生物質成型顆粒氣化技術探究及其在鍋爐提標改造中的應用

摘要：生物質能是僅次于煤炭、石油、天然氣的世界第4 大能源，我國在生物質發電領域已取得了顯著的進展，但生物質燃料領域的發展仍有較大進步空間。系統闡述生物質成型顆粒氣化技術的原理、特點及工藝流程，分析該技術的難點及優缺點，并從政策、經濟方面分析該技術應用推廣的可行性。通過對某企業的跟蹤指導，發現該技術能從源頭上減少污染物產生，滿足燃氣鍋爐特別排放限值要求，同時具有投資運行成本低、零碳排等優點，可作為燃煤鍋爐淘汰整治中的清潔能源替代方案。

關鍵詞：生物質；成型顆粒；氣化；鍋爐；提標；降碳

為加快重點領域產品設備更新改造，推動鍋爐綠色低碳高質量發展，2023 年11 月我國印發《鍋爐綠色低碳高質量發展行動方案》，要求到 2025 年工業鍋爐、電站鍋爐平均運行熱效率較 2021 年分別提高 5 個百分點、0.5 個百分點，燃煤電站鍋爐全面實現超低排放，燃煤小鍋爐淘汰取得積極進展，廢舊鍋爐規范化處置和回收利用水平有效提升；到 2030 年，工業鍋爐產品熱效率較 2021 年提高 3 個百分點，平均運行熱效率進一步提高，且新建大型電站鍋爐最低穩燃負荷要滿足電站機組最小技術出力要求，存量燃煤電站鍋爐節能降碳和靈活性改造取得積極進展。因此，尋求燃煤鍋爐清潔能源替代方案成為當務之急。

將成型生物質顆粒干法氣化為生物質氣后，再用于低氮燃氣鍋爐燃燒，不僅是一種源頭減污、零碳排、資源化、減量化、清潔高效的能源利用方式，還是燃煤鍋爐淘汰整治中的清潔能源替代方案。

1 生物質成型顆粒氣化技術原理及工藝流程

1.1 生物質成型顆粒氣化技術概述

生物質成型顆粒氣化技術是一種將農作物秸桿、樹皮、竹屑、樹枝等農林廢棄物先進行粉碎預處理，再通過成型加工處理，制成顆粒狀、棒狀或塊狀等生物質成型燃料的方法，可在配套的專用燃燒設備上實現清潔高效燃燒，有效提升農林廢棄物的燃燒特性，降低燃燒過程中二氧化硫和氮氧化物等污染物的排放。而且通過將能量密度較低的農林廢棄物轉化為能量密度較高的生物質成型燃料，可實現農林廢棄物資源化利用，減少對煤炭等傳統能源的依賴，從而實現減少污染、節能降碳的目標。

1.2 生物質成型顆粒的制備方法

1.2.1 原料選擇與預處理

原料的選擇和預處理是生物質成型顆粒制備過程中的關鍵環節。合理選擇農林廢棄物作為原料，并進行適當的預處理，可提高成型顆粒的燃燒性能和質量穩定性[1]。常見的原料包括小麥、玉米、棉花等農作物秸稈，以及樹皮、樹枝、樹樁等。具體的預處理方法包括粉碎、干燥、篩分和除雜等，能確保原料具備較好的可加工性和燃燒特性。

1.2.2 成型工藝與設備

由于影響生物質顆粒成型的關鍵因素包括成型工藝參數（壓力、溫度、時間等）、原料性質、設備性能等，因而生物質成型顆粒的制備涉及成型工藝和設備的選擇。目前，應用較多的成型工藝為常溫濕壓成型、冷壓成型、熱壓成型和炭化成型[2]，而合理選用適應不同原料特性和產量要求的成型工藝，是獲得高質量且規格統一的生物質成型顆粒的關鍵之一；生物質成型設備主要有螺旋式、平模式、對輥式和環模式，配套使用專用生物質成型設備也是確保生物質成型顆粒制備過程順利進行的關鍵。

1.2.3 成型顆粒性能測試方法

為了評估生物質成型顆粒的品質和性能，需進行相應的測試。常見的測試項目包括顆粒密度、燃燒特性、灰分含量、含水率等，通過對這些項目進行測試可以確定成型顆粒是否符合使用要求，并為后續的氣化利用提供參考依據。

