饶雨舟，卢志民，简 杰，姚顺春

(华南理工大学，广东 广州 510641)

生物质烘焙技术的研究和应用进展

饶雨舟，卢志民*，简 杰，姚顺春

(华南理工大学，广东 广州 510641)

在各种可再生能源中，生物质能源是最理想的化石燃料替代能源，在我国未来能源结构中将会占有很大比重。但是由于生物质本身低热值、高水分、难破碎和易腐化等诸多缺陷，生物质能源的应用受到很大限制。近年发展起来的生物质烘焙技术是一项能够有效改善生物质储运特性和能源品质的低温热解技术，是生物质能源利用领域重要的研究和发展方向。基于对世界能源现状的分析，评析了生物质烘焙技术的优势，综述了生物质烘焙技术的研究和应用进展，重点介绍了该技术的开发和工业应用潜力，提出了促进其进一步发展的合理化建议，为我国生物质可再生能源的发展提供参考。

可再生能源；生物质；烘焙技术

1 生物质能源发展的现状

能源是经济增长与社会发展的重要物质基础。但化石燃料消耗的日益增加及其不可再生性一方面将造成严峻的能源短缺问题，另一方面带来环境污染和气候变化问题，这都将严重威胁到社会的发展与进步。为此，世界各国都在努力优化能源结构，开发利用可再生能源，提出了可再生能源的发展目标，提高可再生能源和新能源的占比。

生物质能源是绿色植物通过叶绿素将太阳能积蓄在生物质内的能量形式，可以转化为气、液、固3种能源形态，是一种理想的可再生能源和绿色能源[1]。目前世界上的生物质能源消耗总量仅次于煤炭、石油和天然气[2]。生物质能源的应用领域十分广泛，能实现化石燃料的替代转换，这是其它可再生能源所不能比拟的。生物质作为燃料，相比煤、石油等化石燃料，SO2和NOx排放更低，重金属和其它有毒物质的含量也相对较少，所以更加环保。特别是生物质通过光合作用从环境中固定的CO2能与燃烧排放出的CO2相互抵消，在碳总量上实现了零排放，对实现低碳经济、减排环保都有极大的贡献[3]。因此，在碳排放控制日益严格的大背景下，生物质能源在未来世界能源结构中的占比将有很大的上升空间。

欧洲生物质能协会发布的《AEBIOM2015统计报告》[4]显示，生物质能源是迄今为止在欧洲领先的可再生能源，提供了88.9%的可再生能源供热和超过18%的可再生电力生产。据估计，到2050年生物质能源将支撑全球25%的能源消耗[5]。我国也逐步加大对生物质能源的开发与建设，以生物质发电为例，2006～2015年，我国生物质发电装机容量逐年增加，由2006年的140万kW增加至2015年的1 031万kW，年均复合增长率达24.84%。据统计，我国2015年的生物质发电量为527亿kW·h，已经占全年总发电量的0.9%[6-7]。

2 生物质燃料的特点

目前，世界各国的生物质储存量和可利用量都非常可观，但其作为燃料利用还存在一些缺点，在规模化应用上还有所局限。生物质燃料最突出的缺点是水分含量过高，这使其干燥成本高，燃料反应效率低，燃烧时会产生烟雾，并且增大了生物质腐烂的风险，增强了生物质气化产物的腐蚀作用。其次，生物质还存在体积密度小、能量密度低、可磨性差以及吸湿能力强等缺点，使其在运输、储存以及作为燃料利用时的成本较高。

因此，针对生物质燃料在应用过程中的诸多问题，有必要对生物质燃料进行预处理。在众多预处理技术中，近年发展起来的生物质烘焙技术在提高生物质储运特性和改善能源品质等方面都有卓越的成效，受到广泛关注。生物质烘焙技术是在惰性气氛、200～300 ℃下将生物质进行温和热解，脱除大部分的水分和低热值轻质挥发分。该过程大幅度提高了烘焙后的生物炭的能量密度，能够实现改善储运特性和能源品质的效果[8]。

