第3章生物质能系列

1、第3章生物质能系列 生物质能的利用生物质能的利用 第三章第三章 第3章生物质能系列 2 第3章生物质能系列 3 生物质能简介生物质能简介 生物质能的开发利用与应生物质能的开发利用与应 用前景用前景 生物质能的发电及应用生物质能的发电及应用 生物质能发电的经济技术生物质能发电的经济技术 性评价性评价 第3章生物质能系列 4 生物质主要包括农业废弃物（如植物的秸秆、枝叶）、生物质主要包括农业废弃物（如植物的秸秆、枝叶）、 水生植物、油科植物、动物粪便等。生物质是多种高水生植物、油科植物、动物粪便等。生物质是多种高 分子有机化合物组成的复合体，主要含有纤维素、半分子有机化合物组成的复合体，主要含有纤

2、维素、半 纤维素、木质素、淀粉、蛋白质、脂质等。纤维素、木质素、淀粉、蛋白质、脂质等。 生物质能是蕴藏在生物质中的能量，是绿色植物通过生物质能是蕴藏在生物质中的能量，是绿色植物通过 叶绿素将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内部的叶绿素将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内部的 能量。目前广泛使用的化石能源如煤、石油和天然气能量。目前广泛使用的化石能源如煤、石油和天然气 等，也是由生物质能转变而来的。等，也是由生物质能转变而来的。 生物质能源是一种理想的可再生能源，具有以下特点：生物质能源是一种理想的可再生能源，具有以下特点： 可再生性；低污染性可再生性；低污染性 ；广泛的分布性；广泛的分布性 第

3、3章生物质能系列 生物质能的利用 第3章生物质能系列 拾 柴 第3章生物质能系列 背秸秆的老大爷 第3章生物质能系列 晾晒在墙上的干牛粪 第3章生物质能系列 生物质能在能源系统中的地位生物质能在能源系统中的地位 生物质能是人类赖以生存的重要能源，它是仅生物质能是人类赖以生存的重要能源，它是仅 次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费 总量第四位的能源，在整个能源系统中占有重总量第四位的能源，在整个能源系统中占有重 要地位。生物质能是可持续能源系统的重要组要地位。生物质能是可持续能源系统的重要组 成部分，到成部分，到21世纪中叶，采用新技术生产的各世纪中叶

4、，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种生物质替代燃料将占全球总能耗的40 以上。以上。 我国是一个人口大国，伴随着经济的迅速发展，我国是一个人口大国，伴随着经济的迅速发展， 正在面临着经济增长和环境保护的双重压力，正在面临着经济增长和环境保护的双重压力， 改变能源结构、生产和消费方式，开发利用生改变能源结构、生产和消费方式，开发利用生 物质能等可再生的清洁能源资源对建立可持续物质能等可再生的清洁能源资源对建立可持续 供给的能源系统，促进国民经济发展和环境保供给的能源系统，促进国民经济发展和环境保 护具有重大意义。护具有重大意义。 9 第3章生物质能系列 10 利用生物质能的途

5、径有：（利用生物质能的途径有：（P43P43） 物理转化 化学转化 生物转化 第3章生物质能系列 11 生物质能存在形式（生物质能存在形式（P41） 1森林能源及其废弃物 2农作物及其副产物 3禽畜粪便 4生活垃圾 5. (水生植物) 6. (油料植物) 第3章生物质能系列 12 生物质能开发利用前景生物质能开发利用前景 由于我国地广人多，常规能源不可能完全由于我国地广人多，常规能源不可能完全 满足广大农村日益增长的需求，而且由于国际上满足广大农村日益增长的需求，而且由于国际上 各种有关环境问题的公约，限制各种有关环境问题的公约，限制COCO2 2等温室气体排等温室气体排 放，这就要求改变以煤

6、炭为主要能源的传统格局。放，这就要求改变以煤炭为主要能源的传统格局。 因此，立足于农村现有的生物质资源，研究新型因此，立足于农村现有的生物质资源，研究新型 转换技术，开发新型装备既是农村发展的迫切需转换技术，开发新型装备既是农村发展的迫切需 要，又是减少排放、保护环境、实施可持续发展要，又是减少排放、保护环境、实施可持续发展 战略的需要。战略的需要。 生物质能的开发和利用，也就是生物质能的生物质能的开发和利用，也就是生物质能的 转化技术，将生物质能转化为人们所需要的热能转化技术，将生物质能转化为人们所需要的热能 或进一步转化为清洁二次能源，如电能。或进一步转化为清洁二次能源，如电能。 第3章生

7、物质能系列 13 1 1生物质可以转化的能源形式生物质可以转化的能源形式 （1 1）直接燃烧获取热能）直接燃烧获取热能 （2 2）沼气）沼气 （3 3）乙醇）乙醇 （4 4）甲醇）甲醇 （5 5）生物质气化产生的可燃气体及）生物质气化产生的可燃气体及 裂解产品裂解产品 第3章生物质能系列 14 2 2生物质能的实用转化技术生物质能的实用转化技术 （1 1）生物质压缩成型和固体燃料制取技术）生物质压缩成型和固体燃料制取技术 （2 2）生物质气化技术）生物质气化技术 （3 3）生物质热裂解液化制取生物油技术）生物质热裂解液化制取生物油技术 （4 4）干湿法厌氧消化制取沼气技术）干湿法厌氧消化制取沼

8、气技术 第3章生物质能系列 15 生物质燃气炉生物质燃气炉 生物质水暖锅炉生物质水暖锅炉 第3章生物质能系列 16 生物质洁燃锅炉生物质洁燃锅炉 生物质洁燃气化锅炉生物质洁燃气化锅炉 第3章生物质能系列 1、直接燃烧、直接燃烧 点燃点燃 （C6H10O5)n +6n O26n CO2 +5n H2O 生物质能的利用方式生物质能的利用方式 第3章生物质能系列 1、直接燃烧 注释:用纤维素（C6H10O5）n代表植物枝叶的 主要成分 （C6H10O5)n +6n CO2 6n CO2 +5n H2O 点燃 缺点: 生物质燃烧 过程的生物质能 的净转化效率在 2040之间。 第3章生物质能系列 2、

