]生物质能利用方法

§1.1  能源危机与环境问题

能源是人类赖以生存的物质基础,也是发展工农业生产、交通运输和提高人民生活水平的重要物质保证。目前,人类可以开发利用的能源种类非常丰富,但以石油、煤、天然气为主的常规能源仍是人类社会发展的主要动力。随着世界各国经济的迅猛发展,常规能源消耗量不断攀升。自20世纪70年代以来,各国专家对石油、煤、天然气的贮量和可开采时限作了种种估算和推测,几乎都得出了一致的结论[1]:到21世纪中叶,化石燃料将被开采殆尽,或因开采成本过高而失去开采价值,如表1.1[2]所示。

表1.1 非可再生能源占全球能耗比例及可用年限

能 源 种 类

占全球能耗比例(%)

可用年限(年)

化石能源

25.0

220

石油

32.0

40

天然气

17.0

60

核能(聚变)

4.0

260

合  计

78.8

同时,地球所面临的环境污染问题又直接或间接的与矿物燃料的开采、加工和使用有关。向大气排放的污染物中,有99%的氮氧化物(NOX)、99%的一氧化碳(CO)、78%的二氧化碳(CO2)、91%的二氧化硫(SO2)、60%的粉尘和43%的碳化氢是化石燃料燃烧过程中产生的[3]。这些有害物质导致了全球气候变暖,臭氧层的破坏,大面积酸雨,生物多样性的锐减,以及海洋、陆地生态系统的破坏等一系列全球性环境问题,严重威胁到人类的生存和发展,如表1.2[2]所示。因此,能源危机与环境问题密切相关,成为了当今世界各国共同关注的焦点之一。人们逐步深刻地认识到石油、煤、天然气等化石燃料的资源有限性,以及使用化石燃料所造成环境污染问题的严重性。

现今,在全世界范围内,人们已经达成共识:大力提高能源的利用效率,以高新技术开发可再生的新能源,逐步取代石油、煤、天然气等矿物质不可再生能源,是解决能源危机和环境问题的重要途径之一。可再生能源具有取之不尽、用之不竭的特点,是世界能源可持续发展战略的重要组成部分。可再生能源主要包括:太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能和潮汐能等。在众多可再生能源中,生物质能源以其储量大、分布广、环保效果明显等优势,具有很大的开发潜力。

表1.2 全球生态环境恶化的具体表现

项     目

恶化表现

土地沙漠化

10公顷/分

森林消失

21公顷/分

草地减少

25公顷/分

耕地减少

40公顷/分

物种灭绝

2个/时

土壤流失

300万吨/时

CO2排放(温室效应)

1500万吨/天

垃圾产生

2700万吨/天

因环境污染造成死亡人数

10万人/天

各种废水、污水排放速度

60000亿吨/年

各种自然灾害造成的损失

1200亿美元/年

§1.2  生物质能源的特点

§1.2.1 生物质能源的可再生性

生物质是指一切直接或间接利用绿色植物光合作用而产生的各种有机体,包括了世界上所有的动物、植物和微生物,以及由这些生物产生的排泄物和代谢物。生物质能是指绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能固定和储存在生物质内部的能量。生物质能本身是一种取自生物质的可再生能源,既可以说是一种传统的古老的能源,100多年前人类主要依赖的能源;也可以说是一种新能源,通过现代科学技术开发利用生物质的历史并不长,还处在不断深入和完善的阶段。在各种可再生能源中,生物质能是独特的,它以生物质为载体,并可以转化成常规的固体、液体或气体燃料。因此,对生物质燃料的利用可以认为是光合作用中能量和物质转换的逆过程。

§1.2.2 生物质能源的丰富多样性

生物质资源的数量庞大,形式繁多,其主要来源是[4]:(a)林业生物质,如薪材、落叶、树枝、树根以及木材加工废料等;(b)农业废弃物,如秸秆、稻壳、果核、麦草等;(c)水生植物,如海洋中的各种藻类、以及湖泊中的浮萍、水风信子、水葫芦等;(d)城市生活垃圾、工业废弃物,全球每年排放100亿吨以上;(e)工业废水和生活污水,全球每年排放4500亿吨以上;(f)人畜粪便,全球每年排放数百亿吨以上;(g)能源植物,如生长迅速、轮伐期短的乔木、灌木和草本植物。据估算,地球上绿色植物每年通过光合作用产生的有机物高达1800多亿吨,比目前地壳内已知可供开采的煤炭总储量还多11倍,如表1.3[5]所示。

表1.3 植物对太阳能的固定

生 态 系 统

面  积

(×108m2)

年  产  量

(×108t)

(t/m2)

