可再生能源-生物质能.ppt

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1、第四章生物质能Biomass Energy,一、生物质能源的分布现状：生物质能源是人类利用最早，最多，最直接的能源，在18世纪大规模的利用煤燃料以前，人类主要依靠木材作燃料。至今，世界上仍有15亿以上的人口以生物质作为生活能源。,1.生物质能的构成：生物质能包括植物，动物排泄物，垃圾及有机废水等。从广义上说，生物质能是植物通过光合作用生成的有机物，它的最初来源是太阳能，所以它是太阳能的一种，同时也是可再生的。,由于生物质能的载体是有机物，所以这种能源是以实物的形式存在的，是唯一一种可存储和可运输的可再生能源。,从化学角度来看：生物质的组成是C-H化合物，它与常规的矿物能源如石油，煤等是同类（煤

2、和石油都是生物质经过长期转换而来的），所以它的特性和利用方式与矿物燃料有很大的相似性，可以充分利用已经发展起来的常规能源技术来开发利用生物质能。,生物质所蕴藏的能量是相当惊人的，根据生物学家估算，地球上每年生长的生物质能总量约为14001800亿吨（干重），相当于目前世界总能耗的10倍。我国的生物质能也极为丰富，例如现在每年的秸秆量约6.5亿吨，到2010年将达到7.26亿吨，相当于5亿吨标煤,柴薪和林业废弃物数量也很大，林业废弃物(不包括柴薪林），每年约达3700立方米，相当于2000万吨标煤。如果考虑日益增多的城市垃圾和生活污水，禽畜粪便等其他生物质资源，我国每年的生物质资源达6亿吨标煤以

3、上。,扣除了一部分做饲料和其他原料，可开发为能源的生物质资源达3亿多吨标煤，而随着农业和林业的发展，特别是随着速生炭薪林的开发推广，我国的生物质资源将越来越多，有非常大的开发和利用潜力。,从环境效益上来看，利用生物质可以实现CO2的零排放，从根本上解决能源消耗带来的温室效应问题。随着全球环境问题的日益严重，发达国家主要关心的是生物质能对减少CO2排放上的作用，加上发展速生能源作物有利于改善生态环境，,不会遗留有害物质或改变自然界的生态平衡，对今后人类长远发展和生存环境有重要意义，所以先进国家大都把上物质能利用技术作为一种重要的能源技术来发展，对生物质能的研究越来越重视。,在全世界能源中，生物质

4、能占据重要地位。根据国际能源机构的估算水、陆生物质产量的热当量为3 x IO21J左右，是全球目前总能耗量的10倍。地球每年地球上每年生物质能资源约为世界能源消耗量的38倍。,而生物质的自然分解产生甲烷，与CO2相比，甲烷作为温室效应气体的活性要高20倍。显然，开发利用生物质能是解决能源与环境问题的一条根本途径。,生物质燃烧是传统的利用方式，但是热效率低下，而且劳动强度大，污染严重。通过生物质能转换技术可以高效的利用生物质能源，生产各种清洁燃料，替代煤炭，石油和天然气等燃料；还可以生产电力，减少对矿物能源的依赖，保护国家能源资源，减轻能源消费给环境造成的污染。,专家认为，生物质能源将成为未来持

5、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。目前，世界各国在调整本国能源发展战略中，已把高效利用生物质能摆在技术开发的一个重要地位，作为能源利用中的重要课题。,目前欧洲生物质能约占总能源消费量的2%，预计15年后将达到15%。现在制定的计划要求到2020年，生物质燃料将代替20%的化石燃料。美国在此方面发展较快，目前已装机9000MW，2002年可再生能源研究投入占其能源领域R&D总投入的1/3，,预计2015年生物质乙醇产量为44亿加仑，2020年发电将达3000MW。同时，其他许多国家也制定了相应的生物质能开发研究计划，如日本的新阳光计划，巴西的乙醇能源计划等。

6、,CO H2,气体燃料,汽、煤、柴油,醇、醚,生物质定向转换制备清洁燃料示意图,定向转换,生物质,燃烧,生物质是指由光合作用而产生的各种有机体。光合作用即利用空气中的二氧化碳和土壤中的水，将吸收的太阳能转换为碳水化合物和氧气的过程。植物 水+二氧化碳 有机体+氧 太阳能,生 物 质 能,奥地利：建立燃烧木材剩余物的区域供电站，生物质能在总能耗中的比例由原来大约2%激增到2000年底的25%。到目前为止该国已拥有装机容量为12兆瓦的区域供热站8090座。瑞典和丹麦正在实行利用生物质进行发电的计划，使生物质能在转换为高品位电能的同时满足供热的需求，以大大提高其转换效率。在瑞典，生物质能源为其供热和

