生物質(zhì)能利用技術(shù)研究進(jìn)展

第30卷第3期化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù)Vol 30 No. 32009年6月Journal of Chemical Industry &Engineering生物質(zhì)能利用技術(shù)研究進(jìn)展王豐華,陳慶輝21.遼寧葫蘆島市葫蘆島鋅廠(chǎng),遼寧葫蘆島600310;2.華南理工大學(xué)化工與能源學(xué)院廣東廣州510640)摘要:介紹了生物質(zhì)能概念、開(kāi)發(fā)利用生物質(zhì)能的意義和價(jià)值以及其轉化利用技術(shù)和現狀。闡述了其開(kāi)發(fā)前景。目前,生物質(zhì)能的利用技術(shù)主要有直接燃燒法、生物化學(xué)法、熱化學(xué)轉化法固體成型和生物柴油制取。我國生物質(zhì)能利用的重點(diǎn)將是發(fā)展農林生物質(zhì)發(fā)電、生物液體燃料、沼氣及沼氣發(fā)電、生物固體成型燃料技術(shù)四大領(lǐng)域。關(guān)鍵詞:生物質(zhì)能;轉化技術(shù);生物化學(xué)法;熱化學(xué)轉化法中圖分類(lèi)號:TK6文獻標識碼:A文章編號:1006-7906(2009)03-0032-04Research development on utilization technologies of biomass energyWang Fenghua, Chen Qinghui(1. Liaoning Huludao Zinc Factory, Huludao 600310, Chi2. School of Chemical and Energy Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)Abstract: The concept of biomass energy, the meaning and value of the use of biomass energy development, and the statusof its utilization and the modes of its conversion are presented. The prospects of its development is introduced, too. At presentthe utilization and the modes of biomass energy s conversion are direct combustion, biochemical conversion, thermochemicalconversion, briquetting technology: biodiesel production. The key utilization of biomass energy in China involves four followingfields, the power generation from biomass energy of agriculture and forest, bio-liquid fuel, biogas and its power generation, andthe technology of biological briquetting fuel.Key words: Biomass energy: Conversion technology: Biochemical conversion: Thermochemical conversion人類(lèi)的文明進(jìn)步和社會(huì )生產(chǎn)力的發(fā)展使得人類(lèi)合作用貯存在植物的枝、莖、葉中的太陽(yáng)能,相當于對能源的需求越來(lái)越大,而嚴峻的能源形勢日益成全世界每年耗能量的10倍。生物質(zhì)遍布世界各地為全世界關(guān)注的焦點(diǎn)。地球上億萬(wàn)年積累的化石能其蘊藏量極大,僅地球上的植物,每年生產(chǎn)量就相當源(石油、天然氣、煤等),僅能支撐300年的大規模于目前人類(lèi)消耗礦物能的20倍,或相當于世界現有開(kāi)采就將面臨枯竭。