生物质能利用

生物质能利用第1页/共72页2资源潜力我国生物质能资源主要有农作物秸秆、树木枝桠、畜禽粪便、能源作物(植物)、工业有机废水、城市生活污水和垃圾等。全国农作物秸秆年产生量约6亿吨，除部分作为造纸原料和畜牧饲料外，大约3亿吨可作为燃料使用，折合约1.5亿吨标准煤。林木枝桠和林业废弃物年可获得量约9亿吨，大约3亿吨可作为能源利用，折合约2亿吨标准煤。第2页/共72页3

甜高粱、小桐子、黄连木、油桐等能源作物(植物)可种植面积达2000多万公顷，可满足年产量约5000万吨生物液体燃料的原料需求。畜禽养殖和工业有机废水理论上可年产沼气约800亿立方米，全国城市生活垃圾年产生量约1.2亿吨。目前，我国生物质资源可转换为能源的潜力约5亿吨标准煤，今后随着造林面积的扩大和经济社会的发展，生物质资源转换为能源的潜力可达10亿吨标准煤。第3页/共72页4重点发展领域根据我国经济社会发展需要和生物质能利用技术状况，重点发展:生物质发电沼气生物质固体成型燃料生物液体燃料

第4页/共72页52010年2020年生物质发电总装机容量550万千瓦3000万千瓦生物质固体成型燃年利用量100万吨

5000万吨沼气年利用量190亿立方米440亿立方米非粮原料燃料乙醇年利用量200万吨1000万吨生物柴油年利用量20万吨200万吨第5页/共72页61、生物质发电

生物质发电包括农林生物质发电、垃圾发电和沼气发电，建设重点为：

(1)在粮食主产区建设以秸秆为燃料的生物质发电厂，或将已有燃煤小火电机组改造为燃用秸秆的生物质发电机组。在大中型农产品加工企业、部分林区和灌木集中分布区、木材加工厂，建设以稻壳、灌木林和木材加工剩余物为原料的生物质发电厂。第6页/共72页7在“十一五”前3年，建设农业生物质发电(主要以秸秆为燃料)和林业生物质发电示范项目各20万千瓦。到2010年，农林生物质发电(包括蔗渣发电)总装机容量达到400万千瓦，到2020年达到2400万千瓦。在宜林荒山、荒地、沙地开展能源林建设，为农林生物质发电提供燃料。第7页/共72页8

(2)在规模化畜禽养殖场、工业有机废水处理和城市污水处理厂建设沼气工程，合理配套安装沼气发电设施。在“十一五”前3年，建设100个沼气工程及发电示范项目，总装机容量5万千瓦。到2010年，建成规模化畜禽养殖场沼气工程4700座、工业有机废水沼气工程1600座，大中型沼气工程年产沼气约40亿立方米，沼气发电达到100万千瓦。到2020年，建成大型畜禽养殖场沼气工程10000座、工业有机废水沼气工程6000座，年产沼气约140亿立方米，沼气发电达到300万千瓦。

