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生物質(zhì)能源的應(yīng)用技術(shù)研究

發(fā)布時間: 2017-08-17 22:28   60623 次瀏覽


化石能源的日益緊缺及其衍生的環(huán)境污染問題越來越嚴重。生物質(zhì)能源的開發(fā)和應(yīng)用,以其可再生性和環(huán)保性,越來越受到人們的重視。***目前的應(yīng)用現(xiàn)狀來看,其應(yīng)用形態(tài),主要分為固態(tài)生物質(zhì)能源、液態(tài)生物質(zhì)能源和氣態(tài)生物質(zhì)能源三種。采用物理方法的生物質(zhì)固態(tài)成型技術(shù)的優(yōu)勢在于設(shè)備簡單,生產(chǎn)工藝簡便,利用方式簡潔,但也同樣存在著加工方式粗放,能源轉(zhuǎn)換效率低下等劣勢。液態(tài)生物質(zhì)能源能夠直接替代現(xiàn)在化石能源的可能性******,但是它的生產(chǎn)工藝復(fù)雜,專業(yè)化集成度較高,推廣有一定的限制。氣態(tài)生物質(zhì)能源利用***廣泛,主要有氣化發(fā)電和農(nóng)用沼氣等方式。存在的主要利用瓶頸***是氣態(tài)生物質(zhì)當中含有多種雜質(zhì),去除雜質(zhì)的方法缺乏。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),雖然生物質(zhì)能源的發(fā)展受到一些限制,但是隨著其利用技術(shù)的******和現(xiàn)代經(jīng)濟社會的發(fā)展,生物質(zhì)能源的開發(fā)和利用前景很廣闊。

  隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展,人們對能源的依賴程度越來越高。但人們也越來越清醒的認識到,以煤、石油、天然氣為主的化石能源儲量有限,是************能源。近百年來,全球各國不同程度的對化石能源進行了過渡性開采,化石能源的枯竭已是遲早之事,已不能滿足人類飛速發(fā)展的需求。而且化石能源的集中大量消耗,對人類居住的環(huán)境造成嚴重的污染,引發(fā)全球氣溫升高,從而影響了生態(tài)環(huán)境。因此,能源緊缺問題、環(huán)境污染問題已成為當今世界必須面對解決的重要問題,開發(fā)新的可再生綠色能源,便成為各國面臨的重要課題。世界能源發(fā)展已進入新一輪戰(zhàn)略調(diào)整期。_1]生物質(zhì)能源是目前人類可利用綠色可再生能源之一,世界能源委員會將生物質(zhì)能源列為可再生能源的******。生物質(zhì)能源分布廣泛,幾乎處處都有,各國對生物質(zhì)能源的開發(fā)與利用早已如火如荼的展開了,有些技術(shù)已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化。

  1生物質(zhì)能源概述

  1.1生物質(zhì)能源的生成機理.

  生物質(zhì)能源是地球上***普遍的一種可再生能源,它是通過植物光合作用,將太陽能以化學(xué)能的形式貯存在生物體內(nèi)的一種能量形式,被稱為綠色能源。狹義的生物質(zhì)一般是指植物體在生長過程中,將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能,并存儲在植物體各個器官內(nèi)的能源物質(zhì)形式。廣義的生物質(zhì)還包括以植物體或某器官為食物而轉(zhuǎn)化至動物、微生物等生命體獲得的能源物質(zhì)形式,包括利用現(xiàn)代技術(shù)加工生物體或器官后剩余的廢棄物等。因此,生物質(zhì)能源從根本上說,來源于太陽能,使所存儲的能量轉(zhuǎn)移至生物質(zhì)依賴于光合作用,作用如下:

           

因此生物質(zhì)主要為含碳、氫有機物,具有含硫、氮少,CO2排放幾乎為零的優(yōu)點,另外一般還含有少量的鉀、鈉等金屬元素。

  1.2生物質(zhì)能源開發(fā)研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀

  人類對生物質(zhì)能源的利用不是剛剛開始,100多年前,人們對化石能源的依賴程度還不高,能源便主要來自于生物質(zhì)。19世紀末20世紀初,對能源的需求急劇增加,隨著煤炭開采業(yè)的發(fā)展,煤炭迅速替代生物質(zhì),成為人類主要能源來源,生物質(zhì)能源在人類消耗的能源中的比例逐步縮小。

