可再生能源概论左然第五章---生物质能

第五章生物质能生物质能介绍生物质能是指来源于木材、秸秆、动物粪便等生物质的能源。它是太阳能以化学能的形式储存在生物质中，以生物质为载体的能量。它直接或间接来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源。生物质能与太阳能、风能、水能和潮汐能相比是唯一可存储和运输的可再生能源。生物质的组成与常规的化石燃料相似，它的利用方式也与化石燃料类似。但生物质的种类繁多，分别具有不同特点和属性，利用技术远比化石燃料复杂与多样。5.1生物质能的形成生物质能主要来源于绿色植物的光合作用。光合作用是绿色植物通过叶绿体利用太阳能，把二氧化碳和水合成为储存能量的有机物，并且释放出氧气的过程。用化学式表示光合作用分为两个阶段:1、光反应阶段是在叶绿体内基粒的囊状结构上进行，首先将水分子分解成O和H，释放出氧气；然后在光照下将ADP（二磷酸腺苷）和无机磷合成为ATP(游离核苷酸)。2、暗反应阶段是在叶绿体内的基质中进行，首先是二氧化碳的固定；再次其中一些三碳化合物接受ATP释放的能量，被氢还原，再经过一系列复杂的变化，形成糖类。2261262261266COHOCHOHOO叶绿体太阳能生物质的利用最直接的利用方式是燃烧，燃烧有这样几个特点：第一，需要氧气；第二，有化学反应发生；第三，有热量产生。转化利用途径主要包括燃烧、热化学法、生化法、化学法和物理化学法等（如图5-1），可转化为二次能源，分别为热量或电力、固体燃料（木炭或颗粒燃料）、液体燃料（生物柴油、甲醇、乙醇和植物油等）和气体燃料（氢气、生物质燃气和沼气等）。图5.1生物质能转化利用途径5.2生物质能的来源生物质的两大主要来源：为了获取生物质能而专门种植的农作物，称为能源作物还有就是废弃物，包括农林业、工业和人们生活中的废弃物。具体如下图所示：5.3生物质直接燃烧技术生物质燃料和传统的固体燃料煤相比主要有以下差别：(1)含碳量少。生物质燃料的含碳量最高不会超过50%，燃烧的时间短，而且能量密度比较低。(2)含挥发分多。生物质燃料中的碳，多数和氢结合成较低分子量的碳氢化合物，遇到一定温度后热分解析出挥发物，挥发分里所含能量占其所有能量的一半以上。(3)含氧量多。生物质燃料的含氧量明显多于煤炭，使得生物质容易点燃，且不需要太多的氧气供应。(4)密度小。生物质燃料的密度小，比较容易烧尽,但对燃料的运输不利。5.3.1生物质燃料的燃烧过程生物质的燃烧主要是两个阶段，即挥发分的燃烧和焦炭的燃烧，前者燃烧较快，约占燃烧时间的10%，后者则占90%的时间。生物质燃烧还有其特点：(1)生物质燃料的密度小，挥发份高。在250℃时热分解开始，在325℃时就已经十分活跃了。350℃时挥发份可以析出80%。挥发份析出的时间很短，如果空气给的不合适，挥发份有可能燃烧不完全就被排出，产生黑烟，甚至是浓黄色烟。(2)挥发份逐渐析出和燃烬后，燃料的剩余物为疏松的焦炭，气流运动会将一部分炭粒裹入烟道，形成黑絮，所以通风过强会降低燃烧效率。(3)挥发份烧完，固定碳燃烧受到灰分包裹空气较难渗透的影响，易有残炭遗留。此时要加强空气的流动加强其渗透能力，使固定碳尽量的燃烬。5.3.2燃烧过程的部分计算1.空气供给量计算单位质量燃料的理论需要空气量式中V0——单位质量燃料理论需要空气的体积（标准状态下），m3/kg燃料；Cy——燃料碳元素的应用基含量，%；Hy——燃料氢元素的应用基含量，%；Sy——燃料硫元素的应用基含量，%；00.8890.2560.0333yyyyVCHSO2.排烟量计算每千克燃料的实际烟气量可按正式计算：式中Vpy——每千克燃料的实际烟气量（标准状态下），m3/kg燃料；Cy——燃料的碳元素的应用基含量，%；Sy——燃料的硫元素的应用基含量，%；Hy——燃料的氢元素的应用基含量，%；Wy——燃料的水分的应用基含量，%；Ny——燃料的氮元素的应用基含量，%。00.18660.3750.1110.01240.0081.01610.21yyyyypypyVCSHWNV3.