生物質(zhì)烘焙技術(shù)的研究和應(yīng)用進展

饒雨舟，盧志民，簡 杰，姚順春

(華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510641)

生物質(zhì)烘焙技術(shù)的研究和應(yīng)用進展

饒雨舟，盧志民*，簡 杰，姚順春

(華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510641)

在各種可再生能源中，生物質(zhì)能源是最理想的化石燃料替代能源，在我國未來能源結(jié)構(gòu)中將會占有很大比重。但是由于生物質(zhì)本身低熱值、高水分、難破碎和易腐化等諸多缺陷，生物質(zhì)能源的應(yīng)用受到很大限制。近年發(fā)展起來的生物質(zhì)烘焙技術(shù)是一項能夠有效改善生物質(zhì)儲運特性和能源品質(zhì)的低溫熱解技術(shù)，是生物質(zhì)能源利用領(lǐng)域重要的研究和發(fā)展方向?；趯κ澜缒茉船F(xiàn)狀的分析，評析了生物質(zhì)烘焙技術(shù)的優(yōu)勢，綜述了生物質(zhì)烘焙技術(shù)的研究和應(yīng)用進展，重點介紹了該技術(shù)的開發(fā)和工業(yè)應(yīng)用潛力，提出了促進其進一步發(fā)展的合理化建議，為我國生物質(zhì)可再生能源的發(fā)展提供參考。

可再生能源；生物質(zhì)；烘焙技術(shù)

1 生物質(zhì)能源發(fā)展的現(xiàn)狀

能源是經(jīng)濟增長與社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。但化石燃料消耗的日益增加及其不可再生性一方面將造成嚴峻的能源短缺問題，另一方面帶來環(huán)境污染和氣候變化問題，這都將嚴重威脅到社會的發(fā)展與進步。為此，世界各國都在努力優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，開發(fā)利用可再生能源，提出了可再生能源的發(fā)展目標，提高可再生能源和新能源的占比。

生物質(zhì)能源是綠色植物通過葉綠素將太陽能積蓄在生物質(zhì)內(nèi)的能量形式，可以轉(zhuǎn)化為氣、液、固3種能源形態(tài)，是一種理想的可再生能源和綠色能源[1]。目前世界上的生物質(zhì)能源消耗總量僅次于煤炭、石油和天然氣[2]。生物質(zhì)能源的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，能實現(xiàn)化石燃料的替代轉(zhuǎn)換，這是其它可再生能源所不能比擬的。生物質(zhì)作為燃料，相比煤、石油等化石燃料，SO2和NOx排放更低，重金屬和其它有毒物質(zhì)的含量也相對較少，所以更加環(huán)保。特別是生物質(zhì)通過光合作用從環(huán)境中固定的CO2能與燃燒排放出的CO2相互抵消，在碳總量上實現(xiàn)了零排放，對實現(xiàn)低碳經(jīng)濟、減排環(huán)保都有極大的貢獻[3]。因此，在碳排放控制日益嚴格的大背景下，生物質(zhì)能源在未來世界能源結(jié)構(gòu)中的占比將有很大的上升空間。

歐洲生物質(zhì)能協(xié)會發(fā)布的《AEBIOM2015統(tǒng)計報告》[4]顯示，生物質(zhì)能源是迄今為止在歐洲領(lǐng)先的可再生能源，提供了88.9%的可再生能源供熱和超過18%的可再生電力生產(chǎn)。據(jù)估計，到2050年生物質(zhì)能源將支撐全球25%的能源消耗[5]。我國也逐步加大對生物質(zhì)能源的開發(fā)與建設(shè)，以生物質(zhì)發(fā)電為例，2006～2015年，我國生物質(zhì)發(fā)電裝機容量逐年增加，由2006年的140萬kW增加至2015年的1 031萬kW，年均復(fù)合增長率達24.84%。據(jù)統(tǒng)計，我國2015年的生物質(zhì)發(fā)電量為527億kW·h，已經(jīng)占全年總發(fā)電量的0.9%[6-7]。

