可再生能源发电技术 教学课件 第5章 生物质发电

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或者直接输入下面地址：在线教务辅导网：http://www.shangfuwang1可再生能源发电技术程明、张建忠、王念春编著可再生能源发电技术程明、张建忠、王念春编著3第5章生物质发电5.1生物质概述5.2生物质的燃烧发电技术5.3生物质的气化发电技术5.4生物质的生物转化发电技术3第5章生物质发电45.1

生物质概述绿色植物成为地球上最重要的光能转换器和能源之源。碳水化合物是光能储藏库，生物质是光能循环转化的载体，此外，煤炭、石油和天然气也是远古时代的绿色植物在地质作用影响下转化而成的。生物质：通过太阳的光合作用而形成的各种有机体的总称，包括所有动植物和微生物。生物质能（biomassenergy）：太阳能以化学能形式贮存于生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量。45.1生物质概述绿色植物成为地球上最重要的光能转换器和能5生物质能存在形式森林能源及其废弃物农作物及其副产物禽畜粪便生活垃圾水生植物油料植物5生物质能存在形式6生物质资源十分丰富：据估计，地球上蕴藏的生物质达18000亿吨，而植物每年经光合作用合成的生物质干重约有1440亿～1800亿吨。生物质能源的年产量约为现在世界能源消费总和的10倍。目前生物质已成为仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源，约占全球总能耗的14％。据预测，到2050年，生物质能用量将占全球燃料直接用量的38％，发电量占全球总电量的17％。注：traditionalrenewable主要为发展中国家的生物质能图1UNDP关于世界未来能源构成的一种情景我国生物质资源十分丰富，资源总量不低于30亿吨干物质/年，相当于10亿多吨油当量，约为我国目前石油消耗量的3倍。并且生物质能含硫量极低，仅为3%，不到煤炭含硫量的1/4。发展生物质发电，实施煤炭替代，可显著减少二氧化碳和二氧化硫排放，产生巨大的环境效益。6生物质资源十分丰富：据估计，地球上蕴藏的生物质达180007Biomass汽化炉生物废料雨矿物灰烬光合作用7Biomass汽化炉生物废料雨矿物灰烬光合作用8生物质能具有以下特点：生物质利用过程中具有二氧化碳零排放特性；由于生物质在生长期需要的CO2相当于它排放的CO2的量，因而生物质能的利用对大气的CO2净排放量近似等于零，可有效降低温室效应；生物质含硫、含氮都较低，灰分含量也较少，燃烧后SOx、NOx和灰尘排放量都较化石燃料小得多，是一种清洁的燃料；生物质资源分布广、产量大、转化方式多种多样；8生物质能具有以下特点：9生物质单位质量热值较低，而且一般生物质中水分含量大而影响了生物质的燃烧和热解特性；生物质的分布比较分散，收集运输和预处理的成本较高；可再生性。生物质通过植物的光合作用可以再生，与风能、太阳能等同属于可再生能源，其资源丰富，可保证能源的永续利用。910生物质能转化利用技术10生物质能转化利用技术11生物质能的实用转化技术生物质压缩成型和固体燃料制取技术生物质气化技术生物质热裂解液化制取生物油技术干湿法厌氧消化制取沼气技术11生物质能的实用转化技术12生物质水暖锅炉生物质燃气炉12生物质水暖锅炉生物质燃气炉13生物质洁燃锅炉生物质洁燃气化锅炉13生物质洁燃锅炉生物质洁燃气化锅炉14生物质能转化技术的应用前景：高效直接燃烧技术和设备；薪材集约化综合开发利用；生物质能的液化、气化等新技术开发利用；城市生活垃圾的开发利用；能源植物的开发。14生物质能转化技术的应用前景：15我国发展和利用生物质能源的意义拓宽农业服务领域、增加农民收入缓解我国能源短缺、保证能源安全治理有机废弃物污染、保护生态环境广泛应用生物技术、发展基因工程15我国发展和利用生物质能源的意义16生物质发电技术由于电能具有清洁、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。16生物质发电技术由于电能具有清洁、易传输、易使用等优良特性17生物质发电技术17生物质发电技术185.2

生物质的燃烧发电技术燃烧：燃料中的可燃成分与氧发生激烈的氧化反应，在反应过程中释放出大量热量，并使燃烧产物的温度升高。生物质燃烧过程的四个阶段：预热和干燥阶段挥发分析出及木炭形成阶段挥发分燃烧阶段固定碳燃烧阶段185.2生物质的燃烧发电技术燃烧：燃料中的可燃成分与氧发19生物质燃烧技术：主要分为层燃、悬浮燃烧和流化床等三种形式。层燃过程

层燃过程：炉排和灰渣层预热冷空气，在氧化层预热的空气与炽热的木炭相遇发生剧烈的氧化反应，大量消耗氧气并生成二氧化碳和一氧化碳，在氧化层末端气体的温度将达到最高；在还原层，气流中二氧化碳与碳起还原反应，即CO2+C→2CO，温度越高，速度越快；生物质投入炉中形成的新燃料层被加热干燥、干馏，将水汽、挥发分等带离燃料层进入炉膛空间，挥发分及一氧化碳着火燃烧，形成木炭。

