木质生物质在能源方面的开发与利用

第30卷第5期华北电力大学学报Vol30. No, 52003年9月Journal of North China Electri Power University2003文章编号:1007-2691(2003)050102403木质生物质在能源方面的开发与利用曹金珍,张壁光,赵广杰(北京林业大学工学院,北京100083)要:针对目前的能源形势,从木质生物质能的储存以及木质生物质能与化石能源产生污染的比较出发提出了木质生物质在未来能源领域的应用潜力及应用前景介绍了木质生物质的基本组成和化学组分,木质生物质作为能源的利用途径——直接燃烧、气化,液化和碳化等,以及在其利用技术方面的最新研究进展。日在引起对木质生物质的能源潜力和木质生物质能转化技术的普遍关注,从而促进该技术的进一步发关键词:木村;生物质;能源中图分类号:TK6文献标识码:ADevelopment and application of wooden biomassCAO Jin-zhen, ZHANG Bi-guang, ZHAO Guang-jie(School of Technology, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)Abstract: In regard to present situation of energy source, this article started from the accumalation of woodenbiomass energy and the comparison of the pollution produced by wooden biomass energy and fossil energy, andfurther put forward the application potential and expectation of wooden biomass in future energy source, Alsetroduced briefly in this article are the essential composition and chemical constitucnts of wooden biomass. theplication methods of wooden biomass as energy.direct combustion, gasification, liquidation, and carbonization,and the novelist research progress that has been made on these application technologies. The purpose of this erticleis to provide a basic introduction of the potential of wood biomass as an energy source, atartof researchers to the exchanging technologies from wooden biomass to energy, and finally further improve theseKey words: wood; biomass;: energy source近年来,围绕着生物质能研究者们开展了广泛而深入的研究,尤其是在木质生物质能方面。目前,生物质燃料在欧洲已经受到非常的重视,例如自从1972年的石油危机以来,人类开始意识瑞典、荷兰等。但是,在我国,生物质能的开发与到寻找其他可再生能源来代替煤,石油和天然气等利用还处在起步阶段,特别是对木质生物质能还没化石能源的必要性和紧迫性,另外,中国煤化工这种情况,本文将从木材的基烧时释放出大量的CO,CE和NO一介绍木质生物质能的生产途径环境和气候造成了严重的不良影响,CNMHG一气化、液化,碳化等方面研种可再生、低污染的能源形式,生物质能在未来的究者们的最新研究进展,旨在引起国内研究者们对源中占有不可估量的地位,木质生物质能转化技术的普遍关注,从而促进该技收稿日期:200304-30.作者简介:曹金珍(1978-),女,北京林业人学工学院研究生第5期曹金珍等:木质生物质在能源方面的开发与利用术的进一步发展。speciosa)、银槭属( Acer saccharinum L)和4年生的杨属( Populus sp)树种的化学元素组成、木质生物质能的优点学组分、燃烧热等性质。结果如表2所示表2几类速生阔叶树的基本元素组成化学组分和燃燥热木质生物质能是生物质能中最重要的一部分,因为森林的阳光利用率远高于农作物。有估算表明,地球上的森林每年由光合作用吸收的碳素量为基本元素组C47034812477656亿t而由呼吸作用释放出的碳素量为328亿t,成干重%)所以其每年的实际吸收量达到328亿t。由此可HoN见,森林是一个固定太阳能的巨大机构。而且与农0.56作物相比,树木还具有可在一年中任何季节砍伐的0.75特点,这使得木质生物质能具有十分广阁的应用前(%半纤维素16017.71景及巨大的应用潜力。木素1694森林是一个巨大的“空气净化器”。据测算,燃烧热/(cal-g4657人类活动每年释放出的CO2为70亿有3034亿注:1cl-41868.t排放到大气中,20亿t被海洋吸收,而余下的由表2可见,不同的速生树种由于其元素组成16-20亿t目前经科学家指出,是由北半球高纬度和化学组分的不同,燃烧时产生的热量也有一定的陆地生态系统(主要是森林生态系统)吸收并存差别。