9、生物化学转换、生物化学转换 （1）制沼气：制沼气：利用植物的秸杆、枝叶、利用植物的秸杆、枝叶、 杂草和动物粪便等生物质在厌氧条件下，杂草和动物粪便等生物质在厌氧条件下， 经过细菌发酵制取沼气。（经过细菌发酵制取沼气。（P61） 条件：厌氧条件：厌氧 主要成分：甲烷主要成分：甲烷 主要优点：主要优点： 气体燃料、气体燃料、环保环保 副产肥料副产肥料 第3章生物质能系列 利用植物的秸杆、枝叶、杂草等制取沼气 第3章生物质能系列 第3章生物质能系列 （2）制乙醇：制乙醇：用含糖类、淀粉(C6H10O5)n较 多的农作物（如玉米、高粱）为原料，通过，通过 水解、发酵制乙醇。（水解、发酵制乙醇。（P54

10、） 酶酶 （C6H10O5)n + nH2OnC6H12O6 C6H12O62C2H5OH+2CO2 酶酶 生物化学转换生物化学转换 第3章生物质能系列 第3章生物质能系列 乙醇汽油（乙醇汽油（P57） 90%汽油汽油+10%乙醇乙醇 一、可增加汽油中的含氧一、可增加汽油中的含氧 量，使燃烧更充分，降低量，使燃烧更充分，降低 尾气中有害物质含量尾气中有害物质含量 二、提高汽油的标号，使二、提高汽油的标号，使 发动机运行更平稳；发动机运行更平稳； 三，能消除发动机内积炭，三，能消除发动机内积炭， 可延长发动机寿命可延长发动机寿命 第3章生物质能系列 3 3、热化学转换（生物质气化）、热化学转换（

11、生物质气化） 复杂的化学反应复杂的化学反应 生物质生物质 可燃性气体可燃性气体 第3章生物质能系列 第3章生物质能系列 生物质能源特点 储量大，储量大，地球上每年生物质能总量约地球上每年生物质能总量约 1400-18001400-1800亿吨亿吨( (干干 重），相当于目前每年总能耗的十倍；重），相当于目前每年总能耗的十倍； 低含量的低含量的N N，S S，可以大量减少，可以大量减少NONOx x，SOSOx x等有毒气体排放，等有毒气体排放， 被称为被称为“绿色石油绿色石油”； 兼容性最好，同时是唯一的兼容性最好，同时是唯一的可储存和运输的可再生能源。可储存和运输的可再生能源。 第3章生物质

12、能系列 CO2以及SOx、NOx减少排放 每利用一万吨秸每利用一万吨秸 秆代替燃煤，可秆代替燃煤，可 以减少以减少CO2CO2排放排放 .4.4万万t t，SO2 SO2 40t40t，烟尘，烟尘 100t100t 第3章生物质能系列 生物质燃料的燃烧 生物质能与化石能源相比，具有可再生和 低污染的优势，因此受到全世界普遍的重 视，并已成为新能源的发展方向之一 生物质因具有挥发分高、炭活性高、N和S 含量低，灰分低，生命周期内燃烧过程 CO2零排放等特点，特别适合燃烧转化利 用，是一种优质燃料 第3章生物质能系列 生物质燃烧原理（生物质燃烧原理（P44） 燃烧过程是燃料和空气间的传热、传质过程

13、。燃烧过程是燃料和空气间的传热、传质过程。 直接燃烧反应时一个复杂的物理化学过程，是发直接燃烧反应时一个复杂的物理化学过程，是发 生在碳表面和氧化剂之间的气固两相反应。生在碳表面和氧化剂之间的气固两相反应。 u 燃烧机理：静态渗透式扩散燃烧燃烧机理：静态渗透式扩散燃烧 l 燃料表面可燃挥发物燃烧，形成火焰燃料表面可燃挥发物燃烧，形成火焰 l 燃料表层部分的碳处于过渡燃烧区，形成较长火燃料表层部分的碳处于过渡燃烧区，形成较长火 焰焰 l 燃料更深层渗透，焦炭的扩散燃烧，产物燃料更深层渗透，焦炭的扩散燃烧，产物CO继继 续燃烧续燃烧 l 在层内进行碳燃烧，形成在层内进行碳燃烧，形成CO，球表面，球

14、表面CO燃烧燃烧 l 可燃物基本燃尽可燃物基本燃尽 第3章生物质能系列 生物质的燃烧特性 生物质燃料的燃烧过程主要分为挥发分的析出、燃烧和残余生物质燃料的燃烧过程主要分为挥发分的析出、燃烧和残余 焦炭的燃烧、燃尽两个独立阶段焦炭的燃烧、燃尽两个独立阶段。 其燃烧过程的特点是其燃烧过程的特点是： （1）生物质水分含量较多，燃烧需要较高的干燥温度和较长的干燥时间， 产生的烟气体积较大，排烟热损失较高； （2）生物质燃料的密度小，结构比较松散，迎风面积大，容易被吹起， 悬浮燃烧的比例较大； （3）生物质发热量低，炉内温度场偏低，形成稳定的燃烧比较困难； （4）由于生物质挥发份含量高，燃料着火温度较低

