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      國?內?外?生?物?質?能?源?開?發?利?用?技?術

      媒體:山東大學學報  作者:董玉平  王理鵬 2014/7/12 18:45:15

      0 引言
          能源危機已成為世界性的問題,是制約當今社會經濟發展的瓶頸,而且化石能源的使用也造成了嚴重的環境污染和生態破壞.生物質作為世界上的第四大能源,具有可再生性、資源豐富、環境友好等特點,可替代部分石油、煤炭等化石燃料,成為解決能源與環境問題的重要途徑之一.因此,開發生物質能利用技術已成為各國競相投入研發的熱點.
      1 國內外生物質研究和利用現狀
          生物質是人類利用最早的能源,包括所有動植物和微生物以及由這些生命體排泄和代謝的所有有機物質.由于生物質的可持續利用,不會增加二氧化碳的凈排放,因此全球氣候將受益于生物質的廣泛應用,符合能源需求和環境保護的要求.生物質能源的開發利用早已引起世界各國政府和科學家的關注,許多國家都制定和實施了相應的開發研究計劃,如美國的能源農場、巴西的酒精能源、日本的陽光計劃等等.我國政府及有關部門對生物質能源利用也極為重視,開展了如薪炭林、沼氣工程、生物質壓塊成型、氣化與氣化發電、生物質液體燃料等各類生物質能利用技術的研究與開發,為生物質能發展奠定了堅實的基礎.
      1.1 國外發展現狀
          生物質的轉化可以分為物理方法,熱化學轉化方法,生物轉化方法.物理方法只是改變生物質的形狀、致密度,以便于應用和儲藏;熱化學轉化法是通過熱化學將生物質轉化制備得到一氧化碳、氫氣、小分子烴或生物質油等物質;而生物轉化是通過微生物或酶把生物質進行生化反應的過程.
          美國目前生物質發電的總裝機容量達到104MW,單機容量達10~25MW,生物質能利用占一次能源消耗總量的4%左右.其在沼氣發電領域處于世界領先水平,總容量已達340MW.紐約的斯塔藤垃圾處理站投資2×108美元,采用濕法處理垃圾,回收沼氣,用于發電,同時生產肥料.美國西肯塔基大學開發了一種新型的生物質空氣氣化生產高熱值低焦油燃氣技術,焦油含量很低,碳轉化率和氣化效率較高.美國國家可再生能源實驗室進行了煤生物質流化床高壓聯合氣化的研究,獲得了滿意的結果;并對各種生物質能利用技術進行了一系列的分析和評價.加拿大西安大略大學開發的生物質直接超短接觸液化技術大規模工業化生產成本僅為50加元Πt,是生物質液化技術的重大突破.
          歐洲是生物質能開發利用非?;钴S的地區.目前德國政府對沼氣發電入網進行補貼,以此來鼓勵農戶使用沼氣技術,并撥??顚φ託饧夹g進行開發和研究.根據德國沼氣協會的計算,以德國目前的技術水準,每年可使用沼氣發電6×1010kW,占全部用電量的11%.德國大學TUBINGEN開發了低溫裂解裝置處理城市垃圾,加料流量達2tΠh.荷蘭Twente大學開發了旋轉錐式反應工藝.奧地利成功地推行建立燃燒木質能源的區域供電計劃,目前已有九十多個容量為1000~2000kW的區域供熱站,年供熱1000MJ.瑞典和丹麥正在實行利用生物質進行熱電聯產的計劃,使生物質能在提供高品位電能的同時,滿足供熱的要求.
          巴西是世界上最大的由甘蔗桿制乙醇的生產國和消費國.生物質特別是甘蔗廢棄物或甘蔗渣,在巴西能源中占有舉足輕重的作用.2006年,巴西的乙醇總產量達到1.75×1010L,占全球總產量的38%,其44%的交通燃料為乙醇.目前看來,物理化學轉化和生物技術的交叉,融合將是生物質應用技術的發展趨勢.
