生物质能及应用技术

第5卷第1期沈阳工程学院学报(自然科学版)2009年1月Journal of Shenyang Institute of Engineering( Natural Science)Jan.2009生物质能及应用技术丛璐,徐有宁,韩作斌(沈阳工程学院动力工程系,沈阳110136)摘要:概逑了生物质能的来源,包括农作物秸秆、薪柴、禽畜粪便、城镇垃圾和工业有机废弃物等;与常规能源相比的特性如可再生性、洁净性和温室气体CO2零排放效应;论述了生物质能利用技术、国内外利用现状及发展前景,目前世界上生物质能开发利用的前沿技术以热解气化和热解制油为主,制取液体燃料乙醇的技术巳进入商业示范阶段关键词:生物质能;应用技术;热解;气化中图分类号:S216文献标识码:A文章编号:1673-1603(2009)01-0009-05我国现已初步形成以煤炭为主体,电力为中心,石1.1生物质能的来源油天然气、新能源和可再生能源全面发展的能源供给在世界能耗中,生物质能约占14%,在不发达地格局2004年,能源生产总量达18.5亿t标准煤,是世区占60%以上,全世界约25亿人90%以上的生活能界第二大能源生产国;但能源消费总量达19.7亿t标源是生物质能6准煤,也是世界上仅次于美国的第二大能源消费生物质能资源大致可分为2类—传统生物质能国和现代生物质能传统生物质能的利用主要限于发展从我国的能源消费结构看,煤(占72%)和石油中国家广义上包括所有小规模使用的生物质能现代(占15%)一直占主导地位口,众所周知燃烧这些能生物质能是可以大规模用于替代常规能源的各种生物源会使空气中CO2、SO2、NOx、粉尘等有害气体含量质能包括林产品废弃物(工业性的)、甘蔗渣(工业性急剧增加,在严重污染环境的同时也不可避免地带来的)、城市废弃物、生物燃料(包括沼气和能源型作物)次性能源枯竭的灾难性后果.地球上蕴藏的可开发等利用的煤、石油等化石燃料将分别在200年和30~40我国拥有丰富的生物质资源,主要是农业废弃物年内耗竭而天然气按储采比也只能用60年时.预计及农林产品加工业废弃物、薪柴、人畜粪便、城镇生活到2010年,我国煤炭可以保障供给,石油供需差额近垃圾等,每年的生物质能产量达6亿多t标煤,其中可1亿t,天然气缺口约367亿m34.我国必须根据现有开发为能源的达3亿多t标煤能源资源条件,改变能源消费结构,在提高能源利用率1)秸秆.秸秆是我国农村的传统燃料,是以种植的同时,寻找、开发新能源和可再生能源业为主的农业生产的副产品.目前,每年的秸秆产量约1生物质能的来源及特点6.5亿t,到2010年将达7.26亿t,相当于5亿t标煤现如今许多地区废弃秸秆量逐年增大,已占秸秆产量地球上每年植物光合作用固定的碳达2×10t、的60%以上,但其中作为能源的秸秆消费量约2.86含能量3×10J,因此,每年通过光合作用贮存在植物亿t,而且大多是低效利用方式即直接在柴灶上燃烧,中的太阳能相当于全世界每年耗能量的10倍生物质转换效率仅为10%~20%.因此,加快秸秆的优质化能即太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量,转换利用势在必行.是以生物质为载体的唯一可再生碳源,它可转化为常2)薪材薪柴属于森林生长和林业生产过程提供规的固态、液态和气态燃料,如煤、石油和天然气的生物质能源,来源于树木生长过程中修剪的枝权、木[5材加中国煤化工柴的薪炭林目前发收稿日期:2008-10-10HCNMHG作者简介:丛璐(1981-),女,大连人,助理工程师,硕土徐有宁(1962-),男,沈阳人,教授,博土,主要从事循环流化床锅妒燃烧理论研究10沈阳工程学院学报(自然科学版)第5卷达国家生物质资源利用的主要构成均以林业废弃物和等常规热力设备因此在所有新能源中,生物质能与现薪炭林为主许多发展中国家也依赖薪柴来满足其对能代工业化技术的兼容性最大,不必对已有工业技术做源的大量需求,所以应制定长期林业规划,合理、有计划大幅改进即可替代常规能源.地进行砍伐与造林,以解决供需矛盾及生态问题1.2.2洁净性3)禽畜粪便,禽畜粪便也是一种重要的生物质能生物质的组成是碳氢化合物(见图2、表1),与常规源,其经干燥可直接燃烧供应热能,主要是与秸秆混合矿物燃料如石油、煤等的内部结构和特性相似,可充分作为沼气的发酵原料,起到改善农村能源质量和生存采用已发展起来的相同或相近的技术进行处理和利用环境的作用.目前我国年粪便污水资源量达1.6亿t折合1157.5万t标煤H4)城镇垃圾.城镇垃圾主要是由居民生活垃圾,商业、服务业垃圾和少量建筑垃圾等废弃物构成的混合物,成分比较复杂.