生物质燃油的应用前景

第36卷第8期林业机械与木工设备2008年8月FORESTRY MACHINERY WooDWORKING EQUipmentAug.2008生物质燃油的应用前景张恩惠,王述洋(东北林业大学生物质能技术工程中心,黑龙江哈尔滨150040)摘要:从废弃生物质资源利用现状、生物质制燃油的转化技术、生物燃油生产成本预算、生物燃油的市场等方面阐述了应用生物质能的可行性,表明生物质燃油具有广阔的应用前景。关键词:生物质;生物质燃油;能源短缺中图分类号:S216文献标识码:B文章编号:1001-4462(2008)08004404Application Prospect of Bio-oilZHANG En-hui,. WANG Shu-yang( Engineering Center for Biomass Energy Technology of Northeast Forestry University, Harbin Heilongjiang 150040, China)Abstract: The feasibility of utilizing biomass energy is stated in terms of utilization status of waste biomass resources,conversion technology of fuel produced from bicproduction cost budget of bio-oil and the potential market of bio-oil.which shows that bio-oil has a promising appliKey words: biomass; bio-oil; energy shortage1废弃生物质资源利用现状还有相当20亿多吨标准煤能量的城市有机垃圾需要生物质能是地球上最普遍的一种洁净而又可再生处理和利用的能源其原料资源量大而广,可开发潜力巨大。全世界综上所述,目前我国每年至少有当量为5亿多吨每年由光合作用而生成的可利用干生物质( Driedbiomas)标准煤的废弃生物质可以利用,它相当于每年有3亿约为1700亿t,而目前将其作为能源来利用的仅为13多吨生物质液化燃油的开发潜力,其资源的开发前景亿t,约占其总产量的076%。然而这不足1%的生物十分乐观。质能却解决了全世界能源消费的15%,是世界上大约但由于没有先进高效和进入市场的可利用技术,15亿人生活用能的主要来源,目前其发挥的能源作用我国每年有相当于数亿吨标准煤的各种农作物秸秆、排第四位仅次于石油煤和天然气。我国是一个农业壳皮、树皮、锯末和枝丫等被白白废弃,造成资源巨大大国,可利用的生物质能资源十分丰富。例如我国年的浪费。这些得不到及时处理的废弃物既造成环境污产各种秸秆、玉米芯、棉柴、稻壳等农业废弃生物质7染和恶化,又增加火灾隐患。若对其焚烧处理,不但加亿多吨约合3.5亿t标准煤,目前,用于取暖做饭、饲剧大气污染,甚至还影响航空交通安全。料加工、人造板和就地粉碎还田等近3亿t,尚有近4亿t未被利用。如把这些未被利用的废弃生物质全部2生物质制燃油的转化技术加工成生物质液化燃油则可约合1.3亿t轻柴油。除了上述农业秸秆类废弃生物质以外,我国每年还产有21快速热解技术相当13~15亿t标准煤的薪柴生物质,可生产约合1中国煤化工解反应器,热解反0.8866-1.0亿t轻柴油。另外,据统计估算,我国每年应器丬CNMH不同在很大程度上决定∫热解产物的最终分币。荷兰 Twente大学开发收稿日期:2008-06-10的旋转锥式反应工艺不用载气,这不仅大大减少了装基金项目:863计划资助(2007AA057414);黑龙江省博士后资助项目(LBH-Z06140)置体积,而且减轻了冷凝器负荷;但生产规模小,能耗第8期张恩惠,等:生物质燃油的应用前景较高。美国 reorga工学院(Gr)开发的携带床反应向低温区移动较大,转化率也有所提高。张秀梅等研究器,其内部高温燃烧气可将生物质快速加热分解,得了利用催化剂(5种金属氧化物和2种碳酸盐热解制到58%的液体产物,但需要大量高温燃烧气,而且还取富氢燃料气,结果表明,在5种金属氧化物中,CrO3产生大量低热值的不凝气。