生物質(zhì)能及其利用技術(shù)

第25卷,總第144期《節能技術(shù)》Vol, 25. Sum No. 1442007年7月,第4期ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGYJul 2007, No 4生物質(zhì)能及其利用技術(shù)胡亞范,馬予芳,張永貴(燕山大學(xué)理學(xué)院,河北秦皇島066004)摘要:解決當前能源、環(huán)境問(wèn)題的根本方法是開(kāi)發(fā)利用新能源,而生物質(zhì)能具有清潔、數量大、可再生等突出優(yōu)點(diǎn),是常規能源的理想替代能源。文章介紹了生物質(zhì)及生物質(zhì)能,對目前生物質(zhì)能的利用技術(shù)現狀作了系統介紹,論述了生物質(zhì)能利用的遠大發(fā)展前景。關(guān)鍵詞:生物質(zhì);新能源;溫室效應;可再生能源中圖分類(lèi)號:TK6文獻標識碼:A文章編號:1002-6339(2007)04-0344-04Biomass Energy and Its application TechnologyHU Ya-fan, MA Yu-fang, ZHANG Yong-gui(Yanshan University, Hebei Qinhuangdao 066004, ChinaAbstract New energy development and application is one of fundamental methods for solving problems of ener-gy and environment. Because biomass energy has a lot of advantages, such as clean, enomous and renewabletion situation are introduced, Longrange application prospect of organic energy is statedit is best replacement for convention energy. In this paper, biomass, biomass energy and its present applica-Key words: biomass; new energy; greenhouse effect; reproduction1引言境釋放了大量的二氧化碳,從而導致了地球環(huán)境溫度逐年升高,即溫室效應問(wèn)題。能源短缺、環(huán)境惡化已經(jīng)成為舉世關(guān)注的大問(wèn)解決能源與環(huán)境問(wèn)題的方法是節能與新能源開(kāi)題,也是困擾世界各國經(jīng)濟和社會(huì )可持續發(fā)展的首發(fā)利用,即節約與開(kāi)發(fā)并重,這是世界上所有國家的要問(wèn)題。常規能源的有限性是早已定性的結論,據共同能源政策。然而,節能只能起到緩解作用,新能美國能源部和世界能源理事會(huì )估算,地球上的石油源開(kāi)發(fā)利用才能從根本上解決能源與環(huán)境問(wèn)題。還可供開(kāi)采39年,天然氣還可以開(kāi)采60年,而儲量多年來(lái),在新能源的開(kāi)發(fā)利用實(shí)踐中,人們逐步最大的煤炭最多也就夠開(kāi)采20年(。另一方面,認識到生物質(zhì)能是一種清潔、充足、利用技術(shù)難度相常規能源是地球形成以來(lái)經(jīng)歷數萬(wàn)年甚至上億年的對較小的新能源種類(lèi),具有遠大發(fā)展前景。本文對漫長(cháng)地質(zhì)年代積存下來(lái)的,從能源角度來(lái)說(shuō)是不可生物質(zhì)能源及其利用方法作系統介紹以期對緩解再生的,從環(huán)境角度來(lái)說(shuō),是地球環(huán)境演變過(guò)程中固當前的能源與環(huán)境問(wèn)題做出貢獻?；奶荚?。