生物質(zhì)黑顆粒技術(shù)介紹材料A

生物質(zhì)黑顆粒技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用1、生物質(zhì)黑顆粒技術(shù)研發(fā)背景習總書記2020年提出：“應(yīng)對氣候變化《巴黎協(xié)定》代表了全球綠色低碳轉(zhuǎn)型的大方向，是保護地球家園需要采取的最低限度行動，各國必須邁出決定性步伐。中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和?！蔽覈敲弘姶髧b機容量超過10億千瓦，煤電發(fā)電量占比高達60%，2018年電力煤炭消耗量高達37億噸標煤，面臨巨大的減碳壓力。要實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標，大規(guī)模高比例發(fā)展零碳能源是必然趨勢。以水風光為代表的零碳能源特別是風光等新能源，雖然具有清潔零碳等諸多優(yōu)勢，但也存在間歇性、波動性等短板。在構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)大背景下，不穩(wěn)定的新能源成為主力電源，穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)零碳電源是電力系統(tǒng)安全保障的關(guān)鍵，否則電網(wǎng)可能存在重大風險。自然界以綠色植物為紐帶的碳循環(huán)，從圖中可以看出，自然界的碳經(jīng)過光合作用進入到生物界，生物界的碳通過三個主要途徑即燃燒、降解和呼吸又回到自然界，從而構(gòu)成碳元素循環(huán)鏈，因此生物質(zhì)為國際公認的零碳清潔能源。我國生物質(zhì)資源豐富，農(nóng)業(yè)秸稈每年可收集量超9億噸，與林業(yè)剩余物、畜禽糞便和城市生活垃圾等生物質(zhì)可開發(fā)利用的生物質(zhì)能折合10億噸標煤，但目前能源化利用率不高。我國生物質(zhì)廢棄物能源化利用以直燃發(fā)電為主，經(jīng)過多年發(fā)展目前依舊存在兩大主要問題：一是秸稈體積大重量輕不易存儲，而直燃電廠秸稈燃料需求量大，造成燃料的品質(zhì)和供應(yīng)均難以保證；二是生物質(zhì)電廠建設(shè)運行維護成本高，直燃電廠建設(shè)成本約為煤電建造成本兩倍，同時生物質(zhì)富含氯離子和堿金屬離子導(dǎo)致鍋爐燃燒結(jié)焦結(jié)渣嚴重、設(shè)備穩(wěn)定運行風險高。因此，急需突破生物質(zhì)廢棄物燃料制備和應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)研究。2、黑顆粒技術(shù)及原理與化石燃料相比，生物質(zhì)廢棄物具有含水率高、能量密度低、離子含量高（農(nóng)廢物）、易吸水和難研磨特性，這些特征極大地限制了生物質(zhì)燃料大規(guī)模使用。植物細胞壁主要成分為纖維素、半纖維素、木質(zhì)素，其中半纖維素具有親水性，纖維素和木質(zhì)素為疏水性物質(zhì)。生物質(zhì)黑顆粒制備技術(shù)通過熱處理工藝使半纖維素熱解，木質(zhì)素軟化析出，破壞細胞壁使生物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)變的無序。半纖維素的熱解從根本上使生物質(zhì)具有疏水特性，同時低熱值揮發(fā)分及雜質(zhì)分離提高生物質(zhì)能量密度和含碳率，生物質(zhì)脆性化易于研磨。生物質(zhì)黑顆粒技術(shù)有高溫烘焙、蒸汽破碎和高溫水洗（濕烘焙）三種。高溫烘焙和蒸汽破碎技術(shù)成熟適宜于處理林木類生物質(zhì)原料。高溫水洗技術(shù)由上海成套院自主研發(fā)，為農(nóng)業(yè)廢棄物高鹽分高水分原料量身定制的燃料制備技術(shù)技術(shù)。生物質(zhì)黑顆粒為生物質(zhì)經(jīng)特殊高溫水洗技術(shù)熱解提質(zhì)工藝處理后制備成燃燒特性好、能量密度高、儲存便利的類煤化疏水顆粒燃料，經(jīng)類煤碳化處理過程后顏色變成棕黑色。生物質(zhì)黑顆粒的制備流程見下圖，主要經(jīng)過破碎、水熱反應(yīng)和制粒成型三個過程。