15、，一般在250 350温度下挥发分就大量析出并开始剧烈燃烧，此时若空气供应量不足， 将会增大燃料的不完全燃烧损失； （5）挥发分燃尽后，受到灰烬包裹和空气渗透困难的影响，焦炭颗粒燃 烧速度缓慢、燃尽困难，如不采取适当的必要措施，将会导致灰烬中残 留较多的余碳，增大不完全燃烧损失。 第3章生物质能系列 生物质燃烧技术生物质燃烧技术 生物质直接燃烧生物质直接燃烧 生物质直接送入燃烧室燃烧，产生的能量主要生物质直接送入燃烧室燃烧，产生的能量主要 用于发电或集中供热。用于发电或集中供热。 生物质与煤的混合燃烧生物质与煤的混合燃烧 燃烧过程：水分蒸发、前期生物质及挥发分的燃烧过程：水分蒸发、前期生物质及

16、挥发分的 燃烧、后期煤的燃烧燃烧、后期煤的燃烧. . 优点：废物利用，同时减少了优点：废物利用，同时减少了NOxNOx的排放。的排放。 原因：生物质的含原因：生物质的含N N量比煤少，并且生物质中的量比煤少，并且生物质中的 水分使燃烧过程冷却，减少了水分使燃烧过程冷却，减少了NOxNOx的热形成。的热形成。 生物质的气化燃烧生物质的气化燃烧 高温条件下，利用部分氧化法，使可燃物转化高温条件下，利用部分氧化法，使可燃物转化 成可燃气体并燃烧的过程。成可燃气体并燃烧的过程。 第3章生物质能系列 生物质燃烧应用 生物质燃烧直接发电生物质燃烧直接发电 生物质与过量空气在锅炉中燃烧，产生的生物质与过量空

17、气在锅炉中燃烧，产生的 热烟气和锅炉的热交换部件换热，产生的热烟气和锅炉的热交换部件换热，产生的 高温高压蒸汽在蒸汽轮机中膨胀做功发出高温高压蒸汽在蒸汽轮机中膨胀做功发出 电能。电能。 应用：高效燃烧、热电联产、过程控制、应用：高效燃烧、热电联产、过程控制、 烟气净化、减少排放量与提高效率等技术烟气净化、减少排放量与提高效率等技术 领域。领域。 第3章生物质能系列 生物质气化（生物质气化（P48） u生物质气化及其特点生物质气化及其特点（P48） 以生物质为原料，以氧气、水蒸气或氢气等作为气以生物质为原料，以氧气、水蒸气或氢气等作为气 化剂，在高温条件下通过热化学反应将生物质中可以化剂，在高温

18、条件下通过热化学反应将生物质中可以 燃烧的部分转化为可燃气的过程。燃烧的部分转化为可燃气的过程。 u主要有效成分：主要有效成分：CO、H2、CH4、CO2 l 生物质气化原理：生物质气化原理： 包括生物质碳与氧的氧化反应；碳与包括生物质碳与氧的氧化反应；碳与CO2、 、H2O的还 的还 原反应；生物质的热分解反应原反应；生物质的热分解反应 气化炉四个区域：气化炉四个区域： 干燥层：原料中的水分蒸发干燥层：原料中的水分蒸发 热解层：挥发分大量析出热解层：挥发分大量析出 氧化层：热解残余木炭及挥发分与空气反应氧化层：热解残余木炭及挥发分与空气反应 还原层：以上燃烧产物及水蒸气与木炭发生还原反还原层

19、：以上燃烧产物及水蒸气与木炭发生还原反 应生成应生成H2和和CO。 第3章生物质能系列 生物质气化工艺（P49） 原料在限量供应的空气或氧气及高温条件下被转原料在限量供应的空气或氧气及高温条件下被转 化为燃料气。化为燃料气。 l三个阶段：三个阶段： 1）物料干燥失水）物料干燥失水 2）热解形成小分子气态产物、焦油及焦炭）热解形成小分子气态产物、焦油及焦炭 3）热解产物在高温下进一步生成气态烟类产物、）热解产物在高温下进一步生成气态烟类产物、 氢气等可燃物质，固态碳则生成氢气等可燃物质，固态碳则生成CO。 l生物质气化生物质气化分类：分类： 1）空气气化；）空气气化；2）氧气气化；）氧气气化；3

20、）蒸汽气化；）蒸汽气化； 4）干馏气化；）干馏气化；5）蒸汽）蒸汽-空气气化；空气气化；6）氢气气化）氢气气化 第3章生物质能系列 生物质气化发电技术 u概念：生物质转化为可燃气，在利用可燃概念：生物质转化为可燃气，在利用可燃 气推动燃气发电设备进行发电气推动燃气发电设备进行发电 u过程：过程： 生物质气化生物质气化-气体净化气体净化-燃气发电燃气发电 u特点：技术灵活；洁净；经济特点：技术灵活；洁净；经济 第3章生物质能系列 生物质热解技术（生物质热解技术（P50） l 生物质热解及其特点生物质热解及其特点 生物质在无空气等无氧情况下发生不完全热降解生成炭、生物质在无空气等无氧情况下发生不完

21、全热降解生成炭、 可冷凝液体和气体产物的过程。可冷凝液体和气体产物的过程。 产物：炭、液体和气体产物：炭、液体和气体 l 生物质热解原理生物质热解原理 物理变化物理变化-热量传递热量传递 化学变化化学变化-复杂的化学反应复杂的化学反应 l 生物质热解工艺生物质热解工艺 工艺流程：干燥工艺流程：干燥粉碎粉碎热解热解产物炭和灰的分离产物炭和灰的分离气态气态 生物油的冷却生物油的冷却生物油的收集等。生物油的收集等。 （1）原料干燥和粉碎；（）原料干燥和粉碎；（2）热裂解；（）热裂解；（3）焦炭和灰的分）焦炭和灰的分 离；（离；（4）液态生物油的收集。）液态生物油的收集。 l 生物质热解产物：生物质热