把大量的常規能源開(kāi)采出來(lái)利用,在獲2生物質(zhì)與生物質(zhì)能得了工業(yè)社會(huì )發(fā)展所必需的能源的同時(shí),向大氣環(huán)生物質(zhì)是地球上的植物利用太陽(yáng)能通過(guò)光合作收稿日期2007-06-19修訂稿日期2007-07-16用合成的有機物以及以這些有機物為食物來(lái)源的動(dòng)作者簡(jiǎn)介:胡亞范(1963-),女,碩土,副教授。物及其排泄物的總稱(chēng)。生物質(zhì)本身含有的化學(xué)能就344中國煤化工CNMHG是生物質(zhì)能。顯然,生物質(zhì)能可以說(shuō)是固化的太陽(yáng)利用(糧食、飼料、薪柴等),只有極微量被人類(lèi)以“新能。但是,這種固化的太陽(yáng)能具有一些特殊性,這可能源”方式利用,這種利用方法可以歸結為以下四類(lèi)以從生物質(zhì)的生成以及在自然界中的轉化過(guò)程得到技術(shù)方法:認識,圖1是生物質(zhì)的生成和演化過(guò)程示意圖。3.1物理方法(生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)BBT)實(shí)際中常規能源也有成型技術(shù),將粉末煤加工太陽(yáng)成“蜂窩煤”就是典型代表。另外,利用鋸末生產(chǎn)成桿果白愁型板是生物質(zhì)成型的又一個(gè)典型例子,只不過(guò)不是能源水肥料糧食、何料」和為了生產(chǎn)能源,而是生產(chǎn)建筑材料?；覡a、垃圾生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)與上述成型意義是相同殘渣糞便的,主要針對的是解決生物質(zhì)能量密度低的問(wèn)題。圖1生物質(zhì)的生成和演化過(guò)程生物質(zhì)原料結構通常都比較疏松,密度小,壓縮即植物在葉綠素的作用下利用太陽(yáng)能、水分和后,原料顆粒重新排列,密度大幅度提高。同吋生物肥料合成有機物,該過(guò)程吸收了大氣中的二氧化碳,質(zhì)原料中含有纖維素、樹(shù)脂等多種有機成分,這些成并釋放出氧氣,如式(1)分在高溫下將軟化,甚至成為熔融狀,將之以一定壓CO2+H1O默螺素(CH1QO)+02(1)力壓如模具,冷卻后即粘結為密度很大的成型塊。植物合成的有機物以秸稈和果實(shí)(種子)兩種形對粘性小的原料可加入少量粘土、淀粉、廢紙漿等,態(tài)存在,這兩種形態(tài)的物質(zhì)一部分被人、動(dòng)物直接利壓縮后成為固型物。生物質(zhì)壓編成型工藝包括生物用(糧食、飼料、薪柴),另一部分在自然界中自然氧質(zhì)收集粉碎、脫水、加粘結劑、預壓、加熱、壓縮?；?目前只有很少一部分被人工轉化(生物質(zhì)能利型、切割、包裝等環(huán)節。成型過(guò)程是利用成型機完成用)成能源(如沼氣、生物質(zhì)氣、生物質(zhì)液化油燃料的,目前國內外使用的成型機有三大類(lèi)即螺旋擠壓酒精等),無(wú)論何種方式,在這一過(guò)程中都消耗氧氣,式活塞沖壓式和壓滾式,其中壓輥式成型機是主釋放二氧化碳。理論上所消耗的氧氣和釋放的二氧流其簡(jiǎn)要原理如圖2所示。經(jīng)過(guò)切割、加熱、脫水化碳與生成生物質(zhì)過(guò)程釋放的氧氣量及消耗的二氧等工藝適合成型的生物質(zhì)原料,在成型機中被壓縮化碳量相等。因此可以說(shuō),生物質(zhì)循環(huán)過(guò)程是“零排切割成與模具相同形狀的燃料快,顯然,燃料塊具有放”這是生物質(zhì)能的最突出優(yōu)點(diǎn)即清潔性。此外,高密度的特性。生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)實(shí)際上解決的根據國際能源機構的統計,地球上每年形成的生物就是生物質(zhì)能量密度低的問(wèn)題。