秸秆热解炭化多联产技术应用模式及效益分析

通过秸秆热解多联产技术,能够将废弃的秸秆转化为燃气和生物炭等,既能提供清洁能源,改善用能结构,又能有效还田和固碳,具有较好的推广应用潜力。分析内加热式移动床生物质炭气联产技术、外加热式移动床生物质热解炭气联产技术、外加热式移动床生物质热解炭气油联产技术的工艺参数,提出了适宜自然村、村镇社区和规模化应用等3种不同规模用户的秸秆热解炭化生产技术应用模式,并以不同规模秸秆利用量为例,得到消耗每吨秸秆的纯利润分别为87、135和141元/t,销售利润率20%左右,温室气体碳排放交易可增加8%左右的纯收益,经济与环境效益良好。     

农林废弃物高效循环利用模式与效益分析

中低慢速热解技术将生物质在绝氧或低氧环境中加热分解,生产生物炭、热解油和不可冷凝气体产物,是农林废弃物高效利用的重要途径。该文基于生物质热解炭气联产技术,构建了农林废弃物能源化资源化高效循环利用应用模式,秸秆炭用于还田,木质炭成型后用于供暖,热解气用于居民炊事和热水,热解油回用燃烧为系统加热,木醋液稀释后用作杀虫剂。前南峪热解联产示范工程年运行5 500～6 000 h的条件下,可处理各类农林废弃物2 500 t,生产生物炭700 t(其中秸秆炭约150 t、木质炭550 t),生产热解气20余万m~3,木质型炭和热解气可满足全村386户居民冬季取暖和全年炊事热水用能需求,秸秆炭与人畜粪便复混,全部用于还田。原料收购采用生物炭兑换方式,本村居民5 t农林废弃物原料兑换1t炭基肥或木质型炭,热解气以0.9元/m~3的价格出售给本村农民,工程运行可持续、可复制,具有良好的社会环境效益。项目可实现农林废弃物的高值利用,改善农村用能结构,促进农业可持续发展。     

玉米秸秆连续干馏条件下能量平衡分析

为分析外源加热与分段连续干馏技术工艺条件下的生物质热解特性,以玉米秸秆为原料,通过自行开发的生物质连续热解炭气油联产平台,开展了生物质连续干馏试验测试,分析了炭气油三态产物的理化性质、组分分布和受工艺参数影响的基本规律,并在此基础上进行了系统热量衡算和能量平衡分析。结果表明,连续热解条件下,玉米秸秆炭品质受物料在反应室的滞留时间影响大,滞留时间一般应不低于30 min,热解气热值可达到15~20 MJ/m~3,热解油组分极其复杂;玉米秸秆炭携带热量最多,约占产物总能量的47.88%,热解气占产物总能量的36.17%,木焦油和轻油分别占13.14%和1.74%;连续热解系统能耗比为0.97,能量回收率为75.7%。该研究可为外加热分段连续式生物质炭化设备的开发和推广应用提供重要的基础支撑。     

秸秆捆烧清洁供暖技术评价

中国北方地区秸秆资源丰富，将秸秆打捆转化为能源实现清洁取暖，既能解决秸秆过剩问题，又能有效替代煤炭，对改善大气质量和人居环境具有重要意义。为探究秸秆捆烧清洁供暖技术的能源效率、经济效益和温室气体排放，采用3E（Economic，Energy and Environment）评价模型，从作物种植收获到秸秆捆烧供暖应用全过程开展系统评价，结果表明，秸秆捆烧供暖技术的能源和经济效益较好、温室气体排放少，适于居住较集中的村镇地区冬季供暖，也可用于农业、工业园区等区域供热。供暖面积0.5×104～10×104m2范围内，供暖面积越高，能源和经济环境效益越好，秸秆捆烧供暖的净能量10 512～10 774.8 MJ/t，能量产出投入比8.4～8.5，能源转化率较高，温室气体CO2当量排放量为9.67～11.21 g/MJ；技术经济成本391.1元/t（折合16.2元/m2）～560.5元/t（折合23.8元/m2），按基准收益率8%计算，供暖规模应不小于2×104 m2，若不考虑折旧只考虑运行成本，则供暖面积应不小于1×104 m2。与秸秆成型燃料和秸秆炭气联产供暖技术比较，均具有较好的经济效益，秸秆捆烧供暖技术的能量效益最优，温室气体排放量最少。与煤炭供暖技术相比，3种秸秆供暖技术的净能量产出不如煤炭，但温室气体排放仅为煤炭的1/10～1/7，秸秆清洁供暖技术的环境效益显著。     

