生物质能转化技术利用现状与环境评价

1、生物质能转化技术利用现状与环境评价Sum146No.1l化学工程师ChemicalEngineer2007年11月誊综麓一述文章编号:10021124(2007)110033一o4生物质能转化技术利用现状与环境评价张应桂,周勇(平原大学化学与环境工程学院.河南新乡453003)摘要:本文综述生物质气化,生物质固化,生物质液化和生物质发电等4种主要利用形式,并对其环境效益进行了评价,展望了生物质能规模利用和商品化的前景.关键词:生物质;环境评价中图分类号:X382文献标识码:ACurrentconditionandenvironmentalevaluationoftransformationof

2、biomasstechnologyZHANGYinggui,ZHOUYong(CollegeofChemicalandEnvironmentalEngineeringofPingyuanUniversity,Xinxiang453003,China)Abstract:Thearticlesummarizesfourformsofuseofbiomassinsolidifying,gasifying,generatingelectricityandliquefying,andalsolooksforwardtothecommercialandlargescaledusethroughtheest

3、imateofthebenefitsofthetechnologytoenvironment.Keywords:biomass;evalnation生物质广义上讲,是指有机物中除化石燃料以外的所有来源于动植物可再生的物质.生物质主要包括林业生物质,农业废弃物,水生植物,能源植物,城市垃圾,生活污泥,有机废水和人畜粪便等.随着化石燃料的日益枯竭,生物质能作为一种可再生的清洁能源日渐为世界各国所重视.开发利用生物质能不仅使人类可以摆脱对储量有限的化石燃料的依赖;而且有利于环境保护.目前,来自生收稿日期:20070919基金项目:河南省自然科学基金(0611032900)作者简介:张应桂(1945一

4、),河南固始人,平原大学教授,主要从事生物质能源研究工作.23456物质的能量约占全球消耗能量的14%.根据国际能源机构的资料报道,如果每年生物质储存的能量被全部利用,它所提供的能量约为全球能量年消耗总量的10倍l2j.生物质能是一种可再生的新能源,开发利用生物质能不仅能缓解能源危机,而且可以减轻环境污染.开发利用生物质燃料资源,意义十分重大.1生物质能转化的技术途径生物质能源转换技术包括生物转换,化学转换和直接燃烧3种.生物质能源转换的方式有生物质气化,生物质固化,生物质液化和生物质发电等4参考文献陆恩锡,潘琪,潘爱民.催化裂化装置吸收稳定系统和气体分馏装置的联合优化J.炼油技术与过程,20

5、06,36(3).SilvaAJ,VareseheMb,ForestiE,eta1.J.PreocessBinochenistry,2002,37(9):927935.KoenigA,LiuLH-J.WarRes,2001,35(8):19691978.SoonHwaYeon,KiSubLee,BongkukSea,eta1.J.Jour-2005,257:156160DianeThomas,SandrineColle,JacquesVandersehuren.JChemicalEngineeringandProcessing,2003,42:487494.王丽萍,吴光前,何士龙,等.J.20

6、04,36(4):446449.7891O1112张克强,季民,姚传忠,等.J.天津大学,2005,38(2):l74一l8O.张晓辉,刘家祺,贾彦雷,等.J.化学工业与工程,2006,23(2):142146.陈魁,管国锋,万辉.J.南京工业大学,2005,27(6):4145.孙佩石,王洁,吴献花,等.J.环境工程,2006,24(3):38-41.胡宗东.J.安徽科技,2002,(3):4647.王少青,包亚莉,张俊,等.J.内蒙古石油化工,2005,(2):7576.13陈敏恒,丛德滋,方图南,等.化工原理(第二版)M.化学工业出版社,2002.205.张应桂等:生物质能转化技术利用现

7、状与环境评价2007年第11期种主要形式J.1.1生物质气化1.1.1生物质制沼气农作物秸秆,粪便,有机废水等有机废弃物在厌氧环境通过微生物发酵产生一种以甲烷为主要成分的可燃性混合气体,即沼气.生物质沼气技术在中国的应用较早,也是得到最普遍推广的能源利用技术,适用面积广,不仅解决了农民的做饭燃料问题,而且还用于生活照明,农田灌溉等.与发达国家相比,中国沼气工程厌氧消化早在二十世纪70年代就己开始,特别是四川,安徽的部分地区,其成套技术现己日趋成熟,在厌氧发酵,工程建设等方面己居国际领先水平j.到2004年底,全国回收废水和畜禽粪便沼气总池容达到286.27万m,形成每年约1.76亿m沼气生产能