其直接燃烧可产生热能,或经热HOCHIHOC解处理制成燃料使用,目前我国城镇垃圾热值在OCH,4.18MJ/kg(1000kCal/kg)左右5)工业有机废弃物经济的持续增长和工业的迅速发展使工业有机废弃物逐年增加.目前我国每年除乡镇企业外的工业废水排放量约360亿t,有机含量520万t.其中50%的工业有机废水即可生产250亿m3的沼气,接近于目前全国天然气产量R·Q或cHH厌氧技术尤其适用于以生物质为原料的行业,如造纸、制糖、酒精发酵、制药和食品等,利用此技术处理工业有机废弃物,不仅有利于环境改善还可回收大量能源,发展前景良好1.2与常规能源相比的特性生物质能的载体是有机物,所以这种能源是以实物形式存在的唯一一种可存储、可运输的可再生能源图2生物质的典型化学结构1.2.1可再生性表1生物质元素分析生物质是植物通过光合作用合成的,植物的光合物性作用是燃烧反应的逆过程,而燃烧反应是人类获取和原料使用能源的主要方式若两个过程能相互匹配形成完稻草35754323451.260.24整循环,生物质能源将取之不尽、用之不竭.生物质玉米杆34.43.7931.71.280.09能的利用过程如图1所示麦秸34.63.7230.5180.12锯末43.555.6140.130.210.15吸收CO/出但生物质与矿物燃料相比是易燃烧的清洁燃料其可燃部分主要是纤维素、半纤维素和木质素按质量光合作用计分别占到生物质的40%-50%、20%~40%、质能源气、油)10%-25%(见图3、表2)7,0]作肥料生物质生产过程转换利用过程而且生物质含硫量、含氮量较低(见表1),碳活性而且生物质能还可通过一定的先进技术进行转等的少因世燃烧后SO2、NOx、灰尘中国煤化工成的空气污染和酸换,除转化为电力外,还可生成油料、燃气或固体燃料,雨现CNMHG生物质能的主要优直接应用于汽车等运输机械或柴油机、燃气轮机、锅炉势之丛璐,等:生物质能及应用技术木质素气体CO2零排放的特点矿物燃料是把原为固定的碳通过燃烧使其流动化并以CO2的形式累积于大气环82432?境造成温室效应.目前运输燃料和燃煤电厂是CO2的主要排放源,随着电力需求和交通运输的不断增长,其排放量也不断增加而生物质中的碳来自空气中流动的CO2(见图1),如果两个速度匹配合适、达到平衡,整个生物质能循环就能实现CO2零排放,从根本上解决矿物能源消耗带来的温室效应点之面生物质运输、预处理过程的能源来自化石燃料,这些过程的能耗大小是决定生物质能整个利用过程CO2排放量的关键.以下比较了几种生物质利用技术和化纤维素半纤维素石燃料利用过程的CO2排放量.为计算方便,忽略煤图3生物质中的纤维素、半纤维素和木质素表2生物质中纤维素、半纤维素和木质素的比例%炭、石油在开采运输及预处理过程的能耗,而考虑生物质的运输、粉碎和干燥能耗这种处理相当于将生物生物质半纤维素木质素%质作为集中的能源来研究,类似于煤矿和油田等.结果软木35~40硬木45-5020-25所示,只要采用高效合理的利用方式,生物质总体利用麦秆33~40过程中,CO2的排放可比化石燃料小90%左右(见表3),说明生物质代替化石燃料是减少CO2排放的有效措施之一而气化技术是高效利用生物质的重要途径1.2.3减排温室气体并且系统效率越高,相应的减少量越大,所以开发大型、物质对生态环境的最大贡献还在于其具有温室高效率的生物质能利用系统是今后的发展方向表3几种生物质和化石燃料利用过程中CO2排放量的比较利用过程系统效率/%CO2减少的数量G/g减少率%A.工业供热简单燃用生物质锅炉11.4109.6气化燃烧锅炉燃煤锅炉②B.供气(燃气灶)生物质气化(低热值)生物质气化(中热值)00054513.312117.3天然气液化石油气C.发电气化发电(小型)317.5630气化发电(中型)182.0生物质IGCC柴油发电650.031燃煤发电947.0注①供热和供电能量单位分别采用MJ和kW·h;②为参比物;③化石燃料之间的比较2生物质能利用技术为炉灶燃烧、锅炉燃烧、致密成型(固型燃烧)和垃圾焚烧中国煤化工2.1直接燃烧技术CNMHG般适用于农村直接燃烧是生物质能最简单的利用技术,此法产或山区分最狸L的水庭用罗,仅贺最省但效率最低的烟尘大且热效率低、能源浪费大直接燃烧大致分锅炉燃烧采用现代化的锅炉技术,适用于大规模沈阳工程学院学报(自然科学版)第5卷利用生物质,效率高,可实现工业化生产,但其投资高也可利用生物技术(包括酶技术)把生物质转化不适合分散的小规模利用为乙醇即制取液体燃料,使生物质变为用途更广、效率固型燃烧是把生物质固化成型为高密度的固体燃更高的清洁燃料,但缺点是转换速度太慢、投资较大、料后,采用传统的燃煤设备燃用,以便集中利用提高成本相对较高热效率.