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生物質能:“下一代能源巨人”

隨著化石燃料短缺和其使用時產生的污染問題的加劇,人們對生物質能源的開發利用技術日益重視起來,本文介紹了生物質燃料的特點、壓縮成型技術、氣化技術和連續干餾制氣技術。倡導尋求適合地區特點的生物質能資源系統利用的新模式,推廣改進農村燃料結構,提高農民的生活質量。

引言

生物質能是指來源于木材、秸稈、動物糞便等生物質的能源。與化石能源不同,他們來自新近生存過的生物,這些生物質可以通過直接燃燒來獲取能量,也可以轉化為生物質燃料。由于其可再生性,被認為是未來能源和化學燃料的重要來源,約占世界所有可再生能源的2/3。我國是一個農業大國,生物質資源十分豐富,僅農村每年產生的生物質燃料可折合217×108t標準煤,占農村總耗能的40%左右。但是生物質能在我國商業用能結構所占的比例極小,主要被作為一次能源在農村被利用,大部分被直接作為燃料燃燒或廢棄,利用水平低,浪費嚴重,且污染環境,所以充分開發、系統合理的應用生物質能,對改善我國農村的能源利用環境,加大生物質能源的高品位利用具有重要的意義。

生物質燃料的特性

1)含碳量少,生物質燃料的含碳量最高不會超過50%,相當于褐煤的含碳量。特別是固定碳的含量明顯比較煤少,所以該燃料燃燒的時間短,而且能量密度比較低。

2)揮發分多,該燃料中的碳多數和氫結合成分子量較低的碳氫化合物,遇熱易分解析出揮發物,揮發分里所含能量占其所有能量的一半以上,若燃燒不充分會產生黑煙污染環境。

3)含氧量多使得生物質易燃,且不需要太多的氧氣供應。

4)生物質燃料密度小,比較容易燃燒盡,灰渣中殘留的碳少,但對燃料的運輸不利。

與煤的燃燒類似,生物質燃料的燃燒過程可以分為:預熱、干燥、揮發份析出和焦炭燃燒四個階段。在250時熱分解開始,在325時揮發分可以析出近80%。揮發分的析出時間很短,若通風不足,揮發分有可能未燃燒完全就排除,會產生黑煙甚至濃黃煙。揮發分燃盡后,燃料的剩余物為松散的焦炭,氣流運動會將一部分炭粒裹入煙道,形成黑絮,因此若通風過強會降低燃燒效率。固定碳燃燒受到灰分包裹空氣較難滲透的影響,易有殘炭遺留。

生物質壓縮成型

生物質燃料在直接燃燒時存在揮發分逸出過快、空氣供給難以控制等問題。

這些問題在一般的爐灶中不易解決,村民使用時也控制不好。為了改善此類問題,將分布散、形體輕、儲運困難、使用不便的生物質燃料壓縮成型后使用,能提高燃料的熱值,改善燃燒性能,此項技術稱為生物質壓縮成型技術。在20世紀80年代,此項技術得到較大規模的發展。

農村以秸稈、稻殼等為主的生物質資源豐富,在收集過程中盡可能減少夾帶泥土,防止燃燒時結渣,條件允許宜采用機械化收集。粉碎是壓縮成型前對物料的基本處理,對稻殼等小尺寸原料只進行清除尺寸較大的異物即可,對秸稈等尺寸較大的農林廢棄物,要進行粉碎作業,通常進行兩次以上粉碎,一般先用切片機切成小片再用錘片式粉碎機粉碎。

原料粉碎后要有一個脫水程序,常用設備有回轉圓筒式干燥機和立式氣流干燥機,最佳濕度控制在10%—15%,含水率達到成型要求的范圍后輸送至下一工序。

為了提高生產率,在推進器進刀前先把松散的物質預壓一下,然后再推到成型模前。預壓多采用螺旋推進器、液壓推進器,也有手工預壓的,生產時可根據生產規模自主選擇。壓縮中成型模是原料成型的關鍵,它呈前大后小的錐形,物料進入后受主推力、摩擦力和模具的向心反作用力三種力作用,模具分為內模和外模,外模不變,內模可調換,夾角一般從開始調試。

壓縮成型過程中的加熱一方面可以是原料中含的木質素軟化,起到粘結的作用;另一方面還可以使原料本身變軟,容易壓縮。或者加入粘結劑,例如加入10%—20%的煤粉或炭粉可以達到增加壓塊熱值的作用,再者加入粘結劑可增加粘結力便于成型。保型是在生物質成型后的一段套筒內進行的,其內徑略大于壓縮成型的最小部位直徑,以便使已成型的物料消除部分應力,隨著溫度的降低固定形狀。最后是切割、包裝與運輸給用戶。生物質壓縮成型燃料可廣泛應用于各種類型的家庭取暖爐、熱水鍋爐、熱風爐和小型發電設備,是煤料的一種很好的替代品。

生物質的熱化學轉化

隨著人類的進步和社會的發展,人們對能源的需求數量越來越多,品位越來越高,對生物質能的利用也改變了傳統的直接燃燒方式,先將其轉化為高品位能源,然后再進行利用。在轉換技術方面最近大力發展的新技術主要有氣化技術和干餾技術。

