生物质能系统研究及发展

上海理工大学学报第26卷第1期J. University of Shanghai for Science and TechnologyVol26No.12004文章编号:10076735(2004)01-0035-0生物质能系统研究及发展杨正虎,袁益超,刘聿拯,曹伟武(上海理工大学动力工程学院,上海20003摘要:阐述了近年来世界各国在生物质能源系统研究和应用方面的成果和经验,强调了在生物质能源的开发利用过程中,运用系统工程的方法,对于实现能源社会、经济环境的协调发展,实行可持续发展战略,将提供有益的帮助关键词:生物质能;系统研究;系统模型;系统规划中图分类号:TKo1t9;Ⅹ705文献标识码:ADevelopment and research on the biomass energy systemYANG Zheng hu, YUAN Yi-chao, LIU Yu zheng, CAO Wei-wu(College of Power Engineering University of shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)Abstract: Biomass is a renewable energy source which, arising from a range of organic productsuch as forest residues, wastes or purpose grown crops that can be converted to heat, power orother fuels, provides a substitute for fossil fuels so as to mitigate the global environmental pressureMany countries have gained significant achievements and valuable experiences in biomass energyresearch and application. Greater attention is paid on the overall effect and influence on ourenergy structure, society, economy and environment. In the paper an outline of the biomassenergy system research and development in some developed countries in recent years is presented,and especially puts emphasis on the system engineering methods and technologies which areimperative to implementing sustainable development strategies for humankind to make asustainable worldKey words biomass energy; system research; system modeling; system project随着全球经济及社会的快速发展,人类对能生的新能源,生物质能因其产量巨大分布广泛以源的需求日益增长.但大量开采使用化石能源而及环保效果明显而备受关注.生物质能作为一种造成的环境问题,严重制约着各国经济的发展,甚很有前途的清洁能源,全球每年可开发量相当于至已危及人类自身的生存.生物质能作为一种产65×103t标准煤,中国每年的总量相当于7×103t量巨大的可再生洁净能源是替代化石能源缓解标准煤.但由于生物质分布分散能量密度小全球环境压力的有利途径.热值低以及成分复杂,使得开发利用生物质的经目前,世界各国在研究化石能源高效率低污济性降低,高效利用的技术手段较复杂.虽然目染转化技术的同时,更致力于开发利用各类可再前生物质能对世界一次能源的贡献将近13%,对收稿日期:2003-06-18中国煤化工基金项目:上海市重点学科建设资助项目CNMHG作者简介:杨正虎(1974),男,硕士研究生上海理工大学学报2004年第26卷于占世界人口总数3/4的发展中国家来说,生物质是最重要的能源,约占发展中国家总能源的35%,原料生产x原料运输预处理|转化气液)发电但迄今为止,大多数属低效利用,甚至存在严重的二次污染问题1.