7、发电提供了26的燃料。,国外生物质能展状况举例1,美国在利用生物质能发电方面处于世界领先地位。1992年，利用生物质发电的电站约有1,000家，发电装机容量已达650万千瓦，年发电42亿度，消耗4,500万吨生物质燃料。美国还重视木质能源在林产品工业中的应用。1980年，美国14家最大的林产品公司利用木质燃料提供了自身所需要的70%的能量；19801986年，绝大多数新建的林产品制造厂均从本身的剩余物中获得了所需的几乎全部的能量。,国外生物质能展状况举例2,我国基本上是一个农业国家，农村人口占总人口的70%以上，生物质一直是农村的主要能源之一，在国家能源构成中也占有重要地位。我国拥有丰富的生物

8、质能资源，一般说，实际可开发的生物质能资源主要指各种能也废弃物（薪柴和林业废弃物），有机废水（生活和工业），有机垃圾（生活和工业）和人畜粪便等。,据统计，我国秸秆，薪柴，粪便和垃圾4项资源的年产量分别为3.08亿吨，1.3亿吨，0.77亿吨和1.43亿吨标煤，总计约6.56亿吨标。但是长期以来，这些生物质并未得到充分合理的利用，目前利用率估计只有30%左右，而且其能源利用方式，大多生物质以直接燃烧为主，燃烧效率低于10%。,如此，对社会，经济，环境和生态等都造成了严重的不良影响。今后我国必须调整能源结构，大力发展可再生能源和其他非常规能源，以减少能源消耗给环境造成的压力同时提高能源的稳定性和安

9、全性。,二、生物质气化技术生物质气化技术是通过热化学反应将固态生物质转换为气体燃料的过程。生物质气化技术已有一百多年的历史。最初的气化反应器产生于1883年，他以木炭为原料，气化后的燃气驱动内燃机，他以木炭为原料，气化后的燃气驱动内燃机，推动早期的汽车或农业排灌机械。,在20世纪20年代大规模开发使用石油以前，汽化器与内燃机的结合一直是人们获取动力的有效方法。生物质气化技术的鼎盛时期出现在第二次世界大战期间，当时计划所有的燃油都被用于战争，民用燃料匮乏，因此德国大力发展了用于民用汽车的车载气化器，并形成了与汽车发动机配套的完整技术。,以Imbert型及其改进型为代表的车载气化器装备了至少一百万

10、部汽车。主要的燃料是木炭，当木炭缺乏时也可使用优质的硬木。我国在能源困难的20世纪50年代，也曾使用这种方法驱动汽车和农村排灌设备。当时固定床气化反应器的技术水平达到相当完备的程度。,第二次世界大战后，中东地区油田的大规模开发使世界经济的发展获得了廉价优质的能源。几乎所有发达国家的能源结构都转向以石油为主，生物质气化技术在较长时间内陷于停顿状态。1973年秋季发生的石油危机深刻的影响了世界经济乃至政治的格局，使发达国家正在高速增长的经济急转直下,西方各主要工业国家认识到常规能源的不可再生性和分布不均匀性，处于能源和环境战略的考虑，纷纷投入大量人力物力，进行可再生能能源的研究。作为一种重要的新能

11、源技术，生物质气化的研究重新活跃起来，各学科技术的渗透使这一技术发展到新的高度。,主要的技术为固定床气化器和流化床气化器，一般情况已不再使用木炭，而是使用各种木材，林业残余物和稻壳，产生出主要用于发电的可燃气体。小型系统采用固定床气化器和内燃机，大型系统采用流化床气化器和燃气轮机组成联合循环气化发电系统，已经出现了18MW的实验电站。,国内生物质气化技术也在20世纪80年代以后得到了较快发展。20世纪80年代初期，我国研制了由固定床气化器和内燃机组成得稻壳发电机组，形成了200kW稻壳气化发电机组的产品并得到推广。同期中国农业机械研究院，中国林业科学院进行了用固定床木材气化器烘干茶叶，为采暖锅

12、炉供应燃气等尝试,通过农业机械研究院研制了用固定床气化器进行木材烘干技术并得到一定程度的推广。20世纪90年代中期，中国科学院广州能源所进行了流化床气化器的研制，并与内燃机结合组成了流花床气化发电系统，使用木屑的1MW流化床发电系统已经投入商业运行，并取得了较好的效益。,在借鉴国外生物质气化技术的基础上，山东省科学院能源研究所在“七五”期间提出了生物质气化集中供气技术的设想，通过“七五”，“八五”期间的研究和改进，研制成功了秸秆气化机组和集中供气系统中的关键设备，在燃气发生，输配及使用方面形成了配套完整的技术。,1994年建成第一个实际运行的集中供气的试点工程以后，迅速在全国推广，目前全国已经

13、建设了约500个左右的生物质气化集中供气工程。生物质气化集中供气技术在高效利用农村剩余秸秆，减轻由于秸秆大量过剩引起的环境问题，为农村居民供应清洁的生活燃料方面已经开始发挥作用，逐渐成为以低品位生物质原料供应农村现代生活燃气的新事业。,1.生物质气化系统工程生物质气化技术用于村级集中供气是一个新兴的产业，自1994年在国家科委资助下山东省利一学院能源研究所研制出第一代生物质气机组，到1998年，全国也只有少量的几台机组供用户使用。1998年6月，国家科委、农业部、环境总局在山东济南召开了生物质气化集中供气技术推广现场会以后，这项技术的大规模推广应用才刚刚起步,但大家的注意力大都集中在气化机组的

