生物质能

第三章生物质能生物质是指有机物中除化石燃料外的所有来源于动、植物能再生的物质。生物质能是直接或间接地通过绿色植物的光合作用，把太阳能转化为化学能后固定和贮藏在生物质体内的能源。生物质中可以被人类当作能源加以利用的部分称为生物质能资源。生物质的基本来源是绿色植物通过光合作用把水和二氧化碳转换成(CH2O)而形成。第三章生物质能通过复杂的光合作用，每年贮存在植物的枝、茎、叶、根中的太阳能相当于全世界每年耗能量的几倍。在各种可再生能源中，生物质是独特的，它是贮存的太阳能；此外，它还是唯一的可再生碳源，可转换成常规的固态、液态和气态燃料。普遍认为，生物质能有可能成为未来可持续能源系统的主要能源，扩大其利用是减排CO2的最重要的途径。第三章生物质能本章的主要目的是评价生物质对未来能源供应的潜在贡献；现在和将来有哪些生物质资源可供利用；把生物质作为燃料而大规模生产的后果是什么；有哪些技术能将生物质转换成能量；为保证生物质能的高效利用，应进一步发展哪些技术等问题都将在本章中提出并加以讨论。生物质能特点生物质由C、H、O、N、S等元素组成，是空气中CO2、水和太阳光通过光合作用的产物。其挥发性高，炭活性高，N、S含量低，灰分低。生物质能属于可再生能源，可保证能源的永续利用。全球可再生能源资源可转换为二次能源的约为185.55亿tce，其中生物质能占35%。生物质能种类繁多，分布广，便于就地利用。生物质能特点生物质能利用形式多种多样，且相关技术基本成熟。生物质能的贮存性好。生物质能资源综述生物质主要以木材形式存在。它是人类最古老的能源之一，一直被用作生活和工业活动中的燃料。传统的应用方式是直接燃烧，这种方式至今在世界许多地区仍在广泛采用。生物质是一种比较分散、劳动密集型和占地较多的能源。把生物质当作一种能源来使用，不仅在经济方面有吸引力（因为那些燃料可以很容易地低价获生物质能资源综述得），还有经济发展和环境方面原因。把生物质转化成可利用的能的装置，可以是组装的，而且小规模使用也很有效。生物质是一种土生土长的可再生资源，很少或不需要从国外进口，为其提供原料的农业和林业还为农村经济发展创造了良好机遇。燃烧生物质所产生的污染通常低于矿物性燃料，商业性开发利用生物质还可以避免或减少其他产业（林生物质能资源综述木制品业、食品加工业）所面临的废物处置问题，尤其是城镇的固体废料问题。生物质能资源分类生物质资源用于生产能量的生物质资源包括范围非常广泛，来自农场和天然林地的薪柴，为获取能量而种植的农林作物、农业和工业的废弃物、食品和木材加工业的废弃物、城市固体废物和垃圾，水生植物等都属于生物质资源。我们所说的生物质主要指以下一些类型：生物质能资源分类1.木材燃料：木材燃料是一个用来描述由人工森林、天然森林和天然林地提供的象薪柴、木炭等各种形式的燃料的术语。2.农业废弃物：农业方面每年都产生大量的废弃物，但其中大部分都没有得到充分利用。一般说来，干的农产品中25%的物质是废弃物。农业废弃物可以分为农田上和田野外废弃物等两大类。生物质能资源分类从成本—效益比看，把农业废弃物用作能源是很有吸引力的，但它必须与当地现有的农业发展情况相适应。在发展中国家，农业领域的发展趋势可能使用农业废弃物作为能源更具有吸引力。利用农业废弃物的另一个重要原因是它的经济价值问题。前者是指那些被遗弃在田野上的物质，后者是某些中心地区对收获后的作物加工时所产生的废弃物。生物质能资源分类3.能源作物：种植专门用作能源的作物是一项受到人们密切注意的工作，其主要驱动力是能源危机。下面简要介绍几种潜在的能源作物。短轮伐期林木能源造林与造纸用林没有实质上太大的区别，二者的目标都是既要产量高又要使生长期短。草本作物高粱属作物、玉米、木薯、甘蔗等草生物质能资源分类本作物可用作生产糖和酒精的原料。植物性油料作物植物油本身（或与柴油混用）可用作内燃机的燃料。植物油主要包括豆油、花生油、葵花子油、棉籽油、油菜籽油、棕榈油和蓖麻子油等。