農(nóng)林剩余物替代化石燃料“照進(jìn)現(xiàn)實(shí)”
近日，記者從中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院了解到，以木屑、枝椏、秸桿等農(nóng)林剩余物替代化石燃料的科技?jí)粝朐谥袊?guó)正在成為現(xiàn)實(shí)。
中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)林化所）所長(zhǎng)、研究員蔣劍春率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，經(jīng)過(guò)十多年的產(chǎn)學(xué)研合作取得了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成果“農(nóng)林剩余物多途徑熱解氣化聯(lián)產(chǎn)炭材料關(guān)鍵技術(shù)”——這正是農(nóng)林剩余物替代化石燃料的重要途徑之一。
目前，這一創(chuàng)新集成的技術(shù)已將農(nóng)林剩余物替代化石燃料“照進(jìn)現(xiàn)實(shí)”，實(shí)現(xiàn)了生物質(zhì)氣化發(fā)電、供熱、供氣的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，并榮獲了2013年度國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
前瞻研究
20世紀(jì)90年代初，生物質(zhì)能研究在中國(guó)尚處于起步階段。憶及那時(shí)候的研究情況，蔣劍春頗有感觸：“1993年我加入了全國(guó)生物質(zhì)能源專(zhuān)業(yè)委員會(huì)。當(dāng)時(shí)研究生物質(zhì)能的人非常少，我們召開(kāi)會(huì)議時(shí)來(lái)參加的只有十幾個(gè)人。”即便在10年后，參與林化所召開(kāi)全國(guó)生物質(zhì)能源會(huì)議的業(yè)內(nèi)人士也只有50余人。
“現(xiàn)如今，每年全國(guó)范圍內(nèi)的與生物質(zhì)能相關(guān)的會(huì)議可謂鋪天蓋地。”蔣劍春說(shuō)。
當(dāng)前生物質(zhì)能全行業(yè)的紅火，源于“十五”以來(lái)我國(guó)政府不遺余力地推動(dòng)。那么，在國(guó)家政策大力向該行業(yè)傾斜前，蔣劍春與林化所為何會(huì)“獨(dú)具慧眼”地將生物質(zhì)熱解氣作為研究重點(diǎn)？
談及為何選擇這個(gè)極具前瞻性的研究方向，蔣劍春坦言乃是基于“國(guó)家需求”。“當(dāng)初我國(guó)石油、煤炭等化石能源價(jià)格較低，當(dāng)時(shí)大家都覺(jué)得沒(méi)有必要研究生物質(zhì)能，這個(gè)行業(yè)也沒(méi)有發(fā)展與利用的前景。但生物質(zhì)能確實(shí)是當(dāng)時(shí)國(guó)家有需求的科研項(xiàng)目，而且林化所也有傳統(tǒng)研究?jī)?yōu)勢(shì)，我堅(jiān)定地認(rèn)為這個(gè)方向非常具有科研價(jià)值。”
在外界并不看好的情況下，懷揣著為國(guó)家解決需求的決心，蔣劍春帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)就此開(kāi)啟了農(nóng)林剩余物熱解氣化的研究之路。
針對(duì)農(nóng)林剩余物熱解氣化過(guò)程中存在的原料適應(yīng)性窄、系統(tǒng)操作彈性小、運(yùn)行穩(wěn)定性和可控性差、燃?xì)馄焚|(zhì)低、技術(shù)單一、氣化固體產(chǎn)物未高值化利用等問(wèn)題，蔣劍春率領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了熱解氣化反應(yīng)過(guò)程的基礎(chǔ)理論、控制機(jī)制、反應(yīng)器新型結(jié)構(gòu)等研究。
他們突破了內(nèi)循環(huán)錐形流化床氣化、大容量固定床氣化、富氧催化氣化、聯(lián)產(chǎn)高附加值炭材料等技術(shù)瓶頸，創(chuàng)新集成了生物質(zhì)多途徑熱解氣化及聯(lián)產(chǎn)炭材料成套技術(shù)，并規(guī)；瘧(yīng)用于工業(yè)鍋爐的供氣、供熱以及發(fā)電等行業(yè)。
蔣劍春介紹，通過(guò)該技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)林剩余物高值化綜合利用替代化石燃料、減少溫室氣體及其他有害氣體排放的目標(biāo)。
在扎根農(nóng)林剩余物熱解氣化研究十多年后，他感慨地說(shuō)：“如今不僅國(guó)家從能源安全的角度出發(fā)，開(kāi)始大力發(fā)展生物質(zhì)能，而且隨著環(huán)境污染的加劇，該行業(yè)的重要性也日益突出。從環(huán)境需求、能源安全與提高農(nóng)民經(jīng)濟(jì)收入等角度看，生物質(zhì)能研究的發(fā)展空間非常廣闊。”
創(chuàng)新集成的新技術(shù)
