生物燃料-氢能源燃料技术

生物、氢燃料技术一、生物燃料来源二、生物燃料开采技术1、生物质转化为气体燃料的技术途径

2、生物质厌氧发酵产沼气技术

3、生物质热化学气化技术三、氢能源燃料一、生物燃料来源生物燃料生物燃料是指通过生物资源生产的燃料乙醇和生物柴油。生物燃料属于生物能源。是太阳能以化学能形式储存在生物中的一种能量。来源于植物的光合作用，以生物质为载体。生物质主要指农林作物、农作物秸秆、林业废弃物、动物粪便和生活垃圾等。生物燃料生物燃料可以替代由石油制取的汽油和柴油，是可再生能源开发利用的重要方向。生物燃料甚至没有难闻的气味。据说，以大豆作原料的生物柴油，燃烧以后排出的废气有点像炸薯条的味道生物燃料汽车、飞机低碳、循环、减缓温室效应生物燃料工厂生物燃料的原料1、玉米、小麦等粮食2、草、树木、甘蔗3、农作物秸秆、林业废弃物4、动物脂肪5、动物粪便6、植物油，豆油

7、海藻8、生活垃圾生物燃料的原料巴西玉米、小麦甜菜、甘蔗虾壳、生活垃圾动物粪便秸秆、草木生物燃料的原料淀粉、糖类海藻生物燃料项目争议一系列重大研究显示，以粮食为原料的生物燃料，如玉米乙醇，并非如人们想象的那样，是一种绿色燃料，正是它导致了世界粮食价格飞涨。而且，由于发展生物燃料可以获得政府补贴，大片森林遭砍伐，由此产生的温室效应比燃烧汽油还严重。生物燃料是粮价上涨的罪魁祸首二、生物燃料开采技术1、生物质转化为气体燃料的技术途径

2、生物质厌氧发酵产沼气技术

3、生物质热化学气化技术1、生物质转化为气体燃料的技术途径

2、生物质厌氧发酵产沼气技术1、沼气技术概述

由CH4、CO2、H2和H2S组成的可燃性气体

1.1沼气的组成及热值

属于中热值气体，20MJ/m3

左右1.2沼气技术的特点（1）原料来源具有广泛性畜禽粪便：各种动物粪便农作物秸秆：玉米秸秆、小麦秸秆等高浓度有机废水：酒精废水、啤酒废水、味精废水等水生生物：水葫芦、蓝藻等有机垃圾：垃圾填埋气食品加工废弃物：屠宰加工废弃物等

我国目前禽畜粪便总排放量约为21亿吨，这些粪便每年可产沼气400多亿立方米，发电约800亿度，装机容量可达1000万千瓦。根据畜牧业发展规划，2020年，中国畜禽粪便量将达到40亿吨。中国沼气资源潜力将进一步增加，预计装机容量可达2000万千瓦以上。1.2沼气技术的特点（2）能量转化具有高效性同样的土地面积生产的生物质转化为生物乙醇、生物柴油、生物质液体燃料和沼气这些不同形式的燃料相比，转化为沼气获取的能量最多。1.2沼气技术的特点（3）能源、环境与生态友好性沼气发酵强化了自然界中物质的循环利用。发酵过程不仅产出了能量，而且发酵剩余物还具有很好的肥料价值，此外，沼气利用过程能够实现二氧化碳零排放。因此，沼气技术的应用可以促进环境保护和生态农业的发展。1.2沼气技术的特点（4）与现有天然气利用设施之间易于衔接性沼气的主要可燃成分和天然气一样都是甲烷。因此，通过物理或化学吸附方法脱除沼气所含的二氧化碳后就可制成生物天然气，生物天然气完全可替代天然气进行使用，因此天然气的一些成熟的使用设施，如储气罐、燃烧器、输气管网等均可被生物天然气使用。这一特性使降低了该技术推广的成本。1.2沼气技术的特点（5）与生物质适度规模化利用的匹配性生物质资源的分散性决定了其能源化开发应该走“适度规模化”之路。沼气技术以其规模适度、能实现物质和能量的梯级开发利用而成为生物质开发利用的一个重要发展方向。2、沼气发酵原理与工艺2.1沼气发酵原理（1）水解（2）产酸发酵(3)产甲烷发酵复杂有机化合物（碳水化合物、蛋白质、脂类等）简单有机化合物（单糖和双糖、氨基酸、肽等）挥发性脂肪酸和醇（丙酸、丁酸和乙醇等）H2+CO2乙酸CH4+CO22、沼气发酵原理与工艺2.2沼气发酵工艺（1）工艺流程2、沼气发酵原理与工艺2.2沼气发酵工艺工艺类型温度中温发酵常温发酵高温发酵进出料方式批量发酵连续发酵半连续发酵料液浓度湿发酵干发酵反应器类型CSTRUASBASBR……（2）工艺类型2.3影响沼气发酵的工艺因素1）