因此,将木质生物质作为能源进行使用时储。另外,木材在燃烧时产生的CO2是产生相同热应该综合分析树种、树龄等多方面的因素。值的燃料油的6.5%左右(如表1中所示),这足以表明木材燃料的低污染性3木质生物质的利用途径表1木材与燃料油燃烧产生的CO污染比较(1000kg木材相当于229kg燃料油木质生物质的主要用途在于能源以及生产化学燃料种药剂方面。石原田对木材生物质进行的各类反应燃料量1000kg及其产物作了详细的归纳,如图1所热量值11.9 MJ/kg42.7M/kg0.34 M/kg10.9 M /kg排放全碳量656kg化合域气体CO排放量合物(烃习2木质生物质的基本组成及化学组分化液化本材学药剂十其忾产木村的3大组成成分是纤维素、半纤维素和木素,它们占木材重量的%9%,在热帮木材中略低,约占90%,纤维素是木村细胞壁的骨架成/(忆一分,是由BD葡萄糖组成的线性高分子聚合物。半纤维素是细胞壁中与纤维素紧密联结的字品及其他产画结作用,主要由己糖、甘露糖、半乳糖中国煤化工拉伯糖等5种中性单糖组成。木素则是CNMHG纤维素纤单元组成的芳香族化合物,起着填充作用,强化细园/数是及再圆胞壁。组成这3类主要成分的基本元素为C,HO等。影响木材的基本组成和化学组分的因素很多,如木材树种、生长地域、生长部位、树龄等。吗方数据了7年生的梓属( Catalpa图1热及化学作用下木质生物质能转化华北电力大学学报2003年图中粗线框内所示为可作为能源的产物以及相解油的发热量提高约600calg对应的反应。由图可见,木质生物质作为能源的利木质生物质的碳化一般是将原料粉碎,在一定用途径除了直接燃烧外,还包括气化、液化和碳化压力作用下(加热或不加热)制成成型生物质块,然这3种质能转化方式,下面将简要介绍木质生物质后再利用生物质碳化炉将生物质块进一步碳化,直接燃烧以及气化.液化、碳化这几种木质生物质为了节省能源最近山根等探讨了木材不经过粉能转化技术方面的最新研究碎,直接进行碳化的可能性。研究结果表明,不经过3.1木质生物质燃烧粉碎的木材能够实现在短时间内碳化。如果木材的木材作为燃烧用材的决定性因素是总燃烧热、尺寸大,则需要较长的干燥时间。他们认为今后的油提物含量、综纤维素含量、木素含量、a-纤维素含研究方向就是缩短碳化时间。量和灰分含量,因此有必要对这些木材的性质进行除了木材及树皮外,树木的其他部分也可以作为测定, Blankenhorn等间比较了木材、树皮、木材树能源使用,例如可以从树叶中提取高热量的焦油s皮的总燃烧热及其化学成分含量。结果表明:木材等的综纤维素和m纤维素含量比树皮高:树皮的总燃在木质生物质能转化技术方面,研究者们开展烧热、木素含量、抽提物含量、灰分含量比木材高:木了十分广泛的研究工作,以上只是对这方面的最新材树皮混合燃料的燃烧热和化学成分位于木材和研究作了一个简要的介绍,更详细的介绍将在今后树皮两者之间。阿部等测定了同属速生材的3种进行。针叶材、36种阔叶材的树皮率及燃烧热,树皮率的参考文平均值为115%,针叶材、针叶材树皮阔叶材阔叶材树皮的燃烧热分别为494.,5070,4710,48101王松永木质材料对二氧化碳固存的环境效应以林业calg. Geyer"测定了7种速生阔叶材的总燃烧热,p2 I Geyer W A, Walawender W P. Biomass and gasification所有树种的木材树皮的平均燃烧热为4476calgoperties of young catalpa trees [) Wood and Fiber Sci,其中最低值为4312cavg,最高值为459calg,两199931(1)295-100.者相差282calg。3] Geyer W A, Walawender W P. Biomass and sastification以上研究得出了相似的结论:树皮的燃烧热高properties of young Silver maple trees []. Wood and Fiberci,199729(1k85-90于木材本身:速生阔叶材的燃烧热低于速生针叶 Geyer WA. Jon De Wyke, Walawender WP. Biomass and材;不同树种的燃烧热有一定的差异gasification properties of young populus clones []. Wood3.2木质生物质能转化技术and Fiber Sci,200032(3)375-384将木质生物质进行气化、液化、碳化可以得到 5 Ishihara S. Recent trend of advanced carbon materials from合不同要求的燃料。通过气化,可以将不同来源wood charcoals [J]. Mokuzai Gakkaishi, 1996, 42(8717-723的原材料制成高效、清洁、方便的气体燃料:通过[6] Blankenhorn PR Bowersox T W, Kuklewski K M, et al.