农林废弃物快速热解制液体燃料新技术中试及产业化

1、农林废弃物快速热解制液体燃料新技术中试及产业化可行性研究报告一、研究的立项依据1.国内外研究概况、水平和发展趋势及存在问题农林废弃物快速热解生产液体燃料加热速率快，滞留时间短且产物快速冷却，是一个瞬间完成的过程。该技术始于上世纪70年代末，迄今，为降低快速热解法的生产成本，各国已经对多种反应器和工艺进行了研究，特别是欧、美等发达国家，在进行全面的理论研究的基础上，已建立了相应的实验装置。快速热解法生产的液体燃料可以替代许多锅炉、发动机及透平机所用的燃油，而且还可以从中萃取或衍生出一系列化学物质，如食品添加剂、树脂、药剂等。由于生成的是液体燃料，所以可以很容易地储存和运输，不受地域限制，也正因为

2、这些优势，快速热解技术日益受到关注，工艺发展有了长足的进步。我国在农林废弃物快速热解方面的研究起步较晚，但近几年已有不少科研院所开展了这方面的工作。欧洲各国多采用鼓泡流化床反应器，现已在西班牙和英国建成了200Kg/h 的试验厂，意大利建成了500Kg/h的示范装置。为了方便学术交流和技术合作，欧洲在1995年成立了PyNE组织（Pyrolysis Network for Europe），拥有18个成员国；2001年成立了GasNet （Europe Biomass Gasification Network），现拥有20个成员国以及8家工业单位成员。这些组织在快速热解技术的开发以及生物油的利用

3、方面做了大量富有成效的工作。我国沈阳农业大学开展了国家科委“八五”重点攻关项目“农林废弃物热裂解液化技术”的研究工作，在农林废弃物热裂解过程的实验和理论分析方面做了很有成效的工作。中国科技大学、浙江大学、中科院化工冶金研究所和广州能源所、山东科技大学、河北省环境科学院等单位近年来也进行了农林废弃物流化床或循环流化床液化实验。尤其山东科技大学在青岛市经济技术开发区和青岛广拓科技风险投资公司的资助下，已建起了国内最大的3000吨/年的农林废弃物快速热解中试试验平台，并获第十七届全国发明展览会银奖。因为反应器能够极大地影响化学反应体系的热量、动量、质量传递过程，改善物料、温度在反应体系的分布，从而影

4、响化学反应的速度和进行程度，国外的研究工作偏重于不同类型的快速热解反应器的开发，来提高生物油的产率。从实践中看，国外研制的某些反应器具有非常高的生物油产率。实际上在农林废弃物快速热解生产液体燃料的各种工艺中，反应器都是其核心部分，因为反应器的类型及其加热方式的选择在很大程度上决定了产物的最终分布，所以，反应器类型的选择和加热方式的选择是各种技术路线的关键环节。山东科技大学已拥有热物质快速热解反应器专利两项。目前的国外开发的反应器种类很多，主要可分为如下几类：机械接触式反应器 这类反应器的共同点是通过一灼热的反应器表面直接或间接与生物质接触，将热量传递给生物质，使其高速升温，从而达到快速热解。其

5、采用的热量传递方式主要为热传导，常见的有烧蚀热解反应器、丝网热解反应器、旋转锥反应器等。但是机械设备也存在高温时焦渣磨损设备和设备的移动部分容易出现故障以及难以工业化放大的问题。间接式反应器 这类反应器的主要特征是由一高温的表面或热源提供生物质热解的所需热量，其主要通过热辐射进行热量传递,常见的热天平可归属此类。作为实验室研究设备，难以工业化放大。混合式反应器 混合式反应器主要是借助热气流或气固多相流对生物质进行快速加热，起主导热量传递的方式主要为对流换热，但热辐射和热传导也不可忽略，常见的有流化床反应器、快速引射床反应器、循环流化床反应器等。其中，循环流化床装置因能解决热量转化，实现热量自给

6、，很好地满足快速热解对温度和升温速率的要求而被广泛采用。目前用于商业运行的只有从输运床和循环流化床系统。但由于现有设备农林废弃物颗粒与热载体固固混合需要使用载气，热效率较低，实际应用时将会加大投资成本以及运行难度。真空热解反应器 生物质颗粒进入反应器后被送到两个水平的恒温金属板间受热解，裂解产生的挥发分依靠反应器的真空状态很快被带出反应器，直接输入到两个冷凝系统，一个收集重油，一个收集轻油和水分。该系统最大的优点是，真空下一次裂解产物能很快脱离反应器，从而降低了二次反应的几率，但需要真空泵的正常运转以及反应器极好的密封性来保证，而这在实际应用时将会加大投资成本以及运行难度。作为一种只有30多年