热带雨林

温带树林

寒带及疏林

草  原

干旱半干旱地区

耕  地

沼泽湖泊

合   计

24.5

12.0

20.5

32.0

42.0

14.0

4.0

149.0

494.0

149.0

156.0

200.0

22.7

91.0

148.0

1260.7

20.16

12.42

7.61

6.25

0.54

6.50

37.00

8.46

海洋

外  洋

大陆架

其  它

合  计

322.0

26.6

2.4

361.0

411.0

90.0

39.0

540.0

1.28

3.38

16.25

1.50

全球合计

510.0

1800.7

3.53

绿色植物一年固定的太阳能约为3×1022J,相当于8×1012t标准煤,是世界能源消耗总量的6~10倍,但人们将其作为能源来利用的仅为13亿吨,不足生物质总产量的1%[2,6]。目前,植物利用太阳能的光合效率平均不到0.5%,但人类有望使其提高到5%,这样生物质每年通过光合作用固定的太阳能将是现在的10倍,如表1.4[5]所示。由此可见,开发利用这一能源是可以长期依赖和信任的。目前,生物质能源消费量已占世界能源总供应量的14%左右,仅次于煤炭、石油和天然气,属世界第四大能源,而在发展中国家则更为突出,生物质能的利用达到总能耗的40%左右[7,8]。世界各地区生物质能源消费占其能源供应的百分比大致如下[8]:非洲为60%,中美洲为15%,南美洲为26%,亚洲为44%,大洋州为35%,北美洲为4%,欧洲为4%。如此储量丰富的生物质资源,人们对它的有效利用至今仍是极其有限的,还有待进一步的大力开发。根据相关资料的估算,仅以蔗渣发电一项为例[1],亚洲蔗渣的发电潜力为14000MW,占其现实总发电量的14.8%;南美洲蔗渣的发电潜力为17800 MW,占其现实总发电量的45%;中美洲蔗渣的发电潜力为1010MW,占其现实总发电量的65%;大洋洲蔗渣的发电潜力为2700 MW,占其现实总发电量的20%;非洲蔗渣的发电潜力为4900 MW,占其现实总发电量的19.2%。此外,据有关专家推测[9],生物质能将成为未来可持续能源系统中的重要组成部分,到21世纪中叶,采用新技术生产的各种生物质替代燃料将占全球总能耗的40%以上。

表1.4 未来生物质潜力估计

开发潜力的措施假设

潜力能量估计

充分开发利用海洋中蕴藏丰富的各种藻类植物

生物质能的潜力可达到1×1011t标准煤

增加陆地植被覆盖率,使干旱、半干旱地区变为绿洲,采取轮作、套种以及选择速生植被等

生物质能的潜力可达到8~10×1010t标准煤

把绿色植物的光合效率普遍提高到5%左右

在前两项措施基础上,采取此措施可使生物质能的潜力达到1.8~2.0×1012t标准煤

§1.2.3 生物质能源的清洁便利性

众所周知,随着世界各国经济的发展,由于化石燃料的大量使用,NOX、SOX和CO2的排放量急剧增加,对全球气候的影响日益严重,给人们日常的生产、生活造成了极大的危害。采用生物质替代原有的化石燃料,燃烧所释放出的CO2量与生物质生长过程中通过光合作用所吸收的CO2量大体相当,因而可以认为CO2的净排放量近似为零。由于生物质本身含硫量、含氮量较低且灰分较少,充分燃烧后产生的大气污染物通常低于矿物质燃料。因此,开发利用生物质能可以降低CO2、SOX、NOX等有害气体的排放量,有助于缓解温室效应,防止酸雨的形成和光化学效应,对改善环境造福人类具有极其的重要意义。此外,开发利用生物质能还可以将农林业废弃物、城市生活垃圾等变废为宝,大规模地集中加以资源化利用。

生物质能不但比传统化石燃料绿色环保,而且是一种土生土长的可再生廉价能源,很少或完全不需要从国外进口为其提供原料,可获得性要远远高于化石燃料。通过生物质转化技术改变生物质原料的形态,可以将生物质加工转化成固体、液体、气体燃料便于贮存和运输,使其能够在商品能源经济中发挥更重要的作用。

因此,生物质能是一种理想的可再生绿色能源,大力开发高效的生物质转化技术,不但可以满足世界各国日益增长的能源需求,而且可以减轻使用矿物燃料所造成的环境污染,获得巨大的社会和经济综合效益,有利于实施可持续发展战略。

§1.3  生物质能源的转化技术

20世纪70年代,生物质能源的开发利用已成为世界性的热门研究课题。许多发达国家都制定了相应的研发计划,如美国的能源农场、日本的阳光计划等[10]。印度、尼日利亚、乌干达、叙利亚等一些发展中国家也纷纷投入大量的人力、物力用于生物质能源的开发研究工作[11-14]。现代生物质能源转化技术主要分为物理转化、热化学转化和生物化学转化三种,其相应的开发技术分别为:生物质的固化成型;生物质的气化、热解、液化以及生物质直接燃烧;生物质厌氧发酵和制取乙醇。生物质能源转化技术旨在改变传统的生物质开发利用方式,把生物质转化成为使用便利、清洁环保的高品位能源产品。

