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1、生物质炭的可行性报告姓名：赵创职位：硕士研究生单位：华南农业大学 1 生物质能生物质是指利用大气、水、土地等通过光合作用而产生的各种有机体，即一切有生命的可以生长的有机物质通称为生物质。它包括植物、动物和微生物。广义概念：生物质包括所有的植物、微生物以及以植物、微生物为食物的动物及其生产的废弃物。有代表性的生物质如农作物、农作物废弃物、木材、木材废弃物和动物粪便。狭义概念：生物质主要是指农林业生产过程中除粮食、果实以外的秸秆、树木等木质纤维素（简称木质素）、农产品加工业下脚料、农林废弃物及畜牧业生产过程中的禽畜粪便和废弃物等物质。特点：可再生性、低污染性、广泛分布性。生物质能是一种可大规模利用
2、的清洁可再生能源。生物质的来源十分广泛，作为开发利用研究对象的生物质，一般指农作物、油料作物、林木、木材生产的废弃物、木材加工的余物、动物粪便、农副产品加工的废渣、城市的生活垃圾中的生物废弃物。生物质能主要分为：城市垃圾工业、生活和商业垃圾，全球每年排放约100亿吨；有机废水工业废水和生活污水，全球每年排放约4500亿吨；粪便类牲畜、家禽、人的粪便等，全球每年排放数百亿吨以上；林农生物质薪柴、枝枝、树皮、树根、落叶、木屑、刨花等；农业废弃物秸秆、果壳、果核、玉米芯、甜菜渣、甘蔗等；水生植物藻类、海草、浮萍、水葫芦、芦苇、水风信子等；能源植物生长迅速，轮伐期短的乔木、灌木和草本植物，如棉籽、芝麻
3、、花生、大豆等。 生物质燃料中可燃部分主要是纤维素、半纤维素、木质素。按质量计算，纤维素占生物质的40% 50%，半纤维素占生物质的20%40%，木质素占生物质的10%25%。生物质是一种清洁的低碳燃料，其含硫和含氮量均较低，同时灰分份额也很小，所以燃烧后SO2， NOx和灰尘排放量比化石燃料要小得多，同时，生物质对生态环境的最大贡献还在于其具有CO2零排放的特点。生物质热裂解以连续的工艺和工业化的生产方式将木屑等农林加工废弃物为主的生物质原料转化为易储存、易运输、能量密度高的液体燃料成为目前世界上生物质能研究开发的前沿技术。2 项目建设背景意义当今世界面临巨大的能源危机和环境问题。目前能源的
4、主要来源为化石能源，这样的能源结构促进了人类发展的同时，又造成全球气候变暖，酸雨，大气污染等严重的环境问题；另一方面化石能源属于不可再生能源，又使人类面临能源枯竭的危机。生物质能与其他新能源，如太阳能，风能，核能等，一同构成了第三次能源革命的发展方向。 长期以来人们依赖化石能源，年耗量不断增加，造成日益严重的环境问题。而且预计到2050年左右，化石能源将濒临耗竭。生物质能源由于其可再生性和利用时不产生大量的二氧化碳而越来越得到重视，开发利用生物质被称为第三次能源转变，20世纪80年代末90年代初，许多国家尤其是西欧及北美的一些发达国家投入大量人力物力进行技术开发。表1为生物质能与化石能源环境能
5、效参数，可以看到利用生物质能在环境保护方面的优势。表1为生物质能与化石能源环境能效参数2.1国外生物质能发展现状由于生物质能再生长过程中可吸收二氧化碳，又利于废物利用，故欧美国家多将其作为可再生能源大力发展。生物质转换技术的研发生物质能的有效利用在于其技术的提高。生物质直接燃烧是最简单的转换方式，但普通炉灶的热效率仅为15%左右。生物质经微生物发酵处理，可转换为沼气、酒精等优质气体和流体燃料。在高温和催化剂作用下，可使生物质能转换为可燃气体;热分解法将木材干馏，可制取气体和液体然料。在美国、日本、加拿大等国，气化技术已经大规模生产水煤气：巴西、美国等国用甘蔗、玉米等制取乙醇，作汽车燃料；美国加