1.3 生物質成型顆粒氣化技術原理

生物質成型顆粒氣化是指在高溫（400～550 ℃）和缺氧條件下，成型生物質顆粒經過熱解反應，產生以二氧化碳、氫氣、甲烷為主要成分的可燃氣體的過程。其核心是在氣化過程中只提供熱化學反應所需的最小量的氧氣，以最大限度地保留生成的可燃氣體中的能量，便于能量的二次利用。氣化后產生的可燃氣體再通過專用低氮燃氣鍋爐燃燒，從而實現能源利用。生物質成型顆粒氣化技術可從源頭上減少氮氧化物、顆粒物等大氣污染物的產生，產生的煙氣僅需除塵即可滿足燃氣鍋爐特別排放限值要求[3]。生物質成型顆粒氣化技術工藝路線如圖1 所示。

2 生物質成型顆粒氣化技術特點分析

生物質成型顆粒氣化技術是“成型生物質氣化爐+ 低氮燃氣鍋爐技術”的組合，采用成型生物質干法氣化方案，氣化過程不產生煤焦油、酚水等二次污染物。生物質成型顆粒本身屬于低硫燃料，且燃燒產生的煙氣中二氧化硫濃度較低，避免了中小鍋爐治理設施運行效率低、不穩定等問題。生物質成型顆粒氣化技術使用來源于農林廢棄物、城市生物質固廢等成型的生物質能源，既是一項固廢資源化、減量化、無害化技術，又是一種零碳排能源利用方式，可助力無廢城市建設、實現“雙碳”目標[4]。此外，生物質成型顆粒作為燃料，其熱值較高，低位熱值一般在16743.41 kJ，采用生物質成型顆粒氣化技術熱效率可達95％以上，能源轉化利用率高。

3 生物質成型顆粒氣化技術應用研究

3.1 案例企業介紹與技術應用情況描述

采用生物質成型顆粒氣化技術對福建省福州市閩侯祥謙鎮的福州潮輝紙業1 臺4 t/h 的燃煤鍋爐提標改造，改造穩定運行半年多后，根據閩侯祥謙鎮的生態環境部門聯合第三方監測與企業自測結果，按基準氧含量3.5% 折算，鍋爐排放口顆粒物≤ 10 mg/m3、二氧化硫約20 mg/m3、氮氧化物約120 mg/m3，可穩定達到燃氣鍋爐大氣污染物特別排放標準限值，且無焦油、含酚廢水產生及排放。

3.2 政策環境與支持措施分析

為鼓勵生物質能源利用，國務院及各相關部門均出臺文件予以支持。國務院辦公廳印發的《2030 年前碳達峰行動方案》指出，要因地制宜發展生物質發電、生物質能清潔供暖和生物天然氣。《關于促進生物天然氣產業化發展的指導意見》（發改能源規〔2019〕1895 號）指出，我國發展生物天然氣意義重大，應推進生物質能轉型升級，加快可再生能源在燃氣領域應用，培育發展可再生能源新興產業；支持企業以生物天然氣為重點，開辟新的發展方向；鼓勵企業與科研機構建立生物天然氣技術重點工程實驗室或研發基地。國家發展改革委、國家能源局制定的《關于促進新時代新能源高質量發展實施方案》指出，應制定符合生物質燃燒特性的專用設備技術標準，以及推廣利用生物質成型燃料。《產業結構調整指導目錄（2019 年本）》鼓勵采用農林生物質成型燃料加工設備、鍋爐和爐具制造，以及以農作物秸稈為原料的大型沼氣和生物天然氣生產成套設備。因此，生物質成型顆粒氣化技術應用前景廣闊。目前，我國單臺最大規模的生物質氣化鍋爐為35 t/h，現已在有關地區穩定運行。

3.3 經濟投資分析

目前，各類型鍋爐均有2 種運行方式，一是企業自行投資、建設及運行，直接向設備制造企業購買成套氣化及燃氣鍋爐、治理設施及燃料，建成后企業自行運行；二是由第三方投資、建設及運行，按合同供氣及收費。

3.3.1 企業自行建設與運行成本

以使用8 年的10 t/h 各類型鍋爐為依據，按照滿足各自特別排放標準要求，“成型生物質氣化爐+ 低氮燃氣鍋爐”及其他主流鍋爐提標改造綜合成本簡要測算結果如表1 所示。