§1.3.1 物理转化技术

生物质固化成型技术是指在一定压力和温度的作用下,通过粉碎、干燥、机械加压等过程,将松散、细碎的生物质原料压制成结构紧密的块型、棍型或颗粒型燃料。此外,有时还混合一定比例的低热值化石燃料、固硫剂等制成生物质型煤。这种生物质燃料水分少着火容易,能量密度与中质煤相当,燃烧性能明显改善,火力持久黑烟少,且便于贮存和运输。此外,燃烧后灰渣含碳量低、不结渣,排放的SO2低于煤炭,是一种适合于工业锅炉使用的高品位燃料。目前,用于生物质固化成型技术的设备主要有螺旋挤压式成型机、活塞冲压式成型机和压辊式颗粒成型机。

日本早在20世纪50年代就研制出棒状燃料成型机及其相关的燃烧设备;美国在1976年研制了生物质颗粒及成型设备,颗粒成型燃料年产量达80万t;西欧一些国家,如荷兰、瑞典、丹麦等相继在20世纪70年代设计制造了冲压式成型机、颗粒成型机及配套的燃烧设备;亚洲如泰国、印度、韩国等也建立了不少生物质固化专业生产厂,并加紧研制开发相关的燃烧设备[15]。

我国自20世纪80年代起,对生物质固化成型设备进行了广泛的研究和开发,例如陕西省武功县轻工机械厂研制的螺旋推进秸秆成型机,辽宁省能源研究所研制的颗粒成型机,南京林产化工研究所研制的多功能成型机等,如表1.5所示[15,16]。这些生物质固化成型设备在实际应用中都取得了较好的运行效果。此外,清华大学、浙江大学、杭州环境保护研究所[17]等科研院所也对生物质的固化技术进行了大量的开发工作和试验研究。

生物质固化技术在燃烧性能和环保效果上具有明显的优势,但固化成型机的设备配套性能较差,压制机械部件磨损严重,使用寿命短,运行成本较高。在我国,生物质固化技术目前还处于实验室研究和工业试生产阶段,尚未形成规模产业。因此,改进生物质固化成型的技术和设备,进一步提高生物质固化燃料的转化效率和热值,降低设备运行费用等是今后生物质固化技术发展的主要方向。

表1.5 我国生物质固化成型设备主要性能指标

开发研制单位

产品型号

生产规模

(台/年)

生产率

(kg/h)

运行能耗

(MJ/t)

陕西省武功县轻工机械厂

SX-11

200

85~150

360

辽宁省能源研究所

200

100

396

南京林产化工研究所

MD

120

360

中国农机院能源动力所

SYJ-35

50~100

300

江苏省东海县粮食机械厂

OBM-88

150

120

434

西北农业大学农村能源研究室

SZJ-80A

80

257

河北正定常宏木炭设备制造厂

JD-A

150

120

360

广西林市安元机械炭机械厂

150

120

360

§1.3.2 生物化学转化技术

生物化学转化技术主要是指生物质原料在微生物的发酵作用下生成沼气、酒精等能源产品,也就是利用原料的生物化学作用和微生物的新陈代谢作用产生气体或液体燃料。

1.生物质厌氧发酵

最常见的厌氧发酵是对人畜粪便、农业废弃物、有机废水和家庭垃圾的发酵处理。在厌氧发酵过程中,有机物质在发酵池内厌氧微生物的作用下,完全被降解成以甲烷(沼气)为主的可燃气体。沼气是一种丰富廉价的生物质能源,广泛用于生产生活,而且沼气发酵后的残渣还是优质的农家肥,对农作物均有不同程度的增产效果。因此,该技术引起了世界各国的高度重视。

国外沼气技术主要应用于工业和城镇生活废弃物、废水的综合治理。美国、英国、德国、法国、日本等发达国家早在20世纪50年代就利用厌氧消化技术处理城市和工厂污水,既治理了污染,又获得了能源[18]。近年来,我国采用厌氧发酵技术制取沼气得到了长足的发展。截止到1996年底,我国推广农村用沼气池602万口,可供应2500万人使用;沼气工程592处,总池容33.5万m3,可供10.2万用户使用;城镇生活污水净化沼气池5.2万座,总池容180.8万m3,可供2.8万用户使用[19]。我国还计划到2010年使全国沼气的总用户达到1235万户,沼气供应量达到40亿m3[18]。