植物性燃料工业可以带来很多好处，如一旦需要便可迅速增加生产，常常只需一个生长季度的准备时间；只需要种植普通作物那样的技术生物质能资源分类1公顷好的油料作物可以满足种植8-10m2其他作物所需的燃料；榨油和滤油技术简单，可以在农场生产油料，也可以合作化或产业化规模生产；植物油贮存和使用都比较安全；榨油副产品可当作高蛋白动物饲料。制取碳氢化合物的植物已有人提议从植物中直接生产汽油和碳氢化合物。为了评价这种方法的生物质能资源分类经济可行性，在世界上已进行了数次尝试，但没有规模生产的记载。4.城市废料：城市固体废料城市固体废料是指家庭、商业活动、机关和工业部门所产生的固体废料。城市固体废料必须进行处置，可以通过焚烧或气化的方式使其发电和供热，也可用于生产副产品—甲烷气。生物质能资源分类能源市场价格将影响处理城市固体废物的方法。比较成熟的处理固体废物的方法有：混合堆肥、回收再利用、焚烧、从废物中提取燃料、热解和水解等，上述方法不论哪一种，都需要进行分选和预处理，以便尽可能回收可利用的材料。这些废物处理方法现已研究成功，并在许多工业化国家得到广泛应用。生物质能资源分类需要指出，燃烧固体废料会导致大气污染。所产生的污染物应特别予以注意。因为在所产生的废气中含有许多有害物质，其中包括S、Cl、F、N、氯化烃和重金属等。废液人类日常生活中产生的污水具有可观的能源潜力。污水经过厌氧发酵可产生甲烷气。在污水厌氧处理方面已有多年的实践经验。生物质能资源分类还有一些有潜在价值的水生植物，繁殖蔓延相当快，在有污水和工业废水的地方，或从肥沃田地里排出的水里，这种植物的密度最高。它们繁殖迅速和易于收获的特点，使其成为一种适合进行厌氧发酵的碳原料。生物质能资源利用状况可以确定生物质能对全球能源需求所做的贡献超过其他任何形式的可再生资源。但由于木材和秸杆的产量和消耗量的统计资料很不充分或完全没有；农业和林业产量取决于气候情况，年与年之间和地区与地区之间存在着较大的差异；农产品市场和林产品市场取决于市场作用力，因此用于能源的生物质资源量很大程度上取决于能源原料的价格；生物质能资源利用状况来自不同领域（如农业、林业和废品回收业）的资源量以复杂的方式相互影响等原因，生物质的消耗量是很难确定和估计的。生物质能转换技术通常把生物质能通过一定方法或手段转变为燃料物质的技术称为生物质能转换技术。生物质能可以根据利用方式分为两类——传统的和现代的。现代生物质能是指那些可以大规模用于代替常规能源即矿物性固体、液体和气体燃料的各种生物质能。传统生物质能主要限于发展中国家，广义来说它包括所有小规模使用的生物质能，生物质能转换技术生物质还可按原材料的湿度分为干生物质和湿生物质。一般说来，干生物质是通过某种热化学转换形式来处理，这时候利用加热来生产能源产品；由湿生物质获取燃料物质通常是采用发酵过程，此时生产液体、气体燃料或是化工原料是微生物在起作用。生物质能化学转换技术：直接燃烧生物质能转换技术可分为化学转换技术、物理转换技术和生物转换技术三种类型（图3-2）。生物质能源转换的方式有生物质气化、生物质固化、生物质液化和生物质发电四种。直接燃烧：生物质直接燃烧是最普通的生物质能转换技术。直接燃烧的过程可以简单地表示为：生物质能化学转换技术：直接燃烧有机物质+O2CO2+H2O+能量此过程是光合作用的逆反应过程。在燃烧过程中，将贮存的化学能转变成热能释放出来。除了碳的氧化外，此过程中还有硫、磷等微量元素的氧化。直接燃烧的主要目的是取得能量。燃烧过程中所产生的热可用于发电，供热给需要热量的地方。生物质能化学转换技术：直接燃烧燃烧过程产生热量的多少，除因有机物质种类不同而不同外，还与氧气（空气）的供给量有关。可以进行直接燃烧的设备形式很多，有普通的炉灶，也有各种锅炉，复杂的内燃机（用于燃烧植物油）等。生物质的燃烧过程是强烈的放热化学反应。燃烧的进行除了有燃料本身之外，还必须有足够的温生物质能化学转换技术：直接燃烧度和适当的空气供应，燃烧过程可以分为预热、水分蒸发、析出挥发物和焦炭燃烧等几个阶段。