生物质利用技术研究进展

株洲帅范高等专科学校学报Vol. II2006年4月JOURNAL OF ZHUZHOU TEACHERS COLLEGE生物质利用技术研究进展罗婕,刘志国(株洲师范高等专科学校化学化工系,湖南,株洲,412007)摘要:生物殮是一种可再生的清洁能源,高效开发利用生物质对缓解全球能源危机、生态环境恶化等热点难点问題必骑发挥重要作用.为此,介绍了生物质能资源的特点和利用现状,并概述了国内外生物质利用技术的研究和开发进展关键词:生物质;利用;物化转换;气化;液化中图分类号:X705文谳标识码:A文章编号:1009-1432(2006)02-0048-04Development of Study on Biomass UtilizationLUO Jie, LIU Zhi-guo(Zhuzhou Teacher,College, Zhuzhou, Hunan 412007, China)Abstract: The biomass is a kind of renewable clean energy. High effective utilization of biomass has postive effects on sol-ving energy and environment problems. This paper introduces the features and present utilization situation of biomass andbioenergy and the development of biomass utilization technology at home and abroadKey word: biomass: utilization; chemicophysical switch i gasification: liqueficaction矿物能源推动了社会的发展,但却存在难以克服的弊从环境的角度看,生物质能是构成地球生态系统的一端生物质能作为一种可再生的清洁能源,其开发利用不个非常活跃的基本元素,在能量转化利用,特别是大规模但可以解决能源匮乏的问题,还能带来显著的环保效应、利用的过程中,对自然界各系统之间的平衡触动较小,这经济和社会效益在人类社会普遍强调可持续发展,用科学发展观统领经济社会发展全局,追求与自然和谐相处的今天显得尤为重1生物质能的特点及利用现状要.3生物质在生长过程中通过光合作用吸收CO2其产生和利用过程构成了一个CO2的封闭循环,也就是说,生1.1生物质能资源的特点物质能源是一种CO2零排放能源,不会干扰自然界自身的植物利用光合作用捕获太阳能将其转化为化学能存碳循环.“与煤炭等化石燃料相比生物质能源还具有储在有机体中并通过各种不同的转化途径将这些取之硫、氮含量低、灰分小等特点利用生物质过程中的SO4不尽、用之不竭能量转化为电、热以及其它各种形式的能NO4、粉尘等污染物的排放水平远远低于煤炭.因此,生源,这种可用于产生能源的有机物资源被统称为生物物质是一种理想的清洁能源,-开发利用生物质能对转质利用阳光,地球上的植物每年合成大约100~变能源结构及环境保护都有巨大的现实和深远的社会意180G的干生物质,其中蕴含的能量可达目前全球每年义价值总能耗的10倍,目前这些生物质中用于能源目的的虽1.2生物质能资源的利用现状然不到1.5%而它却已为全世界提供了14%的能源中国煤化工和装置多已达到商业CNMHG收稿日期:2005-09-22作者简介:罗婕(1980—)女湖南株洲人,株洲师专教师,工学硕士,主要从事生物质能源的研究.E-mail:511@163.com;刘志国(1958-),男,湖南南县人,株洲师专教授,研究方向:物理化学教学与研究婕,刘志国:生物质利用技术研究进展化应用程度,实现了规模化产业经营,生物质发电已占发把生物质制成油品燃料以替代石油产品.但技术复杂,目达国家可再生能源发电量的70%.5以美国、瑞典和奥地前成本仍然太高利三国为例将生物质转化为高品位能源利用已具有相当2.3生化转换技术可观的规模,分别占该国一次能源消耗量的4%、16%和生化转换技术利用生物化学过程将生物质原料转变10%有许多国家都制定了相应的开发研究规划,例如,日为优质气态或液态燃料根据工艺过程主要可分为两类本的新阳光计划、印度的绿色能源工程、美国的能源农场是厌氧发酵,生物质在厌氧条件下经过多种厌氧和兼和巴西的酒精能源计划等.01有关专家估计,生物质能性厌氧的微生物的协同作用生成沼气、消化液和消化污极有可能成为未来可持续能源系统的组成部分,到本世纪泥该过程就被称为厌氧发酵或沼气发酵,它提供的能源中叶,采用新技术生产的各种生物质替代燃料将占全球总形式是沼气,非常洁净,具有显蓄环保效益,但此法投资能耗的40%以上大、能源产出低在我国生物质是仅次于煤的第二大能源,占全部能源二是特种酶技术.利用生物技术把生物质发酵转化为消耗总量的20%但长期以来,生物质能在我国商业用能乙醇,以制取液体燃料.