形式：固定炉排、滚动炉排、振动炉排、往复推动炉排等19生物质燃烧技术：主要分为层燃、悬浮燃烧和流化床等三种形式20流化床技术：流化床是基于气固流态化的一项技术，即当气流流过一个固体颗粒的床层时，若其流速达到使气流流阻压降等于固体颗粒层的重力时，固体床料被流态化。其适应范围广，能够使用一般燃烧方式无法燃烧的石煤等劣质燃料、含水率较高的生物质及混合燃料等，此外，流化床燃烧技术还可以降低尾气中氮与硫的氧化物等有害气体含量，保护环境，是一种清洁燃烧技术。种类：鼓泡流化床、循环流化床

为了保证流化床内稳定的燃烧，流化床内常加入大量的惰性床料来蓄存热量，占总床料的90%～98%，惰性床料有石英砂、石灰石和高铝矾土等。20流化床技术：流化床是基于气固流态化的一项技术，即当气流流21悬浮燃烧技术：悬浮燃烧是首先将燃料磨成细粉，然后用空气流经燃烧器将燃料喷入炉膛，并在炉膛内进行燃烧。其特点是将燃料投入连续、缓慢转动的筒体内焚烧直到燃烬，故能够实现燃料与空气的良好接触和均匀充分的燃烧。西方国家多将该类焚烧炉用于有毒、有害工业垃圾的处理。

生物质燃烧热发电主要有生物质直燃发电、生物质与煤混燃发电、城市废弃物焚烧发电三种21悬浮燃烧技术：悬浮燃烧是首先将燃料磨成细粉，然后用空气流22生物质直燃发电

生物质直接燃烧发电技术类似于传统的燃煤技术，现在已经基本达到成熟阶段。在发达国家，目前生物质燃烧发电方式占可再生能源（不含水电）发电量的70%左右。自2004年以来，秸秆发电技术开始在我国推广和普及，目前，在我国江苏、山东、河北等地建有多个生物质秸秆发电厂。22生物质直燃发电 生物质直接燃烧发电技术类似于传统的燃煤技23生物质直燃发电AmerPowerPlant,Holland23生物质直燃发电AmerPowerPlant,Hol24生物质与煤混燃发电

受燃料的来源、运输和储存等问题限制，纯生物质燃烧发电技术基本用于小型生物质发电厂，生物质与煤混合燃烧发电则充分利用了现有技术和设备，在现阶段是一种低成本、低风险可再生能源利用方式，可用于大型生物质发电厂。发电方式直接混燃间接混燃技术特点生物质与煤直接混合后在锅炉中燃烧生物质气化后与煤在锅炉中一起燃烧主要优点技术简单、使用方便；不改造设备情况下投资最省通用性较好、对原燃煤系统影响很小；经济效益明显主要缺点生物质处理要求较严、对原系统有些影响增加气化设备、管理较复杂。有一定的金属腐蚀问题应用条件木材类原料、特种锅炉要求处理大量生物质的发电系统

生物质混燃发电方式的比较24生物质与煤混燃发电 受燃料的来源、运输和储存等问题限制，25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。

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，使其发生生物、物理、化学变化，分解有机物，达到减量化和无害化的目的。焚烧法是将垃圾置于高温炉中，使其中可燃成分充分氧化的一种方法，产生的热量用于发电和供暖。随着中国“十一五”规划对发展新能源，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。25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。 26城市废弃物焚烧发电利用焚烧炉对城市废弃物中可燃物质进行焚烧处理，通过高温焚烧后消除城市废弃物中大量的有害物质，达到无害化、减量化的目的，同时利用回收到的热能进行供热、供电，达到资源化利用。随着中国城市建设的发展和社会进步，城市废弃物的构成已发生了质的变化，有机物含量开始高于无机物含量。废弃物组成正由多灰、多水、低热值向较少灰、较高热值的方向发展，给中国城市废弃物的焚烧处理奠定了基础。焚烧处理是目前国际使用较为普遍的城市废弃物处理方法之一。26城市废弃物焚烧发电利用焚烧炉对城市废弃物中可燃物质进行焚27城市废弃物焚烧发电的典型工艺流程

城市废弃物低位发热值一般在3344～8360kJ/kg范围内，垃圾低位发热值大于5000kJ/kg时燃烧效果较好。问题：尾气中含严重致癌物质二恶英。环保组织反对垃圾焚烧，鼓励循环利用减少垃圾的产生。

焚烧炉：

炉排炉、转炉、流化床27城市废弃物焚烧发电的典型工艺流程 城市废弃物低位发热值一28大型城市废弃物焚烧发电厂28大型城市废弃物焚烧发电厂29垃圾焚烧集散控制系统29垃圾焚烧集散控制系统30垃圾焚烧发电的效益（1）资源化

垃圾焚烧后热量用于发电，做到废物综合利用。据有关统计资料称，截至2005年，我国城市垃圾清运量已达1×1013t/a，若按平均低位热值2900kJ/kg，相当于1.4×107t标煤。如其中有1/4用于焚烧发电，年发电量可达60亿度，相当于安装了1200MW火电机组的发电量。30垃圾焚烧发电的效益31（2）无害化