14、更新换代以及专用灶具的研究与开发上，因而涌现出一大批气化机组及专用灶具的生产企业。通过多年实践应用，使个别生产企业逐渐走向正规化。,比较有代表性的是山东能源所研制并生产的固定床下吸式气化炉及河南省秸秆燃气公司生产的固定床下吸式气化炉都得到了广泛的应用，并且使用效果较好。而河南省能源所研制的JZJ生物质燃气专用灶具更是占据了市场的很大比例。,与此同时，作为生物质气化集中供气系统工程咽喉要道的输配部分，却很少有人问津，导致一大批供气系统的施工企业没有经过正规的设计计算及燃气安全知识的培训而随意施工，无章可循，给用户的人身安全及财产安全带来了极大的隐患。在整个生物质气化集中供气系统工程中，主要存在以

15、下问题:,(1)气化站站址选择不当。生物质燃气较之液化石油气、天然气或人工煤气热值低、输送压力低，但其仍属于易燃易爆品，而现有部分气化站设在距用户的安全距离之内，给用户带来安全隐患。,(2)气柜压力调配不当。因生物质燃气集中供气技术主要面对农村，多数农民的经济能力有限，所以考虑减少投资，而不安装输气调压设备，输气压力靠气柜本身的配重来调配。压力过低，用气高峰时，压力不足，无法满足用户用气;压力过高，造成用户灶前压力过大，使灶具火焰脱火而影响用户使用，并且造成资源浪费。,(3)输气管道的管径不合理。现有部分供气管网的施工队，不经过管道水力计算，仅凭其它燃气工程的施工经验进行管道安装。管径过小，用

16、气高峰时，影响用户正常使用;管径过大，一次投资增大，造成资源浪费。,(4)输气管道坡度不合理。因生物质燃气会携带一定的水分进入输气管道，而现有部分管道坡度过小或根本没有坡度，使管道内的积水无法排出，会导致管道堵塞，从而影响用户用气。,2.生物质气化集中供气技术生物质气化技术，就是生物质原料在缺氧状态下加热反应的能量转换过程。生物质一般由碳、氢、氧等元素和灰分组成，当它们被点燃时，供应少量空气，并且采取措施控制其反应过程，使碳、氢、氧元素变成一氧化碳、甲烷、氢气等可燃气体，生物质中大部分能量都转移到气体中，这就是气化过程。,生物质气化集中供气技术是针对农林废弃物(玉米秆、玉米芯、花生壳、树枝等)

17、所提出的一项规模化利用生物质资源的技术。随着农业、农村经济的发展和农民生活水平的提高，农村对生活燃料的需求发生了较大的变化。高品位能源的需求日益增大，优质燃料用户率递增30%以上，增加了国家优质能源供应的压力，,而在一些地区，作为农村传统燃料之一的农作物秸秆却出现过剩，剩余秸秆随地焚烧，不仅浪费了宝贵的生物质资源，也严重的污染了环境，带来了飞机延误、汽车相撞等严重的社会问题，即被普遍关注，给人民生活和经济建设带来了不良影响。国家有关部委及各级地方政府多次发文要求禁止焚烧秸秆，秸秆资源的有效利用已成为我国农业可持续发展的重要问题。,农作物秸秆数量大、分布广，是农生产的副产品，也是一项重要的生物质

18、能源资源。有效地解决随意焚烧秸秆问题，关键在于为剩余秸秆找出路，进一步搞好综合利用，从而减少污染，保护环境，实现农业资源的再增值。开辟秸秆利用的新途径，研究和推广秸秆等生物质高品位能源转换利用技术，满足农民对优质生活燃料的需求，是农村能源工作的一项重要任务。,利用秸秆热解气化，开创农村利用低品位生物质资源供应现代生活燃气的新事业，符合我国国情。它对增加农村高品位的生活能源，改善生活质量，解放劳动力，增加就业机会，消化农村大量剩余秸秆都有重要的意义。,通过秸秆气化技术的推厂应用，可大幅度提高能源利用率，增加农村能源的有效供给，解决秸秆焚烧造成环境污染的问题，这样对促进农村社会和经济可持续发展和保

19、护生态环境起到积极作用。,（1）生物质气化集中供气系统基本模式为:以自然村为单元，系统规模为数十户到上千户，系统由三部分组成:秸秆气化机组、燃气输配系统和用户燃气系统。工艺系统如图4-1所示。铡成小段的秸秆送入气化炉中经过热解气化反应转换成可燃气体，在净化器中除去燃气中含有的灰尘和焦油等杂质，由风机送至气柜中。,气化炉、燃气净化器和风机组成了秸秆气化机组，气柜的作用是储存一定量的燃气，以平衡系统燃气负荷的波动，并提供恒定的压力，保证用户燃气灶具的稳定燃烧。离开气柜的燃气通过敷设在地下的管网分配到系统中的每家每户。用户打开燃气用具的阀门，就可以方便的使用燃气了,1一螺旋上料器;2一气化炉;3一净

