2024燃烧学年会科普作品投稿展示|中国北方地区生物质气化清洁燃烧供暖技术与应用

文摘   2024-09-28 10:29   安徽  




中国北方地区生物质气化清洁燃烧供暖技术与应用

作者:岑珂慧,陈登宇*

作者单位:南京林业大学材料科学与工程学院



作品摘要

我国北方地区冬季清洁取暖是重大的民生工程、民心工程。本文概述了北方地区城镇供暖的主要模式,分析了生物质气化清洁燃烧供暖的技术路线和碳平衡,介绍了生物质气化清洁燃烧供暖技术及其在我国北方地区的应用,力求将专业知识通过科普的形式进行展示。

作品内容
引言

清洁供暖事关千家万户。20161221日,习近平总书记在中央财经领导小组第十四次会议上强调指出,推进北方地区冬季清洁取暖等6个问题,都是大事,关系广大人民群众生活,是重大的民生工程、民心工程;尽可能利用清洁能源,加快提高清洁供暖比重。2017年,国家十多个部委共同印发了《北方地区冬季清洁取暖规划(2017-2021年)》,其中明确了生物质能清洁供暖发展路线及适用条件。2021年中央一号文件也指出,实施乡村清洁能源建设工程,发展农村生物质能源。由此,开发生物质清洁供暖技术成为重点关注的方向之一。本文概述了中国北方地区城镇供暖的主要模式,分析了生物质气化清洁燃烧供暖的技术路线、碳平衡和应用工程,以期为中国北方地区生物质清洁供暖技术与产业的发展提供参考。

一、中国北方地区城镇供暖的主要模式

中国北方供暖主要有以下4种模式:

1)集中供暖。集中供暖的热源(燃煤电厂)主要来自于热电联产,城市热网输送能力和热电联产热源决定了集中供暖规模。热电联产热源夏季供暖负荷需求较小,城市热网夏季大多处于闲置状态或低负荷低效率运行状态,利用率较低,造成热电厂余热大量排放、热效率下降。此外,大量的北方农村地区无法采用集中供暖。

2)燃气供暖。这种供暖方式环境效益好,但是受天然气资源供应量和使用成本限制,并可能存在能源安全问题。随着中国北方地区大范围推进“煤改气”工程,在一定程度上改善了空气质量。但居民的供暖成本大幅度增加,返烧散煤现象屡禁不止;同时天然气需求暴涨,2017年和2018年遭遇了气荒。

3)电力供暖。在室内采用各种电暖气、电热膜等方式,使用高品位电能直接转换为热,但易造成能源浪费及供热成本大幅提升。中国以煤电为主,污染物排放比锅炉直接供暖污染物排放高2倍以上。从环境和经济两方面来看,大面积电力供暖对居民来说成本较高。

4)热泵供暖。地源热泵性能受地下热源分布的限制,空气源热泵耗电成本高,而且抽采地热水,可能引发地面沉降,影响工程安全,排放地热尾水还会污染地质环境。2020年河北省自然资源厅、水利厅联合印发《关于严格管控抽采地热水的通知》,除山区自流温泉外,原则上不再新立以抽采地热水方式开发利用地热的采矿权。

中国北方地区供暖热源结构以煤为主。20201月,新冠肺炎疫情爆发,全国绝大部分地区的经济活动都停了下来,但北方地区的雾霾仍十分严重。专家指出,居民燃煤采暖是造成环境污染的重要原因。因此,加快研发生物质清洁供暖关键技术,减少煤炭使用、提高清洁能源比例,对减少污染物排放和改善生活质量具有重要意义。

二、生物质气化原理概述

图1 生物质下吸式固定床气化原理


生物质气化是生物质能高品位利用的一种主要技术,通过气化装置将生物质原料的能量进行转换过程,可以将固态生物质原料转换成使用方便而且清洁的可燃气体。生物质下吸式固定床气化原理如图1所示。实验室规模的生物质固定床气化系统如图2所示。在生物质在气化炉中,当一定粒度的生物质原料进入气化装置后首先被干燥,随着料层的下落,伴随温度的升高,析出挥发分,并在高温下裂解。裂解后的气体和生物质炭在氧化区与供入的气化介质(空气、氧气、水蒸气等)发生氧化反应,放出的热量用于维持干燥、热解和还原反应。氧化后的气体含有一些不可燃气体,如:N2CO2H2O等,经还原反应减少其含量。最终生成了含有一定量的COH2CH4及部分不饱和烃CmHn的混合气体。生物质气化气可应用于供热、供气、发电等。

