我國生物質(zhì)資源化利用新技術(shù)及其進(jìn)展

節2004年第10期ENERGY CONSERVATION(總第267期)我國生物質(zhì)資源化利用新技術(shù)及其進(jìn)展周義德1,王方2,岳峰2(1·中原工學(xué)院能源與環(huán)境工程親,河南鄭州45000;2.河南省能源研究所,河南鄭州450008摘要:針對生物質(zhì)傳統利用方式的不足與弊端,提出生物質(zhì)資源化利用新技術(shù)是生物質(zhì)最終處置的根本方式,并就目前研究的生物質(zhì)高溫空氣氣化、生物質(zhì)制氫、生物質(zhì)液化、生物質(zhì)田體成型等多種利用方式進(jìn)行了綜述關(guān)鍵詞:生物質(zhì)資源化利用;生物質(zhì)成型;沼氣氣調;生物質(zhì)制氬;生物柴油中圖分類(lèi)號:TK6文獻標識碼:A文章編號:1004-7948(200410-0008-041前言料浪費嚴重,全國有近一半的秸稈在田間焚燒,木能源的開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)為人類(lèi)物質(zhì)文明和精神文明材林產(chǎn)品加工產(chǎn)生的大量木屑、鋸末等被廢棄,食提供了重要的物質(zhì)保障成為滿(mǎn)足人類(lèi)生活和保障品加工產(chǎn)生的殼、皮等被當作垃圾填埋。我國9億國民經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎工業(yè)。但當人類(lèi)步入又一多農村人口的生活用能75%依賴(lài)于生物質(zhì)能源{4),個(gè)新的千年的時(shí)候,由于能源的過(guò)度開(kāi)發(fā)與消費累然而生物質(zhì)直接燃燒不僅熱效率低,而且大量煙塵計的效應,出現了與能源有關(guān)的諸多問(wèn)題。首先由和余灰的排放,嚴重影響了人們的生活和居住環(huán)境。于能源本身的資源屬性,誘發(fā)了部分能源在使用上另外,直接焚燒秸稈,只能部分利用它的熱能,卻白的危機;其次,能源開(kāi)發(fā)與利用引起的環(huán)境污染,導白損失了它的營(yíng)養成分和肥料成分。秸稈平均含氮致的區域環(huán)境問(wèn)題與全球環(huán)境問(wèn)題,成為制約國民0.6%,含磷0.3%,含鉀1%,這一損失很難用化肥經(jīng)濟發(fā)展的重要因素;另外,能源開(kāi)發(fā)利用引起的補償。目前,化肥的過(guò)量使用已導致土壤有機質(zhì)CO2排放,已成為全球關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題。面對復雜含量下降,氮、磷、鉀比例失調,理化性能變壞。的經(jīng)濟和環(huán)境問(wèn)題,我們不得不思考我國未來(lái)的能據聯(lián)合國糧農組織資料,我國每年有1.1億t源發(fā)展戰略。麥秸,居世界第一位。過(guò)去都把它當廢物或焚燒或可以想像,我國未來(lái)的能源結構將與過(guò)去不同粉碎還田,產(chǎn)生大量的CO2等有害氣體,直接破壞多種能源并存的能源體系將成為新世紀能源結構大氣質(zhì)量,造成地區性氣候異常。地方上主要處理方式是造紙,但污染嚴重。粉碎還田看起來(lái)是出路,特征,生物質(zhì)極有可能成為新世紀的主要能源之但實(shí)際上由于干燥等原因不易腐爛,肥田效果不好生物質(zhì)能( biomass energy或 bioenergy)是指利用生還增加了農作物發(fā)生病蟲(chóng)害的可能。因此,大力研物質(zhì)經(jīng)過(guò)轉換所獲得的可用能源,如電與熱。目前,發(fā)推廣生物質(zhì)利用新技術(shù),不僅可合理利用生物質(zhì)生物質(zhì)是最廣泛使用的一種可再生能源,約占世界資源把農村地區豐富的生物質(zhì)資源變廢為寶,還可所有可再生能源的2/3。