新能源開發(fā)與利用之生物質(zhì)能開發(fā)與利用

第二章生物質(zhì)能利用工程 主要內(nèi)容 2 1生物質(zhì)能概述2 2秸稈 薪柴與省柴灶2 3生物質(zhì)氣化及熱解2 4沼氣的制取及應(yīng)用2 5生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)2 6生物質(zhì)能的工程應(yīng)用 第一節(jié)生物質(zhì)能概述 生物質(zhì)能概念生物質(zhì)能特點(diǎn)生物質(zhì)能分類生物質(zhì)能發(fā)展簡史現(xiàn)代生物質(zhì)能利用技術(shù)生物質(zhì)技術(shù)的研究與推廣 太陽能 綠色植物 草食動(dòng)物 肉食動(dòng)物 殘枝敗葉等 遺體及糞便等 遺體及糞便等 微生物 呼吸作用消耗 1 生物質(zhì)能概念 生物質(zhì) 由光合作用而產(chǎn)生的各種有機(jī)體 包括所有動(dòng)物 植物 微生物 以及由這些生命體排泄和代謝的所有有機(jī)物質(zhì) 是地球上存在最廣泛的物質(zhì) 生物質(zhì)能 蘊(yùn)藏在生物質(zhì)中的能量 是把太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能后固定和貯藏在生物體內(nèi)的能量 它是一種唯一可再生的碳源 可轉(zhuǎn)化成常規(guī)的固態(tài) 液態(tài)和氣態(tài)燃料 從根本上說 生物質(zhì)能來源于太陽能 是取之不盡的可再生能源和最有希望的 綠色能源 可再生低污染普遍易取可儲(chǔ)存運(yùn)輸氣化較容易 能量密度低重量輕 體積大 給運(yùn)輸帶來難度風(fēng)雨雪火等外界因素為保存帶來不利條件 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 2 生物質(zhì)能特點(diǎn) 世界能源狀況 發(fā)展中國家一次能源使用情況 發(fā)達(dá)國家一次能源使用情況 1998年中國農(nóng)村用能比例 傳統(tǒng)家庭使用的薪柴和木炭稻草 稻殼其他的植物性廢棄物動(dòng)物的糞便 3 生物質(zhì)能分類 現(xiàn)代木質(zhì)廢棄物 工業(yè)性的 甘蔗渣 工業(yè)性的 城市廢物生物燃料 沼氣和能源型作物 農(nóng)作物類 包括產(chǎn)生淀粉可發(fā)酵生產(chǎn)酒精的薯類 玉米 甜高梁等 產(chǎn)生糖類的甘蔗 甜菜 果實(shí)等 林作物類 包括白楊 懸鈴木 赤楊等速生林種 蘆葦?shù)炔菽绢惣吧止I(yè)產(chǎn)生的廢棄物 水生藻類 包括海洋生的馬尾藻 巨藻 石莼 海帶等 微藻類的螺旋藻 小球藻等 以及藍(lán)藻 綠藻等 可以提煉石油的植物類 包括橡膠樹 藍(lán)珊瑚 核樹 葡萄牙草等 農(nóng)作物廢棄物 如桔稈 谷殼 林業(yè)廢棄物 如枝葉 樹皮 鋸末等 畜牧業(yè)廢棄物 如骨頭 皮毛等 及城市垃圾等 光合成微生物 如硫細(xì)菌 非硫細(xì)菌等 遠(yuǎn)古時(shí)代 簡單的直接燃燒19世紀(jì)以后 礦物燃料大量勘探開采 生物質(zhì)能退居次要位置第二次世界大戰(zhàn)期間 液體燃料缺乏 揭開生物質(zhì)能現(xiàn)代利用技術(shù)的序幕二戰(zhàn)之后 石油供應(yīng)狀況好轉(zhuǎn) 研究開發(fā)工作暫時(shí)擱置20世紀(jì)70年代后 各種生物質(zhì)能利用技術(shù)廣泛開發(fā) 并開始大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用 4 生物質(zhì)能發(fā)展簡史 5 