加拿大 Ensyn工程师协会的催化效果最好。催化剂(CaCO3和NaCO)所占生物开发研制的循环流化床设备小巧,气相停留时间短,质的质量分数对热解气和富氢气体产率有明显的影可防止热解蒸汽的二次裂解;但主要缺点是需要载气响,当质量分数从0增加到30%时,热解气和富氢气体对设备内的热载体及生物质进行流化。美国国家可再产率增加较为明显,而后其值的增加可以忽略,因此推生能源实验室(NREL)开发了涡旋反应器,加拿大荐使用的催化剂质量分数为30%。Laval大学开发了多层真空热解磨反应器。热等离子体2.3生物转化与快速热解结合制液体燃料方法的研究快速热解液化是最近采用的生物质液化新方法,它采及开发热等离子体加热生物质颗粒,使其快速升温,然后迅速分离冷凝得到液体产物。除此还有 Bastien Baumlin生物质热解油的产率及品质除受热解反应技术因等对自行搅拌反应器应用的研究, a B Ross等对C-素影响外,还受到生物质组成、灰分等因素的影响。除Ms应用的研究。国内研究的反应器有流化床、固定了直接快速热解、酸洗预处理和快速热解结合快速热床、循环流化床、输运床、层流炉、真空移动床、旋转锥解与发酵结合等方法,还有生物转化与快速热解结合形反应器、旋转筛板热解反应器等,它们都有各自的的方法制备生物燃油。优缺点。目前,用于商业运行的只有输运床和循环流中国科学院工程研究所开发出了生物转化与快速化床系统。热解结合制备液体燃料,即将生物质(如秸秆)进行蒸快速热解液化应具有如下特征:①非常高的加汽汽爆,再经水抽提除去半纤维素然后将残渣进行固热和传热速率,因此要求进料粒度细;②气相反应态发酵制得液体燃料乙醇,发酵残余物再通过快速热温度约在50℃蒸汽停留时间少于2s;③对热解蒸解制得液体燃料工艺流程如图2所示。半纤维可进行汽采取骤冷处理。生物质快速热裂解工艺设备如图水解得到低木糖、乙醇等产品。1所示。生物质(秸秆、木材等)蒸汽汽」[水解→低木糖和乙醇汽爆残余物(高含纤维和木质素)水抽提半纤维素固态发醇生物油炭收集器发醇残余物快速热解燥、粉→半焦和气体冷凝系统(富含木质素和(450-600℃)生物燃油少量纤维素热分解反应器2生物转化与快速热解结合工艺流程图1生物质热裂解工艺设备24热解产物分析22催化热解①热解气体和固体。生物质热解产生的热解蒸汽目前,催化热解受到了国内外研究者的重视。和固体焦、灰离开热解区后必须迅速分开,这样才能有FundaAtes等研究了不同催化剂对生物质快速热解的利于生成较高产率和品质的液体产品。这就要求气固影响 Judit Adama等也对A-MCM-41型催化剂进行分离效率高分离时间短将二次反应程度降到最低,了分析。通过在流化态反应器中的催化气化试验发现,因此催化剂CaO能明显提高煤气热值、降低C0组分,利用量绻中国煤化工除灰工艺,但必须尽NaCO3催化气化能提高H2的含量。在秸秆中添加催化CNMHG术至关重要,其中温剂碳酸钠能使半纤维素的主要热解区间向低温区移度选择是关键。过低的冷凝温度会使热解液凝结而堵动催化剂对木质素的影响最为显著其DTG曲线由无塞管道影响操作;冷凝温度过高则会降低传热速率催化剂时的单峰变为一大一小两个峰,主要热解区间延长热解蒸汽的停留时间增加二次分解机会,热解液林业机械与木工设备第36卷收率也会降低。考虑到上述因素,要使热解蒸汽快速冷原料可以通过计算获得。若建厂初期生物质原料的成凝、降温,应采用多级冷凝的方法,其可以得到多级油本为100元t,热载体原料为380元t,则可通过计算得产品,也有利于生物油的回收到生产用料的费用②热解液体。热解液体(生物油)的特点是其含碳量因为本工艺生产自动化程度较高,用工相对较少和含氧量高必须对其精制才能更好的利用。处理方法若按4人班,每天3班,则需12人天;若按每人每月包括催化加氢、热加氢催化裂解及两段精制等。其中,600元工资计,则可计算出每年需支出的工资费用催化裂解反应可在常压下进行,不需用还原性气体,是其它辅助费用包括水、电及生产维修费用。目前最经济的方法。生物油精制的另一种方法是先对水主要用于冷却,用量不大,由于可以循环使用,生物油进行热解气化制备合成气,然后再转化为高品这部分费用可忽略不计。