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创新生物质利用技术推进绿色能源发展进程

2019-01-05

林农生物质能源是可再生能源中非常重要的一部分,具有可再生、绿色环保等符合现代社会需求的优点,是解决全球能源危机和二氧化碳排放的最理想途径之一。据估算地球上每年可再生的生物能总量达1 6001 800亿吨(干重),相当于目前全世界总能耗的78倍。为促进我国生物质热解(能源)与炭材料的研究与产业化应用,南京林业大学周建斌教授2002 年在国内外率先系统提出、研究生物质热解气(液)化联产炭(活性炭、工业用炭、民用烧烤炭或炭基复合肥)、气(发电或供热、供暖)、液(液体肥、消毒、杀菌剂)、热等多联产技术并实现产业化;系统提出、研究能源自给型物理法和化学法活性炭清洁生产新技术理论并实现产业化生产;系统研究了竹炭、竹醋液制备与产业化,同时研究并阐明了活性炭、竹炭吸附、释放负离子与红外保健的机理。

一、林农剩余物气化关键技术创新及产业化应用

针对林农剩余物种类多、成分复杂和热解气化机理复杂、产物品质低等关键科学问题以及行业长期存在的气化产品单一、废水废渣污染、生产规模小且连续稳定性差、经济效益不佳等突出问题,项目组研究并掌握了果壳、木片、稻壳、秸秆等生物质的热解气化过程机理,攻克了“气化多联产”规模化生产的工艺瓶颈,在设备研发、气化产物调控、可燃气净化与环保燃烧、生物质液体肥及炭产品的高附加值利用等关键技术上取得了创新突破,实现了“生物质气化发电联产炭、热、肥”等多项技术应用的工业化生产及产业化发展。

1.热解气化机理研究。针对不同类型的林农生物质原料,进行原料改性预处理、热解气化特性、热解产物分析与品质提升等研究,揭示了生物质热解气化的过程机理与产物调控机制,建立了生物质热解气化多联产的理论基础。

2.新工艺技术研究。针对木片(竹)类、果壳类、秸秆类生物质,分别发明了上吸式固定床、下吸式固定床、流化床气化发电联产炭、热、肥的新工艺技术,解决了传统生物质气化工艺存在的突出问题,取得了生物质气化发电联产炭、热、肥关键技术的突破,实现了林农生物质高效、稳定、环保、规模化的应用,引领了生物质气化多联产产业的发展。

3.新装置的创制。针对传统气化装置适应性差、稳定性不强及规模小等问题,研制出适合不同原料、多种类型的气化装置,创新发明了“一种适应多种原料的农林生物质气化炉”“用于生物质气化与活性炭联产装置”等装置;针对可燃气净化的世界性难题,创新发明了“用于农林生物质气化气体的干式净化系统”;针对生物质燃气的波动性和环保性问题,研发了“生物质气化可燃气的稳定环保燃烧方法及环保型燃烧腔”。

4.高附加值产品的创新研发。研究了不同类型生物质提取液组分,创新发明了“一种含生物质活性提取成分的有机液体肥及其制备方法”“一种利用生物质气化固、液产物制备有机肥料及制备方法”等,获得了2种肥料登记证,在生物质气化并网发电和供热的基础上在国内外首创了联产活性炭产品、工业用炭、机制炭、炭基肥、液体肥等高附加值产品,实现了林农生物质高效、高值、无公害及规模化的应用。

二、“农林生物质气化发电联产炭、热、肥”工艺技术与设备的创新研究

近年来,环境问题严重影响了人民的日常生活和社会的可持续发展。环境问题迫使我国加速调整过度依赖煤炭的能源结构,降低化石燃料使用,提升可再生能源和新能源结构的比例成为国家战略。我国的生物质资源丰富,具有种类多、分布广、可再生,硫、氮和灰分含量少等优点,因地制宜地开展生物质能源利用技术是我国生物质资源化利用研究重点。生物质气化技术具有商业化和产业化前景,但由于国内外传统气化技术产品单一,经济效益不佳及环境污染、设备系统性、可靠性、稳定性、安全性等问题,导致技术推广难以为继。为此,周建斌教授团队针对传统生物质气化行业和活性炭、工业用炭、机制炭、炭基肥等行业长期存在的的突出问题,创新研发了多种气化多联产工艺。

