生物质能利用技术的发展概况

山东化工54·SHANDONG CHEMICAL INDUSTRY2013年第42卷生物质能利用技术的发展概况张丽萍(青岛科技大学化工学院山东青岛266042)摘要:生物质能是替代化石能源满足能源需求的一种可再生能源,目前,世界上的许多国家已将焦点关注到生物质能的开发与利用。本文介绍了生物质及生物质能,分析生物质热裂解的机理,阐述生物质能的转化利用技术及生物质热裂解的工艺流程。展望了生物质作为清洁能源的发展趋势。关键词:生物质;热裂解;裂解机理;裂解工艺中图分类号:S216文献标识码:A文章编号:1008-021X(2013)04-0054随着全球人口与日俱增,世界正严重依赖化石今的技术和工艺,如果使用合理的话,由生物质产出燃料来满足对能源日益增长的需求。尤其像石油、的燃料会比化石燃料对环境的影响小。天然气这类燃料将被耗尽,此外化石能源及核能源2生物质热裂解概述的消耗与威胁到人类健康的环境问题紧密联系在了2.1生物质热裂解一起。目前,世界上的很多国家都已将焦点关注生物质裂解是指在没有氧化剂空气氧气等存在到生物质能的开发与利用尤其是秸秆热裂解技术,或者是只提供有限氧的条件下,将生物质加热到它是近几年来发展快速且非常可靠的一种秸秆能源500℃左右,通过热化学反应将木质素、纤维素、半纤利用的热化学处理技术,能够将固体的秸秆原料转维素等生物质大分子物质分解成较小分子的燃料物化为具有高品位的生物油燃料,是人类开发利用可质,可燃气、生物油、固体炭的一种热化学的转化技再生能源的一中极其有效的途径术1生物质及生物质能2.2生物质热解机理1.1生物质22.1纤维素裂解模型:纤维素在低温和中等温度光合作用形成的各种有机体称为生物质,是一下进行热分解时,被广泛接受的热解反应模式如图种持续性的资源。生物质是地球上存在最广泛1所示。的物质,生物质是一切有生命的可以生长的有机物质的统称。灰,H2O.C0:,CO1.2生物质能纤维素生物质能是生物质中的一种能量形式,它是太焦油阳能用化学能的方式固定在了生物质中,生物质能来源于植物的光合作用,这种能量形式是以生物质图1纤维素分解反应模式作为载体,其作用过程如下:很多研究学者研究了该基本机理,在此基础上,xCO2+yH,0植物光合作用Kier和 Broido(1965)做出了一个概念性框架,这+C(H20)+x02个框架被广泛釆用,其反应途径如图2所示。生物质能够提供14%的能源需求,对于现如(放热)脱水纤维素”冰—炭+水CO2+00等200-280℃经些有序的竞争反应纤维素280-340c(吸热)焦油(主要是右旋聚糖)图2纤维素分解反应模式(由Kier和 broido提出)收稿日期:2013-03-16中国煤化工作者简介:张丽萍(1987—),女,山东淄博人,硕士研究生,研究方向:多相CNMHG第4期张丽萍生物质能利用技术的发展概况55·由图2可看出,在较低的升温速率下,炭的生成与纤维素和半纤维素相比,木质素的结构缺少量增加但焦油的产量会减少。Anl等对图2给重复单元间的有序性和规则性,它是一种复杂的聚予了分析在脱水作用下纤维素变为脱水纤维素,合物其裂解机理也更为复杂。木质素在热解时,其然后脱水纤维素在进一步的分解作用下会生成一系热解产物焦炭的产率要比纤维素和半纤维素高的列的挥发物质及固体炭。当温度稍高时,纤维素的多。解聚反应会与脱水纤维素竟争,反应生成焦油。3生物质能转化利用技术2.2.2半纤维素裂解模型生物质燃料可用于日常生活中的方方面面,生与纤维素相比,构成半纤维素的高分子的各个物质能转化利用的方式也多种多样,如:物理转化、支链极其不稳定,在酸解、碱解热效应的影响作用生物转化、化学转化等。生物质可通过物理方法转下,各个支链易发生水解或热裂解过程。当温度接化为固体的燃料生物化学法转化为沼气、甲醇、乙近200℃时,半纤维素会开始分解,它的热解温度是醇等。热化学法可生成生物油固体焦炭等。生物最低的,并且分解的温度范围也最窄。质的主要利用途径如图3所示。22,3木质素裂解模型物理转化圊体燃料厌氡发酵脖,沼气生物化学轼代生物质生物酶转化乙醇甲醇等高压加汽汕/柴汕成型/馏→固体侏为性化精犁汽油/柴油热化学转化曲放修液体物精制乳化◆乳化油分氧化然汽重终氢气休离提纯FT合成化学晶直接燃烧液体燃料热、高压蒸汽图3生物质能转化利用技术3.1物理转化322厌氧发酵技术生物质固化成型是将生物质原料经过干燥、粉厌氧发酵是指在隔绝氧气的条件下,生物质在碎到一定的粒度然后在一定的温度压力和湿度条细菌的作用下进行分解。将制药厂废水、人畜粪便件下使生物质原料颗粒的位置重新排列,发生机械等有机废水放置于厌氧发酵罐中,厌氧发酵细菌先变形和塑性变形,成为密度较大、形状规则燃烧值将结构复杂的有机物水解发酵为H2、CO2、有机酸、高的固体燃料的一个过程101醇等产物,然后放人产氢、产乙酸、产CH4的菌种,32生物化学转化技术12这样在菌种的分解作用下可生成CH4和CO2的气应用生物化学法把生物质转化成气体及液体燃体混合物。料的一种技术称为生物化学转化技术。分为生物质32.3生物质生物制氢技术水解技术厌氧发酵技术和生物质生物制氢技术。光合微生物制氢主要是光合细菌和藻类,它们3.2.1生物质水解技术通过光合作用将底物进行分解生成氢气。生物质制取乙醇最主要的原料是木质纤维素、3.3热化学转化技术淀粉等。