（来源：CBC全球生物质能源）

生物质废弃物有序能源化利用评述

摘 要∶

基于我国生物质废弃物的产量、分布和利用现状,分析了生物质废弃物资源利用过程中转运能耗大和碳排放量高的现状,指出相比于压缩、干燥、烘焙等方法,低温热解预处理技术在生物质废弃物减容提质方面更优势;论证了生物质废弃物减容提质预处理对其资源利用过程的降耗减排具有一定的作用,提出将具有调峰能力强、使用寿命长、规模化成本低、安全环保等优点的熔盐储能技术应用于生物质废弃物低温热解预处理中,并通过基于耦合熔盐储能的生物质废弃物低温热解处理工艺案例的综合分析,验证了该工艺的可行性和经济性。结果表明:由于熔盐储能对清洁能源电能的消纳及波谷电的存储利用,可有效提高生物质废弃物能源利用过程中的能量利用率,使碳排放量减少达378.49tCO2eq/a,并可获得良好的经济效益回报(内部收益率大于行业基准收益率),从而实现“无序”生物质废弃物的“有序”能源化利用,对双碳战略具有重要意义。

关键词：生物质废弃物;熔盐储能;低温热解;清洁能源;波谷电;碳排放

0 引言

随着全球经济的发展和城市化进程的加快,一次能源的使用带来了能源危机和环境污染问题,各国政府正着力于寻找清洁、可再生的替代能源[1]。在“碳中和”和“碳达峰”战略目标下,我国亟需进行能源结构的调整,在2060年实现非化石能源占比超过85%。生物质资源是第四大能源系统,也是人类最主要的可再生能源之一[2],生物质废弃物指的是人类在生活与生产活动中利用生物质产生的一系列废弃物[3],其主要包括农业与林业废弃物,也包括工业生产中产生的工业废弃物和日常生活中产生的生活废弃物以及畜禽粪便等。其中,农业废弃物作为生 物 质 废 弃 物 能 源 中 重 要 的 一 部 分,占 比 高 达51%;动物粪便、林业废弃物、工业废弃物和城市垃圾占比分别为23%、14%、10%和2%[4]。我国生物质废弃物资源丰富,每年可产生的生物质废弃物约为10亿t,其中农作物秸秆作为主要的生物质废弃物种类,每年可收集约4亿 t。生物质废弃物的资源化利用不仅有利于固体废物的循环再利用,还能实现负碳性生物质中碳资源的转化和利用,对“双碳”战略具有重要意义。

1 我国生物质废弃物利用现状

我国农业废弃物资源丰富[3],在传统利用方式中,有31.9%的农业废弃物(农作物秸秆)作为养殖饲料,15.6%的农业废弃物用于制作肥料,17.8%的农业废弃物作为生活燃料,2.6%的农业废弃物作为工业原料,2.6%的农业废弃物用于培养食用菌,剩余大量农业废弃物的无序处置严重影响了城乡生态环境[5]。因此,亟需对当前的农业废弃物进行高效能源化与资源化利用。

我国农业废弃物存在空间分布不均的现象,以农作物秸秆产量为例[6],我国的生物质秸秆资源主要集中在东北、华北和长江中下游地区,资源空间分布特点为“东多西少、北多南少”。同时,同一省内的生物质废弃物资源在空间分布上同样存在分布面积广、分布不均的现象,如2020年吉林省各地区玉米秸秆可收集资源量的差距较大(表1)[7]。但目前吉林省内只建有3个生物质发电厂,这就导致生物质收集运输距离较长、成本较高。刘俊伟等[8]研究表明,假设某秸秆直燃发电系统装机容量为25 MW,秸秆的主要运输工具为柴油拖拉机,收集半径为40km 时,每吨秸秆运输能耗为65.6 MJ。由于运输过程污染物的排放主要是消耗柴油产生的,基于胡志远等[9]对秸秆运输过程中污染物排放系数的计算,可得到运输过程中污染物的排放量,如表2所示。因此,在农业废弃物的能源化利用过程中,生物质废弃物运输的高能耗与高排放是目前存在的一大难点。

生物质废弃物普遍能量密度较低,典型农业废弃物———生物质秸秆的基础特性数据如表3所示。生物质具备高含氧量、粒径大、水分较高的特点,这些特点使得生物质收运成本居高不下,能源利用效率偏低。为了降低生物质废弃物转运过程的能耗,提高其能源利用效率,对生物质废弃物进行减容提质的方法受到关注与应用,包括生物质压缩成型、干燥、烘焙和低温热解预处理等。通过减容提质的方法可以有效解决生物质能源化利用过程中的资源分散、能量密度低、含水率高等问题,实现“无序”生物质废弃物的“有序”能源化利用。

