清洁生物质秸秆能源研究进展

.第34卷第10期应用化工Vol 34 No. 102005年10月pplied chemical Industryoct.2005清洁生物质秸秆能源研究进展周勇(平原大学化学与环境工程学院河南新乡453003)摘要秸秆生物质是一种洁净的可再生能源,具有碗、氮含量低,环境污染小等优点。目前,国内外秸秆生物质主要有裂解制取汽柴油、水解生产乙醇燃料甲醇厌氧消化制取沼气固化生物性煤秸秆发电、生物质制氢等方面技术的研究及应用。阐述了各种技术的特点和存在的问题,提出了清洁秸秆生物质能源应加强裂解液化技术的研究以及工艺过程的开发,并对其未来的应用前景作了一定的预测关键词秸秆;生物质;能源;裂解中图分类号:TQ223;TQ352文献标识码:A文章编号:1671-3206(2005)10-0595-03Advance in the study of clean straw biomass as energyZHoU Yong(Institute of Chemistry and Environmental Engineering, Pingyuan University, Xinxiang 453003, China)Abstract: Straw biomass is a clean, recyclable energy resource. It has a lot of advantages, such as lowcontent of sulphur, nitrogen, low pollution and so on. At present, straw biomass has been researched andused at home and abroad, mainly in the production of diesel oil by cracking, the production of ethanol byhydrolysis, fuel methanol, the production of marsh gas by anaerobic digestion, solidify biological briquette, electricity production from crop stalks and hydrogen production from biomass, etc. This articleaims at the features of all technologies and the existing problems, suggests that the researches and skillsof straw biomass should be strengthened and makes a prediction at its application prospectsKey words: straw; biomass; energy pyrolysis生物质秸秆是一种洁净的可再生能源,它的开究进展作一综述。发利用越来越受到人们的关注。我国作为农业大秸秆能源转化技术研究进展国,生物质资源十分丰富,每年农作物秸秆产量达71.1生产沼气技术亿多吨。但大部分秸秆被废弃燃烧,不仅污染环境,我国的沼气技术运用已相当成熟,到1996年而且由于热效率低,造成能源的浪费。其能源利用已成为国内外众多学者研究的焦点。我国农村底我国已有600万农户用上沼气,沼气池主要原料每年要消费6亿多吨标准煤的能源用于生活和生是作物秸秆和动物粪便。就目前沼气的利用,具有产,生物质秸秆中硫的平均含量不到0.15%,煤碳许多优越性,它不仅能实现作物秸秆就地高能化而中硫的含量达到1.412%,是秸秆硫含量的9倍,秸且还实现了能源清洁化。沼气燃烧的热效率比城市秆洁净能源燃烧时,避免了因燃烧产生的SO2、NO煤气高出40%,若全国10%的农户用上沼气,每年而产生酸雨它是一种二氧化碳零排放的可再生能就可消耗2000多万吨秸秆,变废为宝。减少了其源减少了CO2过量释放造成的温室效应。由于目它能源供应上运输成本。前研发的秸秆能源成本较高,相当于原油的1.21.2秸秤生物型煤技术3.6倍,如何开发出高效催化剂,降低产品成本,提目前作物秸秆在农村主要用于燃烧生活用能。高产率已成为利用秸秆转化为可利用能源的关键何建等利用作物秸秆得到生物型煤最佳生产条因素。开发清洁的可再生能源是解决能源危机减件:生物型煤成型主机的压力为17MPa,进料转速少环境污染,走可持续发展的必由之路。下面就国为40r/min,成型速率为7r/min,生物型煤与原煤内外生物质秸秆能源转化技术在这一领域取得的研比较,具有热效率高、灰分少、生物质来源广泛、生产收稿日期:200507-05基金项目:新乡市2005年科技发展计划项目(05056)作者简介周勇(1967-),男,河南光山人,平原大学副教授学士,主要从事有机合成教学与科研工作。