生物質(zhì)能利用技術(shù) 5 1直接燃燒和發(fā)電 5 2化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù) 5 3生物轉(zhuǎn)換技術(shù) 6 生物質(zhì)技術(shù)的研究與推廣 2 發(fā)展方向 1 現(xiàn)狀 第二節(jié)秸稈 薪柴與省柴灶 秸稈與薪柴省柴灶壓縮成型技術(shù) 1 秸稈與薪柴 2 省柴灶 3 壓縮成型技術(shù) 第三節(jié)生物質(zhì)氣化及熱解 概述固體燃料的氣化生物質(zhì)熱解 生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)將固態(tài)生物質(zhì)原料以熱解反應(yīng)轉(zhuǎn)換成方便可燃?xì)怏w的過程 1 概述 發(fā)展歷程 不同氣化過程的產(chǎn)物及用途 2 固體燃料的氣化 2 1概述 以生物質(zhì)為原料 以氧氣 空氣 富氧或純氧 水蒸氣或氫氣等作為氣化劑 或稱氣化介質(zhì) 在高溫條件下通過熱化學(xué)反應(yīng)將生物質(zhì)中可燃的部分轉(zhuǎn)化為可燃?xì)獾倪^程 氣化與燃燒的區(qū)別 有機(jī)物與氧發(fā)生反應(yīng)完全燃燒獲得熱能不完全燃燒將化學(xué)能的載體由固體轉(zhuǎn)換為氣體 相同點(diǎn) 燃燒 氣化 2 2煤氣發(fā)生爐 煤氣發(fā)生爐的種類 基本工作過程一致?lián)线x擇爐型原料和氣化劑不同 產(chǎn)物不同 700 900 1200 450 左右 100 300 煤氣發(fā)生爐的工作過程 下吸式煤氣發(fā)生爐 上吸式煤氣發(fā)生爐 下吸式煤氣發(fā)生爐 上吸式煤氣發(fā)生爐 2000 平吸式煤氣發(fā)生爐 流化床式煤氣發(fā)生爐 生物質(zhì)原料來源廣泛 價(jià)廉易取 氣化所用的原料主要是原木生產(chǎn)及木材加工的殘余物 薪柴 農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物等 包括板皮 木屑 枝杈 秸稈 稻殼 玉米芯等 生物質(zhì)揮發(fā)組分高 70 80 在較低的溫度時(shí)大部分揮發(fā)份被釋出 400 而煤在800 時(shí)才釋出30 的揮發(fā)組分 生物質(zhì)炭反應(yīng)活性高 在較低的溫度下 以較快的速度與CO2及水蒸氣進(jìn)行氣化反應(yīng) 生物質(zhì)炭灰分少 3 且不易粘結(jié) 簡化了除灰設(shè)備 生物質(zhì)炭含硫量低 0 2 不必設(shè)氣體脫硫裝置 降低了成本 有利于環(huán)境保護(hù) 2 3生物質(zhì)原料與煤原料比較 3 生物質(zhì)熱分解 生物質(zhì)熱分解的主要工藝類型 放熱階段 吸熱 生物質(zhì)熱分解的過程 第四節(jié)沼氣的制取及應(yīng)用 概述沼氣的組成及物理性質(zhì)沼氣發(fā)酵的基本過程 1 概述 在湖泊或沼澤中有氣泡從水底的污泥中冒出1875年波波夫等人發(fā)現(xiàn)沼氣的產(chǎn)生是一個(gè)微生物過程1896年在英國一個(gè)小城市里建起了一座沼氣池 用來處理生活污水所產(chǎn)生的污泥 所產(chǎn)生的沼氣用來照明一條街道1927年德國開始用沼氣發(fā)電1955年出現(xiàn)了使微生物回流的厭氧接觸工藝 使厭氧消化的效率大大提高 1969年出現(xiàn)了厭氧濾器 1979年研制成功厭氧污泥床 微生物在厭氧條件下對(duì)有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行分解代謝的產(chǎn)物甲烷 二氧化碳 