新能源与分布式发电技术

新能源与分布式发电技术制作人：朱永强,丁泽俊,许郁华北电力大学新能源与分布式发电生物质能2§7生物质能及其利用关注的问题生物质是怎么形成的，怎样获得？生物质资源有何特点？我国的生物质资源情况如何？沼气是如何形成的？垃圾能否被利用？生物质燃料的类型和特点？生物质发电有哪些方式？石油树是什么树？海藻和燃料有什么关系？教学目标了解生物质的概念和资源情况，理解其特点和重要性；掌握生物质燃料的类型并了解其生成方式；掌握生物质能发电的原理和主要方式。新能源与分布式发电生物质能3§7.1生物质和生物质能生物质，是指有机物中除化石燃料外所有来源于动、植物和微生物的物质，包括动物、植物、微生物以及由这些生命体排泄和代谢的所有有机物。§7.1.1生物质的概念小知识：光合作用新能源与分布式发电生物质能4§7.1.2生物质的来源获取生物质的途径大体上有两种情况：一有机废弃物的回收利用，一专门培植作为生物质来源的农林作物。此外，某些光合成微生物也可以形成有用的生物质。新能源与分布式发电生物质能5§7.1.2.1农林作物形成的生物质（1）农林作业和加工的废弃物例如：农作物的秸秆，残渣和谷壳；林木的残枝、树叶、锯末、果核、果壳等。（2）专门培植的农林作物例如：白杨等薪炭林树种，桉树等能源作物，苜蓿等草本植物。造酒精的甜高粱，产糖的甘蔗，及向日葵等油料作物。此外，海洋和湖泊也提供大量生物质。新能源与分布式发电生物质能6§7.1.2.2其它形式的生物质（1）动物粪便动物粪便是从植物体转化而来的，富含有机物，数量也很大。发酵释放大量温室气体；若处理不善，还会对水体造成污染。（2）城市垃圾城市垃圾成分比较复杂，居民生活垃圾，办公、服务业垃圾，部分建筑业垃圾和工业有机废弃物都含有大量有机物。猜一猜：平均每个家庭每年会产生多少垃圾？（3）有机废水工业有机废水和生活污水，往往也含有丰富的有机物。新能源与分布式发电生物质能7§7.1.3生物质能及其特点生物质能，指蕴藏在生物质中的能量，是直接或间接地通过光合作用，把太阳能转化为化学能后固定和贮藏在生物体内。每年生成的生物质总量达1400～1800亿吨，所蕴含的生物质能相当于目前世界耗能总量的10倍左右。生物质长期以来为人类提供了最基本的燃料。在不发达地区，生物质能在能源结构中的比例较高，例如在非洲有些国家高达60%以上。在当今世界能源消费结构中，仅次于煤炭、石油和天然气，被称为“第四能源”。新能源与分布式发电生物质能8作为一种能源资源，生物质能具有如下特点：（1）可循环再生（2）可存储和运输（3）资源分散（4）大多来自废物§7.1.3生物质能及其特点新能源与分布式发电生物质能9§7.1.4我国的生物质资源中国拥有丰富的生物质资源，理论总量有50亿吨左右。（1）秸秆等农业生物质每年农作物秸秆产量达7亿吨，可作为能源的约有3亿吨。此外，一些大型米厂每年可收集2000万吨左右的稻壳。(分布情况，详见教材)（2）林木生物质林木生物质资源大多分布在我国的主要林区，其中西藏、四川、云南三省区的蕴藏量越占全国总量的一半。新能源与分布式发电生物质能10（3）禽畜粪便主要来源是大牲畜和大型畜禽养殖场，集约化养殖所产生的畜禽粪便就有4亿吨左右。主要分布在河南、山东、四川、河北等养殖业和畜牧业较为发达的地区。§7.1.4我国的生物质资源（4）城市垃圾和废水工业有机废水排放量高达20多亿吨(不含乡镇工业)。每年城市垃圾产量不少于1.5亿吨，有机物的含量约为37.5％。新能源与分布式发电生物质能11生物质能的主要分布区在西南、东北、河南、山东等地。分布情况，详见教材。我国生物质能的分布与常规能源有一定程度的互补，在一次能源蕴藏量较低的地区往往有开发生物质能的巨大潜力。§7.1.4我国的生物质资源新能源与分布式发电生物质能12§7.2生物质能利用概述§7.2.1生物质能利用的历史自原始农业社会，秸秆和薪柴就一直是主要的燃料，这就是传统生物质能，有时统称薪炭。