生物技术制备乙醇是通过化学水解或酶催生物质热化学转化技术的应用较广泛,它包化的作用下转化为乙醇。这种化学水解技术能耗较括:生物质气化直接燃烧生物质液化生物质热裂高,生产过程污染严重且成本高,缺乏一定的竞争解等。中国煤化工力,目前正开发利用酶催化法水解。33.1直CNMHG山东化工SHANDONG CHEMICAL INDUSTRY2013年第42卷锅炉燃烧和炉灶燃烧是生物质直接燃烧法的两就是生物质的液化。生物燃油是由生物质经液化过种方式。其中,前者是把生物质作为锅炉的燃料,它程产出的燃料油。生物质液化既可以制取甲醇、乙采用较为先进的燃烧技术,这样使得生物质的利用醇等化工产品,又可以用来生产燃料油。生物质液效率明显增大,该技术适用于大规模的且集中的生化过程是缓解石化能源危机的一种有效方法,它将物质资源的利用。炉灶燃烧投资较少并且操作非常成为今后关注的一个热点问题(2。的简便,但其燃烧效率很低,这样就会造成生物质资3.3.4生物质热裂解技术源的浪费生物质热裂解是在无氧400~500℃的中等反3.3.2生物质气化法应温度、大约1s内的停留时间的条件下,高速升温在800~900℃的高温下生物质部分氧化,或者进行快速裂解生成可燃气、生物油和炭粉的过程。是在完全缺氧的条件下将生物质转化为小分子可燃产物经冷却后得到深棕色的生物油。气的过程,这样的过程称为生物质的气化。目前,应4生物质热裂解工艺流程用较多的气化剂是空气,生成的产物有H2、COCH20世纪70年代,人们就开始对生物质快速裂等可燃气体,这些产品既可以用作燃料又可作为化解进行研究,但快速裂解的条件较难控制,生物质快工生产的原料。气化过程用的气化剂主要是空气或速热解技术还不成熟,热解过程中热能利用率低,生水蒸汽,使用的气化剂不同那么得到的燃料也不尽物质热解亟待解决的问题就是高效、综合的提高其相同{。热能的利用率。对此,青岛科技大学1提出了生物3.3.3生物质液化法质热裂解一种新的工艺流程。它能够高效的提高裂用生物质作原料,经过特殊的液化工艺转化成解过程热能利用率降低生产的成本,工艺流程简图为一种新型、绿色并且可以再生的液体燃料的过程如图4所示。]“提升“裂种风分肉斗F馏洗涤茸冷凝器油水分离空气预热器轻油安粉冷却却器烟气冷却器垂油图4秸秆热裂解工艺流程简图将地槽中粉碎的秸秆物料干燥后提升至料仓,作为能源对其加热整个过程使用自身产的燃气供物料由料仓送至裂解炉进参与裂解。裂解的产物经热,热量能充分的被利用。整套装置不排放任何的旋风分离器进行气固分离旋风分离器分离出的气污染物,精馏洗涤塔塔底排出的含渣高沸物的量少态物质进入到精馏洗涤塔洗涤,塔顶排出的气体经此工艺流程可广泛的用于生物质快速裂解的生产过冷凝器冷凝后的物质送油水分离器分离,所得轻油程。部分收集,一部分作为精馏洗涤塔的回流。塔底5结论与展望我国是农业大国,生物质资源丰富,开发利用生排出的重油经冷却器冷却后出重油产品。旋风分离物质能是我国可持续发展的重要内容。生物质秸秆器分离出的固态物炭粉经炭粉冷却器冷却冷却后作为一种洁净的可再生能源,它的开发利用受到人的炭粉送炭粉储槽。将裂解炉排出的烟气与空气预们的关注,在生物质转化工艺中,其最具发展潜力的热器中的冷空气进行换热,冷空气被加热后送到裂前言技术之一就是生物质裂解技术因此生物质作解炉参与裂解,烟气经烟气冷却器冷却至150℃以为代替石油化工能源的一种新型能源,其研究和开下后再将烟气送到原料槽对物流进行干燥和提升。发将成为世中国煤化工本工艺的特点是:裂解炉不需要任何化石燃料HCNMHG(下转第62页)出!东化工SHANDONG CHEMICAL INDUSTRY2013年第42卷[11] Khare G P, Engelbert D. Transport desulfurization process现状[J].化工生产与技术,200,16(1):44-47utilizing a sulfur sorbent that is both fluidizable and circu-[19]刘惠顾中铸,赵孝保石油生物脱硫技术研究进展datable and a method of making such sulfur sorbent: USAJ].环境工程,2008,26:176-1795914292[P].1999-06-22[20] Alexander B D, Huff G A, Pradhan VR, et al. Multiple[12] Song C. An overview of new approaches to deep desulfustage sulfur removal process: USA 6059962[P].2000rization for ultra- clean gasoline, diesel fuel and jet fuel[J]. Catalysis Today, 2003, 86: 211-263[21] Peter K, Vollhardt C, Schore N E. Organic Chemistry[13] Ma X L, Sun L, Song C. A new approach to deep desul[C]. NEW YORK: W H Freeman and Company, 1999furization of gasoline, diesel fuel and jet fuel by selectivel124-1128adsorption for ultra-clean fuels and for fuel cell applica[22 Belliere V, Geantet C, Vrinat M, et al. Alkylation of 3tions[ J]. Catalysis Today, 2002, 77 107-116Methylthiophene with 2- Methyl-2- butene over a Ze-[14]刘章勇张玉贞张小英等轻质油品溶剂萃取脱硫技olitic Catalyst[ C]. Energy Fuels, 2004, 18(6): 1806术研究[门].