生物质直接燃烧利用现状

江西林业科技2007年第3期生物质直接燃烧利用现状何宝华,彭祚登(北京林业大学省部共建森林培育与保护教育部重点实验室,北京100083)摘要:随着社会经济的发展,环境问题和能源问題日益严重,人类开始加紧寻找可再生能源的步伐。在众多的能源中,生物质能以其清洁、可再生性等优点受到了世界各国的广泛关注,人们开始研究采用不同的方法及技术来燃烧生物质,以其获取寻找最佳的燃烧利用方法,提高生物质的喇用率。为了更有效地开发生物质能源,本文详细分析了目前生物质的来源组成及直接燃烧的过程。在此基础上,本文提出了今后在生物质利用方面林业工作的研究内容关键词:生物质;生物质能;燃烧特性;热值分类号S216:TQ351文献标识码B文章编号:10062505(200703-0050-04随着社会的发展,煤炭、石油等一次性能源不断减少,世国的基本国情和生物质利用开发水平而言生物质直接燃烧技界面临能源危机,生物质、生物质能越来越广泛地被各国所术无疑是最简便可行的高效利用生物质资源的方式之重视从最初的认识生物质是城市有机垃圾进而扩展到任1生物质量何可再生的或可循环的有机物质(不包括多年生长的用材生物质是生物质能的载体巨大的生物量为生物质能利林)叫。生物质能就是蕴藏在生物中的太阳能,是绿色植物通用的前提条件,世界上约有250000种生物每秒钟获得的太过光合作用将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内部的阳能相当于500万t优质煤发出的能量,每年经光合作用生能量明。成的生物质能总量约为1440亿~1800亿,相当于3×10kJ生物质能为直接或间接可利用的太阳能如何开发这种的能量,这大约相当于2000亿t的标煤吗是现在世界能源消能源国外许多国家都相继制定了各自的生物质能源研究开耗总量的10倍左右。地球上生物质的潜力可达到现实能源发计划。,如美国的能源农场、日本的阳光计划、巴西的酒精消费的180-200倍。BASF(德国的化学巨人)提供的材料表能源计划以及印度的绿色能源工程等。目前生物质利用方式明,我们用的生物质能只占每年绿色植物固定的7%,尚有上有固化、汽化液化以及将生物质直接燃烧等但是目前将93%还未利用。而地球上的绿色植物储存的总能量大约相当生物质转化为酒精、石油替代物可燃气等还停留在试验阶于8×10标准煤,比目前地壳内已知可供开采的煤炭总储段,并且成本较高如1970年代后期美国卡尔文为代表的科量还多11倍。所以开发利用生物质能具有很大的潜力。巴西研小组,从世界上众多的植物中筛选出了其液体成分类似于科学家 Josh miller提供的统计资料表明全球每年由光合作石油的植物(如续随子、绿玉树等),在南加州242hm2的土地用产生的生物质(诸如树叶、枝桠等)达1440-11800亿四上试种获得了年产50植物石油的成果阿,但目前直接利用目前世界上塑料垃圾以2500万a的速度在自然界积累,这种类石油的产品还是很少。同时我国在1958年从前苏联这些有机物如果合理利用,也将是一笔巨大的能源财富,而引进了植物纤维水解技术设备在196年也停止了使用門。且能够解决环境污染问题。直接燃烧释放出的能量,为植物所固定的所有能薪材为陆地生物质的主体,今后利用生物质大多来源于量如何提高能量的利用率并将其更为有效地转化为电能,薪材,所以计算薪材对于今后开发生物质能源有重要意义。是目前最为有效的方式。欧美一些国家在处理秸秆的问题薪材生物量计算方法如下上,已经做过大量的研究,并已经应用于生产。如丹麦Enstedye&rket's电厂,用生物质替代煤作为燃料,每年少消耗(F y, Q+TX,YW8000煤媒因此每年减排CO1920p0我国第一个由龙基式中Sx-统计地域范围的薪资量源,万t电力公司投资建设的秸杆生物发电和超超临界锅炉设备研发生产基地正在北京市平谷区筹建同时龙基电力公司已i-范围内的区域数,1,2,3…;于2006年11月在山东单县投资建成了生物质发电厂。就我i区域内有薪炭林、防护林……共m种林地中国煤化工收稿日期2007-03-26CNMHG基金项目:十一五国家科技支撑计划课题“能源林培育技术”编号:00BAD18B0;两等⊥性服人坝H培育资金项目。