沼气的使用虽然十分广泛,但也存在发酵转化周期较长、产气率普遍偏低、远距离输送困难等一系列问题。这就需要在施工工艺、建筑材料上进行改进,还要选择适当的发酵添加剂和进一步优化发酵条件等。现今,我国政府从系统生态原理出发,根据农村的实际情况,正大力提倡发展以沼气为中心的综合利用技术,即将农村能源、农业生态、商品生产有机地结合起来,建立现代化绿色生态农业基地。

2.生物质制取乙醇

利用生物质制取乙醇技术是指生物质经过水解生成含有H2、CO、CO2的低热值气体,然后通过生化发酵池转化为乙醇的工艺过程。该项技术在国外已有较广泛的开发利用,例如美国每年以农村生物质为原料生产乙醇约450万t,计划到2010年,可再生的生物质可提供乙醇约5300万t;加拿大用木质原料生产的乙醇每年产量约17万t;比利时每年以甘蔗渣为原料制取乙醇达3.2万t;巴西是乙醇开发应用最有特色的国家,实施了世界上规模最大的乙醇开发计划,生物质制取酒精年产量高达100多亿升,替代了国内约20%的石油燃料;同样在哥斯达黎加、菲律宾、苏丹、肯尼亚、泰国等发展中国家也正大力推进醇类燃料的开发计划[10,20]。

在我国,中国科学院过程工程研究所针对纤维素生物质进行了固态发酵制取乙醇的研究,为纤维素制取乙醇技术提供了重要的参考依据;华东理工大学开展了大量生物质水解制取乙醇的研究工作,采用稀盐酸和氯化亚铁作为催化剂,其转化效率在70%以上[21]。另外,中国林科院林化所、山东大学、沈阳农业大学等科研单位也先后从事了生物质水解制取乙醇工艺和设备的研究开发[10]。

根据以上研究发现,利用生物质制取乙醇的原料可分为三大类:含糖类,如甘蔗;含淀粉类,如甘薯、玉米、小麦;含纤维素类,如农作物秸秆、木材加工废料等。由于生物质的成份不同,其水解发酵的方法也不同。糖和淀粉类生物质制取乙醇的技术已日趋成熟,目前研究重点是提高发酵速度和产量。利用含纤维素较高的农林废弃物制取乙醇,是将木质纤维水解成葡萄糖,然后再将葡萄糖发酵生成乙醇。根据纤维素水解所采用催化剂的不同,分为无机酸水解法和酶水解法。对于无机酸水解法,温度和无机酸浓度是影响纤维素生物质水解反应速度的最主要因素。生物质水解的主要技术难点是纤维素分解率低,工业生产成本较高。到目前为止,无机酸方法已经通过试验研究达到工业化水平,酶水解法还处于大力研究试验阶段。因此,该技术的商品化还需要一定的研究周期。

§1.3.3 热化学转化技术

生物质热化学转化方式主要包括:生物质的气化、热解、液化以及生物质直接燃烧。

1.生物质气化

生物质气化技术是以固体生物质如稻壳、秸杆、柴草等作为原料,经粉碎、干燥处理后送入气化炉里,以空气或水蒸气作为气化剂,将固体生物质原料转化为气体燃料的过程。生物质气化的主要产物是中、低热值的气体燃料,可用于发电、供热、民用煤气及化学品的合成。目前已开发出的气化反应器主要有三类:固定床气化炉、流化床气化炉和携带床气化炉。固定床气化炉又分上吸式气化炉、下吸式气化炉、横吸式气化炉及开心式气化炉,其中上吸式和下吸式气化炉的使用比较多;流化床气化炉分单床气化炉、循环气化炉和双床气化炉,其中循环气化炉的使用最为流行;携带床气化炉是流化床气化炉的一种特例。

上吸式固定床气化炉的生物质原料从气化炉的顶部加入,气化剂由炉底进气口进入炉内参与气化反应,产生的可燃气体自下而上流动,从可燃气出口排出。该气化炉的热效率比其它固定床气化炉高,燃料适用范围较广,但连续给料不便,可燃气中焦油含量较高。下吸式固定床气化炉的生物质原料和气化剂都是由炉顶的进料口投入炉内,物料自上而下分为干燥层、热分解层、氧化层和还原层。这种炉型的结构简单,运行稳定可靠,可随时添加燃料,产生气体的焦油含量较少,但产生的可燃气体热值偏低。横吸式固定床气化炉的气化剂由炉子的一侧投入,产生的可燃气体从另一侧抽出。该炉主要用于木炭的气化,其反应温度较高。开心式固定床气化炉结构类似于下吸式固定床气化炉,不同的是采用了转动炉栅,并多以稻壳为气化原料。流化床气化炉与固定床气化炉相比具有独特的优点,它的反应速度快、气体转化效率和气体热值较高,产生的可燃气中焦油含量较少。但由于流化床气化炉需要掺入惰性材料,因而出炉的可燃气含有较多的灰分。总体来说,固定床气化技术简单、易于操作,但产生的可燃气体热值偏低且焦油含量较高;流化床气化技术可以提高气化效率和气体燃料的热值,但工艺设备复杂,操作不易掌握。