该方法的实用专用技术和设备在农村有很大的推广价值3生物质能利用现状及前景垃圾焚烧也是采用锅炉技术的,但由于垃圾的品3.1国外生物质能利用现状味低、腐蚀性强,所以要求技术更高、投资更大,从能量生物质能的有效利用在于其技术的提高,欧美国利用的角度看也必须规模较大才可行家多将其作为可再生能源大力发展,其利用技术主要22物化转换技术2-11为把生物质能转化为电力或优质燃料按热加工方法不同分为干馏技术、热解气化制生3.1.1生物质能转化为电力物质燃气、热解液化制生物质燃油主要有直接燃烧后用蒸汽进行发电和生物质气化干馏技术能同时生产生物质碳和燃气,即把能量发电2种.如今生物质直接燃烧发电技术已基本成熟密度低的生物质转换为热值较高的固定碳和燃气.其进入推广应用阶段这种技术单位投资较高,大规模下设备简单,可以生物产碳及生产多种化工产品,但利用效率也较高,但要求生物质集中、数量巨大,只适于现率较低,适用面较窄代化大农场或大型加工厂的废物处理,对生物质较分生物质热解技术是生物质受高温加热后,其分子散的发展中国家不适用.从环境效益的角度考虑,生物破裂产生可燃气体(一般为CO、H2、CH4等的混合气质直接燃烧与煤燃烧相似,会放出一定的NOκ,但其体)、液体(焦油)及固体(木炭)的热加工过程这是一他有害气体比煤燃烧要小得多种转化效率较高的生物质热化学转化工艺,在不同反生物质气化发电是更洁净的利用方式,几乎不排应条件下可得到不同品质、数量的气、液、固相产物,所放任何有害气体,比较适合生物质的分散利用投资较得产物的能量密度比原生物质大5~10倍少,发电成本也低,适用于发展中国家.目前小规模的生物质热解气化是把生物质转化为可燃气体,根生物质气化发电已进入商业示范阶段,规模较大的项据技术路线的不同可以是低热值气或中热值气.与煤目一般采用IGCC技术,发电效率较高,也是今后生物相比,生物质挥发分含量高灰分含量少,固定碳含量质工业化应用的主要方式少但活性较高因此生物质转化为可燃气后利用效率3.1.2生物质能转化为优质燃料高,用途广泛;缺点是系统复杂且生成的燃气不便于储生物质制取优质燃料方面的技术主要集中在制取存和运输,必须有专门的用户或配套的利用设施液体燃料和氢燃料2方面.生物质制甲醇和乙醇的技热解制油是通过热化学方法把生物质转化为液体术已基本成熟,进入商业示范阶段,但由于该技术生产燃料的技术,所得产品可作为石油替代品,其用途和附成本高,不具备竞争力,因此很难推广生物质直接裂加值更是大大提高但该技术十分复杂,而且目前成本解制取油料的技术目前仍处于研究和中试阶段,其产仍然很高品仍未能具有实际意义,但前景很好,特别是欧洲国家2.3生化转换技术非常重视,投入了大量的人力、财力开展这方面的工生化转换技术以厌氧消化和特种酶技术为主沼作,期望在近期内能进入工业示范阶段气厌氧发酵是对农业废弃物、粪便、污水或城市固体废由于生物质比煤含有更多的氢,所以从生物质制物中的有机物质(碳水化合物、脂肪、蛋白质等)在一取氢气更加合理和经济,同时也是完全洁净的能源技定温度、湿度、酸碱度和厌氧条件下,通过沼气菌群发术,更有发展前途生物质制氢燃料的研究刚刚开始酵(消化)生成沼气、消化液和消化污泥(沉渣)的过它是随着氢能的利用技术一起发展起来的,目前仍处程该技术的优点是提供的能源形式为洁净能源一沼于研究试验阶段,其发展速度主要取决于氢能技术的气(可燃的混合气体,55%-70%的CH425%~40%发展中国煤化工的CO2),环保效益显著;缺点是能源产出低、投资大,3.2较适宜于以环保为目标的污水处理工程或以有机易腐CNMH(究从20世纪80年蚀物为主的垃圾堆肥过程代起就一直受到政府和科研人员的重视,主要在气化第1期,等:生物质能及应用技术固化、热解和液化等方面开展了研究和开发工作,包括生物质发电和液体燃料将比常规能源更有竞争力,成沼气技术和生物质热转换与利用技术2类为占主导地位的综合指标优于矿物燃料的能源品种,32.1生物质沼气利用技术其使用量和占有量仍取决于各国、各地区的生物质供我国是世界上沼气利用开展最好的国家,技术已应情况发展相当成熟,并进入商业化应用阶段,有用户沼气池我国2000~2020年将主要是生物质技术的开发6887万户,综合利用户数340万户,利用率达87%以和完善阶段,部分经济性较好的技术将进入商业应用上污水处理的大型沼气工程技术也已进入商业示范生物质气化技术由于成本低、技术逐渐成熟,将在生物和初步推广阶段.全国大中型沼气工程121处但由质比较集中和能源供应相对紧张、昂贵的地区进入商于沼气技术的主要目标是环境效益,一次性投资大而业应用.而生物质直接燃烧在生物质废弃物集中且工能源产出小,所以经济效益较差业用能需求大的地区可被工业企业采用.