生物質(zhì)能利用技術(shù)及研究進(jìn)展

第24卷第12期煤氣與熱力Vol. 24 No. 122004年12月Gas heatDec.2004文章編號:1000-4416(2004)12-0701-05生物質(zhì)能利用技術(shù)及研究進(jìn)展米鐵,唐汝江,陳漢平,劉德昌(華中科技大學(xué)煤燃燒國家重點(diǎn)實(shí)驗室,湖北武漢430074)摘要:對生物質(zhì)能的概念、利用生物質(zhì)能的意義及生物質(zhì)能的轉化利用方式進(jìn)行了介紹。生物質(zhì)能轉化方法分為生物化學(xué)轉化(發(fā)酵和消化)、熱化學(xué)轉化(直接燃燒、氣化、熱解和液化)、機槭萃取等關(guān)鍵詞:生物質(zhì);生物質(zhì)能;發(fā)酵;厭氧性消化;氣化;熱解;液化;機械萃取中圖分類(lèi)號:TU996文獻標識碼:AUtilization Technology of Biomass Energy and Its research progressMI Tie, TANG Ru-jiang, CHEN Han-ping, LIU De-changState Key laboratory of Coal Combustion, Huazhong University of ScienceTechnology, Wuhan 430074, China)Abstract: The concept of biomass energy, meaning of its utilization and mode of its conversion utilizationare introduced. The conversion methods of biomass energy are classified as biochemical conversion(fer-entation and digestion), thermochemical conversion( direct combustion, gasification, pyrolysis and liqction)and mechanical extractionKey words: biomass; biomass energy: fermentation; anaerobic digestion; gasification; pyrolysis; lique-faction: mechanical extraction0引言全球性的重大課題。因此,我國計劃發(fā)展后續能源,以替代化石燃料,改變傳統的能源結構,實(shí)現能源供在化石燃料的利用過(guò)程中,人們把減少煙塵與應的多元化擺脫對化石燃料的依賴(lài)改善生存環(huán)NO4,SO2等污染物的排放作為重點(diǎn),很少考慮CO2境為社會(huì )可持續發(fā)展提供可靠保障。本文主要對的溫室效應對環(huán)境的影響。隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展,對電生物質(zhì)能的利用技術(shù)和研究進(jìn)展進(jìn)行介紹。力的需求增加,迫使人們更大限度地利用化石燃料由此將引起CO2排放和其他污染物排放的加劇。1生物質(zhì)能化石燃料燃燒產(chǎn)生CO2尚無(wú)切實(shí)可行的解決辦法,而減少化石燃料的使用是主要辦法,也是我國能源生物質(zhì)能是一種理想的可再生能源,具有以下與環(huán)境戰略中一項十分重要的內容。因此,開(kāi)發(fā)可特持續發(fā)展的后續能源以替代化石燃料,已成為一個(gè)物H中國煤化工分布廣泛。利用生CNMHG氣酸雨環(huán)境減少大收稿日期:2004期:2004-06-25基金項目:國家863”項目(2001-AA-51-40-10作者簡(jiǎn)介:米),男,湖南辰溪人,講師,博士,從事大氣污染控制工程及生物質(zhì)能利用領(lǐng)域的教學(xué)與科研。