1860年，薪炭在世界能源消耗中所占比例仍高达73.8%。随着化石燃料的大量开发利用，薪炭能源的比例逐渐下降。1973年能源危机的爆发及矿物能源的严重污染，使可再生能源，得到了国际上的广泛重视和发展。更为广泛的生物质来源，更多的生物质能利用方式，逐渐被人类发现并普及应用。专家估计，到21世纪中叶采用新技术生产的各种生物质替代燃料将占全球总能耗的很大比重。新能源与分布式发电生物质能13§7.2.2生物质能利用的形式生物质能利用，主要是将生物质转变为可直接利用的热能、电能和可存储的燃料。生物质的组成与化石燃料大体相同，利用方式也类似。常规能源的利用技术无需大改，即可应用于生物质能。但生物质的种类繁多，各有不同的属性和特点，应用方式也趋于多样，可能远比化石燃料的利用更复杂。新能源与分布式发电生物质能14§7.2.2生物质能利用的形式新能源与分布式发电生物质能15§7.3生物质燃料§7.3.1固体生物质燃料（1）生物质直接燃烧直接燃烧是最古老、最广泛的生物质利用方式。得到的热量，可直接利用，也可进行后续转换（如发电）。不过，直接燃烧的转换效率往往很低。与煤炭相比，生物质燃料的特点为：－碳氢化合物受热分解挥发分多，释放的能量过半；－含氧量多，易点燃，而不需太多氧气供应；－密度小，容易充分烧尽，灰渣中残留的碳量小；－含碳量少，能量密度低，燃烧时间短；－松散，体积大，不便运输。新能源与分布式发电生物质能16（2）固体成型燃料以木质素为黏合剂，将松散的秸秆、树枝和木屑等农林废弃物挤压成特定形状的固体燃料，即压缩成型。压缩成型可以解决天然生物质分布散、密度低、松散蓬松造成的储运困难、使用不便等问题。原料主要是锯末、木屑、稻壳、秸秆等，其中含有纤维素、半纤维素和木质素，占植物成分的2/3以上。§7.3.1固体生物质燃料一般将原料粉碎到一定细度后，在一定压力、温度和湿度条件下，挤压成棒状、球状、颗粒状的固体燃料。新能源与分布式发电生物质能17其能源密度相当于中等烟煤，热值显著提高，便于储运。§7.3.1固体生物质燃料（2）固体成型燃料新能源与分布式发电生物质能18气体燃料的优点包括：①既可直接燃烧，又能用来驱动发动机和涡轮机；②能量转化效率比生物质直接燃烧高；③便于运输；等等。（1）木煤气可燃的生物质在高温条件下经过干燥、干馏热解、氧化还原等过程后，能产生可燃性混合气体，称为生物质燃气，俗称“木煤气”。主要成分有CO、H2、CH4、CmHn等可燃气体和CO2、O2、N2等不可燃气体及少量水蒸气。另外，还有由多种碳氧化合物组成的大量煤焦油。§7.3.2气体生物质燃料新能源与分布式发电生物质能19原料多为原木生产及木材加工的残余物、薪柴、农副产物。不同的生物质气化所产生的混合气体成分可能稍有差异。§7.3.2气体生物质燃料（1）木煤气目前常用的生物质燃气发生器，有热裂解装置和气化炉。热裂解是指在隔绝空气或空气不足的不完全燃烧条件下，将生物质原料加热，将生物质大分子中的化学键切断，使其分解为分子量较低的CO2、H2、CH4等可燃气体。气化炉原理：将原料送入炉内，加燃料后点燃，同时通过进气口向炉内鼓风，通过一系列氧化还原反应形成煤气。生物煤气中可燃气体所占比例较低，热值较低。新能源与分布式发电生物质能20人畜粪便、农林废弃物、有机废水等，在密封装置中利用特定微生物分解代谢，能产生可燃的混合气体，称为沼气。主要成分是甲烷(CH4)，通常体积占60%～70%。甲烷的发热值很高，完全燃烧时仅生成CO2和H2O，并释放热能，是一种清洁燃料。1m3沼气的含热量相当于0.8kg标准煤。§7.3.2气体生物质燃料（2）沼气新能源与分布式发电生物质能21利用微生物代谢作用来生产产品的工艺过程称为发酵。沼气发酵又称为厌氧消化，有机物质在一定的水分、温度和厌氧条件下，通过多种微生物的分解代谢，最终形成甲烷和二氧化碳等混合性气体。§7.3.2气体生物质燃料（2）沼气沼气池必须符合多种条件（微生物生存、繁殖）：－沼气池要密闭。－维持20～40℃。－要有充足的养分。