2 生物質(zhì)燃料的特點

目前，世界各國的生物質(zhì)儲存量和可利用量都非常可觀，但其作為燃料利用還存在一些缺點，在規(guī)?；瘧?yīng)用上還有所局限。生物質(zhì)燃料最突出的缺點是水分含量過高，這使其干燥成本高，燃料反應(yīng)效率低，燃燒時會產(chǎn)生煙霧，并且增大了生物質(zhì)腐爛的風險，增強了生物質(zhì)氣化產(chǎn)物的腐蝕作用。其次，生物質(zhì)還存在體積密度小、能量密度低、可磨性差以及吸濕能力強等缺點，使其在運輸、儲存以及作為燃料利用時的成本較高。

因此，針對生物質(zhì)燃料在應(yīng)用過程中的諸多問題，有必要對生物質(zhì)燃料進行預(yù)處理。在眾多預(yù)處理技術(shù)中，近年發(fā)展起來的生物質(zhì)烘焙技術(shù)在提高生物質(zhì)儲運特性和改善能源品質(zhì)等方面都有卓越的成效，受到廣泛關(guān)注。生物質(zhì)烘焙技術(shù)是在惰性氣氛、200～300 ℃下將生物質(zhì)進行溫和熱解，脫除大部分的水分和低熱值輕質(zhì)揮發(fā)分。該過程大幅度提高了烘焙后的生物炭的能量密度，能夠?qū)崿F(xiàn)改善儲運特性和能源品質(zhì)的效果[8]。

3 生物質(zhì)烘焙技術(shù)的研究現(xiàn)狀

生物質(zhì)烘焙技術(shù)的相關(guān)研究在近幾年一直保持著很高的熱度[9]，目前的研究主要是針對生物質(zhì)烘焙產(chǎn)物的理化特性分析，對相關(guān)影響因素的探討也有所涉及。朱波等[10]采用熱重紅外聯(lián)用的方法分析了農(nóng)業(yè)秸稈烘焙產(chǎn)物的組成及結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明烘焙產(chǎn)物含碳量提高、含氧量降低，大部分水分也在烘焙過程中脫除，能量密度大幅提高，有效提高了生物質(zhì)的燃料性能，改善了生物質(zhì)的能源品質(zhì)。王秦超等[11]通過對稻稈、桑樹枝、楊樹枝和竹子4種生物質(zhì)烘焙產(chǎn)物的理化特性的研究，得出了相同的結(jié)論，并且探究了烘焙過程中熱解溫度、停留時間等因素的影響規(guī)律。陳登宇[12]研究了生物質(zhì)烘焙過程中有機組分的演化規(guī)律，表明在烘焙過程中半纖維素大量分解，纖維素和木質(zhì)素部分分解，而半纖維素的大量分解是生物質(zhì)烘焙過程中失重、元素含量變化和疏水性提高的主要原因。Phanphanich等[13]研究了生物質(zhì)烘焙產(chǎn)物的研磨性能，松木屑烘焙后產(chǎn)物的研磨能耗(23 kW·h·t-1)僅為烘焙前(238 kW·h·t-1)的10%，說明烘焙能夠大幅度降低生物質(zhì)的研磨能耗。Bach等[14]將生物質(zhì)烘焙產(chǎn)物與煤進行了比較分析，典型煤種和不同烘焙程度生物質(zhì)的van Krevelen圖如圖1所示。

圖1 典型煤種和不同烘焙程度的生物質(zhì)的van Krevelen圖[14]

從圖1可以看出,由于生物質(zhì)在烘焙過程中脫除了大部分水分和輕質(zhì)揮發(fā)分，烘焙后的生物炭具有更低的O/C和H/C原子比，而且在滿足一定烘焙溫度和時間的條件下，烘焙后的生物炭的O/C和H/C原子比與煤十分接近，在燃燒效能上也幾乎能夠達到煤的水平。Nhuchhen等[15]對木材、木屑顆粒、煤及烘焙生物質(zhì)特性作了更為詳細的比較，如表1所示。

由表1可以看出，烘焙生物質(zhì)的燃料特性明顯優(yōu)于木材和木屑顆粒，熱值及能量密度等參數(shù)與煤十分接近，濕度、灰分含量等參數(shù)甚至比煤具有更高的品質(zhì)。