3 生物质烘焙技术的研究现状

生物质烘焙技术的相关研究在近几年一直保持着很高的热度[9]，目前的研究主要是针对生物质烘焙产物的理化特性分析，对相关影响因素的探讨也有所涉及。朱波等[10]采用热重红外联用的方法分析了农业秸秆烘焙产物的组成及结构，结果表明烘焙产物含碳量提高、含氧量降低，大部分水分也在烘焙过程中脱除，能量密度大幅提高，有效提高了生物质的燃料性能，改善了生物质的能源品质。王秦超等[11]通过对稻秆、桑树枝、杨树枝和竹子4种生物质烘焙产物的理化特性的研究，得出了相同的结论，并且探究了烘焙过程中热解温度、停留时间等因素的影响规律。陈登宇[12]研究了生物质烘焙过程中有机组分的演化规律，表明在烘焙过程中半纤维素大量分解，纤维素和木质素部分分解，而半纤维素的大量分解是生物质烘焙过程中失重、元素含量变化和疏水性提高的主要原因。Phanphanich等[13]研究了生物质烘焙产物的研磨性能，松木屑烘焙后产物的研磨能耗(23 kW·h·t-1)仅为烘焙前(238 kW·h·t-1)的10%，说明烘焙能够大幅度降低生物质的研磨能耗。Bach等[14]将生物质烘焙产物与煤进行了比较分析，典型煤种和不同烘焙程度生物质的van Krevelen图如图1所示。

图1 典型煤种和不同烘焙程度的生物质的van Krevelen图[14]

从图1可以看出,由于生物质在烘焙过程中脱除了大部分水分和轻质挥发分，烘焙后的生物炭具有更低的O/C和H/C原子比，而且在满足一定烘焙温度和时间的条件下，烘焙后的生物炭的O/C和H/C原子比与煤十分接近，在燃烧效能上也几乎能够达到煤的水平。Nhuchhen等[15]对木材、木屑颗粒、煤及烘焙生物质特性作了更为详细的比较，如表1所示。

由表1可以看出，烘焙生物质的燃料特性明显优于木材和木屑颗粒，热值及能量密度等参数与煤十分接近，湿度、灰分含量等参数甚至比煤具有更高的品质。

表1烘焙生物质与其它固体燃料的特性比较[15]Tab.1 Comparison of torrefaction biomass with other solid fuels

4 生物质烘焙技术的应用现状

目前，世界上许多国家和地区已开展了生物质烘焙技术的应用研究，在商业化推广方面主要集中在欧美等发达国家，一些烘焙反应器及其开发商的情况见表2。

由表2可以看出，欧洲和北美地区生物质烘焙技术的市场推广已初具规模。欧洲的低碳技术开展最为领先，荷兰是首先提倡使用烘焙木质颗粒的国家。2013年底，Topell公司在荷兰Amer燃煤电厂混烧了2 300 t烘焙木质颗粒，并在满足运行参数的情况下把混烧比例从烘焙前的5%提高到25%[16]，验证了大规模的生产和混烧烘焙生物质的可行性。

生物质烘焙技术除了能够应用于煤粉/生物质混烧外，还可应用于生物质气化和直接燃烧供热等方面，如表3所示。瑞典Vattenfall公司就使用了1 200 t烘焙生物质替代70%的煤进行混合气化并成功试运行了24 h，预计烘焙生物质的比例还可提升至90%[17]。

表2烘焙反应器及其开发商

Tab.2 Torrefaction reactors and their developers

表3 生物质烘焙产物的应用[18]

Tab.3 Application of biomass torrefaction product

5 生物质烘焙技术的发展前景与建议

生物质烘焙技术能够改善生物质的储运特性和能源品质，提升生物质作为燃料的使用效率[19]，即使是烘焙过程中需要额外投入费用，也能通过生物质烘焙后在运输使用成本上的降低而有所弥补。据Acharya 等[20]估算，在生物质的区域和全球营销中烘焙生物质颗粒的整体成本为9.81 GJ/美元，比未烘焙生物质颗粒的成本还要低2.99 GJ/美元，这也进一步说明了生物质烘焙技术的实用性。并且随着全球对碳排放限额的日益收紧，特别是我国将启动全国碳交易市场，这无疑会显著增加煤炭、石油等传统化石燃料的使用成本。因此，作为低碳环保的可替代能源方案，未来生物质烘焙技术在我国的商业化运作上具备很大的潜力。但我国目前鲜有生物质烘焙技术的商业化应用实例，为拓展我国生物质烘焙技术的应用，提出以下建议：

