欧洲生物质能利用的研究现状及特点

欧洲生物质能利用的研究现状及特点中国科学院广州能源研究所2004-8-11搞要:以欧洲三国访问为背景材料，从某些侧面介绍了欧洲生物质能利用的研究现状及特点。关量词:欧洲能源作物联合燃饶联合气化焦油裂解生物质液化0引言作为清洁的可再生能源，生物质能的利用已成为全世界的共识。欧洲许多国家的政策法规，考虑到能源利用对环境的影响，不仅鼓励生物质能的研究和开发，而且给予适当的财政支持，刺激其发展。欧盟在促进生物质能研究方面起积极的推动作用，资助了许多项目的研究和发展，使欧洲生物质能研究的步伐大大加快。我们在学习国外先进技术的同时，也应该借鉴其管理和运作模式，推动我国生物质能利用的进一步发展。1政策法规的影响用生物质代替矿物燃料，是减少CO2排放的理想方式。欧洲国家制定政策法规，致力于以可再生能源代替矿物燃料，鼓励生物质能的研究开发，以减少温室气体的排放，并定下具体指标。例如，比利时的基础能源消耗以核电、煤和天然气为主，可再生能源的贡献很小。walloon地区是比利时生物质资源较丰富的地区，为了充分加以利用，促进该地区可再生能源的发展，1995年，在当地政府的支持下，成立了一个由农业部、能源和环境部及E1ectrabel电力公司和几家研究单位组成的小组，决定在4年时间里建立生物质气化发电中试装置。其技术路线为：种植能源作物?收割?粉碎一存储一气化一净化一发电，目的是得到技术、经济和环境的综合结论，用来评估当地、欧洲乃至世界的发展前景。所以，利用生物质发电不仅是能源计划，而且对社会和经济都有重要影响。从自身条件出发，有些国家由于拥有相当大的森林面积，具有利用生物质的潜力；有些国家则需要依赖能源作物的种植来发展生物质能技术。从能源需求的角度考虑，从生物质中获取能源的优势表现在如下几个方面：①用本地资源代替进口能源，减少国家对进口能源的依赖性。②使本国的燃料利用多样化，减少对一种能源的依赖。③是一种相对清洁的能源，可代替污染能源(如劣质煤)或有争议的能源(如核能等)。从生物质获取能源的经济可行性，很大程度上取决于生物质相对于其它燃料的价格。与世界市场煤价相比，农业和森林废弃物、木树加工业残余物以及正在研究的能源作物等生物质资源，并不经济。在欧洲很多地区，仅树皮昀便宜，可与煤价相比。因此，从现阶段看，生物质能研究是对未来技术发展和全球环境保护活动的贡献。欧洲国家通过政府补贴、优惠税收政策(如对减少CO2排放量给予成本补贴)等，保证生物质能源工程的实施。2能源作物从1970年开始，能源作物的种植引起人们的兴趣。在欧洲，进行了多类能源作物的研究，涉及技术、经济、能源和环境几方面，从种植、收割到利用过程全面分析其作为能源的潜力。由于一些国家的政策和财政支持，少数能源作物得到发展和商业化应用，为欧洲未来能源作物需求提供了有价值的信息。现有能源作物可大致分为4类，即①木质(森林)作物：固体能源作物(如SRC)。②草本作物：供燃烧用。③含油种子作物：制造生物柴油(如油菜、向日葵)。④宫糖作物：通过发酵过程制造乙醇。有效利用能源作物，能节约矿物燃料，并减少温室气体C02的排放，其自身由于对农药的需求低，属于环境友好型。而且，一些作物是多年生的，减少了土壤侵蚀、硝酸盐滤出、腐植土降解的危险。通过种植，还可将废水和污泥安全转换入生物质。已证明：SRC是一种较好的能源作物，用于地区供热、小型电厂、CHP等，在瑞典和丹麦已实现商业化。工业应用中，为了达到低腐蚀、低结渣、低的NO2排放，以及保证较高的热值，希望能源作物中Cl、K、Ca、N和含水量低。通过种植能源作物，并考虑土地租用和农民利益，与矿物燃料、生物质废弃物(森林、农业)相比，全面分桥其成本。目前，通过财政刺激和制定有关税收政策，鼓励其研究，保证能源作物长期稳定发展，昀终实现低投入、高产出，生产环境友好型、高质量能源。3联合燃烧由于生物质的能量密度低、体积大，运输过程增加了CO2的排放，不适应集中大型生物质发电厂。