第二章生物質能利用工程 主要內容 2 1生物質能概述2 2秸稈 薪柴與省柴灶2 3生物質氣化及熱解2 4沼氣的制取及應用2 5生物質能發電技術2 6生物質能的工程應用 第一節生物質能概述 生物質能概念生物質能特點生物質能分類生物質能發展簡史現代生物質能利用技術生物質技術的研究與推廣 太陽能 綠色植物 草食動物 肉食動物 殘枝敗葉等 遺體及糞便等 遺體及糞便等 微生物 呼吸作用消耗 1 生物質能概念 生物質 由光合作用而產生的各種有機體 包括所有動物 植物 微生物 以及由這些生命體排泄和代謝的所有有機物質 是地球上存在最廣泛的物質 生物質能 蘊藏在生物質中的能量 是把太陽能轉化為化學能后固定和貯藏在生物體內的能量 它是一種唯一可再生的碳源 可轉化成常規的固態 液態和氣態燃料 從根本上說 生物質能來源于太陽能 是取之不盡的可再生能源和最有希望的 綠色能源 可再生低污染普遍易取可儲存運輸氣化較容易 能量密度低重量輕 體積大 給運輸帶來難度風雨雪火等外界因素為保存帶來不利條件 優點 缺點 2 生物質能特點 世界能源狀況 發展中國家一次能源使用情況 發達國家一次能源使用情況 1998年中國農村用能比例 傳統家庭使用的薪柴和木炭稻草 稻殼其他的植物性廢棄物動物的糞便 3 生物質能分類 現代木質廢棄物 工業性的 甘蔗渣 工業性的 城市廢物生物燃料 沼氣和能源型作物 農作物類 包括產生淀粉可發酵生產酒精的薯類 玉米 甜高梁等 產生糖類的甘蔗 甜菜 果實等 林作物類 包括白楊 懸鈴木 赤楊等速生林種 蘆葦等草木類及森林工業產生的廢棄物 水生藻類 包括海洋生的馬尾藻 巨藻 石莼 海帶等 微藻類的螺旋藻 小球藻等 以及藍藻 綠藻等 可以提煉石油的植物類 包括橡膠樹 藍珊瑚 核樹 葡萄牙草等 農作物廢棄物 如桔稈 谷殼 林業廢棄物 如枝葉 樹皮 鋸末等 畜牧業廢棄物 如骨頭 皮毛等 及城市垃圾等 光合成微生物 如硫細菌 非硫細菌等 遠古時代 簡單的直接燃燒19世紀以后 礦物燃料大量勘探開采 生物質能退居次要位置第二次世界大戰期間 液體燃料缺乏 揭開生物質能現代利用技術的序幕二戰之后 石油供應狀況好轉 研究開發工作暫時擱置20世紀70年代后 各種生物質能利用技術廣泛開發 并開始大規模工業應用 4 生物質能發展簡史 5 生物質能利用技術 5 1直接燃燒和發電 5 2化學轉換技術 5 3生物轉換技術 6 生物質技術的研究與推廣 2 發展方向 1 現狀 第二節秸稈 薪柴與省柴灶 秸稈與薪柴省柴灶壓縮成型技術 1 秸稈與薪柴 2 省柴灶 3 壓縮成型技術 第三節生物質氣化及熱解 概述固體燃料的氣化生物質熱解 生物質熱解氣化技術將固態生物質原料以熱解反應轉換成方便可燃氣體的過程 1 概述 發展歷程 不同氣化過程的產物及用途 2 固體燃料的氣化 2 1概述 以生物質為原料 以氧氣 空氣 富氧或純氧 水蒸氣或氫氣等作為氣化劑 或稱氣化介質 在高溫條件下通過熱化學反應將生物質中可燃的部分轉化為可燃氣的過程 氣化與燃燒的區別 有機物與氧發生反應完全燃燒獲得熱能不完全燃燒將化學能的載體由固體轉換為氣體 相同點 燃燒 氣化 2 2煤氣發生爐 煤氣發生爐的種類 基本工作過程一致據原料選擇爐型原料和氣化劑不同 產物不同 700 900 1200 450 左右 100 300 煤氣發生爐的工作過程 下吸式煤氣發生爐 上吸式煤氣發生爐 下吸式煤氣發生爐 上吸式煤氣發生爐 2000 平吸式煤氣發生爐 流化床式煤氣發生爐 生物質原料來源廣泛 價廉易取 氣化所用的原料主要是原木生產及木材加工的殘余物 