生物质能利用技术研究进展

第30卷第3期化学工业与工程技术Vol 30 No. 32009年6月Journal of Chemical Industry &Engineering生物质能利用技术研究进展王丰华,陈庆辉21.辽宁葫芦岛市葫芦岛锌厂,辽宁葫芦岛600310;2.华南理工大学化工与能源学院广东广州510640)摘要:介绍了生物质能概念、开发利用生物质能的意义和价值以及其转化利用技术和现状。阐述了其开发前景。目前,生物质能的利用技术主要有直接燃烧法、生物化学法、热化学转化法固体成型和生物柴油制取。我国生物质能利用的重点将是发展农林生物质发电、生物液体燃料、沼气及沼气发电、生物固体成型燃料技术四大领域。关键词:生物质能;转化技术;生物化学法;热化学转化法中图分类号:TK6文献标识码:A文章编号:1006-7906(2009)03-0032-04Research development on utilization technologies of biomass energyWang Fenghua, Chen Qinghui(1. Liaoning Huludao Zinc Factory, Huludao 600310, Chi2. School of Chemical and Energy Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)Abstract: The concept of biomass energy, the meaning and value of the use of biomass energy development, and the statusof its utilization and the modes of its conversion are presented. The prospects of its development is introduced, too. At presentthe utilization and the modes of biomass energy s conversion are direct combustion, biochemical conversion, thermochemicalconversion, briquetting technology: biodiesel production. The key utilization of biomass energy in China involves four followingfields, the power generation from biomass energy of agriculture and forest, bio-liquid fuel, biogas and its power generation, andthe technology of biological briquetting fuel.Key words: Biomass energy: Conversion technology: Biochemical conversion: Thermochemical conversion人类的文明进步和社会生产力的发展使得人类合作用贮存在植物的枝、茎、叶中的太阳能,相当于对能源的需求越来越大,而严峻的能源形势日益成全世界每年耗能量的10倍。生物质遍布世界各地为全世界关注的焦点。地球上亿万年积累的化石能其蕴藏量极大,仅地球上的植物,每年生产量就相当源(石油、天然气、煤等),仅能支撑300年的大规模于目前人类消耗矿物能的20倍,或相当于世界现有开采就将面临枯竭。人类对能源的依赖和获取正面人口食物能量的160倍。我国拥有丰富的生物质能临着重大转折。未雨绸缪,利用现代科技发展生物资源我国理论生物质能资源5×10t左右。目前能源,是解决未来能源问题的一条重要出路。可供开发利用的资源主要为生物质废弃物,包括农1生物质能概念作物秸秆、薪柴、禽畜粪便、工业有机废弃物和城市以生物质为载体,由生物质产生的能量,便是生固体有机垃圾等物质能。生物能是太阳能以化学能形式贮存在生物2开发利用生物质能的意义中的一种能量形式,一种以生物质为载体的能量,它我国是世界上人口最多的国家,国民经济发展直接或间接地来源于植物的光合作用在各种可再面临着资源和环境的双重压力。从人均化石能源资生能源中,生物质是独特的,它是贮存的太阳能,更源量看,煤炭资源只有世界平均水平的60%,石油是一种唯一可再生的碳源,可转化成常规的固态液态和气态燃料。就其能源当量而言仅次于煤炭、石油和天然气。据科学家估计地球上每年植物光合作用固定的H史葫芦岛人,大专,工程师碳达2×10t,含能量达3×104J,因此每年通过光王丰华等生物质能利用技术研究进展33·只有世界平均水平的10%,天然气只有5%。