第8页/共72页9(3)在经济较发达、土地资源稀缺地区建设垃圾焚烧发电厂，重点地区为直辖市、省级城市、沿海城市、旅游风景名胜城市、主要江河和湖泊附近城市。积极推广垃圾卫生填埋技术，在大中型垃圾填埋场建设沼气回收和发电装置。到2010年，垃圾发电总装机容量达到50万千瓦，到2020年达到300万千瓦。第9页/共72页102、生物质固体成型燃料生物质固体成型燃料是指通过专门设备将生物质压缩成型的燃料，储存、运输、使用方便，清洁环保，燃烧效率高，既可作为农村居民的炊事和取暖燃料，也可作为城市分散供热的燃料。生物质固体成型燃料的发展目标和建设重点为：第10页/共72页11(1)2010年前，结合解决农村基本能源需要和改变农村用能方式，开展500个生物质固体成型燃料应用示范点建设。在示范点建设生物质固体成型燃料加工厂，就近为当地农村居民提供燃料，富余量出售给城镇居民和工业用户。到2010年，全国生物质固体成型燃料年利用量达到100万吨。第11页/共72页12(2)到2020年，使生物质固体成型燃料成为普遍使用的一种优质燃料。生物质固体成型燃料的生产包括两种方式：一种是分散方式，在广大农村地区采用分散的小型化加工方式，就近利用农作物秸秆，主要用于解决农民自身用能需要，剩余量作为商品燃料出售；另一种是集中方式，在有条件的地区，建设大型生物质固体成型燃料加工厂，实行规模化生产，为大工业用户或城乡居民提供生物质商品燃料。全国生物质固体成型燃料年利用量达到5000万吨。第12页/共72页133、生物质燃气充分利用沼气和农林废弃物气化技术提高农村地区生活用能的燃气比例，并把生物质气化技术作为解决农村废弃物和工业有机废弃物环境治理的重要措施。在农村地区主要推广户用沼气、特别是与农业生产结合的沼气技术；在中小城镇发展以大型畜禽养殖场沼气工程和工业废水沼气工程为气源的集中供气。第13页/共72页14

到2010年，约4000万户(约1.6亿人)农村居民生活燃料主要使用沼气，年沼气利用量约150亿立方米。到2020年，约8000万户(约3亿人)农村居民生活燃气主要使用沼气，年沼气利用量约300亿立方米。第14页/共72页154、生物液体燃料

生物液体燃料是重要的石油替代产品，主要包括燃料乙醇和生物柴油。根据我国土地资源和农业生产的特点，合理选育和科学种植能源植物，建设规模化原料供应基地和大型生物液体燃料加工企业。不再增加以粮食为原料的燃料乙醇生产能力，合理利用非粮生物质原料生产燃料乙醇。近期重点发展以木薯、甘薯、甜高粱等为原料的燃料乙醇技术，以及以小桐子、黄连木、油桐、棉籽等油料作物为原料的生物柴油生产技术，逐步建立餐饮等行业的废油回收体系。第15页/共72页16从长远考虑，要积极发展以纤维素生物质为原料的生物液体燃料技术。在2010年前，重点在东北、山东等地，建设若干个以甜高粱为原料的燃料乙醇试点项目，在广西、重庆、四川等地，建设若干个以薯类作物为原料的燃料乙醇试点项目，在四川、贵州、云南、河北等地建设若干个以小桐子、黄连木、油桐等油料植物为原料的生物柴油试点项目。到2010年，增加非粮原料燃料乙醇年利用量200万吨，生物柴油年利用量达到20万吨。到2020年，生物燃料乙醇年利用量达到1000万吨，生物柴油年利用量达到200万吨，总计年替代约1000万吨成品油。第16页/共72页17

生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式。它直接或间接来源于植物的光合作用。地球上的植物进行光合作用所消费的能量，占太阳照射到地球总辐射量的0.2%。光合作用所储存的能量是目前人类能源消费总量的10倍。可见，生物质能是一个巨大的能源。第17页/共72页18

生物质是地球上最广泛存在的物质，它包括所有动物、植物和微生物，以及由这些有生命物质派生、排泄和代谢的许多有机质。各种生物质都具有一定的能量。以生物质为载体，由生物质产生的能量，便是生物质能。第18页/共72页19

生物质能是蕴藏在生物质中的能量。煤、石油和天然气等化石能源也是由生物质能转变而来的。生物质能是可再生能源，通常包括以下几个方面：一木材及森林工业废弃物和短轮伐期的薪炭林；二农业废弃物；三油料植物；四城市和工业有机废弃物；五动物粪便。第19页/共72页20