(一)果壳类下吸式固定床气化发电联产活性炭、热、肥的新工艺技术与设备系统

针对果壳类原料的特点,开发了果壳类下吸式固定床气化发电联产活性炭、热的工艺,果壳类原料送入下吸式气炭联产气化炉内,产生可燃气热值为1 100~

1 300 kcal/Nm3,出口温度350℃左右,在气化过程中采用水蒸气活化得到高品质果壳活性炭(如果用稻壳为原料得到稻壳炭,可用于制备炭基肥、工业保温材料等);热燃气直接通入燃烧器供锅炉使用(解决了传统气化技术焦油、废水、废渣污染等世界性难题),蒸汽推动汽轮机进行发电同时供热,部分蒸汽减温减压后供活性炭活化使用。

(二)木(竹)块状生物质上吸式固定床气化发电联产炭、热的新工艺技术与设备系统

针对木(竹)块状生物质原料,开发了生物质上吸式固定床气化发电联产炭、热的工艺:块状生物质原料送入上吸式固定床气化炉,产生的可燃气热值1 1001 300 kcal/Nm3,燃气出口温度280320℃,热燃气稳定环保燃烧(解决了传统气化技术焦油、废水、废渣污染问题)产生中温中压蒸汽(435℃、3.43Mpa),推动蒸汽轮机发电,余热用来供暖,炭冷却收集后可加工成机制烧烤炭、工业用炭等。

(三)秸秆类流化床气化发电联产炭、热、肥的新工艺技术与设备系统

针对秸秆类生物质特性,研发了流化床气化发电联产炭、热、肥的工艺:秸秆类生物质进入气炭联产流化床气化炉,产生的可燃气热值1 1001 200 kcal/Nm3、出口温度600℃左右,热燃气经过换热系统降温到350℃左右后直接通入燃烧器进行稳定环保燃烧(解决了传统气化技术焦油、废水、废渣污染等世界性难题),产生中温中压蒸汽推动汽轮机进行发电同时供热,秸秆炭可用于生产炭基肥。

三、“农林生物质气化发电联产炭、热、肥”高值化产品的研发

(一)生物质炭深加工产品研发

1.制备活性炭:针对传统活性炭生产工艺是先炭化后活化,存在能耗高(传统活性炭生产技术每吨活性炭消耗2吨煤)、污染大、热效率低等问题,项目组开发了果壳类生物质气化发电联产活性炭的新方法,实现了在生产活性炭同时发电(每生产1吨活性炭可以发5 000度电)并供热,解决了活性炭生产中的高能耗、高污染问题。

2.制备炭基复合肥:秸秆或稻壳原料气化多联产得到的生物质炭,根据不同地域、不同作物的需要,复配一定量的氮、磷、钾等养分制备炭基复合肥,符合农业部《生物炭基肥料》标准(NY/T 3041-2016,项目组为该标准主要起草单位)。由于生物质炭具有发达的孔隙结构,较大的比表面积,特异的表面官能团,施入土壤后改善土壤理化性质、增加土壤孔隙度,同时还可以将土壤中紧缺的氮、磷、钾等大量元素返回到土壤中,补充作物所必须的硅、钙、镁、钠、铜、铁、锌、锰、钼等中微量元素,有利于提高农作物的产量和品质,减少化学肥料的使用,同时解决了土壤板结、退化、酸化、污染等问题。

3.制备工业和机制炭:以稻壳为原料气化多联产得到的稻壳炭,可用在钢铁保温材料、提取二氧化硅行业,以木(竹)块为原料气化多联产得到的木(竹)炭,可用于制备机制烧烤炭、冶金还原剂等,替代了传统的土窑烧炭,解决了烧炭行业中产品单一、冒烟污染环境、利用效率低、劳动强度大等问题。