      1.2 國內研究現狀
          我國對生物質能源利用極為重視,已連續在四個五年計劃將生物質能利用技術的研究與應用列為重點科技攻關項目,開展了生物質能利用新技術的研究與開發,取得了較大的進展.生物質氣化方面,近年來國內科研單位取得了明顯進展.中國科學院廣州能源研究所在循環流化床氣化發電方面取得了一系列進展,已經建設并運行了多套氣化發電系統;中國林業科學院林產化學工業研究所在生物質流態化氣化技術、內循環錐形流化床富氧氣化技術方面取得了成果;西安交通大學近年來一直致力于生物質超臨界催化氣化制氫方面的基礎研究;中國科技大學進行了生物質等離子體氣化、生物質氣化合成等技術的研究;山東大學研究了固定床氣化技術.目前氣化技術已進入應用階段,特別是生物質氣化集中供氣技術和中小型生物質氣化發電技術,由于投資較少,比較適合農村地區分散利用,具有較好的經濟性和社會效益.
          生物質固化成型方面,從20世紀80年代中期起我國開始了成型燃料的開發研究,通過引進、消化國外先進機型,研制出各種類型的適合我國國情的生物質成型機,用以生產棒狀、塊狀或顆粒生物質成型燃料.河南農業大學開發了HPB2Ⅲ型液壓驅動式雙向擠壓秸稈成型機,并進行了市場化的積極探索.總體來看,目前我國的生物質固化成型裝備距國際先進水平還有不小的差距.
      我國生物質熱解液化技術的研究尚處于起步階段.1997年,沈陽農業大學的董良杰,采用Kissinger法和Dzawai法對動力學參數進行了驗證,開展了木屑及其組分熱裂解反應動力學的研究.中國科技大學研制了一種電熱式快速流化床生物質熱解液化設備,可以用于各種固體生物質的液化.我國是世界上沼氣利用開展的較好的國家,生物質沼氣技術已進入商業化應用階段,污水處理的大型沼氣工程技術也進入了商業示范和初步推廣階段.目前已建成農村戶用沼氣池近1.7×107個,建成大中型沼氣工程2400多處,形成了年產超過8×109m3沼氣的生產能力.
      2 生物質能現代化利用技術概述
          生物質能現代化利用技術主要包括生物質氣化技術,生物質固化成型技術、生物質熱解液化技術和沼氣技術.其主要涉及到物理、化學、生物等多學科領域的交叉、滲透.2.1 生物質氣化技術生物質氣化是在不完全燃燒條件下,利用空氣中的氧氣或含氧物質作氣化劑,將生物質轉化為含CO,H2,CH4等可燃氣體的過程.目前氣化技術是生物質熱化學轉化技術中最具實用性的一種.氣化反應過程同時包括固體燃料的干燥、熱分解反應、還原反應和氧化反應.
      目前氣化技術主要的研究方向如下:
          (1)新的氣化方法和氣化工藝的研究.郭建維利用廢棄的白木屑在流化床生物質氣化系統上進行了催化裂解氣化實驗研究,在制備了多種鎳基催化劑的條件下,對不同催化劑的裂解氣化性能進行了評價.日本東京工業大學建立了高溫空氣氣化的實驗裝置,對煤和廢棄物進行了實驗研究,并于1999年由吉川邦夫提出了高溫空氣氣化的初期理
      論框架.卡爾森.P將高溫空氣氣化技術與IGCC
      相結合形成MEET2IGCC系統,空氣過剩系數可以大大減少、合成煤氣熱值得到較大提高、系統熱效率可達40%以上等優點.