22、解产物： 生物油（用作燃料油）；不可凝气体；灰等。生物油（用作燃料油）；不可凝气体；灰等。 第3章生物质能系列 生物质直接液化（生物质直接液化（P52） l 生物质液化液化是指通过化学方法将生物质转化为液态产品的 过程。 l 直接液化直接液化是一个高温高压条件下的热化学过程，是将生物 质与一定量溶剂混合放在高压釜（fu）中，抽真空或通入 保护气体，在适当的温度和压力下将生物质转化为高热值 的液体燃料。 l 生物质液化的实质液化的实质是将固态的大分子有机聚合物转化为液 态的小分子有机物质。 l 过程三阶段三阶段：首先，破坏生物质的宏观结构，分解为大分 子化合物；然后，大分子链状有机物解聚，反应介

23、质溶解 之；最后，在高温高压作用下经水解或溶剂溶解获得液态 小分子有机物。 l 生物质直接液化工艺流程（见53页图） l 液化产物及应用（53页） 第3章生物质能系列 生物燃料乙醇（生物燃料乙醇（P54） 生物燃料乙醇及其特点 概念：以高糖分生物质为原料经发酵、蒸馏制成 乙醇，进一步脱水使乙醇含量达99.6%以上，再 加上适量变性剂而制成。经适当加工，燃料乙醇 可以制成乙醇汽油、乙醇柴油、乙醇润滑油等。 燃料乙醇燃烧充分，节能环保，抗爆性能好。 燃烧过程CO2及含硫气体排放低于汽油燃料。 加入10%燃料乙醇的乙醇汽油燃烧：CO排量下 降30.8%，碳氢化合物排量下降13.4%，CO2排 量下降

24、3.9%。 第3章生物质能系列 l生物燃料乙醇的应用（见57页） 生物燃料乙醇的制备工艺包括： 淀粉质原料制备生物燃料乙醇； 纤维素原料制备生物燃料乙醇。 工艺实质：乙醇发酵。（54-56） 第3章生物质能系列 非粮食类生物质酶水解乙醇经济预测 第3章生物质能系列 生物柴油 生物柴油-又叫生物甲酯、酯化油脂，即脂 肪酸甲酯的混合物，它与柴油分子碳数相近。 制备原料：食用油及餐饮废油、动物脂肪、 油籽、树种等-含有丰富的脂肪酸甘油酯。 制备原理： 脂肪酸甘油酯与低碳醇之间的转酯化反应， 即催化剂存在下的酯交换。 第3章生物质能系列 一、化学法酯交换制备生物柴油 l 化学法酯交换制备生物柴油 包括

25、均相化学催化法和非均 相化学催化法 均相催化法均相催化法包括碱催化 和酸催化：催化剂为 NaOH、KOH、H2SO4、 HCl等 非均相催化法：非均相催化法： 采用固体催化剂，如 ZnO、ZnCO3、K2CO3、 硫酸锡、氧化锆、 钨酸锆等。反应快、 寿命长、不受皂化 反应影响、易分离。 第3章生物质能系列 生物酶催化法生产生物柴油 原理：油脂+低碳醇-脂肪酶-转酯化反 应-相应的脂肪酸甲酯及乙酯 脂肪酶：酵母脂肪酶、根霉脂肪酶、毛霉 脂肪酶等 为高效利用脂肪酶，减低成本，工艺上常 采用脂肪酶固定化技术。 第3章生物质能系列 超临界法制备生物柴油 原理：植物油和超临界甲醇之间的酯交换反应， 不

26、用催化剂。 超临界状态下，甲醇和油脂成为均相，反应速率 常数大，反应时间短。不使用催化剂，分离工艺 简单，不排放废酸、碱液。 油脂在200C以上会迅速发生水解，生产游离脂 肪酸、单甘油酯、二甘油酯等。而游离脂肪酸在 水和甲醇共同形成微酸性体系中具有较高活性， 故能和甲醇发生酯化反应，且不影响酯交换反应 继续进行 生物柴油的应用：见60页 第3章生物质能系列 生物质燃料油发电技术生物质燃料油发电技术 46 生物柴油是一种清洁的可再生能源，是生物柴油是一种清洁的可再生能源，是 以大豆、油菜籽等油料作物以及油棕、黄连以大豆、油菜籽等油料作物以及油棕、黄连 木等油料林木果实为原料制成的液体燃料，木等油

27、料林木果实为原料制成的液体燃料， 具有原料来源广泛、可再生性强、污染性低具有原料来源广泛、可再生性强、污染性低 等特点，是优质的石油、柴油代用品。等特点，是优质的石油、柴油代用品。 第3章生物质能系列 47 1生物柴油特性生物柴油特性 （1）比普通柴油更优异的产品性能）比普通柴油更优异的产品性能 1）较好的低温流动性和燃烧性能）较好的低温流动性和燃烧性能 2）具有无腐蚀性的特点）具有无腐蚀性的特点 3）较好的润滑性）较好的润滑性 （2）比普通柴油更多元的环保特质）比普通柴油更多元的环保特质 1）排放烟度低、保护大气环境）排放烟度低、保护大气环境 2）不含对人体有害的重金属）不含对人体有害的重金

28、属 3）可再生的原料）可再生的原料 第3章生物质能系列 2国际及国内生物柴油技术状况国际及国内生物柴油技术状况 48 生物柴油产业在发达国家发展迅速，美国、生物柴油产业在发达国家发展迅速，美国、 德国、日本、巴西，包括印度都推动这项产业的德国、日本、巴西，包括印度都推动这项产业的 发展，累计总产量已超过发展，累计总产量已超过1000万吨，生物燃料已万吨，生物燃料已 实现规模化生产和应用。实现规模化生产和应用。2005年，全世界生物燃年，全世界生物燃 料乙醇的总产量约为料乙醇的总产量约为3107t，其中巴西和美国的，其中巴西和美国的 产量均约为产量均约为1.2107t；生物柴油总产量约；生物柴油