几个阶段是连续进行的，当挥发物着火燃烧后，气体便不断向上流动，边流动边反应形成扩散火焰。扩散火焰中，由于空气与可燃气体混合比例不同，因而形成温度不同的火焰。比例适当，燃烧好，温度高；比例不恰当的燃烧不好，温度低，生物质能化学转换技术：直接燃烧进入炉膛的空气过多或过少时都会造成扩散火焰的熄灭。C的燃烧，理论上可按下列二式进行：C+O2CO2；2C+O22CO而实际上在高温下，氧与炽热的焦炭表面接触时，CO与CO2同时产生，基本上按下列方式进行：生物质能化学转换技术：直接燃烧4C+3O22CO2+2CO；3C+2O2CO2+2COCO2与CO的多少由温度和空气的供给量决定，900-1200℃主要按照前式进行，1450℃以上主要按后式反应。温度更高，则CO2在扩散过程中与炽热的焦炭发生C的气化反应，这是一种会促进固定碳的燃烧的还原反应。生物质能化学转换技术：直接燃烧由于炉膛中有水蒸汽存在，它也会向焦炭表面扩散，当它与炽热焦炭相遇时，同样会发生碳的气化，产生H2或甲烷气体，反应式如下：C+2H2OCO2+2H；C+H2OCO+H2；C+2H2CH4水蒸汽对碳的气化比二氧化碳的作用快，所以炉膛中有适量的水蒸汽，可促进固定碳的燃烧。生物质能化学转换技术：热化学过程生物质气化及热解（热化学过程）：利用空气中的氧气或水蒸汽将固体燃料中的碳和氢转换成更有价值或是更方便的产品的基本热化学过程是高温分解。在此过程中，还伴随有碳与氢的反应。分解后通常形成混合气体、油状液体和纯焦炭。这些产品的比例取决于原料、反应温度和压力、在反应区停留的时间和加热速度等。生物质能化学转换技术：气化热化学过程主要有三大类：气化、低温分解（生产木炭），直接催化液化法（利用生物质生产液体燃料和化学物质的方法）。气化气化技术是一种常规技术。它的首次商业化可追溯到1830年。气化是为了增加气体产量而在高温状态下进行的热解过程。生物质能化学转换技术：气化生物质气化的装置称为气化器。气化器有多种形式的，常见的是底座固定型的立式气化器。理论上讲，气化和燃烧都是有机物与氧反应，但燃烧的主要产物是二氧化碳和水，并放出大量的热，所以燃烧是将原料的化学能转换成热能；气化反应放出的热量要少得多，气化主要是将化学能的载体由固体变为气体，气化后的气体燃烧时再释放生物质能化学转换技术：气化出大量的热量。使用中，气态燃料比固态燃料具有许多优良性能：燃烧容易控制，不需要大的过量空气，燃烧炉具比较简单，燃烧过程中没有颗粒物排放且气体污染较小。气化过程主要由高温氧化和还原反应构成，还有固体燃料的干燥与干馏过程。固体燃料气化时所应用的设备称为气化炉。煤气发生炉和生物质气化炉的基本工作原理是一样的生物质能化学转换技术：气化只是所用原料不同，炉结构有所不同，运转的各种参数及气化产物的组成也有所不同。下面以煤气发生炉（图3-3）为例，说明气化的基本过程。煤气发生炉是一个钢板作成的直立圆桶，内用耐火砖或耐火泥。通过上面料斗加料，燃料支在炉栅上，炉栅下鼓风，得到的燃气从燃料层上面的出气口引出，渣和灰结集在炉栅上，经隙缝落下去。生物质能化学转换技术：气化发生炉工作时，在炉栅附近的燃料遇到炉栅下通过的空气而全部燃烧。在炉栅上形成灰渣。空气经过灰渣层略为加热后，进入燃烧层（氧化层），这里氧气与碳反应，生产二氧化碳，也有一小部分一氧化碳。氧化层上方是还原层，在这里，由于遇到炽热的燃料，二氧化碳被还原成一氧化碳，水被还原成氢气。炽热的气体再向上走把燃料中的挥发生物质能化学转换技术：气化物蒸馏出来，形成干馏层。这里加入炉子的燃料逐渐由半焦变为全焦，干馏产物也混合在煤气中，这里出来的煤气还有很高的温度，再把上面的燃料加以干燥。发生炉可分为四层，从下向上依次是：1）氧化层氧气在这里烧完生成大量的二氧化碳，温度达到1200-1500℃，甚至更高。生物质能化学转换技术：气化同时，有一部分碳，由于氧气（空气）的供应量不足，便生成一氧化