我國目前既有生物質(zhì)總能量相當于目前全世界一年消耗能源總量的質(zhì)飼料成型又有生物質(zhì)燃料成型的實(shí)例實(shí)踐證明,20倍以上,僅我國農村每年產(chǎn)生的生物質(zhì)就相當于生物質(zhì)成型燃料快的各方面性能都接近松木塊的特27×10標準煤23,這是生物質(zhì)能的又一突出優(yōu)性{。由于成型技術(shù)相對簡(jiǎn)單因此,具有方便實(shí)用點(diǎn),即充足性。此外,在目前地球環(huán)境條件下,生物的特點(diǎn)。但成型燃料塊的能量密度仍然不高。質(zhì)年復一年,循環(huán)再生,這是生物質(zhì)的可再生性。這3.2化學(xué)方法(生物質(zhì)熱化學(xué)轉換技術(shù))三大優(yōu)點(diǎn)足以讓我們認識到,生物質(zhì)作為能源的遠生物質(zhì)熱化學(xué)轉換有三種工藝,即炭化(生產(chǎn)木大前景和無(wú)與倫比的優(yōu)越性。炭)氣化(生產(chǎn)燃氣)、液化(生產(chǎn)熱解油),屬于現代當然與常規能源對比,生物質(zhì)能源也具有多種化的生物質(zhì)利用技術(shù)。令人無(wú)奈的缺點(diǎn),主要表現在能量密度低和利用技我國有記載的最早的生物質(zhì)熱化學(xué)轉換是《賣(mài)術(shù)難度較大以及經(jīng)濟效益無(wú)法與常規能源利用匹敵炭翁》中的描述,是用木材生產(chǎn)木炭。二次世界大戰等。但是,面對常規能源短缺、環(huán)境壓力越來(lái)越大的期間,由于世界上少量的石油都用于戰爭,民間缺少現實(shí),上述缺點(diǎn)都失去了對比的基準。因此可以說(shuō),能源,因此德國大力發(fā)展了生物質(zhì)能氣化技術(shù),用燃生物質(zhì)能源應該是當之無(wú)愧的常規能源替代能源。氣驅動(dòng)汽車(chē)。二戰后,由于中東石油的大量開(kāi)發(fā),石油的優(yōu)質(zhì)性能,使人們放棄了生物質(zhì)氣化技術(shù)的應3生物質(zhì)能利用技術(shù)用。然而,二十世紀70年代的能源危機,告訴人們如圖1所示,目前條件下生物質(zhì)中的大部分過(guò)分地對石油依賴(lài)的危險性,和石油的儲量的有限(草、農作物秸稈、森林樹(shù)木的枝權等)都以自然氧化性。由此再次促進(jìn)世界各國關(guān)注生物質(zhì)熱化學(xué)轉換方式循環(huán),一少部分被人和動(dòng)物以食物和能源方式技術(shù)的研究。目前我國已經(jīng)有500多個(gè)生物質(zhì)氣化345·萬(wàn)方效據集中供氣工程,同時(shí)還建成了一批生物質(zhì)氣化發(fā)電和厭氧條件下,經(jīng)過(guò)沼氣菌群消化的過(guò)程,其產(chǎn)物有站沼氣、沼液、沼渣,沼氣是清潔燃料,沼液可作速效肥早期的生物質(zhì)氣化原料都是木材,但是通過(guò)對料,沼渣用作肥料可以起到改良土壤的作用。因此各種農作物秸稈的分析研究發(fā)現,它們與木材的C:沼氣發(fā)酵特別適合農村使用,已經(jīng)在我國華北以南H:0比十分接近,都可以近似用通式CH14O6表的農村大量推廣應用。圖4是農村沼氣工程的示意,因此各種農作物秸稈液是好的氣化原料。圖生物質(zhì)氣化包括熱解、燃燒還原等復雜的反應肉蛋奶過(guò)程,可以用通式表示為人糧食飼料土地高書(shū)CH14.6+0.402+1.5N2-0.7CO+0.3C0+0.6H2+0.1H2O+1.5N2糞便燃料肥料↑|秸桿糞便沼液上式為以空氣為氣化介質(zhì),即氣化過(guò)程加入空沼潼原料沼氣氣(0.402+1.5N2),因為氮氣不參與反應過(guò)程,反應原料沼氣池原料后殘留在氣化的產(chǎn)品中,所以產(chǎn)品的發(fā)熱值不高。如果以純氧氣為氣化介質(zhì),可以提高燃氣熱值,但增圖4農村沼氣工程示意圖加了制氧工藝。此外還有水蒸氣氣化、熱分解氣化沼氣工程以農作物秸稈、垃圾、糞便為原料,既等方法。圖3是以空氣為氣化介質(zhì)的氣化原理示意達到了廢物利用的目的,同時(shí)還生產(chǎn)了清潔能源,并圖。