6、州己有50多万千瓦的木柴发电厂。不少国家都开始研究垃圾发电，技术己经成熟。日本就有100座垃圾电站，到2000年己装机400万千瓦。奥地利成功地推行简易燃烧木质能源的区域供热计划，目前己有八九十个容量为1000 2000kW的区域供热站，年供热l0x l O9MJ。加拿大有12个试验室和大学开展了生物质的气化技术研究。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、多头螺杆积压成型机，生产棒状成型燃料，其年生产量达25万吨左右。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。欧美等发达国家的科研人员在催化气化
7、方面也做了大量的研究开发工作。世界各国的研究开发计划从20世纪70年代开始，生物质能的开发利用研究己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等。 美国计划2010年将使生物质能的利用量扩大到现有水平的3倍，由此农业将可创收200亿美元，减少进口石油消费20亿桶，减排1亿吨CO2。2000年，美国政府又拨款2.1亿美元作为相关项目的开发费用，能源部还组织了扩大燃料乙醇生产、降低乙醇成本和发酵菌种转基因等技术的开发。政府规划到2010年生物质能在总能中的比例提高到20%的水平。 欧盟以前可再生能源所占比例
8、约为6%7%，其中生物质能占六成。欧盟规划2010年可再生能源比例达12%，每年可替代2000万吨石油，其中80%为成本较低的生物质能。在欧盟加强发展可再生能源的立法后，欧盟各国的生物质能利用工作因地制宜各有特色，德国除了狠抓风电外还十分重视人工沼气，对垃圾填埋场沼气加以充分利用；法国将生物质能甲醋化后和柴油并用以替代石油；芬兰充分利用本国森林资源优势大力发展木质系能源，目前占总能耗的比例己达16%的水平；瑞典通过对重油、煤炭征收CO2税和硫化物税，扶持木质系生物质能的利用工作，使它占总能耗的比例达到19%；生物质能是丹麦主要的可再生能源，2000年丹麦生物质能约占全国可再生能源的85%，作为
9、世界风力机主要的供应者，其风能只占10% 。 京都会议后，日本因CO2减排指标的压力于2000年开始学习欧美经验，将生物质能利用列入新能源发展规划中，要求它的利用量从1999年的8万千瓦发展到2010年的44万千瓦，并通过制定食品废物再生法法案促进利用食品废弃物生产沼气、利用废弃食油生产生物柴油工作的开展，2001年实施的建筑废物再生法又促进了用废木屑代煤供锅炉燃烧和发电的技术发展。 英国计划到2010年，再生能源发电占总发电量的10%，要实现这一目标，必须大幅度提高生物质能发电的能力。重点将开发用于适合生物质能发电的燃气轮机技术和高效气化技术，并改进设计工艺和环境评估等。 古巴生产甘蔗，大量
10、的甘蔗渣可用于燃烧发电，该国政府己与联合国发展组织、世界环境基金会联合进行国际合作，预计投资1亿美元兴建以甘蔗渣为原料的环保电厂，预计所生产的电能可足够古巴全国使用。我国是一个农业大国，拥有丰富的生物质资源，仅农作物秸秆每年就有6亿吨，其中一半可作为能源利用。据调查统计，全国生物质能的可再生能量按热当量计算为2.0亿吨标准煤，相当于农村耗能量的70%。历年垃圾堆存量也高达60亿吨，年生产垃圾近1.4亿吨。我国现有668个城市，其中有2/3被垃圾环带所包围，城市垃圾造成的损失每年高达250亿300亿元.若采用新技术来利用生物质能，并提高它的利用率，不仅能解决农民生活用能问题，还可用作各种动力和车