垃圾焚烧发电可实现垃圾无害化，因为垃圾在高温(1000℃左右)下焚烧，可进行无菌和分解有害物质，且尾气经净化处理达标后排放，较彻底地无害化。（3）减量化

垃圾焚烧后的残渣，只有原来容积的10%～30％，从而延长了填埋场的使用寿命，缓解了土地资源的紧张状态。因此，兴建垃圾电厂十分有利于城市的环境保护，尤其是对土地资源和水资源的保护，实现可持续发展。31（2）无害化32生物质燃烧的污染排放与控制生物质燃烧主要污染物及其对环境的影响污染物来源对大气、环境和人类健康的影响烟尘未完全燃烧的炭颗粒、飞灰及盐分等影响人类呼吸系统，致癌CO2燃烧的主要产物温室效应（生物质生长期要吸收CO2，对环境的影响可抵消）CO未完全燃烧的产物通过O2形成非直接的温室效应NOx（NO、NO2）一般为生物质含有的N；另外，一定条件下可由空气中的N形成温室效应，酸雨，破坏植被，形成烟雾，腐蚀材料；影响人类呼吸系统SOx（SO2、SO3）生物质中含有的S酸雨，破坏植被，形成烟雾，腐蚀材料；影响人类呼吸系统HCl生物质中含有Cl酸雨，破坏植被，腐蚀材料；影响人类呼吸系统重金属生物质中含有的重金属在食物链中积累，有毒素，致癌32生物质燃烧的污染排放与控制生物质燃烧主要污染物及其对环境335.3生物质的气化发电技术生物质的气化技术

生物质气化是以生物质为原料，以氧气（空气或者富氧、纯氧）、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燃的部分转化为可燃气的过程。生物质气化时产生的生物质燃气，主要有效成份为CO、H2和CH4等。生物质气化的过程：干燥热解——析出挥发物(水蒸气/CO2/CO/H2/CH4/C2H4)，生成木炭、焦油焦油二次裂解——生成木炭和小分子气体木炭、气态产物的氧化反应——木炭燃烧生成CO2，释放出大量热量木炭、气态产物的还原反应——CO2和水蒸气缺氧条件下还原生成CO、H2、CH4等可燃气，需吸热。335.3生物质的气化发电技术生物质的气化技术 生物质气化34生物质气化工艺

根据所处气体的环境，生物质气化可分为空气气化、富氧气化、水蒸气气化和热解气化名称气化剂评价空气气化空气最简单、最经济，燃气中含大量氮气（50～55％），燃气热值较低富氧气化氧气生成与城市煤气相当的中热值燃气。需制氧设备，电耗和成本增加水蒸气气化水蒸气生成中热值燃气，燃气H2含量高。需蒸汽发生器和过热设备，系统独立性差热解气化无又称干馏气化，产生固定炭、焦油和可燃气，中热值燃气34生物质气化工艺 根据所处气体的环境，生物质气化可分为空气35生物质气化反应设备

固定床气化炉

生物质原料发生气化反应是在相对静止的床层中进行，其结构紧凑，易于操作并具有较高热效率。下吸式气化炉上吸式气化炉35生物质气化反应设备 固定床气化炉下吸式气化炉上吸式气化炉36流化床气化炉鼓泡流化床气化炉循环流化床气化炉流化床气化炉在吹入的气化剂作用下，原料颗粒、惰性床料、气化剂充分接触，受热均匀，在炉内呈“沸腾”状态，气化反应速度快，产气率高。36流化床气化炉鼓泡流化床气化炉循环流化床气化炉流化床气化炉37双循环流化床气化炉两个反应炉之间的热量传递是通过气化反应炉中的循环砂粒来完成。气化反应炉的床料由燃烧反应炉加热，利用循环砂粒间接加热的高加热速率和较短的驻留时间，有效地减少了类似焦油物质的形成。37双循环流化床气化炉两个反应炉之间的热量传递是通过气化反应38固定床气化炉与流化床气化炉适用范围固定床气化对原料适应性强，原料不用预处理，设备结构简单，但发电成本高，适合于小型、间歇性运行的气化发电系统。流化床运行稳定，气化气化强度大，适于生物质气化发电系统的工业应用，但是原料需要预处理。生物质气体净化特点：高温除尘，焦油 焦油的处理较为复杂，分为湿法（水洗）、干法和催化裂解法38固定床气化炉与流化床气化炉适用范围固定床气化对原料适应性39生物质气化发电技术按燃气发电方式可分为内燃机发电系统、燃气轮机发电系统及燃气－蒸汽联合循环发电系统。生物质气化发电1-煤气发生炉；2-煤气冷却过滤装置；3-煤气发动机；4-发电机；5-配电盘；6-离心过滤器；7-灰粉收集器；8-底座；9-燃料输送带；10-生物质燃料39生物质气化发电技术按燃气发电方式可分为内燃机发电系统、燃40生物质燃气－蒸汽联合循环发电工艺流程40生物质燃气－蒸汽联合循环发电工艺流程41不同规模生物质气化发电技术的比较性能参数小规模中等规模大规模装机容量/kW<200500～3000>5000气化技术固定床循环流化床循环流化床发电技术内燃机、微型燃气轮机内燃机整体燃气联合循环系统发电效率/%11～1415～2035～45主要用途适用于生物质丰富的缺电地区适用于山区、农场、林场的照明或小型工业用电电厂、热电联产41不同规模生物质气化发电技术的比较性能参数小规模中等规模大42城市固体废弃物气化熔融技术垃圾焚烧对大气环境造成二次污染。新一代的废物处理技术——城市固体废弃物气化熔融技术是结合生物质热解气化技术和高温熔融技术，提出并发展起来的，发展潜力巨大。目前该技术应用主要集中在西欧、美国、日本等发达国家和地区。气化熔融技术是先将废弃物送入气化炉，在400～700℃的还原性气氛下废弃物中的有机物迅速热解或者气化，产生可燃气体，大部分金属在还原性气氛中不会被氧化，可以随底渣排出，经过磁选或重力分离后可进一步回收利用。分选后的底渣中含二恶英和重金属都很少，可以直接填埋。气化炉中生成的可燃气体进入燃烧熔融炉，在较低的过量空气系数下完全燃烧，使含碳灰渣在1350～1400℃条件下熔融，成为玻璃态物质，二恶英完全分解、重金属被固化到熔渣中，高温烟气经过余热锅炉和烟气净化处理系统后排出。42城市固体废弃物气化熔融技术垃圾焚烧对大气环境造成二次污染43城市固态废弃物气化熔融系统示意图分类：高炉型气化熔融系统、流化床气化熔融系统和回转窑气化熔融系统43城市固态废弃物气化熔融系统示意图分类：445.4生物质生物转化发电技术沼气发电

