清洁能源——生物质秸秆的研究进展

第38卷第2期vol 38 No. 22009年2月Applied Chemical IndustryFeb.2009清洁能源——生物质秸秆的研究进展王香爱(渭南师范学院化学化工系陕西渭南714000)摘要:介绍了研究清洁能源一生物质秸秆的必要性综述了生物质秸秆的研究进展对秸秆发电制燃料乙醇生产沼气、热解气法制可燃气等作了详细的论述,提出了秸杆作为21世纪最具开发价值的绿色可再生能源应加大其研究力度。关键词:清洁能源;生物质秸秆;研究进展中图分类号:TQ223文献标识码:A文章编号:1671-3206(2009)02-0289-04Progress in research of clean straw biomass energyWANG Xiang-aDepartment of Chemistry and Chemical Engineering, Weinan Teachers College, Weinan 714000, China)Abstract: The necessity of clean energy--biomass straw was introduced. The study progress of biomassstraw was reviewed. The applications of biomass straw in power generation, fuel ethanol, biogas production, combustible gas production by pyrolysis gas were discussed in details. As the most potential greenand renewable energy in the 2lst century, the study of biomass energy should be pay more attention.Key words: clean energy; biomass straw; study progress生物质秸秆是一种洁净的可再生能源,它包括响高速公路、航空、污染空气、引发火灾。因为我们玉米秆、小麦秆、稻秆、油料作物秸秆、豆类作物秸没有给秸秆找到很好出路焚烧秸秆每年依然都在秆杂粮作物秸秆、棉花秆等多种作物的茎秆。秸秆进行着如何持续高效利用秸秆是当前的一大现实是当今世界上仅次于煤炭、石油和天然气的第4大问题。能源它的开发利用越来越受到人们的关注。我国1研究生物质秸秆的必要性作为农业大国,生物质资源十分丰富,每年农作物秸近年来,由于石化能源的紧张,严重影响和波及秆产量达7亿多吨。但大部分秸秆直接在田间焚烧工业农业交通运输以及人民生活等各个方面促带来的大气污染和消防安全问题危害极大甚至影使国民经济整体运行成本的增加严重影响了经济响交通和人民群众的健康而且由于热利用率低造的持续健康稳定发展。用清洁可再生能源替代煤成了生物质能源的极大浪费秸秆焚烧已成为一大炭、石油调整能源结构,是中国近期的重要任务。公害。随着农民生活水平的提高和能源利用方式的我国是个能源消耗大国能源消耗量仅次于美国但转变秸秆等农业废弃物带来的环境问题越来越突中国又是一个能源短缺的国家。据调查2004年我出其能源利用已成为国内外众多学者研究的焦国原油进口量高达12亿t,而且随着化工汽车点工业的发展,这个缺口将越来越大。众所周知,石油据联合国粮农组织统计全世界农作物秸秆中是一种化石燃料,是不可再生的,而农作物秸秆是有66%直接还田或作为生活能源而被烧掉了,19%可再生的,它是地球上最充足但却又未得到充分利作为房屋建筑材料或蔬菜生产覆盖材料等仅12%用的可再生资源之一,当它进入能源领域后,可发作为了家畜的饲料,另有3%左右作为手工艺的原展成为取之不竭的能源生产原料,明显减轻燃料对料。