生物质黑颗粒技术介绍材料A

生物质黑颗粒技术研发与应用1、生物质黑颗粒技术研发背景习总书记2020年提出：“应对气候变化《巴黎协定》代表了全球绿色低碳转型的大方向，是保护地球家园需要采取的最低限度行动，各国必须迈出决定性步伐。中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”我国是煤电大国，装机容量超过10亿千瓦，煤电发电量占比高达60%，2018年电力煤炭消耗量高达37亿吨标煤，面临巨大的减碳压力。要实现碳达峰、碳中和目标，大规模高比例发展零碳能源是必然趋势。以水风光为代表的零碳能源特别是风光等新能源，虽然具有清洁零碳等诸多优势，但也存在间歇性、波动性等短板。在构建以新能源为主体的新型电力系统大背景下，不稳定的新能源成为主力电源，稳定可靠的基础零碳电源是电力系统安全保障的关键，否则电网可能存在重大风险。自然界以绿色植物为纽带的碳循环，从图中可以看出，自然界的碳经过光合作用进入到生物界，生物界的碳通过三个主要途径即燃烧、降解和呼吸又回到自然界，从而构成碳元素循环链，因此生物质为国际公认的零碳清洁能源。我国生物质资源丰富，农业秸秆每年可收集量超9亿吨，与林业剩余物、畜禽粪便和城市生活垃圾等生物质可开发利用的生物质能折合10亿吨标煤，但目前能源化利用率不高。我国生物质废弃物能源化利用以直燃发电为主，经过多年发展目前依旧存在两大主要问题：一是秸秆体积大重量轻不易存储，而直燃电厂秸秆燃料需求量大，造成燃料的品质和供应均难以保证；二是生物质电厂建设运行维护成本高，直燃电厂建设成本约为煤电建造成本两倍，同时生物质富含氯离子和碱金属离子导致锅炉燃烧结焦结渣严重、设备稳定运行风险高。因此，急需突破生物质废弃物燃料制备和应用等关键技术研究。2、黑颗粒技术及原理与化石燃料相比，生物质废弃物具有含水率高、能量密度低、离子含量高（农废物）、易吸水和难研磨特性，这些特征极大地限制了生物质燃料大规模使用。植物细胞壁主要成分为纤维素、半纤维素、木质素，其中半纤维素具有亲水性，纤维素和木质素为疏水性物质。生物质黑颗粒制备技术通过热处理工艺使半纤维素热解，木质素软化析出，破坏细胞壁使生物质内部结构变的无序。半纤维素的热解从根本上使生物质具有疏水特性，同时低热值挥发分及杂质分离提高生物质能量密度和含碳率，生物质脆性化易于研磨。生物质黑颗粒技术有高温烘焙、蒸汽破碎和高温水洗（湿烘焙）三种。高温烘焙和蒸汽破碎技术成熟适宜于处理林木类生物质原料。高温水洗技术由上海成套院自主研发，为农业废弃物高盐分高水分原料量身定制的燃料制备技术技术。生物质黑颗粒为生物质经特殊高温水洗技术热解提质工艺处理后制备成燃烧特性好、能量密度高、储存便利的类煤化疏水颗粒燃料，经类煤碳化处理过程后颜色变成棕黑色。生物质黑颗粒的制备流程见下图，主要经过破碎、水热反应和制粒成型三个过程。图生物质黑颗粒制备流程3、高温水洗黑颗粒燃料特点高温水洗技术制备的生物质黑颗粒具有以下优异的燃料特性：疏水性好：黑颗粒不吸湿、不怕水，适合长距离、长时间储运，节约电站或锅炉用料仓储费用，减少户用采购周期。离子含量低：经高温水洗处理后，可脱除原料中75%以上的氯离子和碱金属离子，使生物质燃料离子含量满足煤粉炉的燃料标准（氯离子＜0.3%，钾离子＜0.5%），有效解决农废物燃烧结焦结渣和高温氯腐蚀问题。能量密度高：黑颗粒体积和重量能量密度高（增加30％以上），密度可达1.7T/m3，节约运输成本，比同体积白颗粒更“耐烧”。原料适应性广：黑颗粒技术原料适应广，可适用于农林废弃物、EFB和污泥等高盐分高水分生物质原料。研磨特性好成型电耗低：碳化过程中破坏生物质纤维结构，纤维韧性降低易于制粒成型和研磨。压缩制粒时，制黑颗粒比白颗粒制粒电耗低1/3以上；煤电耦合研磨制粉时，白颗粒约需耗电45度/吨，黑颗粒粉碎仅需12度/吨。4、黑颗粒技术的适应性分析生物质黑颗粒高温水洗技术是模拟自然煤化的热化学转化过程，具有反应条件温和、操作简单、无需任何添加剂、可直接处理高含湿物料和不易产生二次污染等优点。除玉米秸秆等农业废弃物外，对高盐分、高水分的棕榈壳空果串、厨余垃圾、城市污泥和动物粪便等各类废弃物，高温水洗技术同样具备较好的优异性。高温水洗技术在处理高盐分高水分原料的优点主要体现在两方面：一是处理热耗低；高温水洗处理在压力状态下完成，过程中液态水几乎无相变，无气化潜热的热量损失，处理吨原料的热耗可低至0.7GJ。常规高温烘焙和蒸汽破碎技术的处理高湿原料的热耗是高温水洗技术的2倍以上。二是脱除无机盐离子，提升燃料品质；处理过程具有很好的洗涤作用，尤其适宜于棕榈壳空果串、农业秸秆等高盐分废弃物处理，可脱除原料中75%以上的无机盐，降低高盐分原料燃烧结焦结渣和腐蚀的风险。