生物质压缩成型是将各类生物质废弃物,如秸秆、稻壳、锯末、木屑等,采用机械加压的方法,使原来堆积密度小、无法固定的原料压缩成型,压缩后的体积可大幅缩小6~8倍。该方法可以较好地实现生物质废弃物的减容,但该过程中生物质只发生了物理变化,原料的亲水性强(在储存和运输过程中容易吸收水分[11])、氧含量高、热值低的缺点并未得到改善,而且其压缩设备具有能耗大、磨损严重、使用寿命短等缺点,如螺旋挤压式生物质固化成型装置的单位产品能耗达到了100~125kW·h/t,国产螺杆磨损使用寿命低于500h[12]。

目前主流的生物质废弃物干燥技术主要是自然干燥、热风干燥和微波干燥3种。其中,自然干燥是将生物质进行晾晒,主要靠阳光的辐射换热以及自然风的对流换热等完成干燥,因此自然干燥效率低且难以精确控制含水率。热风干燥是将生物质放入专门的设备中进行加热来蒸发其含有的水分,该方法不仅要提供额外的热源,而且效率较低。张孟举等[13]研究发现,稻秆在热风干燥过程中网状、管状纤维结构阻滞了水分蒸发的速度。微波干燥是一种内部加热的方法,利用微波电磁场对物料进行加热,由于微波可以进入物料内部被吸收后转化成能量,所以可实现无温度梯度加热,均匀、快速地完成干燥。Wang等[14]基于微波干燥对松木屑等3种生物质干燥过程进行了研究,结果显示采用600 W 的微波功率进行脱水只需6min,而常规电炉加热需40min。但是,微波干燥技术成本较高[15]。

生物质废弃物烘焙是在常压、惰性氛围、200~300 ℃条件下发生的慢速热解过程,在此过程中大部分生物质分子间以及分子内氢键、C—C键、C—O键吸收热量而断裂,结构重组后形成羧酸、醇类、醛类、酯类等含氧挥发分以及 CO、CO2、CH4 等气体产物,同时细胞结构被完全摧毁,生物质变得易碎[16]。Phanphanich 等[17]在对生物质进行烘焙研究中发现,固体产物中的碳元素含量随着温度的上升而逐渐增加,氧元素含量则逐渐减少,同时热值也得到提高。根据不同条件下木屑烘焙前后的元素分析与热值数据可知(表4)[18],木屑烘焙后含氧量明显降低,热值也有所提升,这为解决生物质能量密度低、氧 含量高等缺点提供了可行的技术路线。Shang等[19]研究了烘焙对赤松成型颗粒品质的影响,试验结果表明烘焙预处理在一定程度上减少了赤松颗粒在后续研磨过程中所需的能耗。

生物质低温脱氧处理是在常压、惰性气氛、低于400℃条件下进行热预处理过程，其本质是一种生物质的低温热解过程。该方法可去除生物质中绝大部分的水分以及部分的含氧挥发分,将生物质制成具有高能量密度、低含氧量的热解固体产物,这些性质的改善对生物质后续加工利用,尤其是加工成碳燃料的过程具有很大的帮助[20]。Xiao等[21]通过研究不同温度热解预处理对稻秆后续气化过程的影响,发现稻秆热解预处理温度为400℃时,后续气化产物的综合质量最佳。此外,该方法还能在一定程度上缓解生物质含水量高、含氧量高、能量密度低、破碎困难、流动性差等问题。Bridgeman等[22]对芒草等两种生物质进行了低温热解预处理,发现经过烘焙后生物质可磨性系数增加较小,但经过较高温度的低温热解预处理后其可磨性系数明显增加。由此可见,相比于压缩、干燥、烘焙等预处理方法,生物质低温热解预处理方法在减容提质、增强热解焦可磨性和提高其热值方面具有更强的优越性。

目前已有学者研究了生物质废弃物进行减容预处理后对收集运输成本的影响。邢爱华等[23]研究发现生物质压缩后再运输是否能降低成本与运输距离有关,当运输距离为18km 和30km 时,压缩后生物质的收集成本由于增加了压缩耗能成本,所以高于不经过压缩而直接运输的收集成本;当运输距离为60km 和100km 时,由于生物质压缩后运输减少的成本高于压缩耗能成本,所以生物质压缩后再运输低于直接运输的收集成本,且在生物质压缩密度较小时,随着生物质压缩密度的增大收集成本下降很快,但当生物质压缩密度达到 0.6t/m3 以后,生物质压缩密度的增大对降低收集成本的作用很小。因此,远距离运输时对生物质适度压缩减容有利于降低收集成本。刘锐佳[24]以花生壳慢速热解系统为研究对象,研究发现将花生壳热解制炭后,不仅可以减少运输能耗,还可以通过产物销售等达到较高的经济收益。但压缩、热解等生物质预处理过程都会消耗大量的能量,并产生较高的碳排放量,研究表明生产 1 MJ热值的热解产物就需要消耗0.02度电。因此,亟需进一步降低生物质预处理环节的成本和减少碳排放量。

