生物质能源利用方式生物质利用的绿色化工过程

admin 2024-05-20 12:33:23 举报

生物质能是一种重要的可再生能源，利用现代生物质能技术将其转化为清洁、廉价、高品位的能源，对缓解能源短缺和环境保护具有重要意义。摘要：介绍了国内外生物质能利用技术的研究和应用现状，阐述了该领域的主要研究方向和存在的问题，分析了我国生物质能研发中存在的障碍，并提出了相应的对策。

能源危机已成为世界性问题，是制约社会经济发展的瓶颈，化石能源的使用也造成了严重的环境污染和生态破坏。生物质作为世界第四大能源，可再生，资源丰富，对环境友好。它可以替代石油和煤炭等一些化石燃料，成为解决能源和环境问题的重要途径之一。因此，生物质能利用技术的发展成为各国投资研发的热点。

1国内外生物质研究和利用现状

生物质是人类最早使用的能源，包括所有的动物、植物和微生物，以及这些生物排泄和代谢的所有有机物质。因为生物质的可持续利用不会增加二氧化碳的净排放量，全球气候将受益于生物质的广泛应用，符合能源需求和环境保护的要求。生物质能的开发和利用已经引起了世界各国政府和科学家的关注，许多国家都制定并实施了相应的开发研究计划，如美国的能源农场、巴西的酒精能源、日本的阳光计划等。我国政府和有关部门也十分重视生物质能的利用，开展了薪炭林、沼气工程、生物质成型、气化及气化发电、生物质液体燃料等多种生物质能利用技术的研发，为生物质能的发展奠定了坚实的基础。

1.1国外发展现状

生物质能源利用方式生物质利用的绿色化工过程

生物质转化可分为物理法、热化学转化法和生物转化法。物理方法只改变生物质的形状和密度，以方便应用和储存；热化学转化法是将生物质热化学转化制备一氧化碳、氢气、小分子烃类或生物质油；生物转化是微生物或酶对生物质进行生化反应的过程。

目前，美国生物质发电总装机容量达到10 ~ 25 MW，生物质能的利用约占一次能源消耗总量的4%。其总容量已达到世界领先水平的沼气发电。纽约的斯塔顿垃圾处理站投资2108美元，采用湿法处理垃圾，回收沼气用于发电和生产肥料。美国西肯塔基大学开发了一种生物质空气气化生产高热值低焦油气体的新技术，该技术焦油含量低，碳转化率高，气化效率高。美国国家可再生能源实验室开展了煤生物质流化床高压联合气化的研究，取得了令人满意的结果；对各种生物质能利用技术进行了一系列分析和评价。西安大略大学开发的生物质直接超短接触液化技术大规模工业化生产成本仅为50加元/t，是生物质液化技术的重大突破。

欧洲是生物质能开发利用非常活跃的地区。目前，德国政府补贴沼气发电入网，鼓励农民使用沼气技术，并划拨专项资金开发研究沼气技术。据德国沼气协会计算，以德国目前的技术水平，每年可利用6沼气发电，占总用电量的11%。德国大学开发了一种处理城市固体废物的低温裂解装置，进料流速为2 t/h。荷兰大学开发了旋转锥反应工艺。奥地利成功实施了一项燃烧木材能源的区域供电计划。在prese

巴西是世界上最大的甘蔗乙醇生产国和消费国。生物质，尤其是甘蔗废料或甘蔗渣，在巴西能源中发挥着重要作用。2006年，巴西乙醇总产量达到1。75,占全球总产量的38%,其运输燃料的44%是乙醇。目前，物化转化与生物技术的交叉和融合将是生物质应用技术的发展趋势。

1.2国内研究现状

中国高度重视生物质能的利用，已将生物质能利用技术的研究与应用列为四个五年计划的重点科技研究项目，开展了生物质能利用新技术的研究与开发，取得了很大进展。

在生物质气化方面，国内科研机构近年来取得了显著进展。中国科学院广州能源研究所在循环流化床气化发电方面取得了一系列进展，建成并运行了多套气化发电系统；中国林科院林化所在生物质流化床气化技术和内循环锥形流化床富氧气化技术方面取得了成就。近年来，Xi交通大学致力于生物质超临界催化气化制氢的基础研究。中国科学技术大学开展了生物质等离子气化、生物质气化合成等技术研究；山东大学研究了固定床气化技术。目前，气化技术已进入应用阶段，尤其是生物质气化集中供气技术和中小型生物质气化发电技术，投资少，适合农村分散利用，具有较好的经济效益和社会效益。