(二)生物质提取液制备液体肥料

该项目利用生物质〔秸秆、稻壳、果树枝条、林业三剩物)气化过程中产生的液体废弃物,主要含酸类、醛类、酚类、醇类和酯类等化合物。传统的气化技术将其作为污水来处理,长期以来成为世界性难题。周建斌教授团队系统分析了生物质气化过程中产生的液体成分组成及生物活性,明确了其杀菌抑菌和生理调控作用。根据生物质活性液体的特征和不同作物生长发育的需求,科学制定了配方,研制开发了一种含生物质提取液的有机液体肥,为生物质气化过程中的液体成分高附加值利用奠定了理论和实践基础。指导企业获得2个肥料登记证,在国内外率先建成了5家液体肥企业并应用多年。在江苏、山东、宁夏、江西、河北等省市多年的试验和示范,该生物质活性有机液肥料,能有效调控作物生理机能,增强作物的抗性,显著提高作物的产量与品质。

(三)生物质燃气发电或供热

1.内燃机发电、供热

生物质气化产生的可燃气中含有焦油、有机物、水分及少量粉尘,经过水洗、干式过滤、重力等组合净化分离后,得到的清洁可燃气,可送入内燃机发电,高温内燃机尾气送入余热锅炉产生蒸汽供热。

2.热燃气烧锅炉-蒸汽轮机发电、供热

流化床气化多联产装置产生的热燃气,经过导热油换热降温后,通过风机送入锅炉环保燃烧,产生中温中压蒸汽推动汽轮机发电、供热;固定床气化多联产装置产生的热燃气,直接送入锅炉环保燃烧,产生中温中压蒸汽推动汽轮机发电、供热,解决了传统气化技术存在的焦油、废水污染等世界性难题。

四.与当前国内外同类技术主要参数、效益、市场竞争力的比较

(一)主要技术参数

周建斌教授团队研究的生物质气化发电联产炭、热、肥技术1kg的农林生物质通过热解气化可以得到约2Nm3可燃气(热值1 0001 200 kal/ Nm3),同时得到0.20.3kg生物质炭与0.15kg提取液(炭可以根据原料不同制成活性炭、工业用炭、机制炭棒、炭基肥,提取液用来制作液体肥);而传统的生物质气化技术,产品单一(仅有生物质可燃气),产生焦油、废水、废渣。

(二)效益分析

以“3MW生物质气化发电联产活性炭、肥、热技术”项目为例,每年利用原料3.5万吨,年发电2 100万度(0.75元/度),价值1 575万元,生产活性炭6 000吨(9 000元/吨),价值5 400万;热水(80℃)20万吨(20元/吨),价值400万元,炭基肥7 440吨(3 500元/吨),价值2 604万元,年产值约9 799万元。

五、农林生物质能源多联产综合利用技术及工程研究

周建斌教授团队研制了农林生物质(秸秆、稻壳、果树枝条、林业三剩物)能源多联产技术的综合利用技术和工程。创制了适合多种农林生物质的炉排式气化炉,入炉原料适应性广,密封性好,可连续供气,干法出炭。可同时制取可燃气(发电、供热或供气)、生物质炭、生物质醋液三相产品。研究了生物质炭在冶金行业、速燃炭、土壤改良等领域的应用,并取得了良好效果。开展了生物质醋液在消毒、杀菌、除臭及叶面肥等方而的应用试验,取得了积极的效果,为生物质醋液的高附加值利用奠定了基础。

六、农作物秸秆高效利用新方法及关健技术的研究

农作物秸秆的资源化、无害化的高效开发利用将开辟出广阔的市场空间,对提高秸秆及其它农林废弃植物的利用率,推进农业生态省、生态县、生态乡镇建设起重要的支撑作用。同时具有良好的社会、生态和经济效益,为解决农作物秸秆及其它农林废弃植物高效、经济、环保利用提供新途径。

周建斌教授团队于2002年研发的“农作物秸秆高效利用新方法及关健技术的研究”成果,设计制造了一台农作物秸秆的炭化设备,并进行了农作物秸秆的热解试验,研究了不同热解条件秸秆炭与秸秆醋液的性能,探讨以秸秆炭为主要材料的优良栽培基质配方、加工制作及产业化技术,开发生产优质、高效、专用、无毒无害的环保型基质;研究了秸秆炭对土壤理化性质的改善作用,阐明了高效、综合开发利用农作物秸秆的新途径,为秸秆的无公害处理、保护生态环境、促进经济增长提供依据。