原料由上部加入依靠重力下移,剛加入的燃料起到了改善農村環(huán)境條件的作用,因此是一種一舉在熱燃氣作用下,首先脫水干燥。加熱到250℃以多得的生物質(zhì)能利用技術(shù)。上時(shí)發(fā)生熱解,揮發(fā)分析出,與脫出的水蒸氣、下部此外,沼氣工程在城市污水處理、大型釀酒企氧化-還原產(chǎn)生的氣體一起離開(kāi)氣化器,即利用生業(yè)、淀粉生產(chǎn)企業(yè)應用,不僅可以降低這些企業(yè)污水物質(zhì)生產(chǎn)了可燃氣。如果在隔絕氧氣條件下加熱到處理費用,同時(shí)還可以生產(chǎn)沼氣,是經(jīng)濟、社會(huì )效益500℃以上,還可以同時(shí)獲得焦炭、生物油和富含氫都比較明顯的生物質(zhì)能利用技術(shù)的氣體產(chǎn)物5。34生物-化學(xué)方法(生物質(zhì)燃料酒精技術(shù))傳統的釀酒技術(shù)是純粹的生物技術(shù),即糖在微模具生物作用和無(wú)氧條件下分解,微生物從中獲取能量。生物質(zhì)原料您Q娘后觀(guān)不同微生物有不同的發(fā)酵途徑,產(chǎn)物也不同,酵母菌分解糖可產(chǎn)生酒精和二氧化碳,即C6H1206-2CH3CH2OH+ 2C0理論上1mol葡萄糖可生成2mol酒精,從發(fā)熱值刀具成型燃料塊看,能量回收率為9%,但實(shí)際中由于糖的損失微圖2壓輥式生物質(zhì)成型機原理生物自身的消耗等原因,收率有所降低。實(shí)驗證明,利用生物質(zhì)可以獲得葡萄糖,如以農原作物秸稈為原料,通過(guò)酸水解或酶水解工藝,可以得干燥生物質(zhì)原料脫水燃氣到近80%的糖收率(7,這說(shuō)明利用生物質(zhì)可以生產(chǎn)熱解揮發(fā)分析出,形成焦炭燃料酒精。由于在生產(chǎn)過(guò)程中需要對原料(生物質(zhì))利用化學(xué)方法處理,所以生物質(zhì)燃料酒精技術(shù)是生還原C+COC+HOcO物-化學(xué)過(guò)程比較方便的生物質(zhì)燃料酒精技術(shù)是以陳化糧為氧化C+原料,我國河南省、吉林省等都有這樣的企業(yè)。出灰空氣圖3生物質(zhì)氣化器原理示意圖生物質(zhì)燃料酒精技術(shù)大大提高了生物質(zhì)能源的能量密度,并具有容易工業(yè)化、規?；a(chǎn)等特點(diǎn)3.3生物方法(沼氣技術(shù))因此是一種前景十分廣闊的生物質(zhì)能利用技術(shù)。同沼氣發(fā)酵是有機物質(zhì)在一定溫度濕度、酸堿度時(shí)生產(chǎn)的酒精可以用于驅動(dòng)汽車(chē)等依賴(lài)常規能源的·346中國煤化工CNMHG設備,無(wú)論是對緩解能源短缺問(wèn)題還是緩解溫室效參考文獻應問(wèn)題都是大有益處的?！矅野l(fā)改委提出生物質(zhì)能源發(fā)展戰略〔資源節約與綜合利用,2006,5:214結語(yǔ)〔2〕王革華我國生物質(zhì)能利用技術(shù)展望〔農業(yè)工程能源與環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)嚴重影響社會(huì )可持續發(fā)學(xué)報,99,15(4):19-22展,解決這些問(wèn)題的根本出路就是新能源的開(kāi)發(fā)利〔3〕劉圣勇,等生物質(zhì)氣化技術(shù)現狀及應用前景展望用。生物質(zhì)能作為常規能源的替代能源,具有清潔)資源節約與綜合利用,19,:14-2,〔4〕袁振洪,等編著(zhù).生物質(zhì)能利用原理與技術(shù)[M.北性、充足性、可再生性三大特點(diǎn),同時(shí)與其它新能源京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005相比,利用技術(shù)難度相對較低。近年來(lái)國內外的研〔5楊海平,等.生物質(zhì)熱解研究的進(jìn)展[J〕.