在我国碳减排可持续发展战略的执行过程中,以风能、太阳能为主的新能源电力系统建设对于保障我国能源的供应发挥了十分重要的作用,且保持长期增长的态势。但新能源电力系统具有间歇性发电的特点,在实际使用过程中,新能源发电机组的发电时间受气候、自然环境等客观条件的影响,波动性较强,往往存在能源产出与实际使用时间的不匹配问题。而应用储能技术可以起到调配发电机组出力的作用,快速储存高峰发电期的电能或者将电能发送至电网的负荷区域,可有效解决其不匹配的问题,保证电力系统的稳定供电。

储能技术主要包括电储能技术和热储能技术[25]。其中,熔盐储(热)能技术具有调峰能力强、传热能力强、使用寿命长、规模化成本低、安全环保等诸多优势,目前在光伏/风力弃电储能、火电机组灵活性改造、能源网络的“削峰填谷”、工业余热利用等领域得到了广泛的应用[26]。由此可见,将熔盐储能低温热解技术应用于生物质废弃物预处理中,提升产物能量密度,通过消纳新能源电能以及储存利用波谷电,可提高能量利用率,减少碳排放量,并实现较高的经济性。本文将基于耦合熔盐储能生物质废弃物低温热解案例的综合分析,进一步阐述该方法的可行性及经济性。

2 耦合熔盐储能生物质废弃物低温热解处理工艺案例的综合分析

2.1 可行性分析

传统能源发电可以做到通过系统的统一调度规划来满足电网平稳运行的需求,而典型的可再生能源发电系统如光伏、风能等受地域、气候等因素的影响,电力产出波动性极强,难以统一调度和完全消纳。2022 年 1—9 月,全 国 风 电 平 均 利 用 率 为96.5% (图1),光伏平均利用率为98.2%(图2)。风电利用率前三季度,重庆、浙江、西藏等13个省市及地区风电利用率达到100%,河北、陕西、新疆、吉林略低于全国风电平均利用率,其中蒙东和蒙西的弃风率最高,分别为10.5%和8.6%;光伏利用率前三季度,江苏、浙江、安徽等15个省市及地区光伏利用率达到 100%,河北、陕西、山东、蒙西、甘肃、宁夏、新疆略低于光伏全国平均利用率,其中西藏弃光率最高达到19.5%,青海弃光率为10.1%。

为了解决可再生能源消纳问题,提升能量利用率,储能技术在清洁能源利用领域受到关注。谷电储能技术应用面极广,可与各种新能源电力相结合,成为新能源消纳的途径[27-30]。谷电储能技术中蓄热储能应用最为广泛,其技术原理是利用夜间低谷段电价将电能转换为热能存储在蓄热装置中,并在电价峰值时期泄能,从而实现“错峰”用电。截至2022年末,全国已有28个省级行政区(不含港澳台)执行峰谷电价政策,峰谷电价差超过0.7元以上的地区达到了23个省级行政区,其中浙江省峰谷电价差为全国最高,价格为1.32元/(kW·h)。2022年我国各地最大峰谷电价差,见图3。谷电储能蓄热技术实现能量在时间上的转移,蓄热技术结合峰谷电价能够节省一定比例的电费,减少用能成本。从宏观角度来看,加装储能设备的发电系统在提升电网可再生能源消纳能力的同时,还能削峰填谷,平缓了电网负荷,促进了电网稳定运行[31-32]。

2.2 经济性分析

熔盐储能技术因其具有调峰能力强、使用寿命长、规模化成本低和安全环保等诸多优势,在太阳能或波谷电存储利用方面占据了重要的位置。通过熔盐储能技术,利用太阳能或波谷电,以将生物质废弃物进行热转化制备形成替代碳基燃料,使产物能量密度提升,也便于运输和后续集中热转化利用。一般来说,热解处置规模越大,热解产品的单位成本也就越低,但同时也会造成生物质原料的需求量提升,增加收集与运输成本。根据小型热解处置系统的现实情况,热解装置的规模可定为每天处理20t生物质原料,假设生物质炭的转化率达到70%,则该装置的日产量可达14t,假设每年运行200个工作日,总计可处置生物质废弃物约4000t,生物质炭产量达2800t。选取我国中部农村地区为代表进行分析,该地区平均每平方公里的生物质废弃物年产量大约为500t,其中部分直接用作肥料和取暖,还有大约50%可以收集用于热解处置。因此本研究设置生物质废弃物的收集半径为9km,适合小规模运输,减少了收集难度并且降低了热解处置的成本。