从能 Keikhosro等采用毛霉、根霉和酵母对稀酸预处理源生产和消费来看,目前我国已经成为世界上第二过的稻草进行同步糖化发酵,根霉( oryzea)发酵乙能源生产国和第二能源消费国,大量生产和使用化醇产率高达74%,副产物为乳酸,毛霉( indicus)也石能源所造成的环境污染已经十分严重。2004年,能达到68%的产率。为避免生产乳酪剩余的乳我国能源消费总量为1.97×10t标准煤,石油进口清对环境造成污染, Salman等用酵母发酵天然乳依存度已超过40%。清,生产乙醇。生物质发酵生产乙醇是国际上除而丰富、清洁、环保又可再生的生物质能源却没了制备生物柴油以外的另一条石油替代路线,近期有得到重视被白白浪费掉。生物质能源作为能源我国重点技术研发方向是利用甜高梁、木薯及木质的利用量还不到其总量的1%我国的利用量更是纤维素等非粮食原料生产燃料乙醇,并建设规模化远远低于世界平均水平原料供应基地,建立生物质液体燃料加工企业。生物质能源的引入和取代石油是必要的,而且3.2.2厌氧性消化( Anaerobic digestion)前景更是十分美好和诱人,它不仅能大大减少污染厌氧消化是指利用微生物在缺氧条件下消化易还事关我国能源安全的大局。所以开发利用生物质·腐生物质,使其彻底分解,产生氢气和甲烷等高能清能是调整能源结构、保障能源安全的重要措施,是保洁燃料(即沼气)的过程。Yang等以乙酸盐等为有护生态环境、实现可持续发展的重要途径,是促进农机源,在填充了碳毡的固定化产烷微生物流化床混村经济发展、建设社会主义新农村的重要举措。合反应器中进行厌氧消化,使甲烷产量达798mL/3生物质能的转化利用技术及现状d,提高了产量。目前,木质纤维素类物质分解是般地,所有种类生物质都可以进行热化学转沼气生产的瓶颈问题。由于对厌氧消化所需要的三化,含湿量低的草本植物和木本植物最适合热化学类嫌氧微生物的研究仍较肤浅,致使无法圆满解决转化1,而能量密度低的散抛型农业废弃物可通过产气效率低等现象。如果这一课题的研究得到质的压缩成型来提高利用价值。进展,则可将原料由目前以人畜粪便为主扩大到各3.1直接燃烧法( Direct Combustion)种秸秆枝叶类,可以大大扩展沼气原料来源。直接燃烧通常是在蒸汽循环作用下将生物质能3.3热化学转化( Thermochemical Conversion转化为热能和电能,为烹饪、取暖、工业生产和发电热化学转化技术与其他技术相比,具有功耗少提供热量和蒸汽。小规模的生物质转化利用率低转化率高、较易工业化等优点。生物质热化学转化下,热转化损失约为30%~90%。通过利用转化效包括气化、热解液化和超临界萃取,其中气化和液率更高的燃烧炉,可以提高利用率3。生物质燃烧化技术是生物质热化学利用的主要形式。最常用的是锅炉燃烧和流化床燃烧技术,后者由于3.3.1气化及气化发电( Gasification and Gasifica-氮氧化物的低排放特性迅速得到青睐。 Eriksson tion Power Generation)和 Kjellstrem等研究了木材水解残渣在150kW的气化是生物质转化的最新技术之一。它是指在粉末燃烧器里的燃烧情况,结果表明,直接燃烧是燃定的热力学条件下,将组成生物质的碳氢化合物气轮机使用的切实可行的方法。直接燃烧是最早转化为含一氧化碳和氢气等可燃气体的过程。这些采用的一种生物质开发利用方式,可以最快速度地产物既可供生产、生活直接燃用,也可用来发电,进实现各种生物质资源的大规模无害化、资源化利用,行热电联产联供,从而实现生物质的高效清洁利用。成本较低,因而具有良好的经济性和开发潜力。此外,欧共体还开展了生物质气化合成甲醇、氨的研3.2生物化学转化究。另外,我国已基本具备了发展生物质气化合3.2.1发酵( Fermentation)成甲醇技术的空间,只要各部分的关键问题得到解发酵是生物质间接液化的一种。生物质间接液决,并结合新技术和提高系统效率,生物质气化合成化是指通过微生物作用或是化学合成法生成液体燃甲醇技术就会具有广阔的发展前景。料,常见的如乙醇的发酵。乙醇的发酵底物几乎包生物质气化发电技术的基本原理是把生物质转括各种原始生物材料,最主要的原料为甘蔗、小麦、化为中国煤化工然气发电设备进行谷类、甜菜和木材。若用富含木质纤维素的农业废发电CNMHG程:一是生物质气弃物生产乙醇可避免农作物食用和工业生产间的化,将体生物质转化为气体燃科;二是气体净化,矛盾,其潜在生产量是世界目前产量的16倍。气化出来的燃气都带有一定的杂质,包括灰分、焦炭·34化学工业与工程技术2009年第30卷第3期和焦油等,需经过净化系统把杂质除去,以保证燃气料使用,也可以再转化为品位更高的液体燃料或价发电设备的正常运行;三是燃气发电,利用燃气轮机值更高的化工产品。液化产品的处理方法包括催化或燃气内燃机进行发电,有的工艺为了提高发电效加氢、热加氢、催化裂解及两段精制处理等。