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生物質燃油
生物質燃油
  
  1.項目背景
  1.1傳統化石能源逐漸走向枯竭
  化石能源石油、煤炭和天然氣作為人類生存和發展的重要物質基礎,支撐了19世紀到20世紀近200年來人類文明的進步和經濟社會發展。然而,化石能源的不可再生性和人類對其的巨大消耗,使化石能源正在逐漸走向枯竭。據美國地質局估計,全世界最終可采石油儲量為3萬億桶。由此推算,世界石油產量的頂峰將在2030年出現。由于剩余儲量開采難度增大,石油產量會快速下降。世界煤炭總可采儲量大約為8475億噸。長期來看,盡管世界煤炭可采儲量相對穩定,但還是出現了下降的趨勢。按當前的消費水平,最多也只能維持200年左右的時間。世界天然氣儲量大約為177萬億立方米。如果年開采量維持在2.3萬億立方米,則天然氣將在80年內枯竭。就我國而言,化石類能源探明儲量約7500億噸標準煤,總量較大,但人均能源擁有量卻遠遠低于世界平均水平。煤炭、石油、天然氣人均剩余可采儲量,分別只有世界平均水平的58.6%、7.69%和7.05%。近幾年,我國的能源生產一直保持著快速增長勢頭。2010年,我國能源生產總量為296916萬噸標準煤。其中,煤炭比重高達76.5%,原油比重下降為9.8%,天然氣占4.3%,其它核電、水電、風電等占比9.4%。我國煤炭儲量相對豐富,但從中長期來看,仍面臨諸如儲存條件、勘探水平、運輸條件、安全因素等多方面因素的限制,能被有效開發利用的煤炭資源量明顯不足。隨著化石能源儲量的逐步降低,全球能源危機也日益迫近。以化石能源為主的能源結構,具有明顯的不可持續性。
  1.2化石能源的消耗使環境污染愈發嚴重
  化石能源的利用是造成環境污染與惡化的關鍵因素。大量的化石能源消費,引起溫室氣體排放,使大氣中溫室氣體濃度增加、溫室效應增強,導致全球氣候變暖。1860年以來,全球平均氣溫提高了0.4℃~0.8℃。IPCC(政府間氣候變化專門委員會)所做的氣候變化預估報告的結論是,CO2為溫室氣體的主要部分,其中約90%以上的人為CO2排放是化石能源消費活動產生的。化石能源,特別是煤炭的使用帶來大量的二氧化硫和煙塵排放,也是造成我國大氣污染的主要來源。盡管應對措施初步遏制了酸雨范圍逐步擴大的趨勢,但酸雨仍在局部地區加重。機動車尾氣污染等問題日益嚴重,特別是在大城市,煤煙型空氣污染已開始轉向煤煙與尾氣排放的混合型污染。我國近幾年大氣污染呈現越來越嚴重趨勢,霧霾頻發,空氣惡劣,給人們工作生活和身體健康帶來嚴重影響。如何既要發展經濟,又要清水藍天,改變現有能源消費結構就是唯一出路。2017年年底之前,我國許多省份實行禁止使用小于10蒸發噸的燃煤鍋爐,旨在有效緩解大氣污染狀況,有條件的可以改燒天然氣,但工業企業多數是分散的,并不具備天然氣使用條件,改燒生物質燃料應該是首選途徑。
  目前,已經有50多個國家制定了相關法律、法規或行動計劃,通過立法的強制性手段保障戰略目標的實現。2006年3月歐盟首腦會議指出,到2020年,可再生能源將占整個歐盟25國能源消耗量的20%,生物液體燃料的比例至少要達到10%。2005年,美國提出宏大目標計劃,即未來利用風電提供全美國20%的電力供應,2030年生物液體燃料將占美國車用燃料30%以上。我國于2007年9月公布《可再生能源中長期發展規劃》,明確提出,到2010年,可再生能源年利用量要達到3億噸標準煤,占能源消費總量的10%;到2020年,可再生能源年利用量要達到6億噸標準煤,占能源消費總量的15%。預計到2050年,可再生能源將占世界一次能源的三分之一,并滿足能源增長的大部分需求。事實說明,努力減少對化石能源的依賴,是保證未來人類文明得以延續的必然選擇,不斷提高可再生能源在全部能源中所占比重,最終實現對化石能源的替代,是人類社會發展的必然趨勢。
