，我国生物质能年利用量将超过5000万吨标准煤。其中，生物质发电装机容量1300× 104kW。届时，每年生物质直燃发电量约780×108kW·h，供气220×108m3，成型燃料和液体燃料产量分别达到1000×104t和500×104t。无论是从全球范围还是立足中国，无论今天还是未来，生物质能都注定扮演着重要的角色。

1.3生物质燃料缺点和烘焙技术的解决方案

尽管生物质具有巨大的直接转化为燃料的潜力，但其自身具有的一些缺点约束了其更广泛的利用。其中比较显著的缺点有：高水分、低能量密度、可磨性和均匀性差，这些缺点导致生物质在作为燃料利用的过程当中，产生一些问题。烘焙预处理则可以解决大部分问题，得到优质的燃料-生物炭，生物质烘焙技术是近年发展起来的生物质预处理和燃料升级技术，可以应对生物质作为燃料利用过程的大部分问题，甚至将生物质变成与煤相似的能源商品，在世界范围内流通。例如：烘焙前的松木屑的研磨能耗为238 kW·h/t，而烘焙后的产物则只需要23 kW·h/t。而且，可以利用现有的煤粉锅炉已有的燃料处理系统，直接实现高比例的煤粉/生物质共燃，甚至是百分百的替代（煤粉）燃烧。

2　烘焙的概念和特点

烘焙，通常是指在常压无氧条件下，对生物质在200℃～300℃范围内进行慢速热解，从而得到固体燃料的生物质预处理和燃料升级技术。典型的情况是，烘焙后生物质质量的30%以气态的形式挥发，包括水分、一些含氧烃和一些其他气体。但是，这些气体挥发物只带走了生物质中10%的能量，因此烘焙后的固体产物比未经处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烃和单质碳或具有石墨结构的碳组成，它的燃料性能会比起烘焙前得到很大的提升。

O/C和H/C原子比的关系是燃料的重要性质。该比例低的燃料，能减少燃烧时的烟气量、水蒸气量和能量损失。生物质原料的O/C和H/C原子比就比较高，但由于烘焙过程脱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。而且随着烘焙的温度的提高和时间的延长，烘焙后的生物炭的O/C和H/C原子比就对木质生物质原料、生物炭、煤作了更详细的对比。从中可知，烘焙后的生物质与煤相比，含水量、干基固定碳含量明显更低，而热值、体能值密度则大致相当。部分性能，如水分、灰分和重金属含量方面还比煤要好。

3　研究现状

生物质烘焙是一种非常有前景的生物质预处理技术，相关的研究方兴未艾。在著名的数据库Science Direct中，近3年每年都有约100篇的论文发表，其中大部分是关于生物质烘焙技术的发展和生物炭的性能的研究。

出于对烘焙技术的潜力的兴趣，现在世界上很多组织都在推进各种烘焙系统的技术及商业化发展，包括政府或商业组织的研究中心。目前烘焙反应器开发商的资料显示。它们的设备主要都是基于滚筒、螺旋运输、移动床锅炉等技术。

4　颗粒化和烘焙技术的应用和展望

如今在丹麦等欧洲国家，木质颗粒常常被用作煤的替代燃料，参与到热电联产当中。木质颗粒化使燃料更易于存储、运输和利用。而且，欧盟已经公布了木颗粒标准化要求，为木颗粒作为能源商品的交易流通奠定了很好的基础。近来，人们的目光转向了“颗粒化—烘焙”联合生产。目前，该技术已成功引起了商业和科研机构的兴趣。

目前，世界范围内木质燃料的生产大国有美国、澳大利亚、瑞典、俄罗斯、中国和加拿大[1]。根据《Renewables 2015 Global Status Report》，2014年全球木颗粒生物质产量达到2410×104t，且呈持续上升趋势

木颗粒生物质能源的迅猛发展很大程度上归功于欧盟积极应对气候变化的能源政策。欧盟《Renewable EnergyDirective》2009年制定了“20-20-20”目标：到2020年欧盟将在1990年的基础上，减少20%的温室气体排放，减少20%的能源消费量，提升可再生能源比重至20%。这一系列计划促使欧盟成为全球最大的木颗粒生物质市场，占有全世界近80%的木颗粒生物质消耗量，远超第二位的美国和第三位的韩国。在2014年，欧盟将此目标调整为，到2030年，减少40%的温室气体排放；可再生能源比重升至27%；能源效率同比提高27%。可以预见，随着烘焙技术的发展，形成新的市场和技术规范后，该技术在未来会有着广阔的前景。

5　结语

生物质能的利用是实现低碳发展和改善气候问题的重要手段。目前中国乃至全球的生物质储存量和可利用量都非常巨大，但由于生物质的种种缺点，其作为燃料利用和能源商品流通的功能并没有得到大规模的实现。生物质的烘培预处理技术，可以解决生物质储存、运输和破碎方面的问题，大大提高其燃烧性能，有望使生物质成为一种能大规模和大范围流通的能源商品，实现全社会的低碳可持续发展。目前我国电厂锅炉中将大规模实施超洁净排放的烟气控制技术，生物质替代煤炭的环保性能不容易得到体现。但根据2014年发布的《燃煤锅炉节能环保综合提升工程实施方案》，我国有46.7万台燃煤工业锅炉将面临升级和淘汰。生物质烘焙技术的发展，预计可以为实现这些燃煤锅炉的环保升级发挥巨大的作用。同时，更大规模的生物质能源的应用，是实现我国的低碳减排承诺的重要保证。

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

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

[3]王卓峰.生物质能发展春光初现[BE/OL].http://forestry.gov. cn/portal/swzny/s/731/content-732494/html.

[4]陈登宇.干燥和烘焙预处理制备高品质生物质原料的基础研究[D].中国科学技术大学,2013.

[5]王秦超,卢平,黄震,等.物质低温热解炭化特性的实验研究[J].中国电机工程学报,2012,32(z1):121-126.

[6]肖军,段菁春,庄新国,等.生物质与煤共燃研究（Ⅰ）生物质的低温热解[J].煤炭转化,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.