第9章生物质能发电技术

第9章生物质能发电技术第一页，共109页。4.4生物质能第二页，共109页。生物能第三页，共109页。一、何谓生物质能生物质是指由光合作用而产生的有机体。生物能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式，一种以生物质为载体的能量，它直接或间接地来源于植物的光合作用，在各种可再生能源中，生物质能是独特的，它是贮存的太阳能，更是一种唯一可再生的碳源，可转化成常规的固态、液态和气态燃料。4.4生物质能第四页，共109页。4.4生物质能第五页，共109页。4.4生物质能第六页，共109页。储量丰富：据估计地球上每年植物光合作用固定的碳达2x1011t，含能量达3x1021J，因此每年通过光合作用贮存在植物的枝、茎、叶中的太阳能，相当于全世界每年耗能量的10倍。

生物质是仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源，在整个能源系统占有重要地位。生物质能一直是人类赖以生存的重要能源之一，就其能源当量而言，是仅次于煤、油、天然气而列第四位的能源，在世界能源消耗中，生物质能占总能耗的14％，但在发展中国家占40％以上。4.4生物质能第七页，共109页。二、生物质能的来源柴薪，至今仍是许多发展中国家的重要能源。但由于柴薪的需求导致林地日减，应适当规划与广泛植林。牲畜粪便，牲畜的粪便，经干燥可直接燃烧供应热能。若将粪便经过厌氧处理，可产生甲烷和肥料。制糖作物，制糖作物可直接发酵，转变为乙醇。水生植物，同柴薪一样，水生植物也可转化成燃料。4.4生物质能第八页，共109页。城市垃圾，主要成分包括：纸屑（占40％）、纺织废料（占20%）和废弃食物（占20%）等。将城市垃圾直接燃烧可产生热能，或是经过热分解处理制成燃料使用。城市污水，一般城市污水约含有0.02％～0.03％的固体与99%以上的水分，下水道污泥有望成为厌氧消化槽的主要原料。4.4生物质能第九页，共109页。各类生物质燃料的热值生物质热值（MJ/kg）生物质热值（MJ/kg）纤维素17.5粪便13.4木炭12~22.4甲醇22.4草类18.7乙醇29.4藻类10.0生物烃油36~42城市垃圾12.74.4生物质能第十页，共109页。三、生物能的开发和利用建立以沼气为中心的农村新的能量，物质循环系统，使秸杆中的生物能以沼气的形式缓慢地释放出来，解决燃料问题；种植柑蔗，木薯，海草，玉米，甜菜，甜高粱等，既有利于食品工业的发展，植物残渣又可以制造酒精以代替石油。建立“能量林场”，“能量农场”，“海洋能量农场”。建立以植物为能源的发电厂。变“能源植物”为“能源作物”，如“石油树”，绿玉树，续随子；4.4生物质能第十一页，共109页。直接燃烧生物质来产生热能、蒸汽或电能；利用能源作物生产液体燃料。目前具有发展潜力的能源作物，包括：快速成长作物树木、糖与淀粉作物（供制造乙醇）、含有碳氧化的合作物、草本作物、水生植物；生产木炭和炭；生物质（热解）气化后用于电力生产，如集成式生物质气化器和喷气式蒸汽燃气轮机（BIG/STIG）联合发电装置；对农业废弃物、粪便、污水或城市固体废物等进行厌氧消化，以生产沼气和避免用错误的方法处置这些物质，以免引起环境危害。4.4生物质能第十二页，共109页。生物质能的利用技术大体上分为直接燃烧技术、物化转化技术、生化转化技术和植物油技术四大类，各类技术又包含了不同的子技术。4.4生物质能第十三页，共109页。第十四页，共109页。1.直接燃烧技术直接燃烧大致可分四种情况：炉灶燃烧；锅炉燃烧；垃圾焚烧；固型燃料燃烧。4.4生物质能第十五页，共109页。直接燃烧是生物质能最简单又应用最广的利用方式，目前亚洲、非洲的大多数发展中国家，用直接燃烧方式所获得的生物质能约占该国能源消费总量的40%以上。1996年中国从薪柴、秸秆直接燃烧获得的能量，相当于2.2亿吨标准煤，约占全国能源消耗总量的14%，占农村地区能源消耗量的34%，占农村生活用能的59%。4.4生物质能第十六页，共109页。燃烧锅炉燃烧发电4.4生物质能第十七页，共109页。第十八页，共109页。炉灶燃烧是最原始的利用方法，但一般适用于农村或山区分散独立的家庭用炉，它的投资最省，但效率最低，燃烧效率在15-20%左右。锅炉燃烧采用了现代化的锅炉技术，适用于大规模利用生物质，它的主要优点是效率高，并且可实现工业化生产。主要缺点是投资高，而且不适于分散的小规模利用，生物质必须相对比较集中才能采用本技术。4.4生物质能第十九页，共109页。4.4生物质能第二十页，共109页。FoulinginBoilers第二十一页，共109页。垃圾焚烧也是采用锅炉技术处理垃圾，但由于垃圾的品位低，腐蚀性强，所以它要求技术更高，投资更大，从能量利用的角度，它也必须规模较大才比较合理。4.4生物质能第二十二页，共109页。垃圾气化发电4.4生物质能第二十三页，共109页。PhotooftheMcNeilGenerationStation,Vermont

