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生物质利用技术
2013-05-20 04:53 | 发布者: | 查看:2929

世界上生物质能源的开发利用技术,长期以来主要是采用直接燃烧,尽管经过不断的技术改造,利用效率仍很低。为了提高效率、方便运输、贮存如多功能使用生物质能源,减少直接燃烧造成的环境污染,近几十年来,不少国家,尤其是经济发达国家,大力研究、开发利用生物质转型优化的能源技术,也就是将低品位的生物质能源转变成液体、气体、固化、电力等形式的优质新能源的技术以及高效节能技术,并开发种植“石油”植物,增加生物质能源的资源储备。

一、生物质热解综合技术

该项技术是生物质在反应器中完全缺氧或只提供有限氧和不加催化剂条件下,高温分解为生物炭、生物油和可燃气的热化学反应过程。可热解的生物质非常广泛,农业、林业和加工时废弃的有机物,都可以作为热解的原料。生物质热解后,其能量的80%-90%转化为较高品位的燃料,有很高的商业价值。农业、林业废弃生物质热解产生的固体和液体燃料燃烧时不冒黑烟,废气中含硫量低,燃烧残余物很少,减少了对环境的污染。分选后的城市垃圾和废水处理生成的污泥经热解后,体积大为缩小,臭味、化学污染和病原菌被除去在消除公害的同时,获得了能源。

热裂解工艺有以下3种类型。

1、慢速热解(烧炭法):主要用于烧木炭业。将木材放在种型式的窑内,在隔绝空气的情况下,加热烧成木炭。一个操作期一般要几天,可得到原料重量30%-35%的木炭,烧木炭法也称木材干馏或碳化。低温干馏的加热温度为50 0-580℃,中温干馏温度为660-750℃,高温干馏温度为900-1100℃。

2、常规热解:是将生物质原料通过常规热解的装置,一般要经过几个小时的热解,可得到原料重量20%-25%的生物炭、10%-20%的生物油。

3、快速热解:是将磨细的生物质原料在快速热解装置中进行,过程经历的时间很短,只有几秒钟,热解产物中生物油的比率明显提高,一般可以达到原料重量的40%-60%,快速热解过程需要的热量以热解产生的部分气体为热源供应。

另外,国内外正在研究“闪激加热”热解气化技术,加热速率越高,热解所获得的气态和液态的燃料产品率越高。

热解所用原料和工艺不同,所得生物炭、生物油和燃料气3种产品的比率及其热值也有差异。

二、生物质液化技术

该技术是以生物质为原料,制取液体燃料的工艺。将生物质转化为液体燃料使用,是有效利用生物质能的最佳途径。其转换方法可分为热化法、生化法、机械法和化学法。生物质液化的主要产品是醇类和生物柴油。

醇类是含氧的碳氢化合物,其分子式为R-OH,其中R表示烷基。常用是甲醇和乙醇。甲醇可用木质纤维素经蒸馏获得,亦可将生物质气化产物一氧化碳与氢经催化反应合成。生产甲醇的原料比较便宜,但设备投资较大。乙醇可由生物质热解产物乙炔与乙烯合成制取,但能耗太高,采用生物质经糖化发酵制取方法较经济可行。一般情况下,乙醇生产成本的60%以上为原料所占。因此选用廉价原料对降低乙醇成本很重要。制取乙醇的原料主要有两类,一类是本质纤维原料,另一类是含糖丰富的植物原料,也可选用农业废弃物,如高梁秸、玉米秸、制糖废渣等。

乙醇作为燃料使用已有很久的历史,1900年英国就出现了以乙醇为燃料的内燃机。70年代以来的能源危机使乙醇燃料又得到发展,据统计,世界上有上千万辆汽车用汽油混合乙醇为燃料。

生物柴油是动植物油脂加定量的醇,在催化剂作用下经化学反应,生成性质近似柴油的酯化燃料。生物柴油可代替柴油直接用于柴油发动机上,也可与柴油掺混使用。生物质液体燃料的可再生性和低污染性使期成为良好的替代能源,作为动力燃料和发电能源有持久的生命力,但目前仍受到石油市场的左右。