利用这种技术可以使生物质转化结构中的比率极小,其主要是作为一次能源在农村利用,为清洁燃料,其用途大为拓宽效率明显提高,但转换速度约占农村总能耗的70%左右而我国目前生物质能利用太慢,投资较大,成本相对较高,加拿大用木质原料生产的主要方法是传统的炉灶直接燃烧,其转换效率仅为的乙醇产量为每年170000,比利时每年以甘蔗渣为原料10%-20%浪费严重,且造成环境污染.4制取的乙醇量达32000t以上,美国每年以农村生物质和玉米为原料生产乙醇约4.5Mt,计划到2010年,可再生的2生物质能资源的利用途径生物质可提供约53Mt乙醇.[巴西实施了世界上规模最大的乙醇开发计划,目前乙醇燃料已占该国汽车燃料消费目前生物质能利用技术有三种途径:直接燃烧技术,量的50%以上.Z0物化转换技术,生化转换技术[132.1直接燃烧技术3国内外生物质物化转换技术研究直楼燃烧大数可分为炉址燃烧钢炉燃烧拉投烧现状的利用方法,也是我国目前生物质能利用的主要方法,效率很低,利用率只有10%~15%左右;锅炉燃烧采用现代生物质物化转换技术与直接燃烧相比,可以大大提高化锅炉技术效率高且可实现工业化生产;垃圾焚烧就是生物质的利用效率拓宽生物质燃料的用途;与生化转换采用锅炉技术处理垃圾早在1979年,美国就开始采用垃技术相比,具有高效率低成本和易于大规模生产的优势圾直接燃烧发电,发电的总装机容量超过10单机因此,物化转换技术是生物质转化利用技术研究开发领域容量达10-25Mw;固型燃料燃烧是把生物质固化成内备受各国关注的重点而热解液化技术和热解气化技术型后再采用传统的燃煤设备燃用此法可缩小生物质原料是研究的重中之重研究项目最多体积大大增加燃料的能量密度,以提高利用效率,近3.1生物质气化技术发展状况年来,我国生物质的成型技术得到一定发展淅江大学、辽生物质原料通常含70%—90%的挥发分气化技术省能源研究所、西北农业大学等10余家高校、科研院所可以将体积庞大、不易燃烧或燃烧效率低的生物质原料转均研究和开发出生物质成型燃料技术和设备化为气体燃料极大地提高能源品位,实现生物质的高效2.2物化转换技术清洁利用物化转换又称热化学转化包括三种技术,1一是干生物质气化联合循环发电效率可达40%,有可能成馏;二是气化制生物质燃气;三是生物质液化.干馏、气化为将来生物质能转化的主导技术之一1992年,美国已经和液化三种工艺分别以生产木炭生产燃气和生产热解油约有100个利用木材气化的发电厂,运行装机650kW,年为目的发电4200MkW·h,发电成本4~6美分/kW·h,加州电干馏技术同时生产生物质炭和燃气,可以把能量密度力供应40%来源于生物质发电,生物质动力工业在美国低的生物质转化为热值较高的固定炭和气但其利用率较已成为仅次于水电的第二可再生能源工业()夏威夷15低,且只适用于木质生物质的特殊利用;生物质热解气化家糖做了10%的电力供应是通过生物质机体中的大分子结构在高温下分解、断裂或全球中国煤化工实施一个示范性的重整产生轻质可燃气体燃料,不仅有效提高了利用效率,30MCNMHG目英国、美国有3个而且用途广泛,但气化系统复杂,生成的燃气必须有配套示范项目,装机容量6-10MW.③3我国生物质发电已有的利用设施;生物质液化是将固体生物质转化为液体燃40年的历史,主要原料是稻草和谷壳,多用于大米加工料,分为直接液化、间接液化和热裂解三种液化技术可以厂,但发电规模小,经济效益差,发展缓慢.近年来广州能枺洲师范高等专科学校学报206年第2期(总第:9期)源所进行了兆瓦级生物质气化发电系统研究,开发的生物于美国的涡旋式反应器东北林业大学也开展了转锥反应质气化发电示范系统于1998年10月建成并投入使用并器的热解研究推广应用20余套在气化工艺和设备研究方面,流化床技还有人研究了超临界液化技术,用超临界流体萃取生术是科学家们关注的热点之一.印度Ana大学新能源和物质,使其液化而成燃料.实验证明,使用超临界水液化可再生能源中心研究用流化床气化农林剩余物和稻壳、木技术比使用裂解技术能得到更高产率的液体产品.)目屑、甘蔗渣等,建立了一个中试规模的流化床系统气体用前的研究集中在用超临界水液化生物质,如用超临界水液于柴油发电机发电.1995年美国 Hawaii大学和 Vermont化纤维生物质用超临界水和超临界甲醇液化木质素生物大学开展了流化床气化发电工作, Hawaii大学建立了日质和锯末等.0处理生物质量为100t的工业化压力气化系统, Vermont大学建立了气化工业装置其生产能力达到200Vd电4生物质利用技术发展面临的主要能力为50MW我国也开展了秸秆生物质气化与集中供气的生物问题及展望气化技术的研究工作,并取得了一系列成果.特别是山东省科学院能源研究所研制开发的秸秆生物质气化集中自20世纪70年代以来,包括中国在内的许多国家为气系统,在农村具有广泛的开发应用前景,集中供气系推进可再生能源的发展,采取了各种扶植政策,生物质的每立方米燃气成本低于0.15元.