生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)利用現(xiàn)狀與環(huán)境評(píng)價(jià)

1、生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)利用現(xiàn)狀與環(huán)境評(píng)價(jià)Sum146No.1l化學(xué)工程師ChemicalEngineer2007年11月謄綜麓一述文章編號(hào):10021124(2007)110033一o4生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)利用現(xiàn)狀與環(huán)境評(píng)價(jià)張應(yīng)桂,周勇(平原大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院.河南新鄉(xiāng)453003)摘要:本文綜述生物質(zhì)氣化,生物質(zhì)固化,生物質(zhì)液化和生物質(zhì)發(fā)電等4種主要利用形式,并對(duì)其環(huán)境效益進(jìn)行了評(píng)價(jià),展望了生物質(zhì)能規(guī)模利用和商品化的前景.關(guān)鍵詞:生物質(zhì);環(huán)境評(píng)價(jià)中圖分類號(hào):X382文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ACurrentconditionandenvironmentalevaluationoftransformationof

2、biomasstechnologyZHANGYinggui,ZHOUYong(CollegeofChemicalandEnvironmentalEngineeringofPingyuanUniversity,Xinxiang453003,China)Abstract:Thearticlesummarizesfourformsofuseofbiomassinsolidifying,gasifying,generatingelectricityandliquefying,andalsolooksforwardtothecommercialandlargescaledusethroughtheest

3、imateofthebenefitsofthetechnologytoenvironment.Keywords:biomass;evalnation生物質(zhì)廣義上講,是指有機(jī)物中除化石燃料以外的所有來(lái)源于動(dòng)植物可再生的物質(zhì).生物質(zhì)主要包括林業(yè)生物質(zhì),農(nóng)業(yè)廢棄物,水生植物,能源植物,城市垃圾,生活污泥,有機(jī)廢水和人畜糞便等.隨著化石燃料的日益枯竭,生物質(zhì)能作為一種可再生的清潔能源日漸為世界各國(guó)所重視.開發(fā)利用生物質(zhì)能不僅使人類可以擺脫對(duì)儲(chǔ)量有限的化石燃料的依賴;而且有利于環(huán)境保護(hù).目前,來(lái)自生收稿日期:20070919基金項(xiàng)目:河南省自然科學(xué)基金(0611032900)作者簡(jiǎn)介:張應(yīng)桂(1945一

4、),河南固始人,平原大學(xué)教授,主要從事生物質(zhì)能源研究工作.23456物質(zhì)的能量約占全球消耗能量的14%.根據(jù)國(guó)際能源機(jī)構(gòu)的資料報(bào)道,如果每年生物質(zhì)儲(chǔ)存的能量被全部利用,它所提供的能量約為全球能量年消耗總量的10倍l2j.生物質(zhì)能是一種可再生的新能源,開發(fā)利用生物質(zhì)能不僅能緩解能源危機(jī),而且可以減輕環(huán)境污染.開發(fā)利用生物質(zhì)燃料資源,意義十分重大.1生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化的技術(shù)途徑生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)換技術(shù)包括生物轉(zhuǎn)換,化學(xué)轉(zhuǎn)換和直接燃燒3種.生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)換的方式有生物質(zhì)氣化,生物質(zhì)固化,生物質(zhì)液化和生物質(zhì)發(fā)電等4參考文獻(xiàn)陸恩錫,潘琪,潘愛民.催化裂化裝置吸收穩(wěn)定系統(tǒng)和氣體分餾裝置的聯(lián)合優(yōu)化J.煉油技術(shù)與過(guò)程,20

5、06,36(3).SilvaAJ,VareseheMb,ForestiE,eta1.J.PreocessBinochenistry,2002,37(9):927935.KoenigA,LiuLH-J.WarRes,2001,35(8):19691978.SoonHwaYeon,KiSubLee,BongkukSea,eta1.J.Jour-2005,257:156160DianeThomas,SandrineColle,JacquesVandersehuren.JChemicalEngineeringandProcessing,2003,42:487494.王麗萍,吳光前,何士龍,等.J.20