硫化氫等無色 有臭味 有毒 1920年羅國瑞在廣東汕頭建造沼氣池 1929年開設(shè)了沼氣商號(hào) 中國天然氣瓦斯燈行 1930年取得了沼氣專利權(quán) 其后在全國13個(gè)省修建了沼氣池 50年代末 為解決農(nóng)村炊事用能問題 農(nóng)村辦沼氣出現(xiàn)了高潮 全國很多省市都修建了沼氣池 收到了一定的成效 但由于科學(xué)技術(shù)未能跟上 修建的沼氣池有的漏氣嚴(yán)重 加上缺乏管理 能夠堅(jiān)持使用下來的為數(shù)不多 70年代初 由于農(nóng)村生活燃料嚴(yán)重短缺 在四川 江蘇和河南等省農(nóng)村又一次掀起了發(fā)展沼氣的熱潮 一度發(fā)展700多萬個(gè)沼氣池 70年代后期 即有大量池子報(bào)廢 1979年5月召開全國沼氣工作會(huì)議 認(rèn)真總結(jié)了前一階段發(fā)展沼氣工作中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn) 提出了重視質(zhì)量 穩(wěn)步發(fā)展的方針 依靠科學(xué)技術(shù) 堅(jiān)持建池質(zhì)量 重視經(jīng)濟(jì)效益 建管并重 穩(wěn)步發(fā)展 并逐步形成以能源 環(huán)境保護(hù)和生態(tài)農(nóng)業(yè)為目標(biāo)的中國沼氣建設(shè)模式 從而使中國沼氣建設(shè)出現(xiàn)了新的轉(zhuǎn)機(jī) 走上了穩(wěn)步 健康發(fā)展的道路 目前 我國農(nóng)村戶用沼氣池已超過500萬個(gè) 經(jīng)濟(jì)效益 1 擴(kuò)大燃料資源 將原來不作燃料使用的人畜糞便及其他生活廢料變成熱能加以利用 2 改變農(nóng)村傳統(tǒng)燃料的燃燒方式 提高了熱量的有效利用 3 節(jié)約秸稈用以還田 增加肥源 或用作粗飼料及輕工業(yè) 手工業(yè)原料等 4 經(jīng)過沼氣池的發(fā)酵 提高了有機(jī)肥料的質(zhì)量和肥效 5 有利于環(huán)境衛(wèi)生 減少疾病 有利于水土保持 改進(jìn)生態(tài)平衡等 2 沼氣的組成及物理性質(zhì) 甲烷50 70 二氧化碳30 40 一氧化碳 氫 硫化氫 氧 氮等 CH4 氣體燃料 淺藍(lán)色火焰 對(duì)水的溶解度極小CO2 用石灰水吸收形成碳酸鈣沉淀H2S 有毒 惡臭 直接燃燒可不去除 用于內(nèi)燃機(jī)時(shí)為防腐蝕 應(yīng)進(jìn)行脫硫處理 3 沼氣發(fā)酵的基本過程 1 沼氣微生物自身耗能少 2 沼氣發(fā)酵能處理高濃度的有機(jī)廢物 3 沼氣微生物對(duì)營養(yǎng)要求較低 能處理的廢物種類多 4 沼氣發(fā)酵受溫度的影響較大 5 發(fā)酵的主要終產(chǎn)物很容易從發(fā)酵液中分離出來 沼氣發(fā)酵的特點(diǎn) 甲醇發(fā)電技術(shù)城市垃圾發(fā)電技術(shù)沼氣發(fā)電技術(shù)生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù) 第五節(jié)生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù) 1 甲醇發(fā)電技術(shù) 概述 甲醇作為發(fā)電站燃料 是當(dāng)前研究開發(fā)利用生物能源的重要課題 日本專家采用甲醇?xì)饣凰魵夥磻?yīng)產(chǎn)生氫氣的工藝流程 開發(fā)了以氫氣作為燃料驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電的技術(shù) 