7、发展历史的新工艺，在技术、产品和应用方面还存在许多不足，至今还未实现大规模工业化应用。目前，亟待解决的主要问题有：（）鼓励开发和改进工艺和设备；（）工业放大；（）降低成本；（）提高产品质量，为生产厂和用户制定标准；（）处理、输送和使用过程的环境卫生与安全2.本研究特色、创新性及立题依据（与国内外类似研究比较）农林废弃物快速热解生产液体燃料油工业中试装置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设备。农林废弃物被锤片式粉碎机粉碎为小于2mm的生物质颗粒，经烟气提升管干燥和提升，生物质颗粒被旋分器气固分离进入上部料仓。经旋转螺旋进料器生物

8、质颗粒在专有热解反应器顶端与通过蝶阀下落的高温循环热载体迅速实现自混合、升温、热解，在反应器立管下部油气与半焦和热载体快速分离。热解油气经冷凝器获得液体产品和煤气。半焦和循环热载体通过热空气输送的返料阀进入烧焦提升管燃烧加热，加热后的热载体经旋分器与烟气分离后进入专有热解反应器顶部，实现热载体循环供热，烟气预热空气后被引到烟气提升管底部提升和干燥生物质颗粒。 农林废弃物快速热解生产液体燃料油技术的创新点和关键点： （1）专有热解反应器为静态混合结构，无机械运动部件，解决了机械设备存在的高温时焦渣磨损设备和设备的运动部件容易出现故障以及难以工业化放大的难题。（2）通过专有热解反应器利用重力、无需

9、载气实现了生物质颗粒和高温循环热载体的快速混合、快速升温和热解，提高料液体收率和系统热效率。（3）利用烟气余热干燥生物质颗粒，降低了生物油的水含量，提高了系统热效率。（4）反应器立管下部油气与半焦和热载体通过专有快速分离装置，减少了高温热解油气的二次反应，提高了液体收率。二、研究内容和预期成果1.课题的研究内容和重点解决的关键问题本项目采用了农林废弃物自混合下行循环流化床快速热解技术，根据我国农村农林废弃物集散难度较大的国情，研究开发一种热效率高、投资较低、操作方便的快速热解工艺和设备。(1) 在已建成的处理量3000吨年的热模中试装置上进行不同农林废弃物的热解试验，研究其热解规律和各种影响因

10、素，为提高生物油的产率提供理论依据；(2) 对热解原料和产物（生物油，煤气，生物焦）进行化学分析，找出反应条件和不同原料对产物的影响规律，以计算生成物的产率和确定其品质；(3) 对农林废弃物快速热解中试装置进行优化和完善，解决工业化放大问题，为工业化装置提供设计参数和依据；(4) 制修订产品标准，小批量试生产万吨级装置，根据不同地点区域，分布建立农林废弃物原料基地和生物油生产基地网点。2.预期成果和提供方式、推广应用预测（如应用基础研究应说明其科学意义和应用前景）我国农林废弃物资源非常丰富，农作物种类有稻谷、小麦、玉米、豆类、薯类、油料作物、棉花和甘蔗，农作物秸秆是一种很好的清洁可再生能源，每

11、两吨秸秆的热值就相当于一吨煤。根据我国地理分布和气候条件，南方地区水域多、气温高，适合种植水稻、甘蔗、油料等农作物，北方地区四季温差大，适合玉米、豆类和薯类作物生长，故播种面积大于其他地区。小麦在我国各地区都普遍种植，播种面积以华中、华东地区最多；棉花产地主要是华东和华中地区，其次是华北和西部地区。在2000年到2010年期间，我国每年秸秆资源的可获得量为3.5亿3.7亿吨，相当于约1.7亿吨标煤。如果将这些秸秆资源用于发电，相当于0.9亿千瓦火电机组年平均运行5000小时，年发电量为4500亿千瓦时。仅以山东省为例，作为一个农业大省，山东省作物秸秆年总产量位居全国首位，约占全国1/10。秸秆

12、是农作物的重要副产品，同时也是工、农业生产的重要生产资源，农作物秸秆可用作肥料、饲料、生活燃料及工副业生产的原料等多种用途。但是，近些年秸秆产量随着粮食等主产品单位产量的不断提高而迅速增加，而且传统的秸秆利用方式逐渐被弱化和淘汰，大量剩余秸秆的处理成为农业生产中凸显的问题，一些农民采取了最简单的处理方式焚烧或随意堆弃，不仅浪费了宝贵的资源，而其带来的各种危害令人始料不及，造成了大气污染、土壤矿化、火灾和交通事故等大量的社会经济和生态问题，成为政府关心、社会关注、舆论关切的热点和难点。秸秆资源数量多，开发价值大，大力推广农作物秸秆综合利用技术对于农业和农村发展具有重要的现实意义。山东省是我国重要

