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生物能
双击自动滚屏 发布者:zq1229 发布时间:2011/1/4 7:26:50 阅读:12433次 【字体:
 
生物能知识
21世纪我国生物能发展趋势
1.发展和利用生物质能资源,对中国具有特殊重要意义
生物质作为能源,是一种贮存太阳能的可再生物质,生长过程中吸收大气中的CO2,用现代技术可以转化成固态、液态和气态燃料。生物质能在是仅次于煤炭、石油和天然气的第4们能源资源,在能源系统中占有重要地位。生物质能资源主要包括薪材、秸秆、畜类和垃圾,这些资源的共同特点是能量密度低,分布广泛。
8亿人口生活在农村,0.6亿人口没有电力供用, 0.7亿人口严重缺柴, 1.7亿人口面临沙漠化的威胁。农牧民在这些地区的生活燃料主要靠生物质能,但生物质又恰恰是这些地区减缓沙漠化、扼制沙漠化最基本的屏障。在许多生物质资源和水资源极度匮乏地区,农牧民的生活燃料一天也不可缺少,因此就出现了这样的过程:树砍光了就割草当柴烧,草割光了就挖树根、草根,寻找一切可燃物做饭。对农牧民来说这已是一种困窘和无奈;对国家来说,广大沙漠边缘地区、荒漠化地带,植被就这样被“连根拔掉”了。内蒙古西部的阿拉善旗,其面积比浙江省还大,近10a来由于 弱水河断流,加之人为过度使用草场,致使域内著名的居延湖干涸,草原变为荒漠,风吹沙扬,今年多次沙尘暴的源头就在那里。生物质能属于可再生的低碳能源,若以现代手段高效率地予以开发转换,将对逐步改变我国以化石燃料为主的能源结构,特别是为农村地区因地制宜地提供清洁方便的能源,具有十分重要的意义。
2.加速种草种树,增加生物质资源量,改善生态条件
人均淡水、耕地、森林和草地的资源占有量仅为世界平均水平的28%、32%、14%、和32%,说明我国生态环境条件十分脆弱。森林是陆地生态系统的体,必须尽快增加林草面积,提高森林生态系统质量,提高其生态服务功能,减缓并最终停止我国生态条件日益恶化的趋势。1998年国务院决定停止采伐长江上游、黄河上游的天然林,在全国范围实施天然林保护工程,并加速荒山荒地造林绿化。国家要通过几十年、上百年的不懈努力,使中国生态环境得到较明显的恢复和改善。因此,要进行区域综合规划,要有全局观点。薪炭林应在林草种植规划占占应有的位置;种草种树要用现代化技术选种、育苗,采用节水型种植与管理模式,管理体制要适合市场经济规律,不走吃大锅饭的老路。这样,薪材资源就会逐步增长,但由于森工产业的关闭和天然林的停止采伐,近期我国薪材资源不可能增加很多,即以木质素为主的生物质能资源可获得量有限。21世纪最初的几十年,生物质能资源中,最可靠、可获得的是秸秆(纤维素为主)和畜粪。
3.生物质能转换技术分类
发达国家已开发的生物质能转换技术有以下几个基本特点:(1)原料是木质素(森工下脚料、能源林、果壳、棉柴等);(2)生物质发电技术成熟,但设备规模大(多在200MW以上),号称小型的也在2MW左右;(3)生物质转换乙醇(酒精)用能源甘蔗或玉米为原料,美国每吨玉米转化为酒精40加仑(128kg);巴西用能源甘蔗转换酒精,每公顷产89t能源甘蔗可转换5 600kg酒精。
4.加快生物质能源现代转换技术的产业化、市场化进程
根据我国在2050年要达到世界中等发达国家的经济水平和改善生态环境的大目标要求,我国在2020和2050年,以现代技术开发生物质能,应分别达到1.95和2.7亿t标准煤。对适于我国应用的几种生物质能源技术的评价如下。
直接燃烧
家用炉、锅炉技术成熟,已进入完全商业化阶段。我国1998年已有1.85亿农户使用省柴节煤炉灶,热效率25%。现热效率超过70%、达到国家环保总局指标要求的低排放多用炉已通过产品鉴定,即将投放市场。对于致密成型技术,挤压部件的材质及工艺处理有待改进,并受产品市场需求限制,技术虽已成熟但近期不会有大发展。
