我国生物质资源化利用新技术及其进展

节2004年第10期ENERGY CONSERVATION(总第267期)我国生物质资源化利用新技术及其进展周义德1,王方2,岳峰2(1·中原工学院能源与环境工程亲,河南郑州45000;2.河南省能源研究所,河南郑州450008摘要:针对生物质传统利用方式的不足与弊端,提出生物质资源化利用新技术是生物质最终处置的根本方式,并就目前研究的生物质高温空气气化、生物质制氢、生物质液化、生物质田体成型等多种利用方式进行了综述关键词:生物质资源化利用;生物质成型;沼气气调;生物质制氬;生物柴油中图分类号:TK6文献标识码:A文章编号:1004-7948(200410-0008-041前言料浪费严重,全国有近一半的秸秆在田间焚烧,木能源的开发与生产为人类物质文明和精神文明材林产品加工产生的大量木屑、锯末等被废弃,食提供了重要的物质保障成为满足人类生活和保障品加工产生的壳、皮等被当作垃圾填埋。我国9亿国民经济发展的重要基础工业。但当人类步入又一多农村人口的生活用能75%依赖于生物质能源{4),个新的千年的时候,由于能源的过度开发与消费累然而生物质直接燃烧不仅热效率低,而且大量烟尘计的效应,出现了与能源有关的诸多问题。首先由和余灰的排放,严重影响了人们的生活和居住环境。于能源本身的资源属性,诱发了部分能源在使用上另外,直接焚烧秸秆,只能部分利用它的热能,却白的危机;其次,能源开发与利用引起的环境污染,导白损失了它的营养成分和肥料成分。秸秆平均含氮致的区域环境问题与全球环境问题,成为制约国民0.6%,含磷0.3%,含钾1%,这一损失很难用化肥经济发展的重要因素;另外,能源开发利用引起的补偿。目前,化肥的过量使用已导致土壤有机质CO2排放,已成为全球关注的环境问题。面对复杂含量下降,氮、磷、钾比例失调,理化性能变坏。的经济和环境问题,我们不得不思考我国未来的能据联合国粮农组织资料,我国每年有1.1亿t源发展战略。麦秸,居世界第一位。过去都把它当废物或焚烧或可以想像,我国未来的能源结构将与过去不同粉碎还田,产生大量的CO2等有害气体,直接破坏多种能源并存的能源体系将成为新世纪能源结构大气质量,造成地区性气候异常。地方上主要处理方式是造纸,但污染严重。粉碎还田看起来是出路,特征,生物质极有可能成为新世纪的主要能源之但实际上由于干燥等原因不易腐烂,肥田效果不好生物质能( biomass energy或 bioenergy)是指利用生还增加了农作物发生病虫害的可能。因此,大力研物质经过转换所获得的可用能源,如电与热。目前,发推广生物质利用新技术,不仅可合理利用生物质生物质是最广泛使用的一种可再生能源,约占世界资源把农村地区丰富的生物质资源变废为宝,还可所有可再生能源的2/3。我国“863”计划已将开发有效刺激农村经济发展切实增加农民收入,符合国4MW级生物质气化发电系统及关键技术、纤维素民经济可持续发展战略。废弃物制取酒精燃料技术和快速裂解油燃料技术列3生物质资源化利用新技术为高效利用生物质能的主要研究内容1l因此,大能源的开发利用对环境的影响可分为三种情力开发生物质资源化利用新技术,对于缓解21世纪形:其一,能源的开发利用对环境造成直接的影响和能源、环境生态问题所带来的压力具有重要意义。危害;其二,能源的开发利用不会对环境造成直接的2生物质传统利用危害和影响;其三,能源的开发利用不仅不会对环境我国是一个农业大国,生物质资源十分丰富,仅造成危害,而且还有利于改善已经破坏了的环境和农村每年产生的生物质燃料可折合2.7×10°t标准生中国煤化工种情形,而生物质煤,占农村总耗能的40%左右23。许多低热值燃的CNMHG生物质能的开发利2004年第10期节能(总第267期)ENERGY CONSERVATION用就要求人们恢复植被,最终形成CO2的收支平型热水锅炉热风炉等,小颗粒产品也作为燃料用于衡,使用这种能源几乎不会产生SO2污染,并且有小型发电。目前国内许多科研单位在生物质固体成利于回收利用有机废弃物61。型方面也进行了大量的研究,“八五”期间,我国重点3.1生物质固体成型对生物质固体成型技术进行了科技攻关,引进国外生物质压缩技术可将固体农林废弃物压缩成先进机型,经消化、吸收,研制出各种类型的适合我型,制成可替代煤炭的压块燃料,克服生物质能量密国国情的生物质压缩成型机,用以生产棒状块状或度低的缺点。早在20世纪30年代,美国开始设颗粒状生物质成型燃料。我国的生物质螺旋成型机计螺旋式生物质压缩成型设备,同时,现代化的活塞螺杆使用寿命达500h以上,属国际先进水平。