表1烘焙生物質(zhì)與其它固體燃料的特性比較[15]Tab.1 Comparison of torrefaction biomass with other solid fuels

4 生物質(zhì)烘焙技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，世界上許多國家和地區(qū)已開展了生物質(zhì)烘焙技術(shù)的應(yīng)用研究，在商業(yè)化推廣方面主要集中在歐美等發(fā)達國家，一些烘焙反應(yīng)器及其開發(fā)商的情況見表2。

由表2可以看出，歐洲和北美地區(qū)生物質(zhì)烘焙技術(shù)的市場推廣已初具規(guī)模。歐洲的低碳技術(shù)開展最為領(lǐng)先，荷蘭是首先提倡使用烘焙木質(zhì)顆粒的國家。2013年底，Topell公司在荷蘭Amer燃煤電廠混燒了2 300 t烘焙木質(zhì)顆粒，并在滿足運行參數(shù)的情況下把混燒比例從烘焙前的5%提高到25%[16]，驗證了大規(guī)模的生產(chǎn)和混燒烘焙生物質(zhì)的可行性。

生物質(zhì)烘焙技術(shù)除了能夠應(yīng)用于煤粉/生物質(zhì)混燒外，還可應(yīng)用于生物質(zhì)氣化和直接燃燒供熱等方面，如表3所示。瑞典Vattenfall公司就使用了1 200 t烘焙生物質(zhì)替代70%的煤進行混合氣化并成功試運行了24 h，預(yù)計烘焙生物質(zhì)的比例還可提升至90%[17]。

表2烘焙反應(yīng)器及其開發(fā)商

Tab.2 Torrefaction reactors and their developers

表3 生物質(zhì)烘焙產(chǎn)物的應(yīng)用[18]

Tab.3 Application of biomass torrefaction product

5 生物質(zhì)烘焙技術(shù)的發(fā)展前景與建議

生物質(zhì)烘焙技術(shù)能夠改善生物質(zhì)的儲運特性和能源品質(zhì)，提升生物質(zhì)作為燃料的使用效率[19]，即使是烘焙過程中需要額外投入費用，也能通過生物質(zhì)烘焙后在運輸使用成本上的降低而有所彌補。據(jù)Acharya 等[20]估算，在生物質(zhì)的區(qū)域和全球營銷中烘焙生物質(zhì)顆粒的整體成本為9.81 GJ/美元，比未烘焙生物質(zhì)顆粒的成本還要低2.99 GJ/美元，這也進一步說明了生物質(zhì)烘焙技術(shù)的實用性。并且隨著全球?qū)μ寂欧畔揞~的日益收緊，特別是我國將啟動全國碳交易市場，這無疑會顯著增加煤炭、石油等傳統(tǒng)化石燃料的使用成本。因此，作為低碳環(huán)保的可替代能源方案，未來生物質(zhì)烘焙技術(shù)在我國的商業(yè)化運作上具備很大的潛力。但我國目前鮮有生物質(zhì)烘焙技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用實例，為拓展我國生物質(zhì)烘焙技術(shù)的應(yīng)用，提出以下建議：

(1)我國是木質(zhì)燃料的生產(chǎn)大國，每年生物質(zhì)燃料產(chǎn)量都在持續(xù)上升，生物質(zhì)能源利用技術(shù)的研究投入也在逐年增加[21]，但主要集中在生物質(zhì)氣化與生物柴油煉化領(lǐng)域，對生物質(zhì)預(yù)處理技術(shù)特別是烘焙技術(shù)研究領(lǐng)域的資金與政策支撐不足，嚴重制約了我國生物質(zhì)烘焙技術(shù)的發(fā)展。因此有關(guān)機構(gòu)及部門應(yīng)積極統(tǒng)籌規(guī)劃，合理分配，創(chuàng)建有利于生物質(zhì)烘焙技術(shù)發(fā)展的政策環(huán)境和研發(fā)氛圍。