温度（1）常温发酵，指在自然气温或水温条件下的沼气发酵工艺，适宜的温度范围为10～30℃。（2）中温发酵，指发酵温度在30～40℃条件下的沼气发酵工艺，适宜温度为35～38℃。（3）高温发酵，指发酵温度在50～60℃条件下的沼气发酵工艺，适宜温度为52～55℃。2）C/N厌氧发酵微生物适宜的C/N范围为20～30:13）pH值厌氧处理过程中，水解菌和产酸菌对pH的适应范围相对较广，大多数该类细菌可以在5.0～8.5的pH范围内正常生长繁殖。但对于产甲烷菌，适宜其生长的pH范围相对较窄，在6.5～7.8之间，这也是通常情况下厌氧处理过程所应采用的pH值范围。4）接种污泥活性污泥对厌氧发酵过程的影响突出表现在两个方面，其一是它的活性，常用污泥比产甲烷活性表示，其二是其沉淀性能，它是影响反应器内污泥浓度的最为重要的因素。5）容积负荷反应器单位有效容积在单位时间内接纳的有机物量，称为容积负荷率，单位常用kgCOD/m3·d或kgBOD/m3·d表示。6）搅拌搅拌的主要作用：增加微生物与有机物的接触，消除反应器内存在的浓度梯度和温度梯度，从而加快发酵速度，提高产气量。此外还可起到破坏浮渣层，便于气体排出的目的。搅拌强度要根据反应器的实际运行效果来确定，适度的搅拌有利于提高反应器运行效率和沼气产率，而剧烈的搅拌则会产生相反的效果。3、厌氧反应器三个废油桶做成的沼气池3.1全混厌氧反应器(CSTR)3、厌氧反应器600m3一体化气柜进料装置搅拌装置能很好的适应固含率原料发酵的需要

由于通过强制搅拌来实现发酵原料与微生物的混合，因此，CSTR可以很好的适应秸秆、粪便类原料厌氧发酵的需要。抗负荷冲击能力强，适应半连续发酵的需要

搅拌作用可以将进入的原料很快与反应器内的发酵液进行均匀的混合，因此改工艺具有很强的抗冲击负荷的能力。全混合降低了发酵效率

由于混合降低了发酵液的浓度，从而降低了厌氧发酵生化反应的推动力。

CSTR反应器的特点：3.2塞流式反应器（HCPF)特点：进料TS浓度高

由于畜禽粪便与配兑污水不需“预处理”而分别直接加入沼气池，可人为控制进料TS浓度的提高。没有浮渣去除的难题

由于进料TS浓度高，悬浮物难以上浮形成浮渣；即使有少量浮渣也会被不断旋转的叶片将其破碎且压入发酵液中而被消化去除。能量输出率高

高浓度发酵节约了加热能耗如果采用“热电联产”其工程能量输出率η可达60％。由于进料总量减少一半以上，故沼液外运的能耗大为降低。

3.3升流式固体床反应器（USR）特点：不需搅拌，节省了运行能耗

与CSTR相比，USR没有搅拌装置，因此不仅使反应器结构得以简化，而且运行能耗也较低。靠污泥的自重下沉，增加了污泥滞留时间

未消化的生物质固体颗粒和沼气发酵微生物靠自然沉降滞留于消化器内，上清液从消化器上部溢出，这样可以得到比水力滞留期高得多的固体滞留期(SRT)和微生物滞留期(MRT)，从而提高了固体有机物的分解率和消化器的效率。