我国约有70%的秸秆作为生活能源的燃烧料环境的污染减轻对进口石油的依赖,从而更加凸显后还田,或就地焚烧还田,或直接翻入土壤层中还出农作物秸秆再生酒精的经济利用价值。由于田仅有20%左右作为家畜的饲料另有2%作为纸目前研发的秸秆能源成本较高相当于原油的12桨材料及建筑材料和手工艺材料。秸秆焚烧影3.6倍中国煤化工低产品成本,提收稿日期:2008210CNMHG基金项目陕西省科技厅自然科学基金项目(2007B23);陕西省教育厅专项科研资助项目(07JK242)作者简介:王香爱(1967-),女陕西渭南人渭南师范学院副教授从事精细化学品合成。电话:13186218019,E-milwnwxa@sina.com290应用化工第38卷高产率已成为利用秸秆转化为可利用能源的关键秆最有效最洁净的利用方式之一因素。开发清洁的可再生能源是解决能源危机减气化发电工艺主要包括3个方面:一是生物质少环境污染,走可持续发展的必由之路。秸秆气化在气化炉中生物质秸秆转化为气体燃料;随着农村经济的发展,农民生活水平的提高秸二是气体净化气化后的燃气都含有一定的杂质包秆变成“废物”的区域越来越扩大;从根本上解决秸括灰焦炭和焦油等需经过净化系统把杂质除去秆综合利用发展循环经济已经是迫在眉睫的事情以保证燃气发电设备的正常运行;三是燃气发电利了。循环经济是以资源的高效利用和循环利用为核用内燃机或燃气轮机进行发电印。心,将物质流动方式由传统的“资源一产品一废物”2.1.1.2生物质秸秆煤共燃实施技术在燃煤电单向线型经济转变为“资源一产品一再生资源”闭厂实施生物质秸秆煤共燃较为简单仅仅涉及在已合循环模式。作为一种新的经济发展战略循环经有的燃料系统中进行生物质秸秆的掺混通常有下济的思想理念是在对传统单程消耗式经济发展模式面2种方式:一是在给煤机上游与煤混合再一起深刻反思基础上逐步形成和发展的。进入20世纪制粉后喷入炉膛燃烧;二是采用专门的粉碎装置进下半叶,全球人口激增,经济飞速发展对自然资源行生物质秸秆的切割和粉碎然后在燃烧器上游混的消耗速度明显加快,同时,环境污染和生态破坏等煤粉气流中,或通过专设的生物质燃烧器喷入炉问题日益突出,人类的生存环境受到了严重的威胁。膛燃烧。第1种方式相对简单,无需对现有设备和在这种严峻的形势下,人类不得不重新审视传统的系统进行改造但由于生物质能量密度低且难以粉经济发展模式,通过在生产和服务过程中贯彻“减碎磨煤机的容量及系统可靠运行对掺烧比例有限量化、再利用、再循环”的原则,实现资源利用的最制。对燃烧烟煤的电厂,生物质秸秆质量配比一般大化和废弃物排放的最小化,倡导的是一种与环境小于4%-5%。第2种方式需要加装单独的生物和谐的经济发展模式。循环经济使人类步入可持续质燃料制备系统设备投资等费用显著增加。发展的轨道使传统的高消耗高污染高投入低效21.13生物质秸秆直接燃烧技术生物质秸秆率的粗放型经济增长模式转变为低消耗低排放、高直接燃烧是最简单,也是最早被采用的生物质能利效率、高利用的集约型经济增长模式。生物质秸秆用方式。但在过去的传统燃烧方式中生物质燃烧是新能源中最具开发利用价值的一种绿色可再生能效率极低,一般只有10%左右,造成能源严重浪费c源,世界上许多国家将其作为21世纪发展可再生能若能开发一种方便、高效的生物质直接燃烧技术,必源的战略重点和具备发展潜力的战略性产业将具有很好的经济和社会效益2生物质秸秆研究进展2.1.2秸秆发电意义生物质秸秆中硫的平均含量不到015%,煤炭中硫的含量达到1412%,是秸2.1秸秆发电秆硫含量的9倍,秸秆能源燃烧时,避免了因产2.1.1生物质秸秆发电工艺生物质秸秆气化发生的SO2、NO2而形成酸雨,它燃烧排放的CO2与生电生物质秸秆煤混合燃烧发电和生物质秸秆锅炉物质再生时吸收的CO2达到碳平衡具有CO2零排直接燃烧发电。