生物质能利用技术及研究进展

第24卷第12期煤气与热力Vol. 24 No. 122004年12月Gas heatDec.2004文章编号:1000-4416(2004)12-0701-05生物质能利用技术及研究进展米铁,唐汝江,陈汉平,刘德昌(华中科技大学煤燃烧国家重点实验室,湖北武汉430074)摘要:对生物质能的概念、利用生物质能的意义及生物质能的转化利用方式进行了介绍。生物质能转化方法分为生物化学转化(发酵和消化)、热化学转化(直接燃烧、气化、热解和液化)、机槭萃取等关键词:生物质;生物质能;发酵;厌氧性消化;气化;热解;液化;机械萃取中图分类号:TU996文献标识码:AUtilization Technology of Biomass Energy and Its research progressMI Tie, TANG Ru-jiang, CHEN Han-ping, LIU De-changState Key laboratory of Coal Combustion, Huazhong University of ScienceTechnology, Wuhan 430074, China)Abstract: The concept of biomass energy, meaning of its utilization and mode of its conversion utilizationare introduced. The conversion methods of biomass energy are classified as biochemical conversion(fer-entation and digestion), thermochemical conversion( direct combustion, gasification, pyrolysis and liqction)and mechanical extractionKey words: biomass; biomass energy: fermentation; anaerobic digestion; gasification; pyrolysis; lique-faction: mechanical extraction0引言全球性的重大课题。因此,我国计划发展后续能源,以替代化石燃料,改变传统的能源结构,实现能源供在化石燃料的利用过程中,人们把减少烟尘与应的多元化摆脱对化石燃料的依赖改善生存环NO4,SO2等污染物的排放作为重点,很少考虑CO2境为社会可持续发展提供可靠保障。本文主要对的温室效应对环境的影响。随着经济的发展,对电生物质能的利用技术和研究进展进行介绍。力的需求增加,迫使人们更大限度地利用化石燃料由此将引起CO2排放和其他污染物排放的加剧。1生物质能化石燃料燃烧产生CO2尚无切实可行的解决办法,而减少化石燃料的使用是主要办法,也是我国能源生物质能是一种理想的可再生能源,具有以下与环境战略中一项十分重要的内容。因此,开发可特持续发展的后续能源以替代化石燃料,已成为一个物H中国煤化工分布广泛。利用生CNMHG气酸雨环境减少大收稿日期:2004期:2004-06-25基金项目:国家863”项目(2001-AA-51-40-10作者简介:米),男,湖南辰溪人,讲师,博士,从事大气污染控制工程及生物质能利用领域的教学与科研。702煤气与热力004年气中二氧化碳含量从而减轻温室效应都有极大的2生物质能的转化利用方式好处。生物质由C,H,O,N,S等元素组成,是空气中开发、利用生物质能的途径主要有生物化学法的CO2、水和太阳光通过光合作用的产物。其挥发和热化学法,此外,还有机械萃取的方法。一般分高,炭活性高,硫氮含量低(S:.0.1%-1.5%,N:来说,所有种类的生物质都可以进行热化学转化,含0.5%-3.0%),灰分低(0.1%-3.0%)。生物湿量低的草本植物和木本植物最适合热化学转化。质分布广泛,在生长过程中,通过光合作用吸收生物质转化技术在过去的20年中取得了很大的进CO2:;在其作为能源利用过程中,排放的CO2又有效展,人们进行了大量的将生物质通过热化学生物化地通过光合作用而被生物质吸收,使整个能源利用学方法转化成液体、固体和气态物质的研究0系统的CO2净排放为零,从而有效地防止了CO2的其中将生物质气化成主要成分是CO和H2的燃释放对环境的危害。生物质中的碳来自空气中流动气,是生物质能转化利用的主要途径。的CO2,参与植物的光合作用和燃烧反应的可逆循2.1生物化学转化环利用过程。即:生物化学转化包括发酵(产生乙醇)和厌氧性C02+2H10+太阳能叫绿(CHo)+HO+O2消化(产生富CH,和CO的生物气,也称沼气)。(CH2O)—→CO2+热能(1)发酵(CH2O)表示生物质生长过程中吸收的碳水化乙醇可以从含有糖、淀粉和纤维素的生物质制合物的总称。