沼气是一种微生物在厌氧条件下分解有机物产生的可燃性气体，它的主要成分是甲烷、二氧化碳和少量的硫化氢、氨、氢、一氧化碳、氮、氧等气体。其中甲烷约占50～70％，二氧化碳约占30～40％，其他成分含量极少，约占总体积的5％。

沼气利用是一种生物质获取清洁能源的有效途径。沼气可用作燃料及化工原料，沼气装置排出的料液和沉渣，可用作肥料和饲料。445.4生物质生物转化发电技术沼气发电 沼气利用是一种生455.4生物质生物转化发电技术沼气发电

455.4生物质生物转化发电技术沼气发电46沼气发酵原理 发酵是复杂的生物化学变化，有许多微生物参与。根据三阶段理论，沼气发酵可以分为如下三个阶段：液化阶段——发酵性细菌分泌胞外酶，水解复杂有机物；发酵性细菌通过发酵作用获得有机酸和醇类物质产酸阶段——产氢产乙酸菌将有机酸和醇类分解转化为乙酸、H2和CO2，耗氢产乙酸菌利用H2＋CO2或者代谢方式产生乙酸产甲烷阶段——产甲烷菌在厌氧条件下将前3群细菌代谢终产物转化为CH4和CO2要正常地产生沼气，必须为微生物创造良好的条件，使它能生存、繁殖。46沼气发酵原理要正常地产生沼气，必须为微生物创造良好的条件47图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250～300m3，提供一个农户8～10个月的生活燃料。

图5-1水压式沼气池结构

1－进料口2—0压水位3—输出阀门4—盖板5—溢流口

6—贮留室7—水压箱8—渗井9—发酵室10—贮气室47图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48沼气池的条件：首先，沼气池要密闭。建造沼气池时要注意隔绝空气，不透气、不渗水，造成厌氧菌活动所需的缺氧环境。其次，沼气池里要维持适宜温度（20～40℃），因为通常在此温度下产气率最高。第三，沼气池要有充足的养分。微生物要生存、繁殖，必须从发酵物质中吸取养分。第四，发酵原料要含适量水，一般要求沼气池的发酵原料中含水80%左右，过多或过少都对产气不利。第五，沼气池的pH值一般控制在7～8.5。沼气发酵的特点：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；沼气发酵能处理的废物种类多；沼气发酵受温度影响较大。48沼气池的条件：49沼气发电技术沼气发电系统工艺流程图燃气内燃机：与普通柴油发动机相同， 热效率70％～75％燃气透平＋余热锅炉：热效率90％以上进料49沼气发电技术沼气发电系统工艺流程图燃气内燃机：与普通柴油50沼气燃烧发电类型50沼气燃烧发电类型51沼气燃气发电类型（续）51沼气燃气发电类型（续）52不同动力设备的能量利用率

下图是采用不同种类动力发电装置的效率比较。从中可见，在4000

kW以下的功率范围内，采用内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行。52不同动力设备的能量利用率 下图是采用不同种类动力发电装53

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1所示。沼气的主要成份是甲烷，从表1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气。表1几种典型燃气及燃――空混合气的低位热值比较气体种类气体低位热值（kJ/m3）理论空气量（空气m3/燃气m3）理论燃烧温度（0C）燃－空混合气低位热值

（kJ/m3）天然气365869.6419703438焦炉煤气176154.2119983381混合煤气138583.1819863315发生炉煤气57351.1916002618沼气212235.5619403191秸秆煤气53160.91810279853 沼气与几种典型燃气低位热值与燃－－空混合气低位热值的54

现有机制严重制约沼气发电的发展首先，我国尚未建立严格的环境污染处罚体系，禽畜粪便和工业有机废水超标排放的企业不需要为自身造成的环境污染等支付相应的成本，致使企业缺乏投资沼气工程治理污染的积极性；其次，目前沼气发电工程建设规模一般较小，属于典型的分布式发电。中国目前尚缺乏大规模分布式电站运行管理的经验，致使沼气发电的并网和售电遇到许多困难。54 现有机制严重制约沼气发电的发展55生物燃料电池（biofuelcell）