目前生物质发电量已占发达国家放的作用,从根本上解决能源消耗带来的温室效应可再生能源发电量的70%。问题,是国际上发达国家普遍推行的清洁发展机21.11生物质秸秆气化发电技术20世纪70制(cDM)项目。装机容量为12MW的生物质发电年代Chay首次提出了将气化技术用于生物质这机组每年可减排17.8万tco2当量,可大幅度降低种含能密度低的燃料使气化技术成为生物质能量全球温室气体排放。秸秆是清洁的可再生资源转化过程最新技术之一。近年来欧洲很多研究人每2t秸秆产生的热量相当于1t标准煤,其热值相员对生物质气化发电技术进行了大量的研究并取当于煤炭的85%~90%。现在每年的秸杆量约得了相当的成果。生物质受热后,在相对较低的温6.5亿t相当于4-5亿t标煤。秸秆电厂与同等规度下就可使大量的挥发分物质析出,生物质原料挥模每年发电1.38亿度的燃煤电厂相比,秸秆发电发分高达70%以上。因此气化技术非常适合生物每年可节约煤炭10多万吨减少SO2排放量400t质原料的能量转化。生物质秸秆气化发电技术的基秸秆华中妈堆屮的还可作为农家肥再利用本原理是把生物质秸秆转化为高品位的燃料气再秸秆中国煤化工灰分含有丰富的利用燃料气推动内燃机或燃气轮机发电进行热电钾CNMHG高效农业肥料还联产联供。这样既能解决生物质秸秆燃烧效率低,田利用,其生态经济效益十分明显,也可运到钢铁公分布分散的缺点又可以充分发挥燃气发电设备结司作为防止钢花飞溅灼伤的材料。构紧凑污染少的优点。所以,气化发电是生物质秸另外,秸秆燃料的收、储、运工作也给农村带来第2期王香爱:清洁能源一一生物质秸秆的研究进展了新的就业岗位实现就地转移农村剩余劳动力;秸后送到预处理反应器中用高压蒸汽和硫酸对原料秆发电的发展可以带动电厂周边的基础设施建设,进行处理蒸汽温度在200~250℃,硫酸浓度为由于发电厂持续稳定地消耗秸秆,能够源源不断地0.5%-0.1%。原料在这种环境下维持时间少于为农村提供经济支持使农村经济得以持续稳定的1min,然后快速释放压力。发展,有利于进一步缩小城乡差距。在中国生物质秸秆预处理后需对其进行水解,使其转化成可总资源量中秸秆资源占有一半,因此,秸秆发电对发酵性糖。水解是破坏纤维素和半纤维素中的氢中国的发展意义重大。键将其降解成可发酵性糖:戊糖和己糖。纤维素水2.1.3秸秆发电存在问题一是秸秆收集。秸秆解只有在催化剂存在下才能显著地进行,常用的催度较小且单位热值小于煤炭,收集和运输较为困化剂是无机酸和纤维素酶难。二是秸秆发电作为一项新技术,建设秸秆发电从葡萄糖转化成乙醇的生化过程是简单的,通的一些设备还需要进一步完善,一些技术问题还过传统的酒精酵母,使反应在30℃条件下进行。但有待于进一步解决。开发效率较高的秸秆发电系半纤维素构成了农作物秸秆的相当部分,其水解产统,是我国开发生物质秸秆发电技术的一个主要课物为以木糖为主的五碳糖还有相当量的阿拉伯糖题,也是我国能否有效利用生物质能源的关键。应生成(可占五碳糖的10%~20%),故五碳糖的发酵积极引进消化和吸收国外先进技术,嫁接商品化、效率是决定过程经济性的重要因素。木糖的存在对集约化、规模化的管理经验,并不断创新,早日实现纤维素酶水解抑制作用,将木糖及时转化为乙醇对秸秆成套发电设备的国产化。农作物秸秆的高效率酒精发酵是非常重要的。目前2.2秸秆制燃料乙醇人们研究最多且最有工业应用前景的木糖发酵产乙2.2.1秸秆的化学组成秸秆主要是由植物细胞醇的微生物有3种酵母菌种即管囊酵母( Pachysolen壁组成细胞壁的基本组成是半纤维素、纤维素木 tannophilus)、树干毕赤酵母( Pichia stipits)和体哈塔素和可溶性固形物。纤维素结构单元是由BD假丝酵母( Candida shehatae)葡萄糖基β-1,4-糖苷键联结而成的线性葡萄糖高分以秸秆为原料生产乙醇的成本低于用粮食发酵子聚合物每个纤维分子由800~1200个葡萄糖分法生产乙醇的成本,有着其它原料生产燃料乙醇不子组成,很难被降解。