自1839年世界上第一台上吸式气炉问世以来,气化技术已有160多的历史,国外生物质气化装置一般规模较大,自动化程度高,工艺较复杂,以发电和供热为主。美国Hawaii大学和Vermont大学在国家能源部的资助下,开展生物质流化床气化发电工作,建立了日处理生物质量为100t的工业化压力气化系统,并已进入正常运行阶段;印度Anna大学新能源和可再生能源中心最近正在研究用流化床气化稻壳、木屑、甘蔗渣等农林废弃物,并初步建立一个中等规模的生物质流化床气化系统用于柴油机发电[10]。

近年来生物质气化技术在我国发展较快,生物质气化装置种类较多,如中科院广州能源所对生物质气化原理、物料反应性能进行了大量试验研究,研制出GSQ型上吸式生物质气化炉,气化效率73.8%;中国农业机械化科学院开发了以锯屑、果壳、树枝等为原料的ND系列、HQ-280型生物质气化炉,气体热值在4000~5000 kJ/Nm3左右,投入生产后取得了良好的运行效果;江苏省吴江县使用稻壳气化炉用于小型气化发电机组,发电功率达到160kw;大连市环境科学设计研究院研制了LZ系列生物质干馏热解气化装置,可燃气体可供乡镇居民使用;山东省能源研究所开发了XFL系列秸秆气化炉,主要适用于硬秸秆类农业废弃物的气化,如表1.6所示[22]。到目前为止,我国已建立300余个秸秆气化集中供气系统,气体热值一般在5000kJ/Nm3,气化效率达70%以上[10]。经过对生物质气化技术不断的开发与研究,我国的生物质气化炉在设计上采用了一些特殊结构,适用于多种生物质燃料;在功能上,适应多种作业的需求,包括烘干、炊事、供暖和发电等;在结构方面,气化设备结构相对简单、可靠耐用且实用性较强。目前,固定床气化炉主要以农业废弃物为原料,可用于小规模气化发电系统,面向农村及偏远地区的生活用能;流化床气化炉以农业、林产工业废弃物为原料,适用于大、中规模的气化发电系统,面向工业企业的生产用能。

虽然生物质气化是所有生物质热化学加工中开发较早且最接近规模生产的技术,但当前仍存在着一些亟待解决的关键性技术问题,如焦油问题、二次污染问题、气体热值偏低问题等。其中,焦油问题对生物质气化技术造成的不利影响较为突出。这是由于生物质气化过程中产生的焦油容易堵塞气化设备的管道、污染气缸,导致发电与供气设备无法正常运行,同时也给司炉操作带来了较重的负担。目前主要采用水洗法除去可燃气中的焦油,其净化效率不高,投资费用较大,从而使得生物质气化的运行成本偏高,与现有的煤气相比优势尚不明显。因此,仍需要进一步完善生物质气化技术和优化相关的气化设备,使其具有较高的实用性和经济性。

表1.6 我国生物质气化技术应用现状

气化系统

气化方式

气化原料

气化效率

(%)

气体热值

(kJ/Nm3)

功率

(kW)

应用

GSQ-1100

上吸式

废木料

73.8

5000左右

300~730

供热

ND-400

下吸式

农林残余物

76

4180~5850

60~80

供热

ND-600

下吸式

秸秆、农林废弃物

6222

140~180

供热

ND-900

下吸式

茶壳、玉米芯、木块、刨花

65~75

4844~6084

200~280

供热

HQ-280

下吸式

稻壳、果壳、秸秆、树皮、锯末

70

4500~5000

12~14

供气

LZ

干馏热解

农作物秸秆、野草、树皮、木屑

28.8

14000

16

供气

XFL-600

下吸式

玉米秸秆、棉材、木质废料

72~75

3800~5200

170

集中

供气

XFL-1000

下吸式

农作物秸秆

72~75

5000左右

280

集中

供气

XFL-2500

下吸式

农作物秸秆

72-75

5000左右

690

集中

供气

QL-50

上吸式

农作物秸秆、野草、树皮、木屑

70

5000左右

11~14

供气

2.生物质热解

生物质热解是指利用热能切断大分子量的有机物、碳氢化合物,使生物质转变为含碳数少的低分子量可燃气体、液体及固体的过程。热解既可以作为一个独立的过程,也可以是燃烧、气化、液化等过程的一个中间环节。生物质热解与生物质气化的主要区别是:(1)热解是在完全隔绝或限制供给氧化介质的条件下进行热分解反应;而气化是采用气化剂使生物质进行氧化还原反应。(2)热解的产物主要有三种形态,分别为固体炭、液体的木焦油和木醋液、可燃性气体;而气化的主要产物只是可燃气,且两者可燃气的成分也不相同。(3)热解过程需要外加能源;而气化则无需外加热量。根据热解温度、加热速率、固体停留时间及物料颗粒度等可以把生物质热解分成慢速热解、快速热解以及瞬时热解,如表1.7所示[23]。