我國“863”計劃已將開(kāi)發(fā)有效刺激農村經(jīng)濟發(fā)展切實(shí)增加農民收入,符合國4MW級生物質(zhì)氣化發(fā)電系統及關(guān)鍵技術(shù)、纖維素民經(jīng)濟可持續發(fā)展戰略。廢棄物制取酒精燃料技術(shù)和快速裂解油燃料技術(shù)列3生物質(zhì)資源化利用新技術(shù)為高效利用生物質(zhì)能的主要研究?jì)热?l因此,大能源的開(kāi)發(fā)利用對環(huán)境的影響可分為三種情力開(kāi)發(fā)生物質(zhì)資源化利用新技術(shù),對于緩解21世紀形:其一,能源的開(kāi)發(fā)利用對環(huán)境造成直接的影響和能源、環(huán)境生態(tài)問(wèn)題所帶來(lái)的壓力具有重要意義。危害;其二,能源的開(kāi)發(fā)利用不會(huì )對環(huán)境造成直接的2生物質(zhì)傳統利用危害和影響;其三,能源的開(kāi)發(fā)利用不僅不會(huì )對環(huán)境我國是一個(gè)農業(yè)大國,生物質(zhì)資源十分豐富,僅造成危害,而且還有利于改善已經(jīng)破壞了的環(huán)境和農村每年產(chǎn)生的生物質(zhì)燃料可折合2.7×10°t標準生中國煤化工種情形,而生物質(zhì)煤,占農村總耗能的40%左右23。許多低熱值燃的CNMHG生物質(zhì)能的開(kāi)發(fā)利2004年第10期節能(總第267期)ENERGY CONSERVATION用就要求人們恢復植被,最終形成CO2的收支平型熱水鍋爐熱風(fēng)爐等,小顆粒產(chǎn)品也作為燃料用于衡,使用這種能源幾乎不會(huì )產(chǎn)生SO2污染,并且有小型發(fā)電。目前國內許多科研單位在生物質(zhì)固體成利于回收利用有機廢棄物61。型方面也進(jìn)行了大量的研究,“八五”期間,我國重點(diǎn)3.1生物質(zhì)固體成型對生物質(zhì)固體成型技術(shù)進(jìn)行了科技攻關(guān),引進(jìn)國外生物質(zhì)壓縮技術(shù)可將固體農林廢棄物壓縮成先進(jìn)機型,經(jīng)消化、吸收,研制出各種類(lèi)型的適合我型,制成可替代煤炭的壓塊燃料,克服生物質(zhì)能量密?chē)鴩榈纳镔|(zhì)壓縮成型機,用以生產(chǎn)棒狀塊狀或度低的缺點(diǎn)。早在20世紀30年代,美國開(kāi)始設顆粒狀生物質(zhì)成型燃料。我國的生物質(zhì)螺旋成型機計螺旋式生物質(zhì)壓縮成型設備,同時(shí),現代化的活塞螺桿使用壽命達500h以上,屬?lài)H先進(jìn)水平。成型機在瑞典、德國得到推廣;20世紀50年代,日2002年,河南農業(yè)大學(xué)研制成功液壓驅動(dòng)式雙向擠本人研制出了螺旋式生物質(zhì)成型機,并逐步推廣到壓秸稈成型機,技術(shù)基本成熟,并已投入工廠(chǎng)化生中國的臺灣、泰國乃至歐洲和美國,20世紀50年代產(chǎn),每小時(shí)生產(chǎn)玉米秸稈成型塊2~4t81。目前,無(wú)又相繼產(chǎn)生了以油壓為動(dòng)力的生物質(zhì)壓縮成型論從經(jīng)濟、市場(chǎng)還是從技術(shù)角度分析,中國生物質(zhì)壓設備。生物質(zhì)壓縮成型工藝如圖1所示,其產(chǎn)品縮成型燃料(飼料)生產(chǎn)都已接近世界水平,具有良在國外主要用于各種類(lèi)型的家庭采暖爐(壁爐)、小好的發(fā)展前景。脫水生物質(zhì)收集加熱或粘結劑保型包裝貯運圖1生物質(zhì)壓縮成型工藝流程圖另外,利用生物質(zhì)還可熱壓板材。中國林科院萬(wàn)戶(hù)用沼氣池。