新能源技术研究与应用-方旭

1、Ocean University of China,新能源生物质发电和污泥制氢综述,机械工程 方旭,研究背景,随着我国经济的快速发展，常规能源(煤、石油和天然气)的消费量持续增加，能源供需矛盾日益突出。我国的常规能源短缺，尤其是石油和天然气资源严重不足，成为影响经济社会发展的重要因素。 以石油为例，我国1993年成为石油净进口国，2011年我国石油的对外依存度已超过 55，预计到2020年中国石油对外依存度将达到67。常规能源的使用，尤其是煤的开发和利用引发的各种环境问题已严重影响社会经济的可持续发展和人民的生命健康。因此寻找新的替代能源持续发展成为亟待解决的问题,生物质发电,生物质能是一种重

2、要的可再生能源，它是太阳能以化学能形式储存在生物质中的能量，被认为是最有发展前景的可再生能源之一。在众多的生物质利用方式中，生物质发电是我国目前对生物质能源应用的最为广泛,生物质的定义,以生物质为载体的能量。生物界一切有生命的可以生长的有机物质，包括动植物和微生物。所有生物质都有一定的能量，而作为能源利用的主要是农林业的副产品及其加工残余物，也包括人畜分粪便和有机废弃物。生物质能为人类提供了基本燃料,生物质的分类,林业废弃物,下角料,农业废弃物,能源作物,生物质发电方式,生物质燃料具有松散性、密度低、高挥发分及低热值等特点，因此在收集、贮存和使用过程中存在一定的困难和不经济性。传统的生物质资源

3、利用主要是炉灶直接燃烧方式，其能源利用率只有1015，而且在燃烧过程中排放出大量的烟尘。新的生物质能源利用方式，如生物质发电技术能够克服上述的缺点，已经成为生物质能现代化利用的重要方式之一,生物质现代化燃烧系统,生物质直燃发电,生物质直燃发电是指在特定的生物质蒸汽锅炉中通人足够的氧气使生物质原料氧化燃烧，产生蒸汽，进而驱动蒸汽轮机，带动发电机发电的过程。生物质直燃发电技术中的生物质燃烧方式包括固定床燃烧和流化床燃烧等方式。前者只需将生物质原料经过简单处理甚至无须处理就可投入炉排炉内燃烧，而后者则要求将生物质原料进行破碎、分选等预处理再燃烧，其燃烧效率和强度都比固定床高,生物质混燃发电,生物质混

4、燃发电是指在传统的燃煤发电锅炉中将生物质和煤以一定的比例进行混合燃烧发电的过程。生物质与煤混合燃烧的方式有两种。 (1)生物质直接与煤混合燃烧，产生蒸汽，带动蒸汽轮机发电。 (2)将生物质在气化炉中气化产生的燃气与煤混合燃烧，产生蒸汽，带动蒸汽轮机发电。前者的燃烧要求很高，并不适用于所有燃煤发电厂，而后者的通用性较好，对原燃煤系统的影响也比较小 。混合燃烧的生物质可以是林业生物质(木片和锯末)或者农业生物质(如稻壳、麦草和玉米秆等)。生物质混燃发电被认为是一种近期可以实现的、相对低成本的生物质发电技术,生物质气化发电,生物质气化发电是指生物质原料(废木料、秸秆和稻草等)气化后，产生可燃气体(C

5、O、H2和CH等)，经过除焦净化后燃烧，推动内燃机或燃气轮机发电设备进行发电,国内外发展,生物质发电在北欧国家经过30多年的发展，技术上已经比较成熟，并得到了广泛的应用 。特别是2002年可持续发展世界峰会之后，生物质能的开发利用在全球加快推进,基于农业资源的生物质发电 西安周至秸秆发电厂,基于林业资源的生物质发电 流化床锅炉,日经BP社报道】日本国土交通省将从2013年度起，实施燃烧下水污泥进行发电的生物质发电技术实证实验。在13年度预算案概算申请中，包括特别重点申请金额在内，列入了20多亿日元。 国交省将于2012年年底公开征集企业进行实证实验。作为应征条件，需要与管理作为实证场所的污水处

6、理厂的地方政府进行合作。将把实证实验的结果归纳总结成指导方针予以公布，力争在日本全国的污水处理厂等应用该技术。 国交省为了促进可再生能源的普及，从2011年度起着手开发利用下水污泥的发电技术。2011年度开始实施使下水污泥发酵产生甲烷，以进行发电的生物燃气发电技术实证实验；12年度开始实施将下水污泥制成固体燃料，在火力发电站与煤炭混燃发电的固体燃料化技术实证实验,氢能,氢是宇宙中最丰富的元素之一，但是在地球上单质氢的含量微乎其微。氢能属于二次能源，只能由其他能源进行转化而得到。 其主要优点有：燃烧热值高，每千克氢燃烧后的热量，约为汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。燃烧的产物是水，是世