702煤氣與熱力004年氣中二氧化碳含量從而減輕溫室效應都有極大的2生物質(zhì)能的轉化利用方式好處。生物質(zhì)由C,H,O,N,S等元素組成,是空氣中開(kāi)發(fā)、利用生物質(zhì)能的途徑主要有生物化學(xué)法的CO2、水和太陽(yáng)光通過(guò)光合作用的產(chǎn)物。其揮發(fā)和熱化學(xué)法,此外,還有機械萃取的方法。一般分高,炭活性高,硫氮含量低(S:.0.1%-1.5%,N:來(lái)說(shuō),所有種類(lèi)的生物質(zhì)都可以進(jìn)行熱化學(xué)轉化,含0.5%-3.0%),灰分低(0.1%-3.0%)。生物濕量低的草本植物和木本植物最適合熱化學(xué)轉化。質(zhì)分布廣泛,在生長(cháng)過(guò)程中,通過(guò)光合作用吸收生物質(zhì)轉化技術(shù)在過(guò)去的20年中取得了很大的進(jìn)CO2:;在其作為能源利用過(guò)程中,排放的CO2又有效展,人們進(jìn)行了大量的將生物質(zhì)通過(guò)熱化學(xué)生物化地通過(guò)光合作用而被生物質(zhì)吸收,使整個(gè)能源利用學(xué)方法轉化成液體、固體和氣態(tài)物質(zhì)的研究0系統的CO2凈排放為零,從而有效地防止了CO2的其中將生物質(zhì)氣化成主要成分是CO和H2的燃釋放對環(huán)境的危害。生物質(zhì)中的碳來(lái)自空氣中流動(dòng)氣,是生物質(zhì)能轉化利用的主要途徑。的CO2,參與植物的光合作用和燃燒反應的可逆循2.1生物化學(xué)轉化環(huán)利用過(guò)程。即:生物化學(xué)轉化包括發(fā)酵(產(chǎn)生乙醇)和厭氧性C02+2H10+太陽(yáng)能叫綠(CHo)+HO+O2消化(產(chǎn)生富CH,和CO的生物氣,也稱(chēng)沼氣)。(CH2O)—→CO2+熱能(1)發(fā)酵(CH2O)表示生物質(zhì)生長(cháng)過(guò)程中吸收的碳水化乙醇可以從含有糖、淀粉和纖維素的生物質(zhì)制合物的總稱(chēng)。如果以上2個(gè)反應速度有合適的匹取。乙醇最主要的原料是甘蔗小麥、谷類(lèi)甜菜洋配,CO2甚至可以達到平衡,因此,整個(gè)生物質(zhì)能循姜、木材。生物質(zhì)原料的選擇很重要因為原料價(jià)格環(huán)就不會(huì )引起全球變暖。構成了最終產(chǎn)品乙醇銷(xiāo)售價(jià)的55%-80%m。乙般可簡(jiǎn)單地將生物質(zhì)分為4類(lèi):木本植物、草醇的生產(chǎn)過(guò)程稱(chēng)為發(fā)酵其流程為先將生物質(zhì)碾碎,本植物、水生植物和肥料。廣義的生物質(zhì)還包括城通過(guò)催化酶作用將淀粉轉化為糖,再用發(fā)酵劑將糖市垃圾、工農業(yè)廢棄物等轉化為乙醇,得到的乙醇體積分數較低(10%生物質(zhì)燃料中可燃部分主要是纖維素、半纖維15%)的產(chǎn)品,蒸餾除去水分和其他一些雜質(zhì),最后素、木質(zhì)素2。按質(zhì)量計算,纖維素占生物質(zhì)的濃縮的乙醇(一步蒸餾過(guò)程可得到體積分數95%的40%~50%,半纖維素占生物質(zhì)的20%~40%,木乙醇)冷凝得到液體。通過(guò)蒸餾可將乙醇提純,1質(zhì)素占生物質(zhì)的10%-25%。表1為一些生物質(zhì)干玉米可以生產(chǎn)450L乙醇。乙醇可用于汽車(chē)燃中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的比例料。發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的固體殘留物常常為發(fā)酵過(guò)程提供熱量,因為在蒸餾階段需要很多熱能,特別是對表1生物質(zhì)中纖維素、半纖維素和于生產(chǎn)乙醇體積分數99%以上的復雜蒸餾過(guò)程木質(zhì)素所占質(zhì)量比例殘留物也可作為動(dòng)物飼料。