3.4上流式厌氧污泥床反应器（UASB）进料装置三相分离器3.5内循环厌氧反应器（IC)3.6膨胀颗粒污泥床反应器（EGSB)BiobedEGSBBiothaneUASB分离器为三层折流板分离器专利技术分离器为二层折流板分离器专利技术布水系统采用直管布水布水系统采用蛛网状管网布水气体设计上升流速为10m3/m2·h气体设计上升流速为1.5m3/m2·h液体设计上升流速为10m3/m2·h液体设计上升流速为1.5m3/m2·h平均设计COD容积负荷为30kg/m3·d平均设计COD容积负荷为15kg/m3·d液体回流比率为10:1液体回流比率为3:1有机负荷回流比率为10:1有机负荷回流比率为3:1Biothane公司的UASB和EGSB反应器设计对比3.7厌氧滤器（AF)3.8厌氧塘（Lagoon)3.9厌氧干发酵设备DRANCO反应器VALORGA发酵罐4户用沼气池池型圆筒型沼气池4.1圆筒型沼气池曲流布料沼气池（B型）4.2曲流布料沼气池特点：１、池底由进料口向出料口倾斜,把池底部最低点设在出料间底部,在倾斜池底作用下形成一定的流动推力,实现主发酵池进出料自流。２、原料进入池内由分流板进行布料,形成多路曲流,增加新料扩散面,充分发挥池容负载能力,提高池容产气率。３、扩大池墙出口,并在内部设隔板,塞流固菌。４、天窗盖下部设吊笼,利用内部气压、气流产生搅拌作用,缓解上部料液结壳。椭圆型沼气池4.3卵圆形沼气池强回流沼气池设计特点是:(1)在池型结构上,改长方形水压箱为顶置式半环形水压箱(草相酸化池),增设搅拌出料管、手动搅拌出料器和单向阀;(2)在发酵工艺上,改半连续发酵为连续发酵,改粪草混合发酵为粪草两相分离发酵。优点：(1)容积产气率高。(2)解决了出料难的问题。(3)全年产气均衡稳定。(4)容积小,投资和占地少。点盖槽式沼气池4.4点盖式沼气池特点：1、改大盖为小盖，可以避免大活动盖笨重安放不便，密封时要求技术较高的弱点，而且盖口小不仅增强了池体的整体性，可延长使用时间，还可限制人入池，增强了安全性，导气管从点盖口嵌入，可避免积水并便于检修；2、将原削球型池底改为槽式池底，以便于出料；3、扩大直径，减少池子的深度，增加发酵菌种与原料的接触面，以利于提高产气量和减轻出料的劳动强度；4、增加出料间的长度，扩大宽度，并在出料间后增设台梯；5、改平挡为“刀口”型挡墙，方便提取沉渣。自动排渣沼气池4.5自排渣沼气池分离浮罩沼气池4.5分离浮罩式沼气池商品化沼气池

5、沼气工程安全

6、沼气工程案例介绍资料来源：德国WELTECBIOPOWERGmbH

德国大型农场沼气工程养鸡场沼气工程中丹生物能源大型车用沼气工程——是由河南安阳贞元集团与丹麦（IFU基金/CSRCapital/NIRAS）联合体合资兴建的国内首座大型商业化车用沼气工程。该项目由青岛天人环境股份有限公司以EPC方式总包建设，技术支持方为丹麦NIRAS公司。位于河南省安阳市西南郊，总投资5500万元，占地50亩。

城市有机垃圾沼气工程投加原料——公厕粪污原料预处理、调配系统其他原料——牛粪、餐厨垃圾、污水厂污泥、秸秆CSTR反应器与二次发酵池、沼气储气柜沼气脱碳净化单元车用燃气压缩、加气单元CNG高压压缩、分子筛脱水技术储气柜与CNG撬装车沼液利用利用方式：1、用于葡萄园施肥，200元/车；