因而为更好地开发利用生物质图1生物质能供应链系统能源,在研究其系统內部转化技术优化的同时,必Fig 1 Bioenergy supply chain system须把它放进社会经济及生态环境的大系统中,综合研究它与整个能源系统人口系统经济系统以为了提高系统的效率,必须遵循系统整体最及环境系统等的关系,从而真正达到社会经济、优的原则,以此协调系统內部各阶段之间的关系.能源环境的协调可持续发展的目的如从原料的供应来看,农作物的产量及收割打包1生物质能系统的研究方法运输储存等过程中的损失,运输的距离及供应物流的效率等因素对生物质能源系统的效率有明显生物质能源系统按照系统边界的大小及研究影响.又如在预处理转化利用过程中,预处理的的方法,可分为宏观系统和微观系统两大类.宏方法及干燥的要求完全决定于后续的转化要求观系统研究主要是从系统內部生物质能源总量平供应链中毎一后续步骤的效率决定于其前一步骤衡的角度,来分析和考虑整个系统的运行特点和的输出质量,因而需要基于系统总体的输出要求优化问题.其研究方法主要包括:供应链分析生从供应链终端开始进行系统分析,找岀各步骤中命周期估计法以及全球能源与土地利用模型等.的可控因素,按照后续步骤的要求进行调控,从而而微观系统的研究主要集中在具体转化技术的应找岀决定各阶段效率的关键因素.用研究上,目的在于提高所研究的转化技术的实11.2生命周期估计用价值,研究方法有技术经济分析法和SD流率基在生物质转化系统中,由原料到最终产品的本入树建模法等.所有转化过程,均会对环境产生不同种类或不同程度的影响,运用生命周期估计法就是试图将这1.1宏观系统研究方法些对环境的影响定量化.这些影响因素主要包括1.11供应链分析将原料转化为最终产品的过程,以及最终产品和作为一个包括原料生产供应转换及利用的副产品使用与处理过程中的各种排放物资源的供应链系统,生物质能转化系统內部各个阶段旳消耗和能耗.在分析中必须保证各个阶段输入的效率,对相邻步骤乃至整个系统都会产生影响.原料和能量与输出平衡.Mann和 Spath4定性说Mitchel和 Bridgwater所建立的生物质能供应链明了系统主要组成部分产生的排放物种类及应激系统如图1所示.系统的输入和输出分别是生子种类,而未给出定量数据.表1和表2分别是排物质原料和电力放物种类和应激子种类的部分说明.表1系统产生的环境负荷Tab 1 Environmental loadings expected from system过程气态排放物固体物质液态排放物其他原料生产CO2 CO NO SO2NH3硝酸、前序步骤产生的需处理氮肥磷酸盐除草剂、微生物孢子及真硫酸生物类烯烃_磷酸盐处的催化剂_颗粒物和灰尘、杀虫剂和钾肥的流走菌与运输车輛和设理过程中产生的氟及氟化物磷肥生产中产生的石膏物盐水备有关的排放物运输CO2CONO3SO2CH非甲运输中产生的颗粒物燃料油品及润滑液烷类碳水化合物N2OO3挥的溢出和泄漏事故发性排放物排泄物电力生产碳挥发分烯烃co2cONO-、沙粒与灰的混合物(含碱废水及溶于其中的有微生物_孢子及真SO2H3SNH3氯化物未燃及重金属)焦炭焦油降机物原料灰分焦菌与运输车辆和设尽化合物挥发性排放物和事解及减少NO3排放时的炭堆废水系统的污染备有关的排放物故排放物催化剂木屑物沥出液水泵水清洗及水处理系统泄漏中国煤化工CNMHG第1期杨正虎等:生物质能系统研究及发展表2生物质发电过程的应激子分类Tab 2 Stressor categories associated with biomass power production应激子种类应激子主要影响分类*有毒物质杀虫剂除草剂肥料1影区域焦油柴油机燃料及其他碳水化合物H. E: LO2 SO3 HS NH3H E.RG氟及氟化物H. E: L. R光化学氧化物碳水化合物,非甲烷类碳水化合物H. E: L, R前体和光化学挥发性排放物H.E. L氧化物臭氧H. E: L,空气污染物COO3NO2SO2SO3H2 S HC. NHH. E: L氟化物木屑砂粒H: L微生物孢子和真菌H EL.R固体废物催化剂沙粒灰炭粒石膏H. E: L. R气候变化CO2CH4硝酸盐硫酸盐E. G树木生长的变化E.L. G栖息地影响单一栽培_非本地物种_植物种群灭绝动物及昆虫灭绝E;L,R资源消耗化石燃料使用矿产及矿石E:R G地下水E: L R表层土壤E: LH一人类健康,E一生态健康;*L一本地,R一区域性,G一全球性1.1.3全球能源与土地利用模型和植被模块.