1、前言
    人們對(duì)能源和環(huán)境的日益關(guān)注促進(jìn)了全球生物質(zhì)能的發(fā)展。將當(dāng)?shù)厣�產(chǎn)的生物質(zhì)原料用作能源將減小對(duì)化石燃料的依賴，減少碳排放，改善環(huán)境和促進(jìn)社會(huì)的發(fā)展。增加生物質(zhì)的使用已經(jīng)成為中國(guó)國(guó)家和地方政府能源策略中的一個(gè)主要目標(biāo)。各地生物質(zhì)資源以及將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成能源的方法各不相同。廣西壯族自治區(qū)用木薯稈作為原料產(chǎn)熱、發(fā)電及生產(chǎn)生物質(zhì)顆粒／塊，直接燃燒是能源轉(zhuǎn)化的主要方法。
    在廣西壯族自治區(qū)，大約22萬(wàn)hm2的邊際土地和農(nóng)田已經(jīng)被用來種植木薯，占當(dāng)前全國(guó)木薯總產(chǎn)量的60%，因此木薯稈資源豐富。木薯塊根產(chǎn)量較大，被用于生產(chǎn)淀粉和乙醇。武鳴縣的初步預(yù)測(cè)表明，莖稈生物質(zhì)的產(chǎn)量可以高達(dá)約7.5 t／hm2（干重）。現(xiàn)在，只有10%～15%的莖稈被保存下來用于下一季的繁殖，少量的莖稈被農(nóng)戶粉碎后還田，一部分木薯渣被開發(fā)成飼料、作為食用菌栽培基質(zhì)或作為刨花板加工原料，而絕大多數(shù)可被用于直接燃燒的原料則被丟棄。
    傳統(tǒng)的供熱電聯(lián)產(chǎn)模式已經(jīng)被全世界使用。然而，只有當(dāng)熱負(fù)荷大的時(shí)候，它才能達(dá)到高能效。高能效不僅能促進(jìn)高效益，還能促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的能源應(yīng)用以及保護(hù)環(huán)境。由于廣西壯族自治區(qū)的亞熱帶氣候和非常短的寒冷季節(jié)，其用于取暖的熱負(fù)荷是非常有限的。
    將生物質(zhì)升級(jí)為顆粒燃料并作為固體燃料生產(chǎn)熱電被工業(yè)化國(guó)家證明是一條應(yīng)用生物質(zhì)能源的最適宜的技術(shù)。中國(guó)政府制定了在2020年以前每年生產(chǎn)5 000萬(wàn)t顆粒燃料的目標(biāo)。與原始生物質(zhì)不同，顆粒燃料是一種高致密的燃料，單位體積內(nèi)含有較高的能量，不僅能夠在普通鍋爐和爐灶中使用，也適用于具有非常優(yōu)良燃燒性能的自動(dòng)化燃燒裝置（家用或企業(yè)規(guī)模的設(shè)備）。顆粒或塊型燃料經(jīng)過顆粒機(jī)或者秸稈壓塊機(jī)壓制而成是具有高密度的干燥產(chǎn)品，這使得其在經(jīng)濟(jì)上能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離運(yùn)輸和交易。本研究的主要目標(biāo)為考察以木薯稈為原料的熱電及顆粒燃料聯(lián)產(chǎn)的可行性。該概念包含從木薯稈原料的可獲得性到建立經(jīng)典的熱電聯(lián)產(chǎn)工廠并整合顆粒燃料生產(chǎn)的模式，涉及了全部產(chǎn)業(yè)鏈。
2、木薯稈資源狀況
2.1木薯稈收獲指數(shù)
    對(duì)廣西木薯塊根產(chǎn)量（濕重）進(jìn)行的調(diào)查表明，地上部分莖稈／塊根變異較大，為0. 34～0.75(見表1)，均值為0. 49。在木薯稈資源評(píng)估中可以0.49作為收獲指數(shù)。
2.2木薯稈資源估計(jì)

    對(duì)三個(gè)縣的樣本的分析表明，在收獲期，地上莖稈的含水量平均為75,3%。
根據(jù)廣西統(tǒng)計(jì)年鑒E612009年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，木薯種植面積大約為221 200 hm2。木薯塊根的總產(chǎn)量約為471萬(wàn)t（鮮重），相應(yīng)地，木薯莖稈地上部干重總計(jì)570 051 t（見表2）。
 
