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秸秆制备生物柴油的最佳技术工艺的设计与研究
摘要: 随着世界人口的不断增加和工业的增长，化石燃料紧缺的时代终究会来到。石油消费安全将不可避免地成为国家安全的一个重要组成部分。因此，为了实现人类可持续发展，消除能源紧张带来的危机，进行开发新的能源，已是迫在眉睫的大问题。而现代科学可以通过各种技术将秸秆等生物质直接转化为气体、液体和固体燃料——让它变废为宝。本文主要介绍了将秸秆等转化为生物柴油的各种技术,并考虑到工艺特点及成本等因素,提出最佳的技术工艺. 关键词:秸秆; 热解液化 ; 生物柴油; 快速热解
正文: 石油短缺和能源结构不合理是我国的基本国情 ,经济的快速增长也决定我国能源消费将不断增长。这无疑带来了一系列的能源安全和环境污染问题,要解决这个问题,最根本的是寻求和开发来源充足、供应安全、环境友好的替代能源。
生物质能是以生物质为载体的能量 ,是一种可再生、资源丰富且相对较利于环保的能源[1 ]。农作物秸秆主要包括粮食作物、油料作物、棉花、麻类和糖料作物等 5大类[2 ],是生物质资源最重要的来源之一。据统计 ,我国各种农作物秸秆
[3 ]
年产量约 6亿吨 ,占世界作物秸秆总产量的 20%～30%。近几年 ,秸秆的大量剩余 ,导致了一系列的环境和社会问题 ,据调查 ,目前我国秸秆利用率约为 33% ,其中经过技术处理后利用的仅约占 2. 6%[4]。因此 ,开展秸秆的能源高效转化利用技术研究和能源产品开发成为亟待解决的农业、能源和环境问题 ,对保障国家能源安全、国民经济可持续发展和保护环境具有重要意义。
目前,采用热化学法将秸秆等生物质能转化为生物油的技术已引起世界各国的普遍重视 ,许多国家纷纷将其列为国家能源可持续发展战略的重要组成部分和 21世纪能源发展战略的基本选择之一[5]。具体内容如下.
1. 热化学法制备生物油技术 1. 1 加压液化和催化液化
加压液化是在较高压力下的热转化过程 ,温度一般低于快速热解液化。近年来有采用 H2加压 ,使用溶剂 (如四氢萘、醇、酮等 )及催化剂 (如 Co -Mo、Ni - Mo系加氢催化剂 )等手段 ,使液体产率大幅度提高[6]。于树峰等对花生壳、谷杆、棉杆、甘蔗渣、苎麻杆五种生物质在 250mL高压反应釜中进行了液化研究 ,考察了温度、时间、催化剂用量等因素对液化行为的影响。研究表明 ,给料比为 10g原料 /100mL水时 ,在 300～340℃、10min、K2CO3添加量为 1 /30(催化剂 /原料 )的条件下 ,上述原料液化油产率为 2l%～28%。
王华等[3]对植物秸秆纤维在浓硫酸 /苯酚为催化剂、乙二醇为反应介质的液化反应进行了研究。结果表明 ,植物秸秆在浓硫酸 /苯酚 (浓硫酸占所加物质总量的质量分数为 6% )混合催化体系中 ,当温度为 160℃、时间为 70min时的液化效果最好。加压液化制取生物油的产率和高位热值均高于快速热解液化生物油 ,与快速热解液化相比 ,加压液化尚处于实验室阶段。
1.2 生物质快速热解
生物质快速热解生产液体燃料加热速率极快，滞留时间极短且产物快速冷却，是一个瞬间完成的过程。我国关于生物质快速热解研究较为薄弱，但近几年已有不少科研院所在这方面开展了工作。山东科技大学田原宇教授自上世纪90年代末开始从事有机质下行床快速裂解制燃料油技术和设备的研究，通过对国内外的研究现状的分析，提出了热解工艺和设备一体化的研究思路，首先从快速热解设
备着手，解决国内外固体快速热解难以规模化的难题。通过对各种反应设备技术的研究和优化，2001年开发了自混合下行热解循环流化床技术，并申请了“具有预热段的矩形下行式循环反应器”和“一种可连续操作的固体有机物热解装置”等与有机质热解有关的专利。生物质自混合下行循环流化床快速热解技术是根据我国农村农林废弃物集散难度较大的国情，研究开发的一种热效率高、投资较低、操作方便的快速热解工艺和专利设备。与国内外同类技术相比，我们采用自行开发的自混合下行式循环流化床作为热解反应器，无机械运动部件，固体热载体无需载气即可通过与高温固体热载体直接混合实现生物质的快速升温、热解，提高了热效率，实现了热量自给；采用下行式反应器有助于缩短反应时间，提高液体油收率；固体热载体加热和生物质热解在不同的反应器中进行，通过固体热载体的循环将加热再生和热解过程进行耦合；专用快速分离装置的开发使油气与半焦和热载体快速分离，进一步减少高温热解油气的二次反应，提高液体收率；利用烟气余热干燥提升生物质颗粒，降低了生物油的水含量同时解决了下行反应器物料提升的难题，提高了系统热效率，以上几项技术从根本上解决了生物质快速热解制液体燃料技术工业化放大难的问题。