20、化器;4-测温测压点;5-罗茨风机;6一水封;7-湿式气柜;8一集液器;9-阀门;10-一主管网;11一支管网;12一户内系统(包括表具、灶具、阀门)图4-1 生物质气化集中供气系统示意图,气化炉是生物质气化集中供气系统中的核心设备，常见的生物质气化炉可分为流化床和固定床两大类。流化床气化炉是指原料在气化炉中在气化剂的作用下呈沸腾状态，原料与气化剂充分接触，因而气化效率高，物料适用广泛，可连续运行。流化床具有其它床型所不具备的优点。,一个重要的优点是原料适应性强，流化床气化炉不仅能处理各种形状和尺寸的燃料，且可处理高含水量物质。另外，它还具有较高的传热传质速率。由于流化床较高的床层温度及床料中

21、可持续添加诸如石灰石之类的吸收剂，故其所产生的气体中焦油含量较低，添加的石灰石还可阻止床砂粘结及含硫气体的排放,流化床气化炉的反应物料中常常有精选过的颗粒状惰性材料，在吹入气化剂的作用下，物料颗粒和气化剂充分接触，受热均匀，在炉内呈沸腾燃烧状态，流化床气化反应速度快，气化效率高，如内温度高而恒定，是唯一在恒温床上进行反应的气化炉，应温度在700-850oC；另外，焦油也可在流化床内裂解为气体。,流化床气化炉的缺点是结构复杂，设备投资较多，而且燃气中灰分较多。按炉子结构和气化过程，可将流化床气化炉分为单流化床、循环流化床、双流化床和携带流化床四种类型。按吹入气化剂压力的大小，流化床气化炉又可分为

22、常压流化床(气化剂的吹入压力为0.11-0.15 MPa)与加压流化床(气化剂的吹入压力为1.82.2 MPa)两类。,图4-2 单流化床气化炉,单床气化炉只有一个流化床，气化后生成的气化气直接进入气化系统中。气化炉的基本结构如图4-2所示,循环流化床与单流化床气化炉的主要区别在于气化气出中处装有气固分离器，可将气化气携带出来的碳粒和惰性材料颗粒分离出来，返回再次参加反应，提高碳的转化率。循环流化床气化炉的基本结构和工作情况如图4-3所示。,图4-3 循环流化床气化炉,双流化床气化炉(见图4-4)类似于循环流化床气化炉，不同的是第一级反应器的流化介质被第二级反应器加热。在第一级反应中进行裂解反

23、应，在第二级反应器中进行气化反应，双流化床的碳转化率很高。它的基本结构和工作情况如图所示。,图4-4 双流化床气化炉,固定床气化炉是指原料在气化炉内形成床层向下运动，其速度与气化剂运动的速度相比很小，按气体在炉内流动方向，可将固定床气化炉分为下吸式、上吸式和横吸式3种类型。下吸式气化炉的优点是:结构比较简单，工作稳定性好;可随时开盖添料，气体中的焦油在通过下部高温区时，一部分被裂解成小分子永久性气体(再降温时不凝结成液体)，所以出炉的可燃气中焦油含量较少。,它的缺点是：由于炉内的气体流向是自上而下的，而热流的方向上自下而上的，致使引风机从炉栅下抽出可燃气要耗费较大的功率，出炉的可燃气中含有较多

24、的灰分，出炉的可燃气的温度较高，须用水对其进行冷却。下吸式固定床气化炉的基本结构和气化反应示意如图所示。,生物质原料由炉顶的加料口投入炉内，作为气化剂的空气也由进料口进入炉内。炉内的物料自上而下分为干燥层、热分解层、氧化层、还原层。,图4-5 下吸式固定床气化炉,上吸式固定床气化炉的结构和反应过程如图所示，物料自炉顶加料口投入炉内，气化剂由炉体底部进气口进入炉内参与气化反应，反应产生的气化气自下而上流动，由可燃气出口排出。,图4-6 上吸式固定床气化炉,横吸式固定床气化炉的气化剂由炉子的一侧供给，产生的可燃气从炉子的另一侧抽出，该种炉子所用的原料多为木炭，反应温度很高。该气化炉在南美洲得到了广

25、泛应用,图4-7 横吸式固定床气化炉,生物质燃气灶具是生物质气化集中供气系统的终端设备，也是关键的设备之一，它直接影响到用户的用气效果，也是整个系统成功与否的最终体现。目前全国范围内使用效果较好的生物质燃气灶具是河南省科学院能源研究所研制的JZJ生物质燃气专用灶具。,目前全国范围内使用效果较好的生物质燃气灶具是河南省科学院能源研究所研制的JZJ生物质燃气专用灶具。该灶具的特点:高效节能、低污染;通用性好;着火率高;燃烧稳定性好，不脱火，不回火，无黄焰:坚固耐用，价低质优。它的技术指标也很高，燃气适应范围4.66.6MJ/m3;额定热量为3.2kW;热效率55%;烟气中的CO含量(a=1时)0.

