生物质废弃物燃料转化及应用技术

  完成单位：上海发电设备成套设计研究院有限责任公司

  主要完成人：黎福斌、孙健、刘传亮、朱幼君、李亚洲、张成义、张国坤、黄辉武、周林、陈伟

一、研发背景

因我国富煤缺油少气的资源禀赋，煤电装机容量超过10亿千瓦，煤炭在一次能源的占比超过56%，年煤炭消耗总量超过40亿吨标煤，面临着巨大的减煤降碳压力。要实现“3060”双碳目标，大规模、高比例发展零碳清洁能源是必经之路。以风、光、水为代表的新能源，虽具有清洁零碳等诸多优势，但存在间歇性、波动性、季节性和不稳定性等短板。在构建以新能源为主体的新型电力系统大背景下，稳定可靠的零碳基础调节电源是电力系统安全保障的关键。此外，我国北方地区供暖面积达200多亿平方米，供暖用煤年消耗约4亿吨标煤，散煤供暖虽有所改善，但仍然存在，导致我国北方地区大气污染日益严重，因此亟需开展清洁取暖技术升级替代散煤供暖。

我国生物质资源丰富，农业秸秆每年可收集总量超9亿吨，与林业剩余物、畜禽粪便和城市生活垃圾等可开发利用的生物质能可折合10亿吨标煤，总量达我国能源消耗量的20%以上。我国生物质能利用技术经多年发展取得了长足进步，生物质发电总装机容量达2000万千瓦，但因生物质受原料体积大、重量轻、运储不便，且秸秆类废弃物富含氯及碱金属离子，燃烧时易导致设备焦渣腐蚀和缺乏灵活性的燃料转化技术等因素的制约，目前生物质能综合利用率不足10%，远落后于世界平均水平。生物质废弃物燃料转化和应用的先进技术研究刻不容缓。

二、发明团队介绍

1.团队形成背景

近年来我国对能源利用清洁化、低碳化的需求日益迫切，尤其是习近平总书记提出“3060”双碳目标后，能源领域尤其是电力行业的低碳转型发展势在必行。生物质是国际公认的零碳能源，我国生物质资源丰富，年产量可折合10亿吨标煤，因受制于生物质规模化利用技术，生物质能开发利用率不到10%。

上海发电设备成套设计研究院有限公司（以下简称“上海成套院”）受佳木斯市政府委托开展农业秸秆转化为高品质燃料的技术研发工作，2019年组建相关技术创新团队，并派员赴欧洲开展先进技术实地调研。上海成套院历时2年多成功自主研制了生物质绿能颗粒（黑颗粒）燃料制备技术，可将农林废弃物等生物质原料转化为高能量密度、可疏水露天存储、氯离子和碱金属含量低的高品质类煤化绿能颗粒（黑颗粒）燃料，解决生物质体积大、密度低、运储不便及燃烧易结焦渣等问题。

团队现有技术人员15人，博士1人，硕士及以上研究生占比90%以上。国家杰出专业技术人才1人，享受国务院政府津贴1人，上海市优秀学科带头人1人，上海成套院学科带头人1人，上海成套院生物质能技术带头人1人。

2.团队研究方向与技术成员

团队围绕生物质绿能颗粒（黑颗粒）燃料转化制备技术研发与推广应用，开展了制备工艺研发、核心设备研制、工艺系统设计和生产系统运维与燃料应用等四个方向的技术攻关。燃料转化制备工艺研发方面，涉及热化学转化、生物化学工艺等技术，核心成员有黎福斌、李亚洲、黄志强、朱幼君、孙健等；在核心设备研制方面，涉及旋转机械、理论力学、材料学等基础学科，主要成员有黄志强、黎福斌、周林、孙健、刘传亮、张成义、韩峰、史进渊等；在工艺系统设计方面，涉及传热学、流体力学、工程力学等设计技术，核心成员有黎福斌、雷承勇、李健、孙健、张国坤、史进渊等；在生产系统运维与燃料应用方面，核心成员有张国坤、周林、李亚洲、李健、韩峰、张成义、马立阁等。