圖生物質(zhì)黑顆粒制備流程3、高溫水洗黑顆粒燃料特點高溫水洗技術(shù)制備的生物質(zhì)黑顆粒具有以下優(yōu)異的燃料特性：疏水性好：黑顆粒不吸濕、不怕水，適合長距離、長時間儲運，節(jié)約電站或鍋爐用料倉儲費用，減少戶用采購周期。離子含量低：經(jīng)高溫水洗處理后，可脫除原料中75%以上的氯離子和堿金屬離子，使生物質(zhì)燃料離子含量滿足煤粉爐的燃料標準（氯離子＜0.3%，鉀離子＜0.5%），有效解決農(nóng)廢物燃燒結(jié)焦結(jié)渣和高溫氯腐蝕問題。能量密度高：黑顆粒體積和重量能量密度高（增加30％以上），密度可達1.7T/m3，節(jié)約運輸成本，比同體積白顆粒更“耐燒”。原料適應(yīng)性廣：黑顆粒技術(shù)原料適應(yīng)廣，可適用于農(nóng)林廢棄物、EFB和污泥等高鹽分高水分生物質(zhì)原料。研磨特性好成型電耗低：碳化過程中破壞生物質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)，纖維韌性降低易于制粒成型和研磨。壓縮制粒時，制黑顆粒比白顆粒制粒電耗低1/3以上；煤電耦合研磨制粉時，白顆粒約需耗電45度/噸，黑顆粒粉碎僅需12度/噸。4、黑顆粒技術(shù)的適應(yīng)性分析生物質(zhì)黑顆粒高溫水洗技術(shù)是模擬自然煤化的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過程，具有反應(yīng)條件溫和、操作簡單、無需任何添加劑、可直接處理高含濕物料和不易產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點。除玉米秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物外，對高鹽分、高水分的棕櫚殼空果串、廚余垃圾、城市污泥和動物糞便等各類廢棄物，高溫水洗技術(shù)同樣具備較好的優(yōu)異性。高溫水洗技術(shù)在處理高鹽分高水分原料的優(yōu)點主要體現(xiàn)在兩方面：一是處理熱耗低；高溫水洗處理在壓力狀態(tài)下完成，過程中液態(tài)水幾乎無相變，無氣化潛熱的熱量損失，處理噸原料的熱耗可低至0.7GJ。常規(guī)高溫烘焙和蒸汽破碎技術(shù)的處理高濕原料的熱耗是高溫水洗技術(shù)的2倍以上。二是脫除無機鹽離子，提升燃料品質(zhì)；處理過程具有很好的洗滌作用，尤其適宜于棕櫚殼空果串、農(nóng)業(yè)秸稈等高鹽分廢棄物處理，可脫除原料中75%以上的無機鹽，降低高鹽分原料燃燒結(jié)焦結(jié)渣和腐蝕的風險。5、技術(shù)研發(fā)進展上海成套院黑顆粒研發(fā)團隊自2019年底開始高溫水洗黑顆粒制備技術(shù)的研發(fā)，并按照下表6個階段的工作思路穩(wěn)步推進。生物質(zhì)黑顆粒技術(shù)研發(fā)進程時間研發(fā)階段工藝演進驗證設(shè)備技術(shù)成熟度2019原理驗證驗證高溫水洗的原理可行性/32020機理研究1.探索雜質(zhì)離子去除的影響因素2.摸索工藝參數(shù)的有效范圍3.嘗試不同秸稈的黑顆粒制備實驗室機理反應(yīng)釜4臺架試驗1.驗證基本工藝方案有效性2.優(yōu)化工藝參數(shù)3.試驗不同原料的黑顆粒制備工藝模擬生產(chǎn)工況的試驗設(shè)備52021小試線驗證工藝方案在連續(xù)生產(chǎn)條件下的有效性研制連續(xù)生產(chǎn)關(guān)鍵設(shè)備機理6中試線移動線1.驗證并優(yōu)化全套工藝參數(shù)2.編制黑顆粒生產(chǎn)操作規(guī)程驗證并優(yōu)化連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)72022示范線固化工藝參數(shù)與操作規(guī)程定型全套系統(tǒng)設(shè)計8-9先后建成了反應(yīng)釜機理試驗臺、高溫水洗間歇式大型試驗臺和帶壓連續(xù)進出料小試試驗臺位，四平熱電中試生產(chǎn)線目前安裝建設(shè)完成正在開展系統(tǒng)調(diào)試工作，并研制“秸能1號”移動式生產(chǎn)裝置發(fā)運佳木斯，探索農(nóng)村零碳取暖市場應(yīng)用。