农业生物质能温室气体减排潜力

中国拥有丰富的农作物秸秆和畜禽粪污等农业废弃物资源。农业生物质能技术是促进农业废弃物资源有效利用的重要途径，既能够解决农业废弃物的环境污染问题、减少因焚烧或无序堆放排放温室气体，又能够替代化石能源减排CO2、提升土壤固碳能力，未来在"双碳"背景下发展潜力很大。该研究基于LCA全生命周期评价方法，研究8种不同生物质能技术的温室气体排放因子，核算农业生物质能转化与利用过程消耗能源的排放、抵扣化石能源减排、副产物土壤碳汇3个方面，并基于秸秆和畜禽粪污两大类农业废弃物资源禀赋及能源化利用潜力，预测3种不同情景下，农业生物质能替代化石能源的潜力，以及减排温室气体的贡献。结果表明，从减排因子看，热解炭气联产和规模化沼气/生物天然气技术的温室气体减排贡献最大。其次为成型燃料、捆烧供暖、生物质发电、炭化和燃料乙醇等技术，而户用沼气的减排贡献相对较小，8种不同生物质能技术的温室气体排放因子分别为-3.47、-3.20、-2.57、-2.63、-2.58、-2.48、-2.42 t/t（单位为标准CO2当量/标准煤当量）；基于现有政策及规划情景、技术水平提升情景、能源需求结构变化情景等3种不同情景下，评价农业生物质能对温室气体减排贡献潜力。结果显示，2030年农业生物质能替代化石能源潜力为6 490×104～7 664×104 t，温室气体减排贡献为1.97×108～2.34×108 t；2060年替代化石能源潜力为9 073×104～10 763×104 t，温室气体减排贡献为2.79×108～3.36×108 t。该研究为实现农业农村领域碳达峰碳中和目标提供数据支撑。     

Ca/Fe强化生物炭催化秸秆热解挥发分蒸汽重整产氢

该文以生物质基焦炭作为催化剂,对生物质热解挥发分的水蒸气催化重整问题进行探讨。为加强生物质炭的催化能力,以Fe_2O_3和CaO作为助剂,对比分析了生物质炭、炭-Fe和炭-Ca对热解挥发分的水蒸气催化重整作用。试验结果表明,随着温度的升高3种催化剂均能促进玉米秸秆颗粒热解挥发分中H_2气体体积分数的增加。在800℃时,生物质炭、炭-Fe和炭-Ca挥发分中H_2体积分数分别为34.53%、50.89%和41.54%,与无催化剂相比分别增加了7.30%、23.66%和14.31%,其中炭-Fe对于促进H_2的生成效果最明显。炭-Ca催化剂的加入有助于提升热解气的热值,在800℃时热值达到14.22 MJ/m~3。     

生物质连续热解炭气油联产中试系统开发

针对目前多数生物质炭化设备生产连续性差、能耗高、生产过程中存在焦油水洗二次污染等问题,结合生物质炭化技术最新进展和农林剩余物原料特征,提出了生物质连续热解炭气油联产工艺方案,引入连续分段热解、多级组合除尘脱焦和燃油/燃气回用加热工艺方法.在此基础上,重点突破了多线螺旋抄板物料均匀有序输送、多腔旋流梯级高效换热、保温沉降密封出炭、系统压力与气体组分耦合预警等技术,开发了生物质连续热解中试生产系统.运行检测结果表明:系统运行稳定可靠,温度控制精度为±16℃,反应室压力控制精度为±-25 Pa,以花生壳为原料,原料处理量为28.2 kg/h,生物炭得率为31.3％,热解气产率29.6％,液体产物产率19.8％,热解气低位热值为16.3 MJ/m3,各项技术指标均达到了系统设计目标与要求.该中试系统的开发为设备放大及示范应用奠定了重要基础.     