(1)我国是木质燃料的生产大国，每年生物质燃料产量都在持续上升，生物质能源利用技术的研究投入也在逐年增加[21]，但主要集中在生物质气化与生物柴油炼化领域，对生物质预处理技术特别是烘焙技术研究领域的资金与政策支撑不足，严重制约了我国生物质烘焙技术的发展。因此有关机构及部门应积极统筹规划，合理分配，创建有利于生物质烘焙技术发展的政策环境和研发氛围。

(2)目前国内对于生物质烘焙技术的研究主要集中在华中科技大学、浙江大学等科研院校的燃料性能测试上，对于反应机理研究和实际工业应用研究等方面有所不足，还远远落后于欧美发达国家的研究及应用水平，相关生产技术设备也多引进自国外。因此国内各科研机构对于生物质烘焙技术的研究还应更加深入，逐步缩小与世界领先水平的差距，特别是在工业化现场应用方面还需要更深入的探索。

(3)国内生物质烘焙技术的研究尚未形成统一的商品规范与标准，各学者试验过程中的条件设置及反应控制等方面都不尽相同，实际的生物质烘焙过程存在一定的差异性。此外，可作为能源使用的生物质种类繁多，各种生物质在成分、结构等方面都有所差别，在实际应用中的最佳烘焙条件也有所不同。因此还需要研发制定普适性好的技术标准和规范，这是生物质烘焙技术能够真正实现市场化应用的基础。

6 结语

我国正处于低碳转型的关键时期，生物质能源以其独特的“零碳排放”特性，是实现全社会低碳可持续发展的重要载体，对生物质能源的高效利用也是推动经济进一步发展的有效保障。生物质烘焙技术能够有效改善生物质的储运特性和能源品质，是推动生物质能源更大规模应用发展的关键技术。可以预见，生物质烘焙技术是未来生物质能源商品生产的主要手段和步骤，但目前国内对于该技术的研究与应用还较欠缺，因此大力推进相关技术及设备的研究与开发有着很好的前景和现实意义。

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Progress on Research and Application of Biomass Torrefaction Technology

RAO Yu-zhou，LU Zhi-min*，JIAN Jie，YAO Shun-chun

(SouthChinaUniversityofTechnology，Guangzhou510641，China)

Inallkindsofrenewableenergy，biomassenergyisthemostidealalternativeenergytofossilfuel，anditwilloccupyalargeproportionintheenergystructureofChinainthefuture.However，duetothedrawbacksofbiomassincludinglowcalorificvalue，highmoisturecontent，breakinghardly,andputrescibility，theapplicationofbiomassenergyisstilllimitedfornow.Biomasstorrefaction，alow-temperaturepyrolysistechnology，cangreatlyimprovethestorageandtransportationcharacteristics，andenergyqualityofbiomass.Biomasstorrefaction，whichisanimportantresearchanddevelopmentdirectioninthefieldofbiomassenergyutilizationhasbeendevelopedforrecentyears.Basedontheanalysisoftheworldenergyoutlook，theadvantagesofbiomasstorrefactiontechnology，andtheresearchandapplicationprogressarereviewedinthispaper.Biomasstorrefactionhasahighindustrialapplicationpotential.SomeadvicesforfurtherdevelopmentofbiomasstorrefactionareprovidedforreferencetothedevelopmentandproductionofbiomassrenewableenergyinChina.

renewableenergy；biomass；torrefactiontechnology

2016-11-18

饶雨舟(1992-)，男，江西黎川人，硕士研究生，研究方向：清洁能源转换与系统优化，E-mail：201420110670@mail.scut.edu.cn ；

卢志民，副教授，E-mail：zhmlu@scut.edu.cn。

10.3969/j.issn.1672-5425.2017.03.002

TK6

A

1672-5425(2017)03-0007-04

饶雨舟，卢志民，简杰，等.生物质烘焙技术的研究和应用进展[J].化学与生物工程，2017，34(3)：7-10，30.