  1.2.1國外研究現(xiàn)狀

  目前,許多國家對生物質(zhì)能源開發(fā)利用已進行了大量研究和實踐。生物質(zhì)固化成型技術(shù)在歐美、日韓等國家已比較成熟,生物質(zhì)固化燃料在日、美等國家已經(jīng)商品化,工業(yè)生產(chǎn)、家庭采暖等均有使用。

  日本和歐美等國家的小型生物質(zhì)燃料設(shè)備已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化,在供暖、發(fā)電領(lǐng)域得到普遍推廣。國外已有較******的流化床反應(yīng)器、循環(huán)流化床反應(yīng)器、真空熱裂解反應(yīng)器等生物質(zhì)制備設(shè)備。美國在生物質(zhì)氣化發(fā)電方面處于************地位,發(fā)電量已超過其利用風(fēng)能、太陽能、地熱能發(fā)電的總和。1980年,美國提出以生物柴油代替化石柴油戰(zhàn)略,2005年成為世界******燃料乙醇生產(chǎn)大國。巴西長期以來將推廣乙醇燃料作為國家重要能源政策之一。美國和巴西是世界上******的燃料乙醇生產(chǎn)國。

  1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀

  我國生物質(zhì)直燃發(fā)電和氣化發(fā)電已逐步實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化,燃料乙醇技術(shù)正在起步應(yīng)用,已建成燃料乙醇示范廠;生物柴油技術(shù)已進入產(chǎn)業(yè)示范階段;大中型制氣工程工藝技術(shù)已日趨成熟。生物質(zhì)的直接、間接液化生產(chǎn)液體燃料技術(shù)準備進行工業(yè)示范。據(jù)估算,地球上每年光合作用產(chǎn)生的生物質(zhì)能量是世界主要燃料消耗的10倍,而其利用量還不到1%。我國是一個農(nóng)業(yè)大國,具有豐富的農(nóng)林生物質(zhì)資源,因此,開發(fā)生物質(zhì)能源具有深遠的意義,應(yīng)用前景廣闊。

  1.3生物質(zhì)能源的幾個主要來源途徑

  目前,用于生物質(zhì)能源開發(fā)的主要是非糧生物質(zhì),如作物秸稈、林場枝葉廢棄物,畜牧糞便、動物產(chǎn)品下腳料,生活垃圾,城市有機廢水和污泥等。長期以來,人們對生物質(zhì)資源中的固體廢棄物常用的處理方法為堆肥、填埋、焚燒等。堆肥法和填埋法周期長,且容易對土壤和水資源造成二次污染;焚燒法可以利用其熱值,但投資巨大,成本高,容易造成大氣污染。因此,這些廢棄物的有效利用不僅可以增值形成新能源,還可以解決環(huán)境污染問題。

  1.3.1作物秸稈

  農(nóng)作物秸稈是非常豐富的可再生生物質(zhì)資源,包括小麥、玉米、高粱、棉花、大豆、水稻等農(nóng)作物收獲后的廢棄部分,還包括農(nóng)產(chǎn)品加工后的廢棄部分,如甘蔗渣。我國每年產(chǎn)秸稈量相當于3.5億t標準煤,去除工業(yè)使用、粉碎還田、飼料、培養(yǎng)食用菌、農(nóng)戶炊事及取暖焚燒等使用外,至少剩余30%,常直接被焚燒,不僅造成大量能源資源浪費,而且導(dǎo)致環(huán)境污染。因此,將廢棄的秸稈充分利用,既可以提取所含能量,又可以改善農(nóng)村環(huán)境,減少空氣污染,利用后的秸稈灰還可以直接返田增加土壤無機肥料。

