目前,干燥技术接近商业化阶段,约有60家公司正在进行技术开发和测试计划。但是,大多数示范装置都面临技术问题,这些问题推迟了商业运行。
干燥开发商一般都是小企业,非常依赖私人投资者和公共补贴,但部分大型加工技术企业也拥有这方面的业务。
特别是在中欧,已经开发并试点了数项高温(200到300摄氏度)缺氧条件下的木材热处理技术。所有的反应器技术都具有特定的优势和劣势。
约有10个示范装置和首个商业装置,以及在运行及在建装置。利用直接或间接加热进行生物质热处理。总体效率也取决于热集成设计,利用这种设计,不
同的方案都能成为一种可能。热处理法当中最近的商业化阶段是干燥和汽爆过程。
根据干燥体积和空间解决方案,分批次或持续进行干燥。干燥技术根据对原材料特点、热量传播、流程控制、投资和运营传播及所需尺寸可能性的要求而
有所差异。因此,无试点阶段的直接技术商业化可能存在问题,在这种情况下,所选择的方法应适应并适合本地情况和需求。不同技术的试点期已经证明
原材料特点如何影响流程控制和保持成品质量。
当然,粒径分布均匀的同质原料对大多数技术而言都比较理想。不同类型粒径分布和体积重量的原料在加工时需要的停留时间和温度也有差异,于是有了
各种定制技术的选择。
这一过程中很重要的一部分是已干燥材料的粒化,因为潜在客户大都比较远,并且可以优化运输经济效益和材料搬运效率。因此,干燥后必须立即粉碎粒
化干燥材料。
运输成本不会成为粒化材料与林屑或其他生物质燃料一样的主导性成本的构成。迄今,公共领域鲜少有关于干燥球团处理与最终用途试验的报道,因为市
场上只有有限的材料可供使用,并且运营商并未公布全部的结果。不过,美国和欧洲公司已经测试并证明数千吨干燥球团的存在,主要用于大规模的与煤
共燃。
芬兰的生物质煤市场
目前,芬兰生物质煤公司的营销方式主要对象为当地的市场,而不是全球市场的出口。在芬兰的主要生物质煤市场,他们致力于将热电联产(CHP)工厂来
取代煤炭颗粒。只有这种通过烘培或者蒸爆产生的生物质煤才有可能在少数投资时使用更高的混合比例(<百分之50)。
传统的木质颗粒的混合比例为5至7成。生物质煤的支付意愿要根据煤炭的市场价格,二氧化碳排放税,燃油税(仅用于热能),和其他潜在优惠政策如电
价补贴或生产补贴。
各国之间的优惠政策有着相当大的不同,而且还有许多的例外与随着时间推移的变化而改变。去年,煤炭价格降低的原因是由于经济衰退与能源需求减少
导致的。此刻,煤炭是电力生产中最廉价的燃料。
目前,林屑是大型热电联产锅炉中唯一使用的木材燃料。他们由于泥炭的二氧化碳排放税和消费税等原因获得了电力生产方面的能源补贴。当二氧化碳排
放税低于10欧元/吨的情况下,补贴金额最高为16欧元/毫瓦时,而当二氧化碳排放税高于22.7欧元/吨时,补贴金额则为0欧元/毫瓦时。
燃油支付意愿的电力补贴的能源补贴效果取决于锅炉效率和功率加热比。由于这项补贴制度的存在,愿意为磨碎的泥炭和林屑支付的比率要略高于煤炭。
但这是针对于能使用所有燃料的热电联产工厂(流化床锅炉适合混合燃烧)。而目前,对于煤炭工厂(粉状燃料锅炉)还没有这样的补贴机制,因为在芬
兰到现在还没有生物质煤的市场。
这个系统可以类似于为林屑而配备的系统,但在公式方面要用煤炭的消费税而不是泥炭的消费税。
在电力生产中,并没有针对燃料的消费税,而在热能生产时的消费税则被分为能源税、二氧化碳税和在进口燃料如煤炭时的战略储备费。二氧化碳税在热
电联产时则会减半。
在2015年第三季度,热能生产的煤炭价格为30.31欧元/毫瓦时,而电力生产的价格则为8.50欧元/毫瓦时。据推测,煤炭的市场价格会根据未来几个月的
期货而有所下降。二氧化碳排放税的价格为7.50欧元/吨。
煤炭的排放因子为94.6 gCO2/兆焦耳 (0.34056 tCO2/毫瓦时)。所以,目前二氧化碳排放税包含了2.55欧元/毫瓦时的额外煤炭燃烧成本。在热电联产工
厂,由于征税的方式是根据总燃油消耗的部分燃油,所以消费税的幅度也取决于生产所需的热能。因此,更高的电力份额也代表了更低的能源税。
