石家庄东昊化工研究院有限公司
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1.项目背景 1.1传统化石能源逐渐走向枯竭 化石能源石油、煤炭和天然气作为人类生存和发展的重要物质基础，支撑了19世纪到20世纪近200年来人类文明的进步和经济社会发展。然而，化石能源的不可再生性和人类对其的巨大消耗，使化石能源正在逐渐走向枯竭。据美国地质局估计，全世界最终可采石油储量为3万亿桶。由此推算，世界石油产量的顶峰将在2030年出现。由于剩余储量开采难度增大，石油产量会快速下降。世界煤炭总可采储量大约为8475亿吨。长期来看，尽管世界煤炭可采储量相对稳定，但还是出现了下降的趋势。按当前的消费水平，最多也只能维持200年左右的时间。世界天然气储量大约为177万亿立方米。如果年开采量维持在2.3万亿立方米，则天然气将在80年内枯竭。 就我国而言，化石类能源探明储量约7500亿吨标准煤，总量较大，但人均能源拥有量却远远低于世界平均水平。煤炭、石油、天然气人均剩余可采储量，分别只有世界平均水平的58.6%、7.69%和7.05%。近几年，我国的能源生产一直保持着快速增长势头。2010年，我国能源生产总量为296916万吨标准煤。其中，煤炭比重高达76.5%，原油比重下降为9.8%，天然气占4.3%，其它核电、水电、风电等占比9.4%。我国煤炭储量相对丰富，但从中长期来看，仍面临诸如储存条件、勘探水平、运输条件、安全因素等多方面因素的限制，能被有效开发利用的煤炭资源量明显不足。随着化石能源储量的逐步降低，全球能源危机也日益迫近。以化石能源为主的能源结构，具有明显的不可持续性。 1.2化石能源的消耗使环境污染愈发严重 化石能源的利用是造成环境污染与恶化的关键因素。大量的化石能源消费，引起温室气体排放，使大气中温室气体浓度增加、温室效应增强，导致全球气候变暖。1860年以来，全球平均气温提高了0.4℃～0.8℃。IPCC（政府间气候变化专门委员会）所做的气候变化预估报告的结论是，CO2为温室气体的主要部分，其中约90%以上的人为CO2排放是化石能源消费活动产生的。化石能源，特别是煤炭的使用带来大量的二氧化硫和烟尘排放，也是造成我国大气污染的主要来源。尽管应对措施初步遏制了酸雨范围逐步扩大的趋势，但酸雨仍在局部地区加重。机动车尾气污染等问题日益严重，特别是在大城市，煤烟型空气污染已开始转向煤烟与尾气排放的混合型污染。我国近几年大气污染呈现越来越严重趋势，雾霾频发，空气恶劣，给人们工作生活和身体健康带来严重影响。如何既要发展经济，又要清水蓝天，改变现有能源消费结构就是唯一出路。2017年年底之前，我国许多省份实行禁止使用小于10蒸发吨的燃煤锅炉，旨在有效缓解大气污染状况，有条件的可以改烧天然气，但工业企业多数是分散的，并不具备天然气使用条件，改烧生物质燃料应该是首选途径。 目前，已经有50多个国家制定了相关法律、法规或行动计划，通过立法的强制性手段保障战略目标的实现。2006年3月欧盟首脑会议指出，到2020年，可再生能源将占整个欧盟25国能源消耗量的20%，生物液体燃料的比例至少要达到10%。2005年，美国提出宏大目标计划，即未来利用风电提供全美国20%的电力供应，2030年生物液体燃料将占美国车用燃料30%以上。我国于2007年9月公布《可再生能源中长期发展规划》，明确提出，到2010年，可再生能源年利用量要达到3亿吨标准煤，占能源消费总量的10%；到2020年，可再生能源年利用量要达到6亿吨标准煤，占能源消费总量的15%。预计到2050年，可再生能源将占世界一次能源的三分之一，并满足能源增长的大部分需求。事实说明，努力减少对化石能源的依赖，是保证未来人类文明得以延续的必然选择，不断提高可再生能源在全部能源中所占比重，最终实现对化石能源的替代，是人类社会发展的必然趋势。 