生物質(zhì)能利用技術(shù)

1、生物質(zhì)能利用技術(shù),新能源技術(shù)教學(xué),生物質(zhì)能利用技術(shù),第一節(jié) 生物質(zhì)能簡介 第二節(jié) 生物質(zhì)能利用技術(shù) 第三節(jié) 生物質(zhì)能的利用與評價,1.1 生物質(zhì)能簡介,生物質(zhì) （biomass） 概念：是指有機(jī)物中除化石燃料外的所有來源于動、植物能的物質(zhì)。 形成：是通過綠色植物的光合作用將太陽輻射的能量以一種生物質(zhì)形式固定下來的能源。是人類最重要的間接利用太陽能方式。 特征：是貯存的太陽能，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。同時是唯一的可儲存和運(yùn)輸?shù)目稍偕茉础?1.2 生物質(zhì)能的來源,柴薪，至今仍是許多發(fā)展中國家的重要能源。但由于柴薪的需求導(dǎo)致林地日減，應(yīng)適當(dāng)規(guī)劃與廣泛植林。 秸稈

2、和牲畜糞便，經(jīng)干燥可直接燃燒供應(yīng)熱能。若經(jīng)過厭氧處理，可產(chǎn)生甲烷和肥料。 制糖作物，制糖作物可直接發(fā)酵，轉(zhuǎn)變?yōu)橐掖肌?油料作物，可制作轉(zhuǎn)變?yōu)樯锊裼汀?其它，如城市垃圾和糧食,1.3 生物質(zhì)能的利用,生物質(zhì)是人類用火以來，最早直接應(yīng)用的能源。 儲量大，地球上每年生物質(zhì)能總量約 1400-1800億噸(干重），相當(dāng)于目前每年總能耗的十倍。 生物質(zhì)是僅次于煤炭、石油、天然氣的第四大能源，在整個能源系統(tǒng)占有重要地位。 在世界能源消耗中，生物質(zhì)能占總能耗的14，在發(fā)展中國家占40以上。,1.4 生物能的優(yōu)點(diǎn),提供廉價能源(某些條件下)和低硫燃料； 理論上不產(chǎn)生GHG，低含量的N，S化合物，可以大量減少

3、NOx，SOx等有毒氣體排放，被稱為“綠色石油”； 被稱之為CO2中性的燃料。（對此持保留意見） 將有機(jī)物轉(zhuǎn)化成燃料可減少環(huán)境公害(例如城市垃圾的集中處理)； 與其它非傳統(tǒng)性能源相比較，技術(shù)上的難題較少。,1.5 生物能的缺點(diǎn),植物僅能將極少量的太陽能轉(zhuǎn)化成有機(jī)物； 單位土地面的有機(jī)物能量偏低； 缺乏適合栽種植物的土地； 有機(jī)物的水分偏多(50%95%) 。,聯(lián)合國糧農(nóng)組織認(rèn)為，生物質(zhì)能有可能成為未來可持續(xù)能源系統(tǒng)的主要能源，擴(kuò)大其利用是減排CO2的最重要的途徑，應(yīng)大規(guī)模植樹造林和種植能源作物，并使生物質(zhì)能從“窮人的燃料”變成高品位的現(xiàn)代能源。,2 生物質(zhì)能的利用技術(shù),生物質(zhì)能的利用技術(shù)大體上

4、分為直接燃燒技術(shù)、物化轉(zhuǎn)化技術(shù)、生化轉(zhuǎn)化技術(shù)和植物油技術(shù)四大類，各類技術(shù)又包含了不同的子技術(shù)。,2.1 直接燃燒技術(shù),直接燃燒大致可分四種情況： （1）爐灶燃燒； （2）鍋爐燃燒； （3）垃圾焚燒； （4）固型燃料燃燒。 直接燃燒煙塵大，熱效率低，能源浪費(fèi)大。,State-of-the-art technologies,State-of-the-art technologies are the technologies, that can be used at the present time with minimal developmental barriers. The major tec

5、hnologies are: Suspension burning Atmospheric fluidised bed combustion Bubbling fluidised bed boilers (BFBC) Circulating fluidised bed boilers (CFBC),流態(tài)化過程,（ a ）密度小的物體浮起；（ b ）表面保持水平；（ c ）小孔噴出；（ e ）床面自動找平；（ f ）床層靜比差,氣體流化床類似液體性質(zhì)的示意圖,生物質(zhì)直接燃燒利用所面臨的問題主要有體積密度和能量密度低。 由此造成運(yùn)輸、儲存費(fèi)用都相對較高，一般認(rèn)為生物質(zhì)的利用半徑僅為80120 km

