生物質(zhì)精煉技術(shù)和生物質(zhì)能源創(chuàng)新

趙小玲

(西安科技大學，陜西西安，710054)

生物質(zhì)精煉是目前全球比較熱門的一個話題，這主要源于世界經(jīng)濟的低迷和能源供給面臨可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)。另外由于全球生態(tài)環(huán)境不斷惡化，要求人們必須認真思考如何減少對化石能源的依賴和增加綠色能源使用［1］。目前在我國能源架構(gòu)中煤炭、石油和天燃氣占據(jù)了極其重要的地位。其中煤炭占的比例高達70%，而石油和天燃氣比例約為22%，同時我國有1/2的石油消耗依靠進口供應(yīng)，如此高的對外依存度是我國經(jīng)濟發(fā)展的風險［2］。另外我國開始注重環(huán)保，這兩者要求我國經(jīng)濟的發(fā)展必須節(jié)能降耗和增加清潔能源使用。而生物質(zhì)能源最大的特點就是具有可持續(xù)性和減少碳排放。因此關(guān)于發(fā)展生物質(zhì)能源的重要性是鮮而易見的。

目前，生物質(zhì)能源在我國的開發(fā)和利用基本上有兩種，一是通過生物質(zhì)燃燒獲得熱、蒸汽和電力;二是通過對生物質(zhì)進行低溫發(fā)酵產(chǎn)生沼氣［3］。當前，在生物質(zhì)能源發(fā)展方面的創(chuàng)新和生物質(zhì)精煉技術(shù)上，全球生物質(zhì)精煉技術(shù)的引領(lǐng)者——美卓公司已經(jīng)擁有了很多生物質(zhì)能源利用的創(chuàng)新技術(shù)和應(yīng)用案例［4］。

美卓公司的生物質(zhì)精煉技術(shù)不僅包括制漿造紙領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新［4］，而且在生物質(zhì)能源的開發(fā)利用方面，其已經(jīng)擁有了生物質(zhì)熱分解技術(shù)、生物質(zhì)高溫熱裂解技術(shù)、生物質(zhì)預水解技術(shù)以及木素萃取技術(shù)LignoBoost等。

生物質(zhì)原料很廣泛，包括生活垃圾、農(nóng)作物廢棄物、木材和廢紙等。生物質(zhì)精煉技術(shù)的應(yīng)用目標是將這些生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為材料和燃料，材料包括化學漿、溶解漿、機械漿、紙、紙板、納米級纖維、新型紙種等，以及熱、電和蒸汽。但新的生物質(zhì)能源技術(shù)是通過聯(lián)合熱分解和高溫熱裂解技術(shù)將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為燃料，包括生物燃氣、生物燃油等。

1 生物質(zhì)熱分解技術(shù)及應(yīng)用

生物質(zhì)熱分解技術(shù)包括生物質(zhì)直接氣化和生物質(zhì)間接氣化以及生活垃圾氣化技術(shù)三種。

1.1 生物質(zhì)直接氣化

生物質(zhì)直接氣化的工藝過程就是將木質(zhì)生物質(zhì)經(jīng)過預處理，干燥，然后在循環(huán)式汽化爐中熱分解生產(chǎn)出生物質(zhì)燃氣，然后將生物質(zhì)燃氣進行直接燃燒。

具體的應(yīng)用:在化學漿廠，采用生物質(zhì)熱分解技術(shù)將木質(zhì)生物質(zhì)如樹枝、樹皮等進行氣化，生物質(zhì)燃氣直接送到堿回收系統(tǒng)的石灰窯進行燃燒，這樣可以替代燃油或天然氣從而使?jié){廠節(jié)約原料成本和減少碳排放。另外的應(yīng)用就是將木質(zhì)生物質(zhì)氣化后產(chǎn)生的生物質(zhì)燃氣送入鍋爐進行燃燒，這樣可以替代煤。采用該技術(shù)客戶的收益就是高能效和降低污染物排放。

生物質(zhì)直接氣化進行燃燒來代替燃煤的案例如圖1所示。

在位于芬蘭瓦薩市的Voima電廠，美卓公司供貨了一條生物質(zhì)氣化生產(chǎn)線，生物質(zhì)氣化爐的裝機容量是140 MW。將生物質(zhì)熱分解出的生物質(zhì)燃氣供給電力鍋爐，250 MW燃煤鍋爐，可以替代40%的燃煤。相應(yīng)地，CO2的年排放量也將減少23萬t，相當于7萬輛小汽車的年排放量。