對于蔗糖,其殘留物可生物質(zhì)木質(zhì)素比例%纖維素比例/%半纖維素比例%作為鍋爐燃料或者是氣化原料21。淀粉類(lèi)生物質(zhì)軟木35-4025-30通常比含糖生物質(zhì)便宜,但需要進(jìn)行額外的處理。由于存在長(cháng)鏈的多聚糖分子以及將其通過(guò)發(fā)酵轉化稈33-40為乙醇之前需要酸化或者是酶化水解,木質(zhì)纖維素草5-2030-10-4生物質(zhì)(木材和草)的轉化較為復雜,其預處理費用昂貴,需將纖維素經(jīng)過(guò)幾種酸的水解才能轉化為糖,典型生物質(zhì)的密度為40-9kgym,熱值為然后L凵中國煤化工水解轉化技術(shù)目前170600-22600kJ/kg,隨著(zhù)含濕量的增加,生物質(zhì)正處CNMHG的熱值線(xiàn)性下降(2)厭氧性消化厭氧性消化是指在隔絕氧氣的情況下,通過(guò)細第12期米鐵等:生物質(zhì)能利用技術(shù)及研究進(jìn)展703菌作用進(jìn)行生物質(zhì)的分解。這個(gè)過(guò)程也是一個(gè)發(fā)酵300MW。生物質(zhì)與煤在燃煤鍋爐中的共燃是一個(gè)過(guò)程,產(chǎn)生CH4(體積分數55%-65%)和CO2(體非常好的選擇,因為共燃過(guò)程的轉化效率高。生物積分數30%~40%)氣體混合物。在隔絕空氣,沒(méi)質(zhì)燃燒過(guò)程的生物質(zhì)能的凈轉化效率為20%有污水或者是動(dòng)物廢物存在條件下,生物質(zhì)通過(guò)腐40%,規模為100MW以上的燃燒系統或者是生物爛而產(chǎn)生的產(chǎn)物稱(chēng)為生物氣(沼氣)。商業(yè)運行的質(zhì)與煤進(jìn)行混燒才能得到較高的轉化效率。由于生厭氧消化器容量達200m301,產(chǎn)生的沼氣直接用物質(zhì)中含有較高的堿金屬,在高溫燃燒過(guò)程中將會(huì )于炊事、供暖以及作為燃料供內燃機發(fā)電。給燃燒裝置的正常運行帶來(lái)危害。埋在填埋場(chǎng)的城市廢棄物的厭氧消化產(chǎn)生的沼(2)氣化氣,若不進(jìn)行回收利用,垃圾填埋場(chǎng)產(chǎn)生的沼氣最終氣化是通過(guò)生物質(zhì)在高溫(800~900℃)下部進(jìn)入大氣。若將開(kāi)有小孔的管道插入到填埋場(chǎng),可分氧化生成CO,H2,CH4等可燃氣體及CO2的混合以將填埋場(chǎng)產(chǎn)生的沼氣抽出作為能源使用,還可以物的過(guò)程。產(chǎn)品氣低熱值為4~8M/m3,可直接用避免沼氣逸入大氣而加劇大氣溫室效應。于燃燒或者作為燃氣透平的燃料,也可用作化工原垃圾填埋場(chǎng)經(jīng)過(guò)特殊設計,可有利于厭氧消化。料。以熱解為主的氣化通過(guò)生物質(zhì)中的大分子結構在填埋垃圾之前,可預先鋪設收集氣體的管道,使氣在高溫下分解、斷裂或重整產(chǎn)生輕質(zhì)可燃氣體,這種體產(chǎn)量得以?xún)?yōu)化,可達1000m3/h。填埋場(chǎng)產(chǎn)生的過(guò)程稱(chēng)為部分氣化。而氣化過(guò)程則是依靠生物質(zhì)中氣體一般用于內燃機發(fā)電,目前世界上使用填埋場(chǎng)的碳與外部添加的反應性氣體(CO2,H2O和空氣)沼氣發(fā)電裝置的最大容量為46MW。反應生成主要成分為H2,CO以及少量輕質(zhì)碳氫化生物質(zhì)生物化學(xué)轉化技術(shù)可將生物質(zhì)轉變?yōu)槠泛衔锏暮铣蓺?。最有前途的是生物質(zhì)的IGC技質(zhì)優(yōu)良的氣、液態(tài)燃料,與熱化學(xué)過(guò)程相比,其轉化術(shù),燃氣透平將氣體燃料轉化為電能的效率較高反應活化能低,在一個(gè)容器內可以進(jìn)行多步反應,產(chǎn),IGCC系統最大的特點(diǎn)是可燃氣體在進(jìn)入燃氣透平率高,反應器結構專(zhuān)一,可利用含水量高的生物質(zhì)原燃燒前需要凈化,要求氣體凈化設備緊湊造價(jià)及運料。