目前,率,发电过程可以增加余热锅炉和蒸汽轮机催化加氢是较常用的方法0。高压液化技术是生生物质气化及发电技术在发达国家已受广泛重物质直接液化技术的一种,是指在较高压力、一定温视例如:奥地利、丹麦、芬兰、法国、挪威、瑞典和美度和溶剂催化剂存在等条件下对生物质进行液化国等国家的生物质能在总能源消耗中所占的比例增反应制取液体产品的技术。相比同为直接液化的快加相当迅速。发展中国家随着经济发展也逐步重视速热裂解法,该技术具有工艺简捷、易于大规模工业生物质的开发利用。我国根据目前的生物质资源,化生产等特点,因而得到了广泛的关注和深入的如果仅将1%的麦杆和10%的谷壳用来气化和发研究。在我国,利用现有技术,研究开发经济上可行效率ton, SCFE)冷分电,总装机容量就可能会高于200×10kW。所以3.3.4超临界流体萃取( Supercritical fluid extrac-较高的生物质气化发电系统对今后能否有效利用生超临界流体(SCF)具有气液两重性的特点,它物质起关键作用。“十五”期间,国家863计划在1既有与气体相当的高渗透能力和低黏度,又兼有与MW的生物质气化发电系统的基础上,研制开发出液体相近的密度和对许多物质优良的溶解能力。在4~6MW的生物质气化燃气一蒸汽联合循环发电超临界水中,将煤炭和生物质能源转化为清洁的氢系统,建成了相应的示范工程,燃气发电机组单机功能,具有气态产物中氢气含量高,无需对原料进行干率达500kW,系统效率也提高到28%,为生物质气燥,反应不生成焦油等副产品不造成二次污染等优化发电技术的产业化奠定了很好的基础点(1。 Demirbas用超临界水萃取法使水果皮产生生物质能转化为电能,正面临着前所未有的发富氢气体。和其他热解、气化等热化学法相比,超临展良机。国家电网公司担任大股东的国能生物质发界萃取法能直接处理潮湿物料而不用对其干燥,并电公司目前已有19个秸秆发电项目得到主管部门且能在较低温度下保持高的萃取效率。超临界流体批准,大唐、华电、国电、中电等集团也纷纷加入,河萃取能减少样品的准备时间,加快提取速度,改善萃北、山东、江苏、安徽河南、黑龙江等省的100多个取效果,并且对固体和半固体样品的提取率不亚于县(市)开始投建或是签订秸秆发电项目。常规萃取法。可作为SCF的物质很多,如二氧化3.3.2热解( Pyrolysis)碳、六氟化硫、乙烷、甲醇、氨和水等。利用SCFE进在隔绝空气条件下加热生物质,或者在少量空行生物质转化已有很多应用。气存在的条件下部分燃烧产生碳氢化合物、含油液3.4固体成型技术( Briquetting Technology)体和残炭的混合物,为热解产物。通过生物质热解固体成型技术是指在一定温度与压力作用下及其相关技术,可生产焦炭和甲醇丙酮、乙酸焦油将原来分散的没有一定形状的生物质废弃物压制等副产物3。热解按温度、升温速率、反应时间和颗成具有一定形状密度较大的各种成型燃料的高新粒大小等条件,可分为慢速热解常规热解和闪速热技术1,秸秆、谷壳和木材等的屑末下脚料由于体解3种方式。快速热解是以非粮食类的生物质为原积密度小,占用空间大,直接焚烧浪费资源且污染环料制取液体燃料的方法之一,尺度小的稻壳、木屑等境。该技术则能以连续的工艺和工厂化的生产方式的干燥物料是快速热解工艺的理想原料。由快速热将这些低品位的生物质转化为易储存、易运输、能量解工艺获得的液体燃料含氧量高,但是热值较石化密度高的高品位生物质燃料,从而使燃烧性能得到燃料低,还需要进一步精制处理才能有效利用。如明显改善,热利用效率显著提高,为高效再利用农林果能够开发出选择性优良的快速热解工艺,生产出废弃物、农作物秸秆等提供了一条很好的途径。目低含氧量,高热值的液体燃料,那么快速热解工艺将前国内开发的生物质颗粒燃料成型技术具有非常强的竞争力。( Highzones技术)比热压成型技术减少了烘干、成3.3.3热解液化( Pyrolysis Liquefaction)中国煤化工F,可就地将原料及生物质的热解液化是在缺氧条件下将生物质迅时速加热到500~600℃,使之主要转换成液化产物中存YHSCNMHG质燃料规模化应用阳属两町项问题,便于在原料(油)的一种工艺。这种液体燃料既可以直接作为燃产地推广使用。王丰华等生物质能利用技术研究进展3.5生物柴油制取( Biodiesel Production)10°m3,生物固体成型燃料达到50×10°t,到时我国生物柴油制取是生物质直接液化的一种。主要生物质能源消费量有望占到整个石油消费量20%是采用机械方法,用压榨或是提取等工艺获得可燃生物质年利用量占到一次能源消费量的4%。烧的油品,如棉籽油等植物油,经提炼液体油直接用5结语于燃烧或将其经乳化、高温裂解或酯化处理后作为我国是世界上人口最多的国家,国民经济发展替代柴油的方法。我国的产油微生物主要包括高产面临着资源和环境的双重压力。