  1.3.2畜禽糞便

  我國畜禽業(yè)比較發(fā)達,養(yǎng)殖的畜禽主要為牛、豬、雞。家庭圈養(yǎng)、散養(yǎng)的畜禽糞便搜集不便,且很多養(yǎng)殖戶直接將糞便漚肥用于肥田;但規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場,每年產(chǎn)生大量養(yǎng)殖糞便和污水,有機物的閑置對環(huán)境和地下水造成了極大污染。我國每年有25億t畜牧糞便和大量有機廢棄物閑置或浪費,其熱值相當于3億t標準煤,理論上可生產(chǎn)約750億m3沼氣。據(jù)統(tǒng)計,2007年我國畜牧糞便實物量為12.47億t,其中可開發(fā)部分總量為8.84億t,預(yù)計2015年規(guī)?;S便實物量將達到32.5億t。畜牧糞便資源巨大,而且逐年增加,是沼氣產(chǎn)業(yè)重要的原料來源。

  1.3.3園林、林業(yè)廢棄物

  為改善城市生態(tài)環(huán)境,我國非常重視城市綠化質(zhì)量。據(jù)資料顯示,2011年,我國城市建成區(qū)綠化覆蓋面積已達到161.2萬hm2,綠化覆蓋率為38.62%。隨著城市園林綠化業(yè)的繁榮,每年都有大量殘枝落葉和草坪修剪廢棄物。我國林地、林廠木材加工殘余料及樹林廢棄物每年約有2億萬t未被利用,不進行妥善處理,極易構(gòu)成火災(zāi)隱患。林業(yè)廢棄物、木材加工剩余物、園林綠化剩余物資源集中,收集方便,是可有效開發(fā)的重要生物質(zhì)資源。

  1.3.4其他生物質(zhì)資源

  工業(yè)生產(chǎn)有機廢棄物、污水及城市生活餐廚垃圾等蘊藏著大量的生物質(zhì)能源。城市生活垃圾中約有30%為有機垃圾,我國生活垃圾年產(chǎn)量達2億t,且每年以10%速度增長,對環(huán)境產(chǎn)生了嚴重危害。食品加工、畜禽屠殺、水產(chǎn)養(yǎng)殖和漁業(yè)、制糖、釀酒、造紙等行業(yè)每年產(chǎn)生的有機廢棄物非??捎^。據(jù)不******統(tǒng)計,僅農(nóng)產(chǎn)品加工行業(yè)每年產(chǎn)生的廢棄物可產(chǎn)500億m3沼氣。城市垃圾、工業(yè)生產(chǎn)有機廢棄物相對比較集中,非常利于搜集。

  另外,我國糧食主產(chǎn)區(qū)的陳化糧也是非??捎^的生物質(zhì)資源,除工業(yè)生產(chǎn)外,必要時也可以作為能源資源使用,但要注意防止“與人爭糧”。其他的還有甘蔗、木薯、菊芋、高粱等。在貧瘠土地上可茂盛生長的各種植物,均為豐富可開發(fā)的生物質(zhì)資源。吳志莊等還提出,可以利用我國資源豐富、分布廣泛的竹類資源,以竹類加工剩余物(約占60%)為原料可以生產(chǎn)生物乙醇,還可以進行發(fā)電。

  2生物質(zhì)能源的主要應(yīng)用技術(shù)

  生物質(zhì)能源的利用主要通過物理法、化學(xué)法和生物法等技術(shù)手段,將生物質(zhì)材料轉(zhuǎn)化為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中可直接使用的能源物質(zhì)。從轉(zhuǎn)化產(chǎn)品的狀態(tài)來看,可以有固態(tài)能源、液態(tài)能源、氣態(tài)能源。固態(tài)能源主要為生物質(zhì)顆粒;液態(tài)能源有生物乙醇、生物柴油、裂解油等;氣態(tài)能源有沼氣、氫氣、生物質(zhì)燃氣等。

  2.1固態(tài)生物質(zhì)能源的應(yīng)用技術(shù)