          (2)生物質氣凈化技術和洗焦廢水的處理.目前生物質氣化去除焦油的方法主要包括普通方法和催化裂解法.普通方法去焦油產生的洗焦廢水容易造成二次污染.張文華采用好氧生物處理技術來處理洗焦廢水,用首都師范大學生物系保存的兩株假單胞菌混合后對氣化洗焦廢水進行生物降解,當洗焦廢水濃度為100mlΠL時,COD去除率可達到81.4%.催化裂解法是在一定溫度下,使用催化劑把焦油分解成永久性小分子氣體,裂解后的產物與燃氣成分相似,避免了洗焦廢水的污染問題.常見的催化劑有鎳基、木炭和白云石催化劑.鎳基催化劑活性高,但易被氣化過程中所生成焦炭覆蓋其活性表面使活性下降,而且目前使用鎳基催化劑成本比較高.吳正舜采用高溫以及木炭催化的雙重功效對焦油裂解進行了工業應用研究.實驗結果表明,裂解操作溫度控制在800℃以上時,對燃氣中的焦油有明顯的裂解作用.
          (3)超臨界水生物質催化氣化制氫技術.在超臨界水中進行生物質的催化氣化,生物質的氣化率可達到100%,氣體產物中H2的體積百分含量甚至可超過50%,反應不生成焦油、木炭等副產品.對于含水量高的濕生物質可直接氣化,不需要高能耗的干燥過程.西安交大動力工程多相流國家重點實驗室在國內最早開展了這方面的研究,設計了一套連續反應式超臨界水生物質催化氣化制氫實驗裝置,對葡萄糖液模型化合物和花生殼的超臨界水催化氣化進行了研究,討論了反應物、催化劑、反應條件等因素的影響運用過渡態理論,對羧甲基纖維素鈉(CMC)和鋸木屑ΠCMC的超臨界水氣化反應動力學進行了研究.由于在超臨界水氣中所需的溫度和壓力對設備要求比較高,這方面的研究目前還主要停留在小規模的實驗研究階段.
      2.2 生物質固化成型技術
          生物質原料作為燃料存在能量密度小、運輸和儲存成本高、占用空間大等缺點,這成為制約生物質資源規?;玫?ldquo;瓶頸”;生物質固化成型技術是將分散的的各類生物質原料經干燥、粉碎到一定粒度,在一定的溫度、濕度和壓力條件下,使原料顆粒位置重新排列并發生機械變形和塑性變形,成為規則形狀的密度較大的固體燃料.固化成型燃料既可以提高原料的密度、減少運輸和儲運成本,又可以改善原料的燃燒性能、提高燃燒效率,是解決生物質資源規?;玫挠行Х椒?
          生物質固化成型技術主要的研究方向如下:
          (1)生物質固化成型工藝的研究.生物質成型工藝主要分為濕壓成型、熱壓成型和炭化成型.熱壓成型是目前普遍采用的生物質壓縮成型工藝,其工藝過程一般可分為原料粉碎、干燥混合、擠壓成型和冷卻包裝等幾個環節.針對不同的原料種類、粒度、含水率等影響因素,應采用不同的工藝類型、工藝流程.樊峰鳴以玉米秸稈、大豆秸稈為原料,采用改進型生物質秸稈成型機,就大粒徑秸稈粒度、含水率等對成型密度、抗水性影響因素進行了研究.結果發現,原料含水率在8%~15%時均很容易壓縮成型,在12%左右成型效果最佳.
          (2)生物質壓縮成型機的研究.生物質壓縮成型機主要分為螺旋式、活塞式和壓輥式.壓輥式又分為平模式和環模式.螺旋擠壓式成型機開發應用最早,但成型部件(尤其是螺桿)磨損嚴重和單位產品能耗高;活塞式成型機靠活塞的往復實現運動,按驅動動力可以分為機械驅動式和液壓驅動式;壓輥式成型機主要用于生產顆粒狀成型燃料.其主要工作部分是由壓輥和壓模組成,原料在壓輥的作用下被壓入壓膜上的成型孔內.目前的成型設備及配套設備缺乏相應的技術標準,不同的設計單位設計的成型機千差萬別,成型機對各種原料的適應性差,使成型設備的生產難以產業化.