人類(lèi)對能源的依賴(lài)和獲取正面人口食物能量的160倍。我國擁有豐富的生物質(zhì)能臨著(zhù)重大轉折。未雨綢繆,利用現代科技發(fā)展生物資源我國理論生物質(zhì)能資源5×10t左右。目前能源,是解決未來(lái)能源問(wèn)題的一條重要出路?？晒╅_(kāi)發(fā)利用的資源主要為生物質(zhì)廢棄物,包括農1生物質(zhì)能概念作物秸稈、薪柴、禽畜糞便、工業(yè)有機廢棄物和城市以生物質(zhì)為載體,由生物質(zhì)產(chǎn)生的能量,便是生固體有機垃圾等物質(zhì)能。生物能是太陽(yáng)能以化學(xué)能形式貯存在生物2開(kāi)發(fā)利用生物質(zhì)能的意義中的一種能量形式,一種以生物質(zhì)為載體的能量,它我國是世界上人口最多的國家,國民經(jīng)濟發(fā)展直接或間接地來(lái)源于植物的光合作用在各種可再面臨著(zhù)資源和環(huán)境的雙重壓力。從人均化石能源資生能源中,生物質(zhì)是獨特的,它是貯存的太陽(yáng)能,更源量看,煤炭資源只有世界平均水平的60%,石油是一種唯一可再生的碳源,可轉化成常規的固態(tài)液態(tài)和氣態(tài)燃料。就其能源當量而言?xún)H次于煤炭、石油和天然氣。據科學(xué)家估計地球上每年植物光合作用固定的H史葫蘆島人,大專(zhuān),工程師碳達2×10t,含能量達3×104J,因此每年通過(guò)光王豐華等生物質(zhì)能利用技術(shù)研究進(jìn)展33·只有世界平均水平的10%,天然氣只有5%。從能 Keikhosro等采用毛霉、根霉和酵母對稀酸預處理源生產(chǎn)和消費來(lái)看,目前我國已經(jīng)成為世界上第二過(guò)的稻草進(jìn)行同步糖化發(fā)酵,根霉( oryzea)發(fā)酵乙能源生產(chǎn)國和第二能源消費國,大量生產(chǎn)和使用化醇產(chǎn)率高達74%,副產(chǎn)物為乳酸,毛霉( indicus)也石能源所造成的環(huán)境污染已經(jīng)十分嚴重。2004年,能達到68%的產(chǎn)率。為避免生產(chǎn)乳酪剩余的乳我國能源消費總量為1.97×10t標準煤,石油進(jìn)口清對環(huán)境造成污染, Salman等用酵母發(fā)酵天然乳依存度已超過(guò)40%。清,生產(chǎn)乙醇。生物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇是國際上除而豐富、清潔、環(huán)保又可再生的生物質(zhì)能源卻沒(méi)了制備生物柴油以外的另一條石油替代路線(xiàn),近期有得到重視被白白浪費掉。生物質(zhì)能源作為能源我國重點(diǎn)技術(shù)研發(fā)方向是利用甜高梁、木薯及木質(zhì)的利用量還不到其總量的1%我國的利用量更是纖維素等非糧食原料生產(chǎn)燃料乙醇,并建設規?；h遠低于世界平均水平原料供應基地,建立生物質(zhì)液體燃料加工企業(yè)。生物質(zhì)能源的引入和取代石油是必要的,而且3.2.2厭氧性消化( Anaerobic digestion)前景更是十分美好和誘人,它不僅能大大減少污染厭氧消化是指利用微生物在缺氧條件下消化易還事關(guān)我國能源安全的大局。所以開(kāi)發(fā)利用生物質(zhì)·腐生物質(zhì),使其徹底分解,產(chǎn)生氫氣和甲烷等高能清能是調整能源結構、保障能源安全的重要措施,是保潔燃料(即沼氣)的過(guò)程。Yang等以乙酸鹽等為有護生態(tài)環(huán)境、實(shí)現可持續發(fā)展的重要途徑,是促進(jìn)農機源,在填充了碳氈的固定化產(chǎn)烷微生物流化床混村經(jīng)濟發(fā)展、建設社會(huì )主義新農村的重要舉措。合反應器中進(jìn)行厭氧消化,使甲烷產(chǎn)量達798mL/3生物質(zhì)能的轉化利用技術(shù)及現狀d,提高了產(chǎn)量。目前,木質(zhì)纖維素類(lèi)物質(zhì)分解是般地,所有種類(lèi)生物質(zhì)都可以進(jìn)行熱化學(xué)轉沼氣生產(chǎn)的瓶頸問(wèn)題。