據(jù)記者了解，“生物質(zhì)多途徑熱解氣化”技術(shù)就是利用內(nèi)循環(huán)錐形流化床、上吸式氣化爐、下吸式氣化爐三種不同設(shè)備和工藝路線(xiàn)，采用最低成本的空氣氣化法，將農(nóng)林剩余物完全氣化或部分氣化制備燃?xì)猓糠謿饣瘯r(shí)可同時(shí)生產(chǎn)出高附加值炭材料應(yīng)用于工業(yè)。
尤其值得一提的是，通過(guò)長(zhǎng)期的探索研究，蔣劍春與團(tuán)隊(duì)創(chuàng)制的生物質(zhì)內(nèi)循環(huán)錐形流化床氣化等10項(xiàng)技術(shù)及裝備，分別獲得了多項(xiàng)國(guó)家發(fā)明及實(shí)用新型專(zhuān)利。
而且，蔣劍春團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)了與“滿(mǎn)足大顆粒物料流化、但小顆粒物料不被帶出”這一要求相適應(yīng)的最佳錐角的內(nèi)循環(huán)錐形流化床反應(yīng)器和錐體氣體分布器。該成果提高了系統(tǒng)操作彈性，運(yùn)行負(fù)荷可在25%～100%范圍內(nèi)控制調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)連續(xù)排渣、系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。
同時(shí)，這款在國(guó)內(nèi)率先研制出的錐形流化床氣化爐，強(qiáng)化了氣化爐內(nèi)傳質(zhì)和傳熱過(guò)程，加速了生物質(zhì)在爐內(nèi)熱解和氣化的反應(yīng)速度。
由于氣化爐頂部設(shè)有余熱回收裝置，有效提高了氣化效率。由于采用環(huán)狀間隙的結(jié)構(gòu)形式分布?xì)怏w，氣體流暢無(wú)渦流，強(qiáng)化了生物質(zhì)顆粒的整體循環(huán)性，提高了流化床反應(yīng)器的氣體分布均勻度，增強(qiáng)了氣體與固體的接觸效果，減少了氣泡的形成，改善了流化質(zhì)量。
而且，與傳統(tǒng)分布板結(jié)構(gòu)相比，新技術(shù)操作簡(jiǎn)單方便，有效防止了爐內(nèi)局部過(guò)熱與結(jié)渣，避免了原料夾帶雜質(zhì)造成分布器的結(jié)渣和堵塞，能更好地氣化熱焓低、灰分高、易結(jié)渣的軟秸稈等原料，并副產(chǎn)農(nóng)業(yè)秸稈炭，可用作農(nóng)業(yè)有機(jī)肥，從而達(dá)到疏松土壤、保持水土、提高地?zé)岷彤a(chǎn)量的目的。
應(yīng)用前景廣闊
“農(nóng)林剩余物多途徑熱解氣化聯(lián)產(chǎn)炭材料關(guān)鍵技術(shù)”的成功開(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用，為我國(guó)各種農(nóng)林生物質(zhì)原料的高效能源轉(zhuǎn)化利用提供了很好的途徑。
蔣劍春告訴記者，自己與團(tuán)隊(duì)十分注重科研與成果轉(zhuǎn)化間的銜接，在項(xiàng)目研究的同時(shí)就進(jìn)行了市場(chǎng)開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化建設(shè)。
目前，運(yùn)用該技術(shù)成果已成功建成了世界上最大規(guī)模的、利用生物質(zhì)燃?xì)夤岬、年產(chǎn)5000噸的化學(xué)法活性炭示范生產(chǎn)線(xiàn)。
自2000年起，林化所已經(jīng)建成了不同規(guī)模、分布式利用的農(nóng)林剩余物多途徑熱解氣化工業(yè)化裝置計(jì)190臺(tái)套，并在北京、安徽、山東、遼寧等地推廣應(yīng)用，已出口英國(guó)、意大利、日本、馬來(lái)西亞等10多個(gè)國(guó)家。
近3年來(lái)，該技術(shù)推廣應(yīng)用已經(jīng)累計(jì)綜合經(jīng)濟(jì)效益約27億元；利用農(nóng)林生物質(zhì)約180萬(wàn)噸、替代燃煤100余萬(wàn)噸，減排二氧化碳約250萬(wàn)噸、二氧化硫分別達(dá)3萬(wàn)噸，增加就業(yè)崗位6000個(gè)以上；獲得授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利11項(xiàng)、實(shí)用新型專(zhuān)利22項(xiàng)，制定相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)2項(xiàng)。
不過(guò)，蔣劍春對(duì)記者指出，目前技術(shù)的應(yīng)用還主要局限在林業(yè)領(lǐng)域，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域涉及較少。“我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)加工的剩余物（廢棄物）更豐富，每年多達(dá)數(shù)億噸。這是我們希望下一步重點(diǎn)推廣的目標(biāo)。”
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