但生物质转322生物质热转换与利用技术换技术如生物质制取可运输燃料或氢气等的技术仍将该技术是我国近年来才发展起来的,目前热转换处于研发阶段,可能某些技术可以进行工程示范应用,技术中生物质制油等液化技术的研究刚刚开始,仍处但由于价格等经济性问题,生物质制油仍难以与石油于实验室和小试阶段.而生物质气化已开始进入应用产品竞争,难以进入市场.2020~2050年,生物质将逐阶段特别是生物质气化直接供气技术和中小型生物渐成为主要能源之一随着技术的发展,生物质的生产质气化发电技术,由于投资小,比较适合农村地区分散和收集成本将逐步降低,利用技术也已成熟和完善,具利用,具有较好的经济性、社会效益和发展前景.如全备了全面与矿物燃料竞争的条件.特别是生物质发电国已建成生物质农村集中供气站几百家,时间最长的技术,各地区可能已建成很多中小型生物质发电系统已运行5年;生物质气化发电已推广200多台套,最大形成了分散的生物质能源体系同时生物质制油技术的100kW,技术实用性和经济性都处于较高水平.也将发展成熟,开始进入商业示范和全面推广阶段从实际应用看,我国和国外差距较大的是生物质直接燃烧技术目前我国只有燃用甘蔗渣的锅炉,燃用其4结论他类型生物质的锅炉还没有定型产品.正是由于直接燃由于生物质的多样性和复杂性,其利用技术远比用技术的落后,使得生物质直接燃烧用于发电或供热的化石燃料复杂和多样,目前仅限于小规模利用.而且生比例较小,造成了农业和林业废弃物的大量浪费物质利用技术除了与化石燃料相似的燃烧技术和物化3.3生物质能的发展前景转换技术外还有独特的生化转换技术,在利用时也需各国对生物质能的重视程度和相应政策差别很要更多的预处理和能量提升过程,这些都是目前生物大,这主要取决于各国的能源结构和生物质资源情况.质能大规模推广使用所面临的主要难题2000~2010年将是世界各国大力发展生物质能的关但生物质能作为可再生的洁净能源,其开发利用键时期,国际上的主要目标是把生物质能转换为电力已势在必行.无论从农林业废弃物回收、能源结构转和可运输燃料,以期在一定范围内减少或替代矿物燃换,还是对环境保护、可持续发展问题的日益重视角度料的使用,所以会主要发展高效、低污染的IGCC技术看,生物质能都将成为未来最廉价易得却最具竞争力和直接液化技术.至2010年,发达国家将把主要目标的能源集中于大型生物质气化发电技术上,在推广直接燃烧参考文献的同时发展可进入商业应用的IGCC发电系统但由[1]曾培炎中国能源五方面问题和六方面进展[R].北京:于在此时期生物质制取可运输燃料仍处于研发阶段,十届全国人大常委会第十九次会议第二次全会,2005只有少量技术可能进入示范应用,而且存在技术性和[2]张无敌,刘士清何彩云生物质潜力及其能源转换[]资源科学,1996(4):22-25经济性的限制,所以仍然难以真正进入市场.2090年[3]马经国新能源技术[M]南京江苏科学出版社,199时生物质发电技术将完全市场化,生物质能占能源消4]李金柱合理能源结构与煤炭清洁利用[M].北京:煤炭费的比例将大幅提高,成为主要能源之一,可与常规能[5」中国煤化工物质[M]河南:郑州源进行平等的竞争同时生物质制取液体燃料的技术CNMHG也将成熟,部分进入商业应用,但其商业化程度将取决(下转第23于石油供应情况和各国对环境要求的程度.2050年时第1期张立,等:台风图像快速匹配算法研究与实现[6]王志勇,池哲儒,余英林分形编码在图像检索中的应用[J].电子学报,2000,28(6):19-23The research and realization of typhoon images fast matching algorithmZHANG Li, LI Ming-xin(1. Automation College of Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China;2. Guangzhou Metro Company Limited, Guangzhou 510019, ChinaAbstract: In image template matching, correlation algorithms based on pixel gray value have high time complexityand are sensitive to the variation of image luminance and scale. To avoid it, a new algorithm based on coding imagegrey value is proposed. This algorithm divides the image into certain size blocks called R-block, sums the gray value ofeach R-block