生物质能及其利用技术

第25卷,总第144期《节能技术》Vol, 25. Sum No. 1442007年7月,第4期ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGYJul 2007, No 4生物质能及其利用技术胡亚范,马予芳,张永贵(燕山大学理学院,河北秦皇岛066004)摘要:解决当前能源、环境问题的根本方法是开发利用新能源,而生物质能具有清洁、数量大、可再生等突出优点,是常规能源的理想替代能源。文章介绍了生物质及生物质能,对目前生物质能的利用技术现状作了系统介绍,论述了生物质能利用的远大发展前景。关键词:生物质;新能源;温室效应;可再生能源中图分类号:TK6文献标识码:A文章编号:1002-6339(2007)04-0344-04Biomass Energy and Its application TechnologyHU Ya-fan, MA Yu-fang, ZHANG Yong-gui(Yanshan University, Hebei Qinhuangdao 066004, ChinaAbstract New energy development and application is one of fundamental methods for solving problems of ener-gy and environment. Because biomass energy has a lot of advantages, such as clean, enomous and renewabletion situation are introduced, Longrange application prospect of organic energy is statedit is best replacement for convention energy. In this paper, biomass, biomass energy and its present applica-Key words: biomass; new energy; greenhouse effect; reproduction1引言境释放了大量的二氧化碳,从而导致了地球环境温度逐年升高,即温室效应问题。能源短缺、环境恶化已经成为举世关注的大问解决能源与环境问题的方法是节能与新能源开题,也是困扰世界各国经济和社会可持续发展的首发利用,即节约与开发并重,这是世界上所有国家的要问题。常规能源的有限性是早已定性的结论,据共同能源政策。然而,节能只能起到缓解作用,新能美国能源部和世界能源理事会估算,地球上的石油源开发利用才能从根本上解决能源与环境问题。还可供开采39年,天然气还可以开采60年,而储量多年来,在新能源的开发利用实践中,人们逐步最大的煤炭最多也就够开采20年(。另一方面,认识到生物质能是一种清洁、充足、利用技术难度相常规能源是地球形成以来经历数万年甚至上亿年的对较小的新能源种类,具有远大发展前景。本文对漫长地质年代积存下来的,从能源角度来说是不可生物质能源及其利用方法作系统介绍以期对缓解再生的,从环境角度来说,是地球环境演变过程中固当前的能源与环境问题做出贡献。化的碳源。把大量的常规能源开采出来利用,在获2生物质与生物质能得了工业社会发展所必需的能源的同时,向大气环生物质是地球上的植物利用太阳能通过光合作收稿日期2007-06-19修订稿日期2007-07-16用合成的有机物以及以这些有机物为食物来源的动作者简介:胡亚范(1963-),女,硕土,副教授。物及其排泄物的总称。生物质本身含有的化学能就344中国煤化工CNMHG是生物质能。显然,生物质能可以说是固化的太阳利用(粮食、饲料、薪柴等),只有极微量被人类以“新能。但是,这种固化的太阳能具有一些特殊性,这可能源”方式利用,这种利用方法可以归结为以下四类以从生物质的生成以及在自然界中的转化过程得到技术方法:认识,图1是生物质的生成和演化过程示意图。3.1物理方法(生物质压缩成型技术BBT)实际中常规能源也有成型技术,将粉末煤加工太阳成“蜂窝煤”就是典型代表。另外,利用锯末生产成杆果白愁型板是生物质成型的又一个典型例子,只不过不是能源水肥料粮食、何料」和为了生产能源,而是生产建筑材料。灰烬、垃圾生物质压缩成型技术与上述成型意义是相同残渣粪便的,主要针对的是解决生物质能量密度低的问题。图1生物质的生成和演化过程生物质原料结构通常都比较疏松,密度小,压缩即植物在叶绿素的作用下利用太阳能、水分和后,原料颗粒重新排列,密度大幅度提高。同吋生物肥料合成有机物,该过程吸收了大气中的二氧化碳,质原料中含有纤维素、树脂等多种有机成分,这些成并释放出氧气,如式(1)分在高温下将软化,甚至成为熔融状,将之以一定压CO2+H1O默螺素(CH1QO)+02(1)力压如模具,冷却后即粘结为密度很大的成型块。