位的液体燃料。朱锡锋等进行了生物质热解油气化试电费按实际的功率消耗可按普通工业用电计算,验研究。在无外部供氧情况下,生物油中氢氧元素的质电价平均为0735元度,则可估算出每年耗电的费用。量转化率为85%,而碳元素的转化率只有55%。由此说生产维修费用:若按生产设备费用的5%计算,则明,生物油热解气化仍需外部提供少量氧气作为气化可估算得到每年的投人费用剂。 Jaakko jauhiainen等也对生物油热解燃烧的溢出气体进行了研究。W-TTai等认为快速热解制生物油是33其他费用解决能源危机的重要途径之一,并证实了生物油和柴其他费用包括厂房建设、管理费用等。这部分费用油混燃的可行性。在整个成本中占较大的比例,但属于一次性投入,可以在投资回收期分摊。3生物燃油生产成本预算粗略估计需要厂房面积30m×80m=2400m2,这部分黑龙江省生物质制燃油中试示范工程基地采用快资金可按简易厂房建设估算。速热裂解技术,其生产工艺包括预处理制气供热和制根据以上各项成本估算,假设厂房、设备投资回收油三大部分。裂解反应器采用不用载气的斜槽式热载期为3年,可粗略估算出年生产300生物燃油的成本体加热采用串式复合加热炉,供热设备采用大功率秸大约为160元t秆气燃烧机。其中斜槽式反应器的特点是依靠生物质若适当增加产量,生物燃油的成本会相应下降。这热载体的重力工作无需动力;串式复合加热炉的特点样的成本有利于进行生物燃油的产业化推广。是加热热载体高速高效,提高了热能的利用率;大功率秸秆气燃烧机的特点是采用廉价的秸秆气化燃烧节煤、4生物燃油市场节电。这些工艺装备有利于降低能耗,并得到高质量的生物我国的石油缺口非常大,目前年石油缺口已超过燃油(生物燃油热值为18-25MJ/kg)。14亿t,预计到2015年将达到25亿t。与此同时,我物质制燃油的生产成本可粗略分为如下几部国农村有大量的秸秆等废弃物,每年约产生7亿t的生物质,除去农民的日常消耗外,约有4亿t的生物质31设备费闲置。把大量的低值农林废弃资源加工成高附加值的能源商品——生物燃油,是实现资源的有效利用和农年产3000生物燃油所需设备可分为三类:①生物村、林区经济的可持续发展,进一步促进国民经济发展质燃气制气供热主要设备;②生物质制燃油预处理主要的有效途径。若产油转化率按60%计算,4亿t的废弃生设备;③生物质制燃油主要设备。物质相当于4(亿t)×60%=24亿t(生物燃油)≈12根据生产能力及相应的参数,经过初步计算可选定亿t石油当量。这将大大缓解我国石油的进口压力。或研制相关的设备。这部分费用在整个成本中占较大的根据成本预算,年产3000生物原油生产线,生产比例,但属于一次性投入,可以在投资回收期分摊。成本在1600-1800元之间,按等热值粗略折算,2t生3.2生产费物原油可折合1t石化燃油,则生产石油当量lt的生物生产费用可粗略的分为料、工及其它辅助费用。这原油中国煤化工柴油汽油的价格部分费用在整个成本中所占的比例与产量有关一般都CNMHG趋势。从有利于生若年产300生物燃油每年按300天(每天24h)物质液化燃油的市场党争出发,将生物原油的价格定计算考虑到原料的转化率(按60%计算)耗损率(可在200元左右是有竞争力的。每生产30生物燃按5%计算)含水率(按1%计算),则每天所需的生产油,可实现产值600万元获利60-120万元。若全国年第8期张恩惠等:生物质燃油的应用前景生产1.5亿t生物原油,即可创收300-600亿元人民(1):30-31币。可见,其商业开发前景十分可观。与化石燃料相比[2]王洪志陈攀峰,等生物质热解研究进展[]河北科技学院学使用生物质液化燃料可大大减少SO、NO,的排放其综报,2006,20(3):75-80.[3]杨昌炎鲁长波,吕雪松等生物质热解制燃料油及化学品的工合效益更显著。