26、05%;着火率为100%。,JZJ生物质燃气专用灶具.结构示意如图4-8所示,图4-8 JZJ生物质燃气专用灶具,国内在生物质气化及其发电技术领域从事研究工作的主要有中国科学院广州能源研究所、清华大学、浙江大学热能工程研究所、中国林业科学研究院、华中科技大学、山东省科学院和其它一些科研院所。中国科学院广州能源研究所主要对固体生物质气化动力学,固体生物质循环流化床气化器数学模型、生物质中热值气化装置的设计与运行等进行了研究，并且成功研制出1 MW生物质气化发电系统，使我国生物质气化发电技术取得了突破性进展。清华大学对流态化条件下生物质热解气化过程进行了试验和建立模型的研究，同时用混合神经网终模拟

27、生物质气化过程；,浙江大学热能工程研究所从事固定床移动层下吸式生物质气化器的研究；中国林业科学研究院对生物质流态化催化气化进行研究；华中科技大学对生物质流化床气化器气化过程进行实验研究；山东科学院能源所成功研制了玉米芯、麦秸等为原料的XFL型生物质气化机组以及集中供气系统，而且已进入商品化阶段。,3.国外现状20 世纪70 年代开始,生物质能的开发利用研究已成为世界性的热门研究课题。许多国家都制定了相应的开发研究计划,如日本的阳光计划、印度的绿色能源工程、美国的能源农场和巴西的酒精能源计划,纷纷投入大量的人力和资金从事生物质能的研究开发。国外尤其是发达国家的科研人员作了大量的工作,美国在生物质

28、利用方面处于世界领先地位。据报道,美国有350 多座生物质发电站,主要分布在纸浆、纸产品加工厂和其它林产品加工厂,这些工厂大都位于郊区。发电装机总容量达700 MW,提供了大约6.6 万个工作岗位。,据有关科学家预测,到2010 年,生物质发电将达到13 000 MW 装机容量,届时有面积16.2 万hm2 的能源农作物和生物质剩余物作为气化发电的原料,同时可安排17 万多就业人员。20 世纪70 年代研究开发了颗粒成型燃料,该技术在美国、加拿大、日本等国得到推广应用。,研究开发了专门使用颗粒成型燃料的炉灶,用于家庭或暖房取暖。在北美有50 万户以上家庭使用这种专用取暖炉。美国的颗粒成型燃料,

29、年产量达80 万t。,奥地利成功地推行建立燃烧木质能源的区域供电计划,目前已有八九十个容量为1 0002 000 kW 的区域供热站,年供热10 109 MJ。加拿大有12 个实验室和大学开展了生物质的气化技术研究。1998 年8 月发布了由Freel 和Barry A 申请的生物质循环流化床快速热解技术和设备。,瑞典和丹麦正在实行利用生物质进行热电联产的计划,使生物质能在提供高品位电能的同时,满足供热的要求。1999 年,瑞典地区供热和热电联产所消耗的能源中,26%是生物质能。加拿大用木质原料生产的乙醇产量为每年17 万t。,比利时每年以甘蔗渣为原料制取的乙醇量达3.2 万t 以上。美国每年

30、以农村生物质和玉米为原料生产乙醇约450 万t,计划到2010 年,可再生的生物质可提供约5 300 万t 乙醇。,在气化、热解反应的工艺和设备研究方面,流化床技术是科学家们关注的热点之一。印度Anna 大学新能源和可再生能源中心最近开发研究用流化床气化农林剩余物和稻壳、木屑、甘蔗渣等,建立了一个中试规模的流化床系统,气体用于柴油发电机发电。,1995 年美国Hawaii 大学和Vermont 大学在国家能源部的资助下开展了流化床气化发电工作。Hawaii 大学建立了日处理生物质量为100 t 的工业化压力气化系统,1997 年已经完成了设计。建造和试运行达到预定生产能力。Vermont 大学

31、建立了气化工业装置,其生产能力达到200 t/d,发电能力为50 MW。目前已进入正常运行阶段。,日本从20 世纪40 年代开始了生物质成型技术研究,开发出单头、多头螺杆挤压成型机,生产棒状成型燃料。其年生产量达25 万t 左右。欧洲各国开发了活塞式挤压制圆柱及块状成型技术。,美国、新西兰、日本、德国、加拿大等国先后开展了从生物质制取液化油的研究工作。将生物质粉碎处理后,置于反应器内,添加催化剂或无催化剂,经化学反应转化为液化油,其发热量达3.5 104 kJ/kg 左右,用木质原料液化的得率为绝干原料的50%以上。,欧盟组织资助了3 个项目,以生物质为原料,利用快速热解技术制取液化油,已经完

32、成100 kg/h 的试验规模,并拟进一步扩大至生产应用。该技术制得的液化油得率达70%,液化油热值为1.7 104 kJ/kg。,欧美等发达国家的科研人员在催化气化方面也作出了大量的研究开发工作,在生物质转化过程中,应用催化剂,旨在降低反应活化能,改变生物质热分解进程,分解气化副产物焦油成为小分子的可燃气体,增加煤气产量,提高气体热值,降低气化反应温度,提高反应速率和调整气体组成,以便进一步加工制取甲醇和合成氨。,研究范围涉及到催化剂的选择,气化条件的优化和气化反应装置的适应性等方面,并已在工业生产装置中得到应用。,四、生物质的基本概念一起有生命的可以生长的有机物质统称为生物质。它包括植物、