但是該類(lèi)技術(shù)也有其固有的缺點(diǎn):反應速度慢,行成本低。ICCC系統的整體效率較高,對于一個(gè)裝操作復雜,催化劑再生成本較高。據估計,生物質(zhì)生機容量為30~60MW的機組,凈效率為40%物化學(xué)轉化的運行成本是熱化學(xué)轉化的3倍。50%。然而,IGCC系統目前正處于示范階段。得到2.2熱化學(xué)轉化的合成氣也可用來(lái)生產(chǎn)CH4和H2。在CH4的生產(chǎn)熱化學(xué)轉化技術(shù)的技術(shù)路線(xiàn)很多,與其他技術(shù)中,間接氫化以及純氧氣化過(guò)程得到的合成氣更好,相比,具有功耗少、轉化率高、轉化強度高、工業(yè)化較低熱值為9~11MJ/m3。易等優(yōu)點(diǎn)。生物質(zhì)的熱化學(xué)轉化技術(shù)已成為世界各(3)熱解國開(kāi)發(fā)利用生物質(zhì)能的重點(diǎn)研究方向。生物質(zhì)熱化熱解是將生物質(zhì)轉化為有用燃料的熱化學(xué)過(guò)學(xué)轉化包括直接燃燒、氣化、熱解、液化和碳化。氣程。熱解反應的特性往往決定產(chǎn)物的組成、分布與化和液化技術(shù)是生物質(zhì)熱化學(xué)利用的主要形式。特征。所謂熱解產(chǎn)物,是指生物質(zhì)在隔絕空氣條件(1)直接燃燒下加熱,或者在少量空氣存在的條件下部分燃燒產(chǎn)將生物質(zhì)作為燃料在高溫下直接燃燒,是最簡(jiǎn)生富含碳氫化合物的混合物、含油液體混合物和含單的熱化學(xué)轉化工藝。生物質(zhì)在空氣中燃燒是利用炭的固體殘留物。通過(guò)生物質(zhì)熱解及其相關(guān)技術(shù)不同的設備(例如窯爐、鍋爐、蒸汽透平、渦輪發(fā)電可生產(chǎn)焦炭、油、合成氣和H2等多種燃料。通常按機等)將儲存在生物質(zhì)中的化學(xué)能轉化為熱能、機溫度、升溫速率、固體停留時(shí)間(反應時(shí)間)和顆粒械能或電能。生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的熱氣體溫度大約在大小中國煤化工慢熱解和快熱解2800~1000℃。但是實(shí)際上,只有生物質(zhì)水分小于種炭,生物油為副產(chǎn)物50%的生物質(zhì)才可能燃燒(不然需將生物質(zhì)進(jìn)行預(產(chǎn),CNMHG產(chǎn)物主要是生物油干燥),水分含量高的生物質(zhì)最適合生物化學(xué)轉化和氣體,其產(chǎn)量占70%,甚至更高4。同時(shí),根據過(guò)程。大型的生物質(zhì)工業(yè)燃燒裝置規模為100~是否加入反應性氣體,可將其分為反應性熱解和惰704煤氣與熱力2004年性熱解兩種類(lèi)型。隨著(zhù)人們對熱解生產(chǎn)生物油的興油的熱值一般為393-40.6MJ/kg,可作為動(dòng)力燃趣的不斷增加,以獲得最大液態(tài)產(chǎn)物油為目的的快料。使用生物油好處很多,例如,使用1kg生物油熱解技術(shù)的研究和應用越來(lái)越受重視,因為這種生至少減少排放3.2kg的溫室氣體、9%的SO,排放物油可以用于內燃機和燃氣透平。將生物油作為原量、39%的顆粒物排放量。最常見(jiàn)的油菜籽、棕櫚、料進(jìn)行精煉的研究也正在進(jìn)行。但在轉化過(guò)程以及向日葵、大豆等生物質(zhì)可用來(lái)生產(chǎn)生物柴油。目前,生物油的利用過(guò)程中,需要克服生物油的熱穩定性世界上生物柴油的產(chǎn)量超過(guò)了128×104t6。差及其腐蝕性的難題。