利用酶或者微生物组织为催化剂，将燃料的化学能转化为电能。 类型：分微生物燃料电池和酶燃料电池两种生物燃料电池的发展可追溯到20世纪初，1910年英国杜汉姆大学植物学教授MichaelCressePotter用酵母和大肠杆菌进行试验时，发现了微生物也可以产生电流，从而拉开了生物燃料电池研究的序幕。六十年代，为了将长途太空飞行中的有机废物转化成电能，美国航空航天管理局投入了大量的人力和物力进行研究，真正掀起了生物燃料电池研究的高潮。由于技术原因，后来一度陷入停滞状态。55生物燃料电池（biofuelcell）生物燃料电池的发56微生物燃料电池（MicrobialFuelCell，MFC）

质子交换膜分隔开阳极室和阴极室,工作原理:(1)在微生物的作用下，燃料发生氧化反应，同时释放出电子；(2)介体捕获电子并将其运送至阳极；(3)电子经外电路抵达阴极，质子通过质子交换膜由阳极室进入阴极室；(4)氧气在阴极接收电子，发生还原反应。56微生物燃料电池（MicrobialFuelCell，57酶生物燃料电池葡萄糖在葡萄糖氧化酶（GOx）和辅酶的作用下失去电子被氧化成葡萄糖酸，电子由介体运送至阳极，再经外电路到阴极。双氧水得到电子，并在微过氧化酶的作用下还原成水。57酶生物燃料电池葡萄糖在葡萄糖氧化酶（GOx）和辅酶的作用58与传统的化学电池技术相比，生物燃料电池具有操作上和功能上的优势。首先它将底物直接转化为电能，保证了具有高的能量转化效率。其次，生物燃料电池能在常温、常压甚至是低温的环境条件下都能够有效运作，电池维护成本低、安全性强。第三，生物燃料电池不需要进行废气处理，不会产生污染环境的副产物。第四，生物燃料电池具有生物相容性，利用人体内的葡萄糖和氧为原料的生物燃料电池可以直接植入人体。第五，在缺乏电力基础设施的局部地区，生物燃料电池具有广泛应用的潜力。58与传统的化学电池技术相比，生物燃料电池具有操作上和功能上在线教务辅导网：教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网QQ:349134187

或者直接输入下面地址：在线教务辅导网：http://www.shangfuwang59可再生能源发电技术程明、张建忠、王念春编著可再生能源发电技术程明、张建忠、王念春编著61第5章生物质发电5.1生物质概述5.2生物质的燃烧发电技术5.3生物质的气化发电技术5.4生物质的生物转化发电技术3第5章生物质发电625.1

生物质概述绿色植物成为地球上最重要的光能转换器和能源之源。碳水化合物是光能储藏库，生物质是光能循环转化的载体，此外，煤炭、石油和天然气也是远古时代的绿色植物在地质作用影响下转化而成的。生物质：通过太阳的光合作用而形成的各种有机体的总称，包括所有动植物和微生物。生物质能（biomassenergy）：太阳能以化学能形式贮存于生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量。45.1生物质概述绿色植物成为地球上最重要的光能转换器和能63生物质能存在形式森林能源及其废弃物农作物及其副产物禽畜粪便生活垃圾水生植物油料植物5生物质能存在形式64生物质资源十分丰富：据估计，地球上蕴藏的生物质达18000亿吨，而植物每年经光合作用合成的生物质干重约有1440亿～1800亿吨。生物质能源的年产量约为现在世界能源消费总和的10倍。目前生物质已成为仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源，约占全球总能耗的14％。据预测，到2050年，生物质能用量将占全球燃料直接用量的38％，发电量占全球总电量的17％。注：traditionalrenewable主要为发展中国家的生物质能图1UNDP关于世界未来能源构成的一种情景我国生物质资源十分丰富，资源总量不低于30亿吨干物质/年，相当于10亿多吨油当量，约为我国目前石油消耗量的3倍。并且生物质能含硫量极低，仅为3%，不到煤炭含硫量的1/4。发展生物质发电，实施煤炭替代，可显著减少二氧化碳和二氧化硫排放，产生巨大的环境效益。6生物质资源十分丰富：据估计，地球上蕴藏的生物质达1800065Biomass汽化炉生物废料雨矿物灰烬光合作用7Biomass汽化炉生物废料雨矿物灰烬光合作用66生物质能具有以下特点：生物质利用过程中具有二氧化碳零排放特性；由于生物质在生长期需要的CO2相当于它排放的CO2的量，因而生物质能的利用对大气的CO2净排放量近似等于零，可有效降低温室效应；生物质含硫、含氮都较低，灰分含量也较少，燃烧后SOx、NOx和灰尘排放量都较化石燃料小得多，是一种清洁的燃料；生物质资源分布广、产量大、转化方式多种多样；8生物质能具有以下特点：67生物质单位质量热值较低，而且一般生物质中水分含量大而影响了生物质的燃烧和热解特性；生物质的分布比较分散，收集运输和预处理的成本较高；可再生性。生物质通过植物的光合作用可以再生，与风能、太阳能等同属于可再生能源，其资源丰富，可保证能源的永续利用。968生物质能转化利用技术10生物质能转化利用技术69生物质能的实用转化技术生物质压缩成型和固体燃料制取技术生物质气化技术生物质热裂解液化制取生物油技术干湿法厌氧消化制取沼气技术11生物质能的实用转化技术70生物质水暖锅炉生物质燃气炉12生物质水暖锅炉生物质燃气炉71生物质洁燃锅炉生物质洁燃气化锅炉13生物质洁燃锅炉生物质洁燃气化锅炉72生物质能转化技术的应用前景：高效直接燃烧技术和设备；薪材集约化综合开发利用；生物质能的液化、气化等新技术开发利用；城市生活垃圾的开发利用；能源植物的开发。14生物质能转化技术的应用前景：73我国发展和利用生物质能源的意义拓宽农业服务领域、增加农民收入缓解我国能源短缺、保证能源安全治理有机废弃物污染、保护生态环境广泛应用生物技术、发展基因工程15我国发展和利用生物质能源的意义74生物质发电技术由于电能具有清洁、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。16生物质发电技术由于电能具有清洁、易传输、易使用等优良特性75生物质发电技术17生物质发电技术765.2

