生物质能的转化和利用技术研究
image 生物能 05/18

摘要:能源短缺成为影响中国未来发展的主要问题之一。生物质能的应用有助于解决我国能源短缺的问题,同时能够减小化石燃料使用带来的负面影响。文章主要介绍了生物质能的概念、生物质能利用的意义及生物质能的转化和利用技术,而且还提出实际利用过程中需要解决的问题以及未来的发展方向——以生物质为核心的多联产系统。 

生物质能的转化和利用技术研究

国内仅秸秆类生物质每年有7亿t以上在田间直接燃烧,不仅造成资源浪费,也污染环境。发展生物质能利用技术对中国能源与环境可持续发展具有重要意义。 生物质能源分布广、资源量大、价格便宜、可再生、含硫量低和灰分少,使用生物质能具有CO2净排放量为零,可以减少温室气体排放的特点。各类生物质及煤的工业分析及元素分析如表1所示。 表1燃料工业分析以及元素分析% 

生物质能的转化和利用技术研究 1生物质能的转化和利用技术 1.1直接燃烧技术 生物质直接燃烧是生物质能最早被利用的传统方法,就是不在进行化学转化的情况下,将生物质作为燃料转换成能量的过程。直接燃烧可以分为炉灶燃烧和锅炉燃烧两种情况。 生物质在炉灶中燃烧的热效率一般为10%~15%,在省柴炉灶中燃烧的热效率为30%左右。生物质作为锅炉的燃料直接燃烧,其热效率为50%~60%。 从国内外生物质直接燃烧技术的发展状况来看,流化床锅炉对生物质燃料的适应性较好,因为生物质燃料在床内停留时间较长,可以确保生物质燃料完全燃烧,提高燃生物质锅炉的效率。同时流化床锅炉能够较好地在850℃左右稳定燃烧,燃料燃尽后不易结渣,并且减少了NOx、SOx等有害气体的生成。但也存在一些缺点:(1)流化床锅炉排出灰分,与其它锅炉相比较大;(2)生物质燃料需要进行一系列的预处理;(3)生物质燃料蓄热能力小,影响了灰渣的综合利用。 1.2生物质固化技术 生物质固化是将生物质原料粉碎到一定颗度或者在高压条件下利用机械挤压成型。经过生物质固化以后,能量密度可增大到加工前10倍左右,热值可以达到15000kJ/kg左右。 生物质型煤是生物质固化技术的一种,将干燥的煤粉、生物质和固硫剂(CaCO3)按一定的比例混合后压制成一种固体燃料。生物质型煤由于生物质着火温度低于煤着火温度,使得生物质先燃尽,其燃烧造孔作用,有利于型煤充分燃烧,还有利于固硫反应。 生物质煤在燃烧性能和环保性能上具有明显的优良特性,但是一次性投资成本高,同时技术和经济因素阻碍了商业化发展应用。国内型煤利用存在的主要间题是着火滞后,脱硫率低,难以兼顾燃烧和脱硫的要求,特别是对高硫低热值煤,存在着不能兼顾着火燃烧和脱硫的问题。 1.3生物质液化技术 生物质液化是以生物质为原料,制取液体燃料,是有效利用生物质能的最佳途径之一。目前生物质液化的主要方法有:水解发酵制燃料乙醇、生物质直接液化和生物质裂解生成液体燃料等。生物质液化主要产品为甲醇、乙醇和生物柴油。 1.3.1水解发酵制燃料乙醇 传统的酵母发酵乙醇技术用于糖或淀粉含量高的生物质已经趋于成熟,并有较大规模应用,而对于含大量纤维素的植物来讲,正在开发将纤维素水解为糖后再制取乙醇的技术。 纯酒精或汽油和酒精的混合物都可以作为燃料。混有20%酒精的汽油辛烷值高,能清洁燃烧,而且不必对汽车发动机作较大的改造。 由于我国人口多,以淀粉为原料生产燃料乙醇受到限制。生物质发酵法应用于木质纤维素类的生物质目前存在生产周期长、转化效率低的缺点。 1.3.2生物质直接液化 生物质直接液化是将生物质在适当的压力和温度下,并且有一定的溶剂和催化剂存在的条件下进行的直接液化。 美国匹兹堡能源研究中心Apel将生物质放入Na2CO3溶液中,通入CO加压至28MPa,在350℃下得到40%-50%的液体燃料。 Demirbag根据实验资料,将液体油和焦油的产率与原料中的木质素的含量进行研究,得到以下的关系:油产率=-0.015(LC)3+1.67(LC)2-62.25(LC)+809.122,焦碳产率=-0.014(LC)3-1.352(LC)2-50.722(LC)-581.19,其中LC为原料中的木质素的含量。 生物质直接液化的优点:(1)对原料不需要进行脱水和粉碎等高耗能步骤;(2)设备简单、操作简单;(3)产品质量好热值高。 生物质直接液化得到的燃料油与传统的燃料相比具有含水量高、含氧量高、性质较不稳定等特点。 1.3.3生物质裂解生成液体燃料 生物质裂解生成液体燃料是在无氧或缺氧条件下,利用热能切断生物质大分子键,使之转变为小分子物质的过程。 以木屑为原材料,利用旋转锥反应器闪速热裂解实验结果表明,当木屑加入速度为26.42kg/h时,生物油、不可冷凝气体及木炭的得率为53.37%、21.45%和25.16%。裂解得到的产物中含有醇类化合物,而且基本上不含硫、氮和金属成分。但是裂解得到的液体燃料和热稳定性差,并存在腐蚀性。裂解过程中,必须消除焦油问题,提高液体燃料产率。 1.4生物质气化 生物质原料中通常含有70%~90%挥发分,由于这一特性使气化技术非常适用于生物质原料的转化。气化形式多样,目前主要有沼气发酵技术和生物质热解气化技术。 1.4.1沼气发酵技术 沼气发酵是利用有机废气物转化为气体燃料。这个过程通常有3个阶段:水解阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段。发酵过程如图1。