半纤维素主要是木糖,以及少可比拟的优势,不少国家已在多年以前就开展此项量阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖等组成的聚合物,半纤工作。目前还没有实现大规模工业化生产。今后维素较易水解为单糖。而木质素是以苯丙烷及其衍我们应开发秸秆预处理新技术,培育价廉高活力的生物为基本单位构成的高分子芳香族化合物,是一新型纤维素酶及五碳糖、六碳糖同步发酵的新菌种,种酚类聚合物,起胶质的作用将纤维素和半纤维素研发出流程短效率高、能耗低的秸秆生产乙醇新工连接在艺,从而降低乙醇生产成本,同时应注重秸秆中副产2.2.2秸秆发酵生产乙醇工艺首先预处理秸秆,物的开发,例如气化木质素,可以较低的成本转化为得到纤维素和半纤维素,去除阻碍糖化和发酵的物电厂的固体燃料糠醛和醋酸也是潜在的副产品,有质,使其更容易被降解;然后用酸或酶水解聚合物成很大的市场潜力,这些产品的研发都有利于早日实单糖(包括五碳糖和六碳糖);用基因工程菌发酵六现秸秆生产燃料乙醇的产业化。碳糖和五碳糖生成乙醇,而木质素不能转化为乙23秸秆生产沼气醇叫,它可以和其他不能转化成乙醇的残渣一起作沼气是一些有机物质在一定的温度湿度、酸度为燃料使用,为生产提供动力。条件下隔绝空气(如用沼气池)经微生物发酵而产预处理可借助化学物理方法进行,既可以单独生的可燃性气体(主要是CH4)。发酵是复杂的生用一种方法,也可以几种方法结合起来用。近几年,物化学变化,有许多微生物参与。反应大致分两个国内外研究比较热门的有效的预处理方法有蒸汽爆阶段:一是微生物把复杂的有机物质中的糖类、脂破法、碱处理、酸处理法。蒸汽爆破法是用蒸汽肪、蛋白质降解成简单的物质,如低级脂肪酸醇将原料加热至200~240℃,维持0.5-20min高温醛、二氧化碳氨、氢气和硫化氢等;二是由甲烷菌种高压造成木质素的软化,然后迅速使原料减压,造的作简单的物质亦成田烷。我国的沼气成纤维素晶体和纤维束的爆裂使木质素和纤维素技术中国煤化工已有100万农分离。碱处理法是利用木质素可溶于碱性溶液的特户用CNMH物秸秆和动物粪点,用稀NaOH溶液或NH3溶液处理农作物秸秆,使便。就目前沼气的利用,具有许多优越性,它不仅能其中的木质素结构被破坏,以便于酶水解的进行,酸实现作物秸秆就地高能化,而且还实现了能源清洁预处理法是将捆状或碎片状的原料粉碎成微小颗粒化。沼气燃烧的热效率比城市煤气高出40%,若全应用化工第38卷国10%的农户用上沼气,每年就可消耗2000多万在环境保护和经济建设方面具有其它能源不可替代吨秸秆,变废为宝。减少了其它能源供应上运输的作用。成本。与常用的生产原料—畜禽粪便相比,具有以參考文献:下优点:一是秸秆分布广泛,原料充足,可彻底解1]郭建维宋晓锐崔英德流化床反应器中生物质的催决沼气生产原料问题;二是秸秆含水率低,产生的化裂解气化研究[]燃料化学学报,2001,29(4):沼渣呈固态,可直接作为有机肥料使用,沼液可用于319-322.下个批次发酵料的水分调节,完全没有沼液的排放[2]邓可蕴.21世纪我国生物质能发展战略[J].中国电是符合循环经济要求的清洁生产过程,而畜禽粪便力,2007,33(9):8284[3]吕鹏梅常杰熊祖鸿等.生物质废弃物催化气化制含水率高,产生的沼渣沼液难以处理和利用,常未取富氧燃料气[J].煤炭转化,2002,25(3):32-36.经处理就排放了,对环境造成二次污染因而不能从[4] Yokoyama S, Suzuki a, Murakami M,eta. Liquid fuel根本上解决环境污染问题;三是秸秆可长期贮存,运production from sewage sludge by catalytic conversion u输方便,价格较便宜。