8、力,年处理有机废物污水7190万t,年发电量65万kW,供气用户为47.94万户.但是中国发展沼气存在问题主要是满足于现状,几十年一贯制,科技水平仍处于较低层次,如厌氧消化产气率低,系统运行和管理自动化水平不高,辅助设备配套性差,非标准设备加工粗糙,工程造价高,操作工艺较粗放,产气效率低,沼气无法商品化.1.1.2生物质气化将固态的生物质燃料转化为气体燃料的热化学过程"I9J.它也是热解的一种,主要是在高温下获得最佳产率的气体.产出的气体中主要含有CO,H和CH,以及少量的CO和N.产生的气体可直接作为燃料,用于发动机,锅炉,民用炉灶等场合.奥地利成功地推行建立燃烧木材剩余物的区域供

9、电计划,目前己有容量为1000120OOkW的区域供热站80190个,年供应10×10MJ能量.加拿大有12个实验室和大学开展了生物质的气化技术研究.1998年8月发布了由Freel,BarryA.申请的生物质循环流化床快速热解技术和设备.瑞典和丹麦正在实行利用生物质进行热电联产的计划,使生物质能在提供高品位电能的同时满足供热的要求.1999年,瑞典地区供热和热电联产所消耗的能源中26%是由生物质能提供的¨,流化床气化技术由于具有床内气固接触均匀,反应面积大,反应温度均匀,单位截面积气化强度大,反应温度较固定床低等优点,从1975年以来一直是科学家们关注的热点.包括循环流化

10、床,加压流化床和常规流化床.印度Anna大学新能源和可再生能源中心最近开发研究用流化床气化农业剩余物如稻壳,甘蔗渣等,建立了一个中试规模的流化床系统,所产生的气体用于柴油发电机发电¨.1995年美国Hawaii大学和Vermont大学在国家能源部的资助下开展了流化床气化发电的工作.Hawaii大学建立了处理生物质量为100t?d的工业化压力气化系统,1997年已经完成了设计,建造和试运行达到预定生产能力.1.2生物质固化生物质压块成型是将秸秆,稻壳,锯末,木屑等有机废弃物,用机械加压的方法,使无定型,低发量的生物质原料压制成具有一定形状,密度较高的固体成型燃料.从成型工艺上可分为常温

11、压缩成型,热压成型和碳化成型3类¨.何建等¨利用作物秸秆得到生物型煤最佳生产条件:生物型煤成型主机的压力为17MPa,进料转速为40r?min,成型速率为7r?min.生物型煤与原煤成本低等优点,既能节省能源,又能明显减少大气污染,具有储存,运输和使用方便等特点.这一技术在农村具有很大的推广使用价值.1.3生物质液化1.3.1生物质热裂解制燃料油裂解是在无氧或缺氧条件下,利用热能切断生物质大分子中的化学键,使之转变为低分子物质的过程.生物废弃物的热解是复杂的化学过程,包含分子键断裂,异构化和小分子聚合等反应.中等温度(5006OOC)下的快速裂解有利于生产液体产品,其收率可

12、达80%.裂解中产生的少量热值气体可用作系统内部的热源,气体中氮氧化合物的浓度很低,无污染问题.国外已发展了多种生物质裂解技术,以达到最大限度地增加液体产品收率的目的.如快速裂解,快速加氢裂解,真空裂解,低温裂解,部分燃烧裂解等¨'J.一般认为,常压快速裂解是生产液体燃料最经济的方法.快速裂解反应时间仅须几秒钟或更少,在常压下,快速加氢裂解压力可达20MPa.短的停留时间要求反应器有极高的加热速率,如在专门设计的混合器里,通过载热粒子和生物质原料的接触,可使加热速率达到10OO0C?h.最常用的裂解反应器是气流床和流化床.气流床裂解反应器由美国佐治亚技术研究院开发,流化床裂解

