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生物质能转换技术的类型及利用状况

(一)生物质能的概念
生物质(biomass)是自然界中有生命的、可以生物质(biomass)是自然界中有生命的、可以生长的各种有机物质,包括动植物微生物生物质能是由太阳能转化而来的以化学能形式储存在生物质中的能量。《中华人民共和国可再生能源法》将生物质能的含义解释为:生物质能是指利用自然界的植物、粪便及城乡有机废物转化成的能源。与传统的矿物燃料相比,生物质能源具有明显的特点,即可再生性无污染性。

生物质的基本来源是绿色植物通过光合作用把水和二氧化碳转化为碳水化合物。因此,绿色植物利用太阳能进行光合作用是维持地球上千百万种生物生存下去的基础,可以通过各种生物质能转换技术把生物质能加以利用。

(二)生物质的种类

通常作为能源的生物质资源种类很多,主要是农作物,油料作物和农业有机剩余物,林木,森林工业残余物。此外,动物的排泄物、江河湖泊的沉积物、农副产品加工后的有机物和废水、城市生活有机废水及垃圾等都是重要的生物质资源。水生生物质资源比陆生的更加广泛。生物质资源既包括陆生生物,也包括水生生物。地球上有广大的水域,而且不存在陆生资源那样与住宅、粮食等争地的问题。水域费用一般比陆地费用低。水生生物质资源品种繁多,资源量大,领域广阔。

根据来源的不同,将适合于能源利用的生物质分为:农业生物质资源、林业生物质资源、畜禽粪便、生活污水和工业有机废水、城市固体有机废弃物。

1.农业生物质资源

农业生物质资源是指农作物(包括能源植物);农业生产过程中的废弃物,如农作物在收获时残留在农田内的农作物秸秆(玉米秸秆、高粱秸秆、麦秸、稻秸、豆秸和棉秸等);农业加工业的废弃物,如农业生产过程中剩余的稻壳等。能源植物泛指用以提供能源的植物,通常包括草本能源作物、油料作物、制取碳氢化合物植物和水生植物等。《中华人民共和国可再生能源法》将能源作物的含义解释为:能源作物是指经专门种植,用以提供能源原料的草本和木本植物。

2.林业生物质资源

林业生物质资源是指森林生长和林业生产过程中提供的生物质资源,包括薪炭林,在森林抚育和间伐作业中的零散木材、残留的树枝、树叶和木屑等;木材采运和加工过程中的枝丫、木屑、梢头、板皮和截头等;林业副产品的废弃物,如果壳和果核等。

3.畜禽粪便

畜禽粪便是畜禽排泄物的总称,他是其他形态生物质(主要是粮食、作物秸秆和牧草等)的转化形式,包括畜禽排出的粪便、尿及其垫草的混合物。我国主要的禽畜包括猪、牛和鸡等,其资源和畜牧业生产有关。根据这些畜禽的品种、体重、粪便排泄量等因素,可估算出畜禽粪便的资源实物量。

4.生活污水和工业有机废水

生活污水主要有农村和城镇居民生活、商业和服务业的各种排水,如冷却水、洗浴排水、洗衣排水、厨房排水、粪便污水等。工业有机废水主要是乙醇、酿酒、制糖、食品、制药、造纸及屠宰等行业生产过程中派出的废水等,其中都富含有机物。

5.城市固体有机废弃物

城市固体有机废弃物主要有城镇居民生活垃圾,商业、服务业垃圾等。其组成成分比较复杂,受当地居民平均生活水平、能源消费结构、城镇建设、自然条件、传统习惯及季节变化等因素的影响。

(三)生物质资源

生物质资源是可再生的,且产量极大,中国土地面积辽阔,生物质潜在的资源量巨大,但目前的利用率很低。生物质是由植物的光合作用固定于地球上的太阳能,本质上是太阳能的储存形式,只要太阳辐射能的存在,绿色植物的光和作用就不会停止,生物质就会将太阳能不断的储存起来,周而复始的循环使生物质资源取之不尽。可是,生物质能远远没有得到有效利用。据统计,每年经光合作用产生的生物质约1700亿t,其能量相当于世界主要燃料消耗的10倍;而作为能源的利用量还不到其总量的1%。中国生物质能资源相当丰富,中国的生物质能资源相当丰富,中国的生物质资源年产量是美国和加拿大总量的84%,是欧洲总量的121%,是非洲的131%。

