日本, 韓國, 加拿大, 西歐和其他國家的可再生能源和碳減排政策支援使用顆粒燃料作為發電站煤炭的替代品. 迄今為止, 在顆粒轉化方面的投資集中在常規的工業木質顆粒上, 有時我們稱它們為白色顆粒.
由於熱處理後的外觀, 先進的木質顆粒通常被稱為黑色顆粒, 它們早已被吹捧為是比傳統白色木質顆粒更優越的燃料. 黑色顆粒應該解決與白色木屑顆粒相關的一些潛在缺陷, 用作煤粉發電廠的煤炭替代品. 多年來提出的黑色顆粒關鍵優勢包括: 無需乾燥儲存和運輸, 更好的可磨性, 更少的處理, 儲存期間的粉塵形成以及更高的能量密度. 黑色顆粒通常來自於開發先進木質顆粒的兩種不同的技術方法: 烘焙和蒸汽爆炸 (SE) .
烘焙是熱解的一種形式, 在沒有氧氣的情況下導致部分熱分解. 典型地, 烘焙在200攝氏度和300攝氏度之間進行以去除木材中的揮發物, 然後將所得材料緻密化成顆粒. FutureMetrics沒有分析任何烘焙技術, 但詳細分析了用於生產SE顆粒的Arbaflame技術.
本文是針對Arbaflame (年產4萬噸SE顆粒) 技術的獨立分析, 並且該公司已授予FutureMetrics許可發布本文中的資訊.
什麼是蒸汽爆炸 (SE) ?
木纖維預處理的SE方法涉及將材料暴露於飽和蒸汽中. 蒸汽溫度和壓力以及反應容器中的時間決定了半纖維素有多少會被降解, 原料物質的多少部分會轉化為揮發性物質和生物化合物. 隨後的蒸汽爆炸是壓力的快速釋放. 水在木質纖維素原料的細胞壁中的爆炸性膨脹導致木質纖維分解成非常小的顆粒. 控制蒸汽處理的嚴重程度, 使得纖維素和木質素受到的影響最小, 而半纖維素則部分降解. 與白色顆粒相比, 所得材料在顆粒壓制機中緻密化後具有較高的能量密度, 改善的可磨性, 堅硬且產生較少的粉末, 並且其對水的親和力從吸濕性變為了疏水性.
蒸汽爆炸過程導致木質素以小珠粒的形式出現在細木纖維的表面上. 當纖維在顆粒壓制機中緻密化時, 這些珠粒形成破碎的木纖維的膜狀表面塗層, 併產生幾乎不產生細粒的堅硬, 高度防水的顆粒.
SE顆粒的優點
SE顆粒的三大優勢是:
•與白色顆粒相反, SE顆粒在潮濕時不會崩解.
•SE顆粒比白色顆粒具有更高的體積和重量能量密度 (增加大約31% ) . 這意味著每單位體積顆粒可以儲存或運輸更多的能量.
•在粉煤電站粉碎SE顆粒的功率要求明顯低於粉碎白色顆粒的功率要求.
以上這些好處雖然已經提出了好幾年. 但是, 技術的限制和較高的生產成本阻礙了其大規模推廣. 在製造SE顆粒的早期嘗試中, 能量消耗, 質量和能量含量的損失以及與SE反應釋放的氣體特性等相關問題超過了產品本身的優勢. 製造SE顆粒設備的可靠運行能力也是SE顆粒行業發展的一項挑戰.
圖1: SE顆粒浸水後水分含量變化 SE顆粒吸收一些水. 如圖1所示, 在全部浸入水中48小時後, 顆粒的水分含量從生產後的平均水平增加約6% 至14% . 水只是留在表層, 並從顆粒中蒸發出來.
圖1: SE顆粒浸水後 耐用性 變化 SE顆粒在暴露於水後不會失去其機械特性. Arbaflame SE顆粒在浸水前的耐久性平均為98.8% . 如圖2所示, 整個浸泡48小時後, 耐用性在97.5% 和98.5% 之間. 在戶外儲存SE顆粒的能力消除了對昂貴的乾燥儲存圓頂, 筒倉, 棚子或有蓋軌道車的需要. 它還可以在下雨或下雪時進行船舶裝卸. SE顆粒可以在與煤炭相同的條件下儲存和處理, 並且可以與煤炭一起放在在相同的儲存場地中, 而不會對其功能產生不利影響.
Arbaflame SE顆粒儲存在安大略省的桑德貝電站煤場內. SE顆粒燃料暴露在雨雪中並沒有退化. 較高的比能量含量 (SE約為19.5GJ/MT, 白色約17.5GJ/MT) 和堆密度 (SE約790kg/m 3, 白色約650kg/m 3) 對每個GJ交付成本的影響是SE顆粒的另一個特點, 它使自己比白色顆粒更具優勢. 滿載60,000立方米的容器 (大靈便型) : 白色顆粒將含有約682,000吉焦的能量, SE顆粒則含有約924,000吉焦的能量.
運行煤電站的粉碎設施所需的能源可能很大. 粉碎一噸白色顆粒大約需要45千瓦時 (度) 的電力, 而粉碎一噸SE顆粒只需要11千瓦時 (度) . 如果應用於以上網電價運行的日本獨立電力生產商 (IPP) 項目, 節約成本尤其重要. 使用200,000噸SE顆粒的IPP可以供60MW機組燃燒一年, 並且與粉碎白色顆粒相比, 每年該工廠用於粉碎的電力成本可以降低近50萬美元.
SE顆粒是否具有成本效益?
Arbaflame經過十多年的R&D (研究與開發) , 優化了生產過程, 從而不浪費能源. 該優化加上生物化學回收系統來捕獲蒸汽反應過程中產生的有價值的有機化學物質, 可以生產出與白色顆粒相競爭的SE顆粒.
Arbaflame的SE顆粒技術最近的發展大大提高了SE顆粒的競爭力. 降低之前非競爭性工藝成本的最相關的最新工藝改進是: 用於原料乾燥的能量回收和回收作為SE工藝氣態副產物的有價值的有機化學品. 由Arbaflame在挪威工廠的多年R&D, 造就了一種可以可靠穩定運行的顆粒工廠模式.
在Arbaflame 40,000噸/年的工廠中運行的Arbaflame SE顆粒生產工藝穩健並且節能. 工廠運行安全可靠. 預乾燥器輸出, 蒸汽反應器和後乾燥器之間的濕度水平的平衡, 允許預乾燥過程可以幾乎完全利用過程中產生的能量以及後乾燥器的能量. 這種能量的高效使用對於操作的經濟性至關重要.
蒸汽處理造成的質量損失和運行反應的額外能源成本被產生的再生生物化合物的價值所抵消. SE纖維比白色木纖維更容易緻密化. 制粒機的運行成本更低 (每噸降低約30% ) , 並且取消了乾式錘磨機 (SE工藝實現了製造顆粒所需的纖維尺寸減小) , 這有助於進一步抵消較高的木材成本.
為新建發電廠和混燃發電廠提供燃料安全輸送的能力至關重要. 白色顆粒企業一般在許多地方都有多個生產工廠. 如果在一個工廠或運輸碼頭出現問題, 供應鏈不會完全停滯. SE顆粒行業則還沒有供應鏈冗餘, 可能會造成供應鏈斷裂.
根據我們的分析, SE顆粒行業快速增長的唯一障礙是克服燃料供應鏈缺乏冗餘的問題.
作者: 威廉斯特勞斯 FutureMetrics總裁
勞倫茲施密特 FutureMetrics高級工程師