13、的粮食作物主产区，也是秸秆资源最丰富的省份。2002年，全省各类农作物种植面积为16571万亩，其中生产可利用秸秆的作物种植面积分别为：小麦5096万亩、玉米3795万亩、花生1476万亩、稻谷233万亩、豆类515万亩、薯类619万亩、棉花997万亩、谷子等其它谷物109万亩左右。据统计资料显示，2002年全省小麦单产303.57公斤/亩、玉米单产346.78公斤/亩，总产分别达到1547.06万吨和1316.03万吨，按照小麦、玉米的平均经济系数0.41和0.42（谷草比分别为1:1.44和1:1.38）来计算，小麦、玉米秸秆干物质单产量分别为437.14公斤/亩和478.56公斤/亩，总

14、产量分别为2227.76万吨和1816.17万吨。若按照收获时的30%和70%的平均含水率折算，在收获时小麦、玉米秸秆产量分别为433.67公斤/亩和1155.93公斤/亩。照此推算，全省每年收获秸秆数量为小麦2210.08万吨、玉米4386.88万吨，若考虑稻谷、谷子、豆类、薯类、棉花等其它可利用作物秸秆的数量，则全省每年生产可利用的农作物鲜秸秆数量总计为9526.94万吨。若按照秸秆露天堆放储存时的平均含水率17%计算，小麦、玉米秸秆总产为2684.05万吨和2188.16万吨，加上其它作物秸秆总量为7036.15万吨。根据在部分县市区进行的调查发现，在目前所生产和收获的秸秆中，秸秆还田技

15、术、青贮氨化技术、秸秆加工颗粒饲料技术等综合利用的秸秆约占该总量的54%。从全省看，目前每年仍有46%左右即3236万吨各种农作物秸秆被焚烧或废弃。应用农林废弃物快速热解技术将农林废弃物转化为体积小、易存贮、运输的生物油，不存在产品消费的地域限制问题。生物油为工农业大宗消耗品，不但可以简单替代传统燃料，而且还可以从中提取出许多较高附加值的化学品；并且通过分散热解，集中发电的方式，热解生物油通过内燃机、燃气涡轮机、蒸汽涡轮机完成发电。因此生物质自混合下型循环流化床快速热解技术为彻底解决农林作物资源的最大化利用、实现农业循环经济、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

16、烧或随意堆弃造成大气污染、土壤矿化、火灾和交通事故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现实意义。近年来随着国民经济的快速发展，我国对石油资源的需求持续增长，2005年我国净进口石油1.4亿吨左右，即使按比较慢的消费增长速度预测，到2010、2015、2020年的供应缺口将分别为1.5108、2.0108和2.5108吨，届时我国石油对外依存度将分别达到45%、50%和54%，石油安全将不可避免地成为国家安全的一个重要组成部分。解决石油资源不足问题的根本出路在于开发利用包括生物质能在内的各种可再生能源。农林废弃物是地球上最普遍的一种洁净而又可再生的能源，其原料资

17、源量大而广，可开发潜力巨大。生物质热解液化技术在此基础上发展，不但能带来经济效益，而且还能促进环保的发展，前景非常看好。三、研究方法和技术路线1. 拟采取的研究方法、步骤、技术路线1主要研究方法、步骤（1）先采用烟煤为原料，在生物质快速热解装置进行煤的快速热解试验，装置平稳运行后，进料切换为生物质，以快速热解后的煤焦作为热载体，进行生物质的快速热解反应；（2）调整试验条件和更换原料，研究不同生物质的热解规律，寻找不同生物质的最佳快速热解条件；（3）对热解原料和产物（生物油，煤气，生物焦）进行化学分析，找出反应条件和不同原料对产物的影响规律；（4）对农林废弃物快速热解中试装置进行优化和完善，解决

18、工业化放大问题。2 技术路线农林废弃物被锤片式粉碎机粉碎为小于2mm的生物质颗粒，经烟气提升管干燥和提升，生物质颗粒被旋分器气固分离进入上部料仓。经旋转螺旋进料器生物质颗粒在专有热解反应器顶端与通过蝶阀下落的高温循环热载体迅速实现自混合、升温、热解，在反应器立管下部油气与半焦和热载体快速分离。热解油气经冷凝器获得液体产品和煤气。半焦和循环热载体通过热空气输送的返料阀进入烧焦提升管燃烧加热，加热后的热载体经旋分器与烟气分离后进入专有热解反应器顶部，实现热载体循环供热，烟气预热空气后被引到烟气提升管底部提升和干燥生物质颗粒。2. 其可行性、可靠性论证四、研究工作的总体安排及年度进展2007.620

