必威 betway必威必威 betway必威秸秆热解制生物燃料技术研究进展 朱·赫·特 摘要：发展生物质新能源，是我国可持续发展的重要战略举措。生物质作为 一种可以转化为液体燃料的可再生资源，其重要性越来越受到人们的重视。秸秆 作为生物质中重要的一类，蕴含着巨大的能源开发价值。各国对秸秆热解制生物 燃料开展了深入的研究，并取得一定的突破。本文介绍了目前秸秆热解制生物燃 料相关技术的背景、发展现状和趋势，介绍了两种秸秆热解制油工艺，分析了技 术可行性、风险和效益等内容。 关键词：生物质；秸秆；热解；生物燃料 1. 技术背景 据测算，世界人均能源消费由 1990 年的 1661 千克石油当量上升到2013 年 的1894 千克当量，年均复合增长率达到0.6%[1] 。能源是关乎国家发展，人民生 活水平的重要因素。现在煤、石油、天然气等化石燃料的大量使用，会排放大量 颗粒物、二氧化硫、氮氧化物等污染物，导致环境污染，引发的雾霾问题近些年 也日益受人们关注。而且这些不可再生的化石能源储量逐渐减少，石油逐渐枯竭。 人们迫切需要寻找新能源以满足当下以及未来人类发展的需要。 另一方面，生物质中如秸秆的随意堆放和随意焚烧处置在我国也是相当普遍。 我国是农业大国，每年会产生大量的秸秆等农业废弃物。这些废弃物目前还没有 得到很好的能源化利用，从而占了大量的土地，也造成了环境污染。因此，开发 推广以秸秆为主农业废弃物能源化利用的技术，是解决能源短缺问题和环境污染 问题的有效措施。 人们已经意识到生物质中蕴藏的巨大能源价值，已经踏上了农业废弃物能源 化的道路，并在努力探索。据统计，世界生物燃料产量由1990 年的7094 千吨油 当量上升到2013 年的65348 千吨当量，年均增长率达到 10%[2] 。利用农业废弃 物生产生物燃料，发展势头迅猛，潜力巨大，各国都在积极探索，列为战略性目 标，关乎人类未来的大事。 农作物秸秆是农业生产的副产物，是一种可再生的生物质资源，具有来源广、 污染小、热值含量高等优点。内富含纤维素、半纤维素、木质素等成分，是一种 很好的可再生生物质资源。而且我国秸秆产量巨大，2013 年中国农作物秸秆的 [3] 总量约有7 亿吨 ，若能进行能源化处理，将会带来巨大的经济效益和生态效益。 2. 应用需求 秸秆热解制生物燃料有着广泛的需求。秸秆制生物燃料是一项高附加值的产 业，每吨秸秆按照50%的出油率计算，可生产500kg 生物油。以每吨秸秆300 元， - 1 - 每吨燃油3000 元的售价，平均处理一吨秸秆可收入1200 元，其利润可观，可以 带来较好的经济效益。 当前我国正面临着较为严重的雾霾的问题，能源供给也越来越紧张，国家也 正在改变能源结构，迫切需要新技术来推动能源结构的改革，来带动能源产业的 发展，为国家各行各业的发展提供清洁而又持久的动力。秸秆热解技术的发展符 合国家可持续发展战略的要求，也符合广大人民群众对良好环境的期盼。进行废 弃物的资源化利用，可带来良好的生态效益。 3. 研究开发必要性 秸秆热解制生物燃料十分有必要。国务院发布的《“十三五”生态环境保护 规划》中提到：“完善秸秆收储体系，支持秸秆代木、纤维原料、清洁制浆、生 物质能、商品有机肥等新技术产业化发展，加快推进秸秆综合利用；强化重点区 域和重点时段秸秆禁烧措施，不断提高禁烧监管水平。”目前，秸秆随意焚烧现 象普遍存在，秸秆回收体系还未完善。在人民生活水平日益增长的今天，人们对 良好的环境提出了更高的要求。以秸秆为主的农业废弃物肆意焚烧和无组织排放 这一现象，饱受人们诟病。然而，回收的秸秆只有得到有效的处置，回收体系才 能完整建立起来。