生物质与煤共热解研究现状

生物质能和 废弃物能 其他可再生 能源 合计
1 能源背景
表 1 是国际能源署 ( IEA ) 于 2006 年出版的 世 界能源展望 2006 一书对各种能源的发展预测结果 ( 从基年 2004 2030 年的能源发展趋势 , 假设每年 全球经济增长率为 3 4 % )。 从表 1 中的数据可以看出, 世界能源消费将持 续增长 , 化石燃料继续在全球能源消费中占统治地 位。有统计数据表明, 到 2005 年末 , 煤炭世界剩余
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生物质与煤的共热解根据升温速率的不同 , 热 解可分为常规热解和快速热解 , 目前国内外对这 2 种技术都有较为深入地研究。作者在查阅近年来 国内外生物质与煤共热解方面大量文献报道的基础 上 , 重点分析了其利用现状及今后的发展方向。
2 生物质与煤常规共热解
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现代化工 转状态良好。
第 30卷增刊 ( 2)
不可复制和再生的, 随着开采量的增加和无节制的 破坏性开采 , 化石能源的数量已经越来 越少。表 2 给出了化石能源占全球能源消耗的比例及可使用年 [ 2] 限的统计预测 。
表 2 化石能源占全球能耗比例及可用年限
能源种类 煤 石油 天然气 占全球能源的比例 /% 25 0 32 0 17 0 可使用时间 / a 220 40 60
第 30 卷增刊 ( 2) 2010 年 11 月
现代化工 M odern Chem ica l Industry
Nห้องสมุดไป่ตู้v . 2010 1
专论与评述
生物质与煤共热解研究现状
孙云娟 , 蒋剑春 , 徐俊明 , 李琳娜 , 戴伟娣 , 应 浩 (1 . 中国林业科学研究院林产化学工业研究所 国家林业局林产化学工程重点开放性实验室 , 江苏 南京 210042 ; 2 . 中国林业科学研究院林业新技术研究所 , 北京 100091)
目前国内外对生物质与煤共热解研究主要采用 的方式就是常规共热解。在较慢的升温速率下 , 研 究生物质与煤在不同原料比例、 不同热解温度、 不同 气氛对共热解产物的影响 , 考察生物质的存在对煤 的热解气化过程是否起到了促进作用, 即生物质与 煤共热解气化过程是否存在协同反应, 各国学者在 不同的操作条件下得到了不同的结论。 2 1 生物质与煤的常规共热解过程存在协同反应 持有生物质与煤共热解过程中存在协同反应观 点的专家学者认为, 煤是一种贫氢物质, 在传统的煤 热解气化工艺中 , 为了使煤中的能量充分发挥 , 一般 都进行加氢热解气化。在生物质与 煤的热解过程 中 , 生物质先于煤热解 , 生物质热解产物氢气在共热 解过程中对煤的热解起到了很好的气氛作用 , 加速 了煤的热解 ; 另外 , 生物质灰中的的碱金属氧化物及 生物质中的 CaO 对煤的热解还能起到催化剂作用 , 同样能促进煤的热解。协同反应的影响主要体现在 煤的脱硫、 脱氮及焦油含量减少等方面。 [ 15] S j str m 等 在加压流化床气化装置中对生物
。在生产方面 , 美国已经建
立 Battelle生物质气化发电示范工程 , 奥地利已拥有 [ 11] 装机容量为 1~ 2 MW 的区域供热站 90 座 , 国内 的中国林业科学研究院林产化学工业研究所也已成 功推广 MW 级生物质热解气化发电装置多台套 , 运
2010 年 11 月
孙云娟等: 生物质与煤共热解研究现状
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质和煤混合物进行了气化研究 , 发现在气化过程中 产生的半焦有利于提高气体产率, 降低焦油和氨的 产率, 促进了共热解气化反应的发生 , 说明生物质与 [ 16] 煤的气化过程中存在协同反应。 Cordero 等 在终 温为 600 的条件下对高硫 煤和生物质共热解, 研 究表明 , 在有生物质存在的条件下煤的脱硫效果明 显提高。 N ikkhah 等 在小型反应器中进行了若干 种生物质与煤共热解实验 , 发现相比于生物质或煤 的单一热解 , 在共热解过程中气体产率、 碳氢含量和 热值都有所增加 , 说明生物质与煤的共热解过程存 [ 18 ] 在协同反应。周学仕等 用 5 种高硫强粘结性煤 与 2 种生物质在回转炉内共热解 , 结果表明, 生物质 可阻止强粘结性煤热解过程中颗粒之间的粘结 , 得 到粒状焦炭 , 热解生成较多的 H 2, 有利于煤中硫和 氮的脱除。热解脱硫和脱氮率随着温度的升高、 煤 粒度的减小和煤化程度 的降低而增大。王鹏等 研究了大雁煤、 木屑和两者混合物 3 个样品的热解 特性, 发现生物质木屑与大雁褐煤共热解产生了协 同作用 , 协同作用的结果是: 半焦产率减小 , 焦油和 气产率增加 , 热解气组成中 H 2 和 CH 4 降低 , CO 和 CO2 增加, LHV 减小。武宏香等