巴西利用甘蔗大规模生产乙醇作汽车燃料,以替代进口石油,节约外汇。僵已建有480多家加工厂,年产乙醇127亿升,乙醇汽车累计量达530多万辆。美国利用玉米、马铃薯等生产乙醇,以1:10的比例渗入汽油作汽车燃料,1993年有39个工厂,年产11亿加仑乙醇,每吨玉米可产40加仑乙醇。

三、生物质气化技术

世界上研究应用生物质气化技术发展较快,主要有热解气化技术和厌氧发酵生产沼气技术等。

1、热解气化技术。国外以不同种类的生物质为原料,大都采用压力燃烧气化技术以驱动燃气轮机,还有发生炉煤气甲烷化,流化床气化炉或固定床气化炉热解气化等技术。美国、日本、加拿大、瑞典等国的气化技术已能大规模生产水煤气。

2、厌氧发酵生产沼气,是有机物在厌氧条件下被微生物分解发酵生成一种可燃性气体——沼气,又称生物气。其主要成分是甲烷,含量占60%左右。每立方米沼气的热值相当于1公斤煤的热量。

沼气是1776年由意大利物理学家A??沃尔塔在沼泽发现的。1781年法国人L?穆拉根据沼气产生的原理,将简易沉淀池改造成世界上第一个沼气发生器。但是,资本主义国家在发展工业化、城市化过程中,走了一条“先污染后治理”的路子,对沼气并未引起重视,直至20世纪七八十年代,才越来越引起世界各国的重视。不论是研究、开发、利用厌氧消化技术和大型沼气工程处理城市、工业污泥和垃圾,既治理了污染,又获得了能源。

四、生物质发电技术

1、生物质发电。对于以生物质资源为原料进行发电,工业发达国家已有成熟的技术设备,并形成一定的生产规模。美国采用这种生物质能转型优化方式有三种技术的支持:一是能源林生产技术,包括种子选型、培育和种植。美国利用退耕或轮作的土地种植能源作物,包括树和草,因为这类土地种树或草只需要很少的化肥、农药和管理费用,有利于改良土壤结构,保护水土资源,改善生态环境。二是有专用的加工设备,包括秸秆打捆机、粉碎机、木材削片、整树粉碎等设备和专用的运输工具等。三是生产设备,主要是燃烧炉、蒸汽发电装置等。而毛里求斯、哥斯达黎加等国则大量使用蔗渣发电。

1998年12月英国首座利用特殊培育的柳树为燃料的发电厂在西约克郡奠基。这座新型发电厂使用的主要燃料是生长速度很快的矮柳。该柳树3-4年便可成材。柳树的种植和采伐将使用轮作方式,采伐后立即种植,保证电厂能获得持续的燃料供应。除了柳树外,电厂还可使用农业和渔业废物作为燃料。

2、垃圾发电。随着城市化和食品、医药等工业的发展,城市垃圾迅速增加,许多城市面临着垃圾围城的困扰,大量垃圾堆放占用土地、污染环境。而卫生掩埋、焚化、就也燃烧、堆肥、填低洼地及任意倾弃,衍生出二次污染,危害生态环境和人们的健忘。随着科学技术进步,现代垃圾中被认定为可回收的成分越来越多,因而发达国家,加强了利用垃圾发电的技术研究、开发与应用。

通常的垃圾发电技术是将垃圾投入焚烧炉中燃烧,由垃圾燃烧产生的热量制造蒸汽驱动蒸汽轮机发电。垃圾中含有大量的盐分和氯乙烯等物质,燃烧后会产生一种含有氯元素的气体,这种气体在温度达到300℃时就会严重腐蚀锅炉及管道,所以发电用蒸汽的温度只能控制在250℃左右。通常垃圾发电技术的发电效率只能达到10%-15%,普通火力发电的发电效率则在40%左右,因而这样的垃圾发电技术普及和实用的难度大。

美国皮内拉斯的垃圾发电站年发电量为100亿kw.h,每周可处理120多万吨的垃圾,垃圾燃烧后的废渣用于铺路。荷兰政府也拨出巨款设计建造若干大型垃圾发电站。

日本首座“超级垃圾发电机组”于1996年11月,在群马县榛名町正式试运行。这种“超级垃圾发电技术”的特点是采用蒸汽轮机的同时增设燃气轮机,利用烯气轮机产生的热将锅炉产生的250℃左右的蒸汽温度提高到400℃。由于蒸汽温度得到大幅度提高,发电效率可上升到31%。据测算,如果将日本全国每天产生的垃圾全部用于发电,每天可发电6000万kWh.,相当于100座中型火力发电站的发电能力。