2、周边农户取用；

3、农田做水肥灌溉。养猪场废水处理沼气工程食品废弃物处理工程酒糟废液沼气工程三、氢能源燃料氢的制备以煤为原料制取氢气焦炉煤气PSA制氢装置

煤气化为合成氨后制取氢气

煤气化为合成氨后制取氢气以天然气制取氢气电解水制氢

太阳能制氢混合能源制氢制氢方法优缺点天然气重整CO需分离或进一步转化，气体纯净，费用低煤气化CO需分离或进一步转化，可能含尘和硫，费用低烃水蒸气重整转化温度高，催化剂易失活烃部分氧化转化温度高，催化剂易失活烃自热重整原料供给方便可自行维持热平衡，低CO，需高活性和高稳定性的催化剂醇水蒸气重整转化温度低，氢浓度高，低CO，需高活性和高稳定性的催化剂醇分解转化温度低，CO浓度高，需高活性和高稳定性的催化剂醇自热重整可自动热平衡，低CO，原料供给方便，需高活性和高稳定性的催化剂氨分解转化温度高，毒性原料，无CO肼分解自热平衡，有毒易爆高压氢气储存

高压储氢的问题容量小：以普通钢材制成的压力容器，储氢压力为15MPa时，氢的重量仅占总重量的1％，体积容量约0．008kgH2/L。使用特种高强度奥氏体钢材料制成的容器时，储氢重量可达总重量的2％－6％。安全性差：高压容器本身就需要特殊的照顾与维护，况且容器中装的是易燃易爆又易渗漏的氢气。车祸时可能有严重的后果。实施问题：容器压力愈高，充氢站的建设、压缩运行所化的代价愈高。而且充装1立方米氢气要耗电0．5度左右、而1立方米氢气经燃料电池发电仅得2度电。

液态氢储存液态氢储存液态储氢的问题气态氢降温到-253℃变为液体进行贮存；各种储氢方式中，液态储存氢能达到最高的储存体积密度和重量密度；液氢存储的重量比约5％－7.5％，体积容量约0．04kgH2/L；氢气液化的费用昂贵，几乎相当于三分之一液氢的成本；液氢的贮存容器庞大；需要极好的绝热装置来隔热，避免沸腾汽化。金属氢化物储氢首先使氢与金属形成金属氢化物加热后，金属氢化物分解脱氢而得氢气。储氢合金钛系储氢合金、锆系储氢合金、铁系储氢合金及稀土系储氢合金

金属氢化物储氢的问题单位重量的储氧量不高，储氢材料加上容器后，单位重量的储氢量低于高性能材料的压力容器，储氢重量为总重量的1．5％以下；单位体积的储氢容量有所提高，为0．05kgH2/L。储氢压力为1－2MPa，远低于压力容器，提高了安全性，充氢能耗皆降低；金属氢化物对氢气中的少量杂质如O2，H2O，CO等有较高的敏感度，高于燃料电池电极催化剂的敏感度，因而提高了对原料氢的质量要求；存在金属氢化物的机械强度、反复充放后的粉碎等问题，金属氢化物可反复充放的次数不多且价格昂贵；储氧化物的容器要能够耐高压，还要有足够的换热面积，能够迅速的传递吸氧和放氢反应过程中释放或者需要的热量。活性炭吸附贮氢

活性炭低温吸附具有相当好的储氢能力，在

-196℃，4.2MPa时，活性炭的储氢量约总重的5％；但是-196℃的低温、4.2MPa的压力，兼有高压容器法和液氢法的弱点，在车上也不是可行的方法。碳纳米材料贮氢

碳纳米管是一种纳米尺度的、具有完整分子结构的新型碳纳米材料，是由石墨的一层碳原子卷曲而成的无缝、中空的管体。碳纳米管具有优良的贮氢性能.碳纳米材料贮氢的问题纳米碳管的价格昂贵，目前还未解决其规模制备的方法；纳米碳放氢难，放氢的容量低，放氢速率低；氢能的利用氢能的利用

氢能的利用氢能的利用航天飞机的高压补燃氢/氧发动机氢气发动机宝马氢能源12缸发动机

氢气发动机宝马氢能源12缸发动机

氢气发动机氢能的利用氢气同样可以用来直接驱动改进的内燃机；转子发动机