由于對厭氧消化所需要的三化,含濕量低的草本植物和木本植物最適合熱化學(xué)類(lèi)嫌氧微生物的研究仍較膚淺,致使無(wú)法圓滿(mǎn)解決轉化1,而能量密度低的散拋型農業(yè)廢棄物可通過(guò)產(chǎn)氣效率低等現象。如果這一課題的研究得到質(zhì)的壓縮成型來(lái)提高利用價(jià)值。進(jìn)展,則可將原料由目前以人畜糞便為主擴大到各3.1直接燃燒法( Direct Combustion)種秸稈枝葉類(lèi),可以大大擴展沼氣原料來(lái)源。直接燃燒通常是在蒸汽循環(huán)作用下將生物質(zhì)能3.3熱化學(xué)轉化( Thermochemical Conversion轉化為熱能和電能,為烹飪、取暖、工業(yè)生產(chǎn)和發(fā)電熱化學(xué)轉化技術(shù)與其他技術(shù)相比,具有功耗少提供熱量和蒸汽。小規模的生物質(zhì)轉化利用率低轉化率高、較易工業(yè)化等優(yōu)點(diǎn)。生物質(zhì)熱化學(xué)轉化下,熱轉化損失約為30%~90%。通過(guò)利用轉化效包括氣化、熱解液化和超臨界萃取,其中氣化和液率更高的燃燒爐,可以提高利用率3。生物質(zhì)燃燒化技術(shù)是生物質(zhì)熱化學(xué)利用的主要形式。最常用的是鍋爐燃燒和流化床燃燒技術(shù),后者由于3.3.1氣化及氣化發(fā)電( Gasification and Gasifica-氮氧化物的低排放特性迅速得到青睞。 Eriksson tion Power Generation)和 Kjellstrem等研究了木材水解殘渣在150kW的氣化是生物質(zhì)轉化的最新技術(shù)之一。它是指在粉末燃燒器里的燃燒情況,結果表明,直接燃燒是燃定的熱力學(xué)條件下,將組成生物質(zhì)的碳氫化合物氣輪機使用的切實(shí)可行的方法。直接燃燒是最早轉化為含一氧化碳和氫氣等可燃氣體的過(guò)程。這些采用的一種生物質(zhì)開(kāi)發(fā)利用方式,可以最快速度地產(chǎn)物既可供生產(chǎn)、生活直接燃用,也可用來(lái)發(fā)電,進(jìn)實(shí)現各種生物質(zhì)資源的大規模無(wú)害化、資源化利用,行熱電聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供,從而實(shí)現生物質(zhì)的高效清潔利用。成本較低,因而具有良好的經(jīng)濟性和開(kāi)發(fā)潛力。此外,歐共體還開(kāi)展了生物質(zhì)氣化合成甲醇、氨的研3.2生物化學(xué)轉化究。另外,我國已基本具備了發(fā)展生物質(zhì)氣化合3.2.1發(fā)酵( Fermentation)成甲醇技術(shù)的空間,只要各部分的關(guān)鍵問(wèn)題得到解發(fā)酵是生物質(zhì)間接液化的一種。生物質(zhì)間接液決,并結合新技術(shù)和提高系統效率,生物質(zhì)氣化合成化是指通過(guò)微生物作用或是化學(xué)合成法生成液體燃甲醇技術(shù)就會(huì )具有廣闊的發(fā)展前景。料,常見(jiàn)的如乙醇的發(fā)酵。乙醇的發(fā)酵底物幾乎包生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)的基本原理是把生物質(zhì)轉括各種原始生物材料,最主要的原料為甘蔗、小麥、化為中國煤化工然氣發(fā)電設備進(jìn)行谷類(lèi)、甜菜和木材。若用富含木質(zhì)纖維素的農業(yè)廢發(fā)電CNMHG程:一是生物質(zhì)氣棄物生產(chǎn)乙醇可避免農作物食用和工業(yè)生產(chǎn)間的化,將體生物質(zhì)轉化為氣體燃科;二是氣體凈化,矛盾,其潛在生產(chǎn)量是世界目前產(chǎn)量的16倍。氣化出來(lái)的燃氣都帶有一定的雜質(zhì),包括灰分、焦炭·34化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù)2009年第30卷第3期和焦油等,需經(jīng)過(guò)凈化系統把雜質(zhì)除去,以保證燃氣料使用,也可以再轉化為品位更高的液體燃料或價(jià)發(fā)電設備的正常運行;三是燃氣發(fā)電,利用燃氣輪機值更高的化工產(chǎn)品。