作者简介何宝华,男,硕士,主要研究方向:生物质直接燃烧利用。通讯作者:彭祚登男博士,副教授主要研究方向:能源林培育,E-mailzuodeng@sina.com501,2,3,…,m;性的研究表明,生物质燃料与化石燃料在燃烧过程中的燃烧F-在i区域内m种林地各占不同的面积万hm2;机理、反应速度以及燃烧产物存在较大差别,生物质燃料具y-某种林地的产材率(每公顷一年产材量),kg/h有不同于化石燃料的燃烧特性。Q4-该种林地可取薪材面积系数;21生物质燃料特点T-在i区域内m种四旁林产材率(每株一年产材量)作为最早的一种能源载体生物质燃料具有如下特点:kg/株;1)生物质燃烧所释放出的CO2大体相当于其生长时通X-第i区第j种四旁树株数万株过光合作用所吸收的CO2因此可以认为是CO2的零排放Y-第i区第j种四旁树取材系数2)生物质热解后含有大量的挥发分,燃点低,容易燃烧。W-表示地域范围内年原木产量3)生物质含氮硫极少四,燃烧产物对环境无污染。1/3-从原木到加工成材剩余物的比例。4)生物质燃烧后,灰分中含有植物生长所必需的多种营可以根据实际情况来确定林地的生物量。养元素可作为良好的农用肥料四。11国外利用的生物质22生物质与生物质型煤的燃烧过程目前国外主要利用的生物质资源有秸秆、草本植物能生物质的燃烧过程有如下特点源矮林、一些优良的杂交乔木及森林的采伐剩余物。如禾本1)生物质燃料密度小,结构比较松散,挥发分含量高,在科作物如芒草单产可达50~70hm,丹麦芬兰、法国英生物质燃烧过程中若空气供应不当挥发分就会不被燃尽国等国家已经研究培育出了多种柳树和杂交杨树,美国小面而排出。积试验柳树商业产量为50hm。瑞典筛选出热值高的优良2)不论生物质的来源于草本还是林木其热解后的组成植物SALS,SALS在瑞典是4~5年成熟,成熟后有6-7m成分基本一致。高,每公顷每年能生产10千物质,每吨里面含有的热量是3)生物质在挥发分燃尽后燃料剩余物为焦炭,气流运动MWH(兆瓦时)热值含量非常高。目前在瑞典沙莱斯的种会将炭粒带入烟道,并且固定碳受到灰分包裹燃烧较难因植面积已达13万hm2,每公顷一般种1.5万棵m。此,在固定碳燃烧阶段,气流不宜太强。气流与燃烧速度符合12国内可利用的生物质以下公式网我国生物质能资源丰富,据测算我国理论生物质能资M=C-9源大约相当于50亿t标准煤,是目前我国总能耗的4倍左右。式中M-表征气流扩散速度的氧气浓度;据1998-2003年的统计数据估算我国的可开发生物质资源C-扩散速度常数主要取决于气流速度,与温度基本无关;总量在7亿t左右,其中农作物秸杆约35亿t占50%以上。ccr气流和木炭表面的氧气浓度。而目前主要利用的是秸杆,一年农作物秸杆资源量超过72由以上公式可知随着生物质燃料的燃烧如果不控制气亿t,约合36亿t标准煤。流进人锅炉的气流速度加快,从而降低热能。虽然我国有丰富的生物质资源但我国的生物质能研究目前煤是主要能源之一,其主要利用方式还是直接燃开发工作起步却较晚。1970年代我国广大农村地区出现了缺烧,但是由于煤含碳量高挥发分少所以燃点较高而旦煤中少薪材的危机为了解决广大人民群众的生活问题科研工含有大量的硫在燃烧过程中造成环境污染,还需要进行硫作者筛选出许多优良的柳树品种,并引进多种国外树种如的处理。生物质燃料几乎不含硫对环境几乎没有污染,为银合欢、火炬松、黑荆等同时还筛选出适应于西北地区能种清洁能源。根据生物质的燃烧特性,目前常常在煤炭中加在当地立地条件下生长并能满足当地生产的树种叫,我国在一定量的生物质来改善煤的燃烧特性。由于生物质纤维具筛选树种的基础上同时进行了大量的生物量测定实验确定有网络连结作用能将煤与生物质压缩为生物质型煤可省去了最佳的种植密度及种植方式与国外相比我国热值高粘结剂的使用同时也没有后续烘干工序加工成本也不高所的树种要比国外丰富叫如在华北石质山地地区火炬树紫以煤炭行业目前开始广泛应用。