11、辆的燃料。又如，利用荒山野地种植能源作物，可改善生态环境，又可建立绿色能源工厂，生产能源产品。总之，挖掘这些资源，推广生物质能利用新技术等潜力巨大，前景广阔。2.2国外生物质能发展现状为解决能源危机我国政府制定了相应政策及规划支持生物质转化技术的开发。目前我国在几项生物质能源技术的研发和产业化上取得了一定的进展:生物质(农作物秸秆、粪便、有机废水等有机废弃物) 在厌氧环境通过微生物发酵产生一种以甲烷为主要成分的可燃性混合气体, 即沼气。我国的沼气建设始于 20 世纪五、六十年代, 是世界上沼气利用开展得最好的国家, 在厌氧发酵、工程建设等方面已居于国际领先水平。农村户用沼气系统已经成熟, 主要
12、为农户提供生活燃料, 副产的沼液和沼渣做有机肥料部分替代化肥。已经研制出适应不同气候、原料和使用条件的标准化系列池型, 并广泛采用混凝土现浇施工工艺, 使用寿命长; 由于技术的进步, 使沼气池的使用管理变得更加简单易行; 沼气产业规模发展不断扩大, 产品基本实现了标准化生产, 规范化设计和专业化施工。目前民用沼气技术已相当成熟, 已进入商业化普遍推广阶段。污水处理的大型沼气工程技术也已基本成熟, 进入商业示范和初步推广阶段。“十五”开始, 国家开始提供专项支持沼气建设, 到 2007 年我国大中型沼气设施有 5000 多处, 户用沼气池有 2700 多万口。年产沼气 90 亿立方米, 相当于当
13、年天然气消费量的 10%。按照国家计划, 2020 年, 中国沼气开发量将达到270 亿 立 方 米 , 年 增 长 率 为9.1%。从沼气的原料来看, 预计到 2015 年, 中国规模化养殖场畜禽粪便资源的实物量将分别达到32.5 亿吨, 城市有机废水达到 25吨, 如果全部利用约产生 2000 多亿立方米沼气。中国以粮食为原料的燃料乙醇生产已初步形成规模。 “十五”期间, 在河南、安徽、吉林和黑龙江分别建设了以陈化粮为原料的燃料乙醇生产厂, 已在 9 个省(5 个省全部, 4 个省的 27 个地(市) 开展车用乙醇汽油销售,2005 年, 这些地方实现了车用乙醇汽油替代汽油。考虑到成本与粮
14、食供给, 我国现今政策仅鼓励非粮生产乙醇的开发。以木薯替代粮食生产乙醇, 全国具有年产 500 万吨燃料乙醇的潜力。以甜高粱茎秆为原料生产燃料乙醇的技术 (称为甜高粱乙醇)已经达到年产 5000 吨燃料乙醇的生产规模。由于现阶段国家对燃料乙醇实行定点生产, 再者产品本身距离交通燃料的要求还有差距, 这些甜高粱乙醇无法进入交通燃料市场, 大多数掺入了低质白酒中。另外, “八五”期间, 我国开始研究利用纤维素废弃物制取乙醇, 主要研究纤维素的稀酸水解及其发酵技术,并在“九五”期间进入中间试验阶段; 目前已经建成年产 600 吨规模的纤维素废弃物制取乙醇燃料技术中试设施。由生物质替代石油原料制取汽油
15、和柴油, 是可再生能源开发利用的重要方向, 研究方向主要集中在催化转化为适宜的油品或含油品的混合物再进一步分离。生物柴油是一种优质的生物液体燃料, 其生产原料主要为廉价植物油和纤维性生物质。目前基于廉价植物油为原料的转化技术国内外已有突破性进展, 在尽量降低转化过程中能耗的前提下提高转化率并保证油品质量是生物柴油市场化的关键。上世纪 80 年代末, 欧美国家投入大量的人力、财力、物力开发利用生物柴油。美国相继在 1996年和 2000 年颁布标准, 完善生物柴油的产业化条件, 政府实行积极鼓励, 在生物柴油的价格上给予一定的补贴。德国也于 2001 年在海德地区投资 5000 万马克(7马克约
16、合 0.26 元人民币), 兴建年产 10 万吨的生物柴油装置。我国在 1981 年已有用菜籽油、棉籽油等植物油生产生物柴油的试验研究。科技部已将生物柴油技术列入十一五国家 863 计划和国际科技合作计划, 产业化方面已实现多处中试和示范线。外国公司也进军中国, 外国公司分别在山东威海市和黑龙江佳木斯市建设年生产能力 25 万吨和20 万吨的生物柴油厂。目前利用我国自主知识产权的技术在海南、福建龙都已开发出并相继建成了万吨级的生产线。预计中国生物柴油产量 2010 年前约可达每年 100万吨。由于受到原材料来源和价格的影响大多数企业处于停产或半停产状态。相比之下, 以纤维为原料生产生物柴油的技
