趙小玲

(西安科技大學(xué)，陜西西安，710054)

生物質(zhì)精煉是目前全球比較熱門的一個話題，這主要源于世界經(jīng)濟(jì)的低迷和能源供給面臨可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)。另外由于全球生態(tài)環(huán)境不斷惡化，要求人們必須認(rèn)真思考如何減少對化石能源的依賴和增加綠色能源使用［1］。目前在我國能源架構(gòu)中煤炭、石油和天燃?xì)庹紦?jù)了極其重要的地位。其中煤炭占的比例高達(dá)70%，而石油和天燃?xì)獗壤s為22%，同時我國有1/2的石油消耗依靠進(jìn)口供應(yīng)，如此高的對外依存度是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的風(fēng)險［2］。另外我國開始注重環(huán)保，這兩者要求我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展必須節(jié)能降耗和增加清潔能源使用。而生物質(zhì)能源最大的特點就是具有可持續(xù)性和減少碳排放。因此關(guān)于發(fā)展生物質(zhì)能源的重要性是鮮而易見的。

目前，生物質(zhì)能源在我國的開發(fā)和利用基本上有兩種，一是通過生物質(zhì)燃燒獲得熱、蒸汽和電力;二是通過對生物質(zhì)進(jìn)行低溫發(fā)酵產(chǎn)生沼氣［3］。當(dāng)前，在生物質(zhì)能源發(fā)展方面的創(chuàng)新和生物質(zhì)精煉技術(shù)上，全球生物質(zhì)精煉技術(shù)的引領(lǐng)者——美卓公司已經(jīng)擁有了很多生物質(zhì)能源利用的創(chuàng)新技術(shù)和應(yīng)用案例［4］。

美卓公司的生物質(zhì)精煉技術(shù)不僅包括制漿造紙領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新［4］，而且在生物質(zhì)能源的開發(fā)利用方面，其已經(jīng)擁有了生物質(zhì)熱分解技術(shù)、生物質(zhì)高溫?zé)崃呀饧夹g(shù)、生物質(zhì)預(yù)水解技術(shù)以及木素萃取技術(shù)LignoBoost等。

生物質(zhì)原料很廣泛，包括生活垃圾、農(nóng)作物廢棄物、木材和廢紙等。生物質(zhì)精煉技術(shù)的應(yīng)用目標(biāo)是將這些生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為材料和燃料，材料包括化學(xué)漿、溶解漿、機(jī)械漿、紙、紙板、納米級纖維、新型紙種等，以及熱、電和蒸汽。但新的生物質(zhì)能源技術(shù)是通過聯(lián)合熱分解和高溫?zé)崃呀饧夹g(shù)將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為燃料，包括生物燃?xì)?、生物燃油等?/p>

1 生物質(zhì)熱分解技術(shù)及應(yīng)用

生物質(zhì)熱分解技術(shù)包括生物質(zhì)直接氣化和生物質(zhì)間接氣化以及生活垃圾氣化技術(shù)三種。

1.1 生物質(zhì)直接氣化

生物質(zhì)直接氣化的工藝過程就是將木質(zhì)生物質(zhì)經(jīng)過預(yù)處理，干燥，然后在循環(huán)式汽化爐中熱分解生產(chǎn)出生物質(zhì)燃?xì)?，然后將生物質(zhì)燃?xì)膺M(jìn)行直接燃燒。

具體的應(yīng)用:在化學(xué)漿廠，采用生物質(zhì)熱分解技術(shù)將木質(zhì)生物質(zhì)如樹枝、樹皮等進(jìn)行氣化，生物質(zhì)燃?xì)庵苯铀偷綁A回收系統(tǒng)的石灰窯進(jìn)行燃燒，這樣可以替代燃油或天然氣從而使?jié){廠節(jié)約原料成本和減少碳排放。另外的應(yīng)用就是將木質(zhì)生物質(zhì)氣化后產(chǎn)生的生物質(zhì)燃?xì)馑腿脲仩t進(jìn)行燃燒，這樣可以替代煤。采用該技術(shù)客戶的收益就是高能效和降低污染物排放。

生物質(zhì)直接氣化進(jìn)行燃燒來代替燃煤的案例如圖1所示。

在位于芬蘭瓦薩市的Voima電廠，美卓公司供貨了一條生物質(zhì)氣化生產(chǎn)線，生物質(zhì)氣化爐的裝機(jī)容量是140 MW。將生物質(zhì)熱分解出的生物質(zhì)燃?xì)夤┙o電力鍋爐，250 MW燃煤鍋爐，可以替代40%的燃煤。相應(yīng)地，CO2的年排放量也將減少23萬t，相當(dāng)于7萬輛小汽車的年排放量。