秸秆能源化、秸秆饲料化、秸秆肥料化、秸秆原料化都在积极 探索中逐步发展，其中，生物质液化能源化技术正作为一种高效的生物质综合利 [4] 用方法逐渐被人们重视 ，但秸秆能源化技术还不成熟。中央、 国务院总理、国家能源委员会主任在2016 年的国家能源委员会会议上说： “加快技术创新和体制改革是推动能源可持续发展的关键依托。”要加大秸秆能 源化研究的力度，加快技术创新，突破技术瓶颈，提供秸秆热解制生物燃油的可 行方案，是能源可持续发展和改善环境质量的必要举措。 4. 秸秆热解发展现状与趋势、现有技术基础和技术专利情况 4.1 秸秆热解技术国内外发展现状与趋势 4．1．1 发展现状 目前，世界各地的研究机构相继开发了各式各样的生物质热解工艺。加拿大 西安大略大学开发的生物质直接超短接触液化技术大规模工业化生产成本仅为 [5] 50 加元/ 吨，是生物质液化技术的重大突破 。 我国生物质热解液化技术的研究尚处于起步阶段。1997 年，沈阳农业大学 的董良杰，采用Kissinger 法和Dzawai 法对动力学参数进行了验证，开展了木屑 及其组分热裂解反应动力学的研究。中国科技大学研制了一种电热式快速流化床 [5] 生物质热解液化设备，可以用于各种固体生物质的液化 。必威 必威betway中国新闻网上曾报道， 陕西大荔投建秸秆热裂解生物质燃油项目，每条生产线 万吨。 但从总体来看，目前国内生物质油的技术及装置尚未实现工业性应用，在装置规 - 2 - 模和产品质量控制方面都有待进一步提高。 4 ．1．2 发展趋势 生物质快速热裂解所得的液体生物油具有相当大的优势，易于存储和运输， 可作为比燃料，具有高附加值化学品的原料也可作为燃料应用于柴油发动机、锅 炉、燃气轮机等。但是，生物质热裂解制液体燃料的技术还不成熟，尚未突破规 模化生产和成套设备的大关。在生物质热裂解技术的研究中，裂解工艺的完善和 裂解核心装置的改善是目前所要解决的重要问题。生物质快速热裂解产品在中国 国内市场中尚属空白，对此发展生物质热解技术具有很大的潜力。因此，开发出 更经济高效的工业化生产的生物质快速热裂解制生物油工艺， 是目前有效利用 [6] 生物质能源的一个重要研究方向 。 4.2 国内现有秸秆热解技术基础 生物质热解是指生物质在完全没有氧或缺氧条件下热分解，最终生成木炭、 生物油和不可冷凝气体的过程。目前热解工艺技术未能供商业化运营，主要原因 是生物质热解过程十分复杂，对其原理的了解还远远不够，这在很大程度上制约 了热解技术的提高与发展。为制定合理的热解工艺、有效地利用生物质热解技术， [5] 必须对生物质热解反应过程作深入的研究 。 4.3 热解技术专利情况 一种将秸秆直接转化为汽、柴油的热解工艺与装置 申请号 CN0.5 申请日 2010/12/20 公开号 CN102031131A 公开日 2011/4/27 450001 河南省郑州市高新区 申请人 河南中埠新能源有限公司 地址 创业中心2 号楼A602 发明人 孔永平;郑冀鲁;李永亮;王小亮;徐鹏君 国省代码 41 本发明建立了一种将秸秆直接转化为汽、柴油的热解工艺与装置。本发 明的核心工艺是采用一定比例的废塑料作为添加剂辅助农作物秸秆热 解,有效的降低了热解温度,提高了热解油的品质(达到了与汽、柴油相 同的品质)。本发明涉及的新型热解系统采用自热、高效气固分离和直 摘要 接冷凝技术,能够将生物质原料完全转化为高品质生物质汽、柴油(产率 约50％)。生物质汽油、柴油可直接在内燃机上燃烧使用,并且可有效 降低汽车尾气排放。