(四)生物质能转换技术定义

通常把生物质能通过一定的方法和手段转变成燃料物质的技术称为生物质能转换技术。

(五)生物质能转换技术的类型

生物质能转换技术总体可分为直接燃烧技术、生物转换技术、热化学转换技术和其他转换技术4种主要的类型。

1.直接燃烧技术

生物质直接燃烧技术是最普通的生物质能转换技术。就是燃料中的可燃成分和氧化剂(一般为空气中的氧气)发生氧化反应的过程,放出热量,并温度升高。

此反应是光合作用的逆过程。化学能-热能。除碳的氧化外,还有硫、磷等微量元素的氧化。

直接燃烧的目的是取得热量,产生的多少,除了有机物质的种类不同之外,还与氧气(空气)的多少有关,即能否完全氧化。

直接燃烧的设备有:普通的炉灶、各种锅炉、内燃机(燃用植物油)等。

2.生物转换技术

生物转化技术是用微生物发酵的方法将生物质能转变成燃料物质的技术。

有机物质——微生物发酵——液体燃料+CO2

有机物质——厌氧微生物发酵——气体燃料+CO2

通常液体燃料为乙醇,气体燃料为沼气。

产生乙醇的有机物原料有两类糖类原料如甘蔗、甜菜、甜高粱等作物的汁液及制糖工业的糖蜜等,可直接发酵或含乙醇的发酵醪液,再经蒸馏便得高浓度的乙醇;淀粉类原料加工玉米、甘薯、马铃薯、木薯等,则需经过蒸煮、糖化,然后在发酵、蒸馏产生乙醇。乙醇可作为燃料及作为汽油添加剂生产车用乙醇汽油,也可制成饮料。

沼气是生物质在严格厌氧条件下经发酵微生物作用而形成的气体燃料。可用于产生沼气的生物质非常广泛,包括各种秸秆、水生植物、人畜粪便、各种有机废水、污泥等。沼气可直接使用,或将CO2除去,得到甲烷纯度高的产品。

3.热化学转换技术

生物质热化学转换技术是指在加热条件下,用热化学手段将生物质能转换成燃料物质的技术。常用的方法有汽化法、热裂解法和加压液化法。

气化是指将固体或液体燃料转化为气体燃料的热化学过程。生物质气化就是利用空气中的氧气或含氧物质做气化剂,将固体燃料中的碳氧化生成可燃气体的过程

生物质热裂解是指生物质在完全没有氧或缺氧条件下热降解,最终生成生物油、木炭和可燃气体的过程。3种产物的比例取决于热裂解工艺和反应条件。一般地说,低温慢速热裂解(小于500℃),产物以木炭为主;高温闪速热裂解(650~1100℃),产物以可燃气体为主;中温快速热裂解(500~650℃),产物以生物油为主。如果反应条件合适,可获得原生物质80~85%的能量,生物油产率可达70wt%以上。

生物质加压液化是在较高压力下的热化学转化过程,温度一般低于快速热裂解。该法始于20世纪60年代,当时美国的Appell等将木片、木屑放入NA2CO3中,用CO加压至28MPa,使原料在350℃条件下反应,结果得到40%~50%的液体产物,这就是著名的美国矿业局匹兹堡能源研究中心(Pittsburgh energy research center,PERC)法,近年来,人们不断尝试用H2加压,使用溶剂(如四氢萘、醇、酮等)及催化剂(如CO-MO/NI-MO系加氢催化剂)等手段,使液体产率大幅度增高,甚至可达80%以上,液体产物的高位热值可达25~30MJ/kg,明显高于快速热裂解液化。但是该技术的成本较高。

4.其他转换技术

生物质压缩成型(biomass briquetting)是指将各类生物废弃物,如锯末、稻壳、秸秆等,在一定压力的作用下(加热或不加热),使原来松散、细碎、无定型的生物质原料压缩成密度较大的棒状、粒状、快状等各种成型燃料。

生物柴油是指以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂,以及动物油脂、餐饮油等为原料油,通过酯交换工艺制成的脂肪酸甲酯或脂肪酸乙酯然燃料,这种燃料可供内燃机使用。

生物质制氢,包括微生物转换技术制氢、热化学转换技术制氢,其中,微生物转换技术制氢包括光解微生物产氢和厌氧发酵菌有机物产氢。

《中华人民共和国可再生能源法》将生物液体燃料的含义解释为:生物液体燃料是指利用生物质资源生产的甲醇、乙醇等生物柴油等液体燃料。





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