薪柴 農業副產物等 包括板皮 木屑 枝杈 秸稈 稻殼 玉米芯等 生物質揮發組分高 70 80 在較低的溫度時大部分揮發份被釋出 400 而煤在800 時才釋出30 的揮發組分 生物質炭反應活性高 在較低的溫度下 以較快的速度與CO2及水蒸氣進行氣化反應 生物質炭灰分少 3 且不易粘結 簡化了除灰設備 生物質炭含硫量低 0 2 不必設氣體脫硫裝置 降低了成本 有利于環境保護 2 3生物質原料與煤原料比較 3 生物質熱分解 生物質熱分解的主要工藝類型 放熱階段 吸熱 生物質熱分解的過程 第四節沼氣的制取及應用 概述沼氣的組成及物理性質沼氣發酵的基本過程 1 概述 在湖泊或沼澤中有氣泡從水底的污泥中冒出1875年波波夫等人發現沼氣的產生是一個微生物過程1896年在英國一個小城市里建起了一座沼氣池 用來處理生活污水所產生的污泥 所產生的沼氣用來照明一條街道1927年德國開始用沼氣發電1955年出現了使微生物回流的厭氧接觸工藝 使厭氧消化的效率大大提高 1969年出現了厭氧濾器 1979年研制成功厭氧污泥床 微生物在厭氧條件下對有機物質進行分解代謝的產物甲烷 二氧化碳 硫化氫等無色 有臭味 有毒 1920年羅國瑞在廣東汕頭建造沼氣池 1929年開設了沼氣商號 中國天然氣瓦斯燈行 1930年取得了沼氣專利權 其后在全國13個省修建了沼氣池 50年代末 為解決農村炊事用能問題 農村辦沼氣出現了高潮 全國很多省市都修建了沼氣池 收到了一定的成效 但由于科學技術未能跟上 修建的沼氣池有的漏氣嚴重 加上缺乏管理 能夠堅持使用下來的為數不多 70年代初 由于農村生活燃料嚴重短缺 在四川 江蘇和河南等省農村又一次掀起了發展沼氣的熱潮 一度發展700多萬個沼氣池 70年代后期 即有大量池子報廢 1979年5月召開全國沼氣工作會議 認真總結了前一階段發展沼氣工作中的經驗教訓 提出了重視質量 穩步發展的方針 依靠科學技術 堅持建池質量 重視經濟效益 建管并重 穩步發展 并逐步形成以能源 環境保護和生態農業為目標的中國沼氣建設模式 從而使中國沼氣建設出現了新的轉機 走上了穩步 健康發展的道路 目前 我國農村戶用沼氣池已超過500萬個 經濟效益 1 擴大燃料資源 將原來不作燃料使用的人畜糞便及其他生活廢料變成熱能加以利用 2 改變農村傳統燃料的燃燒方式 提高了熱量的有效利用 3 節約秸稈用以還田 增加肥源 或用作粗飼料及輕工業 手工業原料等 4 經過沼氣池的發酵 提高了有機肥料的質量和肥效 5 有利于環境衛生 減少疾病 有利于水土保持 改進生態平衡等 2 沼氣的組成及物理性質 甲烷50 70 二氧化碳30 40 一氧化碳 氫 硫化氫 氧 氮等 CH4 氣體燃料 淺藍色火焰 對水的溶解度極小CO2 用石灰水吸收形成碳酸鈣沉淀H2S 有毒 惡臭 直接燃燒可不去除 用于內燃機時為防腐蝕 應進行脫硫處理 3 沼氣發酵的基本過程 1 沼氣微生物自身耗能少 2 沼氣發酵能處理高濃度的有機廢物 3 沼氣微生物對營養要求較低 能處理的廢物種類多 4 沼氣發酵受溫度的影響較大 5 發酵的主要終產物很容易從發酵液中分離出來 沼氣發酵的特點 甲醇發電技術城市垃圾發電技術沼氣發電技術生物質氣化發電技術 第五節生物質能發電技術 1 甲醇發電技術 概述 甲醇作為發電站燃料 是當前研究開發利用生物能源的重要課題 日本專家采用甲醇氣化一水蒸氣反應產生氫氣的工藝流程 開發了以氫氣作為燃料驅動燃氣輪機帶動發電機組發電的技術 日本建成1座1000kw級甲醇發電實驗站并于1990年6月正式發電 