热解过程后获得的生物炭(产率约30％)和可燃气 体(产率约20％)可用作热解的热源,多余部分可用于燃烧发电,并入商 业电网获得额外的经济效益。 一种将秸秆直接转化为汽、柴油的热解装置,山螺旋进料器、带搅拌器 的热解反应釜、扩散式旋风分离器(一共两台,其中一台外包水冷夹 主权项 套)、筛板塔、生物油油箱、汽液分离器、燃烧器和稳压器组成,本热解 系统还配套滚筒式干燥器和锤式粉碎机等辅助设备。 页数 8 主分类号 C10G1/00 专利分类号 C10G1/00;C10B57/06;C10B53/02;C10B57/00;F01D15/10 - 3 - 热解生物质的系统和方法 申请号 CN0.3 申请日 2016/6/17 公开号 CN105907407A 公开日 2016/8/31 北京神雾环境能源科技集 102200 北京市昌平区马池口镇 申请人 地址 团股份有限公司 神牛路18 号 发明人 张宏伟;赵延兵;陈水渺;肖磊;吴道洪 专利代理 北京清亦华知识产权代理 代理人 李志东 机构 事务所(普通合伙)11201 国省代码 11 本发明公开了热解生物质的系统和方法,该系统包括：包括：移动床热解 反应器和冷凝器,其中,所述移动床热解反应器包括：热解进料口、热解 油气出口、半焦出口和催化剂入口；蓄热式辐射管,所述蓄热式辐射管在 所述移动床热解反应器的内部沿着所述反应器的高度方向多层布置；油 摘要 气导出管道,所述油气导出管道的管壁上设置有通孔；布料器,所述布料 器设置于所述蓄热式辐射管上方；以及除尘装置,所述除尘装置部分嵌入 到反应器中,除尘装置与油气导出管道通过集气管连通,并且除尘装置包 括滤尘室、提升管和集气室。该系统可以有效抑制油气二次裂解,提高生 物质油收率,并且提高系统的热效率并简化了系统工艺。 一种热解生物质的系统,其特征在于,包括：移动床热解反应器和冷凝器, 其中,所述移动床热解反应器包括：热解进料口、半焦出口和催化剂入 口；所述热解进料口位于所述反应器的顶壁上；所述半焦出口位于所述 反应器的底部；所述催化剂入口位于所述反应器的顶壁和/或侧壁上；蓄 热式辐射管,所述蓄热式辐射管在所述移动床热解反应器的内部沿着所述 反应器的高度方向多层布置,每层具有多根在水平方向上彼此平行的蓄热 式辐射管；油气导出管道,所述油气导出管道的管壁上设置有通孔；布料 器,所述布料器设置于所述蓄热式辐射管上方用于使输送至所述热解反应 器内的物料在接触所述蓄热式辐射管之前均匀分散；以及除尘装置,所述 主权项 除尘装置部分嵌入到所述反应器中,所述除尘装置与所述油气导出管道通 过集气管连通,并且所述除尘装置包括滤尘室、提升管和集气室,其中,提 升管的顶部与滤尘室的顶部连通,提升管的底部与滤尘室的底部连通,滤 尘室与提升管相连通构成环形回路；滤尘室位于所述反应器内,提升管和 集气室位于所述反应器外；滤尘室伸入所述反应器内部的侧壁上设有用 于与所述集气管连通的热解油气入口,滤尘室与集气室相邻且滤尘室与集 气室共用的侧壁上设有孔道,集气室的与滤尘室和集气室共用的侧壁相对 的侧壁上设有热解油气出口,并且所述热解油气出口与所述冷凝器相连； 提升管的顶部设置有含尘气出口,提升管的底部设置有风帽。 页数 22 主分类号 C10B23/00 专利分类号 C10B23/00;C10B53/02;C10G1/00;C10K1/02 - 4 - 5. 可行性 5.1 技术可行性 5 ．1．1 技术基础 据专家介绍，生物质在完全缺氧情况下通过快速加热和快速冷凝可以转化为 一种称为生物油的初级液体燃料，产油率可达50%～60% 以上，副产物焦炭和可 燃气燃烧后可为热解提供热源。