目前全国已经推广建成转换及利用技术已得到较大幅度的发展但从目前国内外生物质能利用现状及发展情况来看,生物质能利用商业化3.2生物质液化技术发展状况程度仍然很低生物质能转换技术的商业化发展过程仍然面临诸多障碍和问题.简而言之,这些障碍和问题主要来生物质裂解液化技术被认为是最具有发展潜力的生自经济因素,例如液体生物油,它具有可再生低污染等诸物质利用技术之一生物质液体燃料具有易加工处理贮多优点,但其成本通常比矿物油高10%-100%,而且同存、运输,容易用于热和电的场合等优势,已得到国际上的传统燃料不相容,需要专用的燃料处理设备,这些因素在广泛关注与认同,发达国家生物柴油正在形成产业目经济上的制约都阻碍了它的广泛应用前,美国生物柴油年生产能力为1Mt以上;欧盟2001年当前生物质能利用技术的研究重点在于开发经济性已超过1Mr;德国2000年已达0.25M,并有300多个生合理的应用工艺,使生物质这种清洁的可再生能源成为最物柴油加油站;意大利拥有9家生物柴油的生产厂·美国便宜最有竞争力的能源之能源署要求,到2010年美国要将生物柴油产量提高到12Mt2欧盟委员会计划,在2020年使生物柴油的市场参考文献:占有率达12%.C20[1]白轩,王罩艳,王水威,流化床生物质气化工艺研目前,生物质热解液化技术在美国、加拿大、意大利究[J].新能源,1998,20(5):19-24瑞士、英国、荷兰等国的研究开发居世界领先地位,已研究[2]昊创之,马隆龙,生物质能现代化利用技术[M].北出常规、快速、真空闪速、流化床、固定床等十几种热解装京:化学工业出版社,2003.1-2置及相应的技术,有一部分已经达到商业化阶段·荷兰[3]郭新生。生物质热解制气的试验研究[D].浙江大Twente大学研究开发了旋转锥反应器,经预处理的固体学硕士学位论文,1999生物质混同预热的热载体(如砂)加人旋转锥底部,当旋转[4]贺亮,生物质转型优化能源技术的开发与利用锥在外部动力下旋转带动固体颗粒螺旋上升时,生物质发[J].新能源,1996,18(1):8-14.生快速热分解,其热解产物主要是不凝气、油和碳,重量比[5] Wolfgang Palz.新能源和可再生能源在未来能源系为20:70:10并已建立起处理量为10kg/h的固体生物质统中的地位[J].能源工程,1997,(1):35-38.小型联合中试装置(2)在连续流化床中木片瞬时裂解,[61 Bridgwater A.V. Renewable Fuels and Chemicals by475℃、气体停留时间1.2s的条件下,得到气液固产物比Thermal Process of Biomass[J3. Chemical Engineer为15:70:15,烃类的分解导致了主要单体产物如下:乙酸ing,2003,(9):87-102酐11%,乙醇醛4.5%羟基丙酮3%.上世纪90年[7]魏学锋,张小云,罗婕,田学达,生物质燃料开发利用代,比利时建造了200kg/h的夹带流式中试设备在北美现状与展望[冂].节能,2004,(8):14-1已有一些商业化和示范性的闪速热解装置投入运行,加[8 Vuthaluru h.B. Thermal Behaviour of Coal/ Biomass拿大 Ensyn技术公司已开发出产量为1000kg/h的商业化中国煤化工[J]. Fule Process闪速热解装置,并已投入生产,在美国威斯康星州由Ensyn技术公司设计的快速热解装置已经进入商业性运行,[9CNMHGF.et al. Use of bio-加工能力达25t/d.国内,山东工程学院进行的快速热解mass for power and Heat Generation: Possibilities and研究获得了“863”项目的资助,他们所研制的反应器类似Limits [C]. Forests and Energy, lst Hanover EXPO罗婕,刘志国:生物质利用技术研充进展200 World Forest Forurn Selected papers, Ecological[22]夏朝凤,张无敌.全球坡市固体废弃物及其能源潜力Engineering,2000,16(1):41-49概述[J].云南师范大学学报,1998,18(2):32[10] Cook. J. Beyea. J. Bioenergy in the United StatesProgress and Possibilities[J]. Biomass and bioener-[23]吴创之,欧洲生物质能利用的研究现状及探讨[冂,gy,2000.18(6):441新能源,1999,21(3):30-35.