4.4生物质能第二十四页，共109页。固型燃料燃烧是把生物质固化成型后再采用传统的燃煤设备燃用，主要优点是所采用的热力设备是传统的定型产品，不必经过特殊的设计或处理，主要缺点是运行成本高，所以它比较适合企业对原有设备进行技术改造时，在不重复投资前提下，以生物质代替煤，以达到节能的目的，或应用于对污染要求特别严格的场所，如饭店烧烤等。4.4生物质能第二十五页，共109页。4.4生物质能第二十六页，共109页。2.物化转换技术物化转换技术包括三方面：一是干馏技术；二是气化制生物质燃气；三是热解制生物质油。干馏技术：主要目的是同时生产生物质碳和燃气，它可以把能量密度低的生物质转化为热值较高的固定碳或气，碳和燃气可分别用于不同用途。优点是设备简单，可以生物产碳和多种化工产品，缺点是利用率较低，而且适用性较小，一般只适用于木质生物质的特殊利用。4.4生物质能第二十七页，共109页。生物质热解气化是把生物质转化为可燃气的技术，根据技术路线的不同，可以是低热值气，也可以是中热值气。它的主要优点是生物质转化为可燃气后，利用效率较高，而且用途广泛，如可以用作生活煤气，也可以用于烧锅炉或直接发电。主要缺点是系统复杂，而且由于生成的燃气不便于储存和运输，必须有专门的用户或配套的利用设施。4.4生物质能第二十八页，共109页。热解制油是通过热化学方法把生物质转化为液体燃料的技术，它的主要优点是可以把生物质制成油品燃料，作为石油产品替代品，用途和附价值大大提高，主要缺点是技术复杂，目前的成本仍然太高。4.4生物质能第二十九页，共109页。3.生物转换技术生物转换技术主要是以厌氧消化和特种酶技术为主。厌氧消化主要是把水中的生物质分解为沼气，它包括小型的农村沼气技术和大型的厌氧处理污水的工程。它主要优点是提供的能源形式为沼气（CH4），非常洁净，具有显著的环保效益，主要缺点是能源产出低，投资大，所以比较适宜于以环保为目标的污水处理工程或以有机易腐物为主的垃圾的堆肥过程。4.4生物质能第三十页，共109页。利用生物技术（包括酶技术）把生物质转化为乙醇的主要目的是制取液体燃料，它的主要优点可以使生物质变为清洁燃料，拓宽用途，提高效率，主要缺点是转换速度太慢，投资较大，成本相对较高。植物油技术：植物油技术也是生物质能利用技术的一种，植物油除了可以作食用或化工原料之外，也可以作为能源利用。它的主要优点是提炼和生产技术简单，主要缺点是油产率较低，速度很慢，而且品种的筛选和培育也较困难。4.4生物质能第三十一页，共109页。四、生物能的优点提供低硫燃料；提供廉价能源(某些条件下)；将有机物转化成燃料可减少环境公害(例如，垃圾燃料)；与其他非传统性能源相比较，技术上的难题较少。4.4生物质能第三十二页，共109页。生物能的缺点植物仅能将极少量的太阳能转化成有机物；单位土地面的有机物能量偏低；缺乏适合栽种植物的土地；有机物的水分偏多(50%～95%)。

