周宏春:清洁供热产业系列讨论之七:生物质供热概况、技术路线及应用
清洁供热产业委员会(CHIC)正开展生物质供热的研究,因而想写一个随笔,说说研究报告之外的事情。《中国清洁供热产业发展报告2019》中有生物质供热的专门介绍,2020年的报告也涉及到生物质供热的相关内容。因此,本随笔并不重复报告的内容。
一、生物质供热将增加部分热源
生物质能包括农作物秸秆、畜牧粪便和薪柴等。我国每年生物质产生量究竟多少,由于统计口径差别,大约6亿到10亿吨;有专家还要加上林业“三剩物”,总量增一倍。
生物质资源的最大特点是能量密度低、分布散、季节性强;同样热值的燃料,秸秆体积是煤的9倍以上。
生物质用于供暖,必须解决收集、运输、储存、能量转化效率等一系列问题。
关于运输,一个说法在很多地方流传:“百里不运草”,可以理解为远途运草的成本将超过草本身的价值,因而就不值得运了。
从这个意义上说,生物质供暖,应优先考虑农村。
对东北、内蒙等生物质资源特别丰富且相对集中的地区,可以采用一定的集中加工、转换形式,并为临近村、镇、县甚至市提供部分热源。
二、生物质供暖技术
一般而言,生物质供暖包括,通过固体压缩成型、气化,生物质发电在很多地方得到发展,可作为热电联产用于供暖,技术与煤电厂并无多大差别。
1.生物质固体压缩成型燃料加工技术
在调研时听到一个故事,一个公司将生物质固化成应急燃料出口,附加值很高(是否真实未经验证)。
通过揉切(粉碎)、烘干和压缩等专用设备,将农作物秸秆、稻壳、树枝、树皮、木屑等农林剩余物挤压成特定形状且密度较大的固体燃料,可以大幅提高生物质密度,也方便运输与储存。压缩成型燃料在炊事或采暖炉燃烧,效率高,污染物排放少,可替代煤、液化气等常规化石能源,满足家庭炊事、采暖和生活热水等用能需求。
2.生物质直燃热电联产系统
全国有生物质发电厂一百多家。十年前曾调研过中节能的秸秆发电厂。据说原来的秸秆发电厂还要掺烧煤,不知道现在的情况怎么样。
经过十几年的发展,我国生物质直接燃烧发电经历了从技术引进、消化吸收、规模化发展等阶段;在电站设计、设备制造、经营管理、体制机制等方面得到长足发展。生物质热电联产以大型系统为主,主流机组装机容量为30MW左右(图1)。
图1 生物质常规直燃发电系统
生物质热电项目大多以纯发电模式运行,供热能力被大量闲置,由于很难找到与供热能力匹配的县城、城镇等热负荷;或者由于特许经营权、供热管网建设等方面的问题。
大量余热浪费,导致系统综合效率低:纯凝发电机组效率仅30%左右,热电联产机组仅为60%左右。锅炉烟气经处理后在50℃以上排放到大气中,占燃料热量的15%以上。汽轮机乏汽通过空冷或水冷为凝结水后再返回生物质锅炉,热量白白损失了。
琦泉集团,是一家以生物质热电联产为主营业务,兼营电力建设、环保制造、融资租赁和通用航空等业务的综合性企业集团,拥有260多项专利技术,发展为生物质发电装机容量山东第一、全国第三的新能源企业,先后被授予国家级“生物质能供热示范企业”、“高新技术企业”、“资源综合利用企业”、“循环经济示范企业”等多项荣誉称号。
3.生物质集中气化及分布供气集成技术
十年前在唐山调研听说,秸秆气化是“一家烧火全村用气”,但存在着结焦问题。
以秸秆为原料,经过快速化学预处理后与农业有机废物、畜禽粪便及生活垃圾等物料进入厌氧发酵罐进行发酵,产生的沼气经提纯后可作为车用、民用和工业用(图2)。
图2 生物质气化技术路线和工艺流程
以有机废弃物,如农作物秸秆、禽畜粪便等生物质为原料,可以生产生物天然气、有机肥及工业二氧化碳等产品。此外,尚需城镇管网输配和BNG加气站,以确保下游全覆盖。
4.垃圾发电
参观过国内外垃圾焚烧发电厂十多家。国内最早的垃圾发电厂建在深圳。1994年前后听说,建一座垃圾焚烧厂需要60多亿元投资,现在降下来了。
生活垃圾焚烧发电可以减少垃圾填埋量,节约土地,减少垃圾填埋造成的地下水和填埋场污染。垃圾焚烧产生的热量可用来发电或集中供热,优点是减容好,可达90%,因而越来越为世界各国所采用。一座800t/d的垃圾焚烧电厂每年可减少垃圾填埋所需土地面积3.6x104m2,缓解城市土地资源紧缺,还带动相关产业发展。
随着发电技术进步,垃圾发电可实现“科学环保、达标排放、回收能源、循环利用”目标。生活垃圾焚烧发电技术正向大型化、高效化、专业化、节约型方向快速发展。2018年3月,原环保部发出《生活垃圾焚烧发电建设项目环境准入条件(试行)》通知,以引导垃圾焚烧发电行业健康有序发展。
抑制垃圾焚烧产生二恶英,必须达到如下条件:①保持温度1000℃以上,烟气停留时间大于2秒,烟气中含氧比在6%以上,以将有机物燃烧干净;②抑制HCl、CuO、CuCl2的产生,尽量不燃烧含氯塑料及其他含氯化工品,不使Cu氧化;③尽可能充分燃烧以减少烟气中的含碳量,一些国家以CO˂50×10-6作标准;④在烟气净化段采用急冷却办法避开二恶英再合成的温度250~300℃。
三、秸秆利用及其他
生物质供暖,简单说需要解决运输、压实(固化)、热转化(燃烧)等过程,由于收集和运输成本所限,可以优先安排当地的利用。
秸秆利用途径可以归纳为“五料”:即燃料、饲料、肥料、基料、原材料。截至2017年底,全国秸秆综合利用率达83.68%;其中,肥料化56.53%、饲料化23.24%、燃料化15.19%、基料化2.32%、原料化2.72%,以农用为主、以肥料化和饲料化为主的利用格局形成。
由于生物质供暖受到收集运输成本、燃烧技术和炉具等影响,虽然可以消纳一些农作物秸秆,但不能期望通过生物质供暖完全解决供暖期大面积污染问题。
中国建筑节能协会清洁供热产业委员会(CHIC)正进行生物质供暖的相关研究,希望获得更多的实用技术和典型案例。
此外,2020年7月1日起,CHIC将与国家认监委(CNCA)批准的第三方认证机构—北京信标认证有限公司(BBC)开展行业规范性活动—清洁供热服务认证,详见(http://www.chic.org.cn/)。
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