2.生物质快速热解生产生物柴油技术工业装置的投资与经济效益
处理量4万吨/年(年产2万吨)的生物质快速热解生产液体燃料油工业装置可实现玉米秸秆480℃快速热解生物油液体收率为40％，棉花秸秆500℃快速热解生物油液体收率为60％，杨木木屑500℃快速热解生物油液体收率为65％，松木木屑500℃快速热解生物油液体收率为68％。
2.1产品成本分析 （1）计算标准：
年产2万吨的农林废弃物热解制液体燃料油工业化装置工厂需要工人15名，管理人员5名，销售人员5名，人均工资按3000元／月；
管理费用按销售收入的3%； 设备折旧按10年折旧期计算； 销售费用按产值的3%提取。 （2）吨成本：
农作物秸秆和农林废弃物 2.5×470元/吨＝1175元 水电费 40元 工人工资 45元 折旧 183元 运行维护和管理费 45元 不可预见费 50元 （3）吨产值：
生物质原油单价 3000元（保守估价） 燃料油（石油装置） 5400元左右 （4）装置年产值 6000万元 2.2．装置投资及经济效益分析
以第一年建设和调试生产量2万吨/年农林废弃物热解制液体燃料油工业装置，第二年才开始生产液体燃料油生产负荷95%，第三年完全达产计算。项目如果以自由资金30%，贷款70%（三年）考虑，其具体情况如下表所示：
由上面的计算结果可看出，农林废弃物热解制液体燃料油生产项目利润丰厚，在经济上可行，具有很大的投资价值。
2.3. 社会效益、生态效益分析
生物质快速热解生产液体燃料油技术为彻底解决农林作物资源的最大化利用、改善农业和农村生态环境、实现农业循环经济和可持续发展、提高农民收入、改善农村产业结构、改善农村缺能现状、解决剩余秸秆就地焚烧或随意堆弃造成大气污染、土壤矿化、火灾等大量的社会经济和生态问题提供了技术支撑，对于农业和农村发展具有重要的经济和社会意义。
3.总结
作为一种清洁的可再生能源 ,利用秸秆等生物质能已成为全世界的共识。联合国环境与发展委员会预测 ,到 2050年 ,生物质能的利用可望达到世界能源消耗的 50%[40 ]。采用快速热解液化技术制备生物油是当今秸秆能源转化高效利用的重要途径之一 ,也得到了世界各国的广泛关注和普遍重视 ,针对目前的研究现状和存在问题 ,秸秆快速热解液化制备生物油技术未来研究目标建议如下:
(1)秸秆快速热解液化制取生物油产率低于木屑等生物质 ,应进一步开展经济上可行的秸秆预处理技术研究 ,主要包括灰分的脱除 ,以提高生物油产率和品质。
(2)生物油存在 pH值低、对设备有腐蚀性的问题 ,因此 ,今后应重点加强生物油应用技术和生物油提质技术研究 ,使生物油满足实际利用的需要。
(3)目前生物质快速热解液化反应器规模普遍偏小 ,在加强快速热解液化机理和理论研究的基础上 ,对现有设备和技术进行放大试验研究 ,进一步降低生产成本 ,提高技术的适应性 ,为大规模生产提供配套设备和技术。
参考文献
[1] 宋春财 ,王刚 ,胡浩权. 生物质热化学液化技术研究进展 [J ].太阳能学报 , 2004, 25(2) : 242—248.
[2] 钟华平 ,岳燕珍 ,樊江文. 中国作物秸秆资源及其利用[J ].资源科学 , 2003, 25(4) : 62—67.
[3] 王华 ,常如波 ,王梦亮. 秸秆纤维的催化液化及其产物的初步研究 [ J ]. 山西大学学报 (自然科学版 ) ,2004, 27 (1) : 48—53.
[4] 刘娅.农作物秸秆治理与综合利用 [J ]. 辽宁农业科学 , 2003 (1) : 18—23. [5] 王述洋 ,谭文英. 生物质液化燃油的开发前景及可持续发展意义 [J ].科技导报 , 2000 (6) : 52—55.
[6] 常杰. 生物质液化技术的研究进展 [J ]. 现代化工 ,2003, 23(9) : 13—16, 18. [7] Ramage J, Scurlock J Biomass. Renewable energy: powerfor a sustainable future [M ]. Oxford University Press,1996.