液化產(chǎn)品的處理方法包括催化或燃氣內燃機進(jìn)行發(fā)電,有的工藝為了提高發(fā)電效加氫、熱加氫、催化裂解及兩段精制處理等。目前,率,發(fā)電過(guò)程可以增加余熱鍋爐和蒸汽輪機催化加氫是較常用的方法0。高壓液化技術(shù)是生生物質(zhì)氣化及發(fā)電技術(shù)在發(fā)達國家已受廣泛重物質(zhì)直接液化技術(shù)的一種,是指在較高壓力、一定溫視例如:奧地利、丹麥、芬蘭、法國、挪威、瑞典和美度和溶劑催化劑存在等條件下對生物質(zhì)進(jìn)行液化國等國家的生物質(zhì)能在總能源消耗中所占的比例增反應制取液體產(chǎn)品的技術(shù)。相比同為直接液化的快加相當迅速。發(fā)展中國家隨著(zhù)經(jīng)濟發(fā)展也逐步重視速熱裂解法,該技術(shù)具有工藝簡(jiǎn)捷、易于大規模工業(yè)生物質(zhì)的開(kāi)發(fā)利用。我國根據目前的生物質(zhì)資源,化生產(chǎn)等特點(diǎn),因而得到了廣泛的關(guān)注和深入的如果僅將1%的麥桿和10%的谷殼用來(lái)氣化和發(fā)研究。在我國,利用現有技術(shù),研究開(kāi)發(fā)經(jīng)濟上可行效率ton, SCFE)冷分電,總裝機容量就可能會(huì )高于200×10kW。所以3.3.4超臨界流體萃取( Supercritical fluid extrac-較高的生物質(zhì)氣化發(fā)電系統對今后能否有效利用生超臨界流體(SCF)具有氣液兩重性的特點(diǎn),它物質(zhì)起關(guān)鍵作用?！笆濉逼陂g,國家863計劃在1既有與氣體相當的高滲透能力和低黏度,又兼有與MW的生物質(zhì)氣化發(fā)電系統的基礎上,研制開(kāi)發(fā)出液體相近的密度和對許多物質(zhì)優(yōu)良的溶解能力。在4~6MW的生物質(zhì)氣化燃氣一蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電超臨界水中,將煤炭和生物質(zhì)能源轉化為清潔的氫系統,建成了相應的示范工程,燃氣發(fā)電機組單機功能,具有氣態(tài)產(chǎn)物中氫氣含量高,無(wú)需對原料進(jìn)行干率達500kW,系統效率也提高到28%,為生物質(zhì)氣燥,反應不生成焦油等副產(chǎn)品不造成二次污染等優(yōu)化發(fā)電技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化奠定了很好的基礎點(diǎn)(1。 Demirbas用超臨界水萃取法使水果皮產(chǎn)生生物質(zhì)能轉化為電能,正面臨著(zhù)前所未有的發(fā)富氫氣體。和其他熱解、氣化等熱化學(xué)法相比,超臨展良機。國家電網(wǎng)公司擔任大股東的國能生物質(zhì)發(fā)界萃取法能直接處理潮濕物料而不用對其干燥,并電公司目前已有19個(gè)秸稈發(fā)電項目得到主管部門(mén)且能在較低溫度下保持高的萃取效率。超臨界流體批準,大唐、華電、國電、中電等集團也紛紛加入,河萃取能減少樣品的準備時(shí)間,加快提取速度,改善萃北、山東、江蘇、安徽河南、黑龍江等省的100多個(gè)取效果,并且對固體和半固體樣品的提取率不亞于縣(市)開(kāi)始投建或是簽訂秸稈發(fā)電項目。常規萃取法?？勺鳛镾CF的物質(zhì)很多,如二氧化3.3.2熱解( Pyrolysis)碳、六氟化硫、乙烷、甲醇、氨和水等。利用SCFE進(jìn)在隔絕空氣條件下加熱生物質(zhì),或者在少量空行生物質(zhì)轉化已有很多應用。氣存在的條件下部分燃燒產(chǎn)生碳氫化合物、含油液3.4固體成型技術(shù)( Briquetting Technology)體和殘炭的混合物,為熱解產(chǎn)物。通過(guò)生物質(zhì)熱解固體成型技術(shù)是指在一定溫度與壓力作用下及其相關(guān)技術(shù),可生產(chǎn)焦炭和甲醇丙酮、乙酸焦油將原來(lái)分散的沒(méi)有一定形狀的生物質(zhì)廢棄物壓制等副產(chǎn)物3。