日本建成1座1000kw級(jí)甲醇發(fā)電實(shí)驗(yàn)站并于1990年6月正式發(fā)電 優(yōu)點(diǎn) 低污染 成本低于石油和天然氣發(fā)電 主要問題 燃燒甲醇時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的甲醛 比石油燃燒多5倍 而有人認(rèn)為甲醛是致癌物質(zhì) 且有毒刺激眼睛 導(dǎo)致目前對(duì)甲醇的開發(fā)利用存在分歧 應(yīng)對(duì)其危害性進(jìn)一步進(jìn)行研究觀察 垃圾發(fā)電方式 三種 垃圾填埋氣發(fā)電垃圾焚燒發(fā)電全量焚燒系統(tǒng) 2 城市垃圾發(fā)電技術(shù) 垃圾填埋氣發(fā)電 垃圾填埋氣發(fā)電系統(tǒng)一般由氣體收集系統(tǒng) 凈化加壓系統(tǒng) 燃?xì)鈾C(jī)發(fā)電及電氣并網(wǎng)系統(tǒng)組成 將垃圾填埋場中的有機(jī)物經(jīng)降解后產(chǎn)生的填埋氣 富含甲烷 作為燃料進(jìn)行發(fā)電的技術(shù) 是一種將垃圾清潔化 資源化處理的利用方式 垃圾焚燒發(fā)電 將生活垃圾在垃圾貯坑中經(jīng)過2 3d的貯存之后送入焚化爐中燃燒 利用垃圾焚燒放出的余熱加熱給水 產(chǎn)生一定溫度和壓力的過熱蒸汽送往汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)出電能 生活垃圾的焚燒 本質(zhì)上與其他燃料是相同的 都是有機(jī)物在高溫下的氧化放熱反應(yīng) 但由于垃圾作為燃料在成份上的特殊性 使得燃料入爐前 燃燒后的處理較為復(fù)雜 這也就形成了垃圾焚燒系統(tǒng)與通常的煤燃燒系統(tǒng)有較大差異的原因 全量焚燒系統(tǒng) 專門設(shè)計(jì)用于不經(jīng)預(yù)處理的混合垃圾焚燒 在發(fā)達(dá)國家城市垃圾大多采用無預(yù)處理焚燒系統(tǒng)并進(jìn)行余熱利用 該系統(tǒng)利用率達(dá)85 以上 國內(nèi)外垃圾焚燒技術(shù)主要有3大類 層狀燃燒技術(shù)流化床燃燒技術(shù)旋轉(zhuǎn)燃燒技術(shù) 也稱回轉(zhuǎn)窯式 從20世紀(jì)70年代起 一些發(fā)達(dá)國家便著手運(yùn)用焚燒垃圾產(chǎn)生的熱量進(jìn)行發(fā)電 歐美一些國家建起了垃圾發(fā)電站 美國某垃圾發(fā)電站的發(fā)電能力高達(dá)100兆瓦 每天處理垃圾60萬噸 現(xiàn)在 德國的垃圾發(fā)電廠每年要花費(fèi)巨資 從國外進(jìn)口垃圾 據(jù)統(tǒng)計(jì) 目前全球已有各種類型的垃圾處理工廠近千家 預(yù)計(jì)3年內(nèi) 各種垃圾綜合利用工廠將增至3000家以上 日本去年推廣一種超級(jí)垃圾發(fā)電技術(shù) 采用新型氣熔爐 將爐溫升到500 發(fā)電效率也由過去的一般10 提高為25 左右 有毒廢氣排放量降為0 5 以內(nèi) 低于國際規(guī)定標(biāo)準(zhǔn) 垃圾發(fā)電概況 垃圾處理效果欠佳 分類不清導(dǎo)致阻燃物太多 濕度太大 熱值極低 燒盡率也極低 引進(jìn)焚燒設(shè)備尚不能很好地適應(yīng)中國垃圾的特性 還存在著垃圾焚燒不完全 運(yùn)行不穩(wěn)定 排放不易全部達(dá)標(biāo)等問題 利用國外關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備建設(shè)的垃圾電廠的每處理1t h能力投資約為60 70萬元 這對(duì)于中國絕大部分城市是難以承受的 設(shè)備昂貴 