煤氣與熱究利用實(shí)踐已經(jīng)為這種新能源的利用奠定了一定力,200年5月,18-21的技術(shù)基礎,因此,生物質(zhì)能利用技術(shù)的開(kāi)發(fā)具有經(jīng)〔6]齊國立,等生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)的現狀、應用與前濟、環(huán)保雙重效益,預計在不久的將來(lái),生物質(zhì)能景[門(mén)〕.節能技術(shù),2004,25):17-19定能成為常規能源最有力的替代能源,為社會(huì )可持7〕吳創(chuàng )之,等編.生物質(zhì)能現代化利用技術(shù)[M]北京:續發(fā)展作出重要貢獻?；瘜W(xué)工業(yè)出版社,2005(上接第338頁(yè))至葉柵出口,特征值虛部值雖然有些波動(dòng),其趨勢是0.4相對弧長(cháng)(x/B=0.54)邊界層開(kāi)始明顯變厚,逐漸增加的,最后達到零。這說(shuō)明實(shí)驗葉柵吸力面到達05相對弧長(cháng)(x/B=066)邊界層厚度已經(jīng)由邊界層的流動(dòng)由x/B=0.4位置的不穩定而很快趨原來(lái)的000045(邊界層的實(shí)際厚度與特征長(cháng)度之于穩定。比)增厚到0.0060。此后邊界層厚度未發(fā)生明顯變對于具有子午擴壓的常規設計葉柵,其吸力面化,由此可以初步推斷在該位置邊界層流動(dòng)對擾動(dòng)上的邊界層流動(dòng)從前緣至最低壓力點(diǎn)亦在順壓梯度的放大作用最強。作用下加速。由最低壓力點(diǎn)至出口邊界層遭遇逆壓梯度,迅速增厚并發(fā)生轉捩,進(jìn)入不穩定流動(dòng)狀態(tài)。由圖4的計算結果可見(jiàn),在具有子午擴壓的渦輪葉柵中,應用前掠葉片可以提高邊界層流動(dòng)的穩定性,降低流動(dòng)損失。5結論(1)SBVP程序包能更方便有效的用于 FlankerSkan邊界層求解。根據計算結果可判斷邊界層流動(dòng)的穩定性,從而節約大量實(shí)驗費用。0.4060.7(2)應用MEX作為接口可以保留不同語(yǔ)言的優(yōu)圖4特征值虛部點(diǎn)的同時(shí)避免其缺陷。圖4為通過(guò)MEX文件調用 FORTRAN程序計算(3)應用SBVP程序包對具有子午擴壓渦輪葉的特征值虛部值。x/B為相對軸向弦長(cháng),x為計算柵的計算結果表明,葉片前掠能提高邊界層流動(dòng)的點(diǎn)到前緣的軸向距離,B為葉柵的軸向弦長(cháng)。特征穩定性。值虛部的大小是擾動(dòng)放大率的度量,當特征值虛部參考文獻為負值時(shí),其絕對值越小,代表擾動(dòng)會(huì )沿著(zhù)流動(dòng)方向[1] Winfried Auzinger, Gunter Kneis, Othmar Koch, Ewa放大的越快,流動(dòng)愈不穩定。由圖4可以清楚地看 Weismuller. A Collocation CODE for Singular Boundary Value到,在x/B=04位置計算得到的特征值虛部最小, Problems in Ordinary, Differential Equation(R. Technical Report邊界層在此處的流動(dòng)最不穩定。在此位置之后,沿Vienna University of Technology, ANUM Preprint No. 18/01流向伴隨流動(dòng)的發(fā)展,特征值虛部值迅速變大,在[2]Asai Asaithambi. A second-order finite -differencex/B=0.52處特征值虛部值增加到-0.6。由該位置method for the Falkner-Skan equation J]. Applied Mathematicsand Computation 156(2004)779-786347萬(wàn)方效據