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农林废弃物高效循环利用模式与效益分析

2019-07-23丛宏斌赵立欣孟海波姚宗路贾吉秀袁艳文霍丽丽吴雨浓

农业工程学报 2019年10期
关键词:农林木质生物质

丛宏斌,赵立欣,孟海波,姚宗路,贾吉秀,袁艳文,霍丽丽,吴雨浓

农林废弃物高效循环利用模式与效益分析

丛宏斌,赵立欣※,孟海波,姚宗路,贾吉秀,袁艳文,霍丽丽,吴雨浓

(1. 农业农村部规划设计研究院农村能源与环保研究所,北京 100125;2. 农业部农业废弃物能源化利用重点实验室,北京 100125)

中低慢速热解技术将生物质在绝氧或低氧环境中加热分解,生产生物炭、热解油和不可冷凝气体产物,是农林废弃物高效利用的重要途径。该文基于生物质热解炭气联产技术,构建了农林废弃物能源化资源化高效循环利用应用模式,秸秆炭用于还田,木质炭成型后用于供暖,热解气用于居民炊事和热水,热解油回用燃烧为系统加热,木醋液稀释后用作杀虫剂。前南峪热解联产示范工程年运行5 500~6 000 h的条件下,可处理各类农林废弃物2 500 t,生产生物炭700 t(其中秸秆炭约150 t、木质炭550 t),生产热解气20余万 m3,木质型炭和热解气可满足全村386户居民冬季取暖和全年炊事热水用能需求,秸秆炭与人畜粪便复混,全部用于还田。原料收购采用生物炭兑换方式,本村居民5 t农林废弃物原料兑换1 t炭基肥或木质型炭,热解气以0.9元/m3的价格出售给本村农民,工程运行可持续、可复制,具有良好的社会环境效益。项目可实现农林废弃物的高值利用,改善农村用能结构,促进农业可持续发展。

废弃物;热解;循环利用;工程;适用性

0 引 言

中国具有丰富的农林废弃物(剩余物)资源,据统计,农作物秸秆和林业三剩物(采伐剩余物、造材剩余物和加工剩余物)资源量分别达到9亿和3亿t[1-3]。目前,农林废弃物利用方式主要有肥料化、原料化、能源化、饲料化和基料化等[4-6],实现农林废弃物资源高效循环利用是增加农林业附加值、促进农林业绿色发展、改善农村能源结构、提升农村人居环境的重要内容和途径[7-9]。

生物质热解多联产依托生物质中低温慢速热解技术,通过热解气净化提质和联产技术集成,可生产清洁燃气、生物炭、热解油、醋液、电力和热水等多种产 品[10-13]。热解气清洁、可再生,是农村地区散煤替代的重要能源[14-15]。生物炭可改良土壤、培肥地力[16-18],也可经混配成型加工高品质能源产品[19]。热解多联产是农林废弃物综合利用的重要途径之一,能够进一步提升农林废弃物资源开发利用综合效益,具有良好的推广应用前景[10,20-22]。

经过多年技术攻关,课题组研发了生物质连续热解联产成套装备,并作为技术依托单位,在河北省邢台县前南峪村建立了热解联产示范工程。本文通过对前南峪示范工程的实证分析,探讨以热解联产为纽带的农林废弃物高效循环利用技术路径,并通过对项目运营模式和运行效果的分析研判,以期为技术成果的推广应用提供经验借鉴。

1 农林废弃物循环利用技术与模式

1.1 热解炭化与炭气联产技术

热解炭化作为生物质热化学转化技术,指生物质原料在绝氧或低氧环境中经加热升温引起分子内部分解形成生物炭、热解油和不可冷凝气体产物的过程,属生物质中低温慢速热解技术[23-25]。

连续热解炭气联产技术工艺主要包括连续热解、热解气净化、燃气燃油回用等工艺过程[13],其工艺流程如图1所示。连续热解工艺主要包括密封进料、均匀布料、连续热解、保温炭化等工段。热解气净化工艺主要包括除尘、多级组合冷凝、静电捕焦和油洗等;燃气燃油回用工艺通过燃气/燃油回用燃烧,减少生产过程中的外部能源消耗并保障清洁生产。生物质连续热解炭气联产成套装备采用外加热回转热解技术,回转反应器尺寸为1 100 mm×11 750 mm,原料处理能力350~500 kg/h,加热系统采用双段火控温技术,反应室采用微正压 设计[13]。