在世界能耗中，生物质能约占14%，在不发达地区占60%以上。全世界约25亿人的生活能源的90%以上是生物质能。生物质能的优点是燃烧容易，污染少，灰分较低；缺点是热值及热效率低，体积大而不易运输。直接燃烧生物质的热效率仅为10%~30%。目前世界各国正逐步采用如下方法利用生物质能：第20页/共72页21①热化学转换法，获得木炭、焦油和可燃气体等品位高的能源产品，该方法又按其热加工的方法不同，分为高温干馏、热解、生物质液化等方法；②生物化学转换法，主要指生物质在微生物的发酵作用下，生成沼气、酒精等能源产品③利用油料植物所产生的生物油；④把生物质压制成成型状燃料（如块型、棒型燃料），以便集中利用和提高热效率。第21页/共72页22生物质能资源森林能源农作物秸秆禽畜粪便生活垃圾能源作物（一）燃料油作物第22页/共72页231．燃料油植物的四种类型到目前为止，科学家们已发现了很多种产“石油”植物。专家们正在进行品种的选择和质量的优化，并准备尽快实行商业化生产。燃料油植物可以分为以下四种类型：(1)桉树油类型(Eucalyptoloil)

桉树的干、枝叶中获得的成分，含挥发油和不挥发油，在桉树中含量为6.6%~8.7%。其主要成分为10碳烯酸(C10H18O2)可作为内燃机燃料。第23页/共72页24(2)黑皂油类型黑皂油是一种热带野生植物产的油，其化学组成（质量分数）为碳77.14%、氢11.8%及氧11%它的热值在3997.2—3576.5kJ/kg。该植物主要生长在我国西南山地。第24页/共72页25(3)产烃类化学物质种类

MelvinCalvin发现在大戟科和大戟属的植物中除了还原CO2为碳水化合物外，还产生烃类化合物质。研究发现一年生的续随子[EuphorbiaLathyris]和多年生的绿玉树[Euphorbiatirucalli]其干物质为鲜重的10%－15%，其中含烃类物质为干重的6%－11.7%。植株干物的热值在14653.8－18421.92kJ/kg(即3500-4400kcal/kg)，其苯的抽提物的热值为38937.24~46054.8kJ/kg(即9300~11000kcal/kg)。提取后的残渣热值为13397.76~14653.8kJ/kg(即3200~3500kcal/kg)。第25页/共72页26(4)产醇类的植物在热带的一些树种在切开其花柄后，会滴出酒精含量在6%~9%左右的汁液，成年的树每天产量达10~15L。这些汁液可作为天然的含醇饮料，亦可以蒸馏为乙醇。如在东帝汶，当地称霸王榈，在切开其花柄后其滴出液汁乙醇的含量在4%-6%左右，经简单的蒸馏，乙醇的含量可达39%~44%。菲律宾山区的汉加树其果实含15%的乙醇。第26页/共72页27研究得比较多的两种产石油植物(1)绿玉树(Euphorbiatirualli)

绿玉树属大戟科大戟属植物，是直立无刺的灌木或小乔木，高2—10m。枝绿色，多乳汁，圆柱状，簇生或散生。叶小[长1-2.5cm、宽3-4cm］线状矩圆形。雌雄异株。原产非洲的肯尼亚、莫桑比克，南非的乌干达、苏丹、坦桑尼亚等国的热带至暖温带。第27页/共72页28除原产地外，美国、马来西亚、印度、英国、法国等许多国家有较长的栽培历史。美国等国家还培育出乳汁含量高的栽培品种。绿玉树属旱生或中生植物，其最适生长条件是年降雨量为250~500mm的热带、亚热带地区。但其适应性强，极耐旱、耐湿、耐瘠薄，对土壤质地和温度要求不严。栽培范围已从热带、亚热带延伸至温带。第28页/共72页29

(2)续随子

[Euphorbialathyris]

续随子又名千金子、千两金、菩萨豆、小巴豆等，是大戟科二年生草本植物，原产欧洲，现我国辽宁、吉林、黑龙江、河北、山西、内蒙、贵州、广西、台湾等省区有栽培或为野生分布。其植物用途很广，除了是有利用潜力的能源植物外，还可药用、工业油脂用和农药用，而且还是很好的观赏植物。如果将续随子的利用综合开发则有极其好的前景。第29页/共72页30沼气发酵概述