艺技术研究进展[]现代化工,2006,26(4):10-14.5结束语[4]王黎明,王述洋国内外生物质热解液化装置的研发进展[J]太我国生物质热解液化技术的研究主要是以单项技阳能学报,2006,27(11):1180-1184术为主,缺乏系统性,与欧美等国相比还有较大的差[5】刘世锋,王述洋白雪双生物质闪速热解技术及生物油的应用距,特别是在高效反应器研发、工艺参数优化、液化产[J]林业劳动安全,2006,19(1):29-33[6]Xu Shuangning, Yi Weiming, Bao mingLi. Flash pyrolysis of物精制以及生物燃油对发动机性能的影响等方面存在agricultural residues using a plasma heated laminar entrained flow明显差距。同时,热解技术还存在如下一些问题:①生reactor[J]. Biomass and Bioenergy, 2005.(29): 135-141物油通常需要专用的燃料处理设备;②生物油是高含氧[7] Zhongyang Luo, Shurong Wang, Kefa Cer. A model of wood nash量碳氢化合物,在物理、化学性质上存在不稳定因素pyrolysis in fluidized bed reactor [J]. Renewable Energy, 2005必须经过改性和精制后才能使用;③生物油的使用和销(30):377-392售缺少统一标准阻碍了其广泛应用[8]张秀梅陈冠益等催化热解生物质制取富氢气体的研究[门]燃料化学学报,2004,32(4):46449针对以上存在的差距和问题,今后的研究主要(9]陈洪章徐建,等秸秆分层多级转化液体燃料新工艺的研究进应集中在如何提高液化产物收率,寻求高效精制技[J]生物加工过程,2005,3(1):9-13术,提高生物油品质,降低运行成本,实现产物的综10]李滨,王述洋ZR5200型锥式生物质闪速热解装置液化冷凝技合利用和工业化生产等方面。在理论研究的基础上,术的研究[门]林业机械与木工设备,2006,34(1):16-18扩大现有的生产规模,降低生物油生产成本,不断完1刘世,王述洋,张勇生物质热解液化制取燃油的绿合效益分善生物油成分和物理特性的测定方法,制定统一的析门]农机化研究,200,(1):220-22.[12]张妹玉,王述洋生物燃油的特性及应用J林业机械与木工设规范和标准,使其能够参与化石燃料市场的竞争。备,2005,33(6):45-46主要参考文献第一作者简介:张恩惠(1965-),男,东北林业大学机电工[]赵军王述洋我国农业生物质资源与利用打]现代化农业,00,程学院副教授,主要从事机电设备、生物能利用研究。(上接第39页)名[N]报纸题名,出版日期(版次儿引用日期]例如:[9]萧钰.出版业信息迈入快车道[EBOL例如:[6]谢希德创造学习的新思路[N]人民日(2001-12-19)[2002-04-15lhtp/ wwreader. com报,1998-12-25(10)[20003-06]news/200112190019htm⑥国际、国家标准著录格式:[序号]主要责任者标准编号标准名称S出版地:出版者,出版年3小结例如:[7]全国文献工作标准化技术委员会第七分摘要及参考文献是科技论文的重要组成部分,必会GB/TS795-1986,中国标准书号[S]北京:中国标准须按规范格式和要求撰写。这样才能从整体上提高论出版社,1986文质量提高投稿命中率⑦专利文献著录格式:[序号]专利申请或所有者.主要参考文献:专利题名:专利国别,专利号[P公告日期或公开日期1]陈浩元科技书刊标准化18讲[M]北京:北京师范大学出版社[引用日期].例如:[8]姜锡洲.一种温热外敷药制备方案:中国[2]中国国家标准化管理委员会GB6447-86,文摘编写规范[S]北88105607[P]1987-07-26京:中国标准出版社,1986③电子文献著录格式:电子图书电子报刊及其析3]中国家标准化管理悉会CB7420,文后参考文献著中国煤化工出文献的著录格式按图书、报刊等规则处理,除此以外CNMHG辽宁省交通高等专科学的电子文献按以下方式著录。校学报,2003,5(4):78-79[序号]主要责任者题名:其他题名信息[文献类型[5]黄宁廷科技论文写作蕃本规范]经济林研究,200,24)标志文献载体标志]出版地:出版者出版年(更新或109-111修改日期)引用日期]获取和访问路径