    農(nóng)民需要保留1/3的地上莖稈用于木薯下一季的繁殖。因此，用于生物質(zhì)燃料的地上莖稈資源可獲得量為：570 051x 2/3=380034 t干重，或約等于廣西每年產(chǎn)出1793 GW．h的電量。
2.3木薯渣資源
    目前，大部分木薯塊根被用于生產(chǎn)淀粉或酒精。提取淀粉或酒精后剩下的富含纖維的殘?jiān)��?jīng)處理后也可用作生物質(zhì)燃料。這種殘?jiān)�是一種非常好的可用于造粒或生產(chǎn)粉末的材料。平均算來，塊根中纖維的含量為12%，水分的含量為60%。因而，廣西壯族自治區(qū)的塊根殘?jiān)�總量（干重）約為226 080 t（見表3），或相當(dāng)于每年1128 CW“電量。
 
    木薯稈和木薯渣資源可用作能源開發(fā)的數(shù)量是606 114t；未來5年，如果該資源的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)能進(jìn)一步帶動(dòng)木薯種植面積增長(zhǎng)10%，不考慮木薯育種及主推品種對(duì)收獲指數(shù)的影響，可用作能源開發(fā)的資源將是666 725t；如果種植面積能增加20%，則資源總量將為727 337t。
3、木薯莖稈能源利用
3.1木薯稈燃料性狀
    總的來說，木薯稈是一種很有前景的直燃燃料。盡管它的平均熱值略微低于軟木燃料（見表4），但與瑞典的能源作物葫草( RCC)相當(dāng)。灰熔點(diǎn)與在春季收獲的RCG相當(dāng)，但高于作物殘余物（如中國(guó)吉林省的玉米秸稈）。高灰熔點(diǎn)意味著燃燒結(jié)渣風(fēng)險(xiǎn)低。木薯稈灰分的平均含量低于RCG和玉米秸稈，這一點(diǎn)對(duì)進(jìn)一步利用也是有利的。
 
    總的來說，木薯稈的燃燒特性與其他已知的燃料有很大區(qū)別，尤其是P、K、Ca等元素含量高以及Si含量低。這些特性會(huì)使它成為優(yōu)質(zhì)燃料，但其燃燒機(jī)制不同于其他的生物質(zhì)燃料。由于N的含量非常高，在燃燒體系中可能需要有降低氮氧化合物的工藝。CI的平均含量不是非常高，但是在少數(shù)地區(qū)，卻達(dá)0.2～0.3，這需要做進(jìn)一步的處理。
3.2原料堆放
    木薯稈堆放一年后，其燃料特性發(fā)生變化（見表5）。其中，熱值提高，改善了燃料的熱能性狀，硫和氯含量的減少，有利于降低鍋爐結(jié)渣結(jié)垢的風(fēng)險(xiǎn)；而灰分略微增加，初始變形溫度降低，會(huì)增加結(jié)渣結(jié)垢的風(fēng)險(xiǎn)，含氮量的增加則會(huì)增加尾氣中NO。的排放。總體上說，排除木薯稈受土壤污染的可能后，木薯稈燃料性狀有所改良。木薯稈整株堆垛和扎捆的堆積密度為56～77 kg/m3，而莖稈條(5～20 mm)和粉末(1.25 mm)的堆積密度卻增加到了115 kg／m3和135 kg/m3（見表6）。這些性狀對(duì)設(shè)計(jì)合理的工業(yè)鏈和管理生產(chǎn)實(shí)踐有參考價(jià)值。
 
3.3木薯稈粉末燃燒特性
    就木薯稈用于蒸汽發(fā)電和蒸汽干燥制顆粒原料的工業(yè)用途而言，木薯稈粉末燃燒被認(rèn)為是最經(jīng)濟(jì)和最合適的。粉末燃燒工藝的高效性和良好的功率調(diào)節(jié)可以證明上述觀點(diǎn)。將40 kg的木薯秸稈用秸稈粉碎機(jī)粉碎木薯至粒徑小于1 mm，并使用瑞典北部能源技術(shù)中心100 kW的實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)木薯稈粉末燃燒進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。表面木薯稈可以作為粉末燃料，廢氣中CO含量很少，表明燃料接近完全燃燒（見表7），相對(duì)木材粉末來講，高濃度的NO表明木薯稈氮元素含量很高。底灰的物理性質(zhì)顯示，在鍋爐中其不會(huì)導(dǎo)致機(jī)械故障，灰分不是凝結(jié)的而是十分松軟，很容易將其移出鍋爐；飛灰所占比例比其他生物質(zhì)燃料高。粉塵排放高，因此將來要考慮為其加裝清潔裝置（如過濾器）。煙灰是干燥的，可利用現(xiàn)有過濾技術(shù)進(jìn)行解決。燃燒實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在模擬的蒸汽鍋爐內(nèi)冷卻部位產(chǎn)生了大量的粉塵沉淀堆積（比木材多4倍），這與木薯稈粉末的化學(xué)組成有關(guān)，這些堆積物很軟，所以很容易去除。

