生物質烘焙技術的研究和應用進展

饒雨舟，盧志民，簡 杰，姚順春

(華南理工大學，廣東 廣州 510641)

生物質烘焙技術的研究和應用進展

饒雨舟，盧志民*，簡 杰，姚順春

(華南理工大學，廣東 廣州 510641)

在各種可再生能源中，生物質能源是最理想的化石燃料替代能源，在我國未來能源結構中將會占有很大比重。但是由于生物質本身低熱值、高水分、難破碎和易腐化等諸多缺陷，生物質能源的應用受到很大限制。近年發展起來的生物質烘焙技術是一項能夠有效改善生物質儲運特性和能源品質的低溫熱解技術，是生物質能源利用領域重要的研究和發展方向。基于對世界能源現狀的分析，評析了生物質烘焙技術的優勢，綜述了生物質烘焙技術的研究和應用進展，重點介紹了該技術的開發和工業應用潛力，提出了促進其進一步發展的合理化建議，為我國生物質可再生能源的發展提供參考。

可再生能源；生物質；烘焙技術

1 生物質能源發展的現狀

能源是經濟增長與社會發展的重要物質基礎。但化石燃料消耗的日益增加及其不可再生性一方面將造成嚴峻的能源短缺問題，另一方面帶來環境污染和氣候變化問題，這都將嚴重威脅到社會的發展與進步。為此，世界各國都在努力優化能源結構，開發利用可再生能源，提出了可再生能源的發展目標，提高可再生能源和新能源的占比。

生物質能源是綠色植物通過葉綠素將太陽能積蓄在生物質內的能量形式，可以轉化為氣、液、固3種能源形態，是一種理想的可再生能源和綠色能源[1]。目前世界上的生物質能源消耗總量僅次于煤炭、石油和天然氣[2]。生物質能源的應用領域十分廣泛，能實現化石燃料的替代轉換，這是其它可再生能源所不能比擬的。生物質作為燃料，相比煤、石油等化石燃料，SO2和NOx排放更低，重金屬和其它有毒物質的含量也相對較少，所以更加環保。特別是生物質通過光合作用從環境中固定的CO2能與燃燒排放出的CO2相互抵消，在碳總量上實現了零排放，對實現低碳經濟、減排環保都有極大的貢獻[3]。因此，在碳排放控制日益嚴格的大背景下，生物質能源在未來世界能源結構中的占比將有很大的上升空間。

歐洲生物質能協會發布的《AEBIOM2015統計報告》[4]顯示，生物質能源是迄今為止在歐洲領先的可再生能源，提供了88.9%的可再生能源供熱和超過18%的可再生電力生產。據估計，到2050年生物質能源將支撐全球25%的能源消耗[5]。我國也逐步加大對生物質能源的開發與建設，以生物質發電為例，2006～2015年，我國生物質發電裝機容量逐年增加，由2006年的140萬kW增加至2015年的1 031萬kW，年均復合增長率達24.84%。據統計，我國2015年的生物質發電量為527億kW·h，已經占全年總發電量的0.9%[6-7]。

2 生物質燃料的特點

目前，世界各國的生物質儲存量和可利用量都非常可觀，但其作為燃料利用還存在一些缺點，在規模化應用上還有所局限。生物質燃料最突出的缺點是水分含量過高，這使其干燥成本高，燃料反應效率低，燃燒時會產生煙霧，并且增大了生物質腐爛的風險，增強了生物質氣化產物的腐蝕作用。其次，生物質還存在體積密度小、能量密度低、可磨性差以及吸濕能力強等缺點，使其在運輸、儲存以及作為燃料利用時的成本較高。

因此，針對生物質燃料在應用過程中的諸多問題，有必要對生物質燃料進行預處理。在眾多預處理技術中，近年發展起來的生物質烘焙技術在提高生物質儲運特性和改善能源品質等方面都有卓越的成效，受到廣泛關注。生物質烘焙技術是在惰性氣氛、200～300 ℃下將生物質進行溫和熱解，脫除大部分的水分和低熱值輕質揮發分。該過程大幅度提高了烘焙后的生物炭的能量密度，能夠實現改善儲運特性和能源品質的效果[8]。