29、总产量约 2.2106t，其中德国约为，其中德国约为1.5106t。我国提出发。我国提出发 展各种石油替代品，将发展生物液体燃料确定为展各种石油替代品，将发展生物液体燃料确定为 国家产业发展方向。国家产业发展方向。 第3章生物质能系列 3 . 生物质燃料油发电的技术经济性生物质燃料油发电的技术经济性 49 生物质燃料油比重油廉价，与天然气相当。生物质生物质燃料油比重油廉价，与天然气相当。生物质 燃料油一般采用快速裂解工艺生产，其生产成本比天燃料油一般采用快速裂解工艺生产，其生产成本比天 然气的低。然气的低。 生物质燃料油在天然气发电站通过二级燃烧可获得生物质燃料油在天然气发电站通过二级燃烧可获

30、得 70能量，而在火力发电站中，生物质燃料油与木炭能量，而在火力发电站中，生物质燃料油与木炭 混合燃烧可获得混合燃烧可获得85能量，因而生物质燃料油可以十能量，因而生物质燃料油可以十 分方便地作为发电站的主要燃料之一，而且其二氧化分方便地作为发电站的主要燃料之一，而且其二氧化 碳的排放完全达到环保标准。碳的排放完全达到环保标准。 第3章生物质能系列 3生物燃料油发电方式生物燃料油发电方式 生物质燃料油发电方式生物质燃料油发电方式 50 第3章生物质能系列 生物质发电生物质发电- -规模与发电机选择规模与发电机选择 生物质生物质 Direct Combustion 内燃机内燃机 电能电能 生物质

31、生物质 IGCC 燃气轮机 电能电能 生物质生物质电能电能 IGCC =10-15 =-5 =- 规模200KW 200KW200KW规模规模1MW1MW 1MW规模 第3章生物质能系列 国内学者对生物质发电的经济评估 电价超过0.5￥/ K W h，值得投资。 第3章生物质能系列 生物质发电主要技术障碍之一 -燃气除焦技术 电机要求焦油含量：0.02-0.05g/m3；H215% 汽化后焦油含量：2-50g/m3； 除焦技术： 1 燃气高温过滤； 2 水洗除焦； 3 静电除焦； 4 热裂解法,温度过高，产生NOx; 5 催化裂解法，最理想，技术不成熟。 第3章生物质能系列 沼气技术 沼气的成

32、分和性质 第3章生物质能系列 沼气发酵微生物学原理 沼气发酵微生物：不产甲烷微生物群落和为产甲 烷微生物群落。 不产甲烷微生物群落：兼性厌氧菌，具有水解和 发酵大分子有机物而产生酸的功能，为产甲烷微 生物提高营养物质和能量。 产甲烷微生物群落：甲烷细菌。在厌氧条件下， 甲烷细菌可利用不产甲烷微生物的中间产物和最 终代谢物作为营养物质和能量而生长繁殖，并最 终产生甲烷和二氧化碳等。 沼气发酵二阶段：产酸阶段和产气阶段（62页） 第3章生物质能系列 机械工业出版社 56 1沼气的产生原理 沼气是由多种厌氧微生物混合作用产生发酵而产生的。 在这些厌氧微生物中，按微生物的作用不同，可分为 纤维素分解菌

33、、脂肪分解菌和果胶分解菌等。在发酵 过程中，这些微生物相互协调、分工合作，完成沼气 发酵过程。 沼气发酵产生的物质主要有三种：一是沼气，以甲烷 和CO2为主，其中甲烷含量在5570，是一种清洁 能源；二是消化液（沼液），含可溶性N、P、K，是优 质肥料；三是消化污泥（沼渣），主要成分是菌体、 难分解的有机残渣和无机物，是一种优良有机肥，具 有土壤改良功效，沼气的生成物有很高的应用价值。 第3章生物质能系列 图图3-1为我国农村推广使用的水压式沼气池的结构。正常为我国农村推广使用的水压式沼气池的结构。正常 情况下，这种家用沼气池在中国南方可年产沼气情况下，这种家用沼气池在中国南方可年产沼气250

34、 300m3，提供一个农户，提供一个农户810个月的生活燃料。个月的生活燃料。 图图3-1 水压式沼气池结构水压式沼气池结构 1进料口进料口 20压水位压水位 3输出阀门输出阀门 4盖板盖板 5溢流口溢流口 6贮留室贮留室 7水压箱水压箱 8渗井渗井 9发酵室发酵室 10贮气室贮气室 第3章生物质能系列 沼气发酵有四个特点：沼气发酵有四个特点： 58 沼气微生物自身耗能少沼气微生物自身耗能少 沼气发酵能够处理高浓度的有机废物沼气发酵能够处理高浓度的有机废物 沼气发酵能处理的废物种类多沼气发酵能处理的废物种类多 沼气发酵受温度影响较大沼气发酵受温度影响较大 第3章生物质能系列 59 生物质能的发

35、电及应用生物质能的发电及应用 由于电能具有清洁、易传输、易使用 等优良特性，只要提供电能，几乎所 有的设备都可以满足各自的需要。因 而生物质能除了直接转化成热能供消 费外，最终消费形式还是以转化成电 能为主。生物质能的发电主要有沼气 发电、垃圾焚烧发电以及生物质燃料 发电等形式。 第3章生物质能系列 沼气发电、电能变换与控制策略沼气发电、电能变换与控制策略 第3章生物质能系列 61 沼气发电机原理：沼气发电机原理： 第3章生物质能系列 沼气发电的实现沼气发电的实现 62 沼气发电主要有沼气燃烧发电与沼气燃料电池发电沼气发电主要有沼气燃烧发电与沼气燃料电池发电 (1)(1)沼气燃烧发电沼气燃烧发