初投資過高 我國垃圾焚燒發(fā)電存在的問題 發(fā)電效率低 和常規(guī)火力發(fā)電廠相比 影響垃圾發(fā)電廠的另一個(gè)主要問題是垃圾焚燒伴生氯化氫 HCL 等在受熱面金屬管壁溫度超過350 時(shí) 對(duì)金屬管壁的腐蝕嚴(yán)重加劇 早期建設(shè)的垃圾發(fā)電廠為了防止這種腐蝕 生產(chǎn)的蒸汽溫度基本上都在300 以下 發(fā)電效率在14 以下 這使得垃圾發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)效益低下 目前引進(jìn)的國外焚燒設(shè)備采用輕柴油為助燃燃料 由于中國垃圾的熱值低 變化范圍較大 必須加入較多的助燃燃料 同時(shí) 也存在關(guān)鍵高溫部件 如過熱器等 使用壽命短 維修費(fèi)用高等問題 因而 利用國外設(shè)備焚燒處理生活垃圾的成本較高 一般為120 150元 t 運(yùn)行成本高 缺乏經(jīng)濟(jì)性 只要用心分類 混雜無序的垃圾就都會(huì)化身為身價(jià)百倍的資源 還可以養(yǎng)活一個(gè)垃圾處理產(chǎn)業(yè) 中國的垃圾是不該燒的 3 沼氣發(fā)電技術(shù) 3 1 概況 中國是世界上建設(shè)沼氣發(fā)酵裝置最多的國家 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì) 到2000年底中國農(nóng)村已有家用沼氣池764萬個(gè) 共有3500多萬人口使用沼氣 年產(chǎn)沼氣達(dá)26億m3 印度也是積極推廣農(nóng)村沼氣池的國家之一 該國日前已建成以牛糞為原料的典型農(nóng)家戈巴沼氣池80多萬個(gè) 3 2 分類 3 3 沼氣發(fā)電系統(tǒng)組成 沼氣發(fā)電系統(tǒng)工藝流程圖 4 生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù) 1 發(fā)生爐2 冷卻過濾裝置3 煤氣發(fā)動(dòng)機(jī)4 發(fā)電機(jī)5 配電盤6 離心過濾器7 灰分收集器8 底座9 燃料輸送帶10 生物質(zhì)燃料 氣化爐冷卻過濾裝置煤氣發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī) 第六節(jié)生物質(zhì)能的工程應(yīng)用 沼氣利用技術(shù)燃料乙醇生物柴油秸稈能源利用計(jì)劃能源作物培育計(jì)劃 1 沼氣利用技術(shù) 2 燃料乙醇 燃料乙醇 以玉米 小麥 薯類 高粱 甘蔗 甜菜等為原料 經(jīng)過發(fā)酵 蒸餾制得乙醇 脫水后再添加變性劑 車用乙醇汽油 變性燃料乙醇與汽油以一定比例混合配制而成的一種新型汽車燃料 在汽油標(biāo)號(hào)前加字母E 特性 1 增氧性強(qiáng) 助燃效果好 2 溶解性好 清潔油路 3 燃燒充分 減少積炭 4 親水性強(qiáng) 使用不當(dāng)會(huì)分層 發(fā)展概述 車用燃料乙醇是伴隨著20世紀(jì)70年代末全球性的石油危機(jī)而首先在美國推廣應(yīng)用的 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì) 到2001年 全美國燃料乙醇銷售量達(dá)490萬t 巴西在1975年由國家出面 推行車用乙醇汽油計(jì)劃 至今已經(jīng)成為世界上最大的燃料乙醇生產(chǎn)和消費(fèi)國 2000年3月 廣東省一位人大代表向全國人大會(huì)提出關(guān)于在中國發(fā)展車用乙醇汽油的提案 河南天冠集團(tuán)根據(jù)國家推廣應(yīng)用車用乙醇汽油領(lǐng)導(dǎo)小組的部署 