3 生物質烘焙技術的研究現狀

生物質烘焙技術的相關研究在近幾年一直保持著很高的熱度[9]，目前的研究主要是針對生物質烘焙產物的理化特性分析，對相關影響因素的探討也有所涉及。朱波等[10]采用熱重紅外聯用的方法分析了農業秸稈烘焙產物的組成及結構，結果表明烘焙產物含碳量提高、含氧量降低，大部分水分也在烘焙過程中脫除，能量密度大幅提高，有效提高了生物質的燃料性能，改善了生物質的能源品質。王秦超等[11]通過對稻稈、桑樹枝、楊樹枝和竹子4種生物質烘焙產物的理化特性的研究，得出了相同的結論，并且探究了烘焙過程中熱解溫度、停留時間等因素的影響規律。陳登宇[12]研究了生物質烘焙過程中有機組分的演化規律，表明在烘焙過程中半纖維素大量分解，纖維素和木質素部分分解，而半纖維素的大量分解是生物質烘焙過程中失重、元素含量變化和疏水性提高的主要原因。Phanphanich等[13]研究了生物質烘焙產物的研磨性能，松木屑烘焙后產物的研磨能耗(23 kW·h·t-1)僅為烘焙前(238 kW·h·t-1)的10%，說明烘焙能夠大幅度降低生物質的研磨能耗。Bach等[14]將生物質烘焙產物與煤進行了比較分析，典型煤種和不同烘焙程度生物質的van Krevelen圖如圖1所示。

圖1 典型煤種和不同烘焙程度的生物質的van Krevelen圖[14]

從圖1可以看出,由于生物質在烘焙過程中脫除了大部分水分和輕質揮發分，烘焙后的生物炭具有更低的O/C和H/C原子比，而且在滿足一定烘焙溫度和時間的條件下，烘焙后的生物炭的O/C和H/C原子比與煤十分接近，在燃燒效能上也幾乎能夠達到煤的水平。Nhuchhen等[15]對木材、木屑顆粒、煤及烘焙生物質特性作了更為詳細的比較，如表1所示。

由表1可以看出，烘焙生物質的燃料特性明顯優于木材和木屑顆粒，熱值及能量密度等參數與煤十分接近，濕度、灰分含量等參數甚至比煤具有更高的品質。

表1烘焙生物質與其它固體燃料的特性比較[15]Tab.1 Comparison of torrefaction biomass with other solid fuels

4 生物質烘焙技術的應用現狀

目前，世界上許多國家和地區已開展了生物質烘焙技術的應用研究，在商業化推廣方面主要集中在歐美等發達國家，一些烘焙反應器及其開發商的情況見表2。

由表2可以看出，歐洲和北美地區生物質烘焙技術的市場推廣已初具規模。歐洲的低碳技術開展最為領先，荷蘭是首先提倡使用烘焙木質顆粒的國家。2013年底，Topell公司在荷蘭Amer燃煤電廠混燒了2 300 t烘焙木質顆粒，并在滿足運行參數的情況下把混燒比例從烘焙前的5%提高到25%[16]，驗證了大規模的生產和混燒烘焙生物質的可行性。

生物質烘焙技術除了能夠應用于煤粉/生物質混燒外，還可應用于生物質氣化和直接燃燒供熱等方面，如表3所示。瑞典Vattenfall公司就使用了1 200 t烘焙生物質替代70%的煤進行混合氣化并成功試運行了24 h，預計烘焙生物質的比例還可提升至90%[17]。

表2烘焙反應器及其開發商

Tab.2 Torrefaction reactors and their developers

表3 生物質烘焙產物的應用[18]

Tab.3 Application of biomass torrefaction product

5 生物質烘焙技術的發展前景與建議

生物質烘焙技術能夠改善生物質的儲運特性和能源品質，提升生物質作為燃料的使用效率[19]，即使是烘焙過程中需要額外投入費用，也能通過生物質烘焙后在運輸使用成本上的降低而有所彌補。據Acharya 等[20]估算，在生物質的區域和全球營銷中烘焙生物質顆粒的整體成本為9.81 GJ/美元，比未烘焙生物質顆粒的成本還要低2.99 GJ/美元，這也進一步說明了生物質烘焙技術的實用性。并且隨著全球對碳排放限額的日益收緊，特別是我國將啟動全國碳交易市場，這無疑會顯著增加煤炭、石油等傳統化石燃料的使用成本。因此，作為低碳環保的可替代能源方案，未來生物質烘焙技術在我國的商業化運作上具備很大的潛力。但我國目前鮮有生物質烘焙技術的商業化應用實例，為拓展我國生物質烘焙技術的應用，提出以下建議：