SFA, N an jing 210042, China ; 2. Institute o f N e w T echno logy of F orest , CA F , Be ijing 100091, China) Ab stract : T he research status recently on co -pyro lys is o f b iom ass and coal is described . If the synerg istic effect ex its in the co -pyrolysis process, it can effective ly transfer the hydrogen from the b iom ass to the process o f coa l pyro lysis , m prove the character o f the produc ts i , and increase the pyro lysis e fficiency of coa.l The nex t study on co -pyro lysis o f bio m ass and coa l shou ld adopt the prope r m eans , such as adding cata ly st , to acce le rate the synerg istic effect . K ey w ords : b iom ass ; coa;l co -pyro lysis ; synerg istic e ffect
摘要 : 综述了近年来国内外煤与生物质共热解的研究现状。当生物质与煤共热解过程中存在协同反应时 , 能够将生物质中 的氢有效地转移到煤热解过程中 , 改善煤热解过程中产物的性质 , 提高煤的热解效率。后续对生物质与煤共热解的研究可以考 虑适当的方法, 如添加合适的催化剂等来促进协同反应的发生。 关键词 : 生物质 ; 煤 ; 共热解 ; 协同反应 中图分类号 : TK 6 文献标识码 : A 文章编号 : 0253 - 4320( 2010 ) S2- 0001 - 05
目前, 国内外对单独的煤或生物质热解气化研 究都相对比较成熟, 如果将两者热解过程有效地结 合起来 , 实现生物质与煤的共热解势必能扬长避短 , 得到更好的热解效果。生物质用于现有的煤转换利 用设备 , 在现阶段是一种低成本、 低风险的可再生能 源利用方案 , 可替代常规能源, 减少 CO2 等温室气 体及 NOx 和 SO2 的排放
1, 2 1 1 1 1 , 2 1, 2
R esearch status on co -pyrolysis of biomass and coal
SUN Yun-juan , JIANG J ian-chun , X U Junm ing , LI Lin-na , DA I W ei-d i , YING H ao
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基金项目 : 国家 十一五科技支撑计划 项目 ( 2006BAD 07A 03) ; 国家自然科学基金项目 ( 30671649) ; 国际科技合作项目 ( 2009D FA 60880) 资助 作者简介 : 孙云娟 ( 1979- ) , 女 , 博士生 , 助理研究员 , 主要从事生物质热化学转化及活性炭的 研究 ; 蒋剑春 ( 1955- ) , 男 , 博士 , 研究员 , 主要从 事生物质能源及活性炭的研究 , 通讯联系人 , b io- energy@ 163 . com。
1, 2 1 1 1 1, 2 1, 2