4.4生物质能第三十三页，共109页。生物质资源生物质是指由光合作用而产生的有机体。光合作用将太阳能转化为化学能储存在生物质中。第三十四页，共109页。生物质资源生物质资源包括（1）农作物：产生淀粉的玉米，甘薯。产生糖类的甘蔗，甜菜，果实（2）林作物：白杨（3）水生藻类：海带（4）光合成微生物类：硫细菌，非硫细菌（5）其他类：农产品废弃物（稻秸，谷壳），城市垃圾，林业废弃物，畜业废弃物（排泄物）第三十五页，共109页。Contents生物质能的定义与范畴1生物质资源特点和状况2生物质能利用3生物质能展望4第三十六页，共109页。生物质能的定义与范畴第三十七页，共109页。生物质能的定义与范畴生物质能源能是通过绿色植物的光合作用将太阳辐射的能量以一种生物质形式固定下来的能源。第三十八页，共109页。生物质能的定义与范畴光合作用：绿色植物通过叶绿体，利用可见光中的光能，把二氧化碳和水合成为储存能量的糖类（通常指葡萄糖），并且释放出氧气的过程。光合作用的反应式：6CO2+6H2O光能叶绿体C6H12O6+6O2糖（单糖)

淀粉（多糖）

纤维素（糖聚合物）第三十九页，共109页。生物质能的定义与范畴CO2人类需要的能生物质的产生和利用循环H2O太阳能C6H12O6燃烧、分解、气化。。。第四十页，共109页。碳循环

生物质能的定义与范畴人类最重要的间接利用太阳能的方式氧循环

生物质利用：太阳能驱动的碳、氢、氧循环氢循环

第四十一页，共109页。生物质能的定义与范畴生物质包括：糖类（甘蔗、甜菜）；淀粉类（土豆、玉米）；纤维类（木材、农作物秸杆、杂草）等。第四十二页，共109页。生物质能的定义与范畴生物质的化学组成C49%H6.5%ON

40%2.0%Ash2.5%第四十三页，共109页。生物质资源特点和状况第四十四页，共109页。生物质资源特点和状况地球上每年生物质能总量约1400-1800亿吨(干重），相当于目前每年总能耗的10倍。总量大第四十五页，共109页。生物质资源特点和状况通过碳、氢、氧循环利用太阳能的过程，理论上不产生温室气体，低含量的N，S化合物，可以大量减少SOx等有毒气体排放，被称为“绿色石油”。

每利用一万吨椐杆代替燃煤，可以减少CO2排放１.4t，SO240t，烟尘100t。低污染第四十六页，共109页。我国可利用的生物质资源量：1.农作物秸秆年产量约7亿吨2.林业及木材加工废弃物年产量约9亿吨3.畜禽养殖和工业有机废水年产沼气资源量约800亿立方米4.城市生活垃圾年产生量约1.2亿吨生物质资源特点和状况分布广第四十七页，共109页。生物质能利用第四十八页，共109页。生物质能利用生物质热化学转化（油、气）（高温分解、气化）生物化学转化（沼气、酒精）直接燃烧能源转换过程第四十九页，共109页。直接燃烧第五十页，共109页。生物质能利用—直接燃烧热效率低于20%lossloss第五十一页，共109页。生物质能利用—直接燃烧炕：热效率20-30%第五十二页，共109页。生物质能利用—直接燃烧－发电秸秆直接燃烧发电垃圾直接燃烧发电第五十三页，共109页。生物质能利用—直接燃烧—秸秆发电热效率可达90%;生物质能净转化效率～40％第五十四页，共109页。生物质能利用—直接燃烧—秸秆发电每两吨秸秆的热值相当于一吨煤，平均含硫量只有3．8‰，远远低于煤1％的平均含硫量。

丹麦:已建立了130多家秸秆生物发电厂。秸秆发电等可再生能源占到全国能源消费量的24％以上。

1：1.4能源草秸秆第五十五页，共109页。河北晋州：两台秸秆直燃锅炉（华光股份生产，2台75t/h）。江苏如东：25MW生物质发电项目。江苏宿迁和句容：每个项目的装机容量为2.4万千瓦(完全采用我国自主研发设计和制造的秸秆直燃锅炉技术）。生物质与煤混合燃烧效果最佳生物质能利用—直接燃烧—秸秆发电截至2006年，我国已经有100多个县市已经开始投建或签订秸秆发电项目第五十六页，共109页。生物质能利用—直接燃烧—秸秆发电