表1.7 三种热解方法的主要参数

热解类型

慢速热解

快速热解

瞬时热解

热解温度(℃)

300~700

600~1000

800~1000

加热速率(℃/s)

0.1~1

10~200

≥1000

固体停留时间(s)

600~6000

0.5~5

≤0.5

物料颗粒度(mm)

5~50

≤1

粉末状

影响生物质热解产物产量、组成成分的因素主要是生物质的种类,热解反应的温度和压力,以及加热速率的快慢。热解反应温度高有利于提高液体、气体热解产物的产量,这是由于高温进一步引起了热解产物的二次分解;而加热速率则因为改变了反应的类型,使热解产物的质与量发生了相应的变化。因此,选用不同的生物质原料,采取不同的热解工艺,热解得到的固体、液体和气体产物比例也不相同。由生物质热解得到的固体炭,具有灰分含量低、热值高、还原性能好等特点,可用作有色冶金业的还原剂,医疗、环保行业的吸附剂,以及农业土壤的改良剂。木焦油和木醋液是生物质热解的液体产物,含有多种化学物质,是相当有价值的化工原料。木焦油除了可以直接用于防腐剂外,还可以加工提炼多种药物制品;而木醋液可作为饲料添加剂和植物生长剂,起到增产、保鲜的作用。生物质热解得到的可燃气主要成分是甲烷、乙烷、乙烯、氢气、一氧化碳和二氧化碳等,属于中热值可燃气与城市人工煤气相近,完全符合民用生活燃气的质量标准,可以直接用于城市居民生活用能,也可作为工业企业的优质燃料。

从20世纪60年代起,美国、西欧及日本就分别建立了一系列商业化或近于商业化生产的城市固体垃圾热解处理工厂;北美在热解过程的研究方面进展迅速,建立了处理量为1360kg/h的示范装置;在比利时处理量为250kg/h 的流化床热解装置已经投入生产,取得了良好的运行效果[23,24]。国内从20世纪50年代开始进行了大量木材热解技术的研究工作,中国林科院林化所在北京光华木材厂建立了一套生产能力为500kg/h的木屑热解工业化生产装置;安徽芜湖木材厂建立了年处理能力达万吨以上的木材固定床热解系统;黑龙江铁力木材干馏厂从前苏联引进了年处理木材10万t的大型热解设备[10]。通过利用这些生物质热解设备,可以将生物质原料转化得到焦炭、生物质油、合成气、甲醇和氢气等多种形式低污染的高效优质燃料,满足人们各种生产生活的需求。

目前,高温快速热解技术可以获得大量的能量密度高、使用便利的液体燃料,成为国外生物质热解技术的重点研究方向。国际能源署组织美国、英国、加拿大等发达国家的十余个研究小组对高温快速热解技术进行了长期深入地研究,得出了相当乐观的结论[25]。然而,由于生物质原料种类丰富,造成热解产物的组成成分较为复杂,给生物质热解技术的开发研究带来了较大的难度。因此,仍需进一步做大量深入的基础研究工作,掌握生物质热解过程的规律,逐步实现生物质热解应用技术的商品化和产业化。

3.生物质液化

生物质液化可分为催化液化和超临界液化。催化液化是指在较低的温度、较高的压力和还原环境下,生物质原料经过较长时间分解反应形成液体产物的过程。在催化液化过程中,溶剂和催化剂的选择是影响生物质液化产率和质量的重要因素。超临界液化是利用超临界流体选择性地萃取生物质原料中所需成分,再将萃取物与超临界流体分离以获得液体燃料的过程。该工艺无需催化剂,并且可以防止液化产物的二次反应,从而提高了生物质液化的转化效率。

生物质液化的产物为生物质油,是一种高度氧化的复杂混合物,其含有的化合物种类有数百种,例如:醚类、酯类、醛类、醇类和无机酸等。生物质油不仅可以用于锅炉、发动机等动力设备,经萃取获得的化学产品还可以合成食品添加剂、农业化工产品以及特制药品。