33、动物和微生物。各争生物质之间存在着相互依赖和相互作用的关系。生物质对人类有着相互依赖和相互作用的关系。生物质对人类有着广泛而重要的用途：1.用作食物；2.用作工业原料；3.用作能源；4.改善环境、调节气候、保持生态平衡。,从广义上讲，生物质是植物通过光合作用生成的有机物，所以生物质能是太阳能的一种，它的生成过程如下：6CO2+12H2O C6H12O6+6H2O+6O2,生地球上的绿色植物包括森林、农作物、野生草类等陆生植物和水草、藻类等水生植物，它们以0.25%5%的能量转换率，每年把太阳辐射到地球表面能量的1%左右，以碳的形式固定下来，生物界的碳通过动植物呼吸、动植物的尸体腐烂经微生物分解

34、、燃烧时产生的CO2重新回到非生物界。,在碳的循环过程中，也进行着能量的循环。绿色植物通过光合作用制造有机物，同时把太阳能以化学能的形式储藏在自己体内。动物以绿色植物为食物，能量也随着有机养料转移到动物体内。古代生物一体埋藏在地下，有些形成了煤炭、石油、天然气等矿物燃料，能量随之转移到煤炭、石油、天然气中。,生物体中含有的能量经过呼吸、体内有机物的分解放出能量，作为生命存在和生理活动的动力。煤炭、石油、天然气和干生物质的燃烧，生物尸体的分解都要放出能量，使能量重新回到自然界。,所谓生物质能，主要是把某些生物质作为一种能源（而不是食物），设法将蕴藏在其中的化学能尽量全部的、集中的释放出来，以满足

35、人类对能源（而不是食物）的需求。,基于这一独特的形成过程，生物质能既不同于常规的矿物能源，又有别于其它新能源，它兼有两者的特点和优势，是人类最主要的可再生能源之一。其特点如下：1.生物质能资源的大量性和普遍性。生物质是一种到处都有的，普遍而廉价的能源，取材容易，生产过程简单。,2.生物质能是一种理想的可再生能源。只要太阳辐射能存在，绿色植物的光合作用就不会停止，生物质能就永远不会枯竭。3.生物质能的清洁性。在科学合理的使用下，生物质能不但不会污染环境，而且还有益于环境。生物质能在作为能源被利用的同时可实现二氧化碳的“零排放”。,五、生物质资源生物质不但数量巨大，而且具体的种类也很多，植物类中最

36、主要也是我们经常见到的有木材、农作物废弃物（秸秆、稻草、麦秸、豆秸、棉花秸、谷壳等）、杂草、藻类等，非植物类中主要有动物粪便、动物尸体、废水中的有机成分、垃圾中的有机成分等。,开发利用生物质能的意义1、生物质能在工业生产和日常生活中占有相当重要的地位。目前中国有8.6亿人口居住在农村，农村居民生活用能61%仍靠传统生物质资源；急速发展的乡镇企业所消费的能源已达3.2亿吨标煤，占全国商品能源总消费量的1/4。生物质今后在我国能源结构中占有非常重要的地位，尤其在农村能源领域，生物质能是其它能源不可代替的。,2、生物质能源是可再生的清洁能源 生物质能是植物通过光合作用合成的，植物的光合作用是燃烧反应

37、的逆过程。而燃烧反应是人类获取和使用能源的主要方式，如果这两个过程能相互匹配，形成完整循环，生物质能源即可取之不尽，用之不竭。,（1）生物质能源对温室气体的减排作用矿物燃料是把原为固定的碳通过燃烧是其流动化，并以CO2的形式累计与大气环境，造成温室效应。生物质中的碳来自空气中流动的CO2，如果这两个速度有合适的匹配，CO2甚至可以达到平衡，整个生物质能循环就能实现CO2的零排放，从根本上解决矿物能源消耗带来的温室效应问题。,（2）生物质能源对生态环境的保护作用。生物质资源代替化石燃料，一方面减少了化石燃料的供应量；另一方面可以减少CO2,、SO2、NOx等污染物排放，改善环境质量。,3.生物质

38、物理化学特性生物质的一些物理特性，如密度、流动性、析出挥发分后的残留碳特性和灰熔点等对生物质气化过程和气化效果也有一定的影响。,4.密度和堆积密度密度是指单位体积生物质的质量。固体颗粒状物料有两种衡量其密度的方法（1）物料的真实密度，即通常所说的物质的密度，它是指颗粒间空隙不做物质所占有的体积时计算物质的密度；,（2）堆积密度即把颗粒间空隙算作物质的体积所计算的物质密度，一般在自然堆积的状态下测量，它反映了单位体积物料的质量，对于固定床气化工艺来说，堆积密度对气化反应的影响更大。生物质原料的堆积密度差别较大。一类是包括木材、木炭、棉秸在内的高堆积密度物料，他们的堆积密度在200350kg/m3