(1)我國是木質燃料的生產大國，每年生物質燃料產量都在持續上升，生物質能源利用技術的研究投入也在逐年增加[21]，但主要集中在生物質氣化與生物柴油煉化領域，對生物質預處理技術特別是烘焙技術研究領域的資金與政策支撐不足，嚴重制約了我國生物質烘焙技術的發展。因此有關機構及部門應積極統籌規劃，合理分配，創建有利于生物質烘焙技術發展的政策環境和研發氛圍。

(2)目前國內對于生物質烘焙技術的研究主要集中在華中科技大學、浙江大學等科研院校的燃料性能測試上，對于反應機理研究和實際工業應用研究等方面有所不足，還遠遠落后于歐美發達國家的研究及應用水平，相關生產技術設備也多引進自國外。因此國內各科研機構對于生物質烘焙技術的研究還應更加深入，逐步縮小與世界領先水平的差距，特別是在工業化現場應用方面還需要更深入的探索。

(3)國內生物質烘焙技術的研究尚未形成統一的商品規范與標準，各學者試驗過程中的條件設置及反應控制等方面都不盡相同，實際的生物質烘焙過程存在一定的差異性。此外，可作為能源使用的生物質種類繁多，各種生物質在成分、結構等方面都有所差別，在實際應用中的最佳烘焙條件也有所不同。因此還需要研發制定普適性好的技術標準和規范，這是生物質烘焙技術能夠真正實現市場化應用的基礎。

6 結語

我國正處于低碳轉型的關鍵時期，生物質能源以其獨特的“零碳排放”特性，是實現全社會低碳可持續發展的重要載體，對生物質能源的高效利用也是推動經濟進一步發展的有效保障。生物質烘焙技術能夠有效改善生物質的儲運特性和能源品質，是推動生物質能源更大規模應用發展的關鍵技術。可以預見，生物質烘焙技術是未來生物質能源商品生產的主要手段和步驟，但目前國內對于該技術的研究與應用還較欠缺，因此大力推進相關技術及設備的研究與開發有著很好的前景和現實意義。

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Progress on Research and Application of Biomass Torrefaction Technology

RAO Yu-zhou，LU Zhi-min*，JIAN Jie，YAO Shun-chun

(SouthChinaUniversityofTechnology，Guangzhou510641，China)

Inallkindsofrenewableenergy，biomassenergyisthemostidealalternativeenergytofossilfuel，anditwilloccupyalargeproportionintheenergystructureofChinainthefuture.However，duetothedrawbacksofbiomassincludinglowcalorificvalue，highmoisturecontent，breakinghardly,andputrescibility，theapplicationofbiomassenergyisstilllimitedfornow.Biomasstorrefaction，alow-temperaturepyrolysistechnology，cangreatlyimprovethestorageandtransportationcharacteristics，andenergyqualityofbiomass.Biomasstorrefaction，whichisanimportantresearchanddevelopmentdirectioninthefieldofbiomassenergyutilizationhasbeendevelopedforrecentyears.Basedontheanalysisoftheworldenergyoutlook，theadvantagesofbiomasstorrefactiontechnology，andtheresearchandapplicationprogressarereviewedinthispaper.Biomasstorrefactionhasahighindustrialapplicationpotential.SomeadvicesforfurtherdevelopmentofbiomasstorrefactionareprovidedforreferencetothedevelopmentandproductionofbiomassrenewableenergyinChina.

renewableenergy；biomass；torrefactiontechnology

2016-11-18

饒雨舟(1992-)，男，江西黎川人，碩士研究生，研究方向：清潔能源轉換與系統優化，E-mail：201420110670@mail.scut.edu.cn ；

盧志民，副教授，E-mail：zhmlu@scut.edu.cn。

10.3969/j.issn.1672-5425.2017.03.002

TK6

A

1672-5425(2017)03-0007-04

饒雨舟，盧志民，簡杰，等.生物質烘焙技術的研究和應用進展[J].化學與生物工程，2017，34(3)：7-10，30.