成型机在瑞典、德国得到推广;20世纪50年代,日2002年,河南农业大学研制成功液压驱动式双向挤本人研制出了螺旋式生物质成型机,并逐步推广到压秸秆成型机,技术基本成熟,并已投入工厂化生中国的台湾、泰国乃至欧洲和美国,20世纪50年代产,每小时生产玉米秸秆成型块2~4t81。目前,无又相继产生了以油压为动力的生物质压缩成型论从经济、市场还是从技术角度分析,中国生物质压设备。生物质压缩成型工艺如图1所示,其产品缩成型燃料(饲料)生产都已接近世界水平,具有良在国外主要用于各种类型的家庭采暖炉(壁炉)、小好的发展前景。脱水生物质收集加热或粘结剂保型包装贮运图1生物质压缩成型工艺流程图另外,利用生物质还可热压板材。中国林科院万户用沼气池。沼气与其他燃气相比,其抗爆性木材所对利用农业剩余物秸秆作原料生产人造板这好,是一种很好的清洁燃料。目前,沼气气调技术作重大课题进行了研究,并获得了国家专利。我国为一种新兴科研技术广泛应用于果蔬保鲜{S。其生物质资源丰富,若利用现有农业剩余物5%,就有原理是沼气本身为有机物经厌氧消化产生的混合气1200万t可供作人造板生产原料生产约2000万方体,其主要成分是CH4和CO2。以沼气作为环境的人造板,可代替6000万方木材。目前,世界人造板气体调节剂,用于粮食、果蔬的贮藏,可以降低贮藏产量的15%~20%是利用农业剩余物生产的。秸物的呼吸强度,减弱其新陈代谢推迟后熟期,从而秆热压板材具有质轻、强度高、剖面密度均匀等特延长其贮藏时间。沼气作为气调剂是高CO2低氧点,并且经特殊处理后还可阻燃、防火、防虫9。目条件,可以抑制贮藏器内粮食、果蔬的生理病害、真前,我国年产人造复合板3500万t,其中用秸秆生产菌病害及虫害等人造板几乎为零。该技术不仅具有广阔的市场前此外,生物质高温空气气化也受到了人们的普景,还可切实提高农民收入和创造富余劳动力就业遍重视。生物质高温空气气化技术是使用1000℃以上的高温预热空气,在低过剩空气系数下发生不3.2生物质气化完全燃烧化学反应,获得热值较高的燃气。1999沼气技术是我国发展最早的生物质气化技术。年,吉田邦夫提出了高温空气气化( High Tempera20世纪70年代,我国为解决农村能源短缺问题,曾大力开发和推广户用沼气池技术,全国已建成525架HH中国煤化工G)的初期理论框CNMHG时生物质热利用效能2004年第10期ENERGY CONSERVATION(总第267期)率低的情况,将高温空气气化技术与IGCC相结合氢燃气。国内这方面的工作开展得比较缓慢,研究形成MEET-IGC系统。实验发现,该系统具有成果也十分有限。中科院广州能源所进行了生物质灵活机动、适应性强、燃料适用性广、空气过剩系数流化床制取富氢燃气的研究,得到了最高氢产率可大大减少、合成燃气热值有较大提高系统热效率71gkg-1生物质(21此外,利用光合菌、藻类和发可达40%以上等优点。目前,日、美、西欧等国家和酵细菌制氢技术也得到了人们的关注,成为生物质地区纷纷投资该系统的研究,并将其推上商业化发制氢的另一条有效途径。虽然生物质制氢尚处于试展的道路,使该系统得到不断的发展2-14。生物验研究阶段,但该技术的优越性已突出表现出来。质高温空气气化由于空气温度很高,无需使用纯氧随着氢能应用领域的逐步成熟与扩大,制氢方法的或富氧气体反应便能迅速进行,并且气化效率也大研究与开发必将得到有力推动。大提高,其主要化学反应为3.3生物柴油C生物柴油是从富油植物中提取生物油,经甲脂烷烃+O2+N2→O+H2+H2O+OO+N2+△Q1化后可供柴油机使用,称为生物柴油21。近年来为抑制烟尘的生成通常加入10%~20%的水国外生物柴油研发和推广很快美国2001年生物柴蒸气在高温气氛中水蒸气与碳及烷烃发生高温重油消耗量达2538万L;日本的《废弃物再生法》也整,其副反应0为有力地推动了该国生物柴油的发展烷烃x+QCO+H2-△QC生物柴油和矿物柴油性能相比(见表1),具有硫含量低、氧含量高、分解性能好、燃烧效率高等特高温空气气化系统具有燃气热值高、对环境污点,用于柴油车,其尾气中的烟尘、SO3和NO2等均染小、过剩空气系数低、灰渣易于处理、结构简单紧大幅下降,十分有利于减轻大气污染。生物柴油是凑、气化效率高、经济性好等特点。自1998年以来,对汽车、环境友好的可再生能源24。我国多年来开已有越来越多的国家开始重视生物质高温空气气化展了一些生物柴油研发工作。“八五”期间,我国开技术,继日本、美国之后,瑞典、意大利、丹麦、奥地利始利用纤维素废弃物制取乙醇燃料技术的研究和等国已投巨资用于生物质高温空气气化技术的研探索,主要研究纤维素废弃物的稀酸水解和发酵技究。