而分散的小型电站，投资、人工费高，效率低，经济效益差。所以在大型燃煤电厂，将生物质与矿物燃料联合燃烧成为新的概念。它不仅为生物质和矿物燃料的优化混合提供了机会，同时许多现存设备不需太大的改动，使整个投资费用低。更积极的影响是：大型电厂的可调节性大，能适应不同混合燃烧，使很燃装置能适应当地生物质的特点。大多数燃煤电厂燃烧粉煤，生物质必须经过预处理。因为磨煤机不适合粉碎树皮、森林残余物或木块等生物质。奥地利昀大的电力供应商VERBUND对以下四种方式进行了研究：①生物质在一个独立系统中燃烧，产生的热用于现有电厂的锅炉；②生物质在组装于燃煤锅炉炉膛中的炉排上燃烧；③用专用粉碎机粉碎生物质，在燃煤锅炉中与粉煤一起燃烧；④生物质在气化炉中气化，燃气作为锅炉燃料。但联合燃烧存在以下问题：·由于生物质含水量高，使产生的烟气体积较大。而现有锻炉一般为特定燃料而设计，产生的烟气量相对稳定，所以烟气超过一定限度，热交换器很难适应。因此，诅合燃烧中生物质的份额不能太多。·生物质燃料的不稳定性使锅炉的稳定燃烧复杂化。·生物质灰的熔点低，容易产生结渣问题。·如使用含氯生物质，如秸秆、稻草等，当热交换器表面温度超过400度时，会产生高温腐蚀。·生物质燃烧生成的碱，会使骸煤电厂中脱硝催化剂失活。研究结果表明，②、④具有较强的实用性。在传统火电站中进行联合燃烧，遵从生物质发电的员便宜路线，既不需要气体净化设备，也不需要小型发电系统，可从大型传统电站中直接获利。根据实际情况优化选择联合气化方式，并通过合理的工艺设计和控制合适的运行参数，解决以上问题是可能的。4联合气化联合气化是将生物质、污泥及其他废弃物与煤按一定比例混合而气化的方式，是较有前途的方法之一。联合气化具有以下优点：①减少生物质利用牛季节因素的影响。生物质原料的供应受季节的影响，不利于大型电厂利用。②如果在大型煤气化炉中进行联合气化，可解决生物质规模利用问题。③可解决劣质煤的应用问题。④在炭反应性、焦泊形成、有害物质排放等方面有协同作用。瑞典皇家工学院在直径14cm、压力2．5—10bar的加压流化床中对木材和煤进行联合气化、由于反应活性的增加，灰中的炭含量减少，气体产量比单独气化木材和煤时都高。如果选择合适的混合比，焦油浓度也会显著减小。劣质煤由于有机组分太低，不能维持气化自供热过程，所以单独气化是很困难的。而生物质具有低灰分、低硫分、高挥发性和高活性的固定碳，与煤混合气化是非常有效的。西班牙UPC大学用松木和不同的劣质煤混合，在流化床反应器中，以空气和水蒸汽做气化介质，采用不同的混合比，进行混合气化研究，得出影响联合气化的关键因袁有：温度、加热速率、混合比、停留时间、气化介质等。松木在混合物中的重要作用是提供大量含碳氢化舍物的挥发组分及高活性的炭，维持自供热气化，以实现从混合物中产生可燃气并使劣质煤完全气化，其低点火温度和低热分解温度对气化的启动和操作有利。松木在流化床气化中，作为添加剂，提高了气化过程的热效率，气体热值、煤的碳转化率也显著地提高，从而提高了劣质煤的应用价值。5焦油裂解技术和工艺的研究生物质气化过程中产生的焦油，是阻止生物质气化技术大型化应用的关键，所以研究能耗低、效率高的焦油裂解技术和工艺成为研究的重点。下面介绍三种方法：①具有内部裂解气预烧的下吸式气化炉，原理如图1所示。在气化炉中心有一个独立的燃烧室，裂解气进入烧烧室烧烧，出来的富含C02和水蒸汽的热气化介质进入气化炉发生气化反应。在温度900—1000度时，通过调整裂解气循环流量与空气流量之比，焦油差不多可完全转化。②BTG利用一项新颖的技术，将逆流操作反应器(reverseflowreactor)用于燃气净化，如图2所示。焦油裂解反应器采用绝热的填充床，上、下充满惰性铝土矿，中间为燃烧后的白云石。开始，反应床被预热到理想的温度。随后，从气化炉出来的含焦油燃气进入裂解器。燃气的流向每隔一段时间切换一次，利用裂解器本身的蓄热特性把燃气加热。