熱解按溫度、升溫速率、反應時(shí)間和顆成具有一定形狀密度較大的各種成型燃料的高新粒大小等條件,可分為慢速熱解常規熱解和閃速熱技術(shù)1,秸稈、谷殼和木材等的屑末下腳料由于體解3種方式?？焖贌峤馐且苑羌Z食類(lèi)的生物質(zhì)為原積密度小,占用空間大,直接焚燒浪費資源且污染環(huán)料制取液體燃料的方法之一,尺度小的稻殼、木屑等境。該技術(shù)則能以連續的工藝和工廠(chǎng)化的生產(chǎn)方式的干燥物料是快速熱解工藝的理想原料。由快速熱將這些低品位的生物質(zhì)轉化為易儲存、易運輸、能量解工藝獲得的液體燃料含氧量高,但是熱值較石化密度高的高品位生物質(zhì)燃料,從而使燃燒性能得到燃料低,還需要進(jìn)一步精制處理才能有效利用。如明顯改善,熱利用效率顯著(zhù)提高,為高效再利用農林果能夠開(kāi)發(fā)出選擇性?xún)?yōu)良的快速熱解工藝,生產(chǎn)出廢棄物、農作物秸稈等提供了一條很好的途徑。目低含氧量,高熱值的液體燃料,那么快速熱解工藝將前國內開(kāi)發(fā)的生物質(zhì)顆粒燃料成型技術(shù)具有非常強的競爭力。( Highzones技術(shù))比熱壓成型技術(shù)減少了烘干、成3.3.3熱解液化( Pyrolysis Liquefaction)中國煤化工F,可就地將原料及生物質(zhì)的熱解液化是在缺氧條件下將生物質(zhì)迅時(shí)速加熱到500~600℃,使之主要轉換成液化產(chǎn)物中存YHSCNMHG質(zhì)燃料規?；瘧藐?yáng)屬兩町項問(wèn)題,便于在原料(油)的一種工藝。這種液體燃料既可以直接作為燃產(chǎn)地推廣使用。王豐華等生物質(zhì)能利用技術(shù)研究進(jìn)展3.5生物柴油制取( Biodiesel Production)10°m3,生物固體成型燃料達到50×10°t,到時(shí)我國生物柴油制取是生物質(zhì)直接液化的一種。主要生物質(zhì)能源消費量有望占到整個(gè)石油消費量20%是采用機械方法,用壓榨或是提取等工藝獲得可燃生物質(zhì)年利用量占到一次能源消費量的4%。燒的油品,如棉籽油等植物油,經(jīng)提煉液體油直接用5結語(yǔ)于燃燒或將其經(jīng)乳化、高溫裂解或酯化處理后作為我國是世界上人口最多的國家,國民經(jīng)濟發(fā)展替代柴油的方法。我國的產(chǎn)油微生物主要包括高產(chǎn)面臨著(zhù)資源和環(huán)境的雙重壓力。所以我們應該拾起烴的叢粒藻。叢粒藻的化石主要分布在我國的北部冷落多年的身邊的“富礦”,加快生物質(zhì)能的開(kāi)發(fā)利灣沿岸、渤海沿岸和茂名油頁(yè)巖等石油沉積層中。用步伐,努力提高生物質(zhì)能的利用技術(shù),為建設資源植物油黏度較大,直接用作燃料油會(huì )出現結焦炭化節約型、環(huán)境友好型社會(huì )作出貢獻。等現象國內外普遍采用以低碳醇為酯化劑,用酸堿或酶作催化劑,將原料油進(jìn)行酯化處理后獲得相參考文獻:應的脂肪酸酯,即生物柴油。生物柴油性能與石化1米鐵唐汝江生物質(zhì)能利用技術(shù)及研究進(jìn)展[J煤氣柴油相近,并且具有硫含量低、分解性能好、燃燒效與熱力,2004,24(12):701~705率高等特點(diǎn)大大降低了環(huán)境污染,是石化柴油的優(yōu)2 Ayhan D. Biomass resource facilities and Biomass con-良可再生替代品,有“綠色柴油”之稱(chēng)。相比其他方version p rocessing for fuels and chemicals[J]. Energ法,酯交換法工藝簡(jiǎn)單、費用較低、制得的產(chǎn)品性質(zhì)Conversion and Management, 2001, 42: 1 357-1 3783 Eriksson G, Kjellstrem B Combustion of wood hydroly穩定,是生物柴油主要的制備方法sis residue in a 150 kw powder burner[J]. Fuel,2004美國主要以相對便宜的豆油為原料制備生物柴(83):1635~1641油,歐洲主要是以油菜籽為原料,棕櫚油、葵籽油、米4 Keikhosro K, Giti E. Ethanol production from dilute糠油等也是最常見(jiàn)的原料。