13、以加拿大Waterloo大学的工艺为代表.1.3.2生物质液化制醇类燃料以纤维素废弃物为原料生产乙醇,将有效地缓解因粮食供应和涨价因素对燃料乙醇生产所造成的冲击,扩大燃料乙醇的市场供应量,其产业发展的前景是光明的;燃料2007年第11期张应桂等:生物质能转化技术利用现状与环境评价乙醇要实现规模化生产,必须加大开发力度,解决如下技术关键:提高转化率,包括水解转化率和单糖发酵成乙醇的转化率;能量综合利用以降低过程能耗;通过开发副产品提高经济性,同时降低废水处理费用;开发连续高效产酶的微生物和低成本产酶的工艺;开发先进的乙醇发酵与精馏工艺和设备,选育出高转化,能发酵多种单糖,耐乙酸抑制,耐乙醇反馈抑

14、制的超级乙醇发酵菌.一般情况下,乙醇生产成本60%来源于原料.因此,选用廉价原料对降低乙醇成本很重要.制取乙醇的原料主要有两类,一类是木质纤维原料,一类是含糖丰富的植物原料.秸杆类植物生物质的微生物利用是先把多糖即纤维素,半纤维素降解为可发酵单糖葡萄糖,木糖等,再将可发酵糖转化为目的产物.A.Wojcia和A.Pekarovicova报道了超声波处理法对酶水解和发酵的影响,超声波能碎解木质素大分子,影响纤维的化学性能和物理结构.Kitchaiya等ll研究了微波处理木质纤维对酶水解的影响,在常压下240W的微波处理稻草或蔗渣浸入甘油中10min后反应温度200时,还原糖浓度提高2倍.纤维素水解

15、过程,是由于内切型B一葡聚糖酶作用于末端基释放出纤维二糖,最后分解葡萄糖分子.利用作物秸秆生产乙醇的酵母和运动发酵单胞菌的固定化方法具有工艺简单,历时短等优点.Mass.ayuki和Kumaku以肠溶衣聚合物为载体固定化纤维素酶,微晶纤维素的水解率明显高于游离酶J.RajaRao等盟研究了静磁场对SaccharomycesCerevisae发酵木质纤维原料转化乙醇的影响,在磁场中静止24h,乙醇浓度提高了3.4倍;若加入木糖异构酶,四硼酸钠及SaccharomycesCerevisae.可同时将葡萄糖和木糖发酵转化成乙醇,收率达90%.朱灵峰等对玉米秸秆转化燃料甲醇进行了研究,在5MPa压力下

16、,生物质秸秆合成气合成甲醇适宜流量为0.40.6mol?h一,最佳的反应温度为230204,1kgC矧铜基催化剂可获得最大甲醇收率为0.56kg?h一.1.3.3生物柴油产油植物直接获得植物油或加工后作为内燃机用燃料,但存在粘度大,着火点高,挥发性差,浊点和混浊度高,含磷等不利因素.可以加定量的醇(甲醇或乙醇),在催化剂的作用下生成近似柴油的脂化燃料,是较为理想的柴油机代用燃料J.生物柴油是生物质能的一种形式,其主要成份是动植物油脂转化而来的高级脂肪酸的低碳烷基酯混合物,以其物化性能与石化柴油相近,以直接代替石化柴油或与普通石化柴油以一定比例互溶代替石化柴油使用而得名.它可以植物果实,种子,植

17、物导管乳汁或动物脂肪油,废弃的食用油等为原料,经与醇类(甲醇,乙醇)酯交换反应获得.生物柴油于上世纪80年代末就被欧美国家高度重视,他们均投人大量的人力,财力,物力进行开发利用,美国通过政策法规要求联邦州和公共部门的汽车都必须有一定比例的车辆使用替代燃油,在美国生物柴油己成为增加最快的替代燃料.德国也于2001年在海德地区投资5000万马克(7马克约合0.26元人民币),兴建年产10万t的生物柴油装置.为便于推广使用,美德意等国都制定了生物柴油技术标准,如美国相继在1996年和2000年颁布标准,完善生物柴油的产业化条件,政府实行积极鼓励,在生物柴油的价格上给予一定的补贴.1.4生物质发电秸秆