優點 低污染 成本低于石油和天然氣發電 主要問題 燃燒甲醇時會產生大量的甲醛 比石油燃燒多5倍 而有人認為甲醛是致癌物質 且有毒刺激眼睛 導致目前對甲醇的開發利用存在分歧 應對其危害性進一步進行研究觀察 垃圾發電方式 三種 垃圾填埋氣發電垃圾焚燒發電全量焚燒系統 2 城市垃圾發電技術 垃圾填埋氣發電 垃圾填埋氣發電系統一般由氣體收集系統 凈化加壓系統 燃氣機發電及電氣并網系統組成 將垃圾填埋場中的有機物經降解后產生的填埋氣 富含甲烷 作為燃料進行發電的技術 是一種將垃圾清潔化 資源化處理的利用方式 垃圾焚燒發電 將生活垃圾在垃圾貯坑中經過2 3d的貯存之后送入焚化爐中燃燒 利用垃圾焚燒放出的余熱加熱給水 產生一定溫度和壓力的過熱蒸汽送往汽輪發電機發出電能 生活垃圾的焚燒 本質上與其他燃料是相同的 都是有機物在高溫下的氧化放熱反應 但由于垃圾作為燃料在成份上的特殊性 使得燃料入爐前 燃燒后的處理較為復雜 這也就形成了垃圾焚燒系統與通常的煤燃燒系統有較大差異的原因 全量焚燒系統 專門設計用于不經預處理的混合垃圾焚燒 在發達國家城市垃圾大多采用無預處理焚燒系統并進行余熱利用 該系統利用率達85 以上 國內外垃圾焚燒技術主要有3大類 層狀燃燒技術流化床燃燒技術旋轉燃燒技術 也稱回轉窯式 從20世紀70年代起 一些發達國家便著手運用焚燒垃圾產生的熱量進行發電 歐美一些國家建起了垃圾發電站 美國某垃圾發電站的發電能力高達100兆瓦 每天處理垃圾60萬噸 現在 德國的垃圾發電廠每年要花費巨資 從國外進口垃圾 據統計 目前全球已有各種類型的垃圾處理工廠近千家 預計3年內 各種垃圾綜合利用工廠將增至3000家以上 日本去年推廣一種超級垃圾發電技術 采用新型氣熔爐 將爐溫升到500 發電效率也由過去的一般10 提高為25 左右 有毒廢氣排放量降為0 5 以內 低于國際規定標準 垃圾發電概況 垃圾處理效果欠佳 分類不清導致阻燃物太多 濕度太大 熱值極低 燒盡率也極低 引進焚燒設備尚不能很好地適應中國垃圾的特性 還存在著垃圾焚燒不完全 運行不穩定 排放不易全部達標等問題 利用國外關鍵技術和設備建設的垃圾電廠的每處理1t h能力投資約為60 70萬元 這對于中國絕大部分城市是難以承受的 設備昂貴 初投資過高 我國垃圾焚燒發電存在的問題 發電效率低 和常規火力發電廠相比 影響垃圾發電廠的另一個主要問題是垃圾焚燒伴生氯化氫 HCL 等在受熱面金屬管壁溫度超過350 時 對金屬管壁的腐蝕嚴重加劇 早期建設的垃圾發電廠為了防止這種腐蝕 生產的蒸汽溫度基本上都在300 以下 發電效率在14 以下 這使得垃圾發電廠的經濟效益低下 目前引進的國外焚燒設備采用輕柴油為助燃燃料 由于中國垃圾的熱值低 變化范圍較大 必須加入較多的助燃燃料 同時 也存在關鍵高溫部件 如過熱器等 使用壽命短 維修費用高等問題 因而 利用國外設備焚燒處理生活垃圾的成本較高 一般為120 150元 t 運行成本高 缺乏經濟性 只要用心分類 混雜無序的垃圾就都會化身為身價百倍的資源 還可以養活一個垃圾處理產業 中國的垃圾是不該燒的 3 沼氣發電技術 3 1 概況 中國是世界上建設沼氣發酵裝置最多的國家 據不完全統計 到2000年底中國農村已有家用沼氣池764萬個 共有3500多萬人口使用沼氣 年產沼氣達26億m3 印度也是積極推廣農村沼氣池的國家之一 該國日前已建成以牛糞為原料的典型農家戈巴沼氣池80多萬個 3 2 分類 3 3 沼氣發電系統組成 沼氣發電系統工藝流程圖 