39、之间；,（4）自然堆积角当物料自然堆积时会形成一个锥体，锥体母线与地面的夹角叫做自然堆积角（图4-6）。自然堆积角反映了物料的流动特性，流动性好的物料颗粒在很小的坡度时就会滚落。只能形成很矮的锥体，因此自然堆积角很小。而流动性不好的物料会形成很高的锥体，自然堆积角较大。,虽木材一类原料的自然堆积角一般不超过45，在固定床气化炉中依靠重力向下移动顺畅。当下部物料消耗以后，上部原料自然下落补充，形成充实而均匀的反应层。而铡碎的玉米秸和麦秸堆垛以后即使底部被掏空，上面的麦秸依然不下落，这时的自然堆积角已经超过了90而成为钝角。在固定床气化炉里容易产生架桥、穿孔现象,图4-6 自然堆积角,（5）炭的机

40、械强度生物质原料加热后很快析出挥发分，剩余的木炭组成气化炉中的反应层。作为支撑生物质物料颗粒形状的骨架，木炭的机械强度对反应层的构成有重要影响。由木材等硬柴形成的木炭机械强度较高，析出挥发分后几乎可以保持原来的形状，形成孔隙率高而且均匀的优良反应层。,而秸秆炭的机械强度很低，在大量挥发分析出后，不能保持原有形状，容易在反应层中产生空洞，形成不均匀气流，细而散的炭粒降低了反应层的活性和透气性。,（6）灰熔点在高温下，灰分将变成熔融状态从而形成渣，结在气化炉的内壁上或黏结成难以清除的大渣块。灰分开始融化的温度较灰熔点，灰熔点的高低与灰的成分有关，不同的生物质种类和不同的产地其灰熔点都会有所不同。木

41、材的灰含量很低，对气化炉工作的影响较小，,但用秸秆类原料时应控制反应温度在灰熔点以下。一般生物质原料的灰熔点在9001050范围内，也有一些产地的原料会在850以下。综上所述，各种生物质原料的化学成分变化不大，但是他们的物理特性有较大的差别。如果作为燃料来看，与煤相比有如下几个特点。,1）挥发分高，固定碳低。煤的挥发分一般在20%左右，固定碳在60%左右。而生物质特别是秸秆类生物质，固定碳在20%左右，而挥发分则高达70%左右。2）生物质原料中氧含量高，因此在干馏或气化过程中都有大量的CO产生，不想没在干馏气化过程产生低CO的煤气。,3）木质类生物质含灰分极低，只有1%3%,秸秆类生物质含量会

42、稍多一些，但是同煤相比生物质的灰含量是较低的4）生物质的发热值明显低于煤，一般只相当于煤的1/22/35）生物质的硫含量极低，有的生物质甚至不含硫。,六、生物质能的利用状况从目前来看，主要的技术种类分类如图4-7所示，分为直接燃烧技术、物化转换技术和生化转换技术等。,图4-7 生物质技术分类,图4-7（续）生物质技术分类,1、直接燃烧技术直接燃烧大致可分炉灶燃烧、抗连灶及地炕燃烧技术、锅炉燃烧、垃圾焚烧和成型燃料燃烧五种情况。炉灶燃烧时最原始的利用方法，一般适用于农村或山区分散独立的家庭用炉，他的投资最省，但效率最低，燃烧效率在10%20%左右。炕连灶以地炕燃烧技术较炉灶燃烧效率有所提高，可达

43、30%，也是目前北方农村常用的技术。,锅炉燃烧采用了现代化的锅炉技术，适用于大规模利用生物质，它的主要优点是效率高，并且可实现工业化生产。主要缺点是投资高，而且不适于分散的小规模利用，生物质必须相对比较集中才能采用本技术。垃圾焚烧也是采用锅炉技术处理垃圾，但由于垃圾的品位低，腐蚀性强，所以他要求技术更高，投资更大。从能量利用的角度来讲，它也必须规模较大才比较合理。,成型燃料绕烧时把生物质固化成型后再采用传统的燃煤设备燃用，主要优点是所采用的热力设备是传统的定型产品，不必经过特殊的设计或处理，主要缺点是运行成本高，所以他比较适合企业对原有设备进行技术改造时，在不重复投资的前提下，以生物质代替煤，

44、以达到节能的目的。,2、物化转换技术物化转换技术包括三方面:（1）干馏技术；（2）气化制生物质燃气；（3）热解制生物质油。干馏技术主要目的是同时生产生物质炭和燃气，炭和燃气可分别用于不同用途。优点是设备简单，可以生产炭和多种化工产品，缺点是利用率较低,热解制油是通过热化学方法把生物质转化为液体燃料的技术，它的主要优点是可以把生物质制成油品燃料，作为石油产品替代品，用途和附加值大大提高。主要缺点是技术复杂，目前成本仍然太高。,3、生化转换技术生物转换技术主要是以厌氧发酵和特种酶技术为主。（1）厌氧发酵生产沼气的主要方法。沼气发酵是有机物质（为碳水化合物，脂肪，蛋白质等）在一定温度、湿度、酸碱度和