美国、日本、加拿大等国先后开展了从生物质制取液化油的研究工作,将生物质粉碎置于液化反应器内,在催化剂的作用下木质原料液化转化率达50%以上,发热量达到3.5×104kJ/kg;欧盟以生物质为原料制取生物质油,已经完成100 kg/h的试验规模,液化转化率达70%,液化油热值为1.7×104kJ/kg[17]。我国山东工程学院开发了等离子体快速加热生物质液化技术,并于1996年首次在国内利用实验室设备成功液化了玉米秸粉;此外,浙江大学、河北省环境科学院、沈阳农业大学等[25]近年来也进行了大量生物质流化床液化试验。

生物质液化存在高压工艺设备昂贵,高压泵送给料困难、产量偏低等技术难题;而且生物质油的粘度和水溶性较高,性质不稳定,且腐蚀性较强,需要采取一定的改良措施,如加氢处理或分子筛处理。虽然通过加氢精制处理可以除去氧气,调整炭、氢比例,但此过程会产生大量的水分,容易造成催化剂失去活性,从而增加了运行成本,降低了生物质液化的经济性。分子筛处理的成本低于加氢处理且操作方便,但其相关技术还有待于进一步开发研究。由此可见,生物质液化技术的研究开发是一个更长期的目标,目前重点主要放在基础研究上。

4.生物质直接燃烧

生物质直接燃烧技术是最普遍、最广泛的生物质能源利用方式,是将生物质直接作为燃料燃烧,把被贮存在生物质内的太阳能转换为热能。燃烧过程中所产生的热和蒸汽可用于发电,或向需要热量的地方供热,如各种规模的工业过程、空间加热以及城镇家庭供暖照明等。

直接燃烧技术是一种古老的生物质能转化技术,传统的民用转化效率一般只有5%~15%左右。现今,采用现代化高效的燃烧技术和燃烧装置,大大提高了生物质的利用效率。英国和丹麦生产的烧草固定床式锅炉的热效率达到60%;荷兰国内的木材炉可用于家庭取暖和热水供应,热效率为50%以上;瑞典研制的燃木质碎料的流化床锅炉热效率高达80%左右[26]。国内近年来,清华大学、浙江大学、哈尔滨工业大学、华中理工大学等[27-30]相继对生物质直接燃烧技术进行了一系列的广泛研究,从理论到实践取得了许多宝贵经验和研究成果。

综上所述,世界各国对生物质能源转换技术的研究开发都是基于本国国情,因而在开发方式和利用水平上存在较大的差异,有些转换技术已处于实用阶段,有些还尚待进一步地开发研究。我国在生物质能源的利用方面也做了许多研究工作,取得了大量的研究成果。然而,生物质的固化、气化和液化等转化技术同世界先进水平相比仍有较大的差距,特别是在技术设备的产业化和能源产品的商业化方面差距更为明显。与众多的生物质能源转换技术相比,生物质直接燃烧技术在我国具有技术成熟、设备简单、操作方便、燃烧产物用途广泛等诸多优点。但是由于大部分的生物质组成成分复杂、热值低且水分含量较多,使得生物质燃料不能在工业锅炉上直接燃用,因此需要对现有锅炉的结构和运行情况进行一系列的改进和完善。

§1.4  我国生物质能源的开发现状

§1.4.1 我国农村能源消费结构的特点

我国是一个农业生产大国,一些农作物的总产量已居世界前列,每年都有数亿吨的农业废弃物生成,较常见的有薪材、稻壳、秸秆、麦草等等。据统计[31,32],我国农作物秸秆每年可收集量约为4.5亿吨,折合标准煤1.8亿吨;稻壳每年可收集量约为5000万吨,折合标准煤2000万吨;各种天然薪材提供量为1.4亿吨,折合标准煤0.74亿吨。至今,生物质能源仍居于我国农业能源消耗的第一位,约占全国总能源消耗的30%以上。

但随着农村经济的发展和农民生活水平的提高,农村地区的能源消费结构正发生着微妙的变化,其总体趋势表现为“一增一减”。“一增”是指常规能源的消费增幅十分显著,“一减”则是指对长期依附的生物质能源的消费量逐年下降。一方面,传统低效率的能源利用方式难以满足农村现代化的需求,造成农作物秸秆相对过剩被丢弃在田间地头,甚至被任意焚烧,此举既浪费了十分宝贵的生物质资源,也给广大农村地区非常脆弱的生态环境带来日益严重的负面效应;另一方面,农村能源消费结构已经逐步由过去的秸秆、薪材等低品位能源向电力、燃气等高品位能源过渡,特别是经济发达的地域对优质、清洁、方便的商品能源需求量迅猛攀升,大大加剧了我国化石能源供应的紧张局势。因此,利用农村地区方便易得的秸秆、稻壳等生物质资源,将其高效地转化为清洁高品位的燃料,具有极其重要的现实意义。生物质能源作为农村能源的重要组成部分,在我国农村经济发展中仍将在一个很长时期内继续发挥其不可替代的作用,对它的合理开发和利用必将有效地弥补农村地区能源需求和供给的不足,同时对农村生态环境的保护也将起到积极的推动作用。