4 生物質氣化發電技術 1 發生爐2 冷卻過濾裝置3 煤氣發動機4 發電機5 配電盤6 離心過濾器7 灰分收集器8 底座9 燃料輸送帶10 生物質燃料 氣化爐冷卻過濾裝置煤氣發動機發電機 第六節生物質能的工程應用 沼氣利用技術燃料乙醇生物柴油秸稈能源利用計劃能源作物培育計劃 1 沼氣利用技術 2 燃料乙醇 燃料乙醇 以玉米 小麥 薯類 高粱 甘蔗 甜菜等為原料 經過發酵 蒸餾制得乙醇 脫水后再添加變性劑 車用乙醇汽油 變性燃料乙醇與汽油以一定比例混合配制而成的一種新型汽車燃料 在汽油標號前加字母E 特性 1 增氧性強 助燃效果好 2 溶解性好 清潔油路 3 燃燒充分 減少積炭 4 親水性強 使用不當會分層 發展概述 車用燃料乙醇是伴隨著20世紀70年代末全球性的石油危機而首先在美國推廣應用的 據不完全統計 到2001年 全美國燃料乙醇銷售量達490萬t 巴西在1975年由國家出面 推行車用乙醇汽油計劃 至今已經成為世界上最大的燃料乙醇生產和消費國 2000年3月 廣東省一位人大代表向全國人大會提出關于在中國發展車用乙醇汽油的提案 河南天冠集團根據國家推廣應用車用乙醇汽油領導小組的部署 利用河南省庫存的超過5年儲藏期的陳化糧食 于2001年4月8日建成投產生產燃料乙醇的工廠 其生產能力達到20萬t 年 2001年3月 上海交通大學汽車研究中心與廣西壯族自治區委員會簽定了以廣西山區特產的木薯為原料生產燃料乙醇的合作協議 目前中國已經實現在黑龍江 吉林 遼寧和河南四省全境范圍內推廣使用車用乙醇汽油的目標 據了解 目前吉林省車用乙醇汽油市場覆蓋率已接近90 2004年乙醇汽油銷售接近80萬噸 遼寧 黑龍江和河南三省也按省政府批準的實施方案積極穩妥推進 省內市場覆蓋率平均達到80 以上 3 生物柴油 生物柴油 含油植物 動物油脂以及廢食用油 利用熱裂解技術生產的可替代普通石化柴油的再生性柴油燃料 世界上一般使用的生物柴油是B20 含意是用20 的生物柴油加上80 的石油柴油 特性 1 發熱量與普通柴油相近 2 潤滑性能優于石油柴油 3 開口閃點高達160 石油柴油為45 55 更安全 4 生物柴油含氧量高于石油柴油 燃燒更完全 5 生產成本更低 生產單位能量的生物柴油所消耗的能量只是石油柴油的25 美國 發電裝機總容量超過10000MW 單機容量達10 25MW 紐約的斯塔藤垃圾處理站采用濕法處理垃圾 回收沼氣用于發電 同時生產肥料開發出利用纖維素廢料生產酒精技術 建立了1MW的稻殼發電示范工程 年產酒精2500t STM公司是美國通用汽車公司發展斯特林發動機技術的專業公司 研制出的STM 120發動機被美國能源部評價為世界上最先進的斯特林發動機 可與沼氣技術或生物質氣化技術相結合 構成50kw左右的村級生物質能發電系統 普林斯頓大學能源與環境中心 在研制以生物質燃氣為燃料 發電功率為200kW的小型燃料電池 燃氣輪機發電系統 巴西 生物質能在能源利用量中約占25 左右 其中薪柴和甘蔗占生物質能的50 60 其余是農業廢棄物 乙醇燃料開發應用最有特色的國家 實施了世界上規模最大的乙醇開發計劃 原料主要是甘蔗 木薯等 目前乙醇燃料已占該國汽車燃料消費量的50 以上 1965年制定 國家森林法 開始大量營造薪炭林 在巴伊亞州 已用桉樹作原料興建了一座25MW生物發電站 并投入商業運營 到2005年 巴西的生物質能發電量將可達到600MW左右 1980年頒布了一項應用植物油燃料的國家計劃 目的在于加快植物油代替柴油的進程 重