3.团队创新成果

团队在过去3年的研发历程中，承担集团重点研发课题1项，上海成套院重点科研课题2项，已开发出绿能颗粒（黑颗粒）燃料制备中试线和移动式装备；申请发明专利5项，其中已授权1项；撰写学术论文2篇。

三、成果（专利）简介

1.成果核心创新点

（1）生物质废弃物燃料转化技术

上海成套院自主研发的生物质绿能颗粒（黑颗粒）燃料制备技术，可将生物质废弃物燃料转化为热值达4000大卡/千克以上、密度约1.6吨/立方米、不吸水、可露天存储的类煤化高品质零碳燃料，解决生物质体积大、重量轻、运输存储不便的能源化利用瓶颈问题。该技术原料适应性广，可用于农林业废弃物、餐厨垃圾和城市有机污泥等原料。

（2）移动式燃料生产与散煤替代技术

上海成套院研制的产量5000吨/年的模块化绿能颗粒（黑颗粒）燃料生产装置，由6个撬装模块组成，生产装置可用汽车运输至原料区就近将生物质废弃物转化为高品质燃料，降低生物质运储不便带来的巨额运输成本。经特殊工艺制备的绿能颗粒（黑颗粒）燃料具有热值高、耐燃烧等特点，可直接用于农村炊事和取暖散煤燃料的替代，农户炉具无需进行任何的改造。该移动式技术是促进秸秆离田能源化消纳、替代村镇冬季散煤实现清洁取暖构建环境友好型城市的有力抓手。

（3）燃料净化提质与煤电耦合技术

通过生物质绿能颗粒（黑颗粒）燃料制备工艺，可脱除秸秆等高盐分原料中氯离子和碱金属离子，解决秸秆燃烧造成锅炉受热面结焦渣及尾部烟道腐蚀等问题；同时可提高燃料热值和能量密度，保障锅炉燃烧性能和带负荷能力。通过燃料净化与提质技术，可实现农业废弃物等高盐分的生物燃料在煤电机组或工业锅炉上大比例掺烧或全烧应用，锅炉系统仅需增设防燃爆监测装置，改造费用低，与秸秆直燃发电相比可提高30%发电效率和秸秆能源利用率，同时实现煤炭等化石燃料的减量与替代，加速推进我国能源清洁化和低碳化的进程。

2.知识产权情况

该技术的国家发明专利授权与申请情况如下：

  四、成果（专利）转化情况介绍

  1、燃料中试生产与煤电掺烧

2021年12月，上海成套院利用其研发的生物质绿能颗粒（黑颗粒）燃料转化工艺在四平热电厂内研建了一条年产2000吨的生物质绿能颗粒（黑颗粒）燃料中试生产线，主要用于中试验证绿能颗粒（黑颗粒）燃料制备工艺的有效性和关键设备连续运行的可靠性，并利用中试线将四平市园林绿化修枝、市郊玉米等农业秸秆转化为高热值、低离子含量、易于研磨的类煤化生物质绿能颗粒（黑颗粒）燃料。

目前正利用中试线为四平热电350MW煤电机组进行直接掺烧测试试验制备绿能颗粒（黑颗粒）燃料，通过不同燃料掺配比例的掺烧试验，研究大型煤电机组掺烧或全烧生物质绿能颗粒（黑颗粒）燃料技术，探索基于生物质绿能颗粒（黑颗粒）制备及掺烧技术的煤电清洁升级降碳路线，为我国发展“零碳火电”和“负碳火电”摸索出一条新的出路。

2.燃料移动式生产与散煤替代

2021年8月，针对黑龙江省佳木斯市清洁取暖改造计划的迫切需求，上海成套院提出了应用生物质绿能颗粒（黑颗粒）技术解决当地秸秆处置和农村取暖散煤替代的方案，并与佳木斯市政府达成基于生物质绿能颗粒（黑颗粒）技术的清洁供暖合作意向。2021年12月，上海成套院于佳木斯桦南县建设了“秸能1号”移动生产线，就地处置农业秸秆，解决生物质原料运储难题，制备的高品质绿能颗粒（黑颗粒）燃料用于替代该村的取暖散煤，开展了冬季清洁供暖的试验验证。上海成套院致力于东北农业废弃物的能源化利用，2022年启动JN-5000Y移动式商业化生产线的研制，8月底完成装置出厂调试，系统运行稳定，燃料热值可达4000大卡/千克，时产燃料约1T。