热解气化
以秸秆为原料,2kg秸秆产出1m3低热值生物可燃气,日产可燃气4 000m3供应200户炊用的小型气化装置已有200多台在运转。虽然财政评价不过关,但有前景,当前应是示范阶段,以便改进技术和总结经营等方面经验。还要尽早制定产品和操作标准,现在最忌抢风头、一阵风地上工程。今后,这种热能气化站应纳入现代化小城镇规划,增大产气规模,效益指标将改善。应加大科技投入,尽早解决诸如焦油等症结,推出系列产品。
生物化学转换技术
(1)农户型以沼气技术为纽带的生态家园模式, 猪、沼、果(南方),猪、沼、棚、菜(四位一体)(北方),这是生态农业中的一种关键性技术,要尽早提高商品化程度。(2)禽畜粪便有机废水厌氧消化技术,当前已处理量不足4%,资源开发潜力很大。(3)工业有机废水厌气温消化技术;(4)秸秆厌氧发酵工业化规模产气技术。以上(1)~(3)3种转换技术,资源供应可靠,技术成熟。我国1998年供应农村居民21亿m3沼气和数千万吨优质有机肥,多种功能皆可货币化,社会可接受性良好,已进入准商业化阶段。它们被世界能源委员会和许多国际权威机构认定一种成功的多效益的技术产业。(5)转换技术研制成果十分诱人,2kg玉米秸秆产1m3生物可燃气,但中试工程尚未完善,希望各方面给予支持,加强示范,以便取得更多的实践经验。
5.政府的政策性引导具有关键作用
加强立法,通过税收及其它经济手段,将能源的外部社会成本和环境成本计入能源成本中,以增强可再生能源(包括生物质能)的竞争力;制订规划,充分注意地区差异,加强协调农业、生态环保和生物质能利用之间的平衡和谐,明确目标及步骤;对有前景但技术经济性或商业化条件尚未完全过关的技术,要加大风险资金的投入力度;运行机制要创新,以适应社会经济可持续发展要求,让开发可再生能源有利可得,加强人力资源开发。
6.小结
生物质能是世界第4大能源,在我国能源总消费中占14%,是大多数农牧民的主要生活燃料,要加快发展高品位的生物质能。鉴于我国是水资源短缺、林木覆盖北只有13%、生态条件相当脆弱的国家,对生物质能资源的开发利用,一是要加快发展薪炭林; 二是应将农业废弃物(秸秆、畜粪等)作为技术转化的首选资源。现实且有产业化、商业化前景的现代开发技术,是高效多功能低排放炉灶(锅炉)技术、厌氧技术和小型中型的气化技术。随着我农业集约化程度提高,小型气化这一发电技术也有前景。在市场经济条件下,国家要有可操作的扶持政策。
生物能的技术应用
有机物的来源
牲畜粪便:牲畜的粪便,经干燥可直接燃烧供应热能。若将粪便经过厌氧处理(anaerobic treatment),会产生甲烷和可供肥料使用之淤渣(slurry)。若用小型厌氧消化糟(anaerobic digestor),仅需三至四头牲畜之的粪便即能满足发展中国家中小家庭每天能量的需要。
农作物残渣:农作物残渣遺留於耕地上也有水土保持与土壤肥力固化的功能,因此,农作物残渣不可毫无限制地供作能源转换。
柴薪:至今仍为許多发展中国家的重要能源,仍需依赖柴薪来满足大部分能量需求。不过由于日益增加薪柴的需求,将导致林地日减,需适当规划与植林方可解決这一问题。
制糖作物:对具有广大未利用土地的国家而言,如将制糖作物转化成乙醇将可成为一种极富潛力的生物能。制糖作物最大的优点,在於可直接发酵(fermentation)变成乙醇。
城市垃圾:一般城市垃圾主要成分纸屑(占40%)、纺织费料(占20%)和废弃食物(占20%)。将城市垃圾直接燃烧可产生热能,或是经过热解体(Pyrolysis)处理而制成燃料使用。