环保专家认为,由于大幅度提高垃圾发电效率的技术不断开发成功,垃圾发电将有可能迅速发展,它不仅可以解决垃圾处理场地不足的问题,还可以化害为得,减少环境污染,并可望成为很有潜力的电力来源。

五、生物质固化成型技术

生物质固化成型技术是将经过粉碎、具有一定粒度的生物质,放入挤压成型机中,在一定压力和温度的作用下,制成棒状、块状或粒状物的加工工艺。成型燃料热性能优于木材,与中质混煤相当,而且点火容易,便于运输和贮存。

生物质压制成型技术把农、林业中的废弃物转化成能源,使资源得到综合利用,并减少了对环境的污染。成型燃料可作为生物质气化炉、高效燃烧炉和小型锅炉的燃料,也可以进一步炭化,作为冶金、化工等行业的还原剂、添加剂等。

生物质热压致密成型机理,主要是木质素起胶粘剂的作用。木质素在植物组织中有增强细胞壁和粘合纤维的功能,属非晶体,有软化点,当温度达到70-110℃时,粘合力开始增加,在200-300℃时发生软化、液化。此时再加以一定的压力,并维持一定的热压滞留时间,可使木质素与纤维致密粘接,遂使大部分物料变开,冷却后生物质即可固化型。另外,粉碎的生物质颗粒互相交织,也增加了成物强度。

压制成型机的基本结构用于生物质致密成型的设备,主要有螺旋挤压式、活塞冲压式和环模滚压式几种类型。

六、种植“石油”作物技术

据专家预测,地球上的石油资源仅够维持到21世纪30年代。为了满足现代化生活的需求,目前世界各国在注意节约能源的同时,积极寻找石油的替代能源,而选育种植石油作物,用植物油替代石油是一个重要途径。其主要方法有以下两个方面。

1、在一些经济发达国家,通过扩大种植甘蔗、甜高梁、甜菜、甘薯以及速生林,提高产品产量,通过对这些农、林产品采用热解技术制取液体燃料。1997年10月在德国召开国际燃料研讨会上,有关学者建议,利用基因技术,选育优良品种,提高油菜籽产量,加工榨取大量菜籽的脂肪酸含量和抗病害能力,增加油菜籽产量,加工榨取大量菜籽油,从自然条件来看,目前比较现实的是开发植物油,它是一种可再生能源,可替代石油。从车辆制造方面看,采用像菜籽油这样的植物燃料,不需要对现有的汽车发动机结构作大的改动,在制造技术方面也不存在在的困难。从生态效果来看,采用植物燃料的汽车所排放的废气将远低于汽油,因此对生态环境较有利;此外对人体健康也不易产生直接的危害。

2、开发新的石油作物。人类为寻找石油的替代能源,选育出了高光效的石油植物。据报道,植物界,可有于制成石油品种很多,不少乔木、灌木、草类、藻类等都含有极可观的天然炼油物质。

巴西的一种香胶树,半年之内每棵树可分泌出20-30kg胶汁,不必提炼即可作燃料。在美国加州农场发现的野生黄鼠草,每公顷产量可提炼出1000kg石油,人工种植时产油可达6000kg;美国加州大学培育的石油草,含碳氢化合物的白色乳状液,稍加提炼便可以得到石油;美国还在其西海岸附近的海域中培育出一种巨型海藻,一昼夜可长60厘米,其含油量很高。日本的一个科研小组宣布,他们成功地从一种淡水藻类中提出取出了石油。这种藻类在吸收二氧化碳进行光合作用的过程中体内蓄集了石油,它不仅对二氧化碳的吸收率高,而且其石油生成能力远远超过预想的程度。提取出的石油不仅发热量高、而且氮、硫含量少。这种淡水藻广泛分布在世界各地的湖泊沼泽中。

诺贝尔奖得主美国的卡尔教授早在1984年已开发出首个人工石油种植场,而且得到每公顷120-140桶石油的收成。他的成就推动了全球石油植物研究,美国已有一个上百万平方米的速生林提炼石油。英国也批准兴建一所石油植物园,而瑞士制订出一个利用植物石油,取代全国半数石油耗量的计划。

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