基于JN-5000Y移动式生产线，上海成套院与佳木斯市达成生物质绿能颗粒（黑颗粒）清洁供暖改造合作协议，联合吉电股份计划3年内在佳木斯建设30万吨绿能颗粒（黑颗粒）燃料产线，替代佳木斯全市供暖散煤，将打造成佳木斯市首个“零碳供暖示范村”提供技术和产业支撑。2022年6月已完成与佳木斯市住建局绿能颗粒清洁供暖的框架合作协议签订；2022年7月完成与吉电股份关于绿能颗粒战略合作协议，预计2022年12月完成佳木斯绿能颗粒散煤替代示范项目首台套安装、调试。

图1 佳木斯“秸能1号”

3.汪清县木耳菌袋绿能颗粒（黑颗粒）生产与应用示范

该项目通过投建“秸能1号”JN-5000Y系列绿能颗粒商业移动生产线，将汪清县木耳菌袋等生物质废弃物转化为绿色零碳优质燃料，用于实现当地粮食烘干和居民取暖等煤炭化石燃料替代。

项目计划分期建设2套JN-5000Y绿能颗粒移动生产线及配套厂房及园区，年处理木耳菌袋约1.6万吨，产出绿能颗粒燃料1万吨。项目总占地面积10200平方，生产厂房544平方，燃料成品库800平方，原料堆场1946.5平方。预计项目于2023年5月底，完成一期1套绿能颗粒生产线及配套厂房建设；2023年10月底，完成二期工程建设。吉电股份东北区域公司负责项目投资和绿能燃料生产线运营。

4.其他废弃物燃料转化技术开发

（1）北京平谷区300万吨果树修剪枝转化为绿能颗粒（黑颗粒）燃料用于北京及河北地区煤炭替代；

（2）北京医药园区50万吨中药渣绿能颗粒（黑颗粒）燃料转化项目正在推进；

（3）四川五粮液等白酒酒糟转化为绿能颗粒（黑颗粒）燃料用于酿酒蒸汽供应；

（4）国家电投芦竹能源种植作物转化为绿能颗粒（黑颗粒）燃料用于电厂燃煤替代。

五、经济效益与社会效益介绍

以单条产量为5000吨/年的生物质绿能颗粒（黑颗粒）燃料移动生产线为例，可解决1个村庄每年1万吨农业秸秆或废弃物处置难题，替代标煤约3000吨（按等燃料热值计算），可供应5-8个村庄的炊事取暖燃料，减少当地CO2排放量约8.4千吨；新增12个就业岗位，将秸秆燃料变废为宝，为当地农民新增200万元额外经济收入（按200元/吨收购秸秆原料），助力美丽乡村建设和村镇能源清洁转型。对大型农业种植基地或加工剩余物集中区，建设生产效率更高运行成本更低的规模化生产线，可实现更大的社会经济效益。

在社会效益方面，生物质绿能颗粒（黑颗粒）可改善当地的能源结构，促进可再生能源的发展。绿能颗粒（黑颗粒）作为燃料来源，可以部分替代当地能源结构中利用燃煤作为一次能源的部分，为区域内提供绿色能源；促进环境保护，绿能颗粒（黑颗粒）生产采用先进且环保的生物质气化技术，其先进的工艺流程使燃料在利用过程中产生的SO2及NOX非常低；生产线的安装、经营及绿能颗粒（黑颗粒）销售体系建设依赖本地的企业资源，促进本地企业发展；增加国家和地方税收，促进国民经济发展；增加就业机会，在建设与机组运行期间，将为企业周边居民提供更多的就业机会。