沼氣與其他燃氣相比,其抗爆性木材所對利用農業(yè)剩余物秸稈作原料生產(chǎn)人造板這好,是一種很好的清潔燃料。目前,沼氣氣調技術(shù)作重大課題進(jìn)行了研究,并獲得了國家專(zhuān)利。我國為一種新興科研技術(shù)廣泛應用于果蔬保鮮{S。其生物質(zhì)資源豐富,若利用現有農業(yè)剩余物5%,就有原理是沼氣本身為有機物經(jīng)厭氧消化產(chǎn)生的混合氣1200萬(wàn)t可供作人造板生產(chǎn)原料生產(chǎn)約2000萬(wàn)方體,其主要成分是CH4和CO2。以沼氣作為環(huán)境的人造板,可代替6000萬(wàn)方木材。目前,世界人造板氣體調節劑,用于糧食、果蔬的貯藏,可以降低貯藏產(chǎn)量的15%~20%是利用農業(yè)剩余物生產(chǎn)的。秸物的呼吸強度,減弱其新陳代謝推遲后熟期,從而稈熱壓板材具有質(zhì)輕、強度高、剖面密度均勻等特延長(cháng)其貯藏時(shí)間。沼氣作為氣調劑是高CO2低氧點(diǎn),并且經(jīng)特殊處理后還可阻燃、防火、防蟲(chóng)9。目條件,可以抑制貯藏器內糧食、果蔬的生理病害、真前,我國年產(chǎn)人造復合板3500萬(wàn)t,其中用秸稈生產(chǎn)菌病害及蟲(chóng)害等人造板幾乎為零。該技術(shù)不僅具有廣闊的市場(chǎng)前此外,生物質(zhì)高溫空氣氣化也受到了人們的普景,還可切實(shí)提高農民收入和創(chuàng )造富余勞動(dòng)力就業(yè)遍重視。生物質(zhì)高溫空氣氣化技術(shù)是使用1000℃以上的高溫預熱空氣,在低過(guò)?？諝庀禂迪掳l(fā)生不3.2生物質(zhì)氣化完全燃燒化學(xué)反應,獲得熱值較高的燃氣。1999沼氣技術(shù)是我國發(fā)展最早的生物質(zhì)氣化技術(shù)。年,吉田邦夫提出了高溫空氣氣化( High Tempera20世紀70年代,我國為解決農村能源短缺問(wèn)題,曾大力開(kāi)發(fā)和推廣戶(hù)用沼氣池技術(shù),全國已建成525架HH中國煤化工G)的初期理論框CNMHG時(shí)生物質(zhì)熱利用效能2004年第10期ENERGY CONSERVATION(總第267期)率低的情況,將高溫空氣氣化技術(shù)與IGCC相結合氫燃氣。國內這方面的工作開(kāi)展得比較緩慢,研究形成MEET-IGC系統。實(shí)驗發(fā)現,該系統具有成果也十分有限。中科院廣州能源所進(jìn)行了生物質(zhì)靈活機動(dòng)、適應性強、燃料適用性廣、空氣過(guò)剩系數流化床制取富氫燃氣的研究,得到了最高氫產(chǎn)率可大大減少、合成燃氣熱值有較大提高系統熱效率71gkg-1生物質(zhì)(21此外,利用光合菌、藻類(lèi)和發(fā)可達40%以上等優(yōu)點(diǎn)。目前,日、美、西歐等國家和酵細菌制氫技術(shù)也得到了人們的關(guān)注,成為生物質(zhì)地區紛紛投資該系統的研究,并將其推上商業(yè)化發(fā)制氫的另一條有效途徑。雖然生物質(zhì)制氫尚處于試展的道路,使該系統得到不斷的發(fā)展2-14。生物驗研究階段,但該技術(shù)的優(yōu)越性已突出表現出來(lái)。質(zhì)高溫空氣氣化由于空氣溫度很高,無(wú)需使用純氧隨著(zhù)氫能應用領(lǐng)域的逐步成熟與擴大,制氫方法的或富氧氣體反應便能迅速進(jìn)行,并且氣化效率也大研究與開(kāi)發(fā)必將得到有力推動(dòng)。大提高,其主要化學(xué)反應為3.3生物柴油C生物柴油是從富油植物中提取生物油,經(jīng)甲脂烷烴+O2+N2→O+H2+H2O+OO+N2+△Q1化后可供柴油機使用,稱(chēng)為生物柴油21。