1.3农林生物质是可再生清洁能源 农林生物质主要是各种农作物秸秆、谷壳、玉米芯、果壳、树枝、树叶、锯末、树皮等。堆放和焚烧就是污染物，合理利用就是可再生能源。我国农作物秸秆年产出量为6.04亿吨，其中造肥还田及其收集损失约占15%，剩余5.134亿吨。用作农户炊事取暖、畜牧饲料和少量工业原料约占40%，即2.05亿吨，弃于田间地头直接焚烧的约占60%，即3.08亿吨（相当于1.54亿吨标准煤），既危害环境，又浪费资源。 农林生物质来源丰富，取之不尽，用之不竭。生物质能源资源丰富，分布广泛，全球生物质能源潜在可利用量达350EJ/年，约合82.12 亿吨标准油，相当于2009年全球能源消耗量的73%。 农林生物质作为能源，是从太阳能转化而来，通过植物的光合作用将太阳能转化为化学能，储存在生物质内部的能量，与风能、太阳能等同属可再生能源，可实现能源的永续利用，使用过程生成二氧化碳和水，形成二氧化碳的循环平衡。生物质能源中的有害物质含量很低，属于清洁环保能源。以农林生物质替代化石能源煤炭、石油和天然气，既解决化石能源枯竭问题，又能化解地球环境污染。 1.4农林生物质液化燃料是发展趋势 能源消耗主要是工业部门，占比70%以上。农林生物质加工新型燃料的商品化也应着眼于工业应用，才有发展动力和市场前景，因为民用毕竟用量有限，也存在市场运作分散的问题。农林生物质尤其农作物秸秆通过物理压缩后可以作为锅炉和工业炉燃料，但对炉膛结构、换热面积、燃烧温度和排灰形式都有特殊要求。农林生物质的热值较低，无机盐灰分较高，燃烧焦油量大，容易在受热面结焦结渣，降低热效率，停机检修清理非常频繁，影响生产。使用农林生物质固体燃料，需要特制锅炉和工业炉，存量燃煤锅炉和工业炉无法使用这种燃料，改造非常困难，出力也达不到用热需求。使用固体农林生物质燃料，有收储、晾晒、安全、灰处理等诸多问题的制约，影响企业规模使用的积极性。 将农林生物质转化成液体燃料油供应工业使用，储存方便、安全，占地面积小；运输方便、费用低；尤其体积热量密度高，能保证较高的热效率；开停机方便，易于间歇操作；使用环境清洁，没有处理灰的烦恼。使用液体燃料的锅炉和工业炉，造价较低，存量燃煤锅炉和工业炉不用改变任何炉体结构，只增加一个燃油燃烧器就可以。所以说，将农林生物质转化成液体燃料油是适应市场需求的最佳途径，是农林生物质商品化新能源燃料的发展方向。 农林生物质生产的初级普通燃料油，可以直接用于锅炉和工业炉燃料，也可以经过简单精制提质，作为中低速内燃机燃料，替代普通柴油和重油。经过催化裂解和加氢裂解，生物油可以转化为轻质油，获得汽油和柴油。
2.生产技术 2.1农林生物质液化燃料技术概述 农林生物质是化石能源未普及使用之前的家庭传统燃料，工业领域有效利用技术开始于20 世纪70 年代末期，主要是利用热化学转化和生物转化技术将生物质转化为气、液和固态多种能源产物和化学品。热化学方法包括：直接燃烧、气化和热解。众多的研究发现，生物质热解技术是生物质利用的重要途径，尤其随着人们对热解产物研究的不断增加, 以获得最大量液态产物( 生物燃油) 为目的的热解技术的研究和应用越来越受到重视。生物质热解是生物质在一定的介质条件下，产生液体( 生物油) 、气体( 可燃气) 、固体( 焦炭) 3 种产物的生物质热解降解过程。以获得液体燃料为目的农林生物质热解液化技术主要有三种途径：①水解法，生物质在高温高压（300℃、10MPa）、碱性催化剂作用的水热状态下转化成液体燃料，生成物：油50%，木炭15%，气体15%，水相中有机物含量20%左右。分离油、木炭，脱除水分，获得生物质燃油。这种生物质液化方法对生物质水分要求低，油的回收效率较高，可以达到50%以上，但运行费用高，没有经济性，并且在水相和油相分离中排放大量废水，处理污水是个难题。②气化合成法，这种方法与煤的间接液化技术一样，是将生物质先气化成煤气，然后经过费托法加氢合成，获得烃类与醇和含氧化合物的混合燃油。