生物质的燃烧发电技术燃烧：燃料中的可燃成分与氧发生激烈的氧化反应，在反应过程中释放出大量热量，并使燃烧产物的温度升高。生物质燃烧过程的四个阶段：预热和干燥阶段挥发分析出及木炭形成阶段挥发分燃烧阶段固定碳燃烧阶段185.2生物质的燃烧发电技术燃烧：燃料中的可燃成分与氧发77生物质燃烧技术：主要分为层燃、悬浮燃烧和流化床等三种形式。层燃过程

层燃过程：炉排和灰渣层预热冷空气，在氧化层预热的空气与炽热的木炭相遇发生剧烈的氧化反应，大量消耗氧气并生成二氧化碳和一氧化碳，在氧化层末端气体的温度将达到最高；在还原层，气流中二氧化碳与碳起还原反应，即CO2+C→2CO，温度越高，速度越快；生物质投入炉中形成的新燃料层被加热干燥、干馏，将水汽、挥发分等带离燃料层进入炉膛空间，挥发分及一氧化碳着火燃烧，形成木炭。

形式：固定炉排、滚动炉排、振动炉排、往复推动炉排等19生物质燃烧技术：主要分为层燃、悬浮燃烧和流化床等三种形式78流化床技术：流化床是基于气固流态化的一项技术，即当气流流过一个固体颗粒的床层时，若其流速达到使气流流阻压降等于固体颗粒层的重力时，固体床料被流态化。其适应范围广，能够使用一般燃烧方式无法燃烧的石煤等劣质燃料、含水率较高的生物质及混合燃料等，此外，流化床燃烧技术还可以降低尾气中氮与硫的氧化物等有害气体含量，保护环境，是一种清洁燃烧技术。种类：鼓泡流化床、循环流化床

为了保证流化床内稳定的燃烧，流化床内常加入大量的惰性床料来蓄存热量，占总床料的90%～98%，惰性床料有石英砂、石灰石和高铝矾土等。20流化床技术：流化床是基于气固流态化的一项技术，即当气流流79悬浮燃烧技术：悬浮燃烧是首先将燃料磨成细粉，然后用空气流经燃烧器将燃料喷入炉膛，并在炉膛内进行燃烧。其特点是将燃料投入连续、缓慢转动的筒体内焚烧直到燃烬，故能够实现燃料与空气的良好接触和均匀充分的燃烧。西方国家多将该类焚烧炉用于有毒、有害工业垃圾的处理。

生物质燃烧热发电主要有生物质直燃发电、生物质与煤混燃发电、城市废弃物焚烧发电三种21悬浮燃烧技术：悬浮燃烧是首先将燃料磨成细粉，然后用空气流80生物质直燃发电

生物质直接燃烧发电技术类似于传统的燃煤技术，现在已经基本达到成熟阶段。在发达国家，目前生物质燃烧发电方式占可再生能源（不含水电）发电量的70%左右。自2004年以来，秸秆发电技术开始在我国推广和普及，目前，在我国江苏、山东、河北等地建有多个生物质秸秆发电厂。22生物质直燃发电 生物质直接燃烧发电技术类似于传统的燃煤技81生物质直燃发电AmerPowerPlant,Holland23生物质直燃发电AmerPowerPlant,Hol82生物质与煤混燃发电

受燃料的来源、运输和储存等问题限制，纯生物质燃烧发电技术基本用于小型生物质发电厂，生物质与煤混合燃烧发电则充分利用了现有技术和设备，在现阶段是一种低成本、低风险可再生能源利用方式，可用于大型生物质发电厂。发电方式直接混燃间接混燃技术特点生物质与煤直接混合后在锅炉中燃烧生物质气化后与煤在锅炉中一起燃烧主要优点技术简单、使用方便；不改造设备情况下投资最省通用性较好、对原燃煤系统影响很小；经济效益明显主要缺点生物质处理要求较严、对原系统有些影响增加气化设备、管理较复杂。有一定的金属腐蚀问题应用条件木材类原料、特种锅炉要求处理大量生物质的发电系统

生物质混燃发电方式的比较24生物质与煤混燃发电 受燃料的来源、运输和储存等问题限制，83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。