1.2 生物質(zhì)間接氣化

生物質(zhì)間接氣化的工藝過程就是將森林殘留物和木質(zhì)生物質(zhì)進(jìn)行干燥，預(yù)處理，然后送入鼓泡式流化床氣化爐，這個過程和循環(huán)式流化床燃燒爐結(jié)合，循環(huán)式燃燒爐對生物質(zhì)熱分解后的殘留物燃燒產(chǎn)生熱、蒸汽，蒸汽用于熱分解等，循環(huán)式流化床燃燒爐的床底物質(zhì)在氣化器中循環(huán)對生物質(zhì)進(jìn)行熱分解。生物質(zhì)燃?xì)庠诩淄榛S經(jīng)過脫焦、脫硫和除CO2等精加工，最后生產(chǎn)生物質(zhì)甲烷氣。間接氣化示意圖見圖2。

生物質(zhì)甲烷氣可以用作汽車燃?xì)獾取Ｉ镔|(zhì)甲烷氣由可再生原料制成，因此有助于降低溫室氣體排放。

美卓公司的供貨案例中的一個是位于瑞典Gothenburg的GoBiGas項目。該項目每年用生物質(zhì)生產(chǎn)20 MW的生物質(zhì)甲烷氣。GoBiGas項目的目的是將樹枝及樹冠等林區(qū)的剩余物經(jīng)過熱分解來生產(chǎn)生物質(zhì)甲烷氣。生物質(zhì)原料在氣化工廠被轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w。在甲烷化工廠中，生物質(zhì)燃?xì)庠俳?jīng)過凈化及精加工，最后被加工成生物質(zhì)甲烷氣。這種氣體的質(zhì)量與天然氣相當(dāng)。因此在完全停止使用天然氣前的過渡階段，可將兩種氣體混合，輸?shù)焦饩W(wǎng)絡(luò)。項目的目標(biāo)是將65%的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)燃?xì)?，總體效率達(dá)到90%。

1.3 城市垃圾氣化

城市垃圾氣化技術(shù)的工藝流程包括城市垃圾進(jìn)行分類、預(yù)處理、在生物質(zhì)氣化爐中熱分解，然后將生產(chǎn)的生物質(zhì)燃?xì)饨?jīng)過冷卻過濾，最后送入鍋爐燃燒。

芬蘭拉赫提Energia電廠是全球首座用城市垃圾進(jìn)行熱電生產(chǎn)的工廠。城市固體垃圾及其他能源廢料通過工業(yè)及民用回收系統(tǒng)被回收并轉(zhuǎn)化成生物質(zhì)燃?xì)?。這種燃?xì)饨?jīng)過凈化工藝，最終變成綠色清潔氣體。該燃?xì)獗晦D(zhuǎn)送入電力鍋爐中燃燒并產(chǎn)生高溫，從而生成高溫高壓蒸汽。這種蒸汽被用于發(fā)電及地區(qū)供熱。它區(qū)別于城市固體垃圾直接燃燒的優(yōu)點包括:

(1)高效:160 MW燃料轉(zhuǎn)化為50 MW電+90 MW城市供熱;新蒸汽12 MPa，540℃;高效使用垃圾，CO2排放大大降低。

(2)適應(yīng)低熱值垃圾:拉赫提城市垃圾 (生活垃圾，工業(yè)廢料，木材廢棄物，木屑);低熱值 (LHV)14～24 MJ/kg(干燥后);水分＜30%，Cl＜0.4%。

(3)適應(yīng)性強(qiáng):當(dāng)?shù)乩?，種類繁多。

該項目氣化工藝每小時可處理360 m3回收廢料。如此折算下來，每年可處理25萬t廢料。

2 生物質(zhì)熱裂解的技術(shù)和應(yīng)用

生物質(zhì)油化的聯(lián)合生產(chǎn)工藝是:首先將木質(zhì)生物質(zhì)進(jìn)行干燥、預(yù)處理，然后進(jìn)行熱裂解，這個過程是無氧進(jìn)行的，熱裂解的熱量主要來自流化床鍋爐的爐砂。生物質(zhì)熱裂解后的焦炭循環(huán)進(jìn)入鍋爐進(jìn)行燃燒，產(chǎn)生的熱轉(zhuǎn)化為蒸汽，再進(jìn)一步用來發(fā)電。生物質(zhì)油經(jīng)過進(jìn)一步處理后可用于多種用途。熱裂解示意圖見圖3。