如果以上2个反应速度有合适的匹取。乙醇最主要的原料是甘蔗小麦、谷类甜菜洋配,CO2甚至可以达到平衡,因此,整个生物质能循姜、木材。生物质原料的选择很重要因为原料价格环就不会引起全球变暖。构成了最终产品乙醇销售价的55%-80%m。乙般可简单地将生物质分为4类:木本植物、草醇的生产过程称为发酵其流程为先将生物质碾碎,本植物、水生植物和肥料。广义的生物质还包括城通过催化酶作用将淀粉转化为糖,再用发酵剂将糖市垃圾、工农业废弃物等转化为乙醇,得到的乙醇体积分数较低(10%生物质燃料中可燃部分主要是纤维素、半纤维15%)的产品,蒸馏除去水分和其他一些杂质,最后素、木质素2。按质量计算,纤维素占生物质的浓缩的乙醇(一步蒸馏过程可得到体积分数95%的40%~50%,半纤维素占生物质的20%~40%,木乙醇)冷凝得到液体。通过蒸馏可将乙醇提纯,1质素占生物质的10%-25%。表1为一些生物质干玉米可以生产450L乙醇。乙醇可用于汽车燃中纤维素、半纤维素和木质素的比例料。发酵过程中产生的固体残留物常常为发酵过程提供热量,因为在蒸馏阶段需要很多热能,特别是对表1生物质中纤维素、半纤维素和于生产乙醇体积分数99%以上的复杂蒸馏过程木质素所占质量比例残留物也可作为动物饲料。对于蔗糖,其残留物可生物质木质素比例%纤维素比例/%半纤维素比例%作为锅炉燃料或者是气化原料21。淀粉类生物质软木35-4025-30通常比含糖生物质便宜,但需要进行额外的处理。由于存在长链的多聚糖分子以及将其通过发酵转化秆33-40为乙醇之前需要酸化或者是酶化水解,木质纤维素草5-2030-10-4生物质(木材和草)的转化较为复杂,其预处理费用昂贵,需将纤维素经过几种酸的水解才能转化为糖,典型生物质的密度为40-9kgym,热值为然后L凵中国煤化工水解转化技术目前170600-22600kJ/kg,随着含湿量的增加,生物质正处CNMHG的热值线性下降(2)厌氧性消化厌氧性消化是指在隔绝氧气的情况下,通过细第12期米铁等:生物质能利用技术及研究进展703菌作用进行生物质的分解。这个过程也是一个发酵300MW。生物质与煤在燃煤锅炉中的共燃是一个过程,产生CH4(体积分数55%-65%)和CO2(体非常好的选择,因为共燃过程的转化效率高。生物积分数30%~40%)气体混合物。在隔绝空气,没质燃烧过程的生物质能的净转化效率为20%有污水或者是动物废物存在条件下,生物质通过腐40%,规模为100MW以上的燃烧系统或者是生物烂而产生的产物称为生物气(沼气)。商业运行的质与煤进行混烧才能得到较高的转化效率。由于生厌氧消化器容量达200m301,产生的沼气直接用物质中含有较高的碱金属,在高温燃烧过程中将会于炊事、供暖以及作为燃料供内燃机发电。给燃烧装置的正常运行带来危害。埋在填埋场的城市废弃物的厌氧消化产生的沼(2)气化气,若不进行回收利用,垃圾填埋场产生的沼气最终气化是通过生物质在高温(800~900℃)下部进入大气。若将开有小孔的管道插入到填埋场,可分氧化生成CO,H2,CH4等可燃气体及CO2的混合以将填埋场产生的沼气抽出作为能源使用,还可以物的过程。产品气低热值为4~8M/m3,可直接用避免沼气逸入大气而加剧大气温室效应。于燃烧或者作为燃气透平的燃料,也可用作化工原垃圾填埋场经过特殊设计,可有利于厌氧消化。料。以热解为主的气化通过生物质中的大分子结构在填埋垃圾之前,可预先铺设收集气体的管道,使气在高温下分解、断裂或重整产生轻质可燃气体,这种体产量得以优化,可达1000m3/h。填埋场产生的过程称为部分气化。而气化过程则是依靠生物质中气体一般用于内燃机发电,目前世界上使用填埋场的碳与外部添加的反应性气体(CO2,H2O和空气)沼气发电装置的最大容量为46MW。反应生成主要成分为H2,CO以及少量轻质碳氢化生物质生物化学转化技术可将生物质转变为品合物的合成气。最有前途的是生物质的IGC技质优良的气、液态燃料,与热化学过程相比,其转化术,燃气透平将气体燃料转化为电能的效率较高反应活化能低,在一个容器内可以进行多步反应,产,IGCC系统最大的特点是可燃气体在进入燃气透平率高,反应器结构专一,可利用含水量高的生物质原燃烧前需要净化,要求气体净化设备紧凑造价及运料。但是该类技术也有其固有的缺点:反应速度慢,行成本低。ICCC系统的整体效率较高,对于一个装操作复杂,催化剂再生成本较高。据估计,生物质生机容量为30~60MW的机组,净效率为40%物化学转化的运行成本是热化学转化的3倍。50%。然而,IGCC系统目前正处于示范阶段。得到2.2热化学转化的合成气也可用来生产CH4和H2。在CH4的生产热化学转化技术的技术路线很多,与其他技术中,间接氢化以及纯氧气化过程得到的合成气更好,相比,具有功耗少、转化率高、转化强度高、工业化较低热值为9~11MJ/m3。易等优点。生物质的热化学转化技术已成为世界各(3)热解国开发利用生物质能的重点研究方向。