1.2 生物質(zhì)間接氣化

生物質(zhì)間接氣化的工藝過程就是將森林殘留物和木質(zhì)生物質(zhì)進行干燥，預處理，然后送入鼓泡式流化床氣化爐，這個過程和循環(huán)式流化床燃燒爐結(jié)合，循環(huán)式燃燒爐對生物質(zhì)熱分解后的殘留物燃燒產(chǎn)生熱、蒸汽，蒸汽用于熱分解等，循環(huán)式流化床燃燒爐的床底物質(zhì)在氣化器中循環(huán)對生物質(zhì)進行熱分解。生物質(zhì)燃氣在甲烷化工廠經(jīng)過脫焦、脫硫和除CO2等精加工，最后生產(chǎn)生物質(zhì)甲烷氣。間接氣化示意圖見圖2。

生物質(zhì)甲烷氣可以用作汽車燃氣等。生物質(zhì)甲烷氣由可再生原料制成，因此有助于降低溫室氣體排放。

美卓公司的供貨案例中的一個是位于瑞典Gothenburg的GoBiGas項目。該項目每年用生物質(zhì)生產(chǎn)20 MW的生物質(zhì)甲烷氣。GoBiGas項目的目的是將樹枝及樹冠等林區(qū)的剩余物經(jīng)過熱分解來生產(chǎn)生物質(zhì)甲烷氣。生物質(zhì)原料在氣化工廠被轉(zhuǎn)化為可燃氣體。在甲烷化工廠中，生物質(zhì)燃氣再經(jīng)過凈化及精加工，最后被加工成生物質(zhì)甲烷氣。這種氣體的質(zhì)量與天然氣相當。因此在完全停止使用天然氣前的過渡階段，可將兩種氣體混合，輸?shù)焦饩W(wǎng)絡(luò)。項目的目標是將65%的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)燃氣，總體效率達到90%。

1.3 城市垃圾氣化

城市垃圾氣化技術(shù)的工藝流程包括城市垃圾進行分類、預處理、在生物質(zhì)氣化爐中熱分解，然后將生產(chǎn)的生物質(zhì)燃氣經(jīng)過冷卻過濾，最后送入鍋爐燃燒。

芬蘭拉赫提Energia電廠是全球首座用城市垃圾進行熱電生產(chǎn)的工廠。城市固體垃圾及其他能源廢料通過工業(yè)及民用回收系統(tǒng)被回收并轉(zhuǎn)化成生物質(zhì)燃氣。這種燃氣經(jīng)過凈化工藝，最終變成綠色清潔氣體。該燃氣被轉(zhuǎn)送入電力鍋爐中燃燒并產(chǎn)生高溫，從而生成高溫高壓蒸汽。這種蒸汽被用于發(fā)電及地區(qū)供熱。它區(qū)別于城市固體垃圾直接燃燒的優(yōu)點包括:

(1)高效:160 MW燃料轉(zhuǎn)化為50 MW電+90 MW城市供熱;新蒸汽12 MPa，540℃;高效使用垃圾，CO2排放大大降低。

(2)適應(yīng)低熱值垃圾:拉赫提城市垃圾 (生活垃圾，工業(yè)廢料，木材廢棄物，木屑);低熱值 (LHV)14～24 MJ/kg(干燥后);水分＜30%，Cl＜0.4%。

(3)適應(yīng)性強:當?shù)乩?，種類繁多。

該項目氣化工藝每小時可處理360 m3回收廢料。如此折算下來，每年可處理25萬t廢料。

2 生物質(zhì)熱裂解的技術(shù)和應(yīng)用

生物質(zhì)油化的聯(lián)合生產(chǎn)工藝是:首先將木質(zhì)生物質(zhì)進行干燥、預處理，然后進行熱裂解，這個過程是無氧進行的，熱裂解的熱量主要來自流化床鍋爐的爐砂。生物質(zhì)熱裂解后的焦炭循環(huán)進入鍋爐進行燃燒，產(chǎn)生的熱轉(zhuǎn)化為蒸汽，再進一步用來發(fā)電。生物質(zhì)油經(jīng)過進一步處理后可用于多種用途。熱裂解示意圖見圖3。