§1.4.2 我国生物质能源的开发利用状况

目前,能源危机与环境问题已经成为制约我国经济增长和社会发展的主要瓶颈。因此,改变我国传统的以煤炭为主的能源生产和消费方式,开发利用新的可再生能源成为我国能源发展的当务之急。由于我国地大物博,生物质资源十分丰富,大力开发利用生物质能有利于实施我国的可持续发展战略。近年来,我国的各大专院校、科研机构以及生产部门依靠科技进步,在生物质转化技术方面取得了大量的研究成果。

沼气技术尤其是小型用户沼气技术在我国开发利用较早,在农村能源工程中得到了较为广泛的应用。今后,还需将沼气技术逐步与生态农业相结合,因地制宜地开发独具特色的沼气应用模式,进一步提高沼气的综合利用率以满足人们日益增长的能源需求。

生物质固化技术的研究在我国还处于起步阶段。清华大学、辽宁省能源研究所、陕西省武功县轻工机械厂等科研院所和生产单位,针对生物质固化的加工工艺和压制成型设备进行了大量的研发工作和试验研究,改善了生物质的燃烧性能,提高了生物质能的有效利用率[15-17]。

我国在20世纪80年代初就已开始了生物质气化技术的研究,气化反应装置种类较多,例如中国农业机械化科学院研制的ND系列生物质气化炉,中科院广州能源所开发的GSQ型上吸式生物质气化炉,山东省能源研究所开发的XFL系列秸秆气化炉等[22]。采用生物质气化技术可将秸秆、稻壳、树皮等农林业废弃物转化为甲烷、氢气、一氧化碳等可燃气体,以满足农村地区对优质、清洁的高品位能源的迫切需求。

生物质直接燃烧技术是开发最早、应用最广泛的生物质资源利用方式。其中,采用炉灶燃烧操作简便、投资费用少,但其能耗高、效率低且污染严重,一般多用于农村地区或偏远山区分散独立的家庭用户。近年来,生物质直接燃烧采用现代化的锅炉燃烧技术,积极开发生物质燃烧设备用于大规模集中利用生物质资源,与传统低效率的炉灶燃烧相比大大提高了生物质利用效率,并可以逐步实现生物质能源产品的商品化和产业化。

最近,我国山东工程学院、沈阳农业大学、河北省环境科学院等科研单位进行了生物质液化技术的基础研究,使生物质液化产物逐步替代通常的石油制品,用于燃油锅炉、燃气轮机等动力设备[25]。

总体来说,我国在开发利用生物质能方面,取得了良好的社会和经济效益,但也面临着一些困难和问题。这是由于生物质作为一种开发前景广阔的绿色能源,具有资源丰富、可再生、污染小等优点,但同时又具有体积大、热值低、分布分散、成分复杂等缺点。生物质的体积较大、能量密度较小,造成生物质的运输、储存费用都相对较高,并且利用效率偏低;生物质由于受到地域、季节因素的影响,分布分散且供应不稳定,给生物质资源的集中收集和大规模开发利用带来了困难;不同种类生物质的物理形态和化学成分差异较大,需要相应地采用不同的生物质转化技术以实现生物质的资源化利用。

综上所述,我国生物质能的开发利用,必须对当地的资源状况、经济发展和科研技术水平加以综合考虑,选择合理的生物质转化技术,才能实现生物质资源的有效利用。就我国现有的研究开发水平而言,生物质的固化、气化、液化等利用方式在技术上、经济上还存在诸多的问题,暂时仍达不到大规模商业化推广的要求。根据我国的基本国情,结合我国生物质能源开发利用的长期实践经验,与众多的生物质转换技术相比,目前发展较为成熟的生物质直接燃烧技术无疑是最直接、最简便可行的生物质资源有效利用方式,也是最具潜力的生物质开发技术。生物质直接燃烧摒弃传统低效率的炉灶燃烧,取而代之的是现代化先进的锅炉燃烧技术和先进的燃烧设备,不仅可以大量快速地有效利用生物质资源,减少了有害气体和废渣的排放,而且可以缓解我国能源供应的紧张状况,逐步调整我国以化石燃料为主的能源生产、消费结构,尤其值得关注的是它还能有效地解决我国城市生活垃圾的处理问题,并为广大农村地区因地制宜地提供清洁方便的高品位能源。但是,生物质本身与常规能源的燃烧特性差异较大,这就需要通过研究燃生物质锅炉炉内空气动力场,掌握炉内气流的流动分布规律,开发相应的燃烧技术和燃烧设备,才能实现生物质燃料锅炉的高效、安全运行。


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