间接液化技术已有80多年历史，商业化装置比较成熟，获得的燃油，水分和含氧量较低，热值和十六烷值较高，性能接近于石油基烃类轻质燃料，产出汽油、煤油和柴油，可以作为车用燃油。但这种方法生产成本高，有废水排放，尤其固定资产投资巨大，日产1500吨燃油为最低规模，吨投资额超过150万元人民币，并且要求原料能集中供应。对于农林生物质的区域性、分散性和季节性的特点，采用间接液化技术没有经济意义。③快速热解法，是农林生物质在绝氧氧或缺氧条件下进行热分解， 最终生成焦炭、生物油和不可冷凝气体的过程。三种产物的比例取决于热解工艺的类型和反应条件。一般地， 低温低速热解温度不超过580℃，产物以木炭为主； 高温快速热解温度范围在700- 1100 ℃,产物以不可冷凝的燃气为主；中温闪速热解温度在500-650 ℃，产物中燃料油产率较高，可达到60%-80% 。农林生物质快速热解技术就是将低品位的固体生物质经过中温快速裂解、淬冷回收可燃液体燃料的技术过程，这种液体燃料由近三百种有机物组成，主要有醛类、酸类、醇类、酮类、酯类和酚类，呈深棕色酸性液体，有焦油气味，含水和含氧量较高，热值介于18-21 MJ/kg。这种液体燃料（油），易储存、易运输，体积能量密度较大，既可以直接作为锅炉或工业炉燃料使用，也可以再加工提质成轻质燃料或提取化学品。农林生物质快速热解技术，生产装置投资小，生产规模可大可小，比较灵活，比较适合农林生物质来源特点；生产能耗小，成本低，无污染物排放，产品既可直接做燃料，又具再加工性。在三种农林生物质液化技术中，具有明显技术和经济优势。 2.2农林生物质快速热裂解制取燃料油是生物质能源的发展趋势 生物质能源转化是各国能源科学家的重点研究课题，而生物质转化成液体燃料才具备替代化石能源的实际意义。比较而言，快速热裂解农林生物质制取燃料油，是技术可行、最为经济的办法，各国都在这方面加大投入，研究开发和实施生产。2007年，美国时任总统布什提出了到2017年每年生产350亿加仑（1324.8935亿升）可再生替代燃料的目标。并多次视察了美国新能源各个研究机构，以推动可再生能源的发展。美国太平洋西北国家实验室（PNNL）和国家可再生能源实验室（NREL）在评价多年来快速热解和生物油精制研究成果的基础上，提出了日处理木质生物质2000吨/天、年产7600万加仑汽油和柴油的快速热解工程实方案，并付诸实施。该工程采用循环流化床快速热解系统制取粗生物油，然后经由催化加氢、加氢裂解和水蒸气重整制氢组成的生物油精制系统，将粗生物油转化成汽油和柴油。每吨生物质可以制取378.5L汽柴油，生产成本低于石油炼制汽柴油，结果非常乐观，表现出生物质快速热解液化技术的美好前景。 2.3循环流化快速热解农林生物质制取燃料油的技术优势 农林生物质热解制油工艺装置的技术关键有两个方面：一是热裂解反应器形式；二是能耗控制。美国、加拿大、西班牙、英国、意大利、芬兰、荷兰、法国等各国开发了多种热裂解反应器形式，流化床反应器、循环流化床反应器、烧蚀反应器、旋转锥反应器、引流床反应器、输送床反应器、真空移动床反应器等作为工业示范装置。而规模化、商业化运行比较好的就是采用循环流化床反应器的加拿大国际能源转换公司（RTI）和美国可再生燃料技术公司（ENSYN）。荷兰的旋转锥反应装置也实现了示范性运营，但产能达到10000t/a非常困难。 我国近十年各院校和科研机构在农林生物质热解液化技术开发方面也做了大量工作，技术最成熟的也是循环流化床反应形式，已经在吉林等地建起工业化示范装置，生物质热解液化燃料油技术逐渐趋于成熟。 循环流化热解是指热介质的循环加热、放热以及介质与生物质粉体的接触流化和混合传热。使用热介质给生物质传热，是为了增加换热面积，达到迅速转热和热解均匀彻底的目的。热介质的循环，可以实现最大限度的节约能耗，避免热量排放和散失。循环流化床工艺模式，较其它工艺模式的优势在于单套系统可以实现较大规模的产能，热效率高，热解均匀彻底，出油率较高，装置连续运转寿命比较长，维修量少。