电话:(0373)3076318,E-mail:chengshangzhou@yahoo.com.cn中国煤化工596应用化工第34卷成本低等优点既能节省能源,又能明显减少大气污(H2SO4)=70%]。其中以酶解法的研究最为活跃染,具有储存、运输和使用方便等特点。这一技术在该方法一般要经过原料的预处理酶水解和发酵。农村具有很好推广使用价值。氨法爆破技术具有酶解后糖的浓度高、设备投资成1.3热解气法制可燃气技术本低、操作简单等特点16。A.w6ik和A.Pek马承愚等报道了秸秆热解气化法制可燃气 arovicova报道了超声波处理法对酶水解和发酵的影技术,其生产工艺流程为:先将秸秆切碎后由螺旋响1,超声波能碎解木质素大分子,影响纤维的输送机输送到干馏气化炉中,秸秆在氧气不充足的化学性能和物理结构。 Kitchaiya等研究了微波条件下,干馏、热解、气化,被还原成CHn、CO、H2处理木质纤维对酶水解的影响在常压下240W的等可燃性混合气体。产生的可燃气体经冷却器降温微波处理稻草或蔗渣侵人甘油中10min后;反应温后进入气液分离器除去水和焦油,过滤后可得纯度200℃时,还原糖浓度提高2倍。纤维水解过程净可燃气体。中,是由于内切型B-葡聚糖酶作用于末端基释放出目前美国、英国、加拿大等国家学者开展了循纤维二糖最后分解葡萄糖分子。利用作物秸秆环流化床、加压流化床等的研究,已实现了工业化应生产乙醇的酵母和运动发酵单胞菌的固定化方法具用?-H。该工艺自动化程度较高气化效率60%~有工艺简单历时短等优点。 Masayuki和 Kumaku-80%,可燃气体热值170~250MJ/m3。蒋剑春ma以肠溶衣聚合物为载体固定化纤维素酶,对微晶等{2研究开发的内循环锥形流态化气化炉内对稻纤维素的水解率明显高于游离酶(。 Raja Rao草、麦秸等秸秆粉碎后,气化反应在600-820℃的等2研究了静磁场对 Saccharomyces Cerevisae发酵个较宽温度范围内,原料气化所产生的煤气热值木质纤维原料转化乙醇的影响,在磁场中静止24h达7.7MJ/m3,添加Ca0催化剂能明显提高煤气热时,乙醇浓度提高了3.4倍;若加入木糖异构酶和四值,降低CO组分,Na2CO3催化气化能提高气体H2硼酸钠,使用 Saccharomyces Cerevisae,可同时将葡的含量。目前该技术存在的主要问题是燃气热值萄糖和木糖发酵转化成乙醇,收率达90%。低,焦油含量大,热能利用效率低,前期投入资金短1.6燃料甲醇技术期很难回收,气体成本较高,农户难以承受。朱灵峰等对玉米秸秆转化燃料甲醇进行了1.4秸秤发电技术研究,在5MPa压力下,生物质秸秆合成气合成甲醇秸秆发电在欧洲的一些国家已得到广泛应适宜流量为0.4~0.6mo/h,最佳的反应温度为用13,世界上第一座秸秆生物燃烧发电厂于1988230~204℃,1kgC301铜基催化剂可获得最大甲醇年在丹麦投产。秸秆是清洁的可再生资源,秸秆经收率为056kg/h切碎,锤磨成15~20mm后发电,每2t秸秆产生的1.7秸秆转化汽、柴油热量相当于1标准煤,其热值相当于煤炭的85%杨正宇等(2报道了利用秸秆内的碳水化合物90%。秸秆燃烧的含硫量只有3.3%,远低于煤和木质素原有化学结构的特点,在催化剂作用下,选的平均含硫量,与同等规模每年发电1.38亿度的燃控断裂醚键、酚醚键、二烷基醚键和联接单元之间的煤电厂相比,秸秆发电每年可节约煤炭10多万吨,碳-碳键,调控反应条件,形成高活性自由基,实现了减少SO2排放量400t。目前,我国第一个完全利用秸秆内高分子目的性裁剪、重组,制备出汽、柴油馏秸秆发电的项目河北省晋州市秸秆发电厂前期分,其液相中40%左右为柴油馏分,20%左右为汽建厂工作正在加紧进行。秸秆发电锅炉排出的灰渣油馏分,其余是苯和苯酚等有机物。该方法为获得还可作为农家肥再利用,其生态经济效益十分明显。石油及精细化工原料开辟了广阔的前景。周肇秋等报道利用稻壳发电技术,其气化发电成1.8生物质制氢本约为0.26元/kWh,受电成本0.29元/kWh,接近生物质制氢包括生物法和热化学转化法。生物小型煤电发电成本法制氢根据生物生产所需要能量来源,可分为厌氧1.5燃料乙醇技术发酵法生物制氢与光合微生物制氢。两种技术相用秸秆生产燃料乙醇可作为汽油添加剂代替比,厌氧发酵法生物制氢表现出以下优越性:①发酵现有的MTBE。以秸秆为原料生产乙醇的成本低于产氢菌种的产氢能力要高于光合产氢菌种,而且发用粮食发酵法生产乙醇的成本现用以淀粉为原料酵产氢细菌的生长速度一般比光解产氢要快;②发的方法,其原料成本约占总成本的40%1。秸秆酵产氢需光源,可以实现持续稳定地生产,而且反应水解生产乙醇工艺有:①酶解法;②稀酸水解法[W装置的设计操作及管理简单方便;③制氢设备的反(H2SO4)=0.5%~1%];③浓酸水解法[W应容积可较大,从而可以从规模上提高单H將的第10期周勇:清洁生物质秸秆能源研究进展597产氢量;④可发酵的原料来源广,成本低。