液化制成的液体燃料具有燃烧量易控制等优点;碳 Comparison of selected fuel and chemical content values for化后得到的生物碳燃料是一种低污染、易储存和运d clones [J]. Wood and Fiber Sci.,输的高品位民用燃料985,17(2148-158木质生物质气化的方式一般为水蒸气气化和热71 Abe F, Kigure M, Endo M. Manufacture of charcoal from分解气化,铃木等研究开发了使木材在高温下of charcoal produced II. The bark ratio and calorific value直接与H1作用产生高热量气体的氢气气化1. Mokuzai Gakkaishi, 1983, 29(12)研究讨论了氢化气化的预处理方式中国煤化工等因素对CH生成量的影响CNMHGeld, and woody biomass characteristic在木质生物质的液化方面,城hardwoods [ Wood Sci., 1981, 13了用百草枯(一种除草剂)等试剂处理松树( Pinus4)209215densiflora s.etZ)后处理材的热解油含量及其发[9] Suzki T, Katabuchi H, Yamada T, et al. Hydrogasificationof wood for heating-value gas production 1. Effect of热量。研究表明,经过化学处理后木材具有作为能carbonization pretreatment on the CH, production []. Mo-源使用的潜力。例如用百草枯处理后,可以使热解kuai gakkaishi,198430(8):684692.油的发数据e,用氢酸钠处理后,热(下转第108页)华北电力大学学报2003年叠式热泵循环的工质可以从低温级工质R290,质;而对于低温级循环,可选择R290,R134a和R34a和R152a与高温级工质R600,R600a和Rl52a作为工质。在所计算的温度范围和所选工质R42b进行匹配,其中以R142b/R290的组合性能中,以R142b/R290的组合性能最优。如果考虑环最优。境的可接受性,则以R60R290或R600aR290的值得注意的是,本文的上述分析与比较是在固组合性能较佳定工况下进行计算的,而其中复叠循环的中间温度(3)在本文的计算条件和工质范围内,由于低是可调的。不同的中间温度可能会对不同工质匹配温级工质的循环性能系数大致相同,复叠式热泵的的循环性能有所影响。更深入的工质选择和比较还整体性能系数主要取决于高温级工质的循环性能,有待进一步研究。高温级工质的循环性能高,则复叠式热泵的整体性3结论参考文献(1)本文提出了一种新型的复叠式热泵冷冻干(] Liapis AI,PMAM, Bruttii. Research and development燥系统,将升华水蒸气的冷凝热量进行温度提升并Drying tech用于干燥过程的加热中。该系统具有减少常规冷冻 nolog,114(6:1265-1300干燥系统中冷却水的热能消耗、提高干燥室中加热2潘水康王喜忠,现代干燥技木国M].北京:化学工业出搁板的温度分布均匀性和减少冷冻干燥设备的复杂性等突出特点。3]吴业正,制冷原理及设备(第二版)DM西安:西安交通大学出版社,1997(2)针对上述复叠式热泵干燥系统,本文以常(4沈志光,制冷工质热物理性质表和图M北京:机被规工质对热泵性能进行了计算,结果表明:对于高工业出版社,1983温级循环,可选择R600,R600a和R142b作为工(责任编辑:王立新)(上接第104页)3)205-211[10] Magara K, Jyodai S, Goto T. Conversion of wood into [14] Yamane T, Okuda H, Ishihara S. Thenviorofsolidnergy Ill. Pyrolysis oil of paraquat-treated wood and itsood in a carbonizing process ll. Simulations of thermalorific value[. Mokuzai Gakkaishi, 1987, 33(4): 316-324behavior using temperature calculation [J]. Mokuzai Ga-[l] Jyodai S. Comversion of wood into energy IV. ProductionfPinus densiflora extract by chemical treatment and calo- [15] Yatagai M, Takahashi T. An approach to biomass utilizationrifie value oftreated wood [J]. Mokuzai Gakkaish, 1987,33I. Essential oils of coniferous leaves [J]. Mokuzai Ga-12)975-979kaishi,1983.29G3):274-27912】张无敌,宋洪川,钱卫芳,等,我国生物质能源转换技6】 Jayda S. Conversion of wood into energy V, Effect of tree术开发利用现状门能源研究与利用,20022:346age and seasonal variation on the production of leaf oil from[13] Yamane T, Ishihara S, Okuda H. Thermalwood in a canonizing process I. Effect ofsmal behavior of solid wood ] MokuzaiGH+ated with paraquat []. Mokuzai Gae中国煤化工298095(责任编;王立新)CNMHG