生物质燃料的开发利用现状与展望

Vol 23 No 6冶金能源Nov.2004ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY4生物质燃料的开发利用现状与展望魏学峰罗婕田学达湘潭大学化工学院)摘要分析了生物质燃料作为可持续发展能源的利用前景,从固态、液态和气态三种燃料的状态,介绍了国内外生物质燃料的利用形式,对生物质燃料的商品化和大规模利用进行了展望。关键词生物质燃料能源Utilization and prospect of biomass fuelsWei Xuefeng Luo Jie Tian XuedaXiangtan University College of Chemical EngineeringAbstract This article analyzes the utilization prospect of biomass fuels as sustained energy and introduces the utilizing of domestic and international biomass fuels from three forms--solid liquid andgas as well as the commercialization and extensive utilization of biomass fuels is prospectedKeywords biomass fuel energy气中占0.028%。到1980年已增加到0.034%引言预计到本世纪初,将提高到0.056%。温室气体随着经济的发展和生活水平的提高,人类面在大气中的浓度不断增加,导致气候变暖。而生临的问题越来越多。能源短缺问题成为长期困扰物质既是低碳燃料,又由于其生长过程中吸收人类社会发展的主要问题之一,据预测,地球上OO2,因此被认为生物质燃料可实现温室气体零蕴藏的可开发利用的煤和石油等化石能源将分别排放。生物质燃料是光合作用产生的有机可燃物在200年和30~40年以内耗竭,而天然气按储的总称,其来源十分丰富,但目前利用程度不采比也只能用60年(1)。煤、石油、天然气等化高,大量宝贵的生物质燃料被白白浪费掉。生物石燃料自20世纪70年代大规模开采以来,在能质燃料是一种可再生的新能源,开发利用生物质源消费结构中占较大比重,而同时带来的环境问燃料不仅能缓解能源危机,而且可以减轻环境污题日益突出。根据世界卫生组织(WHO)和联染,同时也节约了能源。要走可持续发展的道合国环境计划署(UNP)进行的全球监测系统路,开发利用生物质燃料资源,意义十分重大。大气监测项目((EMsS/Air)收集的资料分析1993年世界粮农组织(FAO)预测,到目前全球每年排放SO约2.9亿t,其中80%为2050年,以生物质能源为主的可再生能源将提化石燃料燃烧的人为排放所致,中国有30%以供全世果%的由力和40%的燃料,其价格低上的面积出现酸雨2)此外,矿物燃料在燃烧于中国煤化工燃料的开发利用已经过程中,排放出O2气体,在大气层中不断积成CNMHG欧等发达国家已采取累,工业化前期大气中(O’浓度按体积比在空措施,加大利用生物质燃料资源。美国的生物质能源原料发电每年约1000MW,生物乙醇生产收稿日期:2004-04-07魏学峰(19男为数接硕士研究生;411105湖南省湘潭量达63亿L;巴西每年生产乙醇120亿L,约市550~600万辆机动车辆使用乙醇作燃料;而欧冶金能源Vol 23 No 6ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRYNov.2004渊、瑞典、丹麦、奥地利、芬兰、波兰和英国,在,绿色植物光合作用就不会停止,因此,生物在生物质能源生产和利用领域走在前列,消费量质燃料是理想的可再生能源3-6。占能源总量的7%~18%。2生物质燃料的利用1生物质燃料目前,生物质燃料的利用方式很多。一般可1.1生物质和生物质能划分为固态、液态和气态生物质燃料。