  2.1.1固態(tài)生物質(zhì)能源的成型機理

  生物質(zhì)原材料一般質(zhì)地松散,含水量大,空間占用量大,不易倉儲和運輸,燃燒效率低,因此,大部分生物質(zhì)原材料使用前需要處理。一般將生物質(zhì)原材料進行干燥、粉碎或切斷,或首先經(jīng)過炭化工藝,再壓縮,靠原料內(nèi)部的粘結(jié)力互相嚙合在一起而成型,從而使松散、多水分的生物質(zhì)原材料變?yōu)樗沙诿芏群蛷姸染^高的固體成型燃料或顆粒狀材料,便于運輸,燃燒效率高。通常,生物質(zhì)材料中纖維素和木質(zhì)素的含量影響常溫下顆粒成型的難易,成型燃料的松弛密度和耐久性可反映其性能。用于成型的生物質(zhì)原材料多為秸稈、林場廢棄物等,也有將畜禽糞便加工為生物質(zhì)顆粒物的。齊菁等研究了稻殼生物質(zhì)顆粒的成型機理,用電子顯微鏡觀察了顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu),成型效果好,認為可以作為生物質(zhì)顆粒。魏偉研究了以油茶果殼為原料的固體燃料成型規(guī)律,并設(shè)計了一條理論上年產(chǎn)4萬t的顆粒燃料加工生產(chǎn)線。錢新鋒提出,將園林修剪物等炭化處理制備生物碳,還可用于改善土壤環(huán)境。

  2.1.2固態(tài)生物質(zhì)能源的生產(chǎn)設(shè)備

  用于生物質(zhì)原材料成型的設(shè)備有螺旋擠壓式、活塞沖壓式和模壓式3類。國內(nèi)大部分采用模壓式生產(chǎn)工藝,主要有冷壓成型、熱壓成型和炭化成型。模壓成型的優(yōu)點是生產(chǎn)效率高,原料適應(yīng)性強。霍麗麗_2等的研究為生物質(zhì)顆粒燃料成型機具的設(shè)計提供了理論依據(jù),目前,我國自主研發(fā)的成型設(shè)備已達國際******水平,2013年,江蘇新能源技術(shù)有限公司將3.3×107t固體成型燃料出口至日本,表明我國固體成型燃料已實現(xiàn)規(guī)?;a(chǎn),實現(xiàn)商品化。

  2.1.3固態(tài)生物質(zhì)能源的缺點

  缺點主要有:常用成型設(shè)備生產(chǎn)效率低下,原料適應(yīng)性低,能耗高,設(shè)備關(guān)鍵部件(如模具)磨損快,因而發(fā)展速度相對緩慢。另外,產(chǎn)品標準化程度低,應(yīng)盡快完善相應(yīng)生產(chǎn)標準,使產(chǎn)品標準化,同時發(fā)展相應(yīng)的配套設(shè)備,如提供部件統(tǒng)一的燃燒爐,以供標準化的成型生物質(zhì)燃料得以高效率地燃燒。

  2.2液態(tài)生物質(zhì)能源的應(yīng)用技術(shù)

  根據(jù)聯(lián)合國能源組織的評估,地球的石油儲量正在急劇減少,尋找新型液體燃料已日益受到世界各國的重視。可再生能源有太陽能、風(fēng)能、水能、地熱能和生物質(zhì)能,生物質(zhì)是可再生能源中******可以制得液態(tài)能源的材料,因此生物質(zhì)液態(tài)能源的發(fā)展應(yīng)是能源戰(zhàn)略發(fā)展的******。利用生物技術(shù),在酶等微生物的作用下,可將某些生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)乙醇及其他化工原料,也可以利用化學(xué)方法制得生物柴油等燃料,可廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

  2.2.1生物乙醇的形成機理

  經(jīng)歐美等國家的長期實踐證明,生物乙醇是替代石油的主要選擇。植物通過光合作用,將太陽能儲存于植物體內(nèi),形成生物質(zhì)能。利用生物技術(shù),將生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為生物乙醇,作為能源使用。其循環(huán)如圖1所示。理論上,光合作用合成1分子葡萄糖需要6分子CO2,酒精發(fā)酵和燃燒共釋放6分子CO2,所以,酒精燃燒并不增加大氣中CO2濃度。工業(yè)生產(chǎn)中,首先將糖類降解為酸,并在各種酶的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)橐胰┘癈O2,進而再轉(zhuǎn)變?yōu)橐掖?。作為燃料用乙醇,乙醇含量要求達到99.5%,所以生物乙醇的生產(chǎn)過程中對脫水處理要求嚴格。