土地利用子系统中包含着由初级食根据系统工程的原理,生物质能系统是一种品制肉类食品废纸回收以及其他生物质残余物开放的复杂巨系统.这不仅表现在系统內部的复的食物链系统,通过考虑土地的不同用途来说明杂性上而且它具有以下特征:a.它不仅与环境进其稀缺性及竞争性行物质能量`信息的交换,接受环境的输入和扰动向环境提供输出,而且具有主动适应和进化的特征,即复杂适应系统CAS( Complex Adaptive植被模块用于生物质能System).b.生物质能系统在发挥作用的同时,又森杯生产的能量输人对环境具有塑造作用,要做到将系统内部优化同环境优化结合起来综合考虑.c.由于系统内部的能量废弃食物模块能量生物质能供给运行机制以及它与环境的作用和交换,整个系统可耕地是动态发展变化的化学产品草场、水系统动力学(SD)是一门以研究一般系统的结图2全球能量与土地利用模型构功能与动态行为以及系统与环境的关系为主要內容的学科.针对上述生物质能系统的特征,系Fig 2 Outline of the global energy and land use model统动力学方法无疑是分析和解决问题的有力工具.模型考虑的时间跨度为1975~2100年,全球日本学者 Yamamoto和 Yamaji运用系统动力国家按照经济发展水平划分为两个部分:发达国学方法建立了全球能源和土地利用的模型,通过家和发展中国家.针对33种生物质23步生物质考虑土地利用的竞争性对全球生物质能的发展潜利用步骤列出生物质平衡表”用以分析各类生力进行了估计.系统模型由能源子系统和土地利物质的生产消耗及总量平衡.在算法上,土地利用子系统组成图2).能源子系统包括3个模块:用子系统依据植被(主要是森林生物质)的供求预国民生产总值GNP模块能量模块和化学产品模测,以及食物链系统中依照食物供应预测状况所块土地利用子系统由两个部分构成:食物模块得到的能源作H中国煤化工求计算及可CNMHG上海理工大学学报2004年第26卷用生物质潜力计算.在整体系统模拟中,综合考两者间的关系也仅局限于简单的联系,许多相互虑人口GNP能源土地利用状况生物质的供给影响及作用未加考虑与需求以及回收率等主要因素的变化,得出如下结果:a在发达国家由于生物质的需求基本稳定1.2微观系统研究方法及合理的砍伐与植树,土地利用状况基本不变;而1.2.1技术经济分析在发展中国家,则由于生物质的需求猛增及不完为了全面地认识现有生物质的转化系统,善的森林管理,成熟森林的面积将由1990年的Man和Spat运用 ASPEN PLUS,对Batl14×103hm2减少至2050年的073×103hm2,即使 Columbus Laboratory提供的一台处理能力为9td合理的砍伐及重新植树会在2050年形成成熟森的低压生物质IGCC( nte grated gasifica-tion林面积也将在2100年继续减少至0267×103hm2. Combined Cycle,整体气化联合循环)系统运行数b.食物需求方面,发达国家将会完全得到满足;而据,进行了技术经济分析发展中国家由于庞大的人囗数量导致食物需求巨生物质IGCC系统主要由4个部分组成:a.燃大,即使进口也达不到供需平衡,食物短缺又会引料收集粉碎预处理及干燥;b.气化及烟气清洗起用于能源作物种植的土地得不到满足.c.最大生系统(气化岛);c.电力岛;d.其他电厂设施及设备.物质可用潜力主要由圆木废料工厂生物质废料、分析主要是运用 ASPEN模型对IGCC系统进行木材碎屑谷物剩余物及粪便构成,但在估计实际模拟,并对大型生物质IGCC系统的最终发展潜可用潜力时,必须考虑生物质残余物的利用率力进行估计.系统中气化所需的热量,由用沙作虽然上述模型运用系统动力学方法,对世界为床料的循环流化床焦炭燃烧器与气化容器间的范围內土地的利用及生物质利用潜力给岀了定性沙粒循环供给.气化器运行压力为172kPa,运行和定量的预测和描述,但这些描述是在许多假设温度825℃.联合循环所用的燃气轮机是通用电的前提下才成立的.