pixel, and codes the R-block according to the sorting result among the neighborhood of R-blocks Imageand template are matched by comparing their R-block coding. The R-block is very rapidly and easily coded and only e-quality comparison is needed. The new algorithm is robust to the linear transformation of pixel grey value and imagenoise. It namely improves two orders of magnitude in contrast to the current correlation algorithmsKey words: image processing; template matching image registration; codes(上接第13页南农业大学,2005[6]新能源介绍-生物质能[J.有色冶金节能,2005,22(5)[12] Maschio C, Koufopanos C, Lucchesi A Pyrolysis, a promis-ing route for biomass utilization[J ]. Bioresource Technolo-7]吴创之,马降龙生物质能现代化利用技术[M].北京:化gy,1992(42):2l19-231学工业出版社,2003:5-6,8-11[13]Bridewater A V, Peacocke G V C. Fast pyrolysis process for[8]中国新能源与可再生资源专题研究组中国新能源行业biomass[ J]. Rene-wable and sustainable Energy Reviews分析报告[R].北京:20026-72000(4):1-73[9]陈学军蜂窝状生物质燃料及其生产设备的研制[D]郑141]张素萍颜涌捷任铮伟生物质油特制的研究进展[J州:河南农业大学,2002新能源,2000,22(10):12-17[10]袁振宏吴创之马隆龙生物质能利用原理与技术[M.[5]江淑琴生物质燃料的燃烧与热解特性[太阳能学报北京:化学工业出版社,20041995,16(1):48[1]马素琴生物质成型燃料燃烧动力学研究[D].郑州:河Biomass energy and application technologyCONG Lu, XU You-ning, HAN Zuo-binDepartment of Power Engineering, Shenyang Institute of Engineering, Shenyang 110136, China)Abstract The source of biomass energy including straws, firewood, poultry manures, urban waste, industry organicwaste and so on were summarized. Its characteristics compared with conventional energy as renewable, cleanable andzero emission effect of carbondioxide was described. The utilization technologies, present status and developing prospect of biomass energy at home and abroad were also discussed. The main advanced techniques of biomass energy utilization were pyrolysis gasification and liquefaction in the current world. The technique of the preparation of liquid fuel alcohol had already entered commercial demonstration stageKey words: biomass energy; utilization technologies; Pyrolysis; gasification中国煤化工CNMHG