保温时间与粒度对稻秆和棉秆热解产物组成及能量转化影响

热解炭化技术的开发对秸秆的能源化利用具有重要意义。试验研究了保温时间与粒度对水稻和棉花秸秆热解产物理化特性及能源转化的影响。结果表明,保温时间从0到120 min中,秸秆生物炭产率先降低后略增加,热解气中CH_4、C_nH_m和H_2百分含量增加,其高位热值和能量转化率增加,而生物炭的pH值、电导率、灰分、固定碳、C、高位热值增加,保温时间为90 min的生物炭的炭化程度最好。秸秆中能量有1.5%~5.4%保留在热解气中,有50%~57%保留在生物炭中。不同粒度相比,粗粉秸秆的生物炭的炭产率、挥发分、H、O、N及碳转化率最高,细粉秸秆热解气中CO和CH_4百分含量、高位热值和能量转化率最高,而超微秸秆生物炭的pH值、灰分、C最高。棉花秸秆生物炭的挥发分、固定碳、C、H、碳转化率、高位热值和能量转化率高于水稻秸秆生物炭。     

生物质热解过程中氮迁移转化机理研究进展

生物质热解产物中热解气和热解油具有较高能源利用价值,可作为替代燃料或化工原料,但伴随热解过程迁移至热解气/油中的氮元素不仅会影响其品质,热解气/油进一步利用后也会污染大气环境。该研究围绕生物质资源制备清洁能源的总目标,系统分析生物质热解过程中氮迁移转化机理,重点论述气相氮、液相氮和焦炭氮的生成与转化机理。通过总结前人研究,得出生物质热解气中的含氮物质主要为HCN、NH3等,其中NH3主要来源于氨基酸热解释放的氨基以及HCN在焦炭表面的水解转化;HCN主要来源于腈、含氮杂环等一次热解产物的二次裂解;热解油中的含氮物质主要为含氮杂环、腈与酰胺,其中含氮杂环主要由部分氨基酸片段或氨基酸间的脱水缩合反应产生;腈主要来源于氨基酸分子脱H2反应以及酰胺脱H2O反应;酰胺主要来源于NH3与羧基的置换反应。不同生物质种类与热解工况下氮的迁移转化特性复杂多样,生物质种类以及热解过程中的压力、停留时间、升温速率、温度、热解气氛、粒径、催化剂等因素均会影响热解过程中氮的迁移转化路径,最终影响生物质热解气/油中含氮物质的组成及分布。进一步提出生物质热解过程中氮排放控制未来研究方向,以期为实现农村生物质资源高效清洁利用提供参考。     

长期定位双季稻田施用生物炭的温室气体减排生命周期评估

该文评估了双季稻田施用生物炭的温室气体排放和固碳及经济效益。采用生命周期（life cycle assessment,LCA）方法核算了生物炭原料收集与运输、生物炭生产、运输和撒播以及避免秸秆燃烧等过程中的温室气体排放和土壤碳储量;采用静态箱-气相色谱法监测了不同生物炭施入量在4 a 8个生育期的稻田CH4和N2O排放量;计算了不同生物炭施入量处理的净温室气体排放量和减排百分比。水稻生长季温室气体排放结果显示,CK处理（不添加生物炭）、BC1处理（5 t/hm2）、BC2处理（10 t/hm2）、BC3处理（20 t/hm2）的4 a田间温室气体排放总量分别为19.5、15.6、16.1、12.4 t/hm2,BC1、BC2和BC3处理相对CK处理的总减排百分比分别为19.70%、17.46%和36.40%。综合生物炭全生命周期各阶段温室气体排放,CK、BC1、BC2和BC3处理的4 a总净排放量分别为19.5、20.3、10.9、4.2 t/hm2,BC1处理的4a净排放相对CK处理增加4.3%,BC2和BC3处理的4 a净排放相对CK处理分别减少了44.0%、78.6%。3个生物炭用量中,生物炭施用量越低,经济效益越好。稻田施用生物炭能够降低其温室气体排放;全生命周期评估结果表明中量和高量生物炭能够起到减排效果,高量生物炭减排效果最好;经济效益分析结果表明随着生物炭施用量增加,经济效益降低。     

生物炭对向日葵秸秆热解特性及气体产物影响

为了研究生物炭对向日葵秸秆热解的影响,以向日葵秸秆为原料,基于TG-FTIR研究生物炭添加前后向日葵秸秆热解特性与气体产物的变化。结果表明,与向日葵秸秆相比,混合样品主热解区间由276~349℃变得更长,并且发生不同程度的偏移,热解活化能不同程度降低,由60.21降到38.07~50.35 kJ/mol,呋喃类、酸类、含羰基类化合物、芳香醛类、CO、CH4等产物吸光度值存在差异。随着添加500℃制备生物炭比例增加,混合样品热解的活化能减小,释放气体产物中芳香醛类释放量增量减少,CO与CH4释放量降低。添加不同制备温度的生物炭,混合样品热解产生呋喃类、酸类、含羰基类化合物释放量均有所降低;添加500和700℃制备的生物炭,混合样品热解气体产物中芳香醛类增加。添加900℃制备的生物炭,向日葵秸秆热解气体产物中CO产量增加。该研究为向日葵秸秆的有效利用提供理论基础和技术支撑。     