2005年，我国首个秸秆与煤粉混烧发电项目在枣庄十里泉发电厂竣工投产:引进了丹麦BWE公司的技术设备，对1台14万千瓦机组的锅炉燃烧器进行了秸秆混烧技术改造。十里泉电厂第五十七页，共109页。生物质能利用—直接燃烧—垃圾发电生活垃圾焚烧后，质量只有焚烧前的10%，体积最多只有1/4。西方发达国家大都建有垃圾发电厂，美国在20世纪80年代兴建了90座垃圾焚烧厂，90年代又建了近400座发电厂，垃圾焚烧率达40％；日本垃圾电站有131座。第五十八页，共109页。生物质能利用—直接燃烧—垃圾发电垃圾电站第五十九页，共109页。生物质能利用—直接燃烧—垃圾发电浦东御桥工业区：国内第一座日处理千吨以上的大型现代化生活垃圾发电厂，每天可处理120－150万城市居民产生的生活垃圾（约1000吨）。我国目前规模最大的垃圾焚烧厂——上海江桥生活垃圾焚烧厂，每天处理垃圾2000吨。截至2006年，我国已经建成有100多个日处理量在200吨以上的焚烧装置。第六十页，共109页。目前全球有垃圾电站近1000座，预计未来三年内，将超过3000座。生物质能利用—直接燃烧—垃圾发电第六十一页，共109页。垃圾发电平均上网电价为０．５４元／千瓦时，发电成本为０．５元／千瓦时。火力发电成本仅为０．２元／千瓦时，水力发电的运营成本仅为０．０３／千瓦时－０．０５元／千瓦时。相比之下，垃圾发电成本是相当高的，没有任何竞争优势。

生物质能利用—直接燃烧—垃圾发电第六十二页，共109页。热化学转化第六十三页，共109页。生物质能利用-热化学转化气化液化转脂反应第六十四页，共109页。生物质能利用-热化学转化-气化生物质气化是在高温条件下，利用部分氧化法，使有机物转化成可燃气体的过程，产物为CO、H2、CH4等可燃性气体。生物质气化供热供气发电第六十五页，共109页。用作锅炉的燃料燃烧生产蒸汽带动蒸汽轮机发电。这种方式对气体要求不很严格，直接在锅炉内燃烧气化气。效率低。在燃气轮机内燃烧带动发电机发电。这种利用方式要求气化压力在10－30个大气压，有灰尘、杂质等污染的问题。在内燃机内燃烧带动发电机发电。这种方式应用广泛，而且效率较高。但该种方式对气体要求严格，气化气必须净化及冷却。生物质能利用-热化学转化-气化发电气化发电的三种方式第六十六页，共109页。生物质能利用-热化学转化-气化发电我国当前情况下，如果生物质收集范围大于50km，气化发电价格就会大于电网价格（约0·55元/度），而失掉经济性方面的优势；小于50km，燃料不足。

气化技术障碍燃气除焦电机要求焦油含量：0.02-0.05g/m3；H2<15%而汽化后焦油含量：2-50g/m3第六十七页，共109页。农村生物质生态循环型利用系统交大生物质能研究中心关键第六十八页，共109页。生物质能利用-热化学转化—液化热解液化（不需催化剂，650～800℃,原料需干燥）生物油（70％）和气体快速热解生物油（80～85％）和焦炭慢速热解高加热速率（102-104K/s）产物停留时间（0.2-3s）

干馏：木炭第六十九页，共109页。生物质能利用-热化学转化—液化旋转锥反应器oil第七十页，共109页。生物质能利用-热化学转化—液化第七十一页，共109页。生物质能利用-热化学转化—液化2.加压液化（需催化剂,300～350℃，原料不需干燥）12-20MPa停留时间：30min加水油（含水）第七十二页，共109页。生物质能利用-热化学转化—液化尚处于研究阶段第七十三页，共109页。生物质能利用-热化学转化—生物柴油用热化学法生产:动物和植物油脂与甲醇或乙醇等低碳醇，在酸或者碱性催化剂和高温(230～250℃)下进行转酯化反应，生成相应的脂肪酸甲酯或乙酯，再经洗涤干燥即得生物柴油。BiodieselVegetableOil脂肪酸乙醇甘油第七十四页，共109页。生物质能利用-热化学转化—生物柴油第七十五页，共109页。生物质能利用-热化学转化—生物柴油1、仅需要对柴油机进行微小的改造甚至不需要改造。2、可以采用现有的柴油运输、销售网络。3、从全生命周期来看不产生CO2排放。生物柴油替代柴油的优势第七十六页，共109页。生物质能利用-热化学转化—生物柴油普通柴油价格（2006年11月数据）3500元／吨生物柴油价格（植物油3000元／吨）3750－4285元／吨生物柴油价格（植物油5000元／吨）6250－7140元／吨植物油成本高，占总成本的70％至80％现在：5000元/吨（植物油）