植物合成的有机物以秸秆和果实(种子)两种形对粘性小的原料可加入少量粘土、淀粉、废纸浆等,态存在,这两种形态的物质一部分被人、动物直接利压缩后成为固型物。生物质压编成型工艺包括生物用(粮食、饲料、薪柴),另一部分在自然界中自然氧质收集粉碎、脱水、加粘结剂、预压、加热、压缩保化,目前只有很少一部分被人工转化(生物质能利型、切割、包装等环节。成型过程是利用成型机完成用)成能源(如沼气、生物质气、生物质液化油燃料的,目前国内外使用的成型机有三大类即螺旋挤压酒精等),无论何种方式,在这一过程中都消耗氧气,式活塞冲压式和压滚式,其中压辊式成型机是主释放二氧化碳。理论上所消耗的氧气和释放的二氧流其简要原理如图2所示。经过切割、加热、脱水化碳与生成生物质过程释放的氧气量及消耗的二氧等工艺适合成型的生物质原料,在成型机中被压缩化碳量相等。因此可以说,生物质循环过程是“零排切割成与模具相同形状的燃料快,显然,燃料块具有放”这是生物质能的最突出优点即清洁性。此外,高密度的特性。生物质压缩成型技术实际上解决的根据国际能源机构的统计,地球上每年形成的生物就是生物质能量密度低的问题。我国目前既有生物质总能量相当于目前全世界一年消耗能源总量的质饲料成型又有生物质燃料成型的实例实践证明,20倍以上,仅我国农村每年产生的生物质就相当于生物质成型燃料快的各方面性能都接近松木块的特27×10标准煤23,这是生物质能的又一突出优性{。由于成型技术相对简单因此,具有方便实用点,即充足性。此外,在目前地球环境条件下,生物的特点。但成型燃料块的能量密度仍然不高。质年复一年,循环再生,这是生物质的可再生性。这3.2化学方法(生物质热化学转换技术)三大优点足以让我们认识到,生物质作为能源的远生物质热化学转换有三种工艺,即炭化(生产木大前景和无与伦比的优越性。炭)气化(生产燃气)、液化(生产热解油),属于现代当然与常规能源对比,生物质能源也具有多种化的生物质利用技术。令人无奈的缺点,主要表现在能量密度低和利用技我国有记载的最早的生物质热化学转换是《卖术难度较大以及经济效益无法与常规能源利用匹敌炭翁》中的描述,是用木材生产木炭。二次世界大战等。但是,面对常规能源短缺、环境压力越来越大的期间,由于世界上少量的石油都用于战争,民间缺少现实,上述缺点都失去了对比的基准。因此可以说,能源,因此德国大力发展了生物质能气化技术,用燃生物质能源应该是当之无愧的常规能源替代能源。气驱动汽车。二战后,由于中东石油的大量开发,石油的优质性能,使人们放弃了生物质气化技术的应3生物质能利用技术用。然而,二十世纪70年代的能源危机,告诉人们如图1所示,目前条件下生物质中的大部分过分地对石油依赖的危险性,和石油的储量的有限(草、农作物秸秆、森林树木的枝权等)都以自然氧化性。由此再次促进世界各国关注生物质热化学转换方式循环,一少部分被人和动物以食物和能源方式技术的研究。目前我国已经有500多个生物质气化345·万方效据集中供气工程,同时还建成了一批生物质气化发电和厌氧条件下,经过沼气菌群消化的过程,其产物有站沼气、沼液、沼渣,沼气是清洁燃料,沼液可作速效肥早期的生物质气化原料都是木材,但是通过对料,沼渣用作肥料可以起到改良土壤的作用。因此各种农作物秸秆的分析研究发现,它们与木材的C:沼气发酵特别适合农村使用,已经在我国华北以南H:0比十分接近,都可以近似用通式CH14O6表的农村大量推广应用。图4是农村沼气工程的示意,因此各种农作物秸秆液是好的气化原料。图生物质气化包括热解、燃烧还原等复杂的反应肉蛋奶过程,可以用通式表示为人粮食饲料土地高書CH14.6+0.402+1.5N2-0.7CO+0.3C0+0.6H2+0.1H2O+1.5N2粪便燃料肥料↑|秸杆粪便沼液上式为以空气为气化介质,即气化过程加入空沼潼原料沼气气(0.402+1.5N2),因为氮气不参与反应过程,反应原料沼气池原料后残留在气化的产品中,所以产品的发热值不高。如果以纯氧气为气化介质,可以提高燃气热值,但增图4农村沼气工程示意图加了制氧工艺。此外还有水蒸气气化、热分解气化沼气工程以农作物秸秆、垃圾、粪便为原料,既等方法。图3是以空气为气化介质的气化原理示意达到了废物利用的目的,同时还生产了清洁能源,并图。原料由上部加入依靠重力下移,刚加入的燃料起到了改善农村环境条件的作用,因此是一种一举在热燃气作用下,首先脱水干燥。加热到250℃以多得的生物质能利用技术。上时发生热解,挥发分析出,与脱出的水蒸气、下部此外,沼气工程在城市污水处理、大型酿酒企氧化-还原产生的气体一起离开气化器,即利用生业、淀粉生产企业应用,不仅可以降低这些企业污水物质生产了可燃气。如果在隔绝氧气条件下加热到处理费用,同时还可以生产沼气,是经济、社会效益500℃以上,还可以同时获得焦炭、生物油和富含氢都比较明显的生物质能利用技术的气体产物5。34生物-化学方法(生物质燃料酒精技术)传统的酿酒技术是纯粹的生物技术,即糖在微模具生物作用和无氧条件下分解,微生物从中获取能量。