但系统比较复杂，需要在工程设计、设备选型、材料和控制仪表选用方面做到计算精确、重视细节和深知物性。 循环流化热解工艺过程是先将农林生物质粉碎，连续输送到干燥机干燥，脱去全部表面水分和大多数结构水分，再连续进入到循环流化床热解反应器裂解。高温热介质也连续进入反应器与生物质粉体混合传热，使生物质迅速升温、快速裂解成小分子气体，气体进入冷凝装置快速冷凝成液体，不凝的气体是可燃气，输送到燃烧炉燃烧加热介质。从反应器出来的介质和焦炭混合物经过分离，介质再循环到加热炉连续加热，加热过的热介质再连续进入反应器。加热装置的尾气送入生物质干燥装置作为干燥热源。分离出的焦炭经过间接冷却送入焦炭加工工序，或生产活性炭，或制成块状燃料，或用于生产炭基肥料。 石家庄东昊化工研究院有限公司开发的循环流化热解工艺，针对国外工业装置和国内实验装置存在的问题，进行了技术改进和完善，热解温度、热解时间和气体停留时间可控性更强；生物油水分可以控制在15%以内，利于直接使用和精制提质；热能回收系统更完善，全系统处于完全密闭保温状态，散失和排放热量非常少，出油率更高，一般达到50%以上；对于高水分含量的生物质，系统余热完全能够满足干燥用热，不需另外补充热能；适合各种农林废弃生物质的热解制油，无粉尘燃爆风险；装置易损件少，维修量小，连续运转故障率低，装置寿命长；单套系统生物油产能可在5000-40000吨/年之间任意选择合适的装置规模。该工艺装置已实现万吨级工业转化，并以“农林废弃生物质热解制取工业燃料油生产装置”获得专利。 3.经济指标 3.1生产成本 吨生物油生产成本： 原料：单价300元/吨，单耗2.2吨/吨，金额660元； 电：单价0.85元/kwh，单耗120kwh/吨，金额102元； 人工：单价4万/年.人，共30人，平均金额120元； 合计：882元 其它费用：折旧摊销费用、管理费用、销售费用、修理费用，金额300元 合计：1182元/吨 3.2经济效益 吨销售价格：生物油热值4500kcal/kg，参照工业商业天然气价格3.65元/m3按热值折算，生物油销售价格1825元/吨。 吨利润总额：1825-1182=643元 3.3扶持政策 财政部、国家税务总局2015年6月12日印发（2015）78号通知《资源综合利用产品和劳务增值税优惠目录》第四类，餐厨垃圾、畜禽粪便、稻壳、花生壳、玉米芯、油茶壳、棉籽壳、三剩物、次小薪材、农作物秸秆、蔗渣，以及利用上述资源发酵产生的沼气。生产生物质压块、沼气等燃料，电力、热力。增值税退税比例100%. 财政部、国家税务总局（2008）47号《资源综合利用企业所得税优惠目录》，农作物秸秆、壳皮、锯末、树皮、树枝，利用70%的深加工，减计征收企业所得税，即减少账面收入的办法减少应税额。 财政部《秸秆能源化利用补助资金管理暂行办法》规定，年消耗秸秆1万吨以上，即可享受财政补贴。国家和地方都有补贴，补贴标准各地有少许区别。
1.概述 农林生物质制取燃气是生物质气化过程，以氧气（空气、富氧或纯氧）、水蒸气或氢气等作为气化剂（气化介质），在高温条件下通过热化学反应将生物质转化成可燃气（生物质燃气0，其可燃成分主要为CO、H2、CH4，混合有CO2、N2等不可燃气体。生物质气化是通过改变生物质原料的形态来提高能量转化效率，获得高品位能源，能源转化效率是生化（发酵制取沼气）的一倍，可高达80%，并便于工业化、规模化生产燃气，供应工业生产和居民生活直接燃用。 农林生物质气化所得燃气，其热值与生物质水分、气化剂品种和气化炉炉型有关。生物质适当的水分是保证燃气品质的关键因素之一，水分高，则热值低，甚至不容易点燃。生物质气化一般采用空气为气化剂，很少采用水蒸气或氢气。利用空气和富氧空气作为气化剂，燃气热值有较大区别。以空气为气化剂，燃气热值3.8-6.5MJ/m3；以富氧空气为气化剂，燃气热值8.8-12.5 MJ/m3。