36、电 沼气以燃烧方式进行发电，是利用沼气燃烧产生的沼气以燃烧方式进行发电，是利用沼气燃烧产生的 热能直接或间接地转化为机械能并带动发电机而发电。热能直接或间接地转化为机械能并带动发电机而发电。 沼气可以被多种动力设备使用，如内燃机、燃气轮机、沼气可以被多种动力设备使用，如内燃机、燃气轮机、 锅炉等。图锅炉等。图3-2 3-2 是采用沼气发动机（内燃机）、燃气是采用沼气发动机（内燃机）、燃气 轮机和锅炉（蒸汽轮机）发电的结构示意图，燃料燃轮机和锅炉（蒸汽轮机）发电的结构示意图，燃料燃 烧释放的热量通过动力发电机组和热交换器转换再利烧释放的热量通过动力发电机组和热交换器转换再利 用，相对于不进行余热

37、利用的机组，其综合热效率要用，相对于不进行余热利用的机组，其综合热效率要 高。从图中可见，采用发动机方式的结构最简单，而高。从图中可见，采用发动机方式的结构最简单，而 且还具有成本低、操作简便等优点。且还具有成本低、操作简便等优点。 第3章生物质能系列 图图32 沼气燃烧发电类型沼气燃烧发电类型 第3章生物质能系列 64 图图32 沼气燃烧发电类型沼气燃烧发电类型(续续) 第3章生物质能系列 图图3 33 3 是采用不同种类动力发电装置的效率比较。是采用不同种类动力发电装置的效率比较。 从中可见，在从中可见，在40004000 kW kW 以下的功率范围内，采用内燃机具以下的功率范围内，采用内

38、燃机具 有较高的利用效率。相对燃煤、燃油发电来说，沼气发电有较高的利用效率。相对燃煤、燃油发电来说，沼气发电 的特点是功率小，对于这种类型的发电动力设备，国际上的特点是功率小，对于这种类型的发电动力设备，国际上 普遍采用内燃机发电机组进行发电，否则在经济性上不可普遍采用内燃机发电机组进行发电，否则在经济性上不可 行。行。 图图33 不同动力设备的能量利用率不同动力设备的能量利用率 第3章生物质能系列 沼气与几种典型燃气低位热值与燃空混合气低位热值沼气与几种典型燃气低位热值与燃空混合气低位热值 的比较情况如表的比较情况如表31 所示。沼气的主要成份是甲烷，从表所示。沼气的主要成份是甲烷，从表31

39、 中可以知道，它的低位热值仅次于天然气，而在燃烧时，其燃中可以知道，它的低位热值仅次于天然气，而在燃烧时，其燃 空混合气的低位热值也是比较高的，因而沼气是一种优质的燃空混合气的低位热值也是比较高的，因而沼气是一种优质的燃 气。气。 表表5 51 1 几种典型燃气及燃几种典型燃气及燃空混合气的低位热值比较空混合气的低位热值比较 气体种类气体种类气体低位热值气体低位热值 （kJ/ m3） 理论空气量理论空气量/ 燃气燃气 （m3） ） 理论燃烧理论燃烧 度（度（0C） 燃空混合气燃空混合气 低位热值（低位热值（kJ/m3） 天然气天然气365869.6419703438 焦炉煤气焦炉煤气17615

40、4.2119983381 混合煤气混合煤气138583.1819863315 沼气沼气212235.5619403191 秸秆煤气秸秆煤气53160.918102798 第3章生物质能系列 67 典型的沼气内燃机发电系统的工艺流程如图典型的沼气内燃机发电系统的工艺流程如图3 3 4 4所示。沼气发电系统主要由消化池、贮气所示。沼气发电系统主要由消化池、贮气 罐、供气泵、沼气发动机、交流发电机、沼气罐、供气泵、沼气发动机、交流发电机、沼气 锅炉、废热回收装置（冷却器、预热器、热交锅炉、废热回收装置（冷却器、预热器、热交 换器、汽水分离器、废热锅炉等）、脱硫化氢换器、汽水分离器、废热锅炉等）、脱硫

41、化氢 及二氧化碳塔、稳压箱、配电系统、并网输电及二氧化碳塔、稳压箱、配电系统、并网输电 控制系统等部分组成。控制系统等部分组成。 沼气发电、电能变换与控制策略沼气发电、电能变换与控制策略 第3章生物质能系列 68 图图34 沼气内燃机发电系统的工艺流程图沼气内燃机发电系统的工艺流程图 第3章生物质能系列 沼气发电、电能变换与控制策略沼气发电、电能变换与控制策略 第3章生物质能系列 70 图图35是广东省佛山市利用城市垃圾综合处理产生沼气，是广东省佛山市利用城市垃圾综合处理产生沼气， 用于发电的工艺流程图用于发电的工艺流程图。 1污泥进料口污泥进料口 2发酵池发酵池 3循环管道循环管道 4循环泵

42、循环泵 5溢流管溢流管 6沼气储气罐沼气储气罐 7沼气发动机沼气发动机 8三相交流发电机三相交流发电机 9消化污泥阀消化污泥阀10沉淀池沉淀池 11溢流管溢流管 12排渣阀排渣阀 13贮留池贮留池 14排污管排污管 图图3-5 沼气发电工艺流程图沼气发电工艺流程图 第3章生物质能系列 71 图图36是利用沼气是利用沼气 与天然气双气源的锅炉，与天然气双气源的锅炉， 在沼气可以满足锅炉燃烧在沼气可以满足锅炉燃烧 要求时，采用由沼气供气要求时，采用由沼气供气 的方式；当沼气不能满足的方式；当沼气不能满足 锅炉燃烧要求时，切换至锅炉燃烧要求时，切换至 天然气供气方式。这种方天然气供气方式。这种方 式