生物质能是由太阳能转化而来,地球上的绿2.1固态生物质燃料色植物、藻类和光合细菌通过光合作用(即利用应用最早和目前应用最多的生物质燃料是固空气中的二氧化碳和土壤中的水,将吸收的太阳态的能转换成碳水化合物的过程),储存化学能。其1)直接燃烧。通过直接燃烧生物质而获得化学反应式热能是目前生物质能利用的最主要方式。直接燃6CO+6HO-6O2+CH12O3+1840kJ/mol烧所耗用的生物质能源主要是农作物秸秆和薪生物质是生物质能量的载体,是一切有生命柴。在牧区也燃用少量的牲畜粪便。该方法燃料的可以再生的有机物质的总称,包括动植物和微利用效率低,为5%~15%,使得生物质燃料被生物。可以为人类提供生物质燃料的生物质种类认为是”贫穷燃料”,节能炉灶的推广将效率提繁多,大致可以分为6大类:①木质素:木块、高到了25%~30%。垃圾焚烧技术属于直接燃木屑、树皮、树根等;②农业废弃物:秸秆、果烧,目前主要的燃烧方式是改进后的链条炉排和核、玉米芯、蔗渣等;③水生植物:藻类、水葫马丁炉排等,循环流化床垃圾锅炉等新技术正处芦等;④油料作物:棉籽、麻籽、乌柏、油桐在发展阶段,德囯、法国和美国等在垃圾的能源等;⑤加工废弃物:食品加工厂、屠宰场、酒利用方面处于领先地位。厂、纸厂等加工排放的废渣、废液、以及城市垃(2)固化成型。由于生物质燃料具有能量密圾;⑥粪便:人及牲畜的粪便。度小的特点,将疏散的、低热值的农林废弃物固1.2生物质燃料的特点态生物质燃料,如秸秆,木屑等压制成型或进1)生物质燃料总量十分丰富。生物质能是步炭化制得所谓”机制木炭"。生物质中的木质世界的第四大能源,根据生物学家估算,地球陆素(木素)属于非晶体,没有熔点,但有软化地毎年生产1000~1250亿t干生物质;海洋年点,当温度为70~110℃时粘合力开始增加,在生产500亿t干生物质2。生物质能源的年生产适当的温度(200~300℃)下会软化,此时施以量远远超过全世界总能源需求量,相当于目前世压力,则其与纤维素紧密粘接,并与相邻颗粒互界总能耗的10倍23。我国可开发为能源的生相胶接,冷却后即可固化成型7。成型后体积物质资源到2010年可达3亿tce。随着农林业的缩小为1/6到1/8,热性能优于木材,和中质混发展,特别是炭薪林的推广,生物质资源还将越煤相当,易点火,便于运输2来越多。最近美国科学家把植物生物质资源称作3)与煤混燃(生物煤)低品位的煤炭和生物矿( bio-ore y(3)农林产业废弃物(3:1左右配比)制成的复合固2)生物质燃料是清洁的可再生能源。生物体燃料,被称为生物煤。煤炭、农林产业废弃物质燃料的主要成分是木质纤维素,它由纤维素、(生物质)通过干燥、粉碎,连同脱硫固化剂半纤维素、和木质素组成。主要含有碳、氢、氧(消石灰)同时加入混合搅拌机,接着送入高压及少量的氮、硫等元素。生物质燃料固有的特点的中国煤化工型。脱硫剂的加入使是温室气体的零排放(因为它们参与大气中的碳CNMH(,生物质又提高了煤循环),硫的含量很低,因此SO入的排放远远低炭的燃尽性8。目前泰国、印尼等国投入使用,于煤和重油。另外,由于生物质燃料热值低且理我国和土耳其等国正在推广9论燃烧温度低,因此NOx的生成率相应也较低。4)与固态氧化剂混合成新型燃料。有人预生物质燃料为清洁能源。只要太阳辐射存言,随着燃料技术的发展,将有新的氧化剂推Vol 23 No 6冶金能源Nov.2004ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY474。碎末状的生物质燃料,如锯末、谷壳等料是甲醇和乙醇。甲醇热值是22718.75k/kg被大量浪费的原因之一是常规的燃烧方式都是以最早从木材(木质素)干馏中制得,即木醇。也空气(氧气)为氧化剂,燃尽性能差。目前,可以用人工合成的方法高压催化制得,可行的催种来源极丰富的、廉价的固体可取代空气氧化剂化剂有高活性的铜基催化剂和锌铬催化剂4。正在研究开发,使得燃料趋于完全燃烧,有效利乙醇热值是29733.48kJ/kg,可由生物质热用了生物质能源,同时无需鼓风,大大降低了烟解产物乙炔和乙烯合成制取,但能耗太高。采用尘污染和燃烧成本生物质经糖化发酵制取方法经济可行。