3.4木薯稈壓制顆粒性狀及燃燒特性
    用生產(chǎn)能力為300 kg/h的小型環(huán)模壓輥式顆粒造粒機(jī)壓制木薯稈顆粒，采用6 mm篩的錘式粉碎機(jī)粉碎樣品，通過蒸汽發(fā)生器在磨碎的木薯稈中加入少量(2 kg/h)的蒸汽，用8 mm x55 mm的模具壓制，沒有對(duì)壓程長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化。木薯稈含水量是顆粒化過程中一個(gè)非常重要的參數(shù)，將木薯稈含水量調(diào)節(jié)為10%、12%和14%三個(gè)水平。生產(chǎn)出的所有顆粒的耐久性和密度測(cè)試都符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)，顆粒質(zhì)量很高（見圖1）。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，木薯稈的含水量比原產(chǎn)區(qū)對(duì)顆粒的品質(zhì)影響更大，表明在顆粒化之前控制木薯稈的含水量是很重要的。
    木薯顆粒化消耗的能量比制造其他生物質(zhì)能顆粒（如木質(zhì)和葫草）要低，而這是在沒有改變?cè)O(shè)備的基本設(shè)置條件下取得的，如對(duì)造粒設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，將會(huì)節(jié)省更多的能量。
    為了用于住宅或其他小型或中型規(guī)模的燃燒設(shè)備，用兩種不同的燃燒爐評(píng)估了顆粒燃料。第一種燃燒爐是適用于低灰顆粒燃料的Eco Tec 30kW。木薯稈顆粒在其中只能短時(shí)間燃燒，不久燃燒器中就裝滿灰分，空氣被隔絕。第二種為生物質(zhì)技術(shù)與化學(xué)研究所的專門用于高灰分顆粒燃料的燃燒器。采用兩種戶用顆粒燃燒爐燃燒木薯稈顆粒，達(dá)到燃燒爐的最高溫度（1 017～1 256℃）時(shí)沒有明顯結(jié)渣出現(xiàn)。在兩種燃燒爐中只出現(xiàn)了少量的小顆粒結(jié)渣，但是它們易碎，也很容易去除。在試驗(yàn)中CO和粉塵排放很多。這與木薯稈顆粒太長(zhǎng)、壓縮過于密實(shí)有關(guān)。長(zhǎng)且堅(jiān)硬的顆粒在離開燃燒爐前很難完全燃燒。沒有燃燒的顆粒被推出燃燒爐，在鍋爐底部繼續(xù)燃燒，而底部的空氣量不足。提高木薯稈顆粒的燃燒要從木薯稈顆粒的物理性能和燃燒爐方面優(yōu)化。相對(duì)木材燃料講，在廢氣中NO。濃度高是因?yàn)槟臼矶挼�元素含量高。另外，粉塵排放量高可能與木薯稈中K高、P低有關(guān)，但是這有待進(jìn)一步研究論證。
3.5生物質(zhì)能聯(lián)產(chǎn)：電力和顆粒聯(lián)產(chǎn)
    為了比較傳統(tǒng)的發(fā)電方式和生物質(zhì)能聯(lián)產(chǎn)方式，以木薯為原料，設(shè)計(jì)了年消耗含水量50%的木薯稈40萬(wàn)t、滿負(fù)荷工作時(shí)間8 000 h的單一發(fā)電、熱電聯(lián)產(chǎn)、發(fā)電與固體顆粒聯(lián)產(chǎn)（見圖2）三種生產(chǎn)模式。

    在單一發(fā)電模式中，燃料中32%的能量轉(zhuǎn)化為電能。能量主要損失在冷卻塔冷卻和鍋爐產(chǎn)生的煙氣中（由于原料含水導(dǎo)致熱潛能損失）。而熱電聯(lián)產(chǎn)中，用低溫供暖裝置取代了冷卻塔，該裝置使每年發(fā)電量減少了16 GW．h，但是每年用于取暖的熱能增加了480 GW．h，年熱能利用效率因此由32%提升到90%，在發(fā)電與固體顆粒聯(lián)產(chǎn)中，鍋爐所用的干原料含水量大約為10%。這種生產(chǎn)模式的效率可以通過增加一個(gè)蒸汽干燥／供熱裝置來得到提高。在此基礎(chǔ)上，還可以外加熱負(fù)荷（熱量用戶），其可以是一個(gè)淀粉工廠、一個(gè)鋸木廠或其他需要中低溫供熱的工廠。每年工廠內(nèi)電力消耗不超過30 GW．h。對(duì)三種模式的年產(chǎn)出進(jìn)行比較，生物質(zhì)能聯(lián)產(chǎn)模式產(chǎn)出最大（見表8）。
 