燃烧温度计算理论燃烧温度”，可以用下式进行计算，该式是通过进入和排出燃烧系统物质的平衡来求得：.dwaftdthpypyQQQQtVC式中tth——理论燃烧温度，℃；Qdw——燃料热值，kJ/kg燃料；Qa——空气带入的物理热，kJ/kg燃料；Qf——燃料带入的物理热，kJ/kg燃料；Qt.d——燃料热分解的吸热，kJ/kg燃料；Vpy——每千克燃料的实际烟气量（标准状态下），m3/kg燃料；Cpy——烟气的定比热容（标准状态下），kJ/(m3·℃)5.3.3废弃物的燃烧农业废弃物的燃烧与煤燃烧最大区别在于，它有四分之三的能量在挥发份中，而煤的挥发份只含有不到一半的能量。所以设计燃烧器的时候，要使挥发份充分的燃烧以获得更多的能量。在许多欧洲国家，城市废弃物的燃烧为供暖、发电等提供了大量的能量。在西欧一些国家，垃圾焚烧占了垃圾处理的30-60%。世界上利用垃圾发电的装机容量大概是3百万千瓦，有一半左右是在欧洲。但垃圾燃烧有空气污染问题,迫于公众的压力，90年代以后，垃圾焚烧发展得不到更多的支持。但是相比垃圾填埋，垃圾焚烧在短期内还是一个不错的垃圾处理方式。5.3.4燃用生物质锅炉及其应用燃用生物质的锅炉有几种形式：1、人工进料的堆燃炉(荷兰烤炉)2、自动进料的炉箅燃烧炉(炉排炉)3、原料自由燃烧的悬浮炉4、还有流化床燃烧炉(空气由底向上喷射，原料流动燃烧)燃烧生物质锅炉与燃煤锅炉没有本质上的差别，只是在设计锅炉时需考虑到，与煤相比，一般生物质具有热值小、密度小；钾含量多，挥发分多的特点。燃用生物质锅炉的几个著名的示例：1.奥地利Arbesthal集中供热系统2.巴西的锅炉燃用生物质发电3.美国宾夕法尼亚州Viking木材发电厂5.4生物质压缩成型燃料技术为避免出现生物质燃料在直接燃烧时存在挥发分逸出过快、空气供给难以控制等问题，将分布散、形体轻、储运困难、使用不便的纤维素生物质，经压缩成型和炭化工艺，加工成燃料，能提高燃料的热值，改善燃烧性能，这种技术称为生物质压缩成型技术。生物质压缩成型燃料可广泛应用于各种类型的家庭取暖炉、小型热水锅炉、热风炉，也可用于小型发电设施，是我国充分利用秸秆等生物质资源替代煤炭的重要途径，具有良好的发展前景。5.4.1生物质压缩成型原理生物质压缩成型所用的原料主要有：锯末、木屑、稻壳、秸秆等。这些原料的结构通常都比较疏松，密度较小，在受到一定的外部压力后，原料颗粒先后经历重新排列位置关系、颗粒机械变形和塑性流变等阶段，体积大幅度减小，密度显著增大。在水分存在时，用较小的作用即可使纤维素形成一定的形状；当含水率在10%左右时，需施较大的压力才能使其成型，但成型后结构牢固。对于木质素等粘弹性组分较高的原料,其成型温度需达到木质素的软化点；对于木质素含量较低的原料,需加入少量的粘结剂。5.4.2压缩成型工艺类型根据主要工艺特征的差别，可划分为湿压成型、热压成型和炭化成型三种基本类型。如图5-2所示。图5.2生物质压缩成型工艺5.4.3生物质压缩成型工艺流程生物质燃料压缩成型生产的一般工艺流程如图5-3所示。图5-3生物质燃料压缩成型生产的一般工艺流程5.5厌氧消化制取气体燃料制取气体燃料是利用生物质能的一个好方法。图5-3示出生物质制取气体燃料的两种方法的流程图。图5-3生物质制取气体燃料5.5.1固体废弃物的厌氧消化通过厌氧发酵将为畜禽、秸秆、农业有机废弃物、农副产品加工的有机废水、工业废水、城市污水和垃圾、水生植物和藻类等有机物质转化成气体燃料如沼气，是一种利用生物质制取清洁能源的有效途径，同时又能使废物得到有效处理，有利于农业生态建设和环境保护。厌氧消化的过程很复杂。简单来说，就是细菌将其中的有机物转化为糖和各种各样的酸，这些酸分解就可以产生可燃气体，剩下的东西取决于一开始的进料和反应的条件。细菌在分解垃圾的时候就会放出热量，但是在比较寒冷的气候条件下，这些热量要用来维持至少35℃的反应温度。