此外,在建模过程中仅对能气公司先进的GEMS-6101FA系统.整体系统的源子系统和土地利用子系统进行了简单的描述,运行条件及性能见表3.表3系统过程数据及运行性能汇总Tab 3 Process data and system performance results气化器要求燃气参数木材供给率172kg/s烟气流率14.5kg空气供给率0烟气低位热值13.2MJm3蒸汽流率7.7kg/s发电效率汇总发电系统参数燃气轮机输出功率82.1MW燃气轮机GEMS-610FA汽轮机输出功率55.IMw燃气轮机性能系数14.9内耗燃气轮机火焰温度1288系统净输出功率12MW蒸汽循环参数10MPa/538%538℃工厂净输出效率35.4%系统的经济性分析针对系统的运行参数模1.2.2SD流率基本λ树建模法拟结果及投资进行,所有费用均以1990年为基期贾仁安等人提出的SD流率基本入树建模进行折算,同时增加20%的工厂其他设施的费用.法;其基本思路是抓住系统最基本的流率变量技术经济分析结果如下通过引进流率基本入树嵌运算流率派生入树及输出功率122MW可增广流率派生入树等概念和方法,达到同时实工厂净效率3540%现系统的规模化建模与反馈环分析清晰化的目的.投资成本1108美元/kW这种方法运用在国家课题王禾丘能源系统生态运行费用含燃料)27983美元/a工程研究ˆ中,建立了王禾丘村能源系统生态工程发电成本(现值)6.55美分/W流率入树模型中国煤化工问题,是建发电成本(折算值)5.11美分/W立包括能源CNMHG养殖业及经第1期杨正虎等:生物质能系统研究及发展济子系统的要素变量的定量反馈结构模型进行反能利用的目标,制定了一项优先发展可再生能源的馈分析,并在此基础上预测本能源生态工程法案,计划在2010年由可再生能源提供的能耗在1992~2010年有关变量的变化值.模型主要包括整个能源需求中的比例增加一倍,在实现可持续人口、林果业能源养殖业种植业及经济6个增长的同时,达到控制气候变暖和环境保护的目的.子系统运用SD流率基本入树建模法,通过系统作为欧共体非核能计划 JOULEⅢ框架一部分析和系统开发,建立了6棵流率基本入树,通过分的Bio- Costs项目,欧共体专家对其中一些具有嵌运算形成有许多反馈环构成的整个系统的结构代表性的生物质发电和液化项目进行了投入产岀模型.由反馈环计算法,总共得到163条新增反馈分杬,并将分析结果与使用矿物燃料的结果进行环,整个模型包含54个变量,并给岀了全体变量要了比较,强调了生物质能在未来能源系统中不可素的关联关系.在进一步定量分析的基础上,得替代的战略地位,以及它对社会可持续发展的重出6棵入树的描述变量的计算公式.用 DYNAMO要作用8语言编程计算后,得到了各变量1992~2010年各联合国粮农组织(FAO在可持续农村环境和年的变化数据.通过仿真计算后的数据分析及解能源网络(SREN的支持配合下,正在建立一项称释,使王禾丘农民知道,全村要保证实现2000年作整体式可再生能源农场(IREF)”的研究工程.炊事能中沼气能占60%的目标必须养猪近800头;作为欧洲农业合作研究网络系统( ESCORENA)的要保证猪有足够的粮食,须产近327t稻谷,每年要组成部分,此项目旨在实现社会经济能源和环增加近3t.更重要的是,他们知道了达到这些指境的协调发展.德国在 Hanover附近建立了一个标的具体实施方案实验性质的IREF,由90%的生物质能√%的风能该建模法可同时实现规模化建模与反馈环分和3%的太阳能提供能源.在此基础上,还计划在析清晰化两个目的,有利于整个系统的规划开发、 Dedelstorf建立一个面积280hm2,可供700人日常调试以及结果分析.食物和能源需求的IREF.其研究成果将对农村利用可再生能源提供有益的参考2生物质能系统的规划与应用欧共体国家在大力发展本国生物质利用技术2.1国外生物质能系统规划现状的同时,1991年与东盟合作启动了 COGENT联合生产)计划;其宗旨是帮助东南亚各国有效利用虽然世界各国在人口数量自然资源条件科本国的生物质资源,从而加速该地区的经济发展学技术水平和经济发展水平等方面存在很大差异,已有16个示范工程建设成功表4见下页)列出了但对生物质能系统与整个社会及环境的协调发展其中部分项目的有关数据0均非常重视.