值得一提的是,動(dòng)植物acid pretreated rice straw by simultaneous saccharifica廢棄餐飲油是一種很好的制備生物柴油的原料。tion and fermentation with Mucor indicus, Rhizopus本植物油資源貧乏,因此主要用廢油為原料制備生oryzae, and Saccharomyces cerevisiae [J]. Enzyme and物柴油。我國多年來(lái)開(kāi)展了一些生物柴油研發(fā)工Microbial Technology, 2006, 40: 138-144作,中科大、石油化工研究院西北農林科技大遼寧 Salman Z, Mohammad O. Ethanol production from能源所等分別進(jìn)行了實(shí)驗研發(fā)和小型工業(yè)試驗,crude whey by kluyveromyces marxianus[J]. Biochemi-系列關(guān)鍵技術(shù)已被掌握。海南、四川和福建幾家公cal Engineering Journal, 2006(27): 295-298司開(kāi)發(fā)出擁有自主知識產(chǎn)權的技術(shù),相繼建成年產(chǎn)Yang Y N, Anaerobic digestion by a fixed and fluidizedhybrid reactor packed with carbon felt [J]. Materials超過(guò)萬(wàn)噸生物柴油的生產(chǎn)企業(yè)。Science and Engineering, 2004,(24): 893-899生物質(zhì)能的利用前景展望7匡廷云,白克智,盧從明等.生物質(zhì)能源技術(shù)前瞻[].太在2006年8月召開(kāi)的全國生物質(zhì)能源開(kāi)發(fā)利陽(yáng)能,2004,(4):7~9用工作會(huì )議上,原國家發(fā)改委副主任陳德銘提出,今8米鐵唐汝江,陳漢平等生物質(zhì)氣化技術(shù)及其研究進(jìn)展后15年,我國在生物質(zhì)能源方面將重點(diǎn)發(fā)展農林生[].化工裝備技術(shù),2005,26(2);物質(zhì)發(fā)電生物液體燃料、沼氣及沼氣發(fā)電、生物固9鄭冀魯,朱錫鋒郭慶祥生物質(zhì)制取液體燃料技術(shù)發(fā)展體成型燃料技術(shù)四大領(lǐng)域,開(kāi)拓農村發(fā)展新型產(chǎn)業(yè),趨勢與分析[冂.中國工程科學(xué),2005,7(4):5~10為農村提供高效清潔的生活燃料,并為替代石油開(kāi)0朱錫鋒,朱建萍生物質(zhì)熱解液化技術(shù)經(jīng)濟分析[能辟新的渠道。源工程,2004,(6):32~34根據《可再生能源中長(cháng)期發(fā)展規劃》確定的主要11溫從科,喬旭,張進(jìn)平.生物質(zhì)高壓液化技術(shù)研究進(jìn)展J].生物質(zhì)化學(xué)工程,2006,40(1):32~34發(fā)展目標,到2010年,生物質(zhì)發(fā)電達到5.5×10012閆秋會(huì ),郭烈錦梁興媒與生物質(zhì)共超臨界水催化氣化kW,生物液體燃料達到2.0×10°t,沼氣年利用量制氫的實(shí)驗研究[.西安交通大學(xué)學(xué)報,2005,39(5)達到19×10°m3,生物固體成型燃料達到1×106t,生物質(zhì)能源年利用量占到一次能源消費量的1%;13中國煤化工型燃料技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化到2020年,生物質(zhì)發(fā)電裝機達到30×10°kW,生物CNMHG,2005,39(1):111液體燃料達到10×10°t,沼氣年利用量達到40×