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，使其发生生物、物理、化学变化，分解有机物，达到减量化和无害化的目的。焚烧法是将垃圾置于高温炉中，使其中可燃成分充分氧化的一种方法，产生的热量用于发电和供暖。随着中国“十一五”规划对发展新能源，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。25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。 84城市废弃物焚烧发电利用焚烧炉对城市废弃物中可燃物质进行焚烧处理，通过高温焚烧后消除城市废弃物中大量的有害物质，达到无害化、减量化的目的，同时利用回收到的热能进行供热、供电，达到资源化利用。随着中国城市建设的发展和社会进步，城市废弃物的构成已发生了质的变化，有机物含量开始高于无机物含量。废弃物组成正由多灰、多水、低热值向较少灰、较高热值的方向发展，给中国城市废弃物的焚烧处理奠定了基础。焚烧处理是目前国际使用较为普遍的城市废弃物处理方法之一。26城市废弃物焚烧发电利用焚烧炉对城市废弃物中可燃物质进行焚85城市废弃物焚烧发电的典型工艺流程

城市废弃物低位发热值一般在3344～8360kJ/kg范围内，垃圾低位发热值大于5000kJ/kg时燃烧效果较好。问题：尾气中含严重致癌物质二恶英。环保组织反对垃圾焚烧，鼓励循环利用减少垃圾的产生。

焚烧炉：

炉排炉、转炉、流化床27城市废弃物焚烧发电的典型工艺流程 城市废弃物低位发热值一86大型城市废弃物焚烧发电厂28大型城市废弃物焚烧发电厂87垃圾焚烧集散控制系统29垃圾焚烧集散控制系统88垃圾焚烧发电的效益（1）资源化

垃圾焚烧后热量用于发电，做到废物综合利用。据有关统计资料称，截至2005年，我国城市垃圾清运量已达1×1013t/a，若按平均低位热值2900kJ/kg，相当于1.4×107t标煤。如其中有1/4用于焚烧发电，年发电量可达60亿度，相当于安装了1200MW火电机组的发电量。30垃圾焚烧发电的效益89（2）无害化

垃圾焚烧发电可实现垃圾无害化，因为垃圾在高温(1000℃左右)下焚烧，可进行无菌和分解有害物质，且尾气经净化处理达标后排放，较彻底地无害化。（3）减量化

垃圾焚烧后的残渣，只有原来容积的10%～30％，从而延长了填埋场的使用寿命，缓解了土地资源的紧张状态。因此，兴建垃圾电厂十分有利于城市的环境保护，尤其是对土地资源和水资源的保护，实现可持续发展。31（2）无害化90生物质燃烧的污染排放与控制生物质燃烧主要污染物及其对环境的影响污染物来源对大气、环境和人类健康的影响烟尘未完全燃烧的炭颗粒、飞灰及盐分等影响人类呼吸系统，致癌CO2燃烧的主要产物温室效应（生物质生长期要吸收CO2，对环境的影响可抵消）CO未完全燃烧的产物通过O2形成非直接的温室效应NOx（NO、NO2）一般为生物质含有的N；另外，一定条件下可由空气中的N形成温室效应，酸雨，破坏植被，形成烟雾，腐蚀材料；影响人类呼吸系统SOx（SO2、SO3）生物质中含有的S酸雨，破坏植被，形成烟雾，腐蚀材料；影响人类呼吸系统HCl生物质中含有Cl酸雨，破坏植被，腐蚀材料；影响人类呼吸系统重金属生物质中含有的重金属在食物链中积累，有毒素，致癌32生物质燃烧的污染排放与控制生物质燃烧主要污染物及其对环境915.3生物质的气化发电技术生物质的气化技术

生物质气化是以生物质为原料，以氧气（空气或者富氧、纯氧）、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燃的部分转化为可燃气的过程。生物质气化时产生的生物质燃气，主要有效成份为CO、H2和CH4等。生物质气化的过程：干燥热解——析出挥发物(水蒸气/CO2/CO/H2/CH4/C2H4)，生成木炭、焦油焦油二次裂解——生成木炭和小分子气体木炭、气态产物的氧化反应——木炭燃烧生成CO2，释放出大量热量木炭、气态产物的还原反应——CO2和水蒸气缺氧条件下还原生成CO、H2、CH4等可燃气，需吸热。335.3生物质的气化发电技术生物质的气化技术 生物质气化92生物质气化工艺

根据所处气体的环境，生物质气化可分为空气气化、富氧气化、水蒸气气化和热解气化名称气化剂评价空气气化空气最简单、最经济，燃气中含大量氮气（50～55％），燃气热值较低富氧气化氧气生成与城市煤气相当的中热值燃气。需制氧设备，电耗和成本增加水蒸气气化水蒸气生成中热值燃气，燃气H2含量高。需蒸汽发生器和过热设备，系统独立性差热解气化无又称干馏气化，产生固定炭、焦油和可燃气，中热值燃气34生物质气化工艺 根据所处气体的环境，生物质气化可分为空气93生物质气化反应设备