穗槐、黄栌、山桃、山杏、刺槐等,4年的生物量分别为852u煤单独燃烧其放热主要集中在燃烧后期,而生物质单独hm2588hm25.12hm2380hm2376hm2、3.6hm2,燃烧主要集中在燃烧前期,何方等的研究表明,生物质型热值分别为16338/kg170646kg196938J/kg19828J/kg煤中,生物质的含量越高煤的燃尽率越高,同时,加入生物1973kJkg19084J/kg分别相当于标媒为45hm2342hm3质对提高其燃烧速率是有利的因为温度对生物质燃料的燃34uhm257hm254hm2232hm2对于山地地区,即使采用烧速度的影响符合以下规律啊粗放经营生物量也相当可观。因此不论什么样的生物质能利用方式四,我国都具有重要的生物质原料来源M凵中国煤化工2生物质燃料燃烧特性式中CNMHG研究生物质燃料的组成成分,有利于进一步掌握其燃烧K与汉应有天的系数特性合理地开发利用生物质能。刘建禹等四对生物质燃料特E-化学反应活化能kJ( kmol. KR-通用气体常数,为8.314k/ kmol. K)后大量的能量都浪费了并对大气环境造成了污染。同时T绝对温度,K农村薪材消费量已超过合理采伐量的15%,导致大面积森生物质的高挥发分和低着火点以及其燃烧后形成的灰林植被破坏,水土流失加剧和生态平衡破坏。分对煤的燃烧有一定的催化作用习,即灰分能使式中的K另外,生物质能源是仅次于煤炭、石油、天然气的第四大值发生改变。此外生物质型煤还具有固硫率高和烟尘排入量能源,占世界能耗的14%啊,随着一次能源的消耗殆尽,生物小等优点罚减少环境污染。质能源必将成为全球广泛应用的新能源,而目前主要的生物23生物质能的计算质材料来源为农作物及森林采伐剩余物,在不久的将来,这生物质是生物质能的载体,而生物质直接燃烧能产生些远远满足不了生产的需求扩大生物质来源是目前林业能量的部分为去灰分和水分部分。我们实际应用的生物质能面临的另一大难题。为生物质去灰分和水分部分与热值的乘积即能量产生效果4结论与生物质生产面积的乘积过分析目前生物质直接燃烧利用状况,可以得出如下生物质热值的最初测定总是在实验室采用氧弹测定,即结论:在氧弹中充有28~30MPa的可以使生物质充分燃烧的氧气1)生产生物质型煤是能源利用的过渡中的中间过程,开来进行,所以,在实验中会使生物质中的N氧化为硝酸溶发利于改善煤燃烧特性降低污染的生物质原料将为生产于水后放热此时测定的热值为实验室的弹筒热值。带来极大收益。如生物质在常压下燃烧由于生物质中含有H,直接燃烧2)目前生物质的逐渐从农作物的秸秆向乔灌木转移但后能产生水,而且直接燃烧后温度较高,水一般处于气态,是对于能源林的研究还不能满足大规模生产的需要因此需此时测定的热值为低位热值,待温度恢复到初始状态后,水要在以前薪炭林研究的基础上进一步筛选出抗性强、热值高、会释放热量,此热量也属于生物质能的一部分如计算这部生物量大的品种及该品种的种植方式。分能量则测定的热值为高位热值。由于常压下,不易形成硝3)今后对生物质能源林的经营中要从生态学角度经营,酸所以低位热值和高位热值通常比弹筒热值低。但是在实并确定最佳的采伐时间实现永续利用。际生产中,燃烧总是一个连续的过程,所以低位热值更切合4)今后在能源林研究中应分析能量在乔木不同部位(如实际。由于高位热值是单位质量的生物质整个燃烧过程中放根、茎、叶、皮枝)的分配利用能量含量高的部分,做到合理出的能量所以高位热值通常为生物质质量的标准利用。生物质中的灰分并不产生能量,所以通常还要计算灰分参考文献:热值。由于各种热值都是基于生物质中可燃部分的,所以通 Drs, Okko Van Aardenne. Policy for bio-energy in the Netherlands常需要转化便于生产需要。各热值转化公式如下World Environment, 2001, (2): 25-26LHV HHV- 25 x(9H+M)2]孙振钩能源农业及发展模式A]见:中国生物质产业的先声LHV.HHV 25 x(9H+M,v2004年10月农林生物质工程座谈会资料汇编[C中国农业大学生物质工程中心汇编2004,67-77LHV=HHV。