43、是共用了一个燃烧器，式是共用了一个燃烧器， 即采用一拖二的方式使两即采用一拖二的方式使两 种气源合用一个燃烧控制种气源合用一个燃烧控制 器。器。 图图36 沼气与天然气双气源锅炉沼气与天然气双气源锅炉 第3章生物质能系列 锅炉燃烧产生高温高压饱和蒸汽，进入蒸汽轮机，并带动发电机锅炉燃烧产生高温高压饱和蒸汽，进入蒸汽轮机，并带动发电机 高速旋转实现发电。其实现发电原理的控制框图如图高速旋转实现发电。其实现发电原理的控制框图如图37所示。所示。 沼气发生装沼气发生装 置置 沼气储存装沼气储存装 置置 气气 源源 自自 动动 选选 择择 天然气供气系天然气供气系 统统 温度控制温度控制 发酵反应控发

44、酵反应控 制制 燃燃 烧烧 控控 制制 器器 锅锅 炉炉 系系 统统 蒸蒸 汽汽 轮轮 机机 发发 电电 机机 中 央 控 制中 央 控 制 器器 控制电源系控制电源系 统统 供用户供用户 或并网或并网 图图3 37 7 沼气和天然气双气源锅炉发电系统的控制框图沼气和天然气双气源锅炉发电系统的控制框图 第3章生物质能系列 （2 2）沼气燃料电池发电）沼气燃料电池发电 燃料电池是一种将储存在燃料中的化学能直接转燃料电池是一种将储存在燃料中的化学能直接转 化为电能的装置，当源源不断地从外部向燃料电池供化为电能的装置，当源源不断地从外部向燃料电池供 给燃料和氧化剂时，它就可以连续发电。给燃料和氧化剂

45、时，它就可以连续发电。 依据电解质的不同，燃料电池分为碱性燃料电池、依据电解质的不同，燃料电池分为碱性燃料电池、 磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物 燃料电池及质子交换膜燃料电池等。燃料电池及质子交换膜燃料电池等。 沼气燃料电池是将沼气化学能转换为电能的一种沼气燃料电池是将沼气化学能转换为电能的一种 装置，它所用的装置，它所用的“燃料燃料”并不燃烧，而是直接产生电并不燃烧，而是直接产生电 能。能。 第3章生物质能系列 沼气燃料电池系统的组成 燃料处理单元燃料处理单元 发电单元发电单元 电流转换单元电流转换单元 74 第3章生物质能系列

46、75 1）燃料处理单元。该单元主要部件是改质器，它以镍为催化）燃料处理单元。该单元主要部件是改质器，它以镍为催化 剂，将甲烷转化为氢气，反应过程如式剂，将甲烷转化为氢气，反应过程如式31 (参与反应的水蒸汽参与反应的水蒸汽 来自发电单元来自发电单元) 4222 23( )7 Ni CHH O gHCOCO 为了降低为了降低CO的浓度，在铜和锌的催化作用下，混合气体在改的浓度，在铜和锌的催化作用下，混合气体在改 质器后的变成器中得到进一步的改良，反应式如式质器后的变成器中得到进一步的改良，反应式如式 , 22222 7( )82 Cu Zn HCOCOH O gHCO (3-1) (3-2) 第

47、3章生物质能系列 2）发电单元。发电单元基本部件由两个电极和电解质组成，氢）发电单元。发电单元基本部件由两个电极和电解质组成，氢 气和氧化剂气和氧化剂(O2)在两个电极上进行电化学反应，电解质则构成在两个电极上进行电化学反应，电解质则构成 电池的内回路，其工作原理简图如图电池的内回路，其工作原理简图如图38所示。电解质可采用所示。电解质可采用 磷酸，其发电效率虽然较低，但温度低磷酸，其发电效率虽然较低，但温度低(约约200)。在磷酸电解。在磷酸电解 质中，电池反应为质中，电池反应为 + 2(g) 2+2eHH + 22 1 (g)+2+2e2 2 OHH O 阳极阳极 阴极阴极 (3-3) (

48、3-4) 图图38 沼气燃料电池（磷酸型燃料电池）工作原理沼气燃料电池（磷酸型燃料电池）工作原理 电流转换系统主电流转换系统主 要任务是把直流要任务是把直流 电转换为交流电，电转换为交流电， 供交流负载使用供交流负载使用 还可以实现并网还可以实现并网 供电。供电。 第3章生物质能系列 沼气燃料电池所用的沼气，其纯度要求较沼气燃料电池所用的沼气，其纯度要求较 高，因而需要对沼气进行提纯。高，因而需要对沼气进行提纯。 双塔式吸收法是沼气提纯的一种简单而有双塔式吸收法是沼气提纯的一种简单而有 效的方法，装置简图如图效的方法，装置简图如图39所示。这种装置所示。这种装置 具有组成简单、成本低、操作简便

49、的特点。第具有组成简单、成本低、操作简便的特点。第 一吸收塔用处理水吸收大部分一吸收塔用处理水吸收大部分CO2和和H2S，第，第 二吸收塔用二吸收塔用NaOH水溶液溶解吸收，这样可节水溶液溶解吸收，这样可节 省省NaOH的用量。用此装置提纯沼气，的用量。用此装置提纯沼气，CH4的的 回收率高，系统运行稳定可靠回收率高，系统运行稳定可靠。 第3章生物质能系列 沼气发电的控制策略沼气发电的控制策略 78 围绕着提高沼气燃烧发电或沼气燃料电池的转化效率，沼气围绕着提高沼气燃烧发电或沼气燃料电池的转化效率，沼气 发电的控制主要从以下两个方面进行考虑：发电的控制主要从以下两个方面进行考虑： （1 1）净

50、化及提纯沼气）净化及提纯沼气 沼气发动机要解决的核心问题是沼气的净化处理和混沼气发动机要解决的核心问题是沼气的净化处理和混 合。合。 1 1）沼气的净化处理。）沼气的净化处理。 2 2）沼气发电机组的防腐处理。）沼气发电机组的防腐处理。 3 3）电控混合器技术。）电控混合器技术。 第3章生物质能系列 79 图图39双塔式吸收法提纯沼气双塔式吸收法提纯沼气 第3章生物质能系列 图图310 沼气热、电、冷三联供系统沼气热、电、冷三联供系统 利用沼气热、电、冷三联供，提高沼气发电系统的利用沼气热、电、冷三联供，提高沼气发电系统的 总体利用率，系统如图总体利用率，系统如图310所示。所示。 第3章生物