6、，這大大限制了生物質(zhì)能的有效利用。 提高生物質(zhì)的體積、能量密度是生物質(zhì)直接利用的重要研究方向。目前采用的主要技術(shù)有打包、制作生物質(zhì)高壓成型塊以及制作生物質(zhì)焦碳。,2.2 物化轉(zhuǎn)換技術(shù),物化轉(zhuǎn)換技術(shù)包括三方面： （1）干餾技術(shù)； （2）氣化制生物質(zhì)燃?xì)猓?（3）熱解制生物質(zhì)油。,生物質(zhì)氣化技術(shù),是指將生物質(zhì)在高溫下部分氧化轉(zhuǎn)化為氣體燃料的熱化學(xué)過程。 該過程是直接向生物質(zhì)通氣化劑(空氣、氧氣或水蒸汽)，生物質(zhì)在缺氧的條件下轉(zhuǎn)變?yōu)樾》肿涌扇細(xì)怏w。 生物質(zhì)與煤相比，揮發(fā)分含量高，灰分含量少，固定碳含量雖少但活性卻比煤的高許多。因此，生物質(zhì)通過氣化之后加以利用，比煤氣化后再利用的效果要好。,生物質(zhì)熱解

7、技術(shù),是生物質(zhì)受高溫加熱后其分子破裂的熱加工過程。 產(chǎn)物一般為三種，可燃?xì)怏w(一般為CO、H2、CH4等的混合氣體)、液體(焦油，Tar)及固體(木炭)。 采用快速熱解熱解液化方法還可將生物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)樯锶加停˙io-diesel）。 生物燃油的能源利用效率約為直接燃燒物質(zhì)的4倍，且辛烷值較高，若將生物燃油作為汽油添加劑，其經(jīng)濟(jì)效益更加顯著。,2.3 生化轉(zhuǎn)換技術(shù),生物化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)主要是以厭氧消化制取沼氣和特種酶技術(shù)催化制氫為主。,沼氣化技術(shù),循環(huán)經(jīng)濟(jì),有機(jī) 污染物,沼氣 技術(shù),肥料,沼氣,戶用沼氣,戶用沼氣,1958年，毛主席提出“要好好推廣沼氣”，引起全國范圍內(nèi)沼氣建設(shè)熱潮，由于技術(shù)不成熟和

8、采取群眾運(yùn)動的方式，此項活動曇花一現(xiàn)。 為緩解農(nóng)村日益突出的生活用能矛盾，70年代初又開始興辦沼氣，仍然沒能推廣。,戶用沼氣現(xiàn)狀,2000年，投資4億元開始試點(diǎn) 2003年9月，農(nóng)村沼氣建設(shè)國債啟動，總額10億元，涉及1000個縣，受益農(nóng)戶達(dá)170萬戶 以沼氣為紐帶的各類能源生態(tài)模式工程是近期的主要建設(shè)內(nèi)容,三農(nóng)問題,生態(tài)家園富民計劃,西部開發(fā),2.4 國外利用生物質(zhì)能的現(xiàn)狀和技術(shù)展望,生物質(zhì)能是丹麥主要的可再生能源，2000年丹麥生物質(zhì)能約占全國可再生能源的85%，作為世界風(fēng)力機(jī)主要的供應(yīng)者，其風(fēng)能只占10% 。 法國將生物質(zhì)能甲酯化后和柴油并用以替代石油 德國除了大力發(fā)展風(fēng)電外還十分重視利

9、用人工沼氣，對垃圾填埋場沼氣加以充分利用。 古巴盛產(chǎn)甘蔗，大量的甘蔗渣可用于燃燒發(fā)電。 巴西利用甘蔗制糖殘渣轉(zhuǎn)化制造乙醇。 美國注重玉米制取乙醇的技術(shù)應(yīng)用。,Basic Biomass Conversion Options,Biochemical,B,Combustion,Gasification,D,Ethanol,Electricity,Electricity,Alt. Liquid fuels,Bagasse, Trash,advanced technology options,Biochemical conversion of biomass,Current technology Se

10、parate pretreatment hydrolysis using purchased enzymes (cellulases) to liberate C5 and C6 sugars C6 fermentation. C5 fermentation has been demonstrated at pilot scale. Near future technology Pretreatment + combined enzyme hydrolysis and fermentation More future technology Consolidated bioprocessing:

11、 one reactor for enzyme production, hydrolysis, fermentation.,Pretreatment,Fermentation,Recovery & Distillation,Enzyme production,Solids separation,Steam & power generation,Ethanol,Process steam & electricity,Raw Biomass,Hydrolysis,Combining of two steps proposed: simultaneous saccharification and f

12、ermentation SSF,Combining of three steps proposed: consolidated bioprocessing CBP,May 2009 study from U.S. National Academy of Sciences: Ethanol yield with current known technology: 260 liters/dry t biomass Future-technology yield: 330 liters/dry t biomass,Gasification-based conversion of biomass,3

