基于節(jié)能減排的熱解氣綜合利用經(jīng)濟(jì)性分析

徐正香，董傳點，薛冰川，劉杰

(1.青島市生態(tài)環(huán)境局市北分局，山東 青島 266033；2.青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東 青島 266520)

秸稈果木等生物質(zhì)在熱解過程中，原料轉(zhuǎn)化為固態(tài)炭和熱解油的同時，產(chǎn)生的熱解氣是一種成分極為復(fù)雜的混合氣體，通過分級冷凝可獲取高品質(zhì)生物油和木醋液等產(chǎn)物[1]。通過對不同階段裂解氣取樣分析發(fā)現(xiàn)，采用間接式冷凝器獲取生物油，當(dāng)熱解氣中存在質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的不凝性氣體時，冷凝傳熱效率就會大幅降低[2]。傳統(tǒng)方式采用水洗塔將使煙氣中的木醋液木焦油等有機(jī)物溶于水中，再通過靜置將木醋液和木焦油分離開來[3-4]。采用分級冷凝可有效降低生物油成分的復(fù)雜性，改善生物油的應(yīng)用價值，提高熱解技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性。采用分級冷凝后，可以實現(xiàn)熱、質(zhì)和氣綜合回收，不僅消除了熱解氣中可燃性氣體排放可能造成的污染，而且可以得到焦油和木醋液的附加產(chǎn)品，還能將裂解的可燃性氣體引入烘干爐，實現(xiàn)能源的回收利用[5-7]。

1 工藝與系統(tǒng)分析

本研究測試數(shù)據(jù)基于德州市某工業(yè)區(qū)的機(jī)制炭加工廠，機(jī)制炭的生產(chǎn)過程首先是進(jìn)料系統(tǒng)將原料木屑刨花等經(jīng)阻火器投入到旋轉(zhuǎn)式熱風(fēng)干燥爐內(nèi)，烘干后的木屑通過高溫擠壓得到成型生物質(zhì)棒，隨后采用傳統(tǒng)內(nèi)熱窯式生產(chǎn)法進(jìn)行成型生物質(zhì)熱解，熱解終溫約為500 ℃，每個窯的熱解周期為7天，該廠設(shè)計年產(chǎn)能為3 000 t機(jī)制炭，因此理論上應(yīng)同時每年可產(chǎn)生以焦油和木醋液為主的有機(jī)液2 500 t和50 t可燃性氣體。但由于技術(shù)限制，窯煙直接通過管道送入煙氣處理系統(tǒng)，通過水洗達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，這種方式不僅加大了環(huán)保投入，而且會造成產(chǎn)品和能源的浪費(fèi)。

2 冷凝系統(tǒng)設(shè)計

2.1 條件預(yù)設(shè)及模型構(gòu)建

前期研究表明，熱解氣組成為5.70%的N2等不凝氣體、48.24%的H2O、19.83%CH3OH、4.25%的CH3COOH、0.90%的C5H4O2和1.07%的C6H5OH。機(jī)制炭在窯中的裂解過程，將產(chǎn)生大量氣體，依據(jù)其所屬的化學(xué)類別分為醇、醛、酮和酸等多種有機(jī)類[8-9]。參考對生物油的GC-MS圖譜分析、TG-DSC實驗數(shù)據(jù)及生物質(zhì)熱解液化氣體產(chǎn)物的氣象色譜分析結(jié)果[10]結(jié)合窯式熱解氣成分實測數(shù)據(jù)建立了如表1所示的內(nèi)熱窯式熱解氣模型化合物。

模型設(shè)計熱解氣九組分化合物模型和含不凝氣氣冷凝理論對冷凝回收設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行計算。假設(shè)通過冷凝器的氣量為26.41 kmol/h，降溫控制大于100 ℃。冷凝器均為單程，采用φ25 mm×2.5 mm無縫鋼管焊接制成，冷卻水源選輔助換熱水塔。冷卻水相對熱解氣逆流通過換熱管。根據(jù)相平衡數(shù)據(jù)，取二級冷凝器出口熱解氣溫度為47 ℃。

表1 內(nèi)熱窯式熱解氣模型化合物 wt%

2.2 設(shè)備運(yùn)行參數(shù)及產(chǎn)品分析

根據(jù)木醋液木焦油的沸點溫度不同，木焦油的沸點在200 ℃左右，木醋液的沸點在90 ℃左右。設(shè)置三級換熱器，先是顯熱換熱器，然后再冷凝得到木焦油，最后得出木醋液，熱解產(chǎn)炭綜合效益提升系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 熱解產(chǎn)炭綜合效益提升系統(tǒng)