51、质能系列 81 项 目 名 称指 标 发力输出功率200 kW 输出电压(频率)400V(50Hz) ， 480V(60Hz) 发电效率40% 余热利用效率/温度41% / 60 热水 燃料/ 消耗量天然气 / 43 m3/ h 有害排放物 NOX：低于5ppm SOX：可忽略不计 噪音约60 分贝(距设备10 米处) 排水净水(接近于零污染) 应用时供应水自来水或纯净水(接近于零) 应用时供应氮气N2 4 个圆柱型容器存有 7 m3 的氮气用于 一次启动与停机循环(保护) 操作自动，可远程控制 表表32 PC25TMC 主要性能及技术指标主要性能及技术指标 广州市番禺水广州市番禺水 门种猪场

52、正在门种猪场正在 建设的由日本建设的由日本 政府提供的政府提供的 200 kW 的沼气燃料的沼气燃料 电池装置。该电池装置。该 200 kW 燃料电燃料电 池设备由东芝池设备由东芝 公司下属的公司下属的 ONSI 公司提供，公司提供， 型号为型号为 PC25TMC，主，主 要技术指标要技术指标,见见 表表32。 第3章生物质能系列 (2)(2)沼气燃料电池的发电控制沼气燃料电池的发电控制 82 一套完整的沼气燃料电池发电系统除了具一套完整的沼气燃料电池发电系统除了具 备沼气燃料电池组、沼气供气系统、沼气净备沼气燃料电池组、沼气供气系统、沼气净 化及提纯系统、直流稳压器、逆变器以及冷化及提纯系统

53、、直流稳压器、逆变器以及冷 却系统之外，最重要的是燃料电池控制器，却系统之外，最重要的是燃料电池控制器， 这样才能对系统中的气、水、电、热等进行这样才能对系统中的气、水、电、热等进行 综合管理，形成能够自动运行的发电系统。综合管理，形成能够自动运行的发电系统。 其交流发电系统如图其交流发电系统如图3 31111所示。所示。 第3章生物质能系列 图图311 沼气燃料电池的交流发电系统框图沼气燃料电池的交流发电系统框图 第3章生物质能系列 垃圾焚烧发电、电能变换与控制策略垃圾焚烧发电、电能变换与控制策略 84 目前我国对垃圾的处理手段主要集中在填埋和焚烧两种方式。目前我国对垃圾的处理手段主要集中在

54、填埋和焚烧两种方式。 填埋是大量消纳城市生活垃圾的有效方法，所谓直接填填埋是大量消纳城市生活垃圾的有效方法，所谓直接填 埋法是将垃圾填入已预备好的坑中盖上压实，使其发生生埋法是将垃圾填入已预备好的坑中盖上压实，使其发生生 物、物理、化学变化，分解有机物，达到减量化和无害化物、物理、化学变化，分解有机物，达到减量化和无害化 的目的。的目的。 焚烧法是将垃圾置于高温炉中，使其中可燃成分充分氧焚烧法是将垃圾置于高温炉中，使其中可燃成分充分氧 化的一种方法，产生的热量用于发电和供暖。随着中国化的一种方法，产生的热量用于发电和供暖。随着中国“ 十二五十二五”规划对发展新能源，提倡环保型循环经济的进一规划

55、对发展新能源，提倡环保型循环经济的进一 步重视，国家对垃圾发电产业的政策扶持会继续加强。步重视，国家对垃圾发电产业的政策扶持会继续加强。 第3章生物质能系列 1 1垃圾焚烧发电的工艺流程垃圾焚烧发电的工艺流程 85 （1 1）垃圾焚烧前无分检处理）垃圾焚烧前无分检处理 图图3 31212为垃圾焚烧前无分检处为垃圾焚烧前无分检处 理的工艺流程，美国洛杉矶市理的工艺流程，美国洛杉矶市Long BeachLong Beach垃圾发电就是采用垃圾发电就是采用 这个工艺流程。这个工艺流程。 图图3 312 12 无分检场垃圾发电工艺流程无分检场垃圾发电工艺流程 第3章生物质能系列 86 （2 2）垃圾焚

56、烧前有分检处理）垃圾焚烧前有分检处理 图图3 313 13 为垃圾焚烧前有分检为垃圾焚烧前有分检 场垃圾发电工艺流程，美国夏威夷市垃圾发电就是采用这种场垃圾发电工艺流程，美国夏威夷市垃圾发电就是采用这种 流程。流程。 图图313 有分检场垃圾发电工艺流程有分检场垃圾发电工艺流程 第3章生物质能系列 2 2建设垃圾发电的必备条件建设垃圾发电的必备条件 87 （1 1）城市生活垃圾热值应较高）城市生活垃圾热值应较高 （2 2）城市经济实力应较强）城市经济实力应较强 （3 3）较完善的垃圾分类收集和转运系统）较完善的垃圾分类收集和转运系统 （4 4）较完善的环保处理系统）较完善的环保处理系统 第3章生物质能系列 3 3垃圾焚烧发电的电能变换及控制策略垃圾焚烧发电的电能变换及控制策略 88 垃圾焚烧发电的控制包括电厂的自动控制，以及发电垃圾焚烧发电的控制包括电厂的自动控制，以及发电 后的电能变换控制。根据垃圾焚烧电厂控制系统的规模以后的电能变换控制。根据垃圾焚烧电厂控制系统的规模以 及要求达到的控制水平，目前技术水平先进的垃圾焚烧发及要求达到的控制水平，目前技术水平先进的垃圾焚烧发 电站（厂）普遍采用基于以太网、具有远程通讯和监控能电站（厂）普遍采用基于