          (3)生物質成型燃料燃燒特性的研究.成型燃料的燃燒特性對于燃燒過程的結焦現象有很大的影響,其數據一般通過熱重分析試驗獲得.生物質成型燃料因為密度和能量密度的變化以及形狀等因素的影響,其燃燒特性與松散生物質原料不同.余有芳、盛奎川研究了棉桿成型塊等生物質固體燃料在小型移動層上吸式熱解燃燒爐中的熱特性.結果表明,密度較大的棉桿成型塊升溫速率和降溫速率均較低,揮發份的逸出時間增加,高溫燃燒時間延長.目前對于成型生物質燃料的燃燒特性及其燃燒時的結焦現象的研究還很少,阻礙了成型燃料的廣泛應用.
      2.3 生物質液化技術
          生物質液化技術主要是指生物質的熱裂解液化.生物質的熱裂解液化是指在中溫(500℃)高加熱速率(可達1000℃Πs)和極短的氣體停留時間(約2s)的條件下生物質發生的熱降解反應,生成的氣體經快速冷卻后可獲得液體生物油,所得的油品基本上不含硫、氮和金屬成分,是一種綠色燃料.生產過程在常壓和中溫下進行,工藝簡單、成本低、裝置容易小型化、產品便于運輸、存儲,因此生物質熱解液化技術受到國際上的廣泛重視.
      生物質液化涉及的研究內容如下:
          (1)熱裂解反應動力學及機理的研究.目前熱解工藝技術未能供商業化運營,主要原因是生物質熱解過程十分復雜,對其原理的了解還遠遠不夠,這在很大程度上制約了熱解技術的提高與發展.為制定合理的熱解工藝、有效地利用生物質熱解技術,必須對生物質熱解反應過程作深入的研究.Lanzetta對玉米和小麥秸稈的等溫熱失重動力學進行了研究,發現在較低溫度時,熱解為單段反應過程,此過程生成焦炭和揮發份;當反應溫度在247℃以上時,明顯分為兩個反應階段.第一階段形成揮發份和固相中間體,在第二階段這種固相中間體進一步裂解成揮發份和固體殘渣,第一階段比第二階段熱解速度快得多,與釋放出的大量揮發份有關.
          (2)熱裂解裝置的研究.在生物質快速熱裂解的各種工藝中,反應器的類型及其加熱方式的選擇,在很大程度上決定了產物的最終分布.常用的制取生物質液體燃料的反應器都具有加熱速率快、反應溫度中等、氣相停留時間短等共同特征.常見的幾種反應器有旋轉錐式、流化床式、固定床式、攜帶床式等.
          (3)生物油成分和理化特性的分析.確定生物油的主要組成成分有利于生物油的應用,目前,各研究單位均采用色質聯機分析技術,對其進行初步定量分析.如果將生物油應用于現有的燃燒設備,就必須采用一定的手段和方法測定生物油的某些理化性質,如粘度、水分、熱值等.生物油理化特性和組成成分分析,可以對生物油進行進一步的精制處理提供依據.
          (4)新型液化技術.主要包括加壓液化和超臨界液化.生物質加壓液化是在較高壓力下的熱轉化過程,溫度一般低于快速熱解.Yokoyama等開發出了一套在高壓惰性體中用Na2CO3等催化劑、不使用CO或H2等還原性氣體的生物質液化技術.超臨界液化是利用超臨界流體良好的滲透能力、溶解能力和傳遞特性而進行的生物質液化.劉孝碧、曲敬序等在間歇高壓釜實驗裝置上,采用乙醇和水在亞Π超臨界狀態下對玉米秸稈進行液化反應,考察了乙醇摩爾含量對玉米秸稈在超Π亞臨界乙醇-水中萃取過程的影響,并對液化產物進行了初步分析.研究結果表明,隨著乙醇摩爾分數的增加,玉米秸稈液化的轉化率和萃取率呈現先增加后減少的趨勢,油溶物含量增大,有機水溶物含量減小.
      2.4 沼氣技術
          沼氣是把有機物質在一定條件下經過微生物發酵作用而生成的以甲烷為主的可燃氣體.沼氣的主要成分是甲烷和二氧化碳,屬中等熱值燃氣.沼氣既能有效處理有機廢物、改善衛生狀況,而且還可提供大量清潔能源.沼氣技術的研究和大力推廣,對于改善生態環境和保證經濟的可持續快速發展有重大意義.