226H4LHVa=HHV- -226Hy]蒋剑春生物质能源的应用研究和发展见:中国生物质产业的先声-2004年10月农林生物质工程座谈会资料汇编C中式中:LHV-低位热值农业大学生物质工程中心汇编,2004,94-100HHV-高位热值4]蒋剑春生物质能源应用研究现状与发展前景U]林产化学与工ar生物质自然含水状态ad-生物质自然风干状态业,2002、(275-80[5] KAYGUSUZ K, TUKER M F. Biomass energy potential in Turkey[].d-生物质烘干状态Renewable Energy, 2002(26): 661-678df-生物质去灰分状态[6] AKINBAMI J F K, IIORI M O, et al. Biogas energy use in nigeria通常估测生物质能就是用热值与生物质质量乘积表示current status,future prospects and policy implications[J].Renewable所以其决定因素有热值与生物量两个决定因素。热值在植物Sustainable Energy Reviews, 2001, (5): 97-112体中是按照叶>枝>干>根的顺序而递减的而且对于同四孔宪文李丽萍发展生物质能可获得多方面的效益]1节能2003株乔木,不同高度部位热值还存在差异,所以计算生物(2):45-47质能还需进行实际生物量测定来确定。8]江泽慧发挥资源优势强化科技创新大力促进林业生物质能源目前,成熟的生物质燃烧技术被发达国家广泛应用并②“发展图中国林业生物质能源研讨会-大会主题报告2003问题作为商品能源,进行区域供暖或发电而发展中国家应用生LLEI中国煤化工与实践M北京化学工业CNMHG生物质产业的先声-2004物质能主要集中在传统的领域(例如炊事取暖)。在发展中年10月农林生物质工程座谈会资料汇编C中国农业大学生物国家,如我国,拥有大量的生物质原料,但由于利用技术落质工程中心汇编2004,7-16[11] MENU J F, GUILLAUME M, SCHENKEl Y Biomass as fuel and a转化2002,25(4)87-91profitable investment: the EURO- ASEAN COGEN Program, in making(2肖波郭勇生物质粉体燃烧技术的初步研究U能源技术20045a business from biomass[A]OVEREND Ralph P, CHORNET Esteban(4):197-199Proceedings of the3 rd biomass conference of the Americas[M].London::[28]肖军段菁春生物质与煤共燃研究(Ⅱ)燃烧性质分析门煤炭转Elsevier,19981615-1624.化20032624347[2】刘广志新能源近期的发展态势!中国工程科学,2005(7):[29姚向君田宜水生物质能资源清洁转化利用技术M北京北化学29-32工业出版社200579[3]张政朴聚乳酸的合成性能应用和展望A]见:中国生物质产30朱明善刘颖林兆庄等工程热力学M]北京清华大学出版社,业的先声-2004年10月农林生物质工程座谈会资料汇编[C]中国农业大学生物质工程中心汇编2004,109-116.[31] J.P. 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Being a kind of renewable中国煤化工 clean. In order tothe biomass resource, all governments are starting to exploit new combustion techthe biomass energy effectively, the author has a further analysis on the source ofCNMHGng process. Based on that,Some suggests of scientific research in silviculture are advised.Key words: Biomass: Bioenergy; Combustibility: Caloric value