在开发利用生物质能方面,既有政府部门参与制定以及实施的项目,又有区域性经,2我国生物质能系统开发现状及目标济组织及其之间所进行的合作计划;既有从宏观我国人口占世界人口15,80%生活在农村,每角度进行的系统规划和分析,又有对利用各种可年产生的各类生物质折合7×108t标准煤,约占世再生能源的微观系统的试验性探索界总量的1/9.综合利用生物质能,不仅是关系人澳大利亚作为一个可再生能源很丰富的国家,民生活和社会发展能源需求的问题,而且对于提1995~1996财政年度可再生能源对一次能源需求高我国的综合国力,维护国家的长治久安,具有重的贡献是5.84%,生物质能为3.84‰%.尽管当前生要战略意义.但由于种种原因,我国能源利用的物质能对一次能源需求的贡献较小,并且生物质总体水平尚待提高.尽管我国现代生物质能的开发电与煤发电相比经济性较差,但认识到发展可发起步较晚,但经过广大科技工作者二十多年的再生能源会给社会带来的益处,澳大利亚各级政努力,在此领域中取得了可喜的成绩.在国家发府均制定了一系列的措施来支持可再生能源的发展计划委员会等部委制订的十五”可再生能源展.19%6至1998年澳大利亚政府先后启动了绿发展战略中,为实现1996-2015年可再生能源发色电力”澳大利亚2%可再生能源计划以及可展的总目标,要逐步改变生物质能传统的低效利再生能源展示项目”等系统发展可再生能源的举用方式,计划中国煤化工气工程的年措.另外,德国为了完成欧共体制定的关于生物质供气量达到HCNMHG0万户农户上海理工大学学报2004年第26卷的生活用气问题;继续推行六五¨以来的百县综质利用技术的基础理论及综合利用的研究,先后合建设跟踪服务,加速农村能源建设.许多研建立了一些试验和示范项目,为生物质利用技术究所大专院校及有关能源管理部门加强了生物的进一步推广奠定了基础12-1表4欧共体与东盟 COGEN计划部分示范工程简介Tab 4 Description of pilot projects of"COGEN"" plan用户设备容量设备总投资投资回收期能量生产总量""1刈0美元a E/GJ印度尼西亚胶合板厂蒸汽锅炉及辅助管路35Uh(3.5MPa,380.℃13946469568马来西亚木制品厂蒸汽锅炉料斗粉碎机开关设备10M3MP24350汽轮机35t/h(4613.83.18051904锯木和型模厂蒸汽锅炉5t/h(1.23MPa,193.℃23942.963885自动给料系统主配线板厂热油发生器92.11 GJ/h+5t/h490.57852096周边设备棕榈油厂蒸汽锅炉35t/h(2.3MPa)60.402375872汽轮机1 200kW高密板厂热油发生器132.3GJ/h1079187棕榈油厂蒸汽锅炉1794t/h3624.3604506387汽轮机486MW3建议尽快转化为生产力.科研项目的立项申请和实施要保证其可行性及可推广性,避免科研与生产与发达国家相比,我国的生物质能源开发及脱节研究工作起步较晚,并且大多数研究集中在具体d.提高全民的环保意识,为大力推广生物质的转化技术方面,从系统工程的角度对生物质能能的利用奠定良好的社会基础源系统进行规划和设计尚未大规模展开.而要实加强生物质能开发利用的国际交流及合现能源社会环境以及经济的协调和可持续发展,作,引进国外的先进技术和设备,吸收利用国外生尽快缩小与发达国家间的差距,必须借鉴发达国物质能源系统硏究的成功经验和成果,加快我国家的成功经验,运用系统工程的研究方法,对生物生物质能开发利用的步伐,因地制宜地建立起适质能源系统从不同的层次进行研究.经过上述分合我国国情的生物质能源开发利用体系析比较提出以下建议a.生物质能源系统的研究方法不管是宏观参考文献方法还是微观方法,都有各自的侧重点和不足,在[]郭祥冰.世界可再生能源发展概况和我国发展目标具体的工作中必须将两者结合起来.既要注重从门.福建能源开发与节约,2001,53):6-9可持续发展战略的要求出发,运用宏观系统研究[2]世界能源理事会编.新的可再生能源:未来发展指南方法,解决生物质能源系统的总量平衡问题,协调M]阎季惠译.北京:海洋出版社,198与其他系统的关系,又要注重从提高生物质能源(3] Mitchell C P, Bridgwater A v, Mackie k l系统的效率和效益着手,运用微观系统方法,解决Bioenergy systems[Aldewater AV, Boocock系统内部的具体技术问题,提高各种转化技术的DG B, eds. Developments in Thermochemical使用价值Biomass Conversion[C]. London: Chapman Hallb.