利用河南省庫存的超過5年儲(chǔ)藏期的陳化糧食 于2001年4月8日建成投產(chǎn)生產(chǎn)燃料乙醇的工廠 其生產(chǎn)能力達(dá)到20萬t 年 2001年3月 上海交通大學(xué)汽車研究中心與廣西壯族自治區(qū)委員會(huì)簽定了以廣西山區(qū)特產(chǎn)的木薯為原料生產(chǎn)燃料乙醇的合作協(xié)議 目前中國已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在黑龍江 吉林 遼寧和河南四省全境范圍內(nèi)推廣使用車用乙醇汽油的目標(biāo) 據(jù)了解 目前吉林省車用乙醇汽油市場覆蓋率已接近90 2004年乙醇汽油銷售接近80萬噸 遼寧 黑龍江和河南三省也按省政府批準(zhǔn)的實(shí)施方案積極穩(wěn)妥推進(jìn) 省內(nèi)市場覆蓋率平均達(dá)到80 以上 3 生物柴油 生物柴油 含油植物 動(dòng)物油脂以及廢食用油 利用熱裂解技術(shù)生產(chǎn)的可替代普通石化柴油的再生性柴油燃料 世界上一般使用的生物柴油是B20 含意是用20 的生物柴油加上80 的石油柴油 特性 1 發(fā)熱量與普通柴油相近 2 潤滑性能優(yōu)于石油柴油 3 開口閃點(diǎn)高達(dá)160 石油柴油為45 55 更安全 4 生物柴油含氧量高于石油柴油 燃燒更完全 5 生產(chǎn)成本更低 生產(chǎn)單位能量的生物柴油所消耗的能量只是石油柴油的25 美國 發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘砍^10000MW 單機(jī)容量達(dá)10 25MW 紐約的斯塔藤垃圾處理站采用濕法處理垃圾 回收沼氣用于發(fā)電 同時(shí)生產(chǎn)肥料開發(fā)出利用纖維素廢料生產(chǎn)酒精技術(shù) 建立了1MW的稻殼發(fā)電示范工程 年產(chǎn)酒精2500t STM公司是美國通用汽車公司發(fā)展斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的專業(yè)公司 研制出的STM 120發(fā)動(dòng)機(jī)被美國能源部評(píng)價(jià)為世界上最先進(jìn)的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī) 可與沼氣技術(shù)或生物質(zhì)氣化技術(shù)相結(jié)合 構(gòu)成50kw左右的村級(jí)生物質(zhì)能發(fā)電系統(tǒng) 普林斯頓大學(xué)能源與環(huán)境中心 在研制以生物質(zhì)燃?xì)鉃槿剂?發(fā)電功率為200kW的小型燃料電池 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng) 巴西 生物質(zhì)能在能源利用量中約占25 左右 其中薪柴和甘蔗占生物質(zhì)能的50 60 其余是農(nóng)業(yè)廢棄物 乙醇燃料開發(fā)應(yīng)用最有特色的國家 實(shí)施了世界上規(guī)模最大的乙醇開發(fā)計(jì)劃 原料主要是甘蔗 木薯等 目前乙醇燃料已占該國汽車燃料消費(fèi)量的50 以上 1965年制定 國家森林法 開始大量營造薪炭林 在巴伊亞州 已用桉樹作原料興建了一座25MW生物發(fā)電站 并投入商業(yè)運(yùn)營 到2005年 巴西的生物質(zhì)能發(fā)電量將可達(dá)到600MW左右 1980年頒布了一項(xiàng)應(yīng)用植物油燃料的國家計(jì)劃 目的在于加快植物油代替柴油的進(jìn)程 重