  1.3農林生物質是可再生清潔能源
  農林生物質主要是各種農作物秸稈、谷殼、玉米芯、果殼、樹枝、樹葉、鋸末、樹皮等。堆放和焚燒就是污染物,合理利用就是可再生能源。我國農作物秸稈年產出量為6.04億噸,其中造肥還田及其收集損失約占15%,剩余5.134億噸。用作農戶炊事取暖、畜牧飼料和少量工業原料約占40%,即2.05億噸,棄于田間地頭直接焚燒的約占60%,即3.08億噸(相當于1.54億噸標準煤),既危害環境,又浪費資源。
  每年秋冬和開春,霧霾彌漫大地,焚燒秸稈是大氣污染的主要貢獻之一。隨著農村生活質量的提高,農作物秸稈逐漸退出作為傳統燃料的舞臺,取而代之的是存儲和使用方便的煤炭,致使在工業燃料污染十分嚴重的情況下,又形成疊加效應,雪上加霜。所以必須為農業廢棄物尋找可行的出路。
  農林生物質來源豐富,取之不盡,用之不竭。生物質能源資源豐富,分布廣泛,全球生物質能源潛在可利用量達350EJ/年,約合82.12億噸標準油,相當于2009年全球能源消耗量的73%。
  農林生物質作為能源,是從太陽能轉化而來,通過植物的光合作用將太陽能轉化為化學能,儲存在生物質內部的能量,與風能、太陽能等同屬可再生能源,可實現能源的永續利用,使用過程生成二氧化碳和水,形成二氧化碳的循環平衡。生物質能源中的有害物質含量很低,屬于清潔環保能源。以農林生物質替代化石能源煤炭、石油和天然氣,既解決化石能源枯竭問題,又能化解地球環境污染。
  1.4農林生物質液化燃料是發展趨勢
  能源消耗主要是工業部門,占比70%以上。農林生物質加工新型燃料的商品化也應著眼于工業應用,才有發展動力和市場前景,因為民用畢竟用量有限,也存在市場運作分散的問題。農林生物質尤其農作物秸稈通過物理壓縮后可以作為鍋爐和工業爐燃料,但對爐膛結構、換熱面積、燃燒溫度和排灰形式都有特殊要求。農林生物質的熱值較低,無機鹽灰分較高,燃燒焦油量大,容易在受熱面結焦結渣,降低熱效率,停機檢修清理非常頻繁,影響生產。使用農林生物質固體燃料,需要特制鍋爐和工業爐,存量燃煤鍋爐和工業爐無法使用這種燃料,改造非常困難,出力也達不到用熱需求。使用固體農林生物質燃料,有收儲、晾曬、安全、灰處理等諸多問題的制約,影響企業規模使用的積極性。
  將農林生物質轉化成液體燃料油供應工業使用,儲存方便、安全,占地面積小;運輸方便、費用低;尤其體積熱量密度高,能保證較高的熱效率;開停機方便,易于間歇操作;使用環境清潔,沒有處理灰的煩惱。使用液體燃料的鍋爐和工業爐,造價較低,存量燃煤鍋爐和工業爐不用改變任何爐體結構,只增加一個燃油燃燒器就可以。所以說,將農林生物質轉化成液體燃料油是適應市場需求的最佳途徑,是農林生物質商品化新能源燃料的發展方向。
  農林生物質生產的初級普通燃料油,可以直接用于鍋爐和工業爐燃料,也可以經過簡單精制提質,作為中低速內燃機燃料,替代普通柴油和重油。經過催化裂解和加氫裂解,生物油可以轉化為輕質油,獲得汽油和柴油。
  2.生產技術
  2.1農林生物質液化燃料技術概述
  農林生物質是化石能源未普及使用之前的家庭傳統燃料,工業領域有效利用技術開始于20世紀70年代末期,主要是利用熱化學轉化和生物轉化技術將生物質轉化為氣、液和固態多種能源產物和化學品。熱化學方法包括:直接燃燒、氣化和熱解。眾多的研究發現,生物質熱解技術是生物質利用的重要途徑,尤其隨著人們對熱解產物研究的不斷增加,以獲得最大量液態產物(生物燃油)為目的的熱解技術的研究和應用越來越受到重視。生物質熱解是生物質在一定的介質條件下,產生液體(生物油)、氣體(可燃氣)、固體(焦炭)3種產物的生物質熱解降解過程。以獲得液體燃料為目的農林生物質熱解液化技術主要有三種途徑:①水解法,生物質在高溫高壓(300℃、10MPa)、堿性催化劑作用的水熱狀態下轉化成液體燃料,生成物:油50%,木炭15%,氣體15%,水相中有機物含量20%左右。