气化炉炉型对燃气热值有一定影响，但影响不是太大，不同的操作控制手段，会影响不同炉型产气品质高低。 生物质气化制取燃气已有很久历史，商业化应用可以追溯到19世纪中叶，在二战期间尤为兴盛。到了上世纪末，由于化石能源的过度使用带来了许多危害，各国又开始重视生物质气化技术。到今天，生物质气化技术已有长足发展，气化炉种类、先进程度和单机生产规模是上世纪不可比拟的。已开发的生物质气化炉有多种形式，但商业化应用最多的是固定床气化炉和流化床气化炉。固定床气化炉有上吸式和下吸式两种形式，各有优缺点。上吸式气化炉从上到下依次为干燥层、热解层、还原层和氧化层。生物质从上部加入，向下缓慢移动，燃料床层承托在炉排上，气化剂从炉排下部进入，向上经过各反应层，燃气从上部排出。上吸式气化炉中气流和物料运行方向相反的，也称逆流式气化炉。上吸式气化炉具有气化效率高、燃气热值高、炉排和动力机械工作温度低、气化炉压力损失小、燃气夹带灰量少的优点，但也存在燃气焦油含量高、燃气温度低、加料不方便的缺点。下吸式气化炉属于顺流式气化炉，物料自上而下与气体流动方向相同。床层由上而下分别是干燥层、热解层、氧化层和还原层。其优点是燃气温度高、焦油含量低、上部加料不用严格密封。而缺点是气化效率较低一些；气体夹带灰量多，除尘要求较高；炉排和运转部件工作温度高，对材质要求较高。至于选择哪种炉型，要根据使用工况决定。如果用气用户就近布置，热燃气简单干法净化就直接燃烧使用，或者对灰炭焦油含量有要求，可以选择下吸式气化炉；如果燃气需要干法和湿法深度净化成冷燃气，或者有缓冲气柜调节使用，对灰炭焦油含量没要求，可以选择上吸式气化炉。单台固定床气化炉最大产气能力为3500Nm3/h，装置再大，就会影响热解均匀程度。 流化床气化炉常用的炉型有鼓泡流化床气化炉、循环流化床气化炉和双流化床气化炉，稳定需要生物质燃气超过3000Nm3/h，产能达到每小时几万立方燃气，采用流化床气化炉比较合适。选择流化床气化炉有几个方面的要求：第一，原料来源丰富，供应集中；第二，原料粒度和水分尽可能均匀一致；第三，用气流量波动较小；第四，不能间歇生产，不能频繁开停机。在流化气化中，对气体流速范围是有要求的，调节范围较窄，对使用燃气不稳定的用户不适合选用流化床气化炉。因热解气化时间非常短，在1-6s之间，热解炭化深度难免不均匀，对炭灰炭化均匀性有要求的，也不适合采用这种气化炉。流化床气化炉以空气为气化剂的燃气热值4.5-6.0MJ/m3；以富氧空气为气化剂，热值可达到10-12MJ/m3。 2.生物质燃气应用 农林生物质的来源有区域性和分散性的特点，这就决定了生物质燃气生产装置规模不可能做得很大。鉴于燃气输送和储存建设成本较高，商业化燃气运作仅限于居住相对集中的农村居民区和小型用热企业比较集中的工业区。对于用热较大的企业，适合自己建设生物质气化装置。工业企业利用生物质燃气为燃料，可以供应蒸汽锅炉、热水锅炉、热风炉、工业炉窑、燃气轮机发电。 3.技术经济 农林生物质水分含量小于15%的情况下，热值3500-4000kcal/kg。气化燃气产量2.0-2.5Nm3/kg，燃气热值900-1100kcal/Nm3。 3.1燃气成本 以1 Nm3清洁冷燃气计算。 原料消耗0.5kg，单价300元/吨，金额0.15元 电耗0.03kwh，单价0.85元/kwh，金额0.026元 人工费用：6人/2500m3.h-，40000元/年.人，金额0.013元 折旧、摊销、管理费用、修理费用，合计平均金额0.01元 总计：0.2元/Nm3 3.2经济效益 工业和商业天然气价格按3.65元/Nm3，民用按2.4元/Nm3。天然气热值按9000kcal/Nm3，生物质燃气热值按950kcal/ Nm3。 相当于1m39000kcal天然气的生物质燃气是9.47m3，生产成本是1.9元。 从以上数据看出，使用生物质燃气比较使用天然气成本要低，商业化运作也有利润空间。 |