制成的生物油，可作为燃料直接在燃油锅炉和工 业窑炉中燃烧使用，精制提炼后可作为汽车燃料使用，可以分离提取高附加值的 化学产品。中国科技大学可再生洁净能源实验室现已成功研制出每小时可处理 [7] 120 千克物料的自热式热解液化工业中试装置 。 5 ．1．2 政策支持 《中华人民共和国可再生能源法》中第十六条规定“国家鼓励清洁、高效地 开发利用生物质燃料”，“国家鼓励生产和利用生物液体燃料。石油销售企业应当 按照国务院能源主管部门或者省级人民政府的规定，将符合国家标准的生物液体 燃料纳入其燃料销售体系。” 国家发改委2015 年发布的《关于进一步加快推进农作物秸秆综合利用和禁 烧工作的通知》提出：“积极支持新技术和装备研发。各地要切实加强对秸秆还 田、饲料化、能源化、原料化领域新技术的创新，扶持引导基层农技部门、社会 化服务体系推广应用先进适用的秸秆综合利用技术。” 国务院发布的《“十三五”生态环境保护规划》中提到：“完善秸秆收储体系， 支持秸秆代木、纤维原料、清洁制浆、生物质能、商品有机肥等新技术产业化发 展，加快推进秸秆综合利用；强化重点区域和重点时段秸秆禁烧措施，不断提高 禁烧监管水平。” 5.2 风险分析 5 ．2 ．1 市场风险 秸秆裂解产生燃油，需要大量秸秆作为来源。虽然每年中国约产生7 亿吨秸 秆，但由于尚未建立完善的回收体系，农民更愿意违反相关法规，焚烧处置。国 家也一直在鼓励将秸秆综合利用，把秸秆变成液体燃料是一个很大的方向，但目 前也还未有大规模生产的实例。相关秸秆能源化企业在收购农户秸秆时，农户会 出高价出售秸秆，这也会给相关企业带来不小的经济压力。若生产成本过高，导 致生产的燃油价格高于传统石油制品，那么即便有再好的生态效益，没有了经济 效益，企业终究会崩溃。 5 ．2 ．2 技术风险 秸秆裂解设备是高技术设备，涉及高温工艺、信息化控制、尾气处理等多方 面领域。行业步入门槛较高，一般企业家不敢贸然步入该领域。成立这种企业， 必须要有足够的资金支持和技术支持，要将其做大更是困难。若规模较小，资金、 - 5 - 科技来源不足，产品产量和质量也难以保证，抵抗风险能力更弱，项目在初期就 容易夭折。 此外，以目前技术而言，生物裂解油的燃烧质量难以与化石燃料相媲美。燃 烧热值、燃烧强度、雾化程度均劣于化石燃油，这将严重影响裂解油的利用和普 及。 6. 技术方案 目前，世界各国通过对热解液化反应器的设计，制造及工艺条件的控制，已 研发了固定床、流化床、真空移动床、引流床、夹带流、多炉装置、旋转炉、旋 [8] 转锥反应器和辐射炉等。而用于商业运行的只有输送床和循环流化床反应器 。 6.1 技术路线 下吸式移动床秸秆闪速热解制油工艺 该工艺采用裂解产生的燃气为裂解炉热源，必威 必威betway燃烧后的高温气体经初步冷却后 送入空气脱除仓，以脱除物料空隙中的空气，并对物料进一步干燥、预热，然后 排空。洗涤塔主要由冷凝器冷凝下来的生物质油部分回流，用液体对气体进一步 洗涤净化，冷凝下来的部分生物质油作为产品，所得产品不含固体悬浮物，透明 度好、质量高。气体洗涤塔顶的冷凝器采用导热油作冷凝剂，与裂解炉出气冷却 [6] 器串接，被加热的导热油用于物料干燥 。（如图1） 导热油去气 体冷凝剂作 冷却器 空气 活性炭 固体冷凝 冷却剂 物料干燥 空气脱出仓 热裂解炉 气固分离器 旋风除尘 燃气 真空泵 气体冷凝器 气体洗涤塔 气体冷凝 气体排空 器来导热 低沸点生 油 物质油 混合研磨 生物质炭 水 新型燃料 图1 秸秆裂解工艺流程示意 6 ．1．2 循环流化床式热解液化工艺 生物质经风干、磨碎、筛分预处理成为颗粒物料，通过螺旋进料器送入液化 反应器。