城市污水:一般城市污水约含有0.02~0.03%固体与99%以上的水分。下水道污泥(sewage sludge)有望成为厌氧消化槽的主要原料。
水生植物:利用水生植物化成燃料也为增加能源供应方法之一。
种植能源作物增加生物能:目前具有发展潛力的能源作物,包括: 快速成长作物树木糖与淀粉作物(供制造乙醇)含有碳氧化的合作物草本作物水生植物农林废料供应的能量是十分可观的。据Putnam氏的看法,将近全世界总消费量的20%,或约为木材贡献的四倍。在美国这些费料的热含量约为木材消费量的3.5 倍。但此等费料的收集、运输、及转变为可作商品的燃料要比现在石油产品的价格要高几倍呢。
能 量 转 化 过 程
一、生化转化过程 :
1.厌氧消化
厌氧消化为一生化转化过程,依靠不需氧微生物将固体有机物转化成甲烷、二氧化碳、氢及其他产物,整个转化过程可分成三个步骤。
首先将不可溶复合有机物转化成可溶化合物;
然后可溶化合物再转化成短链(Short chain)酸与乙醇;
最后,二步骤的产物再经各种厌氧菌(不需氧生物)转化成气体,一般最后的产物含有50~80%的甲烷,最典型产物为含65%的甲烷与35%的二氧化碳。
其主要优点为可利用水分含量达90%的有机物,可小规模利用,淤渣能充当农作物的肥料。至于主要缺点为大量废水需适当处理,气体产品储藏费用高。
2.乙醇发酵
糖类作物发酵可制成乙醇。一般所谓的乙醇整批制程(batch process),先将发酵物(糖类作物)稀释至糖分约为20%(重量),且酸化至Ph4~5,再加入酵母菌(約5%,),再将液体施以分留和精炼。一般2.5加伦糖或5.85 公斤糖(约 2184Kcal)可制造1加伦的乙醇(3.79升,21257Kcal),因此在整个发酵过程中几无能量损失。
若使用淀粉作物(例如,玉米、大麦)做发酵物,必须先将淀粉转化成可发酵糖分,然后再进行发酵。可供发酵制造乙醇的作物,包括甘蔗、番薯,甜菜等。
由作物发酵生产乙醇的费用约为每公升0.34美元,其高生产成本是由于制程为整批式而非连续的,最终产物(乙醇)含有酵母需再精炼处理。这种产量不足以克服高度工业化的需求。现在美国的消费量将近30亿桶,以能含量计约为四十亿桶的酒精(酒精的热能约为汽油的70%)。在美国木材地区此等数字作比較,总计约为70万平方里(=1.8百万平方公里),其三分之一即约16亿亩是有的卖的,且实际可用的约为35亿亩,我们认为,像美国这样的国家的燃料需求还不能由发酵酒精來克服。
二、热化学转化过程
1.热解:
热解也称为干馏(destructive distillation),指在缺氧条件下的加热作用。将有机物热解会产生气体、液体与固产物,大多数热解气体(pyrogas)的主要成分为H2、CO2、CO、CH4与少量碳氢化合物(例如,乙烷);热解液体一般含有乙醇、醋酸、水或焦油(tars)等;至于热解固体残余物含有炭(例如,木炭)于灰分等。
热解过程包括下列处理程序:原料粗碎,烘干粗碎原料,去除杂质,原料细碎,热解,冷产物,储存与分配产物。热解加热过程中,固态有机物一般于300℃以上开始进行热解,某些催化剂(例如,氯化鋅)可降低热解反应的起始温度。此类热解反应非常复杂并且产物成分常随热解原料与反应状态有很大变化,通常低温与緩慢加热可产生大量固体产物,而快速加热与高温将产生较多气体产物,操作温度也会影响气体产物的品质。假若引入空气以维持燃烧,气体产物物含有大量的氮,此氮成分将会形成氧化物,因而降低气体燃料的热含量。
薪材热解作用一般指在大气压和200℃~600℃温度之间进行,在此状況下典型的产物包括:木炭30~35% 有机液体18~20% 气体20% (产品重量相对与干燥源料的重量) 如果将薪材加热至1100℃ ,热解作用依然存在。在此状況下,大部分液体与固体分餾物将进一步分解,故有较多气体产物产生.