基于该设备生产的秸秆炭对土壤特性及蔬菜品质的影响主要有以下几个方面:

1.秸秆炭对土壤基本理化性质具有显著的改善作用。秸秆炭有利于疏松土壤、降低容重、改善土壤通气透水状况,从而有效防止土壤板结,提高土壤最大持水量、田间持水量和有效水含量范围,增加速效磷、速效钾含量。

2.增施秸秆炭可以提高土壤磷的供应能力。秸秆炭可以降低土壤对磷的吸附,增加土壤磷的解吸量和解吸率,通过研究揭示了秸秆炭降低了土壤磷的吸附常数和磷最大缓冲容量,秸秆炭具有良好的活化磷的性能。磷是植物必须的营养元素之一,但施入土壤的磷肥易被土壤吸附固定。秸秆炭能在一定程度上抑制土壤对磷的吸附固定,不仅提高磷肥利用率、降低成本,而且增加肥效,促进经济发展。

3.通过土壤质量指数评价法和土壤退化指数评价法和聚类分析发现,秸秆炭对提高土壤质量具有积极意义。研究表明,土壤加入4%的秸秆炭能明显提高土壤质量。

4.秸秆炭具有修复土壤重金属污染的作用。对污染土壤中的镉(Cd)具有显著的吸附作用,能迅速缓解土壤福污染,降低蔬菜锅含量,提高蔬菜品质。

5.有机栽培基质的研究及其在番茄上的应用。利用秸杆炭、家禽粪、菜籽饼等当地废弃资源,经加工复配成有机栽培基质,并在番茄上进行栽培试验,结果表明,该有机栽培基质完全适合栽培蔬菜,它与常用的基质相比,理化性状优良,可促进番茄生长,提高番茄产量,尤其是前期产量,并改善其品质,达到生产无公害蔬菜的要求,而且降低生产成木,增加产值,具有较高的推广利用价值。

6.秸秆炭有机肥对蔬菜产量及品质的影响。通过蔬菜作物产量和品质试验表明,与常规施肥相比,亩施秸秆炭有机肥100130kg,结合配施尿素1020kg,可在减少化肥用量38.5%54%基础上,增加虹豆、包菜、辣椒和茄子的产量,并提高其品质和经济收益。

周建斌教授团队2002年在国内外首次提出了“农林生物质气化发电联产炭、热、肥”的创新发展理念,研发了农林生物质气化多联产技术的新工艺、新设备和高附加值产品,在国内外建成20多个工程,引领了国内外生物质能源(发电、供热、供暖)行业、生物质炭(活性炭、工业用炭、机制炭)、生物质肥(炭基肥、液体肥)等行业的发展,取得了良好的经济效益、社会效益和环境效益,具有极强的市场竞争力。典型的3个项目近3年的产值10.31亿元,新增利税1.64亿元,带动600多人就业。

专家简介

周建斌,博士,教授、博士生导师。南京林业大学材料科学与工程学院新能源科学与工程专业系主任、生物质气化多联产国家创新联盟负责人、江苏省生物质气化多联产工程研究中心主任,中国林产工业协会活性炭分会副秘书长、中国林学会活性炭专业委员会常委、中国兵工学会活性炭委员会委员、中国活性炭测试委员会常委。

长期从事生物质热解(能源)与炭材料的教学、研究与产业化工作,先后主持和参与国家948引进项目、国家863计划项目、国家973计划项目、十一五”“十二五国家科技支撑计划项目、国家自然科学基金项目、国家林业公益性行业科研专项项目和示范项目及省部级科技攻关项目等近30项。发表学术论文80多篇,主编参编出版专著教材5部,编写本科及研究生教材6部。先后荣获国家科技进步一等奖、国家科技进步二等奖、梁希林业科学技术奖一等奖、江苏省科技进步一等奖、浙江省科技进步一等奖等奖各1项,入选江苏省“六大人才高峰”、江西省首批“双千计划”人才及“姑苏创新创业领军人才”计划,享受政府特殊津贴专家。