                       

 

 

2.2.2生物乙醇的生產(chǎn)材料

  生產(chǎn)生物乙醇的材料主要有糖類、淀粉類和纖維木質(zhì)素類。在原料方面,美國主要采用玉米生產(chǎn)生物乙醇;巴西是全球******大生物乙醇生產(chǎn)國,幾乎所有生物乙醇都是用甘蔗生產(chǎn);歐盟以小麥和甜菜為主,中國則以玉米、小麥、木薯為主。

  根據(jù)《國家能源科技“十二五”規(guī)劃》,2010年,我國燃料乙醇產(chǎn)量為1.69×106t,2015年將再增加3.0×106t。我國人多地少,基本國情決定了利用玉米進行醇化加工生成生物乙醇(又稱為******代生物乙醇)必將陷入“與人爭糧、與糧爭地”的困境。******代生物乙醇是將秸稈、木材中的纖維素降解進行轉(zhuǎn)化,目前有濃酸水解、稀酸水解、酶催化水解等方法。這些方法或條件要求苛刻,或效率低、速度慢,或高能耗、不綠色,所以******代生物乙醇目前還停留在技術(shù)研究中試階段??商娲?*****代生物乙醇原材料——玉米的甜高粱、木薯等非糧能源作物,可以較好的生成生物乙醇,又稱為1.5代生物乙醇。

  甜高粱和木薯等可在鹽堿地、沙地等低質(zhì)土地生長,產(chǎn)量較高,是當前發(fā)展燃料乙醇的較好原料。目前,我國生物乙醇生產(chǎn)原料主要依賴陳化糧,成本過高,需要依賴國家補貼。而我國沿海等地區(qū)尚有大量低質(zhì)土地未開發(fā)利用,可以發(fā)展種植甜高粱等能源作物。清華大學(xué)研發(fā)的甜高粱連續(xù)固體發(fā)酵生產(chǎn)乙醇技術(shù)具有國際******水平,將推動中國生物乙醇能源的發(fā)展。因此,大力開發(fā)鹽堿地、沙地等荒地,研究種植甜高粱等非糧能源作物,將可以有效降低1.5代生物乙醇生產(chǎn)成本,促進產(chǎn)業(yè)早日商業(yè)化發(fā)展。

  生物乙醇的迅猛發(fā)展,使得作為原料的農(nóng)產(chǎn)品的******與能源******緊密相連。能源作物******優(yōu)勢甚至?xí)股植莸刂饾u變?yōu)槟茉醋魑锏姆N植地,從而對環(huán)境產(chǎn)生不利影響。倪紅艷等研究發(fā)現(xiàn),當乙醇玉米需求占產(chǎn)量比重達到15%時,玉米******會大幅上漲,同時飼料、工業(yè)及食用玉米需求下降幅度也比較大,此時會對我國的糧食安全形成較大壓力。

  若乙醇玉米占用耕地過多,必將影響糧食安全,因此必須尋找其他生物質(zhì)原料。目前,我國已經(jīng)形成了“不與人爭糧,不與糧爭地”的基本共識,發(fā)展生物乙醇開始向“非糧”原料轉(zhuǎn)移,充分利用農(nóng)副產(chǎn)品或其加工剩余物。牟曉紅等以花生殼為原料,用混合菌種發(fā)酵法提取生物乙醇,發(fā)酵得到的乙醇轉(zhuǎn)化率為46.06%,乙醇得率為14.65%。于洪久等以不同的處理方式和反應(yīng)條件提高菊芋生產(chǎn)生物乙醇的生產(chǎn)率。與此同時,以海洋藻類為原料的第三代生物乙醇技術(shù)的研發(fā)也正在成為能源領(lǐng)域關(guān)注的熱點。張志奇等采用發(fā)酵法,以海帶為原料,在實驗室中提取了生物乙醇。錢龍等認為,篩選厭氧海藻酸降解菌,并進行基因工程改造,強化乙醇生成途徑,是一種頗有前景的方案。另外,劉政坤通過對甘蔗渣的酶解液進行發(fā)酵顯示,滸苔酶解液在還原糖利用率、葡萄糖利用率、乙醇產(chǎn)率方面都比甘蔗渣高。以滸苔為原料發(fā)酵生產(chǎn)乙醇展現(xiàn)了良好應(yīng)用前景。