沼气是有机物质在一定条件下,经过微生物的发酵作用而生成的以甲烷(CH4)为主的可燃气体。人们经过沼泽地时，脚踩下去，可见到许多小气泡浮出水面，此时点火，便可见到蓝色火焰，由于这种气体最早在沼泽地发现，故名沼气。在农村鱼塘或粪池中，往往也可见到这类气泡浮出水面，点火即燃。这些都是池底有机物质经厌氧细菌发酵而生成的沼气。第30页/共72页31沼气发酵是指有机物质（如碳水化合物，脂肪、蛋白质等）在一定温度、湿度和厌氧条件下，经过沼气菌群发酵（消化），生成沼气、沼液（消化液）、沼渣（消化污泥）的过程，也叫厌氧消化。沼气发酵产生的三种物质，应用价值都很高。沼气以甲烷为主，是一种清洁能源；沼液（消化液）中含有氮(N)、磷(P)、钾(K)速效肥分，是优质肥料；沼渣（消化污泥）的主要成分是菌体、难分解的有机物质和无机物质，是一种优良的迟效有机肥料，并有改良土壤的功效。第31页/共72页32

沼气发酵有两大优点：①能处理高浓度（※COD1000mg/L以上）的有机废水；②能处理的废水种类多，除了人畜粪便，各种农作物的有机废物外，工厂的有机废水废物，也可用来沼气发酵。但沼气发酵也存在不足：①由于发酵速度慢，需要容器大；②受温度影响大，温度高则处理能力强。第32页/共72页33家用沼气发酵工艺沼气发酵原料从一般农家沼气发酵原料来源情况看，采取多用些粪便原料比较有利（特别是启动阶段），容易启动，效果也较好。为了加快启动速度，提高产气量，可以采取添加适量氮肥的办法解决。第33页/共72页34

2．沼气发酵的基本条件

(1)严格的厌氧环境由于沼气菌群中的产甲烷菌是严格厌氧菌，对氧气特别敏感，需要严格的厌氧环境，这是沼气发酵的先决条件。第34页/共72页35(2)菌种的选择与富集培养沼气发酵菌种足，活性高，则起动快，产气好，质量高。菌种来源广泛，沼气池的沼渣、沼液，粪坑底的污泥，屠宰场的下水沟污泥都是很好的接种物。有时需要的接种量很大，一时又难于采集到，可以采取富集培养方法：选择活性较强的污泥，加入要发酵的原料，使之逐渐适应，然后，逐步扩大到需要的数量。第35页/共72页36接种量一般为发酵料液的15%-30%，质量好的菌种可少些，反之宜多些。(3)合理配料

原料是沼气发酵的基础，发酵前需准备充足的原料。农村的沼气发酵原料多采用粪便与秸秆混合的原料。注意好粪便与秸秆二种原料合理搭配，尽可能多用些粪便原料，加上良好的菌种，便能使发酵起动快，产气迅速。第36页/共72页37(4)料液pH值沼气发酵适宜的PH值为6.8～7.5。一个正常的沼气池，有足量的菌种，便有自动调节的能力。如果原料配制不当，且接种质量又差，就有可能出现有机酸大量积累，PH值下降而自身调节不了的现象。当PH值低6.5时，即表示沼气发酵受到抑制，通常可添加草木灰水或稀释的氨水来调节。当用石灰水来调节时，一定要严格控制用量，否则，易影响沼气微生物的活动。第37页/共72页38(5)发酵温度温度是沼气发酵的一个关键因素。沼气微生物的代谢活动随温度上升而愈加旺盛。发酵温度一般分成三个温度区：①10~28℃常温发酵区；②30~38℃中温发酵区；③45~55℃高温发酵区。中温和高温发酵要进行保温，且需补充热源，农村一般难于采用。第38页/共72页39