17、术发展的要慢, 到目前为止, 还处于工业化示范阶段,且产生的生物柴油品质存在较大差异。但是由于这条技术路线原材料量大、价格可控, 如果生产成本合理, 将更有发展前景。中国生物质发电技术可分为直接燃烧发电、混合燃烧发电、气化发电和沼气发电。直接燃烧发电和混合燃烧发电都是以固体生物质为燃料。气化发电和沼气发电是以生物质汽化后再燃烧发电。固体生物质燃料分生物质直接燃烧或压缩成型燃料及生物质与煤混合燃烧为原料的燃料。直接将具有生物质的原料进行燃烧发电处理是生物质能转化速度较快的一种方式, 从 1988 年第一座秸秆生物燃烧发电厂在丹麦投产以来, 在一些欧美发达国家发展迅速并得到广泛应用。美国在2000
18、 年就已有超过 1200 个燃烧发电厂在正常运行, 总装机容量为1200 万 kW, 年发电 900 亿 kW。中国生物质燃料发电也具有了一定的规模, 2006 年底全国生物质能发电累计装机容量 220 万 kW, 其中蔗渣热电联产 170 万 kW, 主要集中在南方地区的许多糖厂利用甘蔗渣发电。中国第一批农作物秸秆燃烧发电厂在河北石家庄市和山东菏泽市建成, 装机容量分别为 2x12 兆瓦和 25 兆瓦, 发电量分别为 1.2 亿千瓦时和 1.56 亿千瓦时, 年消耗秸秆 20 万吨。目前, 秸秆直燃发电技术仍存在着缺乏核心技术和设备、发电成本偏高、秸秆收储运困难等问题。中国沼气发电技术一方面
19、积极引进了国外先进技术, 诸如兰州花庄奶牛繁殖中心引进了捷克沼气热电联产设备; 另一方面, 国产沼气发电机组也已基本成熟,维柴、胜动等厂家生产的燃气发电机组的技术性能指标已接近国际先进水平。2006 年完成生物质气 化 及 垃 圾 填 埋 气 发 电 3 万kW, 在建的还有 9 万 kW。中国生物质气化集中供气系统的秸秆气化站保有量 539 处, 年产生物质燃气 1.5 亿立方米; 年发电量 160千瓦时的稻壳气化发电系统已进入产业化阶段。生物质压块成型是将秸秆、稻壳、锯末、木屑等有机废弃物,用机械加压的方法, 使无定型、低发量的生物质原料压制成具有一定形状、密度较高的固成型燃料。由此, 半
20、松散的、低热值的生物质加工成热值高及能源密度高的能量块。从成型工艺上可分为常温压缩成型、热压成型和碳化成型三类。成型燃料热性能优于木材,与中质混煤相当, 而且点火容易,便于运输和贮存, 可作为生物质气化炉、高效燃烧炉和小型锅炉的燃料。生物型煤与原煤成本低等优点, 既能节省能源, 又能明显减少大气污染, 具有储存、运输和使用方便等特点。中国生物质固体成型技术的研究开发已有二十多年的历史,现在已达工业化生产规模。但由于压缩技术环节的问题, 成型燃料的压缩成本较高。目前, 中国(清华大学、河南省能源研究所、北京美农达科技有限公司) 和意大利(比萨大学)两国分别开发出生物质直接成型技术, 降低了生物质
21、成型燃料的成本, 为生物质致密成型燃料的广泛应用奠定了基础。3 项目建设目的意义中国未来的能源形势面临着严峻挑战，人均一次能源极其有限。从能源利用的可能性分析，到2060年，即使我们把可经济开发的水能资源全部利用，也只能提供260GW，这一数字相当于从现在起再增加10个三峡电站的容量；在核电方面增加120GW，即相当于再建66个大亚湾核电站；非常乐观地估计，再开发4.6亿t (吨标准煤)的新能源：把煤的供应量达到极限，即提供19亿t；即使如此总共也只有30亿t。这一分析表明，到本世纪中叶，我国人均一次能源占有量仅为2t左右，仅比1995年增加1倍，显而易见本世纪我国能源形势十分严峻。从能源弹性