[11] Steininger. K. W, Voraberger. H. Exploiting the [24] MandaL. K. G, Saha. K. P, Ghosh. P. K,et alMediumterm Biomass Energy Potentials in AustriaBioenergy and Economic Analysis of Soybean[J. Environmental and Resource Economics, 2003based Crop Production Systems in Central India [J]24(4):359-377Biomass and Bioenergy, 2005):337-345[12] Dai Lin, The Development and Prospective of Bioen- [25]G. R. Carbon St- stration and bio-ergy Technology in China [3]. Biomass and Bioener-mass Energy Offset: Theoretical, Potential and A-gy,I998,15(2):181-18chievable Capacities Globally, in Europe and the UI[13]Demirbas. A. Energy Balance, Energy Sources, En-[J]. Biomass and Bioenergy, 2003,24(2): 97-11ergy Policy, Future Developments and Energy In- [26]. Green paper. Towards a European Strategy for thevestments in Turkey [J]. Energy Conversion andSecurity of Energy Supply [R]. Office for OfficialManagement,2001,42(10):1239-1258.Publications of the European Communities, 2000[14]D. G. Streets, S. T. Waldhoef. Biofuel Use in Asia [27] Vender. boschrh, Janseamc. Biomass Gasif. Pyrolyand Acidifying Emissions [J]. Energy, 1998,23sis [m]. New burg: CPL Press,1997.345--353(12):1029-1042.[28] Merierd Ollescht Manufacture Biooils from Wood in[15]马隆龙,吴创之,孙立.生物质气化技术及其应用a Flash Pyrolysis Plant [M]. DGMK TagungsberM].北京:化学工业出版社,2003.33-371998.83-9016]别如山,李炳照,陆慧林,等,燃生物废料流化床锅[29] Arai Kunio. Conversion of Polymer Sand Biomass炉[J].动力工程增刊,1999,(19):236-240diate Swith Supercritical Water[17] Eric. D. Larson. Technology for Electricity and Fu[J]. Macromol.Symp,1998,(135):205-214.els from Biomass [J]. Annu. Rev. Energy Envi- [30] Auiri Masafumi. Effect of Catalyst Addition onron,,1993,(18):567-630.Colique Faction Process of Coal and Biomass in Su[18]朱清时,阔立峰,郭庆祥,生物质洁净能源[M].北ercritical Water [J]. Sekitan Kagakn Kaigi Hap京:化学工业出版社,2002pyo ronbunshu, 1997,(34): 69-72.[19]蒋剑春.生物质能源应用研究现状与发展前景[].[31] Antal Michael, Hydrogen Production from High林产化学与工业,2002,22(2):75-80[20] A.V. Bridgewater, G V. C. Peacocke, Fast Pyroly-[]. Proc. USDOE Hydrogen Program Rev, 1996sis Processes for Biomass [J]. Renewable &.Sus(1):499-511tainable Energy Reviews, 2000,(4):1-73[21]长江.漫话生物质发电[冂].太阳能,1994,(2):18(贵任编辑:曾广慈英文译校:文爱军)中国煤化工CNMHG