近年來(lái)為抑制煙塵的生成通常加入10%~20%的水國外生物柴油研發(fā)和推廣很快美國2001年生物柴蒸氣在高溫氣氛中水蒸氣與碳及烷烴發(fā)生高溫重油消耗量達2538萬(wàn)L;日本的《廢棄物再生法》也整,其副反應0為有力地推動(dòng)了該國生物柴油的發(fā)展烷烴x+QCO+H2-△QC生物柴油和礦物柴油性能相比(見(jiàn)表1),具有硫含量低、氧含量高、分解性能好、燃燒效率高等特高溫空氣氣化系統具有燃氣熱值高、對環(huán)境污點(diǎn),用于柴油車(chē),其尾氣中的煙塵、SO3和NO2等均染小、過(guò)?？諝庀禂档?、灰渣易于處理、結構簡(jiǎn)單緊大幅下降,十分有利于減輕大氣污染。生物柴油是湊、氣化效率高、經(jīng)濟性好等特點(diǎn)。自1998年以來(lái),對汽車(chē)、環(huán)境友好的可再生能源24。我國多年來(lái)開(kāi)已有越來(lái)越多的國家開(kāi)始重視生物質(zhì)高溫空氣氣化展了一些生物柴油研發(fā)工作?！鞍宋濉逼陂g,我國開(kāi)技術(shù),繼日本、美國之后,瑞典、意大利、丹麥、奧地利始利用纖維素廢棄物制取乙醇燃料技術(shù)的研究和等國已投巨資用于生物質(zhì)高溫空氣氣化技術(shù)的研探索,主要研究纖維素廢棄物的稀酸水解和發(fā)酵技究。在我國,生物質(zhì)高溫空氣氣化的研究剛剛起步。術(shù),并在“九五”期間進(jìn)入中試階段。中科大、石油化目前,中科院廣州能源所、中南大學(xué)能源與動(dòng)力工程工研究院、西北農林科技大、遼寧能源所等分別進(jìn)行學(xué)院、長(cháng)沙綠色能源技術(shù)研究所和株洲工業(yè)爐制造了實(shí)驗研發(fā)和小型工業(yè)試驗,一系列關(guān)鍵技術(shù)已被公司等4家單位正在合作開(kāi)發(fā)該技術(shù)151克服,我國生物柴油產(chǎn)業(yè)已初具規模。探索生物質(zhì)生物質(zhì)制氫也是一種很有前景的開(kāi)發(fā)方式,已合成液體燃料技術(shù),以適應代油需要對確保我國能引起世界各國研究者的廣泛關(guān)注。許多國家對生物源安全意義重大。我國已對生物柴油和生物裂解油質(zhì)制氫技術(shù)進(jìn)行研究,以期早日實(shí)現該技術(shù)向商業(yè)等代用燃料進(jìn)行了研究,但該技術(shù)目前尚處于初級化生產(chǎn)的轉變。國外在這方面進(jìn)行了相當多的研階段(。究(16-20)。 Mckinley K r1等研究了對生物質(zhì)進(jìn)行表1生物柴油和礦物柴油性能對比表熱化學(xué)處理以得富氫燃氣;Stur1在富氧條件下性能指標礦物柴油生物柴油研究了生物質(zhì)的水蒸氣氣化反應,在他們的操作條密度/kgm820~860875~900件下單位生物質(zhì)產(chǎn)氫量達60gkg-1。J.L.cox粘度/m2s等通過(guò)控制氣化條件和優(yōu)化反應器設計,由生物質(zhì)引火點(diǎn)/℃氣化得到了較高的氫產(chǎn)出; Hauserman201采用木灰含硫量(質(zhì)量)%為催化劑研究了生物質(zhì)水蒸氣氣化制氫的效果,木灰為生物質(zhì)氣化后的產(chǎn)物,基本組分為44.3%CaO,15%MgO,145%K2O。通過(guò)添加30%的木灰,在650℃和024MPa壓力條件下,獲得含氫52%的富EYH中國煤化工3.9CNMHG2004年第10期(總第267期)ENERGY CONSERVATION4生物質(zhì)資源的未來(lái)發(fā)展tion[ R]. RAN2001, 3d Intertional Symposium on Ad-可持續發(fā)展是新世紀發(fā)展的主題。