生物质热解多联产在北方农村清洁供暖中的适用性评价

推进北方地区冬季清洁取暖,关系北方地区广大群众温暖过冬,关系雾霾天能不能减少。该文在总结中国北方农村地区采暖现状的基础上,阐释了清洁采暖的现实问题和基本需求。归纳梳理了生物质热解多联产的技术特征和主要多联产模式。在此基础上,提出了以生物质热解多联产技术为核心,适合中国北方农村地区清洁供暖的技术路径与应用模式,对各模式技术可行性、经济可行性和环境影响等进行了分析。研究结果表明,现有经济技术条件下,生物质热解多联产适用于北方地区农村清洁供暖,尤其适合优先示范推广以自然村或新型农村社区为单位的小型集中或分散供暖,200户左右的自然村供暖项目初投资一般不超过300万元,投资回收期为4~5 a。该研究为破解北方地区农村清洁取暖问题提供了新思路、新途径。     

秸秆生物黑炭农业应用的固碳减排计量方法学探讨

秸秆或生活垃圾热裂解转化生物黑炭的产业化技术已经成熟,生物黑炭固碳减排方法学是进行自主碳交易的必备技术依据。基于河南三利新能源有限公司生物黑炭的生产工艺,对秸秆燃烧（基线）和转化生物黑炭以及农业应用（项目）整个系统全生命周期的温室气体的排放量和碳汇清除量进行了评价。采用该方法学,对已经进行的秸秆生物质黑炭的生产和稻田施用的总效应初步估计为秸秆产生净碳汇249-398kgCO2-e·t^-1。可以看出秸秆生物黑炭具有显著的固碳减排效果。     

玉米秸秆成型燃料生命周期评价

为了定量解释以秸秆为原料的成型燃料的节能和温室气体减排潜力,从能源消耗和环境排放出发,分析了玉米秸秆的生长、运输、压缩成型,成型燃料运输、燃烧利用等单元过程,建立了秸秆成型燃料的生命周期能源消耗、环境排放分析模型。以5 000 t/a的秸秆成型燃料生产厂为例,评价了其生命周期能耗和环境排放。结果表明：秸秆运输、压缩成型、成型燃料运输等环节都需要消耗能源,其中,压缩成型的能耗最大;秸秆固定的二氧化碳量为生命周期排放出二氧化碳的96.6%,在很大程度上减少了温室气体的排放。利用生命周期分析秸秆成型燃料,得出其相比化石燃料具有较大的减排优势,为秸秆成型燃料利用提供了基础性数据。     

大型秸秆沼气集中供气工程温室气体减排估算

发展秸秆沼气工程可有效地减少农业温室气体排放,科学核算温室气体减排量为管理和监督温室气体排放状况提供数据支撑。该文以河北省沧州市耿官屯大型秸秆沼气集中供气工程为研究对象,参考和借鉴了自愿减排项目方法学、CDM方法学,构建了大型秸秆沼气集中供气工程温室气体减排计量方法,包括项目边界、基准线排放量、项目排放量、泄漏量、减排量5个方面,计算了2014年耿官屯大型秸秆沼气集中供气工程温室气体减排量。研究结果表明:项目基准排放量包括秸秆处理产生的温室气体排放、未建秸秆沼气工程情况下农村居民生活用能及农田施用化肥生产耗能产生的温室气体排放。项目排放量包括秸秆与沼肥运输过程耗能排放、工程运行过程耗能排放及沼气处理温室气体排放,项目泄漏量即沼气生产、储存、管网供气和利用过程中产生的因物理泄漏所造成的排放。2014年耿官屯大型秸秆沼气集中供气工程基准线CO2排放量为5 776.15 t,项目排放量为57.53 t,泄漏量为136.59 t,减排量为5 582.03 t,约相当于2 100 t标准煤CO2排放量,每消耗1 t(干质量)秸秆可净减排3.56 t,每利用1 m3沼气可净减排11.50 kg。同时,在工程设计、管道设计、工程管理、工艺技术改良升级等方面提出了提升大型秸秆沼气工程温室气体减排能力的策略。