而畜禽粪便不便于、也不能长sing sodium carbonate fuel[ J]. Energy Conversion and期存放,运输不方便。Management,1997(66):1150-1155.2.4秸秆热解气法制可燃气[5] Cahly M, Piskorz J. The hydrogasification of wood[ J]. Ind秸秆热解气化法制可燃气技术,其生产工艺流Eng Chen Res,2002(27):256-264程为:先将秸秆切碎后由螺旋输送机输送到千[6]马隆龙肖艳京任水志等生物质气化发电[J.馏气化炉中,秸秆在氧气不充足的条件下干馏、热源工程,2006(2):46.解气化被还原成CHCO、H2等可燃性混合气[7]谢军,吴创之阴秀丽等生物质气化发电技术及应用前景[J].上海电力,2004,20(1):54-57体。产生的可燃气体经冷却器降温后进入气液分[8]盛昌栋,张军煤粉锅炉共燃生物质发电技术的特点离器除去水和焦油,过滤后可得纯净可燃气体。目和优势[J].热力发电,2006(3):8-11前,美国、英国、加拿大等国家学者开展了循环流化[9]肖波郭勇,杨加宽,等.生物质粉体燃烧技术研究床、加压流化床等的研究,已实现了工业化应[J].能源技术,2004,25(5):197-199用,该工艺自动化程度较高气化效率60%~[101骆俊我国发展生物质发电技术的前景分析[冂江苏80%,可燃气体热值170~250M/m3。目前该技术电机工程,2006(9):100-102存在的主要问题是燃气热值低焦油含量大热能利[1]邱凌生物质致密成型研究进展[J能源技术2006用效率低、前期投人资金短期很难回收、气体成本较(3):5761.高,农户难以承受等[12]小宫山宏迫田章义,日本生物质综合战略[M].北京:中国环境科学出版社,2005:525425秸秆转化制汽油、柴油[13]张莤尚俐君秸秆发电生态效益可观[打]华北电业,利用秸秆内的碳水化合物和木质素原有化学结2005(1):223构的特点2,在催化剂作用下,选控断裂醚键酚[14]张强玉米秸秆生产乙醇技术研究[门酿酒科技,醚键、二烷基醚键和联结单元之间的碳碳键,调控反2004(4):56-58应条件形成高活性自由基,实现了秸秆内高分子目[15]常秀莲木质纤维素发酵乙醇的探讨[冂酿酒科技,的性裁剪、重组,制备出汽、柴油馏分,其液相中2001(2):394240%左右为柴油馏分,20%左右为汽油馏分,其余是[16]李居平沼气开发与生态农业建设[J].农业知识苯和苯酚等有机物,该方法为获得石油及精细化工1995(1):52-53[17]马承愚倪爽美秸秆热解气化法制可燃气技术[]原料开辟了广阔的前景。由于液体燃料的优点,秸环境保护,1997(12):323杆乙醇化技术和生产汽柴油技术有着广阔应用空(8] Smouse S m,SocE, RBo S N,el. Promotion of b间mass cogeneration with power export in the Indian sugar3结束语industry[J ]. Fuel Processing Technology, 2004(54): 227.生物质秸秆作为一种清洁能源,其利用时不仅SO2、NO2等危害气体排放量极小,而且具有CO2零19中国煤化工流态化催化气体技排放的优点作为新能源中最具开发利用价值的一[20-004,25(5):678683CNMHG美产环氧乙烷[门]青种绿色可再生能源,已引起世界各国的广泛重视。海科技,2004(3):6263相信随着科学技术的不断进步,高效催化剂的开发(21何建杨治敏,阎忠斌秸秆生物型煤能源利用可持续和研制秸秆成本的降低,清洁能源—生物质秸秆发展之路[四川环境,2003(4):6064.