( 1. Institute o f Che m ica l Industry o f F orest P roducts, CA F , K ey and O pen L ab . on Forest Che m ica l Eng ineer ing ,
从产业革命后的 200 年间, 人类主要依赖煤炭 等化石燃料来提供生产生活所需的能源, 但是随着 近年来社会经济和人类文明的高速发展, 化石能源 的使用量剧增, 燃烧这些化石能源所排放的温室气 体 , 引发了全球气候的持续恶劣变化 , 地球气温持续 上升, 灾害性气候频发 , 人类生存的环境面临着前所 未有的威胁。于 2009年 12月 7~ 18 日在丹麦首都 哥本哈根召开的气候大会 , 再一次将 减排 问题提 上了人类生存与发展的议事日程, 人类必须在发展 和可持续之间找到平衡。
煤炭 石油 天然气 核电 水电
表 1 世界一次能源需求发展历史与预 测
1980年 2004 年 2010年 2015年 2030 年 需求 / 亿 toe 17 85 31 07 12 37 1 86 1 48 7 65 需求 / 亿 t 27 73 39 40 23 02 7 14 2 42 11 76 需求 / 亿 t 33 54 43 66 26 86 7 75 2 80 12 83 需求 / 亿 t 36 66 47 50 30 17 8 10 3 17 13 75 需求 / 亿 t 44 41 55 75 38 69 8 61 4 08 16 45 2004 2030年均 增长率 /% 1 8 1 3 2 0 0 7 2 0 1 3
收稿日期 : 2010 - 04- 20
0 33
0 57
0 99
1 36
2 96
6 6
72 61 112 04 128 42 140 71 170 95
1 6
可采储量为 9 090 64亿 , t 产量 28 872 亿 t/ a , 在 一段时间内 , 煤炭在能源供应中仍然是主要的一次 能源的来 源。但 是, 人 类赖 以生 存的 化石能 源是
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。有研究资料表明 , 当生
物质燃料占总燃料的热量低于 20% 时 , 一般不需要 改变现有电厂的任何设备 , 就能实现生物质与煤的 共热解。生物质与煤混合燃烧发电和热解转化技术 由于其能将清洁能源高效利用且环境友好 , 逐渐成 为人们研究的热点。在美国和欧洲等发达国家己经 建立了一定数量的生物质与煤的混合燃烧工程 , 装 机容量达到 6 000 MW。主要的燃烧设备是煤粉炉 , 也有的使用层燃和流化床。国内已有多家锅炉厂家 生产生物质和煤混烧的链条炉和流化床炉 , 分别在 东南亚国家和国内运行
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为了促进人类社会的健康可持续发展, 既能满 足当代社会发展对能源的需求 , 又不对后代人满足 其需求的能力构成危害 , 必须在尽量减少资源消耗 的基础上, 提高资源的利用率, 发展可持续发展的新 型能源 , 保持地球系统结构功能的良好状态。 可再生能源中, 生物质是唯一可以储存和运输 的能源 , 为其加工转换与连续使用带来了一定的方 便。随着经济的不断发展 , 人类对能源的需求逐步 增加, 促进了人类对生物质能源的不断开发和探索。 在表 1 中, 国际能源署 ( IEA ) 对未来能源发展的预 测结果同样预测出, 包含生物质能源在内的可再生 能源在世界一次能源中的比例在未来的能源需求中 将逐年增加。 人类对化石燃料的使用已有几百年的时间 , 各 方面的研究都比较充分。但是对于煤炭资源 , 很长 一段时间是以直接燃烧的方式加以利用的 , 这不仅 造成了很大的环境污染 , 而且考虑到煤的有机组成 成分, 直接燃烧并不能发挥其最大的潜能 , 因此研究 者们纷纷寻找各种清洁利用的新途径, 以达到既能 减少环境污染, 又能充分而有效地利用煤的有机成 分的目的。其中煤的热解特性一直以来是人们研究 的焦点 , 从微观角度的岩相微观组分的热解反应研 究 到各种小型实验台架热解生成物 研究 , 已 [ 6] 经获得了煤热解的基本规律 , 尤其是在煤热解中 的脱硫、 脱氮等清洁利用方面; 另一方面, 随着化石 能源的短缺和环境污染的加剧 , 将生物质转换为高 品位的气体和液体燃料已引起了世界各国的高度重 视。生物质热解气化特性也得到了很好的研究 , 对 实验室规模的生物质热解机制进行了解释 , 并推导 出热解动力学模型