农村沼气池都属常温发酵，发酵温度随气温变化而变化。由于农村沼气池都是埋池的水压式池，因此，沼气温度实际上受地温影响，虽在短时间内，气温变化大，变化快，但由于大地热容量大，地温不会随气温变化而明显变化，而是相对稳定的，变化慢，变化小。

第39页/共72页40(6)搅拌沼气池在不搅拌的情况下，发酵料会分成三层－上层结壳，中层清液，下层沉渣，这不利于微生物与发酵料的均匀接触，妨碍发酵产气。搅拌的目的，就是要打破发酵料分层，促进发酵产气。搅拌方式有人工搅拌、机械搅拌、气搅拌和液搅拌等。后三种需要一定的设备，多在大、中型沼气工程中应用。人工搅拌方式比较适合农家小型沼气池采用，一来搅拌工具简单易行，二来比较经济，这种搅拌适于间断进行。第40页/共72页41

3.沼气发酵工艺沼气发酵工艺有多种，有按发酵温度分为：常温发酵、中温发酵和高温发酵三种。或按投料方式分为批量投料发酵工艺，半连续投料发酵工艺和连续投料发酵工艺三种。这里主要介绍一下我国农村家庭三结合沼气池所采用的发酵工艺－半连续发酵工艺。它的全年产气率为0.15－0.3m3/（m3·料液·天），其工艺流程如图2-3。第41页/共72页42第42页/共72页43第43页/共72页44第44页/共72页45生物质液化

将固体生物质转化为液体燃料，称为生物质液化。它包括间接液化和直接液化。间接液化是指通过微生物作用或化学合成方法生成液体燃料，如乙醇（酒精）、甲醇；直接液化则是采用机械方法，用压榨或提取等工艺获得可燃烧的油品，如棉籽油等植物油，经提炼成为可替代柴油的燃料。第45页/共72页46生物质液体燃料在替代交通运输燃料方面有很大的潜力，用生物化学的方法利用含糖、淀粉和纤维素的三类生物质生产液体燃料，现已达到工业化的水平。第46页/共72页47能源甘蔗[糖类]生产燃料乙醇的技术甘蔗原料国外在发展可再生生物能源中，首选植物是能源甘蔗。甘蔗为碳四作物，其光合作用效率比普通碳三作物的稻麦等高一倍以上，是一种人类迄今所栽培的生物量最高的大田作物。甘蔗还具有再生性强，可多年宿根种植的优点。能源甘蔗生物量和可发酵糖量比一般甘蔗高50%以上，酒精发酵糖量达23.6-27t/(ha·y)。因此，能源甘蔗是酒精生产的最佳原料。第47页/共72页48

热水第48页/共72页49木质纤维素生产燃料乙醇的技术木质纤维素中的纤维素和半纤维素是有很大潜力的生产燃料乙醇的原料,有酸解生产燃料乙醇的工艺和酶解生产燃料乙醇的工艺。经过几十年的研究，用生物技术的方法使用木质纤维素生产乙醇的关键技术得到很大的发展，已接近大规模生产的水平。第49页/共72页50第50页/共72页51第51页/共72页52生物质气化原理

生物质气化是在一定的热力学条件下，将组成生物质的碳氢化合物转化为含一氧化碳和氢气等可燃气体的过程。为了提供反应的热力学条件，气化过程需要供给空气或氧气，使原料发生部分燃烧。第52页/共72页53气化过程和常见的燃烧过程的区别燃烧过程中供给充足的氧气，使原料充分燃烧，目的是直接获取热量，燃烧后的产物是二氧化碳和水蒸气等不可再燃烧的烟；气化过程只供给热化学反应所需的那部分氧气，而尽可能将能量保留在反应后得到的可燃气体中，气化后的产物是含氢、一氧化碳和低分子烃类的可燃气体。