在生物质固化成型方面，我国从20世纪80年代中期开始研究和开发成型燃料。通过引进和消化国外先进机型，开发出适合我国国情的各种类型生物质成型机，生产棒状、块状或颗粒状生物质成型燃料。河南农业大学研制了HPB2液压驱动双向挤压秸秆成型机，并积极探索其市场化。总的来说，我国生物质固化成型设备与国际先进水平仍有较大差距。我国对生物质热解液化技术的研究还处于起步阶段。1997年，沈阳农业大学的董用Dzawai方法验证了动力学参数，并对锯末及其组分的热解动力学进行了研究。中国科学技术大学开发了电热快速流化床生物质热解液化设备，可用于各种固体生物质的液化。

中国是世界上沼气利用的好国家。生物质沼气技术已经进入商业应用阶段，大规模污水处理沼气工程技术也进入商业示范和初步推广阶段。目前已建成农村户用沼气池近1.7107个，规模较大

中型沼气工程2400多处，形成了年产超过8×109m3沼气的生产能力。

2生物质能现代化利用技术概述

生物质能现代化利用技术主要包括生物质气化技术，生物质固化成型技术、生物质热解液化技术和沼气技术。其主要涉及到物理、化学、生物等多学科领域的交叉、渗透。

2.1生物质气化技术

生物质气化是在不完全燃烧条件下，利用空气中的氧气或含氧物质作气化剂，将生物质转化为含CO，H2，CH4等可燃气体的过程。目前气化技术是生物质热化学转化技术中最具实用性的一种。气化反应过程同时包括固体燃料的干燥、热分解反应、还原反应和氧化反应。

目前气化技术主要的研究方向如下：

(1)新的气化方法和气化工艺的研究。郭建维利用废弃的白木屑在流化床生物质气化系统上进行了催化裂解气化实验研究，在制备了多种镍基催化剂的条件下，对不同催化剂的裂解气化性能进行了评价。日本东京工业大学建立了高温空气气化的实验装置，对煤和废弃物进行了实验研究，并于1999年由吉川邦夫提出了高温空气气化的初期理论框架。卡尔森。P将高温空气气化技术与IGCC相结合形成MEET2IGCC系统，空气过剩系数可以大大减少、合成煤气热值得到较大提高、系统热效率可达40%以上等优点。

(2)生物质气净化技术和洗焦废水的处理。目前生物质气化去除焦油的方法主要包括普通方法和催化裂解法。普通方法去焦油产生的洗焦废水容易造成二次污染。张文华采用好氧生物处理技术来处理洗焦废水，用首都师范大学生物系保存的两株假单胞菌混合后对气化洗焦废水进行生物降解，当洗焦废水浓度为100ml/L时，COD去除率可达到81.4%。催化裂解法是在一定温度下，使用催化剂把焦油分解成永久性小分子气体，裂解后的产物与燃气成分相似，避免了洗焦废水的污染问题。常见的催化剂有镍基、木炭和白云石催化剂。镍基催化剂活性高，但易被气化过程中所生成焦炭覆盖其活性表面使活性下降，而且目前使用镍基催化剂成本比较高。吴正舜采用高温以及木炭催化的双重功效对焦油裂解进行了工业应用研究。实验结果表明，裂解操作温度控制在800℃以上时，对燃气中的焦油有明显的裂解作用。