  2.2.3生物乙醇的應(yīng)用

  生物乙醇除了做燃料乙醇外,還可以用于工業(yè)生產(chǎn)。乙烯是一種重要的化工產(chǎn)品,需求量很大。長期以來,乙烯的生產(chǎn)嚴重依賴于化石能源?;茉次C迫使乙烯的生產(chǎn)選擇新的生產(chǎn)原料,而利用生物乙醇制備乙烯則是一個很好的方向。生昌國等認為,生物乙醇制作乙烯條件溫和,具有勢不可擋的優(yōu)勢,成本低,綠色環(huán)保,是一條可持續(xù)發(fā)展的化工路線。

  2.2.4生物柴油的生產(chǎn)技術(shù)

  生物柴油的主要成分是脂肪酸甲酯。工業(yè)上生產(chǎn)生物柴油主要有物理法和化學(xué)法。物理法又有混合法和乳化法之分,化學(xué)法主要有酯交換反應(yīng)、高溫熱裂解及酶催化等方法。酯交換反應(yīng)所需生物質(zhì)原料要求不高,生產(chǎn)成本相對較低,應(yīng)用廣泛,工業(yè)生產(chǎn)多采用這種方式。但酯交換反應(yīng)過程存在副產(chǎn)物復(fù)雜、可造成二次污染等問題,生物柴油替代燃料模型和反應(yīng)機理尚不明確,是生物柴油發(fā)展的一個瓶頸。但生物柴油在很多方面具有化石柴油所不及的優(yōu)勢,如潤滑性能,燃燒性能等,是一種可再生清潔能源。

  2.2.5生物柴油的生物質(zhì)材料

  起初的生物柴油是以油料植物的果實、種子、植物導(dǎo)管乳汁油酯(如大豆、菜籽、棉籽等)及部分含油量較高的******植物和餐廚垃圾、動物油脂等為原料,通過酯交換反應(yīng)工藝制成。生物柴油的原料可來自于動、植物油脂,也可來自于各種廢棄食用油、地溝油、化石柴油的回收再利用。我國工業(yè)化生產(chǎn)生物柴油主要以菜籽油、棉籽油、烏桕油、木油、茶油和地溝油為原料制備。胡南方地區(qū)是我國非糧生物柴油能源植物的分布中心,83.9%以上生物柴油能源植物分布在此。

  近些年又提出了微藻生物柴油,利用海水培養(yǎng)的微藻含油量很高,產(chǎn)量大,生產(chǎn)綠色無污染,已成為生物柴油產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究的熱點。美國是開發(fā)微藻生物柴油起步***早的國家。微藻為原料制備生物柴油具有培養(yǎng)周期短、產(chǎn)油效率高、油脂質(zhì)量好、環(huán)保、節(jié)省土地,改造空間大等優(yōu)點。_5微藻易養(yǎng)易收,不與糧食作物、經(jīng)濟作物爭地,含脂肪酸等生物質(zhì)能巨大,是新型生物柴油原料油源之一,也是未來生物柴油發(fā)展的趨勢之一。國內(nèi)外微藻生物柴油大多處于試驗階段,制約微藻生產(chǎn)生物柴油工業(yè)化的一個重要原因是原料成本高,生物柴油生產(chǎn)成本的75%來自于原料成本,在******上,利用微藻生產(chǎn)的生物柴油與化石柴油相比沒有優(yōu)勢。因此,降低微藻產(chǎn)油成本仍是重要的研究方向。

  2.3氣態(tài)生物質(zhì)能源的應(yīng)用技術(shù)

  2.3.1氣態(tài)生物質(zhì)能源的生成機理

  氣態(tài)生物質(zhì)能源生產(chǎn)方法包括生物發(fā)酵法、生物質(zhì)氣化法。生物質(zhì)在厭氧或缺氧的條件下,添加合適的酶、菌等,便可發(fā)酵為沼氣。沼氣的主要成分是甲烷,沼氣的產(chǎn)生是微生物新陳代謝的結(jié)果,微生物從生物質(zhì)材料中吸收能量,生成甲烷、二氧化碳。生產(chǎn)沼氣的原材料主要為秸稈、畜禽糞便等。尹藝冉等對生物能源產(chǎn)生的熱值進行了分析,表明厭氧產(chǎn)甲烷過程更適于水生植物的資源化。