生物质热化热解是将生物质转化为有用燃料的热化学过学转化包括直接燃烧、气化、热解、液化和碳化。气程。热解反应的特性往往决定产物的组成、分布与化和液化技术是生物质热化学利用的主要形式。特征。所谓热解产物,是指生物质在隔绝空气条件(1)直接燃烧下加热,或者在少量空气存在的条件下部分燃烧产将生物质作为燃料在高温下直接燃烧,是最简生富含碳氢化合物的混合物、含油液体混合物和含单的热化学转化工艺。生物质在空气中燃烧是利用炭的固体残留物。通过生物质热解及其相关技术不同的设备(例如窑炉、锅炉、蒸汽透平、涡轮发电可生产焦炭、油、合成气和H2等多种燃料。通常按机等)将储存在生物质中的化学能转化为热能、机温度、升温速率、固体停留时间(反应时间)和颗粒械能或电能。生物质燃烧产生的热气体温度大约在大小中国煤化工慢热解和快热解2800~1000℃。但是实际上,只有生物质水分小于种炭,生物油为副产物50%的生物质才可能燃烧(不然需将生物质进行预(产,CNMHG产物主要是生物油干燥),水分含量高的生物质最适合生物化学转化和气体,其产量占70%,甚至更高4。同时,根据过程。大型的生物质工业燃烧装置规模为100~是否加入反应性气体,可将其分为反应性热解和惰704煤气与热力2004年性热解两种类型。随着人们对热解生产生物油的兴油的热值一般为393-40.6MJ/kg,可作为动力燃趣的不断增加,以获得最大液态产物油为目的的快料。使用生物油好处很多,例如,使用1kg生物油热解技术的研究和应用越来越受重视,因为这种生至少减少排放3.2kg的温室气体、9%的SO,排放物油可以用于内燃机和燃气透平。将生物油作为原量、39%的颗粒物排放量。最常见的油菜籽、棕榈、料进行精炼的研究也正在进行。但在转化过程以及向日葵、大豆等生物质可用来生产生物柴油。目前,生物油的利用过程中,需要克服生物油的热稳定性世界上生物柴油的产量超过了128×104t6。差及其腐蚀性的难题。(4)液化结语生物质液化是在低温及高的反应气体压力下将生物质转化为稳定的液态碳氢化合物,可分为直接生物质能源是一种理想的可再生能源,由于其液化和间接液化。直接液化是在高温、高压和催化在燃烧过程中产生的CO2可通过光合作用被生物剂的共同作用下,在H2,CO或其混合物存在的条件吸收,使系统的CO2净排放量近似于零,可有效地下,将生物质直接液化生成液体燃料。间接液化一减轻温室效应,因而越来越受到世界各国的关注,其般是先将生物质转化为适合化工生产工艺的合成燃能耗已占全球能耗的6%。但目前的生物质能利用料气,再通过催化反应合成碳氢液体燃料。生物质仍采用原始的低效率的高污染的利用方式。生物液化技术是最具有发展潜力的生物质能利用技术之质气化作为20世纪70年代提出的生物质能利用的国外已有多家机构开展了生物质液化的研究,新技术,显示出其旺盛的生命力。但由于生物质燃并取得了阶段性成果。液化和热解这2个过程在概料的复杂性,有待人们对生物质气化过程机理及气念上相近,表2为这两种过程的比较。化技术的应用进行全面深入的研究。表2生物质液化和热解的比较参考文献热化学过程温度/℃压力/MPa是否干燥液化不需要[1 Beenackers A A M. Solar energy R&D in the European热解650~8000.I-0.5需要Community series E advanced gasification [M]. LondonD. Reidel Publishing Company, 1986这2种过程都是将原料中的有机化合物转化为2] Scurlock JMO, Dayton D C, Hames B,etal. An over-looked biomass resource [J]. Biomass Bio-energy液体产品的热化学过程。对于液化,在催化剂存在2000,(19):229-244的前提下,生物质原料中的大分子化合物分解成小[3] Demirbas A. Biomass resource facilities and biomass con-分子化合物碎片,同时这些不稳定、活性高的碎片重version process for fuel and chemical energy conversion新聚合成合适相对分子质量的油性化合物。而对于and management [J]. Biomass bio-energy, 2001,(42)热解,一般不需催化剂,较轻的分解分子通过气相的1357-1371均相反应转化成油性化合物。由于液化对反应器及[4] Demirbas a. Biomass resources for energy and chemical其进料系统要求严格,且费用高,致使研究进展缓industry[ J ]. Energy Edu. Sci. Techno., 2000,(5)慢5。