2南京林业大学实验室规模的生物质固定床气化系统


三、生物质气化清洁供暖的技术难题与解决方案

  1. 3.1 高含湿量生物质原料的适应性问题

技术难题:生物质气化技术对原料粒度、含水率、均匀性有严格要求,生物质预处理的破碎或干燥成本较高。现有气化装置存在对原料含水率要求高(一般要求≤ 20%)、气化不稳定、安全可靠性差等问题,开发适应高含水率原料(≥ 40%),运行稳定、安全的气化装置是生物质气化领域长期存在的一大难题。

解决方案:原有气化炉中的热量传输单纯是靠炉内的原料层层传导,生物质导热系数较差,当高含水率原料进入气化反应层时,水分挥发会带走大量热量,导致反应区温度下降,影响气化反应的稳定性。项目技术采用了新型自干燥、喷动式生物质多联产气化等装置。气化炉内衬为高温耐火蓄热砖体,中间间隔分布立式中空的引风横梁,材料为高温耐火蓄热砖体。在气化炉运行时,以空气为气化剂,原料、生物炭在氧化层发生剧烈的氧化放热反应,热量被蓄热砖体吸收,通过传导可供上层生物质原料的干燥和热解,可以适应含水率达到40%的湿原料,很好地保证了高含水率原料气化反应的稳定性。本技术简化了原料预处理工艺、降低了原料预处理成本和能耗,解决了生物质气化供暖联产炭技术对高含水率(40%)、大尺寸(0.5~10 cm)原料的适应性问题。

3.2 气化焦油处理与热燃气环保燃烧供暖问题

技术难题:生物质气化过程中会产生大量的焦油,焦油难以处理,直接排放会污染环境;在生物质气化热燃气(热焦油和气化气的混合物)燃烧供热过程中,热燃气如果不能充分、环保燃烧,会造成系统热效率低,尾气排放不达标。

解决方案:通过研发下吸式固定床气化直燃供暖、热燃气稳定环保燃烧腔等技术和装置可以有效解决上述问题。生物质原料送入新型气化炉系统,原料依次经过干燥层、热解层、氧化层、还原层和冷却层,经过一系列复杂的热化学反应,最终生成生物质炭和生物质气液混合物的热燃气。热燃气热值为1100~1300 kcal/Nm3,燃气出口温度600 ℃左右。生物质热燃气不经降温直接送入锅炉,利用低氮环保稳定燃烧技术,热燃气稳定环保燃烧,NOx排放低于国家标准。在600 ℃的热燃气中焦油等液体组分呈气态,随热燃气一起送入锅炉燃烧供暖,不仅提高了燃气热值和系统的热效率,同时也避免了因热燃气降温净化而产生的焦油、醋液难以处理的问题。炭冷却后可加工成活性炭等产品。单台气化联产炭的炉可满足2~20 t/h锅炉的热量要求,仅气化热燃气供暖即可满足系统运行成本。

3.3 高质炭产品开发与技术经济性问题

技术难题:传统生物质气化一般以可燃气产物为主,生物质炭得率低(< 18%)、品质差(含碳量 < 70%、灰分含量 > 20%),气化产物利用价值低和利用途径少,整体技术经济效益不佳。

解决方案:活性炭是一种孔隙发达、比表面积大、吸附能力强的功能型炭材料,经济价值较高。物理活化法活性炭的生产一般是将原料先炭化(500 ℃左右),再活化(850~1000 ℃),存在活化温度高、活化时间长、能耗高等温度。生物质气化清洁供暖联产炭工艺,炭化时间短,炭化效率高,可以替代传统的炭化技术。此外,传统炭化时原料表面气相和固相呈正压,表面产生的焦油挥发不完全,最终炭的孔隙难以形成或被堵塞。在本工艺中,采用限制性供氧,氧气具有活化造孔的作用,同时产生的可燃气被连续抽出,生物质固相表面呈微负压,一定程度上有利于生物质的分解,也有利于炭化料孔隙的形成。本技术在清洁供暖的同时,得到了活性炭等高附加值产品,解决了传统活性炭生产的高污染、高能耗等问题,具有明显的经济和环保优势。