4、經(jīng)濟(jì)效益分析
    炎熱的季節(jié)使得對(duì)熱能的需求降低因而產(chǎn)生“能量過剩”，生物質(zhì)能聯(lián)產(chǎn)的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是可以將其加以利用。這些“過剩能源”可以被大量地用于顆粒燃料或壓塊燃料的生產(chǎn)，燃料產(chǎn)品可以散裝或包裝的方式進(jìn)行銷售，甚至可儲(chǔ)藏后在熱負(fù)荷高峰季節(jié)使用或用于做飯。以此方式，優(yōu)化的熱電聯(lián)產(chǎn)運(yùn)營(yíng)方式和能源生產(chǎn)能夠在全年所有季節(jié)進(jìn)行，達(dá)到具有高能量效率和低成本的顆粒燃料生產(chǎn)、發(fā)電和集中供熱。經(jīng)濟(jì)效益和投資風(fēng)險(xiǎn)分析以生物質(zhì)能聯(lián)產(chǎn)為例。
    經(jīng)濟(jì)效益估算參照瑞典同等工廠數(shù)據(jù)，電價(jià)和顆粒價(jià)格的計(jì)算參照中國(guó)的政策和市場(chǎng)情況。生物質(zhì)能聯(lián)產(chǎn)工藝中的關(guān)鍵部分投資預(yù)算參考2009年瑞典的價(jià)格和消費(fèi)情況。此外，基于對(duì)其他生物質(zhì)原料價(jià)格的分析以及當(dāng)前木薯稈是廢棄物、實(shí)際成本為零而估算，木薯稈的市場(chǎng)價(jià)格為250元/t(干物質(zhì))；廣西的生物質(zhì)能源電價(jià)=生產(chǎn)價(jià)格+政府補(bǔ)貼=0.435 7 +0.25=0.69元／(kW·h)，當(dāng)?shù)氐纳唐冯妰r(jià)格是0. 52元／(kW·h)。發(fā)電過程中輔助能總消耗量是輸出電量的10%（在瑞典僅有5%）；基于目前中國(guó)顆粒燃料的市場(chǎng)情況和煤炭被顆粒取代的效果，顆粒市場(chǎng)價(jià)格設(shè)定為800元／t，另加政府補(bǔ)貼，總計(jì)900元／t；廣西木薯稈顆粒和當(dāng)?shù)孛禾康臒嶂迪喈?dāng)，而熱效率高50%—80%．此外還有多種生態(tài)效益；每年的維修費(fèi)用估計(jì)占總設(shè)備投資的9%（瑞典僅為7%）。建立一個(gè)熱電和顆粒聯(lián)產(chǎn)( CPP)工廠總投資大概是3.8億人民幣，工廠每年運(yùn)行8 000 h，發(fā)電4 000萬(wàn)kW·h、生產(chǎn)16.2萬(wàn)t固體顆粒。總能效超過96%。
    對(duì)于顆粒燃料的生產(chǎn)，當(dāng)生產(chǎn)量達(dá)到年生產(chǎn)能力的20.9%時(shí)就可以盈虧平衡；對(duì)于熱電聯(lián)產(chǎn)廠，當(dāng)其產(chǎn)出達(dá)到年產(chǎn)量的42.6%時(shí)盈虧平衡。工程平均的投資回收期是5—6年。同煤炭一樣，顆粒燃料可以直接用于工業(yè)和民用。雖然顆粒市場(chǎng)價(jià)格高，但使用顆粒仍有利可圖。在中國(guó)工業(yè)上用顆粒燃料代替煤炭比較少，每年僅有幾千噸，今后顆粒燃料潛力很大。中國(guó)政府也做出規(guī)劃，并采取了一些措施，以促進(jìn)顆粒燃料的發(fā)展和利用。其中一個(gè)目標(biāo)就是到2020年時(shí)顆粒燃料的年產(chǎn)要達(dá)到5 000萬(wàn)t。隨著一系列的以促進(jìn)可再生能源發(fā)展的積極稅收政策和相關(guān)措施的實(shí)施，顆粒燃料銷售價(jià)格應(yīng)該會(huì)有更多改善。
5、結(jié)語(yǔ)
    在我國(guó)廣西壯族自治區(qū)等熱帶、亞熱帶地區(qū)種植了大量的木薯以生產(chǎn)淀粉，木薯稈及木薯渣則作為農(nóng)業(yè)的副產(chǎn)物未能很好開發(fā)利用。木薯稈及木薯渣用作固體生物質(zhì)燃料，具有資源豐富、燃燒性狀好、成型顆粒質(zhì)量高的特點(diǎn)，是很好的生物能源材料。采用生物能聯(lián)產(chǎn)的生產(chǎn)模式，可以獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益，隨著我國(guó)可再生能源產(chǎn)業(yè)政策的實(shí)施及產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，木薯稈及木薯渣的開發(fā)應(yīng)用將進(jìn)一步推動(dòng)廣西壯族自治區(qū)等地區(qū)能源結(jié)構(gòu)的改善和生活水平的提高。
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