分離油、木炭,脫除水分,獲得生物質燃油。這種生物質液化方法對生物質水分要求低,油的回收效率較高,可以達到50%以上,但運行費用高,沒有經濟性,并且在水相和油相分離中排放大量廢水,處理污水是個難題。②氣化合成法,這種方法與煤的間接液化技術一樣,是將生物質先氣化成煤氣,然后經過費托法加氫合成,獲得烴類與醇和含氧化合物的混合燃油。間接液化技術已有80多年歷史,商業化裝置比較成熟,獲得的燃油,水分和含氧量較低,熱值和十六烷值較高,性能接近于石油基烴類輕質燃料,產出汽油、煤油和柴油,可以作為車用燃油。但這種方法生產成本高,有廢水排放,尤其固定資產投資巨大,日產1500噸燃油為最低規模,噸投資額超過150萬元人民幣,并且要求原料能集中供應。對于農林生物質的區域性、分散性和季節性的特點,采用間接液化技術沒有經濟意義。③快速熱解法,是農林生物質在絕氧氧或缺氧條件下進行熱分解,最終生成焦炭、生物油和不可冷凝氣體的過程。三種產物的比例取決于熱解工藝的類型和反應條件。一般地,低溫低速熱解溫度不超過580℃,產物以木炭為主;高溫快速熱解溫度范圍在700-1100℃,產物以不可冷凝的燃氣為主;中溫閃速熱解溫度在500-650℃,產物中燃料油產率較高,可達到60%-80%。農林生物質快速熱解技術就是將低品位的固體生物質經過中溫快速裂解、淬冷回收可燃液體燃料的技術過程,這種液體燃料由近三百種有機物組成,主要有醛類、酸類、醇類、酮類、酯類和酚類,呈深棕色酸性液體,有焦油氣味,含水和含氧量較高,熱值介于18-21MJ/kg。這種液體燃料(油),易儲存、易運輸,體積能量密度較大,既可以直接作為鍋爐或工業爐燃料使用,也可以再加工提質成輕質燃料或提取化學品。農林生物質快速熱解技術,生產裝置投資小,生產規模可大可小,比較靈活,比較適合農林生物質來源特點;生產能耗小,成本低,無污染物排放,產品既可直接做燃料,又具再加工性。在三種農林生物質液化技術中,具有明顯技術和經濟優勢。
  2.2農林生物質快速熱裂解制取燃料油是生物質能源的發展趨勢
  生物質能源轉化是各國能源科學家的重點研究課題,而生物質轉化成液體燃料才具備替代化石能源的實際意義。比較而言,快速熱裂解農林生物質制取燃料油,是技術可行、最為經濟的辦法,各國都在這方面加大投入,研究開發和實施生產。2007年,美國時任總統布什提出了到2017年每年生產350億加侖(1324.8935億升)可再生替代燃料的目標。并多次視察了美國新能源各個研究機構,以推動可再生能源的發展。美國太平洋西北國家實驗室(PNNL)和國家可再生能源實驗室(NREL)在評價多年來快速熱解和生物油精制研究成果的基礎上,提出了日處理木質生物質2000噸/天、年產7600萬加侖汽油和柴油的快速熱解工程實方案,并付諸實施。該工程采用循環流化床快速熱解系統制取粗生物油,然后經由催化加氫、加氫裂解和水蒸氣重整制氫組成的生物油精制系統,將粗生物油轉化成汽油和柴油。每噸生物質可以制取378.5L汽柴油,生產成本低于石油煉制汽柴油,結果非常樂觀,表現出生物質快速熱解液化技術的美好前景。
  2.3循環流化快速熱解農林生物質制取燃料油的技術優勢
  農林生物質熱解制油工藝裝置的技術關鍵有兩個方面:一是熱裂解反應器形式;二是能耗控制。美國、加拿大、西班牙、英國、意大利、芬蘭、荷蘭、法國等各國開發了多種熱裂解反應器形式,流化床反應器、循環流化床反應器、燒蝕反應器、旋轉錐反應器、引流床反應器、輸送床反應器、真空移動床反應器等作為工業示范裝置。而規模化、商業化運行比較好的就是采用循環流化床反應器的加拿大國際能源轉換公司(RTI)和美國可再生燃料技術公司(ENSYN)。荷蘭的旋轉錐反應裝置也實現了示范性運營,但產能達到10000t/a非常困難。