5.5.2沼气沼气发酵原理沼气是有机物在厌氧条件下经微生物分解发酵而生成的一种可燃性气体，其主要成分是甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2），通常情况下，沼气中的甲烷含量为50%-70%，二氧化碳为30%-40%，其它气体均含量很少。沼气是由微生物消化分解生物有机质生成的，所以也称为生物气（biogas）。地球上每年由光合作用生成的4000亿吨有机物，其中约有5%以各种不同形式在厌氧条件下被微生物分解生成沼气。沼气发酵的微生物学原理一般认为，从各种复杂有机物的分解开始到最后生成沼气，共有五大生理类群的细菌参与沼气发酵过程。它们是发酵性细菌、产氢产乙酸菌、耗氢产乙酸菌、食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌。五群菌构成的一条食物链，根据其代谢产物的不同，前三群细菌共同完成水解酸化阶段，后两群细菌完成产甲烷阶段。图5-4中黑线所示为其主要途径。图5-4沼气发酵过程中五群细菌的作用发酵性细菌分泌的胞外酶可以把复杂的有机物分解为可溶性的糖、氨基酸和脂酸，发酵性细菌将上述可溶性物质吸收进入细胞后，经发酵作用将其转化为乙酸、丙酸、丁酸脂肪酸和醇类，同时产生一定量的氢及二氧化碳。发酵性细菌将复杂有机物分解发酵所产生的有机酸和醇类，除乙酸、甲酸和甲醇外均不能被产甲烷菌所利用，必须由产氢、产乙酸菌将其分解转化为乙酸、氢和二氧化碳。耗氢产乙酸菌这是一类既能自养生活又能异养生活的混合营养型细菌。它们既能利H2+CO2生成乙酸，也能代谢糖类产生乙酸。产甲烷菌包括食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌，是厌氧消化过程食物链中的最后一组成员，产甲烷菌在厌氧条件下将前三群细菌代谢的终产物，在没有外源受氢体的情况下，把乙酸和H2/CO2转化为气体产物——CH4/CO2，使有机物在厌氧条件下的分解作用得以顺利完成。它有以下特性①产酸菌为产甲烷菌提供食物。②产酸菌为产甲烷菌创造适宜的厌氧环境。③产酸菌为产甲烷菌清除有毒物质。④产甲烷菌为产酸菌清除代谢废物解除反馈抑制。⑤产酸菌与产甲烷菌共同维持发酵环境的pH值。5.6生物质气化技术生物质气化是生物质热化学转换的一种技术，基本原理是在不完全燃烧条件下，将生物质原料加热，使较高分子量的有机碳氢化合物链裂解，变成较低分子量的一氧化碳、氢气、甲烷等可燃气体。在转换过程中要加气化剂，如空气、氧气或水蒸汽，其产品主要指可燃性气体与氮气等的混合气体。气化器的设计各种各样，基本原理一样：热蒸汽、氧气与固体燃料一起反应，过程一开始，挥发份释放出来，留下了木炭，这两种物质和热蒸汽、氧气互相反应，最后生成了“发生炉煤气”，接下来将有用的、干净的气体分离出来使用。5.6.1生物质气化的原料和应用途径生物质气化所用原料主要是原木生产及木材加工的残余物、薪柴、农业副产物等，包括板皮、木屑、枝杈、秸秆、稻壳、玉米芯等，原料来源广泛，价廉易取。生物质气化产出的可燃气热值，主要随气化剂的种类和气化炉的类型不同而有较大差异。气化剂是空气的，在固定床和单流化床气化炉中生成的燃气的热值属低热值燃气，采用氧气或水蒸汽乃至氢气作为气化剂可产出中热值乃至高热值。生物质燃气的主要用途有：供民用炊事和取暖；烘干谷物、木材、果品、炒茶等；发电；区域供热；工业企业用蒸汽等。5.6.2生物质气化的基本热化学反应以气体在炉内自下而上流动的气化炉（上流式）的工作情况，来说明生物质气化机理图5-5生物质气化机理1.氧化层（燃烧层）氧气在这里烧完，生成大量二氧化碳，同时，有一部分由于氧气（空气）的供应量不足，便生成一氧化碳，放出一部分热量2.还原层，已没有氧气存在，二氧化碳及水在这里还原成一氧化碳和氢气，进行吸热反应。3.热分解层（干馏层）燃料中挥发物进行蒸馏，温度保持在450℃左右。蒸馏出的挥发物混入燃气中。4.干燥层，燃料中的水分蒸发，吸收热量5.6.3不同气化炉气化炉特点及应用固定床气化炉结构简单，投