－发酵原料要含适量水。－pH值一般控制在7～8.5。新能源与分布式发电生物质能22§7.3.2气体生物质燃料（2）沼气中国农村推广的沼气池多为水压式沼气池，详见教材。截至2006年底，全国农村约有2200多万户农村家庭已经利用上了沼气能源。尤其是在西部地区，发展更快。沼气发酵技术对工厂废水、城市生活垃圾、农业废弃物等有非常好的处理效果，有积极的环保意义。新能源与分布式发电生物质能23主要包括燃料乙醇、植物油、生物柴油等，都可以直接代替柴油、汽油等由常规液体燃料。生成途径有热裂解(已介绍)和直接液化法等。固态生物质经一系列化学加工过程，转化成液体燃料，称为生物质的直接液化。直接液化得到的产品，物理稳定性和化学稳定性都更好。§7.3.3液体生物质燃料新能源与分布式发电生物质能24乙醇俗称酒精，进一步脱水（含量高于99.6%）再加适量的变性剂即可制成燃料乙醇。主要原料：淀粉质原料，甘薯、土豆等；糖质原料，如甜菜等；纤维素原料，例如农作物秸秆、林木加工残余等。§7.3.3液体生物质燃料（1）燃料乙醇新能源与分布式发电生物质能25每千克乙醇完全燃烧时能产生30MJ左右的热量，是一种优质的液体燃料。燃料乙醇的生产成本与汽油和柴油大致相当，产生的环境污染却少得多。经过适当加工，还可再制成乙醇汽油等用途广泛的工业燃料。§7.3.3液体生物质燃料（1）燃料乙醇世界之最：最大的生物质燃料乙醇生产系统（详见教材）利用植物原料生产乙醇产品最早的国家（俄）。乙醇燃料开发利用最有特色的国家（巴西）。美国汽车用油添加乙醇的也很高。新能源与分布式发电生物质能26利用含油植物的果实、叶、茎，经压榨、提取、萃取和精炼等处理得到的油料。发热量一般可达37~39MJ/kg，比柴油稍小。单独使用或与柴油混合，植物油都可在柴油机里直接燃烧。不过直接燃烧会在汽缸中留下未烧完的碳。§7.3.3液体生物质燃料（2）植物油新能源与分布式发电生物质能27来自生物质的原料油经一系列加工处理制成的液体燃料。原料包括植物油脂、动物油酯、废弃食用油等。生产主要以化学法为主，即原料油与甲醇或乙醇在酸、碱或生物酶等催化剂作用下进行酯交换反应。性质与常规柴油相近，是汽油、柴油的优质代用燃料。也可按一定比例与柴油混合使用。§7.3.3液体生物质燃料（3）生物柴油新能源与分布式发电生物质能28§7.4生物质能发电简介§7.4.1生物质发电的基本原理生物质发电是利用生物质直接燃烧或转化为某种燃料后燃烧所产生的热量发电。生物质发电的流程，大致分两个阶段：一般先把各种可利用的生物原料收集起来，通过一定程序的加工处理，转变为可以高效燃烧的燃料；再把燃料送入锅炉中燃烧，产生高温高压蒸汽，驱动汽轮发电机组发出电能。生物质能发电的发电环节与常规火力发电是一样的，所用的设备也没有本质区别。新能源与分布式发电生物质能29生物质能发电的特殊性在于燃料的准备。一般要对生物质进行一定的预处理，如烘干、压缩、成型等。不采用直接燃烧方式的，还需要通过特殊的工艺流程，实现生物质原料到气态或液态燃料的转换。生物质发电涉及原料的收集、打包、运输、贮存、预处理、燃料制备、燃烧过程的控制、灰渣利用等诸多环节。§7.4.1生物质发电的基本原理生物质能发电的同时，常常还可实现资源的综合利用。如余热、灰渣，等等。新能源与分布式发电生物质能30生物质能发电具有如下特点：（1）适于分散建设、就地利用（2）技术基础较好、建设容易（3）碳排放比化石燃料少（4）变废为宝，更加环保§7.4.2生物质发电的特点发展生物质能发电，也有一些问题需要注意：（1）转化设备必须安全可靠。（2）能源作物需要占用大量土地新能源与分布式发电生物质能31生物质发电起源于1970s年代。1988年，诞生世界上第一座秸秆生物燃烧发电厂。1992年，英国第一家利用动物粪便的电厂建成。§7.4.3生物质发电的发展状况2000年，欧盟15国电力的1.5%来自生物质能。生物质发电产业保持持续稳定的增长，主要集中在发达国家，但印度、