生物质原料您Q娘后观不同微生物有不同的发酵途径,产物也不同,酵母菌分解糖可产生酒精和二氧化碳,即C6H1206-2CH3CH2OH+ 2C0理论上1mol葡萄糖可生成2mol酒精,从发热值刀具成型燃料块看,能量回收率为9%,但实际中由于糖的损失微图2压辊式生物质成型机原理生物自身的消耗等原因,收率有所降低。实验证明,利用生物质可以获得葡萄糖,如以农原作物秸秆为原料,通过酸水解或酶水解工艺,可以得干燥生物质原料脱水燃气到近80%的糖收率(7,这说明利用生物质可以生产热解挥发分析出,形成焦炭燃料酒精。由于在生产过程中需要对原料(生物质)利用化学方法处理,所以生物质燃料酒精技术是生还原C+COC+HOcO物-化学过程比较方便的生物质燃料酒精技术是以陈化粮为氧化C+原料,我国河南省、吉林省等都有这样的企业。出灰空气图3生物质气化器原理示意图生物质燃料酒精技术大大提高了生物质能源的能量密度,并具有容易工业化、规模化生产等特点3.3生物方法(沼气技术)因此是一种前景十分广阔的生物质能利用技术。同沼气发酵是有机物质在一定温度湿度、酸碱度时生产的酒精可以用于驱动汽车等依赖常规能源的·346中国煤化工CNMHG设备,无论是对缓解能源短缺问题还是缓解温室效参考文献应问题都是大有益处的。〔国家发改委提出生物质能源发展战略〔资源节约与综合利用,2006,5:214结语〔2〕王革华我国生物质能利用技术展望〔农业工程能源与环境问题已经严重影响社会可持续发学报,99,15(4):19-22展,解决这些问题的根本出路就是新能源的开发利〔3〕刘圣勇,等生物质气化技术现状及应用前景展望用。生物质能作为常规能源的替代能源,具有清洁)资源节约与综合利用,19,:14-2,〔4〕袁振洪,等编著.生物质能利用原理与技术[M.北性、充足性、可再生性三大特点,同时与其它新能源京:化学工业出版社,2005相比,利用技术难度相对较低。近年来国内外的研〔5杨海平,等.生物质热解研究的进展[J〕.煤气与热究利用实践已经为这种新能源的利用奠定了一定力,200年5月,18-21的技术基础,因此,生物质能利用技术的开发具有经〔6]齐国立,等生物质热解气化技术的现状、应用与前济、环保双重效益,预计在不久的将来,生物质能景[门〕.节能技术,2004,25):17-19定能成为常规能源最有力的替代能源,为社会可持7〕吴创之,等编.生物质能现代化利用技术[M]北京:续发展作出重要贡献。化学工业出版社,2005(上接第338页)至叶栅出口,特征值虚部值虽然有些波动,其趋势是0.4相对弧长(x/B=0.54)边界层开始明显变厚,逐渐增加的,最后达到零。这说明实验叶栅吸力面到达05相对弧长(x/B=066)边界层厚度已经由边界层的流动由x/B=0.4位置的不稳定而很快趋原来的000045(边界层的实际厚度与特征长度之于稳定。比)增厚到0.0060。此后边界层厚度未发生明显变对于具有子午扩压的常规设计叶栅,其吸力面化,由此可以初步推断在该位置边界层流动对扰动上的边界层流动从前缘至最低压力点亦在顺压梯度的放大作用最强。作用下加速。由最低压力点至出口边界层遭遇逆压梯度,迅速增厚并发生转捩,进入不稳定流动状态。由图4的计算结果可见,在具有子午扩压的涡轮叶栅中,应用前掠叶片可以提高边界层流动的稳定性,降低流动损失。5结论(1)SBVP程序包能更方便有效的用于 FlankerSkan边界层求解。根据计算结果可判断边界层流动的稳定性,从而节约大量实验费用。0.4060.7(2)应用MEX作为接口可以保留不同语言的优图4特征值虚部点的同时避免其缺陷。图4为通过MEX文件调用 FORTRAN程序计算(3)应用SBVP程序包对具有子午扩压涡轮叶的特征值虚部值。x/B为相对轴向弦长,x为计算栅的计算结果表明,叶片前掠能提高边界层流动的点到前缘的轴向距离,B为叶栅的轴向弦长。特征稳定性。值虚部的大小是扰动放大率的度量,当特征值虚部参考文献为负值时,其绝对值越小,代表扰动会沿着流动方向[1] Winfried Auzinger, Gunter Kneis, Othmar Koch, Ewa放大的越快,流动愈不稳定。由图4可以清楚地看 Weismuller. A Collocation CODE for Singular Boundary Value到,在x/B=04位置计算得到的特征值虚部最小, Problems in Ordinary, Differential Equation(R. Technical Report边界层在此处的流动最不稳定。在此位置之后,沿Vienna University of Technology, ANUM Preprint No. 18/01流向伴随流动的发展,特征值虚部值迅速变大,在[2]Asai Asaithambi. A second-order finite -differencex/B=0.52处特征值虚部值增加到-0.6。由该位置method for the Falkner-Skan equation J]. Applied Mathematicsand Computation 156(2004)779-786347万方效据