四、生物质气化清洁供暖的工艺及应用案例

生物质气化清洁供暖联产活性炭的工艺流程如图3所示。该工艺系统由上料系统、进料系统、新型气化联产炭系统、排炭冷却收集系统、可燃气燃烧系统、燃气锅炉系统、活化系统、控制系统等组成。生物质原料通过提升机送入通过皮带输送、炉前料斗、送入下吸式气炭联产固定床气化炉。以空气作气化剂,生物质在600~800 ℃的温度下气化(产气量1.9 Nm3/kg左右、得炭率25~30%),气化后产生热燃气(热值1200 kcal/Nm3、温度600 ℃左右)通过管道送入锅炉燃烧器燃烧,高温引风机作为引风动力。锅炉产生的热水用于供暖,单台气化联产炭的炉可满足2~20 t/h锅炉的热量要求。气化炭(碘吸附值500~650 mg/g)送入回转炉,在蒸汽活化剂的作用下活化,生成活性炭(碘吸附值900~1000 mg/g)。

图3 生物质气化清洁供暖联产活性炭的技术流程图


果木气化清洁供暖联产活性炭系统的碳平衡如图4所示。首先植物生长从大气中吸收1.72 t CO2,形成含碳47%1 t生物质果木,气化后向大气中排放0.84 t CO20.24 t CO2转化至生物质气化炭。随后,气化炭进一步活化,0.12 t碳被转移到活性炭中,0.44 t CO2将被释放到大气中。因此,在1 t果木废弃物气化清洁供暖联产活性炭后,空气中的0.44 t CO2将固定在活性炭中,固碳减排效果显著。

图4 果木气化清洁供暖联产活性炭系统的碳转换示意图


在河北省承德市建成以果木废料、果壳为原料的生物质气化清洁供暖联产活性炭工程(图5)。2020~2021年供暖季为中学和居民区供暖达36.7m2消耗约1.22t果木废料和果壳,制备活性炭约2255 t,节约标煤约5750 t,减排和固定CO2 2.37t2023~2024年供暖季,政府批复和企业计划建设的农林生物质气化清洁供暖面积已达1000m2以上。

5 果壳/果木废料气化清洁供暖联产活性炭工程

五、展望

生物质气化清洁供暖技术先进、成熟,设备运行可靠,经济效益和环境效益俱佳;与燃煤供暖相比,可大量减少CO2NOxSO2排放。生物质气化清洁供暖技术的产业化应用,将有助于推动中国北方地区清洁供暖及相关生物质产业经济的发展。
作者介绍



岑珂慧,第一作者,南京林业大学材料科学与工程学院博士生,主要从事生物质热解气化研究。以第一或第二作者(导师第一)发表SCI论文14篇,其中SCI一区论文8篇,授权发明专利5件。主持江苏省研究生科研与创新计划项目1项,获江苏省优秀本科毕业论文一等奖、江苏省优秀硕士学位论文、江苏省工程热物理会议第十五届学术会议优秀论文奖、江苏省工程热物理学会科学技术奖一等奖(排5)、江苏省行业领域优秀科技进展(排7)。


陈登宇,通讯作者,南京林业大学教授/博士生导师,国家万人计划青年拔尖人才入选者,江苏省高校优秀科技创新团队带头人,中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛优秀导师。主要从事生物质能源领域的教学、科研和产业化推广工作,研究成果入选2022年中国林草科技十大进展、2022年江苏省行业领域十大科技进展,获2023年度国家科技进步奖二等奖(排2)、江苏省科学技术奖一等奖(排3)、中国可再生能源学会优秀科技工作者奖、中国科学院院长特别奖。



本期编辑:刘洋  审校:胡皓玮

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