13、生物質(zhì)能的利用與評價,3.1 背景 生物質(zhì)能的分散分布與集中利用的矛盾 垃圾發(fā)電僅處在示范階段 車用液體燃料備受關(guān)注，世界范圍內(nèi)燃料乙醇和生物柴油的生產(chǎn)快速增長 我國地少人多，糧食、食品供應(yīng)體系薄弱,復(fù)習(xí)題,利用生物質(zhì)能技術(shù)制造燃料乙醇和生物柴油是否是解決我國車用燃料短缺的有效途徑？請簡要分析之。 簡述合理利用生物質(zhì)能應(yīng)遵循的基本原則。,美國發(fā)展燃料乙醇的主要驅(qū)動力,世界谷物和油品價格比發(fā)生了變化，谷物價格相對于油價越來越低廉。 以前，美國用糧食出口所得可以抵消石油進(jìn)口的費(fèi)用，但在2004年，美國糧食出口的收入只占石油進(jìn)口費(fèi)用的13% 所以，用糧食做燃料以減少石油進(jìn)口，在經(jīng)濟(jì)上是合算的，這是美

14、國發(fā)展燃料乙醇的主要驅(qū)動力。,谷物與石油價格的變化與比值,注：1蒲式耳（BU）=8加侖(gal)=35.24升（美制）,燃料乙醇的生產(chǎn),2004年，美國生產(chǎn)燃料乙醇34億加侖，占汽油總需求量的2%，主要原料為玉米。 2005年，巴西年生產(chǎn)燃料乙醇達(dá)40億加侖，可替代40%的汽油需求。 巴西甘蔗的種植面積從2004年的530萬公頃增至800萬公頃，生產(chǎn)的甘蔗50%用于生產(chǎn)燃料乙醇。,生物柴油的生產(chǎn),歐洲在生物柴油方面走在世界前列，歐洲各國正大力推行以植物油為主要原料的生物柴油，但其原料大部分是進(jìn)口的。 2004年德國生物柴油的產(chǎn)量是104萬t，主要原料是油菜籽，可替代3%的柴油需求。 法國生物柴

15、油的年產(chǎn)量為45萬t，德、法按規(guī)劃都準(zhǔn)備在2010年用生物柴油替代5.75%的柴油需求。 美國生物柴油的年產(chǎn)量達(dá)89.3萬t，其主要原料為大豆。 亞洲國家如印尼、馬來西亞等國用棕櫚果實(shí)生產(chǎn)生物柴油，出油率高。,3.2 生物液體燃料應(yīng)用的重要指標(biāo),全生命周期能量轉(zhuǎn)換效率 土地利用系數(shù) 糧食安全與生態(tài)評估 水耗系數(shù),全生命周期能量轉(zhuǎn)換效率,概念，輸入能量與作為燃料輸出能量的比值 如甘蔗榨出糖液以后，其渣可以用作燃料來加熱和脫水，故把甘蔗作為整體來看，輸入能量是1，輸出能量是9 甜菜輸入能量為1，輸出能量為1.9；玉米就要差一些，若工藝先進(jìn)，大抵是輸入能量為1，輸出能量為1.5，若工藝落后，其能量的

16、輸出與輸入之比只有1.2或是更小，甚至?xí)_(dá)到1：1。,全生命周期二氧化碳排放,用可再生能源的目的是開拓能源利用的新途徑，使能源的來源多樣化，同時考慮到作物在生長時從大氣中吸收CO2，在隨后作為燃料應(yīng)用時放出CO2，一吸一放，似乎CO2的排放應(yīng)該為零。 但實(shí)際上，從生命周期考慮，有些生物燃料不僅沒有增添新的能量，相應(yīng)的CO2減排的能力也很小。 所以，對任何可再生能源的作用必須從全生命周期的效率和排放來考慮，這樣才能有一個客觀的評價。,如用玉米做乙醇，就必須要把玉米從種植、運(yùn)輸、加工等環(huán)節(jié)所耗費(fèi)的能量都考慮進(jìn)去。 從種植玉米到生產(chǎn)乙醇的過程中，包括翻地、施肥（目前我國氮肥的主要原料是天然氣和煤，是

17、耗能產(chǎn)業(yè)）、收割、運(yùn)輸、加熱、發(fā)酵、脫水等環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)都需要外來能量的輸入。 在我國，一般是生產(chǎn)1 t乙醇需3.5 t玉米，在生產(chǎn)過程中需要0.60.8 t煤。,凈可再生能源系數(shù)（綠度）,可再生能源中有多少份額是真正可再生或者是真正綠色的 ？ 如風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的制造與安裝要耗費(fèi)自身150天左右的發(fā)電量，考慮到其壽命為20年，則有較高的綠度。 其他可再生能源，如光伏發(fā)電等，這個系數(shù)則要低得多。,土地利用系數(shù),單位土地的產(chǎn)出對類似我國這樣土地資源匱乏的國家十分重要！ 中國有多少土地可以用來生產(chǎn)有關(guān)植物以獲得乙醇、生物柴油？,多種植物的乙醇和生物柴油單位面積產(chǎn)出比較,對燃料乙醇而言，甘蔗為較好的原料