(4)液化結語(yǔ)生物質(zhì)液化是在低溫及高的反應氣體壓力下將生物質(zhì)轉化為穩定的液態(tài)碳氫化合物,可分為直接生物質(zhì)能源是一種理想的可再生能源,由于其液化和間接液化。直接液化是在高溫、高壓和催化在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的CO2可通過(guò)光合作用被生物劑的共同作用下,在H2,CO或其混合物存在的條件吸收,使系統的CO2凈排放量近似于零,可有效地下,將生物質(zhì)直接液化生成液體燃料。間接液化一減輕溫室效應,因而越來(lái)越受到世界各國的關(guān)注,其般是先將生物質(zhì)轉化為適合化工生產(chǎn)工藝的合成燃能耗已占全球能耗的6%。但目前的生物質(zhì)能利用料氣,再通過(guò)催化反應合成碳氫液體燃料。生物質(zhì)仍采用原始的低效率的高污染的利用方式。生物液化技術(shù)是最具有發(fā)展潛力的生物質(zhì)能利用技術(shù)之質(zhì)氣化作為20世紀70年代提出的生物質(zhì)能利用的國外已有多家機構開(kāi)展了生物質(zhì)液化的研究,新技術(shù),顯示出其旺盛的生命力。但由于生物質(zhì)燃并取得了階段性成果。液化和熱解這2個(gè)過(guò)程在概料的復雜性,有待人們對生物質(zhì)氣化過(guò)程機理及氣念上相近,表2為這兩種過(guò)程的比較?；夹g(shù)的應用進(jìn)行全面深入的研究。表2生物質(zhì)液化和熱解的比較參考文獻熱化學(xué)過(guò)程溫度/℃壓力/MPa是否干燥液化不需要[1 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Solar energy R&D in the European熱解650~8000.I-0.5需要Community series E advanced gasification [M]. LondonD. Reidel Publishing Company, 1986這2種過(guò)程都是將原料中的有機化合物轉化為2] Scurlock JMO, Dayton D C, Hames B,etal. An over-looked biomass resource [J]. Biomass Bio-energy液體產(chǎn)品的熱化學(xué)過(guò)程。對于液化,在催化劑存在2000,(19):229-244的前提下,生物質(zhì)原料中的大分子化合物分解成小[3] Demirbas A. Biomass resource facilities and biomass con-分子化合物碎片,同時(shí)這些不穩定、活性高的碎片重version process for fuel and chemical energy conversion新聚合成合適相對分子質(zhì)量的油性化合物。而對于and management [J]. Biomass bio-energy, 2001,(42)熱解,一般不需催化劑,較輕的分解分子通過(guò)氣相的1357-1371均相反應轉化成油性化合物。由于液化對反應器及[4] Demirbas a. Biomass resources for energy and chemical其進(jìn)料系統要求嚴格,且費用高,致使研究進(jìn)展緩industry[ J ]. Energy Edu. Sci. Techno., 2000,(5)慢5。除了Ape等人提出在CO存在下,碳酸21-45鈉催化碳水化合物液化的機理之外,幾乎沒(méi)有文獻[S] Reddy B S. Biomass resources for India: an overview[J]. Energy Convers. Mgmt., 1994, (35): 341--36提及堿金屬氧化物和其碳酸鹽在液化過(guò)程中所起的(6] Kendry P M. 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