22、系数来看，通常的能源弹性系数为1左右，即国民生产总值的增长与能源消费是同步增长的，要实现我国在本世纪中叶达到中等发达国家的水平，能源成了制约我国国民经济发展的瓶颈因素。 人们通常直接利用的生物质能有秸秆、林木和粪便等。林木类木质燃料，薪柴作燃料己经有几千年的历史，是人类利用最早的能源之一。在农村仍是主要的能源，占农村能源总数的40%左右。不能作为食物利用的农作物根、茎、叶系统称为秸秆。在农村，秸秆作为能源利用较为普遍，但作为能源直接利用不如作为饲料、工业原料或加工成有机肥料更有利于农业发展;粪便是动物排泄物，作为农作物的有机肥料有较长的历史，作为燃料利用的历史也较长，但较为有利的是作为有机肥料
23、，如作为燃料则不应直接利用，而应采用与秸秆混合发酵后产生沼气利用，可使之发挥更大的能效。同时，可改善农村的能源质量和生存环境。生物质能是重要的可再生资源，预计在本世纪，世界能源消费的40%将会来自生物质能。但真正实际应用还取决于生物质的各种转化利用技术能否突破。目前生物质能利用技术的主要研究方向为：各种生物质能源转换技术；生活垃圾能源的规模化利用与示范推广；生物质热解液化的实用化技术，这是最主要的研究方向，不但可以提供初级化工产品，而且可以减轻化石能源枯竭带来的能源危机；沼气和热解气化的集中供气系统相关技术。此外，利用热解气来合成甲醇、乙醇也是今后研究的主要方向之一。 综上所述，生物质作为可再
24、生的洁净能源其利用开发己势在必行，无论从废弃物资源回收或能源结构转换，还是从环境的改善和保护等各方面均具有重大的意义。 4 生物质工艺路线分析当前生物质应用主要有压缩燃料、炭化和气化，工艺路线如下图所示，图1 生物质应用路线图4.1 压缩燃料（摘自技术路线图-中国生物质能技术路线图研究）生物质成型燃料技术是利用机械力对生物质原料（主要是农林剩余物，如农作物秸秆、木屑等）进行压缩，使原料的容重大大增加，并可使不同种类原料获得较为统一的燃烧特性。生物质成型燃料技术可以使松散的生物质原料变得更加易于运输和储存，还可以提高生物质原料的燃烧效率。生物质压缩成型技术已经不存在不可逾越的技术障碍，但是在项目
25、建设的规范化方面尚需要认真对待，目前生物质压缩燃料生产企业很多，但缺乏示范意义的工程。 生物质压缩燃料4.2 气化工艺利用生物质通过密闭缺氧，采用干溜热解法及热化学氧化法后产生的一种可燃气体，这种气体是一种混合燃气，含有一氧化碳、氢气、甲烷、等，亦称生物质气。生物质循环流化床气化的主要技术障碍是燃气中焦油的脱除技术，由于在循环流化床气化的燃气中氧含量较高，无法使用电捕焦油器脱除焦油，所以燃气中焦油含量较高，容易在内燃发电机的缸套中形成结焦，从而影响发电机的正常运行。从目前的研发进度看，到2011 年可完成生物质循环流化床气化的燃气净化问题，到2013 年将得到全面的推广应用。生物质固定床气化的
26、主要技术障碍在于尚未建成完整的示范工程，没有采用该技术的产业化规模的装置的长期运行数据，整套系统设备的问题尚未完全暴露。从目前江苏的生物质固定床气化发电示范项目的进展看，64到2010 年可完成示范工程建设，到2013，生物质气化、燃气净化、燃气发电、燃气供应等均可实现产业化。（摘自中国生物质技术路线研究）4.3 热解炭化生物质干馏技术是将生物质原料在隔绝空气的环境中加热，使原料中富含的挥发份析出，成为生物质碳粉、木焦油、木醋液和燃气。干馏分为内热式和外热式两种，外热式是原料置于炭化室中加热，炭化室中没有氧化剂（空气）通入，挥发份热分解的热量完全来自原料之外。内热式则是将氧化剂（空气）通入炭化