所以我们应该拾起烃的丛粒藻。丛粒藻的化石主要分布在我国的北部冷落多年的身边的“富矿”,加快生物质能的开发利湾沿岸、渤海沿岸和茂名油页岩等石油沉积层中。用步伐,努力提高生物质能的利用技术,为建设资源植物油黏度较大,直接用作燃料油会出现结焦炭化节约型、环境友好型社会作出贡献。等现象国内外普遍采用以低碳醇为酯化剂,用酸碱或酶作催化剂,将原料油进行酯化处理后获得相参考文献:应的脂肪酸酯,即生物柴油。生物柴油性能与石化1米铁唐汝江生物质能利用技术及研究进展[J煤气柴油相近,并且具有硫含量低、分解性能好、燃烧效与热力,2004,24(12):701~705率高等特点大大降低了环境污染,是石化柴油的优2 Ayhan D. Biomass resource facilities and Biomass con-良可再生替代品,有“绿色柴油”之称。相比其他方version p rocessing for fuels and chemicals[J]. Energ法,酯交换法工艺简单、费用较低、制得的产品性质Conversion and Management, 2001, 42: 1 357-1 3783 Eriksson G, Kjellstrem B Combustion of wood hydroly稳定,是生物柴油主要的制备方法sis residue in a 150 kw powder burner[J]. Fuel,2004美国主要以相对便宜的豆油为原料制备生物柴(83):1635~1641油,欧洲主要是以油菜籽为原料,棕榈油、葵籽油、米4 Keikhosro K, Giti E. Ethanol production from dilute糠油等也是最常见的原料。值得一提的是,动植物acid pretreated rice straw by simultaneous saccharifica废弃餐饮油是一种很好的制备生物柴油的原料。tion and fermentation with Mucor indicus, Rhizopus本植物油资源贫乏,因此主要用废油为原料制备生oryzae, and Saccharomyces cerevisiae [J]. Enzyme and物柴油。我国多年来开展了一些生物柴油研发工Microbial Technology, 2006, 40: 138-144作,中科大、石油化工研究院西北农林科技大辽宁 Salman Z, Mohammad O. Ethanol production from能源所等分别进行了实验研发和小型工业试验,crude whey by kluyveromyces marxianus[J]. Biochemi-系列关键技术已被掌握。海南、四川和福建几家公cal Engineering Journal, 2006(27): 295-298司开发出拥有自主知识产权的技术,相继建成年产Yang Y N, Anaerobic digestion by a fixed and fluidizedhybrid reactor packed with carbon felt [J]. Materials超过万吨生物柴油的生产企业。Science and Engineering, 2004,(24): 893-899生物质能的利用前景展望7匡廷云,白克智,卢从明等.生物质能源技术前瞻[].太在2006年8月召开的全国生物质能源开发利阳能,2004,(4):7~9用工作会议上,原国家发改委副主任陈德铭提出,今8米铁唐汝江,陈汉平等生物质气化技术及其研究进展后15年,我国在生物质能源方面将重点发展农林生[].化工装备技术,2005,26(2);物质发电生物液体燃料、沼气及沼气发电、生物固9郑冀鲁,朱锡锋郭庆祥生物质制取液体燃料技术发展体成型燃料技术四大领域,开拓农村发展新型产业,趋势与分析[冂.中国工程科学,2005,7(4):5~10为农村提供高效清洁的生活燃料,并为替代石油开0朱锡锋,朱建萍生物质热解液化技术经济分析[能辟新的渠道。源工程,2004,(6):32~34根据《可再生能源中长期发展规划》确定的主要11温从科,乔旭,张进平.生物质高压液化技术研究进展J].生物质化学工程,2006,40(1):32~34发展目标,到2010年,生物质发电达到5.5×10012闫秋会,郭烈锦梁兴媒与生物质共超临界水催化气化kW,生物液体燃料达到2.0×10°t,沼气年利用量制氢的实验研究[.西安交通大学学报,2005,39(5)达到19×10°m3,生物固体成型燃料达到1×106t,生物质能源年利用量占到一次能源消费量的1%;13中国煤化工型燃料技术及产业化到2020年,生物质发电装机达到30×10°kW,生物CNMHG,2005,39(1):111液体燃料达到10×10°t,沼气年利用量达到40×