固定床气化炉

生物质原料发生气化反应是在相对静止的床层中进行，其结构紧凑，易于操作并具有较高热效率。下吸式气化炉上吸式气化炉35生物质气化反应设备 固定床气化炉下吸式气化炉上吸式气化炉94流化床气化炉鼓泡流化床气化炉循环流化床气化炉流化床气化炉在吹入的气化剂作用下，原料颗粒、惰性床料、气化剂充分接触，受热均匀，在炉内呈“沸腾”状态，气化反应速度快，产气率高。36流化床气化炉鼓泡流化床气化炉循环流化床气化炉流化床气化炉95双循环流化床气化炉两个反应炉之间的热量传递是通过气化反应炉中的循环砂粒来完成。气化反应炉的床料由燃烧反应炉加热，利用循环砂粒间接加热的高加热速率和较短的驻留时间，有效地减少了类似焦油物质的形成。37双循环流化床气化炉两个反应炉之间的热量传递是通过气化反应96固定床气化炉与流化床气化炉适用范围固定床气化对原料适应性强，原料不用预处理，设备结构简单，但发电成本高，适合于小型、间歇性运行的气化发电系统。流化床运行稳定，气化气化强度大，适于生物质气化发电系统的工业应用，但是原料需要预处理。生物质气体净化特点：高温除尘，焦油 焦油的处理较为复杂，分为湿法（水洗）、干法和催化裂解法38固定床气化炉与流化床气化炉适用范围固定床气化对原料适应性97生物质气化发电技术按燃气发电方式可分为内燃机发电系统、燃气轮机发电系统及燃气－蒸汽联合循环发电系统。生物质气化发电1-煤气发生炉；2-煤气冷却过滤装置；3-煤气发动机；4-发电机；5-配电盘；6-离心过滤器；7-灰粉收集器；8-底座；9-燃料输送带；10-生物质燃料39生物质气化发电技术按燃气发电方式可分为内燃机发电系统、燃98生物质燃气－蒸汽联合循环发电工艺流程40生物质燃气－蒸汽联合循环发电工艺流程99不同规模生物质气化发电技术的比较性能参数小规模中等规模大规模装机容量/kW<200500～3000>5000气化技术固定床循环流化床循环流化床发电技术内燃机、微型燃气轮机内燃机整体燃气联合循环系统发电效率/%11～1415～2035～45主要用途适用于生物质丰富的缺电地区适用于山区、农场、林场的照明或小型工业用电电厂、热电联产41不同规模生物质气化发电技术的比较性能参数小规模中等规模大100城市固体废弃物气化熔融技术垃圾焚烧对大气环境造成二次污染。新一代的废物处理技术——城市固体废弃物气化熔融技术是结合生物质热解气化技术和高温熔融技术，提出并发展起来的，发展潜力巨大。目前该技术应用主要集中在西欧、美国、日本等发达国家和地区。气化熔融技术是先将废弃物送入气化炉，在400～700℃的还原性气氛下废弃物中的有机物迅速热解或者气化，产生可燃气体，大部分金属在还原性气氛中不会被氧化，可以随底渣排出，经过磁选或重力分离后可进一步回收利用。分选后的底渣中含二恶英和重金属都很少，可以直接填埋。气化炉中生成的可燃气体进入燃烧熔融炉，在较低的过量空气系数下完全燃烧，使含碳灰渣在1350～1400℃条件下熔融，成为玻璃态物质，二恶英完全分解、重金属被固化到熔渣中，高温烟气经过余热锅炉和烟气净化处理系统后排出。42城市固体废弃物气化熔融技术垃圾焚烧对大气环境造成二次污染101城市固态废弃物气化熔融系统示意图分类：高炉型气化熔融系统、流化床气化熔融系统和回转窑气化熔融系统43城市固态废弃物气化熔融系统示意图分类：1025.4生物质生物转化发电技术沼气发电

沼气是一种微生物在厌氧条件下分解有机物产生的可燃性气体，它的主要成分是甲烷、二氧化碳和少量的硫化氢、氨、氢、一氧化碳、氮、氧等气体。其中甲烷约占50～70％，二氧化碳约占30～40％，其他成分含量极少，约占总体积的5％。

沼气利用是一种生物质获取清洁能源的有效途径。沼气可用作燃料及化工原料，沼气装置排出的料液和沉渣，可用作肥料和饲料。445.4生物质生物转化发电技术沼气发电 沼气利用是一种生1035.4生物质生物转化发电技术沼气发电

455.4生物质生物转化发电技术沼气发电104沼气发酵原理 发酵是复杂的生物化学变化，有许多微生物参与。根据三阶段理论，沼气发酵可以分为如下三个阶段：液化阶段——发酵性细菌分泌胞外酶，水解复杂有机物；发酵性细菌通过发酵作用获得有机酸和醇类物质产酸阶段——产氢产乙酸菌将有机酸和醇类分解转化为乙酸、H2和CO2，耗氢产乙酸菌利用H2＋CO2或者代谢方式产生乙酸产甲烷阶段——产甲烷菌在厌氧条件下将前3群细菌代谢终产物转化为CH4和CO2要正常地产生沼气，必须为微生物创造良好的条件，使它能生存、繁殖。46沼气发酵原理要正常地产生沼气，必须为微生物创造良好的条件105图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250～300m3，提供一个农户8～10个月的生活燃料。

图5-1水压式沼气池结构

1－进料口2—0压水位3—输出阀门4—盖板5—溢流口

6—贮留室7—水压箱8—渗井9—发酵室10—贮气室47图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106沼气池的条件：首先，沼气池要密闭。建造沼气池时要注意隔绝空气，不透气、不渗水，造成厌氧菌活动所需的缺氧环境。其次，沼气池里要维持适宜温度（20～40℃），因为通常在此温度下产气率最高。第三，沼气池要