  對生物質(zhì)進行高溫熱解,即生物質(zhì)在常壓或加壓的條件下,溫度在700℃甚至更高時,通人適量的氧氣或空氣介質(zhì),生物質(zhì)可熱裂解,生成含有一氧化碳、氫氣、甲烷、CmHn等可燃混合氣體和二氧化碳、氮氣等不可燃氣體。這種氣體稱為生物質(zhì)燃氣,純化后可以供車輛驅(qū)動使用。生物質(zhì)氣化制氫是由低品位的一次能源(生物質(zhì)能)向高品位的二次能源(氫能)的高效轉(zhuǎn)化。

  另外還有等離子體熱解氣化生物質(zhì)、熔融金屬氣化生物質(zhì)等新技術(shù),制得的可燃氣體不含焦油,質(zhì)量優(yōu)良,但有的能耗很高,或部分生產(chǎn)技術(shù)問題未解決,目前仍在研發(fā)階段,未規(guī)模推廣。

  2.3.2氣態(tài)生物質(zhì)能源的生產(chǎn)設(shè)備與工藝

  目前,生物質(zhì)氣化裝置主要有固定床氣化爐、流化床氣化爐和氣流床氣化爐,熱解氣化爐技術(shù)成熟的主要有固定床和流化床2種,工藝分單床工藝和雙床工藝,單床工藝較為簡單,成本低,能耗低,但生成氣體在氣化爐內(nèi)停留時間過短,焦油裂解不充分,使得生成氣體中所含焦油量大。焦油通常在800℃以上2~3S內(nèi)即可裂解,因此,提高氣化爐溫度、增加含焦油氣體在氣化爐內(nèi)停留時間,可進一步減少所得氣體的焦油含量。雙床工藝則增加了一個氣化爐,延長焦油在氣化爐停留時間,使得焦油進一步裂解,但增加的氣化爐需要單獨加熱升溫,由此也增加了能耗,使成本上升。

  2.3.3氣態(tài)生物質(zhì)能源的應(yīng)用于推廣

  沼氣和天然氣的主要成分都是甲烷,不同在于甲烷含量。沼氣一般含甲烷60%,天然氣為90%,純化至97%即為車用天然氣,因此沼氣純化后可同天然氣相媲美,又稱為生物天然氣,用途廣泛。在國外,生物天然氣用于熱電聯(lián)產(chǎn)、汽車燃料均已多年。

  我國生物質(zhì)氣化產(chǎn)業(yè)在應(yīng)用方面主要為氣化發(fā)電農(nóng)村氣化供氣。沼氣生產(chǎn)工藝簡單,原材料廣泛,因其生產(chǎn)成本低而廣泛的應(yīng)用于農(nóng)村生產(chǎn)生活。我國多地農(nóng)村都建有小型戶用沼氣池,如山東萊西、膠州等地,通過管道和專用沼氣爐進行炊事或取暖。另外,沼氣池中的沼渣還可以肥田,沼液可以用作飼料添加劑等,由此,在增加了農(nóng)民收入的情況下,又有效減少了農(nóng)民化肥等的支出。生物質(zhì)氣化集中供氣技術(shù)在我國也被廣泛應(yīng)用,我國******個生物質(zhì)氣化集中供氣項目位于山東省桓臺縣東潘村,1994年建成并投產(chǎn)。工業(yè)用大型沼氣廠可用于發(fā)電、規(guī)模供暖,效益可觀。另外,2011年,廣西南寧已進行了車用天然氣的商業(yè)化運行。曾中華還探索了將生物質(zhì)氣化技術(shù)應(yīng)用在工業(yè)窯爐中。