7、界上最干净的能源,氢能的开发,氢能属于二次能源，在人类生存的地球上，很少有集中的自然氢存在。氢元素的主要资源有水、化石燃料和生物质。从化石燃料制氢，即以煤、石油及天然气为原料制取氢气是当今制氢的主要方法。生物氢气的生产可有效利用生物能源，并可减少有机废弃物对环境的污染以及对化石燃料的使用，具有高效、节能、成本低等诸多优点而备受关注。生物制氢已成为近年来日本、美国等一些发达工业国关注的热点研究领域之一。 但正在开发和研究的各种生物制氢技术，仍停留在实验阶段。污泥作为有机废物产氢近年来备受青睐，污泥产氢，包括直接作为基质产氢以及作为接种物产氢,微生物转化制氢,生物制氢的想法最早是由Lewis于19

8、66年提出的,该方法是利用微生物将生物质降解得到氢气，此过程既可以充分利用资源,又可以起到污染整治的目的,因而受到世界各国的重视。 目前关于生物法制氢的研究主要集中在厌氧微生物发酵制氢、光合微生物制氢和厌氧-光合微生物联合制氢.光合生物法制氢是以太阳能为能源,水为原料，通过光合微生物分解水产生氢气，主要研究集中于光合细菌和藻类,然而,该方法氢生产率和对太阳能的转化效率仍然较低，并且氢产率低，产氢代谢过程的稳定性较差,这些问题始终是制约光合生物制氢技术发展的主要障碍,热化学转化法制氢,生物质热化学制氢可分为直接制氢和间接制氢两大类，主要包括快速热解液化间接制氢以及催化气化、超临界水制氢、等离子体

9、热解气化制氢和生物质裂解油水蒸汽重整制氢等。虽然目前生物质热化学转化制氢在技术上是最具有规模化前景的工艺方法，但是还有一些难以解决的问题。关键之处在于:其一，由于生物质的种类繁多,结构不同，不能简单地采用单一的进料方式。其二，生物质气化相比煤气化来说虽然气体中粉尘、S、N的量要少，但是焦油的含量却高得多。此外，生物质的体积庞大，能量密度低，在储存、运输等方面都有不便之处,纯污泥产氢研究现状,培养产氢污泥是进行厌氧发酵产氢试验研究的基础和关键。污泥是多种微生物的混合体，既有产氢微生物又有嗜氢微生物。在厌氧发酵过程中，产氢微生物所产生的氢气会迅速为嗜氢微生物所利用。但是一些产氢微生物能形成芽孢，其

10、耐受不利环境条件的能力比普通的微生物强。利用这两类微生物生存条件的差异，通过预处理（如热处理、酸处理和碱处理等）抑制污泥中的耗氢微生物，达到筛选产氢微生物的目的,制氢设备三维图 国外污泥制氢规划图,日经BP社报道】日本大和房建集团中从事建筑租赁及环境绿化业务等的大和租赁公司（Daiwa Lease），与丰田通商公司、三井化学公司及从事气化发电及氢回収设备相关业务的日本蓝色能源公司（Japan Blue Energy），日前成立了与氢相关的业务研究会，着手开展以下水道污泥为原料进行生物制氢的实证试验。力争针对燃料电池车及定置式燃料电池领域供货。 大和房建工业与丰田也作为观察员参与其中。研究会名为

11、“HIT事业研究会”，HIT表示氢（Hydrogen）、技术革新（Innovation）及城市（Town）。将集中利用各家公司所拥有的专业知识及网络，通过实证试验，共同推进与生物氢相关的技术授权、设备建设及所制造的氢的流通和销售等。 实证试验将利用蓝色能源在日本岛根县出云市的实证设备实施。通过此前的试验已确认，加热下水道污泥使之气化，能够得到以氢为主要成分的气体，下水道污泥作为生物氢原料具 研究会计划将来在日本各地的污水处理厂引进不使用普通化石燃料，而是利用目前大多进行焚烧处理的下水道污泥制造氢的技术，将针对有望实现普及的燃料电池车、燃料电池巴士、住宅及商用定置式燃料电池供应氢。能够利用住宅排放的污水重新制造氢，有助于构筑实现氢地产地消的低碳循环型城市,结语,在介绍3种应用比较广泛的生物质能发电技术基础上，深刻剖析了国内外生物质发电在技术和经济性上的研究进展，并指出了我国在发展生物质发电方面还存在的不足之处。国际市场上原油价格和供应不稳定、能源需求持续增加、常规能源的使用与气候变化等可持续发展问题始终是国际上讨论的热点话题 。因此只有大力发展包括生物质能源在内的可再生能源才是解决我国能源短缺和环境持续恶化的可行之策。 目前，发酵法产氢技术存在的主要问题是氢气产率很低，只