1.2 示范村现状与需求

前南峪村地处太行山脉,位于河北省邢台县浆水镇,共386户,1 300余人,全村共有耕地49.7万m2,宜林山场553.3万m2,年产农作物秸秆和林业剩余物等农林废弃物2 500余t。村集体经营的前南峪生态观光旅游区是国家AAAA级景区,前南峪村是首批“全国小康建设示范村”,经济条件与人文环境良好。

图1 生物质连续热解炭气联产工艺路线图

为充分利用当地丰富的秸秆、树枝、果壳等农林废弃物资源,2010年,该村投资建成了前南峪秸秆气化站,配套建设气化炉2套,单套产气能力500 m3/h;储气柜2个,单柜容积1 000 m3,另外,有木材切片机1台。目前,项目总体运行情况良好,但燃气水洗后的焦油和污水处理比较困难。

1.3 高效循环利用模式(前南峪模式)

以生物质连续热解炭化技术为核心,农林废弃物高效循环利用模式如图2所示。农林种植产生的秸秆和果树剪枝等废弃物经预处理后,进行热解转化;热解气净化处理后,经储气柜存储和管道输送,作为居民炊事和热水用能。生物炭包括秸秆炭和木质炭,秸秆炭与人畜粪便复混,全部用于还田,促进循环和有机农业发展;木质炭经混配成型加工后生产机制炭,作为烧烤炭或取暖炭使用。焦油回用为系统加热,木醋液稀释后作为农用杀虫剂等。该技术模式具有以下特点:

1)生产清洁。热解气经多级净化后,实现气液有效分离,并将热解油回用燃烧利用,生产过程清洁,对环境不造成任何污染。

2)利用高效。秸秆炭肥料化利用,木质炭能源化利用,燃气作为清洁能源直接供户,实现了农林废弃物的能源化资源化综合高效利用。

3)就地循环。原料经热解转化后,产品全部本地消纳,农林废弃物在自然村内小循环,降低了收储运成本,符合农林废弃物就地循环利用原则。

4)契合产业。机制炭作为旅游区烧烤炭,项目与村集体旅游开发紧密结合,同时,该模式还回应了北方冬季清洁取暖、农业可持续发展等当今社会重大关切。

图2 以热解联产为纽带的农林废弃物高效循环利用模式(前南峪模式)

2 工程运行与效益分析

2.1 建设与运营方式

前南峪热解示范工程建设与运营采用“五方共治”模式(如图3所示)。政府与村委会作为本项目的建设投资主体,其中,连续热解、燃气净化设备和生产车间由政府投资,原料预处理设备、储气柜、燃气管道等是村委会已有固定资产,作为村委会投资内容。农业农村部规划设计研究院是本项目的技术依托单位,为项目建设和运行提供技术支持。项目建设完成后,村委会作为法人单位,将项目移交专业公司运营。

在原料供应方面,公司、村民、村委会签订三方协议,村民用5 t原料置换1 t炭基肥或机制木炭;燃气入户并由运营公司计量收费,收费标准为0.9元/m3。运营公司负责项目日常维护和设备检修、保养等并承担全部费用,相应地支配项目营运收益。研究院对项目全程跟踪并提供技术服务。公司对项目运营安全性负主体责任,村委会负监管责任。全村居民积极参与工程运行,项目建设与运营受全村居民监督。

图3 项目建设与运营模式图

2.2 经济性分析

项目建设投资、运行成本和经营收入明细如表1所示,本工程年运行5 500~6 000 h,年消纳各类农林废弃物2 500 t,年产生物炭700 t(其中秸秆炭150 t、木质炭550 t),扣除回用加热用气,年产清洁燃气20余万 m3。生产原料全部用生物炭按1:5的比例跟村民置换,热解气以0.9元/m3向本村居民出售。燃料主要指系统点火启动用柴油,平均每月点火3~4次,每次柴油成本300~400元。每处理1吨原料,包括预处理、热解和成型等各环节总耗电量约46 kW·h。

本项目新增投资200万元,作为公益性示范项目,主要由政府承担。项目调试完成并正常运行后,作为“交钥匙”工程交付运营公司使用。项目年运行费用约44.7万元,营业收入约62.0万元,利税约17.3万元,项目运营可为公司带来一定的经营收益,因此,项目自身具有持续性运行能力。