19、07.12 采用烟煤为原料，进行工业中试热模装置的试运行，调整各种运行参数，使装置平稳运行；2008.12008.10 进行以农林废弃物为原料的快速热解热模中试试验，研究不同生物质的热解规律和各种影响因素，优化不同生物质的快速热解条件；同期进行热解原料和产物（生物油，煤气，生物焦）的化学分析，找出反应条件和不同原料对产物的影响规律，以计算生成物的产率和确定其品质；2008.112009.4 对农林废弃物快速热解中试装置进行优化和完善，解决工业化放大问题，为工业化装置提供设计参数和依据。2009.52009.6 总结鉴定，申报专利，准备验收。五、实现预期目标已具备的条件1现有研究工作基础本课题申

20、请者田原宇教授和课题组成员多年来一直在煤化工与生物质综合利用技术领域进行大量的基础研究与技术开发，参与完成和在正在进行煤与生物质共气化的基础研究和粉煤固体热载体热解工艺过程的研究与开发等纵横向课题，申请了“一种可连续操作的固体有机物热解装置” 等与生物质热解有关的专利，因此在生物质快速热解技术方面具有较强的前期研究基础和仪器设备积累，能保证项目的完成。本课题组已有专用研究实验楼一座，四层共1000平方米，其中有12米高的框架结构，水、电、气和风设施齐全，能够满足本项目的实验场地要求。本课题组主要研究方向是生物质快速热解、重质油快速热解、煤的分级气化、水煤浆或水焦浆气化等技术的研究开发，多年来一

21、直进行着生物质综合利用的基础研究和工程开发，近年来，又吸收了多名具有多年煤化工与石油化工研究经验的老专家和青年学者，具有较深的知识沉淀和较强的学科交叉优势。2现有仪器设备本课题组现有与该项目相关的仪器和设备有高压反应釜、管式炉、配气装置、煤质分析仪、煤焦气化活性测定仪、气相色谱、液相色谱、表面积分析仪、x射线荧光分析仪、原子吸收光谱仪、快速热解红外、热重分析仪、离心分离机、生物质快速热解冷模装置、生物质快速热解热模装置等，基本能满足本项目研究的需要。目前已建成3000吨年农林废弃物快速热解中试装置。六、本研究已具备的技术力量1. 申请人近三年所取得的成就（包括论著、论文、获奖专利情况，请注明出

22、处、第几完成者）2. 课题参加单位及分工七、本研究经费预算项目总投资300万元，其中已到位资金50万元，包括地方财政拨款10万元，单位自筹资金40万元；新增加投资250万元，其中自筹资金100万元，省专项资金150万元，具体使用情况如下表。 序号预算科目名称合计省专项经费其余经费（1）（2）（3）（4）1一、经费支出30015015021、设备费6030303（1）购置设备费10554（2）试制设备费4020205（3）设备改造与租赁费105562、材料费100604073、测试化验加工费40202084、燃料动力费3223095、差旅费532106、会议费 422117、国际合作与交流费21

23、1128、出版/文献/信息传播/知识产权事务费211139、劳务费2515101410、专家咨询费5141511、管理费25151016二、新增经费来源250171、申请从省专项经费获得的资助150 182、自筹经费10019三、已到位资金来源50 201、地方财政拨款10212、单位自筹资金40八、单位学术委员会审查意见（对本研究的意义、研究方案、申请课题组主要成员的素质与水平等签署具体意见）九、其他需要说明的事项生物质作为能源的主要应用方式包括：1)直接燃烧，生成热量用以加热或蒸汽发电；2)通过气化提供气体能源，用于燃烧加热、内燃机或涡轮发电；3) 厌氧发酵生产沼气，解决村民燃气需要；4）

24、快速热解提供液体燃料，取代通用的矿物燃料，也可作为原料合成特殊化学品。生物质在农村作为家庭燃料直接燃烧，效率低，污染大，且使用量有限；生物质可以通过锅炉、蒸汽涡轮机直接燃烧发电，生物质发电的总效率受蒸汽涡轮机发电效率的理论限制；受生物质原料的高水蒸气含量的限制。通常由于生物质系统规模小的原因，生物质蒸汽涡轮机系统的效率仅在2025。生物质气化是限量供应氧气、空气、蒸汽或它们的混合物并以此作为氧化剂，通过热转化技术将固体燃料转化为燃气。燃气在使用前必须脱出绝大部分灰尘和焦油及其它污染物。国内常见的生物质气化装置有固定床、流化床及移动床等。不论何种气化工艺均存在燃气不易存贮和运输的难题。燃气可为温室、大棚、居民供暖、炊事供气等供应能源，但燃气的焦油问题还难以处理，用量有限，经济效益不佳，致使此项技术还难以实际应用；生物质气化后通过内燃机、燃气涡轮机、蒸汽涡轮机和燃料电池完成发电。这些系统可产生热和能，能够达到更高的系统效率，一般为3040，但是由于气化发电要求规模效益，又大大增加了农林废弃物的运输和储存成本以及场地费用。厌氧发酵生产沼气主要为解