一般情况2.2液态生物质燃料下,乙醇生产成本60%以上为原料所占。因此以生物质为原料,制取液体燃料的工艺称生选用廉价原料对降低乙醇成本很重要。制取乙醇物质液化,以提高利用效率和扩大应用范围。由的原料主要有两类,一类是木质纤维原料,一类生物质液化制取液体燃料将是有发展潜力的技是含糖丰富的植物原料,也可以选用农业废弃术。其转换方法可以分为热化法〔气化、高温分物,如高粱秸、玉米秸、制糖废渣等。生物质成解、液化入生化法〔水解发酵)机械法(压分不同,液化的方法也不同,以木质纤维类为榨、提取)和化学法〔甲醇合成、脂化υ生物例,已经工业化的方法是硫酸渗透水解法,正在质液化的主要产品是燃料油和醇类燃料)。典大力研究的是酶水解法。温度和酸度是决定水解型的液体生物质燃料转化方式有四种过程的主要因素520)1)生物质热裂解制燃料油。裂解是在无氧3)植物燃料油制生物柴油。产油植物可以或缺氧条件下,利用热能切断生物质大分子中的直接荻得植物油或加工后作为内燃机用燃料,但化学键,使之转变为低分子物质旳过程。生物废它有粘度大、着火点高、挥发性差、浊点和混浊弃物的热解是复杂的化学过程,包含分子键断度高、含磷等不利因素。可以加定量的醇(甲醇裂,异构化和小分子的聚合等反应5。通过控或乙醇),在催化剂的作用下生成近似柴油的脂制反应条件(主要是加热速率、反应气氛、最终化燃料,是较为理想的柴油机代用燃料2)。日温度和反应时间),可得不同的产物分布。据试前,德国萨克森州的 CHOREN的高科技公司开验,中等温度〔500~600℃)下的快速裂解有利发出从生物质中提取柴油等燃料的整套实际生产于生产液体产品,其收率可达80%。裂解中产设备。生的少量中热值气体可用作系统内部的热源,气4)生物质浆体燃料。我国南京理工大学动体中氮氧化合物的浓度很低,无污染问题。力学院报道了将生物质制成浆体,用作商品燃国外已发展了多种生物质裂解技术,以达到料。将农林废弃物等生物质经破碎、脱水、清最大限度地增加液体产品收率的目的。如快速裂洗、脱水、烘干制粉,以水、油品、工业有机废解,快速加氢裂解,真空裂解,低温裂解,部分水或其他液体为成浆液,制成作为锅炉燃料使用燃烧裂解等916。但一般认为,在常压下的快的生物质浆体燃料2速裂解仍是生产液体燃料最经济的方法。快速裂2.3气态生物质燃料解指反应时间仅几秒钟或更少的情况,一般在常由于气态燃料具有高效率,低污染等优点压下进行,而快速加氢裂解压力可达20MPa生物质气化技术发展比较快,在国内外应用广短的停留时间要求反应器有极高的加热速率,如泛,主要有厌氧发酵生产沼气的技术和热解气化在专门设计的混合器里,通过载热粒子和生物质技术原料的接触,可使加热速率达到1000℃/h。两n凵中国煤化工畜粪便和农业有机残个常用的设计是气流床反应器和流化床反应器。余CNMHG酵产生沼气燃料,其气流床裂解反应器由美国佐治亚技术研究院开主要成分是甲烷(CH)和少量的二氧化碳,残发,流化床裂解以加拿大 Waterloo大学的工艺余物为有机肥料。其过程分为:水解阶段、产氢为代表产乙酸阶段和产甲烷阶段三个阶段23。参与发2)生材彍版化制醇类燃料。常用的醇类燃酵过程的微生物有发酵性细菌、氦产乙酸细菌、冶金能源Vol 23 No 648ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRYNov.2004氢产乙酸菌、氢产甲烷菌、乙酸产甲烷菌5类,60%,设备投资和运行成本昂贵290。发酵过程中构成食物链。研究表明,70%的甲烷来自乙酸裂解。每立方米沼气热值为23000k左3生物质燃料利用的展望右,相当于lkg原煤热量2。3.1开发低成本、高效率的技术是今后生物质我国在沼气应用方面比较广泛,大型沼气工燃料利用的总趋势程成套技术的研究,成功地用于发电和处理猪厂各种利用方式的推广主要受到经济因素的限等高浓度有机废水,农村居民用气“四位一体”制,低成本、高效率的技术将倍受欢迎,如及综合利用达十二万户,户均收入在4000元以“多位一体”的沼气技术将继续推广,气化和热上(24。