(3)超临界水生物质催化气化制氢技术。在超临界水中进行生物质的催化气化，生物质的气化率可达到100%，气体产物中H2的体积百分含量甚至可超过50%，反应不生成焦油、木炭等副产品。对于含水量高的湿生物质可直接气化，不需要高能耗的干燥过程。西安交大动力工程多相流国家重点实验室在国内最早开展了这方面的研究，设计了一套连续反应式超临界水生物质催化气化制氢实验装置，对葡萄糖液模型化合物和花生壳的超临界水催化气化进行了研究，讨论了反应物、催化剂、反应条件等因素的影响运用过渡态理论，对羧甲基纤维素钠(CMC)和锯木屑/CMC的超临界水气化反应动力学进行了研究。由于在超临界水气中所需的温度和压力对设备要求比较高，这方面的研究目前还主要停留在小规模的实验研究阶段。

2.2生物质固化成型技术

生物质原料作为燃料存在能量密度小、运输和储存成本高、占用空间大等缺点，这成为制约生物质资源规模化利用的“瓶颈”;生物质固化成型技术是将分散的的各类生物质原料经干燥、粉碎到一定粒度，在一定的温度、湿度和压力条件下，使原料颗粒位置重新排列并发生机械变形和塑性变形，成为规则形状的密度较大的固体燃料。固化成型燃料既可以提高原料的密度、减少运输和储运成本，又可以改善原料的燃烧性能、提高燃烧效率，是解决生物质资源规模化利用的有效方法。

生物质固化成型技术主要的研究方向如下：

(1)生物质固化成型工艺的研究。生物质成型工艺主要分为湿压成型、热压成型和炭化成型。热压成型是目前普遍采用的生物质压缩成型工艺，其工艺过程一般可分为原料粉碎、干燥混合、挤压成型和冷却包装等几个环节。针对不同的原料种类、粒度、含水率等影响因素，应采用不同的工艺类型、工艺流程。樊峰鸣以玉米秸秆、大豆秸秆为原料，采用改进型生物质秸秆成型机，就大粒径秸秆粒度、含水率等对成型密度、抗水性影响因素进行了研究。结果发现，原料含水率在8%～15%时均很容易压缩成型，在12%左右成型效果最佳。

(2)生物质压缩成型机的研究。生物质压缩成型机主要分为螺旋式、活塞式和压辊式。压辊式又分为平模式和环模式。螺旋挤压式成型机开发应用最早，但成型部件(尤其是螺杆)磨损严重和单位产品能耗高;活塞式成型机靠活塞的往复实现运动，按驱动动力可以分为机械驱动式和液压驱动式;压辊式成型机主要用于生产颗粒状成型燃料。其主要工作部分是由压辊和压模组成，原料在压辊的作用下被压入压膜上的成型孔内。目前的成型设备及配套设备缺乏相应的技术标准，不同的设计单位设计的成型机千差万别，成型机对各种原料的适应性差，使成型设备的生产难以产业化。

(3)生物质成型燃料燃烧特性的研究。成型燃料的燃烧特性对于燃烧过程的结焦现象有很大的影响，其数据一般通过热重分析试验获得。生物质成型燃料因为密度和能量密度的变化以及形状等因素的影响，其燃烧特性与松散生物质原料不同。余有芳、盛奎川研究了棉杆成型块等生物质固体燃料在小型移动层上吸式热解燃烧炉中的热特性。结果表明，密度较大的棉杆成型块升温速率和降温速率均较低，挥发份的逸出时间增加，高温燃烧时间延长。目前对于成型生物质燃料的燃烧特性及其燃烧时的结焦现象的研究还很少，阻碍了成型燃料的广泛应用。

2.3生物质液化技术

生物质液化技术主要是指生物质的热裂解液化。生物质的热裂解液化是指在中温(500℃)高加热速率(可达1000℃/s)和极短的气体停留时间(约2s)的条件下生物质发生的热降解反应，生成的气体经快速冷却后可获得液体生物油，所得的油品基本上不含硫、氮和金属成分，是一种绿色燃料。生产过程在常压和中温下进行，工艺简单、成本低、装置容易小型化、产品便于运输、存储，因此生物质热解液化技术受到国际上的广泛重视。