流化床反应器的床料兼热载体是砂子，硫化介质为热解生成的气体，由 - 6 - 空气压缩机泵入可控的电加热器经过预热后再均匀吹入床内。反应产物经旋风分 离器，将分离出来的焦炭和砂子一起送入流化床反应器底部的常规沸腾床，用焦 炭燃烧释放的热量加热砂子，热砂返回流化床反应器提供热解所需的热量，从而 构成循环。旋风分离器分离的气体产物经冷凝器，其中生物油便会冷凝而储集在 [9] 冷凝器下部，并用专门的容器进行收集和储藏 。（如图2 ） 冷 旋 凝 风 器 生物质 流 分 化 离 器 床 反 原料仓 应 器 焦炭+砂子 螺旋进料器 集油箱 空气 燃烧室 图2 循环流化床式热解液化工艺 6.2 技术实施方案 秸秆快速热裂解具有类似的基本工艺流程，即物料经粉碎、干燥后，在反应 器内进行反应，反应所得产物一般都含有炭、焦油、裂解气等成分。其中，可冷 凝部分的裂解气冷凝后即为目的产物生物油，其他产物可通过相应的净化工艺或 能量循环工艺进行处理。 下吸式移动床秸秆闪速热解制油工艺中，热裂解炉用自身产生的燃气加热， 热量被充分利用，不需要任何化石燃料；整个装置不排放任何污染物，洗涤塔底 [6] 流出的含渣高，沸点物量少 。 循环流化床式热解液化工艺是将提供反应热量的燃烧室和发生热解反应的 流化床反应器合为一体，充分利用了副产物热解焦炭和热解气，使生物质热解液 [9] 化实现热量自给，从而降低了生物油的生产成本，提高了市场竞争力 。 7. 应用转化的前景预测及分析 7.1 国内外应用或市场现状 目前，国际上研究循环流化床热解反应器的单位主要有加拿大的Ensyn 、希 腊的GRES 和芬兰的VTT 等，其中加拿大的Ensyn 已经建立了示范工厂，规模 - 7 - 最大的是2007 年在加拿大Renfrew 建立的日处理 100 吨生物质原料的循环流化 [9] 床热解装置 。 国内就目前而言，快速流化床热裂解反应器、循环流化床热裂解反应器是最 流行的热裂解反应器，其操作方便；同时，也能大范围改变固体停留时间，实现 连续操作，生产能力大，温度便于控制，相对能耗少，少、维修费用低，便 [10] 于放大。因此，流化床热裂解技术在我国得到了较好的研究和发展 。 目前，国内外对于裂解油产业尚未实现较大的市场规模，主要是因为相关产 业链还未完善，应用市场还没有打开。 7.2 经济效益、社会作用 从液体燃料的经济竞争力看，如果设备能够国产化，则生物质裂解油在产业 化初期的销售成本大约为 1100 元/t 左右，按热值折算后与当前燃料油 3600～ 3800 元/t 的市场价格相比，也具有一定的价格优势。随着生产规模的扩大，其成 本还有可能进一步下降。大规模发展生物质裂解油，不像燃料乙醇那样需要政府 长期提供高达 1000～2000 元/t 的补贴，产业化初期过后具有较强的自我维持能 [11] 力，能够更好地走市场化发展的道路 。 发展秸秆热解生物液体燃料很好的社会作用，国家的地方应加速相关产业链 的建设。该产业可以解决当下农作物秸秆积压而缺乏有效处理途径的问题，促进 新农村建设。该产业可以缓解当下大气污染尤其是PM2.5 的污染的问题，符合我 国推进生态文明建设的总体布局，同时也可以减少因大气污染引发的疾病，提高 人民的生活质量。该产业可提供大量的能源，缓解能源短缺的局面，进一步促进 经济发展。同时可以减少煤、石油等化石能源的使用量，在全球提倡节能减排的 今天，符合我国可持续发展战略，促进我国产能结构升级，

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