3.1氣化技術

生物質氣化是生物質熱化學轉換的一種技術,是在不完全燃燒條件下,將原料加熱,使較高分子量的有機碳氫化合物鏈裂解,變成家底分子量的COH2CH4等可燃氣體,在轉換過程中要加氣化劑。秸稈、稻殼、柴草等農業廢棄物氣化利用熱值高。據測算,直接燃燒只能利用其熱值的20%,這不但造成了資源的極大浪費,而且焚燒的煙霧也對大氣環境造成了嚴重污染;若將其放到氣化爐灶內燃燒,則可使熱值的利用率提高到80%以上,機械統一控制空氣的供給量,可使燃燒充分,煙塵排放量少,殘余的灰燼也很少(小于7%),比一般農家直接燃燒熱值利用率可提高60%以上。

氣化器的基本原理是,熱蒸汽、氧氣與物料一起反應,反應溫度從幾百度到近千度,壓力從130個大氣壓。這個過程一開始,揮發分釋放出來,留下了木炭,這兩種物質和熱蒸汽氧氣反應,最后生成了發生爐煤氣,主要含一氧化碳和氫氣,同時還有少量的甲烷、烴類和凝聚的焦油,當然還有二氧化碳和水。接下來將干凈的氣體分離出來使用。若這個過程使用的是空氣,則氣體中還含有氮氣,最后氣體的低熱值在3—5MJ/m3。如果利用純氧熱值會提高一些。建議使用壓縮成型后的生物質燃料這樣可以提高燃氣的熱值。

3.2生物質干餾制氣

生物質干餾技術以其燃氣熱值高、產能大等優勢,成為生物質能利用的一個重要方向。生物秸稈經破碎后連續裝入干餾爐頂,靠輸料機擠壓和秸稈自重落入干餾室內,實現連續干餾制氣過程。干餾爐為立式箱形結構,外熱式。干餾爐由干餾室和燃燒室組成,干餾室兩側各有一個燃燒室,燃燒室又分為加熱段和空氣預熱段。

兩個干餾室為一組。爐料由干餾室頂部連續向下移動,在移動過程中,溫度漸升,實現干燥、干餾的制氣過程,干餾段溫度控制在850900。該項研究已于20063月在吉林省遼源市惠宇能源公司建成了工業試驗裝置并實驗成功,2007年被國家發改委確定為全國示范項目。實驗結果為:單爐產氣量可達250300M3/h,燃氣低發熱值達到14.516.0MJ/Nm3,產品爐料質量百分率分別為:燃氣4045%、輕質油1015%、重油510%、木醋液510%、炭3035%。燃氣組成見下表。

采用干餾方法生產的生物質燃氣符合城市燃氣質量要求,可用于發電或作為城市燃氣氣源。

以上兩種制氣方法,若應用壓縮成型后的生物質燃料為原料,其轉化效率要遠遠高于秸稈等生物質原料直接粉碎后應用的效率,產氣熱值也會大大提供高。

生物質能合理應用

綜合考慮收集與加工環節,生物質利用應存在使總成本最低的優化經濟規模。國內外學者已對這方面的相關問題進行了初步分析,但多數研究僅針對特定技術,沒有明確建立系統應用的模式。農村燃氣的集中供應屬于社會公用性事業,凡公用性事業都具有初始投資大、回報周期長的特點。建管道化供氣系統是一個綜合經濟實力問題,是生活水平和生活質量上臺階的問題。

每個村屯的住戶相對較少,為此有學者提出在一個地區范圍內集中建立一個專門的燃氣生產供應站,為鄰近各個村屯供氣,生產規模擴大,效率增高,而各個村屯只建儲氣柜或管網,這是可行的。但與城市居民分布不同,農村居民居住分布零散,若燃氣供應管道化,會導致投資大,管道建設長,成本增高,大大超過農村居民的承受能力,是脫離實際的。因此,在農村及偏遠地區,不便鋪設管道,宜采用戶用型燃氣爐,將生物質燃料在鍋爐內直接燃燒,以自己自足的方式供應炊事燃氣、冬季取暖為主要目的。也可達到安全、節能環保的功效。

綜上所述,干餾氣熱值能夠達到城市燃氣的熱值要求,可以通過管道供給居住集中的居民使用,而氣化氣熱值還遠遠達不到城市燃氣的熱值要求,不宜直接供給居民使用。同樣,通過厭氧消化制取的氣體燃料,如沼氣,也不宜直接用于民用戶。應將此類燃氣集中用于發電,并入國家電網或供村民使用,以求達到真正的安全環保。

結語

我國是一個人口大國,又是一個經濟迅速發展的國家,目前面臨著經濟增長和環境保護的雙重壓力,因此改變能源生產方式,因地制宜,開發低成本、高效率適于地區發展特點的生物質能應用技術,對建立可持續的能源系統,促進國民經濟發展和環境保護具有重大意義。

曾道人四肖中特