  2.3.4氣態(tài)生物質(zhì)能源的缺點

  在氣化過程中,因生物質(zhì)材料中含有少量的氮(氣化爐中通入空氣作為介質(zhì)時也會增加含氮量)、硫及部分金屬元素,使氣化產(chǎn)生焦油,從而導(dǎo)致氣化爐或者使用氣態(tài)資源的設(shè)備管道易被焦油堵塞。雖然可通過提高熱解溫度的方式減少焦油,但又會造成高能耗,增加成本。

  發(fā)展生物質(zhì)液態(tài)能源和氣態(tài)能源是化石能源替代的戰(zhàn)略******。氣態(tài)能源和液態(tài)能源產(chǎn)品中常含有雜質(zhì),不利于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中能源的利用,如焦油等,增加了生物質(zhì)能源使用成本。目前已有很多研究來提高生物質(zhì)產(chǎn)品的利用率,如對生物質(zhì)進行預(yù)處理,改變其物理化學(xué)性質(zhì),從而使各種反應(yīng)向著有利方向進行,以逐步提高氣態(tài)、液態(tài)能源的利用效率。

  3總結(jié)與展望

  將生物質(zhì)材料轉(zhuǎn)化為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中可直接使用的能源物質(zhì),方法主要有物理法、化學(xué)法和生物法。物理法主要為粉碎和加熱,工藝簡單,但耗能較高,生物法是進行微生物降解,處理時間相對較長,化學(xué)法主要通過與酸或堿的化學(xué)反應(yīng),相對耗能低,反應(yīng)快,但工藝相對復(fù)雜,副產(chǎn)物復(fù)雜。

  生物質(zhì)能源是綠色、可再生能源,蘊藏量巨大,分布廣泛。只要有陽光照射,綠色植物光合作用***不會停止,生物質(zhì)能則不會枯竭。生物質(zhì)能源又是可再生能源中******可以儲存與運輸?shù)哪茉?,這給能源轉(zhuǎn)換和連續(xù)利用帶來方便。我國生物質(zhì)資源儲量豐富,但有效利用率還很低。

  化石能源正一步步走向枯竭,而我國的能源消費又逐年遞增,2010年中國煤炭消費量已占到全球消費總量的48.3%,能源安全問題已經(jīng)迫在眉睫?;茉吹募写罅渴褂媒o環(huán)境和生態(tài)帶來了巨大的影響,近幾年霧霾天氣逐年增多,日益嚴重,十八大報告也已明確提出,要求大力推進生態(tài)文明建設(shè),因此,尋找取代化石能源的清潔的、可再生能源刻不容緩,發(fā)展生物質(zhì)能源也是我國促進克霾減排、保護生態(tài)環(huán)境的有效手段。

  發(fā)展生物質(zhì)能源,不僅可以部分替代化石能源,改善生態(tài)環(huán)境,更在于生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展可以形成很長的產(chǎn)業(yè)鏈。生物質(zhì)通常分散于各地,不集中,且與季節(jié)、氣候有關(guān),這些因素給生物質(zhì)原料的集中帶來了不少麻煩。因此,生物質(zhì)能源的開發(fā)與利用,涉及到農(nóng)業(yè)、交通運輸、工業(yè)、通信、環(huán)保、能源等多行業(yè),使得生物質(zhì)源材料的種植與養(yǎng)殖、收集、運輸、倉儲、管理等相關(guān)行業(yè)得以相應(yīng)發(fā)展,各環(huán)節(jié)都是生物質(zhì)能源開發(fā)利用中必不可少的。因此,生物質(zhì)能源開發(fā)利用必將帶動各產(chǎn)業(yè)協(xié)同統(tǒng)一發(fā)展。

  原材料大量來源于農(nóng)林畜牧業(yè),生物質(zhì)資源的利用將是農(nóng)業(yè)經(jīng)濟一個新的經(jīng)濟增長點,必將直接帶動農(nóng)村經(jīng)濟迅速發(fā)展,推動新農(nóng)村建設(shè)的進程。因此,積極發(fā)展生物質(zhì)能源既可以解決國家能源安全問題,又可以有效改善生態(tài)環(huán)境,還可以為農(nóng)林畜牧業(yè)廢棄物增值,增加經(jīng)濟收入,催生新的產(chǎn)業(yè)鏈,是一個一舉多得的國家戰(zhàn)略。

 

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