2.3 环境与社会效益

示范工程年消纳各类农林废弃物资源2 500 t,可取代1 000 t左右标准煤,通过项目点散煤替代,能够有效减排CO2、SO2,烟尘等污染物,具有良好的环境效益。同时,避免了废弃物的随意堆弃,有效提升了村容村貌和人居环境。生物炭就地还田,可改良土壤、增肥地力,促进当地生态观光农业开发。

表1 项目投资与经济数据

注:项目年产木质炭550 t,其中350 t用于置换原料,200 t作为商品炭出售。出厂价参考www.1688.com,河北省南部电网工商业用电平段到高峰电价为0.67~1.06元·(kW·h)-1。

Note:The project produces 550 t of charcoal annually, of which 350 t is used for replacement of raw materials, and 200 t is sold as commercial charcoal. Price was obtained from www.1688.com; Electricity price of commercial power consumption in south of Hebei Province was 0.67-1.06元·(kW·h)-1.

通过本项目的实施,可直接带动本村6名劳力就地就业,直接增加居民收入18万元,另外,木质型炭和炭基肥的应用,节本增效方面为村民带来的间接经济收益可达到120余万元。同时,木质型炭与热解气为村民提供了新型能源,使用清洁方便,改善了项目村能源消费结构,提升农民生活品质。

3 适用性与应用前景

3.1 适用性分析

清洁供暖方面,中央财经领导小组第十四次会议上,习近平总书记强调,推进北方地区冬季清洁取暖等6个问题,都是大事,关系广大人民群众生活,是重大的民生工程、民心工程[26]。农业绿色发展方面,当前农业资源利用的弦绷得越来越紧,生态环境的承载能力越来越接近极限,迫切需要转变农业发展方式,切实推进农业生态环境保护与治理,促进农业可持续发展[27-29]。热解多联产是农林废弃物综合利用的重要途径之一,契合农村供暖、炊事清洁用能和农业绿色发展的现实需求,符合农林生物质资源化、能源化高效综合利用理念[30-31],可显著提升农林废弃物资源开发综合效益。

热解技术应用推广具有先进性与可行性,经过相关科研机构与企业多年攻关,在物料有序输送、系统高效换热、燃气净化提质、副产物高效利用等关键技术环节取得重要进展,热解工程生产清洁,运行安全、可靠,已基本具备产业化应用技术装备条件。另外,此类技术建设项目投资与运行成本较低,操作简便,适合在广大农村地区推广使用。

3.2 推广前景探讨

中国农村除类似“前南峪村”的传统自然村落占多数外,随着全国农村地区经济社会发展水平不断提高,近年来,新型农村社区和农业产业园区数据急剧增加。遵循农林废弃物“因地制宜、就地利用”原则,在实践探索的基础上,提出了以生物质热解联产技术为纽带,适应新型农村社区和农业产业园区应用需求的具有广阔应用前景农林废弃物高效循环利用模式。

图4a为基于新型农村社区集中供气供暖的农林废弃物高效循环应用模式,主要用于为新型农村社区提供炊事取暖清洁用能。热解气经净化分离后经管道入户,为居民提供炊事热水用能。生物质热解后分离出的液相产物包括木焦油与木醋液,木焦油全部回用燃烧为炭化和干燥系统提供热源,木醋液稀释后农用作为杀虫剂。生物炭包括秸秆炭与木质炭,其中秸秆炭经复混加工后生产炭基肥就地利用,木质炭混配成型后制作机制炭,通过生物质型炭专用炉具为居民集中供暖。

图4 农林废弃物循环利用推广应用模式

图4b为基于农业产业园区炭汽联产的农林废弃物高效循环应用模式,主要用于为农业产业园区提供生产生活用能。高温热解气直接进入燃气锅炉生产蒸汽,蒸汽经供暖管道输送作为农产品加工用能。生产的生物炭包括秸秆炭与木质炭,其中秸秆炭经复混加工后生产炭基肥就地利用,木质炭混配成型后制成的机制炭作为商品对外出售。

4 结 论

1)以生物质热解炭气联产技术为纽带,结合村镇现实需求,构建了农林废弃物能源化资源化高效循环利用应用模式,秸秆炭用于还田,木质炭成型后用于供暖,热解气用于居民炊事和热水,热解油回用燃烧为系统加热,木醋液稀释后用作杀虫剂,实现了农林废弃物的能源化资源化高值循环利用。