7000元/吨（柴油）第七十七页，共109页。生物质能利用-热化学转化—生物柴油欧洲：生物柴油使用最多，份额已占到成品油市场的5%；原料主要为菜籽油。

原料来源美国：大豆油；已开始通过基因工程方法研究高油含量的植物。日本：工业废油和废煎炸油。

棉籽油、棕榈油、椰子油、菜籽油、野生植物油以及海藻等第七十八页，共109页。生物质能利用-热化学转化—生物柴油我国：地沟油是目前主要原料，麻风树、黄连木等油料作物有望大面积种植。地沟油。。。麻风树黄连木第七十九页，共109页。生物化学转化第八十页，共109页。发酵厌氧消化生物质能利用－生物化学转化第八十一页，共109页。生物质能利用－生物化学转化－发酵发酵催化酶糖发酵生物质醇第八十二页，共109页。乙醇汽车第八十三页，共109页。生物质能利用－生物化学转化－发酵1、糖类：甘蔗、甜菜等糖类生物质转化成乙醇相对容易，但原料成本高（60%价格）。2、淀粉类：淀粉类生物质（玉米、高粱、木薯）需要先水解成糖类。3、木质纤维类：木材、草等预处理更复杂，需要经过几种酸的水解才能变成糖。原料第八十四页，共109页。生物质能利用－生物化学转化－发酵陈化粮作为燃料乙醇生产原料木薯、红薯、甘蔗、甜高粱等非口粮（小麦、稻谷）农作物纤维质：桔杆、农林废弃物、工业纤维废渣

原料发展趋势第八十五页，共109页。最新进展美国马萨诸塞大学的化学工程师GeorgeHuber找到一种有效的方法，成功地让柳枝稷、白杨树等植物的木质纤维素（即固态生物质能）转化为“绿色汽油”。

这是首次实现植物纤维素到汽油组分的直接转变。生物质能利用－生物化学转化－发酵第八十六页，共109页。生物质能利用－生物化学转化－厌氧消化生物质细菌绝氧分解沼气（60％甲烷，30～40％CO2）大棚沼气发电机第八十七页，共109页。生物质能利用－生物化学转化－厌氧消化第八十八页，共109页。生物质能利用－生物化学转化－厌氧消化原料1、人、畜排泄物第八十九页，共109页。生物质能利用－生物化学转化－厌氧消化沼液、沼渣沼气照明做饭沼气灯提高棚温增施气肥猪蔬菜沼气池粪便残叶第九十页，共109页。BiogasdigesterComponent：Lavatory、Pighouse、biogasdigester、greenhouseFunction：IntegrationofPlant、animal、biogas、solarenergy

greenhousePiglavatorybiogasco2o2biogas、fermentedsludgeSmalltypebiogasdigester第九十一页，共109页。生物质能利用－生物化学转化－厌氧消化2、垃圾原料垃圾填埋场经过特殊设计，可增加沼气产量，并且在填埋垃圾之前预先铺设收集气体的管道。第九十二页，共109页。生物质能利用－生物化学转化－厌氧消化第九十三页，共109页。生物质能利用－生物化学转化－厌氧消化上海南汇老港垃圾填埋场（国内最大的垃圾填埋场）的沼气收集和预处理系统一期工程已建成，开始实验性发电。第九十四页，共109页。生物质能利用－生物化学转化－厌氧消化第九十五页，共109页。东滩生态农业可再生能源与氢能应用示范人畜粪便秸秆沼气发电中温烟气供热低温烟气余热利用堆肥大棚沼气站发电机科教基地秸秆气化灰肥料气化发电未来村庄能源系统展示馆氢能观光车分布式供能加氢站风光互补耦合制氢肥料土壤改良杀虫剂沼液第九十六页，共109页。生物质能展望第九十七页，共109页。生物质能展望1、欧盟：2010年生物质能源达到总能源消耗的7％（现在已经达到2％）。2、美国：2010年生物质能源达到总能源消耗的4％，2020年达到5％（现在已经达到3％）。3、澳大利亚：2010年生物质能源达到总能源消耗的5％。4、巴西：生物质能源已达到总能源消耗的1/3，近50％汽油被乙醇替代，2020年生物油柴油参和比达到20％。第九十八页，共109页。生物质能展望第九十九页，共109页。生物质能展望－中国目前生物质能源仅占0.5－1%。中国《可再生能源中长期发展规划》提出了到2020年中国可再生能源开发利用总量在能源供应结构中的比重达15%的目标，相当于6亿吨标准煤（1/6)。2020年生物质燃料替代1000万吨石油。中国第一百页，共109页。农林生物质发电20022002010年2020年垃圾填埋场沼气发电20100大中型沼气工程发电80300生物质发电总