同时，由于气体出口温度降低，提高了系统的热效率。由于裂解是吸热反应，消耗部分热，所以通入少量空气与部分可燃气燃烧放热。通过控制空气流量，床温可得到控制。与传统的通过部分裂解气氧化燃烧的气体净化相比，该工艺系统简单、裂解温度高、能量需求低(是其他裂解器的1／4—1／5)，而焦油转化率高。这种工艺的缺点是需要精密、密封好、能耐高温的切换阀门。③两段气体净化系统是：从气化炉出来的气体先进入一个装有白云石的固定床焦油裂解器，接着进入含镍基催化剂的催化床，通过两次净化，焦油含量昀终达到l－－100mg／Nm3。6生物质液化研究6．1生物质快速裂解浪化生物质在极高的加热速率(1000-10000℃／s)下裂解，可昀大限度得到液体产物(70％－－80％)，且其中基本不含灰分及硫等对环境有害的物质，可直接作为燃料使用，且经过深加工，可得到优质液体燃料和重要化工原料。图3所示为荷兰TweMte大学研究开发的旋转锥反应器，生物质颗粒与惰性热载体一起加入旋转锥底部，当沿着锥壁螺旋上升时，发生快速热分解。这种技术能达到较高的油产串。与流化床快速热解相比，因不需要载气，整个系统效率提高。6.2HTU传统的裂解技术不适合湿生物质的热转化。下面介绍一种新的技术，欧洲很多国家己开始研究，这就是HydroThermalUpgrading(HTU)。湿木片或生物质溶于水中，在一个高压容器中，经过15min(200℃，300bar)软化，成为糊状，然后进入另一反应器(330℃，200bar)液化5—15min。经脱羧作用，移去氧，产生30％CO2、50％生物油，仅含10％－15％的氧。荷兰shell公司证明：通过催化，可获得高质量的汽油和粗汽油。这项技术可产生优质油(氧含量比裂解油低)，且生物质不需干燥，直接使用。7先进的生物质气化发电系统IGCC和HATC作为先进的生物质气化发电技术，从1990年起引起了极大的兴趣。目前己在世界的不同地区(如巴西、美国和欧洲联盟)建成示范装置，规模为0．5—3MW，(HATC)、7—30MW，(IGCC)，发电效率达35％－40％，能耗比常规系统低。IGCC系统和煤的相似，不做介绍。这里以布鲁塞尔自由大学(VUB)的顾nagas工程为例介绍HATC系统。该项目总投资380万美元，目标是达到商业规模2—5MWd流程如图4所示。气化过程产生的焦油，导致阀门和汽轮机严重损坏。所以，生物质燃气在汽轮机中直接燃烧仍很难实现。如果燃气在相邻的编合燃烧室—热交换器中燃烧，通过热交换器加热空气，汽轮机就可在高温的洁净空气下工作。这套示范装置安装在VUB校园内，气化过程包括加料系统、常压沥化床气化炉和旋风分离器。燃气通过绝热保温管路和高温的阀门进入热交换器中的燃烧室，进行外部燃烧。阀门将气化过程与金届空气加热器／汽轮机系统隔离开，利用精心设计的启动和停机程序，操作过程避免了焦油的凝结。从汽轮机压缩机出来的空气供给热交换器(此时加热到850℃)，使用部分天然气燃烧，以克服金属交换器的温度限制，达到汽轮机正常进口温度(1000℃)。空气加热器注入水，加强动力输出，并允许电／热比具有弹性。示范规模为500kW，满足校园供热、供电，达到了70％的总效率和24％的发电效率。8结论综上所述，欧洲生物质利用的特点主要有：①环保政策鼓励和适当的财政支持；②重视能源作物研究，为未来进行技术储备；③生物质和矿物燃料的联合应用；④联合供电供热系统开发及相应的配套研究；⑤重视新技术的研究。我国生物质利用的研究起步较晚。虽然经过10多年的发展，己从单纯的实验室研究走向中试规模，成功地应用于生产实践中，产生了一定的社会、环境和经济效益，并在“九五”期间进行家庭供气和中等规模生物质气化发电系统的研究，但和国外相比，仍然存在差距，有些方面甚至是空白。我国是农业大国，生物质资源非常丰富，而且价格相对便宜。生物质资源的有效开发利用，不仅能解决能源短缺的现状，节约大量的矿物燃料，而且能有效减少温室气体的排放，对环保作出积极的贡献。