煤炭的进口取决于降雨量与北欧国家潜在的水力发电能力,更高的降雨量代表了更多的电力进口而不是燃煤发电厂的自我冷却。在过去的十年内,煤炭燃
烧量有着很大的不同,在干旱的2003年达到了900吨,而最低的一年则是多雨的1999年。
然而,趋势还是有所下降的, 接近一半的煤炭是从俄罗斯进口,而其他的则从国家如南非、印度尼西亚、中国、哥伦比亚、波兰和美国进口。
2013年中、芬兰的煤炭使用量为31.2太瓦(440万吨),其中浓缩煤为15.3太瓦,热电联产为14.3太瓦,而分离式热则为1.6太瓦。如果现在热电联产所使
用的煤炭一半是由烘培颗粒所替代,每年的潜在市场将会是7太瓦或120万吨。
当地8间热电联产工厂的最大的用户,Helen公司(坐落于赫尔辛基的能源公司),自身可以使用50万吨的烘培颗粒,大约为公司煤炭使用量的百分之40。
而到了2014年,芬兰的煤炭使用量则下降到了26.9太瓦(380万吨)。
干燥试验装置
2014年,Torrec在芬兰东部米凯利省(Mikkeli)建立了干燥技术试验装置。这个试验装置包含整个流程,包括去湿、干燥和粒化。从名义上来说,产能
为每年10,000吨。
实际上,这个装置利用约9到10散装立方米木屑(约高于300千克/散装立方米)生产1.5到2.0吨干燥球团,供实验室的小规模试验之用,并且实际产能更
低。干燥解决方案基于垂直反应器,此时,在无驱动器或制动器的情况下,生物质材料依靠地心引力流动,通过蒸汽惰性和准确的流程控制进行干燥。
蒸汽来源于临近试验装置的本地生物质热电联产(CHP)装置。将木屑从木屑仓传送到干燥装置,全部干燥过程在干燥装置中发生:固体预先去湿、去湿
后、干燥和冷却。
执行预先去湿阶段的温度介于100摄氏度到200摄氏度,消除了这一过程中单独去湿的必要性。
干燥装置在进行干燥时比较稠密,以便保持缺氧条件,但在维护设备时可能会打开它。这两个过程借助电力运行,依靠将水蒸气引入这个过程替换氧气实
现缺氧条件。
干燥后将生物质冷却到100摄氏度时也要用到水蒸气。干燥过程之后,将经过干燥的团块送入粒化装置,在粒化装置中加入水蒸气,以便控制易燃和爆炸
风险。它也限制了材料的粉尘。干燥和粒化装置间有一个储料仓。
在粒化过程中,将经过干燥的材料粉碎,粒化前注入干燥过程中获得的焦油液体进行一定程度的润燥。粒化后,将球团打包装入柔性中型散装容器,即大
袋子(一立方米)。在商业规模方面,这个过程预计将会持续,并有单独去湿和干燥装置。
林屑是在干燥期前两个月的3月份砍伐的纸浆木材规格的乔木。在路边用带滤网(50x60毫米)的鼓式削片机将这些树木削成片。每次卡车装运都是30散装
立方米的各类木材选材(松树、云杉、白桦)。
副产品来自本地合板厂,包括桦木和云杉单板木片。这些树木在一定前提下于春季进行储存,但水分含量依然很高,特别是松树。混合批次从俄罗斯进口
,主要是阔叶木,如桦木、杨木,但确切的混合比例未知。云杉单板和桦木单板木片的灰分含量较低,因为它们不含有任何树皮。作为这两个桦树品种干
湿基础的能量最高。
通过三次筛分试验计算出粒径分布的平均值(EN ISO 17827-1)。大颗粒按P16归类,此时大颗粒为3.15<P≤16。细颗粒(<3.15)相当高,为F15-F25,
无单独筛分。树木品种之间没有差别,因为这些树木用同样的削片机进行切削。
细颗粒更高的原因可能是钝缘。对于这一干燥过程而言,细颗粒所占比例过高,所有批次在削片后都要单独进行筛分。筛分之后,细颗粒降到F5-F15,大
颗粒P16的比例达到90-95%。
利用检测另一种本地木本生物质来源,如针叶树(云杉、松树)、阔叶(桦木)以及作为桦木和云杉单板木片的本地副产品形成的林屑,对干燥球团的产
品质量进行分析。通过检测通常的鼓式削片材料与单独筛分材料对比,对干燥前粒径分布的影响进行分析(EN 15149-1)。
对能量密度、水分和灰分以及碱质进行验证。另外,利用实验室检验的方式验证球团的耐久性(EN 15210-1)。所有检测都是在无任何附加粘合剂的情况下