除了Ape等人提出在CO存在下,碳酸21-45钠催化碳水化合物液化的机理之外,几乎没有文献[S] Reddy B S. Biomass resources for India: an overview[J]. Energy Convers. Mgmt., 1994, (35): 341--36提及碱金属氧化物和其碳酸盐在液化过程中所起的(6] Kendry P M. Energy production from biomass(pan2):催化作用。2.3机械萃取中国煤化工 resource Technology,将含有大量生物油的种子作物压碎,从中提取[7CNMHGin thermochemical生物油直接用于替代柴油或作为燃料油。这种植物biomass conversion [J]. Bio-resource Technology, 1994,第12期米铁等:生物质能利用技术及研究进展705(44):280-287pects and directions [ M]. London: James and James[8] Maggir D. Comparison between slow and flash pyrolysisScience Publisher. 1996oil from biomass[J]. Fuel, 1994,(5): 671-676[ 13] Appell H R, Fu Y C, Friedman S, et al. Report of In-[9 Maschiog K. Pyrolysis, a promising route for biomass utvestigation 7560[R]. Pittsburg: US Bureatt of Mineslization [J]. Bio-resource Technology, 1992,(421971219-231[14] Demirbas A. Yields of oil products from thermo-chermi-[ 10] Minowa Y. Oil production from algal cellulose of Dal biomass conversion process [J]. Energy Conversaliella tertiolecta by direct 72 thermochemical liquefacMgmt.,1998,(39):685-690ion[J].Fuel,1995,(12):1735-1738[15]李文,李保庆.生物质的热解与液体产物的精制11] Minowat Z. Liquefaction cellulose in hot compressed wa-[J].新能源,1997,(10):22-28.ter using sodium carbonate products distribution at di[16] Wu QY. New discoveries in study on hydrocarbons fromferent reaction temperature [J]. J. Chem. Eng. Jahermal degradation of hetro tropically yelpan,1997,(l):186-190[J. Science in China( Series B),1994,(3): 326-[12 EUREC Agency. The future for renewable energy pros-(上接第695页)L输油管道长度,m介质流体摩擦阻力系数;m——投资回收期,a;保温层热导率,W/(m·K)n—折算系数,取n=4λ,土壤热导率,W/(m·K);P—钢管及保温层的年成本,元;y—油品的运动粘度,m2/P—管道的年耗佣金额,元;p—油品密度kg/m3;P—保温材料(含保护层)价格,元/m3;p钢材密度,kg/m3;P—热娴的价格,元/小;ψ6—系数P,钢管价格,元/kg;P——油品压力,Pa参考文献q。油品质量流量,kg/s流体温度,K;[1]吴双应,曾丹苓,李友荣.管道及其保温层同步设计的T流体进口温度,K;新方法[J],化工学报,2002,53(12):1307-1310T流体出口温度,K[2]李友荣,吴双应曾丹苓.一种新的热力管道及其保温T——管道埋深处土壤温度,K;层设计方法[J],热能动力工程,2001,16(2):145-t——输油管道年工作时间,s;147。油品流速,m/s[3]杨筱蘅.输油管道设计与管理[M].东营:石油大学△S单位工作时间对流传热引起的熵产,J/(K·s);出版社,1996.△S—单位工作时间粘性流动引起的熵产,J/(K·s);[4]倪振伟.换热器的熵增计算法与总熵增率[J].工程8保温层厚度,m;热物理学报,1988,9(1):4-6δ最佳保温层厚度,m;中国煤化工CNMHG