应用化工,2009,38(7):1067-10721813.[15]朴香兰杜晓朱慎林室温离子液体[Bmm]Bes的萃23] Prachan R, Burnett P A, Mcdaniel S,eta. Multiple取脱硫性能[J.化工进展,2007,26(512):1754-stage process for removal of sulfur from components for1757blending of transportation fuels: USA, 2003034276[P[16] Otsuki S, Nonaka T, Takashima N, et al. Oxidative des-ulfurization of light gas oil and vacuum gas oil by oxidation [24] Alexander B D, Huff G A, Pradhan V R, et al. Sulfur Re-and solvent extraction[J]. Energy Fuels, 2000, 14moval Process: USA, 6024865[P]. 2000-02-151232-1239[17李春品沈健汽油和柴油的氧化脱硫技术新进展[J.(本文文献格式:曹黄,马凯迪FC汽油精制脱化学工业与工程,2009,26(3):268-272硫技术研究与应用进展[J].山东化工,2013,42[18】程晓明王治红诸林等汽柴油深度脱硫方法及发展(4):517-62(上接第56页)究[D]浙江:渐江大学,2008参考文献[10]袁振宏,吴创之,马隆龙,等.生物质能利用原理与技术[M].北京:化学工业出版社,2004[1] Vamvuka D. Bio-oil solid and gaseous biofuels from bicmass pyrolysis processes-an overview[J]. Int J Energy[11] Bhattacharya S C, Leon M Augustus. Rahman Mizanur,Res,2011,35(10):835-862.et al. a study on improved biomass briquetting[ J]. Ener-2]范婷婷生物质快速热解实验研究与分析[D].天津:天gy for Sustainable Development, 2002, 6(2): 67-71津大学,2009[12]蒋剑春.生物质能源转化技术与应用(I)[J生物质[3] FaaijA Modern biomass conversion technologies[ J].Miti化学工程,2007,41(3):59-65gation and Adapation Strategies for Global Change, 2006[13]姚向军,田宜水.生物质能源清洁转化利用技术[M].北京:化学工业出版社,200511:343[4]杨海平,陈汉平,王贤华,等.生物质热解研究的进展4余珂胡兆吉刘秀英.国内外生物质能利用技术研[冂].煤气与热力,2006,26(5):18-22究进展[J].江西化工,2006(4):30-33[5]王新运,吴风义,万新军,生物质裂解机理模型的研究[15]廖益强,黄彪,陆则坚.生物质资源热化学转化技术研进展[J]广州化工,209,37(6):15-17究现状[J]生物质化学工程,2008,42(2):50-54[6]Kilzer R J, Broido A. speculations on the nature of cellu[16]匡云,段权鹏,高顺.生物质热化学转化技术研究lose pyrolysis[J]. Pyrodynamics, 1965, 2: 152-157进展[J].湖北电力,2012,36(3):56-597] ANTAL M J, FRIEDMAN H. Kinetic of cellulose pyrolysis[17]丁赤民,李建隆.秸秆快速热裂解过程的高校热能利in nitrogen and steam[J]. Combustion Science and Tech-用方法:CN,101613613[P].20-12-30[8]王新运,吴风义,万新军生物质裂解机理模型的研究(本文文献格式张丽萍生物质能利用技术的发展进展[J].广州化工,2009,37(6):15-17概况[J]TYH中国煤化工56,62.)[9]王琦生物质快速热裂解制取生物油及其后续应用研CNMHG