伴隨著(zhù)經(jīng)濟vanced Energy Conversion System and Related Technolo-Nagoya, Japan, December 15(sat )-17(man),2001的可持續發(fā)展能源作為經(jīng)濟運行的血液已成為經(jīng)[131 Yoshikawa Kunio.R& d on small-scale gasification of solid濟、科技界及各國政府優(yōu)先考慮的問(wèn)題。我國在生fuels using high temperature air and stream [R]物質(zhì)資源化利用新技術(shù)方面取得了巨大成績(jì),但與RAN2001, 3 Intertional Symposium on Advanced Energy發(fā)達國家相比尚存在一定差距,在生物質(zhì)高溫空氣Conversion System and Related Technologies, NagoyaJapan, December 15(sat )-17(man),2001氣化、生物質(zhì)液化(包括生產(chǎn)酒精熱解液化生物柴[141 Toru Ishii, Emi Yoshitake KIGA,ec, Gasification of solid油)、生物質(zhì)制氫等工業(yè)技術(shù)方面有待進(jìn)一步研發(fā)。fuel at the demonstration plant of meet system, MEETII要立足于科技進(jìn)步,加大基礎理論的研究,不斷將各[R]. RAN2001, 3, Intertional Symposium on Advanced種研究成果實(shí)用化、產(chǎn)業(yè)化。我們有理由相信,在可Nagoya, Japan, December 15(sat )-17(man),2001預見(jiàn)的未來(lái)我國生物質(zhì)能的綜合開(kāi)發(fā)與利用必將[15]曹小玲蔣紹堅翁一武生物質(zhì)高溫空氣氣化分析現達到一個(gè)新的高度。狀及前景[].節能技術(shù),2004,22(1):47-49參考文獻[16]Mckinley KR, Browne SH, Neill DR, et al. Hydrogen fuel[1]國家經(jīng)貿委節能信息傳播中心.發(fā)展中國家節能融資促from renewable resources[J ]. Energy Resources, 1990, 12進(jìn)項目[J.中國能源,2002,(3):44[2]王革華我國生物質(zhì)能利用技術(shù)展望[J農業(yè)工程學(xué)[17] CoxJL, Tonkovich AY, Elliot DC,etl. Hydrogen from報,1999,15(4):19-22.biomass,a fresh approach[ A]. Energy Evironment. Agri[3]劉圣勇,張杰.生物質(zhì)氣化技術(shù)現狀及應用前景展望Iture, and Indistry Proceedings[C], August 21-24, 1995J]資源節約與綜合利用,199,(2):24-27Prot land, Orgeon[4]周簋秸稈氣化是一個(gè)大有前途的新產(chǎn)品[J]新能源[18]Tums Kinoshita C, Zhang Z, et al. An experimental inves-tigation of hydrogen production from biomass gasification2000,21(4):37-395]周靜茹以沼氣為紐帶綜合開(kāi)發(fā)利用生物質(zhì)資源[A][J]. 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