以九組分化合物模型為研究對象針對該廠生產(chǎn)狀況進(jìn)行熱平衡計算，三種換熱設(shè)備的熱解氣側(cè)及水側(cè)串聯(lián)，分級降低熱解氣溫度并提升冷介質(zhì)水的溫度，熱解產(chǎn)生的木醋液和木焦油經(jīng)過換熱器換熱后，溫度由450 ℃降為40 ℃，40 ℃混合物狀態(tài)為液體。選用平均比熱容為3.98 kJ/(kg·k)，則木醋液冷卻放熱為326.360 MJ。選取木焦油40 ℃至450 ℃的平均比熱容為0.935 kJ/(kg·k)，則木焦油冷卻放熱為23.001 MJ。通過冷凝，絕大多數(shù)的可凝組分基本得到回收，殘余熱解氣滿足燃燒條件，熱解多聯(lián)產(chǎn)可獲產(chǎn)品數(shù)據(jù)見表2。

表2 熱解多聯(lián)產(chǎn)可獲產(chǎn)品數(shù)據(jù)

該系統(tǒng)存在的問題是得到的木醋液濃度達(dá)不到市場所需要的木醋液的濃度，需要處理達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)濃度才可以出售。由于該廠生產(chǎn)過程有原料烘干的環(huán)節(jié)，因此考慮將最終煙氣通入烘干爐輔助燃燒，從而節(jié)省烘干的燃料損耗。

3 系統(tǒng)綜合評價

該廠采用土窯的傳統(tǒng)裂解方式，在200 ℃以下的熱解初段部分，成型生物質(zhì)燃燒為熱解提供熱量，在之后的熱解階段，尤其是生物質(zhì)各組分的二次熱解階段，燃燒規(guī)模逐漸下降，生物質(zhì)熱解自身產(chǎn)熱可將熱解窯內(nèi)溫度提升至500 ℃以上。由于原技術(shù)路線將煙氣直接通入環(huán)保處理設(shè)備，因此煙氣中的裂解附加產(chǎn)品未得到有效回收利用，增加了排放污染，并且會造成環(huán)保設(shè)備的腐蝕和堵塞，從而增加了運(yùn)行維護(hù)成本。經(jīng)過初步計算，按照目前市場條件，采用新的技術(shù)路線實現(xiàn)熱、質(zhì)和氣綜合回收系統(tǒng)后能量，附加產(chǎn)品可增加銷售利潤18%，熱回收減少運(yùn)行成本20.36%。熱解1 t原料棒理論可以回收250 m3可燃?xì)猓?80 kg木醋液和18 kg木焦油，預(yù)計每年節(jié)省烘干爐所需燃料費(fèi)用20 萬元，木醋液木焦油可獲利150 萬元。新系統(tǒng)固定資產(chǎn)投資見表3。

表3 新系統(tǒng)固定資產(chǎn)投資

通過上述回收系統(tǒng)，熱解1 t原料棒理論上可以回收250 m3可燃?xì)狻?80 kg木醋液和18 kg木焦油，非供暖季直接以600元/t的售價直接銷售粗制生物油，預(yù)計每年節(jié)省烘干爐所需燃料費(fèi)15萬元，木醋液木焦油可獲利100萬元，可見，使用該系統(tǒng)可有效提升該廠的經(jīng)濟(jì)效益。此外，在生物油方面，供暖季采用共燃取熱的方式，在此以兩條路線計算收益，該廠滿負(fù)荷下年效益計算(熱效益以標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量計算)見表4。

表4 該廠滿負(fù)荷下年效益計算表

4 結(jié)語

通過以某產(chǎn)炭廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，針對不同裂解階段產(chǎn)生氣體的取樣分析，提出對其進(jìn)行能源利用與資源回收的經(jīng)濟(jì)路線，得出以下結(jié)論：

(1)改造后系統(tǒng)通過多級冷凝換熱，實現(xiàn)了熱、質(zhì)和氣的綜合回收利用，能源利用效率提高20%以上。

(2)采用費(fèi)用年值法計算該廠全部投資的固定資產(chǎn)折舊進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，得到該廠改造后除可增加利潤外，還可在回收全部建廠支出的前提下在第3.3年實現(xiàn)凈盈利。

(3)新系統(tǒng)可以實現(xiàn)熱量的有效回收用于烘干工藝或者局部供暖，進(jìn)一步降低了生產(chǎn)運(yùn)行成本。