      沼氣技術涉及的主要內容和方向如下:
          (1)沼氣發酵技術.沼氣發酵技術是指從發酵原料到產出沼氣的整個過程所采用的技術和方法,主要包括原料的預處理,接種物的選取和富集,消化器結構的設計等一系列技術措施.沼氣發酵對厭氧環境、接種物-菌種選擇與富集培養、合理配料、料液pH值、發酵溫度等條件有嚴格的要求.常用的幾種消化器包括高速消化器、接觸式厭氧工藝、厭氧過濾器等.目前的研究主要集中在大中型沼氣工程的發酵工藝和小型沼氣池的商品化方面.
          (2)沼氣發電技術與沼氣燃料電池技術.沼氣燃燒速度慢,造成沼氣發動機燃燒持續期長,燃燒效率低,后燃嚴重.為此通常采用柴油引燃和快速燃燒系統等措施.燃料電池是將儲存在燃料中的化學能直接轉化為電能,具有能量轉化效率高、污染低、既可集中供電也可分散供電的特點.目前的研究主要集中在提高沼氣發動機效率和沼氣燃料電池性能方面.
          (3)沼氣的綜合利用技術.以沼氣設施為紐帶,以沼氣綜合利用技術為核心的各種“生態農業模式”,并以各種資源進行了有效整合和綜合利用,既改善了生態環境,又提高了資源的利用率.涂國平、賈仁安等以江西丘陵紅壤為對象,研究了沼氣生態工程對提高土壤有機含量的作用.但目前總體來講,對于“生態農業模式”中的具體技術細節尚缺乏深入研究,對綜合利用的研究深度和規范性有待提高.
      3 我國生物質能研究應用中存在的問題和應對策略
      3.1 存在的問題
          我國在生物質能源開發方面取得了巨大成績,但技術水準卻與發達國家相比仍存在一定差距;在我國現實的社會經濟環境中,還存在一些消極因素制約和阻礙著生物質能利用技術的發展、推廣和應用.
          (1)由于資源分散,收集手段落后,我國的生物質能利用工程的規模很小,離產業化尚有一段距離;設備管理水平差,設備利用率低,轉換效率較低.
          (2)生物質能中的關鍵技術還未能完全解決.如:厭氧消化產氣率低,氣化利用中的焦油問題,沼氣發電與氣化發電效率較低等.
          (3)民眾對于生物質能源還缺乏足夠的認識和熱情.
      3.2 應對策略
          (1)針對生物質資源分散、收集困難的特點,應
      大力開展小型生物質利用設備的研制和推廣,因地制宜,建立分散、獨立的生物質能源系統.
          (2)國家應加大對生物質能源研究的投入,集中精力和資金,重點研究一項或幾項適合國情生物質能利用技術,并解決其關鍵問題,爭取在盡快的時間推廣使用,實現商業化.
          (3)加大對生物質能企業的扶持力度,鼓勵企業對生物質能的研究開發,對采用生物質能技術的企業適當進行補貼.各級政府應盡快制定和落實相關優惠政策,如減免稅、價格補貼、貼息貸款和電力上網等,鼓勵生產和消費生物質能源.
          (4)加強對民眾進行生物質能技術的宣傳.
      4 結論
          鑒于傳統化石能源的逐漸枯竭、能源需求的日益增長和生物質的特點,以及生物質對于經濟發展、社會穩定和國家安全的作用越來越突出.因此,世界各國都展開了廣泛的研究,也取得了一定的成果.本文對生物質能的現代化利用技術進行了闡述,包括生物質氣化,固化成型,生物質液化技術以及沼氣技術,分析了國內外對生物質能研究的主要方向,對目前生物質利用中存在的問題和應對策略提出了意見和建議.由于生物質能利用的復雜性和系統性,現有的技術水平距商業化和大規模應用尚有一段距離,普遍存在著設備能量轉化率不高以及對各種技術的機理研究不夠深入等問題.對此,建議國家應該加大對相關研究的投入和對相關產業的扶持力度。


       

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