圖3 熱裂解示意圖

聯(lián)合熱裂解工藝對木質(zhì)生物質(zhì)材料的要求比較嚴格。材料必須非常干燥，且粒徑必須小于5 mm。在數(shù)秒鐘之內(nèi)，這種固體生物質(zhì)材料在反應(yīng)器 (熱裂解爐)中被加熱到約500℃。在該溫度下，生物質(zhì)木料被裂解為氣體。氣體冷卻后變?yōu)樯镉?。裂解過程中未冷凝的氣體和焦煤送入鍋爐作為燃料。

聯(lián)合熱裂解工藝的特點是:①生物油聯(lián)合生產(chǎn)工藝具備許多優(yōu)勢，最明顯的當屬其一流的能效。干燥工藝是生物油生產(chǎn)過程中能耗較高的一個工段。在此段工藝中，可利用熱電廠的剩余能量。②快速聯(lián)合熱裂解工藝是一種可降低CO2排放的經(jīng)濟可行的生物質(zhì)燃料生產(chǎn)方案。聯(lián)合熱裂解工藝的生產(chǎn)特點是與鼓泡流化床鍋爐連接。鍋爐中的熱量被用作熱源。

3 對木素的新利用LignoBoost技術(shù)

一般而言，木材中木素的含量為15% ～25%。漿廠中木素的常規(guī)處理就是將含木素的黑液送入堿回收鍋爐進行燃燒，獲取熱、蒸汽和電力。但是，堿回收鍋爐一般又是漿廠提產(chǎn)時候的最大瓶頸。一般來說，通過鍋爐改造來增加產(chǎn)能的成本比較大。但是黑液中木素沉淀后再經(jīng)過造粒可以直接作為燃料，此外，人們還在不斷地研究開發(fā)木素的新應(yīng)用，所以，木素的應(yīng)用前景廣闊。目前，木素顆粒的新應(yīng)用包括:①直接作為燃料，比如用在石灰窯的煅燒過程;②進一步加工為生物質(zhì)甲烷氣和生物質(zhì)燃油;③木素顆粒深加工為苯、碳纖維、活性炭、膠黏劑等。

由于新型交通工具要求有更低的能耗和更輕的質(zhì)量，而碳纖維可用于此目的，因此木素在這一行業(yè)的應(yīng)用前景也非常廣闊。活性炭是另一個可用木素作為原料生產(chǎn)的潛在產(chǎn)品。對重金屬排放等的嚴格要求，增加了對活性炭的需求。塑料行業(yè)是另一個巨大的市場。木素可用作該行業(yè)的基礎(chǔ)材料。苯酚或苯酚混合物即是一例。2006年，全球苯酚產(chǎn)量為800萬t。目前，苯酚以化石材料制成。

黑液中木素萃取的簡單工藝過程就是對黑液中的木素進行沉淀，然后脫水，調(diào)態(tài)最后進行造粒。這個工藝過程采用的技術(shù)就是美卓公司開發(fā)的LignoBoost技術(shù)。

4 小結(jié)

生物質(zhì)精煉技術(shù)將制漿造紙以及電力產(chǎn)業(yè)的價值鏈進行延展，同時將降低制漿造紙過程的成本。另外，生物質(zhì)精煉技術(shù)將會對生物質(zhì)的利用提供創(chuàng)新，比如生產(chǎn)生物質(zhì)燃料、納米級纖維、以及新型紙種等。所有對生物質(zhì)的精煉，都將進一步帶給制漿造紙產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新動力。生物質(zhì)能源技術(shù)的創(chuàng)新將深化人類對生物質(zhì)能源的充分利用和環(huán)保利用，當然最主要是使整個產(chǎn)業(yè)和社會的清潔發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展。

［1］曹邦威.關(guān)于生物質(zhì)利用的最新進展［J］.中國造紙，2011，30(7):57.

［2］林智欽.我國新能源領(lǐng)域中的競爭問題分析［C］.2012’新能源發(fā)展論壇.北京，2012.

［3］毛長斌，倪永浩.生物質(zhì)提煉的研究進展及在造紙工業(yè)上的應(yīng)用［J］.中國造紙，2008，27(7):63.

［4］Jussi M?ntyniemi.美卓生物質(zhì)能源創(chuàng)新［S］.2012. CPP