生物质能利用技术比较与分析

科技信息O科教前沿SCIENCE TECHNOLOGY INFORMATION2008年第22期生物质能利用技术比较与分析郭培军(滨州市技术学院山东滨州256603)【擴要】分析生物质能在能源系统中的重要地位,指出开发利用生物质能在我国尤其是在农村地区实现可持续发展战略的童要意义。在对国内外生物质能技术现状进行分析、比较的基瑞上,晨望生物质能技术的发展方向。【关键词】生物质能;比较;分析1引盲为能源用途。薪柴的来源主要为林业采伐、育林修剪和薪炭林。一项调随着世界经济的飞速发展,人类正面临着发展与环境的双重压查表明:我国年均薪柴产量约为1.27亿吨折合标准煤074亿吨;禽力。经济社会的发展要以能源为重要动力经济发展越快,能源消耗越畜粪便资源量约1.3亿吨标准煤;城市垃圾生产量约12亿吨左右,并多,尤其是化石燃料消费的增加。这就有两个突出问题摆在我们面前:以每年8%-10%的速度增。据估算,我国可开发的生物质能资源总量一是化石能源面临枯竭;二是造成的环境污染日益严重约7亿吨标准煤国。按消费量推算,世界石油资源在今后50年到80年间将最终消耗综上所述,一方面化石能源日益减少,面临枯竭。随着我国经济的尽。到2059年,也就是世界上第一口油井开钻二百周年之际,世界快速增长,石油生产量远落后于需求量的增长速度,中国已经面临严石油资源大概所剩无几。据世界三大石油公司埃克森-美乎、BP和英重的石油危机。另一方面我国生物质资源丰富,开发利用的潜力非常荷壳牌2003年的年撇预测,按照目前已探明的世界石油储量和开采巨大。因此,开发利用生物质能对我国具有重大的战略意义。速度,全球石油的平稳供应只能维持40.6年。尽管各界对石油枯竭的2生物质能的优点地球上能量的终极来源,除形成之初集聚预测数字一直存有争议,但一个不争的事实是,全球石油资源正在日的核能与地热外,与我们关系触为密切的是地球形成后持续来自太阳趋减少。就连石油储量最丰高的沙特阿拉伯最近也有报道,其石油开的辎射。绿色植物出现前辎射能尽散失于大气,唯绿色植物可利用日采中的水分含量越来越高光能将它吸收的二氧化碳和水合成为有机碳水化合物,将光能转化为就中国而言,我国的石油产量在1995年到2000年间保持着化学能并贮存下来。绿色植物是光能转换器和能源之源,碳水化合物1.9%的年均增长率,但石油的需求量却以53%的年均增长率飞速上是光能储藏库,生物质是光能循环转化的载体,连煤炭、石油和天然气升,供需矛盾日益加剧。据估算,至2020年,液体能源消费需求量将达也是地质时代的绿色植物在地质作用影响下转化而成的较之石油等到5亿吨标准煤以上。至于石油生产量,至2020年仅为39亿吨叫,石化石燃料,生物质能有以下优点:油进口依赖度将达到40%左右,这不仅严重制约我国的经济发展,还分布广泛,储量巨大生物质是地球上最广泛存在的物质,它将严重威胁到国家的安全包括所有动物、植物和微生物,及由这些生命物质派生、排泄和代谢的另一方面由于过度消费化石燃料,过快、过早地消耗了这些有限许多有机质各种生物质都具有一定能量。以生物质为载体由生物质的资源,释放大量的多氽能量和碳素,打破了自然界的能量和碳平衡,产生的能量便是生物质能。生物质是惟一可以转换为清洁燃料的可再造成臭氧层破坏,全球气候变暖酸雨,引起疾病、农业减产等严重后生能源,它是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式,直果,极大地污染了人类赖以生存的环境接或问接来源于植物的光合作用。生物质能源十分丰富,在全球能源这就是说,如果不发展出新的能源来取代化石常规能源在能源结结构中占有十分重要的位置。生物质能的主要来源有薪柴、牲畜粪便构中的主导地位,在21世纪必将发生严重的、灾难性的能源和环境危制糖作物、城市垃圾和污水,水生植物等。生物专家估计,地球上每年机,是人类在下一世纪所面临的三大最可能发生的灾难之一冈。因此,生长的生物质总量为1400~-1800亿吨(干重)热当鼓为3×10J左右寻找替代石油的燃料已成为全球日益紧迫的课题相当于目前世界总能耗的10倍。在世界能源和环境问题越来越严峻的背景下,利用可再生生物质2.具有可再生性众所周知,煤、石油、天然气等化石能源均是不能源的技术被广泛的关注可冉生的一次能源,在自然界中的储量有限。而生物质是一种可再生2生物质能源概述能源,只要对其进行合理的综合开发利用,生物质可以在自然界中实生物质能是由植物的光合作用固定于地球上的太阳能是最有可现循环冉生。