45、厌氧条件下，经过沼气菌群发酵（消化），生成沼气（甲烷气CH4），消化液和消化污泥（富含氮的肥料）。,上述过程就叫沼气发酵或厌氧发酵。它包括小型的农村沼气技术和大型的厌氧处理污水工程。它的主要优点是提供的能源形式为沼气（CH4），非常清洁，具有显著的环保效益，主要缺点是能源产出低，投资大，所以比较适宜于以环保为目标的污水处理工程获以有机易腐物为主的垃圾的堆肥过程。,我国在沼气技术推广方面做了大量工作，取得巨大成就。仅1970年代，在农村就建造了700万个沼气池，716个沼气服务站，500万个家庭规模的沼气池在正常运行，还有10000个大、中型沼气池产气。印度在农村沼气技术推广方面也取得了巨大成果

46、。2000年有1200万个家庭规模的沼气池。,（2）乙醇发酵利用生物技术（包括酶技术）把生物质转化为乙醇的主要目的是制取液体燃料，它的主要优点可以使生物质变为清洁液体燃料，拓宽用途，提高效率，主要缺点是转换速度太慢，投资较大，成本相对较高。,1）原理：通过炭水化合物发酵提取乙醇是人们熟知的古老技术。2）发酵原材料：通过发酵生产乙醇的原材料可分为三类 糖质材料 淀粉材料 纤维素材料,乙醇原料成本一般相当于酒精最终售价的55%80%,表4.1 植物的乙醇产量,表4.2 木质纤维素产品乙醇产量,3）燃料乙醇生产生产燃料乙醇，发酵过程可以以半连续状态进行，可以对酵母菌进行回收，重复使用。可采用高浓度的

47、酵母液，加快发酵速度，减少发酵时间。,梅勒波依诺特（MelleBoinot）法：通过重复使用酵母的方法来减少发酵时间和增加产量。利用离心分离技术从先前的发酵液中将酵母回收。Biostil法：把发酵作用和蒸馏作用紧密结合，并使釜馏物高速再循环。该发酵系统的最大特点是可避免细菌感染问题，细菌在精馏塔内可被高温杀死。且废液流出量小，可降低耗水。,七、生物质气化专题研究1.生物质气化基本原理 生物质气化的基本定义：所谓气化是指将固体或液体燃料转化为气体燃料的热化学过程。在这个过程中，在气化装置里，游离氧或结合氧与燃料中的碳进行热化学反应，生成可燃气体。,2.生物质的燃烧特性生物质的主要成分是碳、氢、氧

48、和少量的氮、硫，而生物质的热值高低取决于其基本成分，也就是说，取决于碳和氢等可燃元素成分的多少。其可燃成分占的百分数越大，其热值就越高，相反则越低。当然，生物质的热值还于其含有灰分的多少及干湿程度有关。,（1）碳 碳与氧进行燃烧反应，可以生成CO2或者CO，取决于氧的供给量和其他反应条件。其反应方程式为：C+O2CO2+H H=408.8KJ2C+O22CO+H H=246.44KJ,（2）氢 氢在生物质中有2种形式：一种叫可燃氢，燃烧时可以放出大量的热；另一种称为化和氢，它与氧结合为水，不能燃烧放热。氢与氧的燃烧方程式为：2H2+O22H2O+H H=484KJ氢容易着火燃烧，所以生物质中含

49、氢越多，越容易燃烧。,（3）氧元素 氧不属于可燃成分，它与一部分氢和碳在一起处于化合物状态。（4）其他少量元素 硫、氮、磷、钾虽然是可燃元素，但在生物质中含量极少，因此在燃烧中起的作用不大。,（5）灰分 灰分是制生物质在所有可燃物质完全燃烧以及某些物质在一定温度下产生一系列分解、化合等复杂反应后的剩余物。它是不能燃烧的物质，因而灰分的多少只对生物质的发热只有一定的影响，对燃烧反应过程没有影响。,（6）水分 生物质中的水分分为两种：内在的结合水和外部的自由水。内在水分比较固定，外部自由水随外部条件变化。生物质的水分是影响生物质燃烧和气化的一个重要因素。,2、生物质的燃烧生物质的燃烧分为三个阶段,

50、预热凄然阶段，挥发分燃烧阶段，木炭燃烧阶段。为了更好的理解生物质的燃烧，这里介绍两个基本概念，热值和挥发份。（1）热值：热值也称发热值吗是指单位质量的燃料完全燃烧时所产生的热量，它是衡量燃料质量优劣的重要指标。,（2）挥发分：生物质的燃烧时在高温下进行的，省物质中木质纤维含量较多，其构成多为单键化合物。当生物质被加热时，其中的自由水先被蒸发出来，湿物料变成干物料。继续加热,温度不断升高，分子活动加剧，化合键被打开，释放出大量的可燃物质可燃气体，这种气体可燃物质叫做挥发分。挥发分越多，生物质就容易燃烧。,1）预热凄然阶段 在该阶段，省物质随着被加热，水份逐渐蒸发，变成干物料，当生物质被加热到16