故此,发[6]马承愚倪爽美秸秆热解气化法制可燃气技术[J]酵法生物制氢技术比光合微生物制氢更容易实现规环境保护,1997,(12):3233模化、工业化生产。[7] Fan Zhen. a biomass pyrolysis gasifier application in Chi生物质热化学转换制氢指将生物质通过热化学n8 rll[J]. Fuel Science and Technology, 1993, 11(3):3743.反应转化为富氢气体。它分为生物质原料的裂解气化和焦油等大分子烃类物质的催化裂解。生物质裂8] Zschetzsch, Hofbauer H,hmtA.B0m0686cation in an internal circulation fluidized bed [J].Pro-解气化时,气化介质不同,燃料气体的组成及焦油处ceedings of the 8th Econ Biomass for Agriculture and理的难易程度也不同。实验表明,水蒸气有利于焦dustry,998,(3):1771-177油的裂解和可燃气体的生成。同样工艺条件下(2[9 Skog E. Biomass Gasification Combined Cycle Power用空气作气化介质,产生燃气燃值为4~7MJ/m3Plant Demonstration in Varnamo[M]. Sweden: Syclkraft氢气的含量仅为8%~14%;气体介质为水蒸气时Kunsult ab malmo 2000.产生燃气,其热值气10~16MJ/m3,氢气的含量提[10]cH, Aznar P, Caballero M A. Biomass gasification in高到30%~60%。焦油等大分子烃类物质的催化fluidized bed at pilot scale with steam oxygen mixtures裂解反应中,镍基催化剂的催化效果较好,在750℃produce distribution for very different operating conditions时有很高的裂解效率,但镍基催化剂较昂贵,成本较[J]. Energy and Fuels, 1997,(11): 1109-1118高。白云石在催化裂解反应中,具有催化效率高成[11 Smouse S M, Stoats G E, Rao s n,etl. Promotion of本低,具有很高的实用价值。hiomass cogeneration with power export in the Indian sugr industry[J]. Fuel Processing Technology, 1998, (54)结束语227229目前,世界各国都在对可再生能源进行研究。[12]蒋剑春应浩,戴伟娣,等.生物质流态化催化气体生物质秸秆作为一种洁净能源,其利用时不仅SO2、技术工程化研究[J].太阳能学报,2004,25(5):678NO2等危害气体排放量极小,而且具有CO2零排放683的优点,无环境污染的优势,已引起人们对其利用的[13]张茜尚俐君秸秤发电生态效益可观[J.华北电广泛重视。业,2005,(1):22-23我国具有丰富的秸秆资源,若能充分利用,不仅14]周肇秋,马隆龙李海滨等中国稻壳资源状况及其能减少环境污染,变废为宝,而且还是走可持续发展气化燃烧发电前景[J].可再生能源,2004,(6):7-9能源的必由之路。今年我国首部《可再生能源法》[15] Olsson JG, agid U, Pettersson JB O. Alkail meta emi的出台,将进一共促进我国的可再生资源秸秆的利sion during pyrolysis of biomass [J]. Energy Fuels, 199711:779-784.用。由于液体燃料的优点,秸秆乙醇化技术和生产汽柴油技术有着广阔应用空间。随着科学技术的[16] Mes-Hartree M, Dale b e, Craig W i. Comparation ofsteam and ammonia pretreatment for enzymatic hydrolysis不断进步,髙效催化剂开发研制获得突破,秸秆清洁of cellulose[ ] Appl Microbiol Biotechnol, 1988, 29能源成本的降低,我们深信,清洁秸秆能源的利用具462468有美好的前景。[17 Shihadeh A, Hochgreb S Diesel engine combustion of bio-参考文献:mass pyrolysis oils[ J]. Energy Fuels, 2000, 14: 260-274[ 18]Wojciak Adam, Pekarovicova Alexandra. 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