圖3 熱裂解示意圖

聯(lián)合熱裂解工藝對木質(zhì)生物質(zhì)材料的要求比較嚴(yán)格。材料必須非常干燥，且粒徑必須小于5 mm。在數(shù)秒鐘之內(nèi)，這種固體生物質(zhì)材料在反應(yīng)器 (熱裂解爐)中被加熱到約500℃。在該溫度下，生物質(zhì)木料被裂解為氣體。氣體冷卻后變?yōu)樯镉?。裂解過程中未冷凝的氣體和焦煤送入鍋爐作為燃料。

聯(lián)合熱裂解工藝的特點是:①生物油聯(lián)合生產(chǎn)工藝具備許多優(yōu)勢，最明顯的當(dāng)屬其一流的能效。干燥工藝是生物油生產(chǎn)過程中能耗較高的一個工段。在此段工藝中，可利用熱電廠的剩余能量。②快速聯(lián)合熱裂解工藝是一種可降低CO2排放的經(jīng)濟(jì)可行的生物質(zhì)燃料生產(chǎn)方案。聯(lián)合熱裂解工藝的生產(chǎn)特點是與鼓泡流化床鍋爐連接。鍋爐中的熱量被用作熱源。

3 對木素的新利用LignoBoost技術(shù)

一般而言，木材中木素的含量為15% ～25%。漿廠中木素的常規(guī)處理就是將含木素的黑液送入堿回收鍋爐進(jìn)行燃燒，獲取熱、蒸汽和電力。但是，堿回收鍋爐一般又是漿廠提產(chǎn)時候的最大瓶頸。一般來說，通過鍋爐改造來增加產(chǎn)能的成本比較大。但是黑液中木素沉淀后再經(jīng)過造粒可以直接作為燃料，此外，人們還在不斷地研究開發(fā)木素的新應(yīng)用，所以，木素的應(yīng)用前景廣闊。目前，木素顆粒的新應(yīng)用包括:①直接作為燃料，比如用在石灰窯的煅燒過程;②進(jìn)一步加工為生物質(zhì)甲烷氣和生物質(zhì)燃油;③木素顆粒深加工為苯、碳纖維、活性炭、膠黏劑等。

由于新型交通工具要求有更低的能耗和更輕的質(zhì)量，而碳纖維可用于此目的，因此木素在這一行業(yè)的應(yīng)用前景也非常廣闊。活性炭是另一個可用木素作為原料生產(chǎn)的潛在產(chǎn)品。對重金屬排放等的嚴(yán)格要求，增加了對活性炭的需求。塑料行業(yè)是另一個巨大的市場。木素可用作該行業(yè)的基礎(chǔ)材料。苯酚或苯酚混合物即是一例。2006年，全球苯酚產(chǎn)量為800萬t。目前，苯酚以化石材料制成。

黑液中木素萃取的簡單工藝過程就是對黑液中的木素進(jìn)行沉淀，然后脫水，調(diào)態(tài)最后進(jìn)行造粒。這個工藝過程采用的技術(shù)就是美卓公司開發(fā)的LignoBoost技術(shù)。

4 小結(jié)

生物質(zhì)精煉技術(shù)將制漿造紙以及電力產(chǎn)業(yè)的價值鏈進(jìn)行延展，同時將降低制漿造紙過程的成本。另外，生物質(zhì)精煉技術(shù)將會對生物質(zhì)的利用提供創(chuàng)新，比如生產(chǎn)生物質(zhì)燃料、納米級纖維、以及新型紙種等。所有對生物質(zhì)的精煉，都將進(jìn)一步帶給制漿造紙產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新動力。生物質(zhì)能源技術(shù)的創(chuàng)新將深化人類對生物質(zhì)能源的充分利用和環(huán)保利用，當(dāng)然最主要是使整個產(chǎn)業(yè)和社會的清潔發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展。

［1］曹邦威.關(guān)于生物質(zhì)利用的最新進(jìn)展［J］.中國造紙，2011，30(7):57.

［2］林智欽.我國新能源領(lǐng)域中的競爭問題分析［C］.2012’新能源發(fā)展論壇.北京，2012.

［3］毛長斌，倪永浩.生物質(zhì)提煉的研究進(jìn)展及在造紙工業(yè)上的應(yīng)用［J］.中國造紙，2008，27(7):63.

［4］Jussi M?ntyniemi.美卓生物質(zhì)能源創(chuàng)新［S］.2012. CPP