在我国,生物质高温空气气化的研究刚刚起步。术,并在“九五”期间进入中试阶段。中科大、石油化目前,中科院广州能源所、中南大学能源与动力工程工研究院、西北农林科技大、辽宁能源所等分别进行学院、长沙绿色能源技术研究所和株洲工业炉制造了实验研发和小型工业试验,一系列关键技术已被公司等4家单位正在合作开发该技术151克服,我国生物柴油产业已初具规模。探索生物质生物质制氢也是一种很有前景的开发方式,已合成液体燃料技术,以适应代油需要对确保我国能引起世界各国研究者的广泛关注。许多国家对生物源安全意义重大。我国已对生物柴油和生物裂解油质制氢技术进行研究,以期早日实现该技术向商业等代用燃料进行了研究,但该技术目前尚处于初级化生产的转变。国外在这方面进行了相当多的研阶段(。究(16-20)。 Mckinley K r1等研究了对生物质进行表1生物柴油和矿物柴油性能对比表热化学处理以得富氢燃气;Stur1在富氧条件下性能指标矿物柴油生物柴油研究了生物质的水蒸气气化反应,在他们的操作条密度/kgm820~860875~900件下单位生物质产氢量达60gkg-1。J.L.cox粘度/m2s等通过控制气化条件和优化反应器设计,由生物质引火点/℃气化得到了较高的氢产出; Hauserman201采用木灰含硫量(质量)%为催化剂研究了生物质水蒸气气化制氢的效果,木灰为生物质气化后的产物,基本组分为44.3%CaO,15%MgO,145%K2O。通过添加30%的木灰,在650℃和024MPa压力条件下,获得含氢52%的富EYH中国煤化工3.9CNMHG2004年第10期(总第267期)ENERGY CONSERVATION4生物质资源的未来发展tion[ R]. RAN2001, 3d Intertional Symposium on Ad-可持续发展是新世纪发展的主题。伴随着经济vanced Energy Conversion System and Related Technolo-Nagoya, Japan, December 15(sat )-17(man),2001的可持续发展能源作为经济运行的血液已成为经[131 Yoshikawa Kunio.R& d on small-scale gasification of solid济、科技界及各国政府优先考虑的问题。我国在生fuels using high temperature air and stream [R]物质资源化利用新技术方面取得了巨大成绩,但与RAN2001, 3 Intertional Symposium on Advanced Energy发达国家相比尚存在一定差距,在生物质高温空气Conversion System and Related Technologies, NagoyaJapan, December 15(sat )-17(man),2001气化、生物质液化(包括生产酒精热解液化生物柴[141 Toru Ishii, Emi Yoshitake KIGA,ec, Gasification of solid油)、生物质制氢等工业技术方面有待进一步研发。fuel at the demonstration plant of meet system, MEETII要立足于科技进步,加大基础理论的研究,不断将各[R]. RAN2001, 3, Intertional Symposium on Advanced种研究成果实用化、产业化。我们有理由相信,在可Nagoya, Japan, December 15(sat )-17(man),2001预见的未来我国生物质能的综合开发与利用必将[15]曹小玲蒋绍坚翁一武生物质高温空气气化分析现达到一个新的高度。状及前景[].节能技术,2004,22(1):47-49参考文献[16]Mckinley KR, Browne SH, Neill DR, et al. Hydrogen fuel[1]国家经贸委节能信息传播中心.发展中国家节能融资促from renewable resources[J ]. 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High-temperature, air教学和科研工作。blown gasification of dairy-farm wastes for energy produc(收稿日期:2004-06-06中国煤化工CNMHG