气化: 有机物的气化是热化学反应將固体燃料转化成可燃气体。完全燃烧必须发生在有充分氧气的狀況下,而有机物氧化作用則必须在氧气不足的狀況下进行。
氧化过程的主要反应为:
C+ 02 CO 放热      
C+H2O CO+H2  吸热  
CO+ H2OCO2+H2 放热
C+2 H2 CH4   放热
最简单的氧化作用方式为空气氧化(air gasification),有机物在有限量空气之下进行不完全燃烧反应。空气氧化炉构造简单、价格便宜並且可靠性高,主要缺点在於所产生气体被空气中氮气所稀释,因此气体产物的热值低,经济效益不高。
2.液体燃料制造
直接液化
使用CO或H2作为还原剂,於高溫高压下將有机物直接氧化,且均产生油狀液体产物,其可再分馏而充当燃料使用。
间接液化
将有机物间接液化的主要方法,采用合成气体制成原料。而最先发展的间接液化法是处理煤气液化。
A.合成气体制成乙醇:
此过程在石化工业上应用极广,多用作乙醇制造。目前可行方法很多,其中最易的方法是将H2与CO在高温(约300℃)与高压(约 100Atm)下结合,並使用催化剂。反应方程式为:催化剂 CO+2 H2 ──CH3OH (合成气体) (乙醇) 此法自薪材提炼乙醇,产率约为360公斤/吨薪材,能量转换效率约在30~40%之间。显然乙醇热含量( 19.8GJ/吨)低于石油燃料(43.7GL/吨汽油),但其仍可用于发动汽、柴油机。
B.Mobil法:
若利用Mobil法可将乙醇转化成高辛烷值汽油,因此可免修改引擎。此方法在试验室內己获证实,转换效率可达90% 。紐西兰目前正筹建一座日产量12500吨合成石油工厂,可将天然气转化为乙醇。
C Fisher-Tropseh法:
Fisher-Tropsch法利用催化剂将合成气体制成碳氢燃料。此法发明于1920年,而二次大战时盛行于德国,以制造合成燃料,今日南非利用此法以转换煤碳,但产物复杂,目前正研究寻求适当催化剂以使产物化单纯化。此法若改采用有机物做原料,则产物的硫含量较低。
目前研究中之另一有机物间接液化法,是将热解气体制成合成石油,其未来发展潜力被看好。此技术称为「China lake process」,其采用先进的「快速热解」步骤,它比标准热解法可产制含较多幣屬烴(olefins)的气体产品。此气体产品再经压力聚合成高分子量碳氢化合物,经精炼后即可成为有用燃料。据估计总转换率有22%。
沼 气 利 用
沼气:有机物在厌氧条件下被微生物分解发酵生成的一种可燃性气体.有成生物气其主要可染成分时甲烷,含量占60%左右,此外,二氧化碳占40%左右,以及其他微量成分.沼气在农村有广泛的应用,探索出多种沼气利用技术,下面是几个应用例子:
 
随着人们物质生活的日益改善和外向型农牧业的发展,我国畜禽养殖业集约化生产近十年来发展迅速,每个大中型畜禽场日排放粪水上百吨,严重危害城郊环境卫生,同时成为阻碍养殖业持续稳定发展的重要因素。猪粪水是一优质有机肥源,早先融合于传统农业生产中,进入良性生态循环,它又是一种良好的生物质能资源,通过沼气池发酵回收生物质能沼气,已为人们熟识,而且回收沼气的过程不仅能够保持粪水的肥料成份,还可以增进肥质的速效化和腐殖化。农业的集约化生产在显著提高效率和效益的同时,不幸伴随着大农业生产良性生态循环体系的肢解。集约化畜禽业生产与农业生产脱离,大量的粪水资源未经妥善处理而任意排放,而成为社会注目的公害,因此对集约化猪场粪便污水进行处理意义重大。
  
技术原理:通过对集约化猪场粪水进行包括固液分离段、制肥段、厌氧两步消化段和好氧处理段在内的处理过程,实现猪粪水的综合处理,充分回收资源。
技术关键:固液分离技术,厌氧消化过程,好氧物化处理。
优缺点评价:(l)从资源回收、综合利用和产品水水质商品化出发,优化组合相关的科学技术,不仅能获得较高的能源、生态和环境效益,而且可获得可观的经济效益。(2)因各工艺段的衔接点均设有缓冲环节,运行中能够充分承受猪场粪、水量和 pH等的冲击,确保系统高产能运作和获取稳定的优异效果。
技术指标及要求条件:日处理存栏6500—7000头的猪场全部粪水100—200吨旧,日产沼气约300立方米和商品化有机复合肥约1.5吨。主要设备:产酸池、调节池、物化滤池、接触氧化池、腐化塔、晒道、干燥房。养猪、产气、积肥多功能户用沼气池建设技术背景与意义。
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