5、技术研发进展上海成套院黑颗粒研发团队自2019年底开始高温水洗黑颗粒制备技术的研发，并按照下表6个阶段的工作思路稳步推进。生物质黑颗粒技术研发进程时间研发阶段工艺演进验证设备技术成熟度2019原理验证验证高温水洗的原理可行性/32020机理研究1.探索杂质离子去除的影响因素2.摸索工艺参数的有效范围3.尝试不同秸秆的黑颗粒制备实验室机理反应釜4台架试验1.验证基本工艺方案有效性2.优化工艺参数3.试验不同原料的黑颗粒制备工艺模拟生产工况的试验设备52021小试线验证工艺方案在连续生产条件下的有效性研制连续生产关键设备机理6中试线移动线1.验证并优化全套工艺参数2.编制黑颗粒生产操作规程验证并优化连续生产系统72022示范线固化工艺参数与操作规程定型全套系统设计8-9先后建成了反应釜机理试验台、高温水洗间歇式大型试验台和带压连续进出料小试试验台位，四平热电中试生产线目前安装建设完成正在开展系统调试工作，并研制“秸能1号”移动式生产装置发运佳木斯，探索农村零碳取暖市场应用。6、生物质黑颗粒的应用场景散煤替代截至2019年底，北方农村地区清洁取暖改造方式以天然气取暖和电采暖为主（约占91%），受农村经济发展水平、能源基础设施条件、居民消费承受能力等因素制约，在很多农村地区电取暖和气取暖大规模推广难度大，农村地区清洁供暖还面临许多的问题和严峻的挑战。一些地方仍然存在气源不足的情况，还有一些农村地区电网基础设施升级改造无法短期内解决，甚至部分已经实施“煤改气”“煤改电”的居民存在“复煤”的苗头与隐患。因此，需要更合适的替代能源满足清洁供暖需求。黑颗粒经秸秆原料炭化处理制备而成，具有生物质低硫低氮低尘清洁环保特性，又区别于传统生物质燃料具有耐烧易储存等类煤特性。生物质黑颗粒用于农村清洁供暖，村民再也不用担心污染物“呛人”了，同时也不用起夜添燃料。下面两幅图为黑颗粒在东北村民取暖炉测试情况，左图显示燃烧时火焰旺盛无烟尘，右图为黑颗粒在取暖炉内燃烧半小时后残余2/3以上燃料未燃烧，验证了黑颗粒的耐烧特性。图黑颗粒在农村取暖炉燃烧测试生物质黑颗粒应用于农村散煤取暖具有清洁环保零碳、因地制宜促进秸秆消纳、无需供暖改造不改变农民生活方式、成本与煤相当远低于电、气取暖成本。工业供汽我国工业用热需求约10亿吨蒸汽/年，年消耗标煤2亿吨，工业供热市场年产值约2000亿元。随着国家3060双碳目标落地实施，传统工业供汽能源的清洁低碳化转型已是大势所趋。我国已明确要求淘汰不满足环保要求和能耗要求的燃煤锅炉，大部分燃煤锅炉在没有更环保低价替代燃料的前提下选择了天然气替代。每吨工业蒸汽需消耗天然气75m3以上，我国天然气销售均价约3.5元/m3（未计算大用户），吨蒸汽燃料成本高达262.5元以上，考虑到水、电和维护等费用，吨蒸汽成本超过275元。生物质黑颗粒的售价按800元/吨计，黑颗粒运输成本按100元/吨计，热值约4000大卡/千克的黑颗粒燃料价格约900元/吨（黑颗粒密度1.7T/m3，运输成本与煤相当；按400公里运输距离）。使用黑颗粒供蒸汽，吨蒸汽消耗黑颗粒约190kg，吨蒸汽燃料成本为171元，总成本小于200元/吨蒸汽。生物质为产自大自然的零碳燃料，低碳优势更为明显，天然气与黑颗粒蒸汽成本及碳排放见下表。表黑颗粒、天然气燃料成本与碳排放分析燃料种类燃料耗量蒸汽成本-元/吨碳排放量-Kg/吨蒸汽天然气75m3＞275150黑颗粒190kg＜2000燃煤掺烧全烧减碳目前国外已有大型煤电机组全烧木质原料类生物质黑颗粒燃料的成功案例，国内技术上处于空白。为探索燃煤电厂改全烧生物质提供集团现役煤电机组低碳转型的技术路径，黑颗粒项目团队开展了四平热电410T/h煤粉锅炉全烧黑颗粒的可行性研究，分析得出煤电改烧黑颗粒技术上完全可行，详细情况如下。黑颗粒燃料的特性分析见下表：表黑颗粒燃料特性分析项目符号单位设计煤种碳Car％50.21氢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干燥无灰基挥发分Vdaf％70.37低位发热值Qnet,arkJ/kg16750哈氏可磨系数HGI/37变形温度DT℃1080软化温度ST℃1100半球温度HT℃1110流动温度FT℃1120二氧化硅SiO2％33.74三氧化二铝Al2O3％3.20三氧化铁Fe2O3％5.04氧化钙CaO％9.26氧化镁MgO％6.22氧化钠Na2O％0.96氧化钾K2O％20.89氧化钛TiO2％0.35氧化硫SO3％1.11可研主要开展了热力校