2)前南峪热解联产示范工程年处理各类农林废弃物2 500 t,生产生物炭700 t、热解气20余万 m3,木质型炭和热解气可满足全村386户农民冬季取暖和全年炊事热水用能需求,秸秆炭与人畜粪便复混,全部用于还田,原料收购采用生物炭兑换方式,工程具有可持续运营能力和显著的社会环境效益。

3)结合乡村资源禀赋和现实需求,在实践探索的基础上,提出适应传统自然村落、新型农村社区和农业产业园区的可持续、可复制、可推广的农林废弃物循环利用模式,具有良好的适应性和广阔的应用前景,本研究为热解联产技术的推广应用提供了基础支撑。

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High-efficiency recycling mode of agroforest wastes and its benefit analysis

Cong Hongbin, Zhao Lixin※, Meng Haibo, Yao Zonglu, Jia Jixiu, Yuan Yanwen, Huo Lili, Wu Yunong

(1.,,100125,2.,,100125,)

China has abundant agroforestry residue resources. According to the statistics, the amount of crop straw and forestry residue reached 900 million and 300 million tons, respectively. At present, the use of agroforestry residues mainly includes fertilizer, raw material, energy, and feed. Realizing the efficient recycling of agroforestry waste resources is an important way to increase the added value of agroforestry, promote the green development of agroforestry, improve the rural energy structure, and enhance the rural human settlement environment. Biomass pyrolysis poly-generation based on slow pyrolysis technology of biomass, through pyrolysis gas purification and co-production technology integration, produces a wide range of products in clean gas, biochar, pyrolysis oil, vinegar, electricity and hot water. Biomass pyrolysis gas is clean and renewable, and it is an important energy source for the replacement of bulk coal in rural areas. Biochar can improve soil, and can also be processed to produce high quality energy products. Biomass pyrolysis poly-generation is one of the important ways to comprehensively utilize agricultural and forestry wastes, which can further enhance the comprehensive benefits of the development and utilization of agricultural and forestry waste resources, and have a good prospect for popularization and application. Based on the biomass pyrolysis carbon gas co-production technology, this paper constructs an energy-efficient resource efficient recycling application model for agriculture and forestry waste. Straw biochar is used for returning to the field, and wood charcoal for heating after molding. The pyrolysis gas is used for residents' cooking and hot water. The pyrolysis oil is burned for system heating, and the wood vinegar is diluted for insecticide. Under the conditions of 5 500 to 6 000 hours of operation, the Qiannanyu Pyrolysis Poly-generation Demonstration Project processes 2 500 t of various agricultural and forestry wastes annually, produces 700 t of biochar (including 150 t of straw biochar and 550 t of wood biochar), and produces more than 200 000 m3of pyrolysis gas. The woody charcoal and pyrolysis gas can meet the requirements of 386 farmers in the village for winter heating and hot water for the whole year. The straw biochar is mixed with human and animal manure, all of which are used for returning to the field. The raw material purchase adopts the method of woody charcoal exchange, 5 t agricultural and forestry wastes are exchanged for 1 t carbon base fertilizer or woody charcoal for heating, and the pyrolysis gas is sold to the villagers at the price of 0.9 yuan/m3. The project is sustainable, reproducible and has significant social and environmental benefits, and it realizes a high value utilization of agroforestry waste, improves the energy structure of rural areas, and promotes the sustainable development of agriculture.

wastes; pyrolysis; recycling; project; applicability

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.10.025

TK6; S216.2

A

1002-6819(2019)-10-0199-06

2018-12-04

2019-04-28

现代农业产业技术体系专项资金(CARS-02)

丛宏斌,高级工程师,主要从事农村能源与生物质能源技术与政策方面的研究。Email:dabinc123@163.com

赵立欣,研究员,主要从事生物质能资源开发利用技术与政策研究。Email:zhaolixin5092@163.com

丛宏斌,赵立欣,孟海波,姚宗路,贾吉秀,袁艳文,霍丽丽,吴雨浓. 农林废弃物高效循环利用模式与效益分析[J]. 农业工程学报,2019,35(10):199-204. doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2019.10.025 http://www.tcsae.org

Cong Hongbin, Zhao Lixin, Meng Haibo, Yao Zonglu, Jia Jixiu, Yuan Yanwen, Huo Lili, Wu Yunong. High-efficiency recycling mode of agroforest wastes and its benefit analysis[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(10): 199-204. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2019.10.025 http://www.tcsae.org

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