  我國近十年各院校和科研機構在農林生物質熱解液化技術開發方面也做了大量工作,技術最成熟的也是循環流化床反應形式,已經在吉林等地建起工業化示范裝置,生物質熱解液化燃料油技術逐漸趨于成熟。
  循環流化熱解是指熱介質的循環加熱、放熱以及介質與生物質粉體的接觸流化和混合傳熱。使用熱介質給生物質傳熱,是為了增加換熱面積,達到迅速轉熱和熱解均勻徹底的目的。熱介質的循環,可以實現最大限度的節約能耗,避免熱量排放和散失。循環流化床工藝模式,較其它工藝模式的優勢在于單套系統可以實現較大規模的產能,熱效率高,熱解均勻徹底,出油率較高,裝置連續運轉壽命比較長,維修量少。但系統比較復雜,需要在工程設計、設備選型、材料和控制儀表選用方面做到計算精確、重視細節和深知物性。
  循環流化熱解工藝過程是先將農林生物質粉碎,連續輸送到干燥機干燥,脫去全部表面水分和大多數結構水分,再連續進入到循環流化床熱解反應器裂解。高溫熱介質也連續進入反應器與生物質粉體混合傳熱,使生物質迅速升溫、快速裂解成小分子氣體,氣體進入冷凝裝置快速冷凝成液體,不凝的氣體是可燃氣,輸送到燃燒爐燃燒加熱介質。從反應器出來的介質和焦炭混合物經過分離,介質再循環到加熱爐連續加熱,加熱過的熱介質再連續進入反應器。加熱裝置的尾氣送入生物質干燥裝置作為干燥熱源。分離出的焦炭經過間接冷卻送入焦炭加工工序,或生產活性炭,或制成塊狀燃料,或用于生產炭基肥料。
  在线成本人视频动漫開發的循環流化熱解工藝,針對國外工業裝置和國內實驗裝置存在的問題,進行了技術改進和完善,熱解溫度、熱解時間和氣體停留時間可控性更強;生物油水分可以控制在15%以內,利于直接使用和精制提質;熱能回收系統更完善,全系統處于完全密閉保溫狀態,散失和排放熱量非常少,出油率更高,一般達到50%以上;對于高水分含量的生物質,系統余熱完全能夠滿足干燥用熱,不需另外補充熱能;適合各種農林廢棄生物質的熱解制油,無粉塵燃爆風險;裝置易損件少,維修量小,連續運轉故障率低,裝置壽命長;單套系統生物油產能可在5000-40000噸/年之間任意選擇合適的裝置規模。該工藝裝置已實現萬噸級工業轉化,并以"農林廢棄生物質熱解制取工業燃料油生產裝置"獲得專利。
  3.經濟指標
  3.1生產成本
  噸生物油生產成本:
  原料:單價300元/噸,單耗2.2噸/噸,金額660元;
  電:單價0.85元/kwh,單耗120kwh/噸,金額102元;
  人工:單價4萬/年.人,共30人,平均金額120元;
  合計:882元
  其它費用:折舊攤銷費用、管理費用、銷售費用、修理費用,金額300元
  合計:1182元/噸
  3.2經濟效益
  噸銷售價格:生物油熱值4500kcal/kg,參照工業商業天然氣價格3.65元/m3按熱值折算,生物油銷售價格1825元/噸。
  噸利潤總額:1825-1182=643元
  3.3扶持政策
  財政部、國家稅務總局2015年6月12日印發(2015)78號通知《資源綜合利用產品和勞務增值稅優惠目錄》第四類,餐廚垃圾、畜禽糞便、稻殼、花生殼、玉米芯、油茶殼、棉籽殼、三剩物、次小薪材、農作物秸稈、蔗渣,以及利用上述資源發酵產生的沼氣。生產生物質壓塊、沼氣等燃料,電力、熱力。增值稅退稅比例100%.
  財政部、國家稅務總局(2008)47號《資源綜合利用企業所得稅優惠目錄》,農作物秸稈、殼皮、鋸末、樹皮、樹枝,利用70%的深加工,減計征收企業所得稅,即減少賬面收入的辦法減少應稅額。
  財政部《秸稈能源化利用補助資金管理暫行辦法》規定,年消耗秸稈1萬噸以上,即可享受財政補貼。國家和地方都有補貼,補貼標準各地有少許區別。

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