生物质液化涉及的研究内容如下：

(1)热裂解反应动力学及机理的研究。目前热解工艺技术未能供商业化运营，主要原因是生物质热解过程十分复杂，对其原理的了解还远远不够，这在很大程度上制约了热解技术的提高与发展。为制定合理的热解工艺、有效地利用生物质热解技术，必须对生物质热解反应过程作深入的研究。Lanzetta对玉米和小麦秸秆的等温热失重动力学进行了研究，发现在较低温度时，热解为单段反应过程，此过程生成焦炭和挥发份;当反应温度在247℃以上时，明显分为两个反应阶段。第一阶段形成挥发份和固相中间体，在第二阶段这种固相中间体进一步裂解成挥发份和固体残渣，第一阶段比第二阶段热解速度快得多，与释放出的大量挥发份有关。

(2)热裂解装置的研究。在生物质快速热裂解的各种工艺中，反应器的类型及其加热方式的选择，在很大程度上决定了产物的最终分布。常用的制取生物质液体燃料的反应器都具有加热速率快、反应温度中等、气相停留时间短等共同特征。常见的几种反应器有旋转锥式、流化床式、固定床式、携带床式等。

(3)生物油成分和理化特性的分析。确定生物油的主要组成成分有利于生物油的应用，目前，各研究单位均采用色质联机分析技术，对其进行初步定量分析。如果将生物油应用于现有的燃烧设备，就必须采用一定的手段和方法测定生物油的某些理化性质，如粘度、水分、热值等。生物油理化特性和组成成分分析，可以对生物油进行进一步的精制处理提供依据。

(4)新型液化技术。主要包括加压液化和超临界液化。生物质加压液化是在较高压力下的热转化过程，温度一般低于快速热解。Yokoyama等开发出了一套在高压惰性体中用Na2CO3等催化剂、不使用CO或H2等还原性气体的生物质液化技术。超临界液化是利用超临界流体良好的渗透能力、溶解能力和传递特性而进行的生物质液化。刘孝碧、曲敬序等在间歇高压釜实验装置上，采用乙醇和水在亚/超临界状态下对玉米秸秆进行液化反应，考察了乙醇摩尔含量对玉米秸秆在超/亚临界乙醇-水中萃取过程的影响，并对液化产物进行了初步分析。研究结果表明，随着乙醇摩尔分数的增加，玉米秸秆液化的转化率和萃取率呈现先增加后减少的趋势，油溶物含量增大，有机水溶物含量减小。

2.4沼气技术

沼气是把有机物质在一定条件下经过微生物发酵作用而生成的以甲烷为主的可燃气体。沼气的主要成分是甲烷和二氧化碳，属中等热值燃气。沼气既能有效处理有机废物、改善卫生状况，而且还可提供大量清洁能源。沼气技术的研究和大力推广，对于改善生态环境和保证经济的可持续快速发展有重大意义。

沼气技术涉及的主要内容和方向如下：

(1)沼气发酵技术。沼气发酵技术是指从发酵原料到产出沼气的整个过程所采用的技术和方法，主要包括原料的预处理，接种物的选取和富集，消化器结构的设计等一系列技术措施。沼气发酵对厌氧环境、接种物-菌种选择与富集培养、合理配料、料液pH值、发酵温度等条件有严格的要求。常用的几种消化器包括高速消化器、接触式厌氧工艺、厌氧过滤器等。目前的研究主要集中在大中型沼气工程的发酵工艺和小型沼气池的商品化方面。

(2)沼气发电技术与沼气燃料电池技术。沼气燃烧速度慢，造成沼气发动机燃烧持续期长，燃烧效率低，后燃严重。为此通常采用柴油引燃和快速燃烧系统等措施。燃料电池是将储存在燃料中的化学能直接转化为电能，具有能量转化效率高、污染低、既可集中供电也可分散供电的特点。目前的研究主要集中在提高沼气发动机效率和沼气燃料电池性能方面。

(3)沼气的综合利用技术。以沼气设施为纽带，以沼气综合利用技术为核心的各种“生态农业模式”，并以各种资源进行了有效整合和综合利用，既改善了生态环境，又提高了资源的利用率。涂国平、贾仁安等以江西丘陵红壤为对象，研究了沼气生态工程对提高土壤有机含量的作用。但目前总体来讲，对于“生态农业模式”中的具体技术细节尚缺乏深入研究，对综合利用的研究深度和规范性有待提高。