18、，但我國種植面積有限。 對生物柴油來說，棕櫚果實(shí)單位面積出油最多，其他作物相對要小得多。 由于這個原因，東南亞及南美等地大量種植棕櫚樹，甚至不惜砍伐雨林作為代價，從而引起新的生態(tài)問題（如破壞了生物的多樣性、影響CO2的吸收等）。,糧食安全與生態(tài)評估,目前在世界上生產(chǎn)燃料乙醇和生物柴油的原料主要是玉米、甘蔗和棕櫚，按當(dāng)前的發(fā)展，即使在玉米、甘蔗和棕櫚資源比較豐富的國家，也會出現(xiàn)不少社會和生態(tài)方面的問題， 如：由于市場好，巴西大量種植甘蔗用于生產(chǎn)乙醇，致使亞馬遜河雨林保護(hù)受到威脅，大片的森林被砍伐，破壞了生態(tài)環(huán)境； 美國大量用玉米生產(chǎn)乙醇，引起世界性糧食漲價； 印尼、馬來西亞大量種植棕櫚樹，引發(fā)了

19、食品安全和生物多樣性問題。,我國是人多地少的國家，土地資源較為匱乏，首先要保證吃飯問題，同時要考慮到糧食還要用作飼料等問題。 我國若大量種植生產(chǎn)燃料乙醇和生物柴油的能源植物，勢必會擠占農(nóng)業(yè)耕地或多樣性生物及森林的種植面積，引發(fā)糧食安全（包括飼料）或生態(tài)環(huán)境方面的問題。 我國的生態(tài)、自然條件要比美國、巴西、馬來西亞差得多，發(fā)展生物質(zhì)燃料一定要有度的概念，以平衡各方面的影響。,水耗系數(shù),我國水資源只有世界平均水平的1/4！ 糧食是用大量的水換來的！以先進(jìn)指標(biāo)來看，種植收獲1 t干玉米需耗水350 t，種植收獲1 t干小麥需耗水500 t（包括自然降水）。 若用糧食來生產(chǎn)液體燃料，則每噸生物替代燃料

20、耗水極大。若1 t糧食耗水1000 t，意味著1 t當(dāng)量汽油要耗水5000 t。 考慮到水資源的利用問題，目前，世界上把生物質(zhì)利用的希望寄托在纖維素轉(zhuǎn)化乙醇上，但該項技術(shù)遠(yuǎn)沒有達(dá)到商業(yè)化程度，其中一樣存在轉(zhuǎn)換效率低、耗水量大和經(jīng)濟(jì)性差等問題。,3.3 可再生能源合理利用的尺度,國情尺度 份額尺度 時間尺度 經(jīng)濟(jì)尺度 發(fā)揮可再生能源特點(diǎn)的尺度,國情尺度,各國家資源總量及其分布、人均水平 其環(huán)境、大氣、生態(tài)容忍度 土地、水的可獲得性及生物多樣性 生活模式、生產(chǎn)條件及社會發(fā)達(dá)水平,國情尺度,天文數(shù)字基于人口邏輯的“放大效應(yīng)”、“規(guī)模障礙” 13億人口，每個人都要房子、車子、采暖、空調(diào) 2人一輛汽車，

21、6.5億輛（目前是3000萬輛），45個地球才能滿足中國人的這個生活水準(zhǔn),份額尺度,對可再生能源和替代能源的開發(fā)和利用，還要看其可利用的份額有多大。 以風(fēng)電為例，發(fā)改委規(guī)劃：到2020年，我國風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘渴?0GW。設(shè)想實(shí)際裝機(jī)容量比原規(guī)劃大5倍，使風(fēng)電總裝機(jī)容量達(dá)到150GW，即便如此，屆時我國風(fēng)電的發(fā)電量仍不到總發(fā)電量的2.3%3.0%。,份額尺度,可利用的農(nóng)作物秸稈約3億tce，可利用的森林約3億tce，總量相當(dāng)有限。 在21世紀(jì)初，鼓舞人心的國家規(guī)劃是到2020年GDP翻兩番，能源需求翻一番，即從2000年我國總能耗15億tce增長到2020年30億 tce。實(shí)際情況是2007年總能耗已達(dá)26.5億tce，2008年為28.5億tce，2009年已超過30億tce。 不同于國外大農(nóng)場，我國絕大部分生物質(zhì)