(2)目前國內(nèi)對于生物質(zhì)烘焙技術(shù)的研究主要集中在華中科技大學(xué)、浙江大學(xué)等科研院校的燃料性能測試上，對于反應(yīng)機理研究和實際工業(yè)應(yīng)用研究等方面有所不足，還遠遠落后于歐美發(fā)達國家的研究及應(yīng)用水平，相關(guān)生產(chǎn)技術(shù)設(shè)備也多引進自國外。因此國內(nèi)各科研機構(gòu)對于生物質(zhì)烘焙技術(shù)的研究還應(yīng)更加深入，逐步縮小與世界領(lǐng)先水平的差距，特別是在工業(yè)化現(xiàn)場應(yīng)用方面還需要更深入的探索。

(3)國內(nèi)生物質(zhì)烘焙技術(shù)的研究尚未形成統(tǒng)一的商品規(guī)范與標準，各學(xué)者試驗過程中的條件設(shè)置及反應(yīng)控制等方面都不盡相同，實際的生物質(zhì)烘焙過程存在一定的差異性。此外，可作為能源使用的生物質(zhì)種類繁多，各種生物質(zhì)在成分、結(jié)構(gòu)等方面都有所差別，在實際應(yīng)用中的最佳烘焙條件也有所不同。因此還需要研發(fā)制定普適性好的技術(shù)標準和規(guī)范，這是生物質(zhì)烘焙技術(shù)能夠真正實現(xiàn)市場化應(yīng)用的基礎(chǔ)。

6 結(jié)語

我國正處于低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時期，生物質(zhì)能源以其獨特的“零碳排放”特性，是實現(xiàn)全社會低碳可持續(xù)發(fā)展的重要載體，對生物質(zhì)能源的高效利用也是推動經(jīng)濟進一步發(fā)展的有效保障。生物質(zhì)烘焙技術(shù)能夠有效改善生物質(zhì)的儲運特性和能源品質(zhì)，是推動生物質(zhì)能源更大規(guī)模應(yīng)用發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)?？梢灶A(yù)見，生物質(zhì)烘焙技術(shù)是未來生物質(zhì)能源商品生產(chǎn)的主要手段和步驟，但目前國內(nèi)對于該技術(shù)的研究與應(yīng)用還較欠缺，因此大力推進相關(guān)技術(shù)及設(shè)備的研究與開發(fā)有著很好的前景和現(xiàn)實意義。

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Progress on Research and Application of Biomass Torrefaction Technology

RAO Yu-zhou，LU Zhi-min*，JIAN Jie，YAO Shun-chun

(SouthChinaUniversityofTechnology，Guangzhou510641，China)

Inallkindsofrenewableenergy，biomassenergyisthemostidealalternativeenergytofossilfuel，anditwilloccupyalargeproportionintheenergystructureofChinainthefuture.However，duetothedrawbacksofbiomassincludinglowcalorificvalue，highmoisturecontent，breakinghardly,andputrescibility，theapplicationofbiomassenergyisstilllimitedfornow.Biomasstorrefaction，alow-temperaturepyrolysistechnology，cangreatlyimprovethestorageandtransportationcharacteristics，andenergyqualityofbiomass.Biomasstorrefaction，whichisanimportantresearchanddevelopmentdirectioninthefieldofbiomassenergyutilizationhasbeendevelopedforrecentyears.Basedontheanalysisoftheworldenergyoutlook，theadvantagesofbiomasstorrefactiontechnology，andtheresearchandapplicationprogressarereviewedinthispaper.Biomasstorrefactionhasahighindustrialapplicationpotential.SomeadvicesforfurtherdevelopmentofbiomasstorrefactionareprovidedforreferencetothedevelopmentandproductionofbiomassrenewableenergyinChina.

renewableenergy；biomass；torrefactiontechnology

2016-11-18

饒雨舟(1992-)，男，江西黎川人，碩士研究生，研究方向：清潔能源轉(zhuǎn)換與系統(tǒng)優(yōu)化，E-mail：201420110670@mail.scut.edu.cn ；

盧志民，副教授，E-mail：zhmlu@scut.edu.cn。

10.3969/j.issn.1672-5425.2017.03.002

TK6

A

1672-5425(2017)03-0007-04

饒雨舟，盧志民，簡杰，等.生物質(zhì)烘焙技術(shù)的研究和應(yīng)用進展[J].化學(xué)與生物工程，2017，34(3)：7-10，30.