18、发电在欧洲的一些国家已得到广泛应用,世界上第一座秸秆生物燃烧发电厂于1988年在丹麦投产.秸秆是清洁的可再生资源,秸秆经切碎,锤磨成1520mm后发电,每2t秸秆产生的热量相当于1t标准煤,其热值相当于煤炭的85%90%.秸秆燃烧的含硫量只有3.3%,远低于煤的平均含硫量,与同等规模每年发电1.38亿度的燃煤电厂相比,秸秆发电每年可节约煤炭10多万t,减少SO排放量400t_2.秸秆发电锅炉排出的灰渣还可作为农家肥再利用,其生态经济效益十分明显.周肇秋等报道利用稻壳发电技术,其气化发电成本约为0.26kWh,受电成本0.29元?(kWh)一,接近小型煤电发电成本.2环境效益评价2.1减少有害物

19、质排放量和温室气体增量无论是传统的煤燃料还是石油燃料,在使用过程中都不可避免地产生有害物质并向环境排放,如:煤燃烧产生的SO:,NO和煤灰;汽车尾气中的碳氢化合物,NO等.生物质能原料s含量和灰分都比煤低,而H元素含量较高,因此,比煤清洁.此外,矿物燃料在燃烧过程中排放出的CO在大气层中不断积累,工业化前期大气中CO浓度按体积比在空气中为0.028%,到1980年已增加到0.04%,到本世纪初,提高到0.056%,温室气体在大气中的浓度不断增加,导致气候变暖.而生物质既是低碳燃料,又由于其生产过程中吸收CO,因此,随着国张应桂等:生物质能转化技术利用现状与环境评价2007年第11期际社会对温室

20、气体减排联合行动的付之实施,大力开发生物质能资源,对于改善我国以化石燃料为主的能源结构,特别是为农村地区因地制宜地提供清洁方便能源,具有十分重要的意义.2.2改善区域环境质量减少环境公害采矿与工业固体废物不仅毁占耕地,也严重破坏了农村聚落的生态环境.据统计,吉林省乡镇工业固体废物排放总量1999年为615.07×10t,其中煤炭采选业产生的固体废物最多,达到296.09×10t,占全省乡镇工业固体废物总量的48.14%,1999年全省因乡镇工业污染农作物受害面积为296.06hm.而生物质能源则无此环境公害.3生物质利用的展望(1)开发低成本,高效率的技术是生物质燃料利用的

21、总趋势.各种利用方式的推广主要受到经济因素的限制,低成本,高效率的技术将备受欢迎,如:"多位一体"的沼气技术将继续推广,气化和热解技术向降低成本方向发展.(2)发电技术联用的综合利用技术前景广阔.电能的利用技术已经很成熟,而且是利用最方便,最广泛的洁净能源,因此,生物质燃料利用和发电联用的技术将具有广阔的前景.(3)液体燃料具有较广的应用空间,由于液体燃料具有宜储存密度大等优点,生物质乙醇化技术和生产燃料油技术有着广阔应用空间.我国具有丰富的生物质资源,若能充分利用,不仅能减少环境污染,变废为宝,而且还是走可持续发展能源的必由之路.随着可再生能源法的出台,它将进一步促进我国

22、生物质能开发与利用.参考文献1中国大百科全书出版社.能源百科全书M.北京:中国大百科全书出版社,1997.3133.2朱清时,阎立峰,郭庆祥.生物质洁净能源M.北京:化学工业出版社,2002.1516.3郭建维,宋晓锐,崔英德.流化床反应器中生物质的催化裂解气化研究J.燃料化学,2001,29(4):319322.4吕鹏梅,常杰,熊祖鸿,等.生物质废弃物催化气化制取富氧燃料气J.煤炭转化,2002,25(3):3236.5YokoyamaS,SuzukiA,MurakamiM,eta1.Liquidfuelproductionfromsewagesludgebycatalyticconvers

23、ionusingsiumcarbonatefuelJ.EnergyConversionandManagement,1987,66:1150一ll55.6刘英,陈谚宾,王革华.德国沼气技术考察报告J.中国沼气,2001,19(4):4l一43.7马承愚,倪爽美,秸秆热解气化法制可燃气技术J.环境保护,1997,(12):3233.8FanZhen.AbiomasspyrolysisgasifierapplicationinChinaruralJ.FuelScienceandTechnology,1993,Il(3):3743.9ZsehetzseheA,Hof1)anerH,SchmidtA.B

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