生物质能的转化和利用技术研究 图1发酵过程示意图 发酵的生物质原料主要是生活废物、废液和工农业垃圾,是操作简单而且非常可行的一种方式,同时解决了农村能源短缺问题。 1.4.2生物质热解气化技术 生物质热解气化技术是优化利用生物质的技术之一。生物质在高温下,经过干燥、裂解、氧化反应和还原反应等过程之后,得到CO、H2、CH4等可燃气体及CO2、N2的混合物。 热解过程包含许多复杂的反应。低温时(低于250℃)的主要产物是CO2、CO、H2O及焦碳。温度升高至400℃以上时,又发生一些反应,生成CO2、CO、H2O、H2、CH4、焦碳及焦油;温度继续升高到700℃,出现二次反应,焦油裂解为氢、轻烃及碳等产物,如图2所示。 生物质能的转化和利用技术研究

图2热解机理模型 气化的主要优点是生物质转化为可燃气后,利用效率高、用途广。但是生成的燃气不易于储运,一般为低热值或中热值,较少产生高热值气体。如改变生物质热解气化工艺,将原料经预处理、压制成型、碳化造粒和水煤气生物质气化,则可以得到高于10000kJ/m3的高热值气体,它可以直接用于燃烧或者作为燃气透平的燃料,也可以作化工原料。 生物质利用技术中最有前途的是IGCC技术,燃气透平将气体转化为电能的效率高。IGCC系统要求可燃气体在进入燃气透平燃烧之前需要净化。目前生物质热解气化中的焦油消除问题,已经成为制约生物质气化技术的主要因素。 2未来发展方向 生物质能的转化和利用技术的未来发展必须解决上述提到的问题,而且还必须同时考虑资源、能源、环境一体化的问题,从而解决能源以及环境问题。 根据以煤为中心的多联产系统的概念,考虑到二氧化碳的大量排放导致全球气候变暖的情况,建议发展以生物质为核心的多联产系统,以减少温室气体的排放。多联产系统的实质是多种产品生产过程的优化耦合。优化耦合之后产品生产流程比各自单独生产的流程可以简化,而且解决了单独生产过程中存在的问题,同时还可减少基本投资和运行费用,降低各个产品的价格。通过对合成气的集中净化,将SOx、NOx、粉尘等传统污染物排放减少到接近零的水平,温室气体CO2的排放量可减少一个数量级。 以生物质为核心的多联产系统,与上述生物质能的转化和利用技术的区别在于从整体最优角度、跨越行业界限而提出的一种高度灵活的资源、能源、环境一体化系统,如图3所示。

生物质能的转化和利用技术研究

图3资源、能源和环境一体化系统示意图 发展以生物质为核心的多联产系统,必须先将生物质气化净化得到可以利用的气体。生物质气体可以作为化学原料,也可以用于热、电、冷联产,联合循环发电和生产液体燃料,来代替化石燃料。同时气体可以通过重整(水煤气变换技术)将气体中的CO转化为CO2,再将CO2分离回收可以得到富氢燃气。富氢燃气可以用于制氢气,而氢气可以用作为化工原料。 在发展以生物质为核心的多联产系统,引入高温燃料电池发电技术。将洁净合成气或变换分离CO2后得到的富氢燃气先通入燃料电池,利用化学反应直接将燃料化学能转化为电能,之后再以燃气-蒸汽联产循环的形式发电。这样可进一步提高能量的转化效率,减少污染物及温室气体的排放。在该过程中回收得到的CO2可以作为化工原料制作干冰,也可以用于传统的石油、天然气等一次能源行业生产中,或直接埋存在废弃天然气田或者矿井里。CO2回收和埋存技术结合,可直接减排CO2,实现利用系统的近零排放。 考虑到现阶段农村经济水平和农民承受能力,建议优先发展沼气发酵气化集中供气系统。对生物质资源比较丰富、相对集中且电力比较紧张地区,建议优先发展沼气发酵供气与发电联产模式。对于经济发达农村,可以考虑发展生物质气化集中供气和生物质燃气空调联产模式。

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