经济性分析的评价指标主要分为时间性指标、价值性指标和效率性指标3类,通过3类指标的综合分析可以较为全面地评估一项工艺的经济性。因此,本研究选取3类指标中的典型代表即投资回收期、净现值、内部收益率,对熔盐储能耦合生物质热转化减容提质工艺进行全面的经济性分析[33]。

2.2.1投资回收期

投资回收(T期p)也叫做投资回收年限,是指从项目投建之日起,获得的净收益达到投入的初投资所用的时间,它是反映项目投资回收能力的指标。其表达式如下:

式中:Tp 为投资回收 期 (a);CI为 现 金 流 入 量 (万元);CO 为现金流出量(万元);(CI-CO)t 为第t年的净现金流量(万元)。

2.2.2 净现值

净现值(NPV)指未来资金流入现值与未来资金流出现值的差额,按一定的折现率或基准收益率将投资项目在整个运行周期内各个不同时点所发生的净现金流量折算成现值,再求其代数和。其表达式如下:

式中:NPV 为净现值(万元);i0 为基准折现率(%);n为项目的寿命期(a)。

2.2.3 内部收益率

内部收益率(IRR)是指项目在运行周期内资金流入现值总和与资金流出现值总和相等时的折现率,即净现值为0时的折现率。其表达式如下:

式中:IRR为内部收益率(%)。本研究利用上述评价指标对生物质废弃物年处理量为4000t的熔盐储能耦合生物质低温热解处置经济性进行分析。表5为该工艺投资费用估算,主要包括设备投资和流动资金两部分。设定该工艺系统运行年限为20a,基准收益率为10%,不考虑设备残余价值。热解原料选取农村地区典型生物质废弃物稻秆,由于其收购范围较小,可直接在农户中进行收集。根据表3的数据,生物质原料的含水率在10%左右,平均每吨生物质原料的收集与预处理费用总计大约为300元。能量来源是利用熔盐将工业生产用电在波谷时期储存起来,根据湖北省工业生产 用 电 的 波 谷 电 价 取 平 均 折 算 价 位 为 0.35元/(kW·h),设备平均每天能耗转换成耗电量为1850kW·h,则每年对4000t生物质废弃物进行处理,每年可消纳电量37万kW·h左右,相当于节约了 123.33t 标 准 煤,减 少 碳 排 放 量 378.49tCO2eq/a。人力支出方面,操作运行与项目管理共计需要5人,成本约22万元。表6为该工艺总运行成本估算。

根据表5和表6的计算,处理1t生物质废弃物的成本为597.35元。而生物质炭售出的价格与其结构、理化性质、用途等密切相关,比如可直接进入燃煤电厂进行燃烧发电,也可作为化工原料制备活性炭、机制炭等产品。国内活性炭的价格在4000~10000元/t,年产量达到100万t,且价格和需求量都连年走高;机制炭可用作餐饮用炭,也可在工业上用于钢铁冶炼和生产二硫化碳,市场价格在2500~3500元/t。若将生物炭作为上述两种产物的化工原料售卖,扣除各种运输、储存和销售费用等,出厂预期销售价格大约为1200元/t,则计算可得年总净收入最低为336万元。根据以上分析的相关数据,计 算 得 出 本 工 艺 系 统 单 位 净 利 润 为 242.63元/t,财务净现值(IC=10%)为1228.7万元,内部收益率为16.5%,投资回收期为5.26a(含建设期)。可见,本工艺的内部收益率大于行业基准收益率,回收期较短,净现值很高。相比传统的热解制炭处置系 统 而 言,该 工 艺 的 单 位 净 利 润 大 幅 增 长 了385%[34],效果十分可观,而各项经济指标整体与生物质热解液化相当[35-36],体现了该工艺的优势。

3 结论

我国生物质废弃物总量大,由于其资源分布存在不均匀特征,生物质废弃物在利用过程中存在运输能耗及碳排放量高的问题。本文提出移动式熔盐储能耦合低温热解技术的生物质废弃物有序能源化利用方案,可实现对清洁能源及波谷电的有效消纳。基于该方案进行案例综合分析可得:每年消纳电量约37万kW·h,相当于节约了123.33t标准煤,减少378.49tCO2eq碳排放量。本模型方案财务净现值 (IC=10%)为 1228.7 万 元,内 部 收 益 率 为16.5%,投资回收期为5.26a(含建设期),该工艺的内部收益率大于行业基准收益率,回收期较短,净现值很高。说明耦合熔盐储能生物质废弃物低温热解的有序能源化利用方案具有较好的可行性和经济性。

致谢:感谢“双碳”目标下负荷侧熔盐储能及高温熔盐多途利用技术研究与应用项目(项目编号:B31538224216)的支持和华中科技大学张俊伟、中国地质大学(武汉)陈湛文的帮助。