27、室，将生物质原料燃烧一部分，燃烧产生的热量供给挥发份分解。两种方式同样可以得到以上四种产品，但是内热式干馏的燃气热值将会下降。一般的热解炭化机械为固定床炭化炉，但其热解周期长，生产效率低，难于工业化利用。当前连续热解工艺，其生产稳定，生产效率高，便于工业化，但其主要消耗的电能或者其他附加能源。本报告中的热解工艺采用自给式供热系统，将热解挥发物（焦油，燃气和木醋液）直接回烧供应热解所需热量，或者将焦油和燃气冷却后单独供给热解所需热量。 生物质炭燃料 生物机体肥 成型控释肥活性炭 5 热解炭化数据以下数据为生物质连续热解产物炭的数据分析，包括炭产率、热值、灰分和固定炭等数据指标。生物质外貌生物质的
28、工业分析样品水分/%固定碳/%挥发分/%灰分/%稻壳7.9717.4762.3212.24油茶内壳6.2919.75721.96油茶外壳6.5416.5172.94.05豆杆9.6614.1873.82.36木头10.5613.4275.750.27玉米5.3115.3272.536.84棒料9.3216.4269.215.05松子9.832069.620.55豆荚11.7617.3365.445.47稻秆9.7916.7663.310.150102030405060708090250350450550外壳内壳松子稻壳棒料豆杆木头豆荚玉米稻秆生物质随温度变化产率 生物炭的热值发热量250350
29、450550外壳18.82424.3224.8624.986内壳21.36228.62629.53730.385松子22.34929.58730.52432.001稻壳18.99720.60821.68221.827棒料18.2820.80324.84725.79豆杆20.11422.25429.68631.66木头21.55324.69329.93530.825豆荚19.39326.0826.28526.815玉米19.54424.8926.11426.78稻秆17.67920.60620.8121.096各种炭的灰分含量灰分250350450550外壳5.599.3712.4814.34内
30、壳2.624.526.346.93松子0.750.971.221.54稻壳15.8825.8131.1834.65棒料6.179.3417.8222.37豆杆3.035.166.787.11木头0.341.753.023.17豆荚6.3116.9921.8824.16玉米8.1716.4322.4123.87稻秆14.0023.9727.1830.16表4 各种炭的固定碳含量固定碳250350450550外壳18.247958.300054.900055.7400内壳22.950571.200072.080075.6800松子25.342761.740069.510078.9500稻壳18.5
31、14432.662940.365052.0680棒料17.241726.408943.650058.5400豆杆11.542925.000063.880073.0600木头14.589337.560073.110076.8300豆荚18.955565.540063.050059.0900玉米13.930036.769544.856645.2157稻秆18.760939.813139.764839.71666 环境效益及社会效益当前国内对生物质应用很少，其主要被用于农村能源，但用率较低，且工业应用生物质能源较少。农民将大部分秸秆直接烧掉，能源利用率低，造成环境污染。生物质属于可再生的清洁能源，如果高品位的能源，然后代替化石燃料，不能减少环境污染，尤其是二氧化碳排放、氮氧化物及硫氧化物的排放。如果将生物质制成炭，制成缓释肥或控释肥，减少农业化肥的应用，降低水体污染和土壤污染等。生物质应用不仅能给农民创收，而且有巨大的社会效益。农业秸秆产物一年能为农民创造2000元左右的收入，如果能将其深度利用，创造的价值不止如此。如果工业应用能减少矿石燃料的利用，省去治理空气污染的巨大的费用。生物炭应用工艺路线