從表1 可知，“成型生物質氣化爐+ 低氮燃氣鍋爐”1 套約160 萬元，鍋爐投資費用略高于其他鍋爐（110 萬～130 萬元）；“成型生物質氣化爐+ 低氮燃氣鍋爐”煙氣不需要脫硝、脫硫，環保投資（≤ 25 萬元）遠低于燃煤鍋爐、燃油鍋爐及燃生物質鍋爐（約220 萬元）。按照各燃料熱值進行估算，“成型生物質氣化爐+ 低氮燃氣鍋爐”運行成本遠低于燃煤鍋爐、燃油鍋爐、燃天然氣鍋爐，略低于燃生物質鍋爐。由于“成型生物質氣化爐+ 低氮燃氣鍋爐”煙氣治理設施運行費用主要包括風機、空壓機等少量電費及布袋更換維護費用，配套環保設施運行費用（≤ 5 萬元/a）遠低于燃煤鍋爐、燃油鍋爐及燃生物質鍋爐（約50萬元/a）。

綜上，“成型生物質氣化爐+ 低氮燃氣鍋爐”雖然投資略高于其他鍋爐，但環保治理設施投資及運行成本、鍋爐運行成本比其他鍋爐更低，而且綜合投資、運行費用也明顯低于燃煤鍋爐、燃油鍋爐、燃生物質鍋爐、燃天然氣鍋爐，經濟效益顯著。

3.3.2 第三方供熱服務價格

目前，采用生物質成型顆粒氣化技術方案的第三方供熱服務商，蒸汽售價為240～300 元/t，較燃生物質鍋爐價格差不多。

4 總結與展望

4.1 研究總結

生物質能是世界第4 大能源，在替代傳統化石燃料上，展現出巨大潛能。國家鼓勵發展利用生物質能，鼓勵開展生物質能利用技術及其裝備研發與制造、生物質鍋爐深度治理。因此，為了實現我國能源利用的多樣化，生物質能源的利用應盡早提上日程。

生物質成型顆粒氣化技術作為一種綠色環保的能源利用方式，具有顯著的經濟效益和環境效益。而且“成型生物質氣化爐+ 低氮燃氣鍋爐”不僅能進一步提升生物質能利用效率，還能有效減少一氧化二氮、一氧化氮、二氧化氮等污染物的排放，產生的煙氣經簡單除塵后即可穩定滿足燃氣鍋爐排放標準，總投資及運行費用低，是一種資源化、減量化、零碳排、清潔高效的能源利用方式。目前，該技術在實際應用中已取得了良好的成效，具有廣闊的市場前景和推廣價值。

4.2 未來展望

生物質成型顆粒氣化技術在工程化領域有著廣泛的發展前景，如生物質成型顆粒氣化技術可以實現低碳排放；生物質成型顆粒氣化技術能夠將生活垃圾、農林廢棄物等轉化為能源，有利于減輕廢物處理的壓力[5]。但在未來的發展中，生物質成型顆粒氣化技術還應在蓬勃發展的前景下，在易實施、經濟性、環保性等方面不斷改進與創新，為國家低碳可持續、高質量發展做出貢獻。

5 結束語

綜上所述，生物質成型顆粒氣化技術雖然已經取得了重大進步和迅猛發展，但在廣闊的工業化應用背景下，還應加強技術創新與其他技術協同發展，實現能源轉型的協同推進和優化協調。

參考文獻

[1] 呂復，呂元，呂宜德，等.高效節能型生物質氣化爐新工藝設備選型設計創新要點[J].工業爐，2021，43（3）：45-49.

[2] 王政，馮太，王濤.生物質氣化技術的研究進展[J].化學通報，2024，87（5）：514-527.

[3] 賀磊，鄭艷芳，韓冬倩，等.氣化爐技術在能源轉型中的應用與前景[J].化學工程與裝備，2023（12）： 152-154.

[4] 尹佳芝，陶從喜，王浩，等.生物質氣化技術研究進展及應用現狀[J].新世紀水泥導報，2024，30（4）：1-6.

[5] 李學琴，劉鵬，吳幼青，等.生物質氣化技術的發展現狀及展望[J].林產化學與工業，2022，42（5）：113-121.

作者簡介

顧俊俠（1992—），女，漢族，山東德州人，助理工程師，碩士，研究方向為環境保護。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-07-22