据统计,全国每年约有255万t干粪物解技术向减低成本发展质用于农村户用沼气池和大中型沼气站的原料,3.2和发电技术连用的综合利用技术前景广阔产生13亿m3沼气作民用燃料。德国沼气利用电能的利用技术已经很成熟,而且是利用最也比较领先,德国HEL公司已初步研制开发出方便、最广泛的洁净能源,因此,生物质燃料利了沼气燃料电池的生产技术,但目前这种电池成用和发电连用的技术将具有广阔的前景。本很高,德国EBC公司进行了沼气液化的研究,3.3燃料范围较广的技术将具优越性Bakon公司在有机垃圾干发酵方面取得成功25。生物质燃料尽管总量很大,但是种类很多,2)生物质气化。生物质气化是将固态的生具体到每一种,供应量还是有限的,且其价值波物质燃料转化为气体燃料的热化学过程。它也是动因素多,波动性大。要保证生物质燃料利用系热解的一种,主要是在髙温下获得最佳产率的气统能够不断地髙效经济运行,须有较广的燃料利体。产出的气体中主要含有一氧化碳、氬气和甲用范围,特别是低价值或负价值的生物质燃烷,以及少量的二氧化碳和氮气。气化反应过程料3当一种生物质燃料用尽或价格上升时复杂,主要有氧化、还原、裂解和干燥等环节。可立即换用另一种。气化装置简称气化炉,分固定床气化炉(分上吸式和下吸式)流化床气化炉和旋转床气化炉三参考文献种类型526271马经国.新能源技术.南京:江苏科学技术出版社,生物质气化技术被广泛研究和应用于发电和1992集中供热,欧盟、美国和巴西等国家的生物质气2中国大百科全书出版社编辑部.能源百科全书.北化技术比较先进,气化装置比较大,自动化程度京:中国大百科全书出版社,197高,工艺复杂,以整体气化联合循环(GC)3朱清时,阎立峰,郭庆祥,生物质洁净能源.北京化学工业出版社,2002技术和热空气气轮机循环(HATC)技术为代4 Goodger E M. Alternative Fuels--Chemical Energy Re-表,气化效率达60%~80%,燃气热值达17sources M ]. England: The Macmillan Press LTDu/m352);我国的广州能源所等单位对生物质气化技术进行了大量研究,较成熟的设备是循5马隆龙,吴创之,孙立.生物质气化技术及应用.北环流化床气化炉(CFBG),目前有30多个企业京:化学工业出版社,2002和农场以木粉、稻壳等为原料使用该技术用于供6马仁新,生物质能工程.北京:中国农业出版社,热和发电。1995(3)生物质制氩。氬是理想的代用燃料,每7林维纪,张大雷,许晓凡.生物质固化成型技术及千克氢燃烧可放岀142Ⅶ的热量是煤的3-4中国煤化工(4)倍,传统的制氢方法是从化石燃料中制取;目HCNMHG物量复合固体燃料,中利用,∠UUI,(4):40~41前,美国等用氧化还原( REDOX)技术、压力9 Vuthaluru H. B. thermal behaviour of coal/biomass旋转吸附(PSA)技术和低温分离等技术从木头blends during co-pyrolysis [J]. Fuel Process Technol中制取氢,开始阶段是生物质的气化,得到的氢003,85(2)产品,冷凝唐阪态氩。转化效率可达50%10 Scott DS, Piskorz J, Radlein D. Ind Eng Chem ProVol 23 No 6冶金能源Nov.2004ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRYcess Des dev, 1985, 24: 582Bioenergy2003,25(1):637-64911 Piskorz J Majeski P, Scott D s.CanJ( hem Eng,22刘心志,陈泽智,李强.生物质浆体燃料的制备及1990,68:465市场分析.新能源,1999,21(1):1-612 Lemieux r,RoyC, Caumia b,etl. ACS Preprints23李兴杰,沼气发酵技术的研究. 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