进行,从而引起额外关注,因为之前已经公布很多有关无粘合剂的干燥球团质量的挑战。
根据“分级热处理和致密生物质燃料”EN 17225-8标准对衡量的质量特性进行评估。
生产成本
基于干燥装置年产能50,000吨进行成本计算。这是现有试验装置的一种放大形式。干燥球团的生产和分销成本分成三部分:原材料、干燥和粒化、储存和
运输到电厂。
干燥的固定成本参数包括投资、年度维护成本、可变成本参数如耗电量、耗热量、工作负荷及粘合剂消耗量(如需要)。
该装置为单独装置,在该装置中,生物质锅炉用与干燥时使用的相同原材料作燃料。筛分出细粒和粗粒部分,并用于加热。
装置地点决定了原材料到干燥地点以及干燥球团到终端用户的运输成本。也决定了可能的运输方式(公路、铁路和水路)和供需场地间的储存需求。
在这里,潜在的工厂位于内陆,潜在球团用户(在热电联产装置与煤共燃)位于沿海地区,用卡车运输。
干燥团块必须粒化,用卡车将球团进行散装交货,减少搬运、包装和工厂内消耗品的利用率。作为干燥球团储存应更不易受潮湿影响,但应避免室外储存
,因此在整个供应链期间,物流都是以有保护解决方案为基础。
之前的研究已经证明,与这个试验装置的最初结果相比,干燥球团的能量更高。造成这种结果的原因可能是240到260摄氏度的干燥温度更低,以及在试验
装置粒化之前,经过干燥的木材加湿做法。
干燥球团的质量在很大程度上取决于原材料的质量,在这种情况下,粒径分布应尽可能均匀,避免细颗粒。无粘合剂值得关注,因为这一般意味着干燥需
要额外成本。此时,对于相当温和的干燥处理,由添加到生物质的蒸汽调节看似更充分。
然而,干燥参数的变化(中等和/或黑暗干燥)可能需要利用不同的粘合剂。此外,技术解决方案很重要,比如,耐久性低于预期也许是因为试验设施施
工和在无浆粉等粘合剂的情况下进行粒化,也可能是因为压粒机未经过优化的原料螺杆的结果。
生产成本只会下降到37欧元/兆瓦时,干燥球团低热值的目标值为20兆焦/千克。因为大规模的生物质干燥是一个最近的概念,仍缺乏可靠的成本估算值来
源。这类设备的供应商也很稀缺,大多数仍处于其技术的初步试验阶段。
主要市场驱动力
干燥球团的主要市场是粉化燃煤发电厂,但也有其他市场,因为已有关于气流床气化和利用球团的小规模燃烧的报道。
在芬兰,由于支付意愿更佳,并且与冷凝设备相比工作负荷甚至更大,主要市场是热电联产设备。120万吨的市场潜力需要6个大型200,000吨的干燥装置
或多个小型设备。
几乎全部欧洲国家都有粉化燃煤发电厂,总产能约为200吉瓦当量,或者大约1,200个工厂。然而,这些工厂绝大多数位于德国、英国和波兰。实际上,欧
洲的干燥球团市场很有限,因为一个350兆瓦当量的工厂按照40%的效率全天候运行时每年需要约6太瓦时的燃料。
木球团需要在适合共燃的电厂进行额外投资。由于价格差异,干燥球团与煤共燃的吸引力严重依赖国家对可再生能源发电的扶持计划。这可能是上网电价
补贴或针对干燥球团的类似扶持机制,以保证燃煤电厂的支付能力高于35欧元/兆瓦时,以便使投资具备可行性。
上网电价补贴可能是40到50欧元/兆瓦时,视煤炭的排放配额和消费税而定。但是,相同原材料基础的其他终端用户之间可能出现的市场干扰造成了扶持
计划的问题。
芬兰新政府已在2015年决定到2030年在能源生产中停止使用煤炭。一个实际行动是提高消费税,还有二氧化碳全额税,而非当前热电联产产量价值的一半
。这也许会导致投资倾向于纯热产能,而非资源效率更高的热电联产产能以及基于核能、风能和太阳能的无碳生产型纯电力产能。
希腊已经宣布此类投资计划,投资球团锅炉和地热能源将用于产热,投资太阳能电池板将用于发电。这会提高可再生能源在芬兰所占的比例,从当前的7%
提高到2020年的20%,但仍保留很高比例的天然气和煤炭的热电联产产能。
由于芬兰的市场前景乐观,试点的下一阶段将是一个利用单独去湿和干燥装置以及能够提高干燥温度的自有生物质锅炉的持续过程。这一阶段的低热值目
标值是20兆焦/千克。