因此可以说生物质能是一种取之不尽、用之不竭的能源能成为21世纪替代化石燃料的新能源之一。据估计,植物每年贮存的3.二氧化碳的零排放由于生物质燃烧时二氧化碳的排放量等于能量约相当于世界主要燃料消耗量的10倍,而作为能源的利用量还进行光合作用时从自然界吸收的二氧化碳的景也就是说生物质二氧不到其总量的1%。这些未加以利用的生物质,为完成自然界的碳循化碳的排放和吸收构成自然界碳循环,所以说生物质能源的利用过程环,其绝大部分由自然腐解将能量和碳素释放,回到自然界中。能实现二氧化碳的零排放。实践证明,生物质能源对减少二氧化碳排事实上,生物质能源是人类利用最早最多、嫩直接的能源,至今,放的作用是十分明显的,所以生物质能源是种高度清洁的能源技世界上仍有15亿以上的人口以生物质能作为生活能源。生物质燃烧术,是减少温室气体排放、防止全球环境恶化的一种科学选择是传统的利用方式,不仅热效率低下,而且劳动强度大污染严重。通4氮硫和灰分含量少生物质能属于清洁能源生物质中有害过生物质能转换技术可以高效地利用生物质能源,生产各种清洁燃物质(氮、硫和灰分等)的含量仅为中质烟煤的1/10左右,因此,与化料替代煤炭、石油和天然气等燃料生产电力。而减少对矿物能源的石燃料相比,在生物质的转化利用过程中可以大量减少SOx、NOx和依赖保护国家能源资源,减轻能源消费给环境造成的污染。专家认粉尘的排放。从而减少酸雨的形成减轻对环境的污染保护生态环境为生物质能源将成为未来持续能源的重要组成部分,到2015年,全。球总能耗将有40%来自生物质能源围。我国基本上是一个农业国家,农村人口占总人口的70%以上,生物质能一直是农村的主要能源之国现有森林、草原和耕地面积414亿公顷,理论上生物质资源可达650亿吨/年以上(在每平方公里土地面积上,植物经过光合作用而产生的有机碳量,每年约为158吨)。以平均热值为15000千焦/公斤计算,折合理论资源量为33亿吨标准煤,相当于我国目前年总能耗的3中国煤化工倍以上。日前可以作为能源利用的生物质主要包括秸秆、薪柴、禽畜粪便、生活垃圾和有机废渣废水等。CNMHG据调查,目前我国秸秆资源量已超过72亿吨约36亿吨标准煤除约12亿吨作为饲料、造纸、纺织和建材等用途外,其余6亿吨可作科技信息◎科教前沿OSCIENCE TECHNOLOGY INFORMATION2008年第22则22生物质能的利用技术a生物质直接燃烧目前,世界上有许多直接燃烧生物质燃料的221生物质能转化利用形式人类利用生物质由来已久,因此燃烧设备,主要分布在林木产区、木材工业区和造纸工业区。作为燃料生物质的利用技术形式多种多样,参见下图的生物质包括木材废木料纸浆作业产生的废液食品加工业的废物1生物转换生物转换是利用微生物(如厌氧豳、光合细菌、酵母和城市固体垃圾等。很多大型燃烧设备的效率在性能上已经接近于使菌等)在一定的温度和无氧条件下,将生物质降解产生小分子化合物用矿物燃料的锅炉。英国 Fibrat电站的三台额定负荷为127MW(如甲烷、乙醇、氢气等)的过程。生物转换主要包括厌氧发酵制取沼气、13.5MW和385Mw的锅炉,每年直接燃用75万t的家禽粪,发电量足生物质发酵制取乙醇和生物质发酵制氢。目前比较成熟的技术主要是够10万个家庭使用;禽粪经燃烧后重量减轻90%,便于运输,并作为沼气和乙醇制取技术,而发酵制氢尚处于探索阶段肥料在全英和中东及远东销售。2热化学转换热化学转换技术主要包括直接燃烧热解气化b.生物质和矿石燃料的混合燃烧由于大部分的生物质燃料的液化。虽然各种生物质所含成分不尽相同,但均可通过热化学作用含水率较高,因此其燃烧效率较低。实践证明,采用生物质与矿石燃料转化。的混合燃烧技术可以提高效率,热经济性较好(1)热解热解又称裂解,是指生物质在缺氧条件下利用热能切断生物质与矿物燃料的混烧技术在我国开发前景也非常广阔,对于大分子量的有机物、碳氢化合物使之转变为含碳数更少的低分子量我国许多现役链条炉和循环流化床锅炉来说,运用混烧技术不需对设物质的过程。生物质的热解是一个复杂的化学反应过程,包括大分子备作过大改动,投资费用低,利用率高。的键断裂异构化和小分子的聚合等反应,最后生成各种较小的分子22.2生物质利用技术比较由于世界各国的国情不同,生物质热解过程的产物包括气体、液体和固体木炭。它既可以作为一个独立能的利用技术在水平和方式上存在很大差异。