在政策立法科研开发组织实施综合评1996,1509~1524价等阶段加强研究,根据系统整体最优的原则,既[4] Mann mK, Spath P L. Technoeconomic analysis and注重生物质能开发利用的基础研究,又强调开发assessmentin integrated biomas利用过程中的协调管理combined cycle system: Life cycle assessment oc.保证产学研的紧密结合,使科研成果能够bioma中国煤化工AV, BoocockCNMHG第1期杨正虎等:生物质能系统研究及发展D GB, eds. Developments in Thermochemical Biomassties [J]. Renewable energy, 2001, 24: 401-408Conversion[C]. London: Chapman Hall, 1996, [10] Menu J F, Guillaume M, Schenkel Y. Biomass as a1567~1581fuel and a profitable investment: the EURO-ASEAN[5] Yamamoto H, Yamaji K. An evaluation of biomassCoGEn Program[A]. In: Overend R P, Hornet Eenergy potential with global energy and land useeds. Making a Business from Biomass[C]. Londonmodel[A]. In: Bridgwater A V, Boocock DG B, edsElsevier,1998,1615~1624.Dε evelopments in Thermochemical Biomass Conversion[l1]周篁.¨十五”可再生能源技术发展战略和政策措施[C]. London: Chapman Hall, 1996, 1599-1613探讨EB/Ol].http:/www.newenergy.com.cn/meeting[6]贾仁安,涂为员,伍福明等.SD流率基本入树建模法及应用[A.见:许国志主编.系统科学与工程研[1]张无敌,宋洪川,孙世中等.生物质能源转换技术与究[C].上海:上海科技教育出版社,2000536-543前景[.新能源,200022(1):16-20Iη] Mills d. Renewable energy in Australia[J. Energy3王智微,苏学泳.流化床中生物质热解气化的实验Environment,2000,1l(4):479-509研究.新能源,200,022(3):5~9I8] Groscurth h m. Total costs and benefits of biomass[l4]別如山,鲍亦令,杨励丹等.燃生物质流化床锅炉in selected regions of the European Union[J]. Energy门.节能技术,1997,(2):5-7.2000.25:1081~109515]翟学民.甘蔗渣锅炉设计新构思门.工业锅炉,2000[9] Bassam N El. Renewable energy for rural communi-62(2):9-12.(下期发表论文摘要预告)向心透平叶轮振动频率的有限元分析骆天舒,戴韧上海理工大学动力工程学院,上海200093摘要:应用 ANSYS有限元软件对一个小型燃气轮机向心涡轮的叶轮固有频率进行了数值分析.基于有限元方法建立了叶轮的振动方程,对方程中非线形的初应力刚度矩阵与离心刚度矩阵采用了线化简化应用 block-lanκos法求解振动方程的特征值.结果表明,当叶轮转速上升时旋转柔化效应使叶轮的低阶振动频率,尤其是第1阶弯振频率不断下降,到某个转速时岀现零频”现象原高阶静频依次成为低阶频率;第1阶振型发生变化,但是基频大小基本没有变化;整体式叶轮主要振动形式是叶轮的弯扭振动.中国煤化工CNMHG