第53页/共72页54生物质气化包括热解、燃烧和还原反应。在以空气为介质的气化器中，总的反应式可作：

CH1.400.6+0.4O2+(1.5N2)—0.7CO+0.3CO2+0.6H2+0.1H2O+(1.5N2)上式中CHl.4O0.6代表生物质的分子式，以空气为气化介质意味着同时加入氧气和氮气。因氮气不参加反应，反应后留在燃气中冲淡了可燃成分，所以以空气为介质的气化只能得到未发热值的燃气，发热值一般在5~6MJ/m3。第54页/共72页55固体成型燃料我国生物质固体成型燃料技术和设备已取得突破，有效地解决了功率大、生产效率低、成型部件磨损严重和寿命短等问题，并实现了商业化，达到了国际先进水平。截止到2008年底，我国农村地区已累计推广生物质成型燃料示范点102处，成型燃料的年产量约20万吨。第55页/共72页56第56页/共72页57沼气发电技术目前用于沼气发电的动力设备主要是内燃机。柴油内燃机用沼气的改装方法柴油机和点燃型发动机（汽油发动机）是最经济的内燃机。这两种发动机用沼气作为燃料之前必须进行改装，为燃烧室提供适合的混合气，即在化油器前增加一个沼气—空气混合器。第57页/共72页58沼气发动机一般分为压燃式和引燃式两种。压燃式发动机采用柴油—沼气双燃料，通过压燃少量的柴油以点燃沼气进行燃烧做功。这种发动机的特点是可调节柴油/沼气比，当沼气不足甚至停气时，发动机仍能正常工作，缺点在于系统复杂。大型沼气发电工程多采用引燃式沼气发动机也称全烧式沼气发动机，其特点是结构简单，操作方便，而且无需辅助燃料，适用大中型沼气工程下工作。柴油机改装为引燃式沼气发动机，除了在化油器前增加一个沼气—空气混合器之外，还需加装一个电点火系统，同时增加火花塞。第58页/共72页59

沼气发电机组系统的组成，一般由以下几个部分组成：

1、沼气脱硫及稳压、防爆装置，供发动机使用的沼气要先经过脱硫装置，以减少硫化氢对发动机的腐蚀。沼气进气管路上安装稳压装置，以便于对流量进行调节，达到最佳的空燃比。另外，为防止进气管回火，应在沼气总管上安置防回火与防爆装置。

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2、进气调节系统：在进气总管上，需设置一套精确、灵敏的燃气混合器，以调节空气和沼气的混合比例。

3、发动机点火系统：沼气的燃烧速度慢，对于原来使用汽油、柴油已及天然气的发动机的点火系统要进行一定程度的改造，以提高燃烧效率，减少后燃烧现象，延长运行寿命。第60页/共72页61

4、调速系统：若沼气发电机组独立运行，即以用电设备为负荷进行运转，用电设备的并入和卸载都会使发电机的负荷产生波动。为了确保发电机组正常运行，沼气发动机上的调速系统必不可少。

5、预热利用系统：采用预热利用装置，对发动机冷却水和排气中的热量进行利用，提高沼气的能源利用效率。第61页/共72页62

6、并网控制系统：主要包括发电机调压电路，自动准同期并列控制电路，手动并列和解列控制电路，测量电路，燃气发动机及辅助设备控制电路等。第62页/共72页63第63页/共72页64

天然气的化学组成及其理化特性因地而异，主要成分是甲烷，还含有少量乙烷、丁烷、戊烷、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢等。无硫化氢时为无色无臭易燃易爆气体，密度多在0.6～0.8g/cm3，比空气轻。通常将含甲烷高于90%的称为干气，含甲烷低于90%的称为湿气。

第64页/共72页65垃圾发电

垃圾发电是把各种垃圾收集后，进行分类处理。其中：一是对燃烧值较高的进行高温焚烧（也彻底消灭了病源性生物和腐蚀性有机要物），在高温焚烧（产生的烟雾经过处理）中产生的热能转化为高温蒸气，推动涡轮机转动，使发电机产生电能。二是对不能燃烧的有机物进行发酵、厌氧处理，最后干燥脱硫，产生一种气体叫甲烷，也叫沼气。再经燃烧，把热能转化为蒸