目前在各种生物质能利的过程,也可以是燃烧、炭化、液化、气化等过程的一个中间过程取决用技术中,有些已处于实用阶段,有些尚待进一步研究开发。下表对国于各热化学转化反应的动力学,也取决于产物的组成、特征和分布。内外各种生物质能转换技术进行了比较。热解产物主要有焦炭、焦油、水溶性有机物、气态产物等。受热解生物质能利用技术发展情况综合比较条件包括热解系统热解方式和催化剂和生物质类型的影响热解产「项目热解气化热解液化生物乙醇物的产量及组成有很大的差异,产物的成分非常复杂。热解技术按照产物形态不同可分为炭化热解气化和热解液化国现状已充分开发示范阶段技术成熟完全商业化盘热解气化热解气化产物目前主要用于发电和酒精合成。一国家已开始生物质气化产生氢气的研究。在发电方面,国外现在的研商业化发电实现商业化寻找廉价原商业化发电究主要集中在提高整体式气化联合循环(CCC技术的实用性和效率气化效率及上。瑞典美国芬兰、荷兰奥地利加拿大、瑞土和印度等国在积极存在的济性数低提高效率;高温腐蚀和床探索提高IGCC效率的同时,在气化过程中气态产物的清洗技术、低热值生物质气化燃料的流化床燃烧技术、气化过程中碱金属沉淀及床术有待完善凝结等方面也做了系统的研究。我国热解气化技术的研究主要集中在稻壳和秸秆的气化技术上,先后完成了25kW-200kW采用各种不同气化方式机组的研制。中国科学院广州能源所已完成发电能力为图现状较充分开发实验研究阶|技术成熟技术尚需完实现商业化发180kW的气化发电系统,1998年起承担由国家科委支持的100kW生技术推广物质气化发电机组的研究。辽宁省能源研究所与意大利ENEA正在进电及供热技术上成熟行“生物质气化发电及其综合利用的合作研究,并已对意大利提供的机组容散小实现商业化发电及供热一套固定床气化发电系统及测试分析系统进行了调试实验和测试。清存在的低气体净著础性技术|成本教高华大学、北京电力研究所和哈尔滨工业大学等对稻壳在流化床中的热化及焦油、灰研究有待进粮食安全储备的影响同国外解气化进行了实验研究。日前气化发电存在的主要问题是机组容量较和废水处理一步发展小、气化效率低、发电效率低,并且面临着气体净化,提高设备利用率解决焦油处理灰分和废水处理带来的二次污染等问题3结论b热解液化生物质的热解液化技术中快速热解由于能获得最综上所述,热解气化和生物乙醇技术已经基本成熟,开发比较充大量的液化产物(油)而受到广泛重视。美国和加拿大在液化技术领域分。燃烧技术对燃料的利用率比较低,只有17%左右由于现在全球的处于领先地位,先后建成了一些最高处理能力达2h的商业化或实验石油液体燃料已经面临枯竭,而生物质液化的主要优点是可以把生物性的工厂。意大利、比利时、四班牙、德国、英国在20世纪90年代初质制成油品燃料作为石油产品替代品,用途和附加值大大提高,所以期利用本国技术或北美的技术先后建立了一批快速热解项目。国外其发展前景更加广蠲。因此,在国内外有关生物质的高效能源的利用目前利用生物质热解技术制取的液化油得率可达80%,液化油的高位研究中,生物质快速热解生产生物油是近些年的热点热值约为I7Mkg。液化油的利用研究主要集中在直接燃烧、燃机、燃气轮机、合成燃料及化工等方面。【参考文献】生物质的热解液化技术在我国日前尚处于试验研充阶段。清华大[]振宏,蔺国芬我国的生物质能源中华太阳网学以杨木屑为研究对象,在不同的热解温度,升温速率和挥发性产物[2]孙利源生物质能利用技术比较与分析门能源研究与信息2004,20(2):69-停留时间条件下,运用裂解气相色谱法对杨木木屑快速热解气,液、固73.种产物及气体组份的分布规律进行了研究。浙江大学对生物质废弃[3]振宏200境、可再生能源和节能国际研讨会2003129物在回转窑中的热解特性以及各种碱金属和相关无机元素在生物质[4易维明生物质利用导论中国农业科技出版社,1991热解中的析出行为进行了研究。上海理工大学、东南大学等也正在从51付数非生物质能是惟一可以转换为清沽燃料的可再生能源中国矿业报同的角度对生物质液化技术进行研究。2004-11-18.6]贸振航第四讲绿色的生物质能,节能·环保,2004(5):53-54.2燃烧技术生物质燃烧技术是将生物质原料直接送入燃烧设备(7王革华我国生物质能利用技术展望农业工程学报第15卷第4别燃烧,利用燃烧过程中放出的热量加热工质以产生蒸汽用于供热或发电。按照燃料分类,可将生物质燃烧技术分为生物质的直接燃烧及生责任编辑:翟成粱]物质和矿物燃料的混合燃烧。中国煤化工CNMHG