6、生物質(zhì)黑顆粒的應(yīng)用場景散煤替代截至2019年底，北方農(nóng)村地區(qū)清潔取暖改造方式以天然氣取暖和電采暖為主（約占91%），受農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展水平、能源基礎(chǔ)設(shè)施條件、居民消費承受能力等因素制約，在很多農(nóng)村地區(qū)電取暖和氣取暖大規(guī)模推廣難度大，農(nóng)村地區(qū)清潔供暖還面臨許多的問題和嚴峻的挑戰(zhàn)。一些地方仍然存在氣源不足的情況，還有一些農(nóng)村地區(qū)電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施升級改造無法短期內(nèi)解決，甚至部分已經(jīng)實施“煤改氣”“煤改電”的居民存在“復(fù)煤”的苗頭與隱患。因此，需要更合適的替代能源滿足清潔供暖需求。黑顆粒經(jīng)秸稈原料炭化處理制備而成，具有生物質(zhì)低硫低氮低塵清潔環(huán)保特性，又區(qū)別于傳統(tǒng)生物質(zhì)燃料具有耐燒易儲存等類煤特性。生物質(zhì)黑顆粒用于農(nóng)村清潔供暖，村民再也不用擔心污染物“嗆人”了，同時也不用起夜添燃料。下面兩幅圖為黑顆粒在東北村民取暖爐測試情況，左圖顯示燃燒時火焰旺盛無煙塵，右圖為黑顆粒在取暖爐內(nèi)燃燒半小時后殘余2/3以上燃料未燃燒，驗證了黑顆粒的耐燒特性。圖黑顆粒在農(nóng)村取暖爐燃燒測試生物質(zhì)黑顆粒應(yīng)用于農(nóng)村散煤取暖具有清潔環(huán)保零碳、因地制宜促進秸稈消納、無需供暖改造不改變農(nóng)民生活方式、成本與煤相當遠低于電、氣取暖成本。工業(yè)供汽我國工業(yè)用熱需求約10億噸蒸汽/年，年消耗標煤2億噸，工業(yè)供熱市場年產(chǎn)值約2000億元。隨著國家3060雙碳目標落地實施，傳統(tǒng)工業(yè)供汽能源的清潔低碳化轉(zhuǎn)型已是大勢所趨。我國已明確要求淘汰不滿足環(huán)保要求和能耗要求的燃煤鍋爐，大部分燃煤鍋爐在沒有更環(huán)保低價替代燃料的前提下選擇了天然氣替代。每噸工業(yè)蒸汽需消耗天然氣75m3以上，我國天然氣銷售均價約3.5元/m3（未計算大用戶），噸蒸汽燃料成本高達262.5元以上，考慮到水、電和維護等費用，噸蒸汽成本超過275元。生物質(zhì)黑顆粒的售價按800元/噸計，黑顆粒運輸成本按100元/噸計，熱值約4000大卡/千克的黑顆粒燃料價格約900元/噸（黑顆粒密度1.7T/m3，運輸成本與煤相當；按400公里運輸距離）。使用黑顆粒供蒸汽，噸蒸汽消耗黑顆粒約190kg，噸蒸汽燃料成本為171元，總成本小于200元/噸蒸汽。生物質(zhì)為產(chǎn)自大自然的零碳燃料，低碳優(yōu)勢更為明顯，天然氣與黑顆粒蒸汽成本及碳排放見下表。表黑顆粒、天然氣燃料成本與碳排放分析燃料種類燃料耗量蒸汽成本-元/噸碳排放量-Kg/噸蒸汽天然氣75m3＞275150黑顆粒190kg＜2000燃煤摻燒全燒減碳目前國外已有大型煤電機組全燒木質(zhì)原料類生物質(zhì)黑顆粒燃料的成功案例，國內(nèi)技術(shù)上處于空白。為探索燃煤電廠改全燒生物質(zhì)提供集團現(xiàn)役煤電機組低碳轉(zhuǎn)型的技術(shù)路徑，黑顆粒項目團隊開展了四平熱電410T/h煤粉鍋爐全燒黑顆粒的可行性研究，分析得出煤電改燒黑顆粒技術(shù)上完全可行，詳細情況如下。黑顆粒燃料的特性分析見下表：表黑顆粒燃料特性分析項目符號單位設(shè)計煤種碳Car％50.21氫Har％5.52氧Oar％31.00氮Nar％1.30硫Sar％0.08灰份Aar％8.91水份Mar％4.38干燥無灰基揮發(fā)分Vdaf％70.37低位發(fā)熱值Qnet,arkJ/kg16750哈氏可磨系數(shù)HGI/37變形溫度DT℃1080軟化溫度ST℃1100半球溫度HT℃1110流動溫度FT℃1120二氧化硅SiO2％33.74三氧化二鋁Al2O3％3.20三氧化鐵Fe2O3％5.04氧化鈣CaO％9.26氧化鎂MgO％6.22氧化鈉Na2O％0.96氧化鉀K2O％20.89氧化鈦TiO2％0.35氧化硫SO3％1.11可研主要開展了熱力校