6、04,36(4):446449.7891O1112張克強(qiáng),季民,姚傳忠,等.J.天津大學(xué),2005,38(2):l74一l8O.張曉輝,劉家祺,賈彥雷,等.J.化學(xué)工業(yè)與工程,2006,23(2):142146.陳魁,管國(guó)鋒,萬(wàn)輝.J.南京工業(yè)大學(xué),2005,27(6):4145.孫佩石,王潔,吳獻(xiàn)花,等.J.環(huán)境工程,2006,24(3):38-41.胡宗東.J.安徽科技,2002,(3):4647.王少青,包亞莉,張俊,等.J.內(nèi)蒙古石油化工,2005,(2):7576.13陳敏恒,叢德滋,方圖南,等.化工原理(第二版)M.化學(xué)工業(yè)出版社,2002.205.張應(yīng)桂等:生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)利用現(xiàn)

7、狀與環(huán)境評(píng)價(jià)2007年第11期種主要形式J.1.1生物質(zhì)氣化1.1.1生物質(zhì)制沼氣農(nóng)作物秸稈,糞便,有機(jī)廢水等有機(jī)廢棄物在厭氧環(huán)境通過(guò)微生物發(fā)酵產(chǎn)生一種以甲烷為主要成分的可燃性混合氣體,即沼氣.生物質(zhì)沼氣技術(shù)在中國(guó)的應(yīng)用較早,也是得到最普遍推廣的能源利用技術(shù),適用面積廣,不僅解決了農(nóng)民的做飯燃料問(wèn)題,而且還用于生活照明,農(nóng)田灌溉等.與發(fā)達(dá)國(guó)家相比,中國(guó)沼氣工程厭氧消化早在二十世紀(jì)70年代就己開始,特別是四川,安徽的部分地區(qū),其成套技術(shù)現(xiàn)己日趨成熟,在厭氧發(fā)酵,工程建設(shè)等方面己居國(guó)際領(lǐng)先水平j(luò).到2004年底,全國(guó)回收廢水和畜禽糞便沼氣總池容達(dá)到286.27萬(wàn)m,形成每年約1.76億m沼氣生產(chǎn)能

8、力,年處理有機(jī)廢物污水7190萬(wàn)t,年發(fā)電量65萬(wàn)kW,供氣用戶為47.94萬(wàn)戶.但是中國(guó)發(fā)展沼氣存在問(wèn)題主要是滿足于現(xiàn)狀,幾十年一貫制,科技水平仍處于較低層次,如厭氧消化產(chǎn)氣率低,系統(tǒng)運(yùn)行和管理自動(dòng)化水平不高,輔助設(shè)備配套性差,非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備加工粗糙,工程造價(jià)高,操作工藝較粗放,產(chǎn)氣效率低,沼氣無(wú)法商品化.1.1.2生物質(zhì)氣化將固態(tài)的生物質(zhì)燃料轉(zhuǎn)化為氣體燃料的熱化學(xué)過(guò)程"I9J.它也是熱解的一種,主要是在高溫下獲得最佳產(chǎn)率的氣體.產(chǎn)出的氣體中主要含有CO,H和CH,以及少量的CO和N.產(chǎn)生的氣體可直接作為燃料,用于發(fā)動(dòng)機(jī),鍋爐,民用爐灶等場(chǎng)合.奧地利成功地推行建立燃燒木材剩余物的區(qū)域供

9、電計(jì)劃,目前己有容量為1000120OOkW的區(qū)域供熱站80190個(gè),年供應(yīng)10×10MJ能量.加拿大有12個(gè)實(shí)驗(yàn)室和大學(xué)開展了生物質(zhì)的氣化技術(shù)研究.1998年8月發(fā)布了由Freel,BarryA.申請(qǐng)的生物質(zhì)循環(huán)流化床快速熱解技術(shù)和設(shè)備.瑞典和丹麥正在實(shí)行利用生物質(zhì)進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)的計(jì)劃,使生物質(zhì)能在提供高品位電能的同時(shí)滿足供熱的要求.1999年,瑞典地區(qū)供熱和熱電聯(lián)產(chǎn)所消耗的能源中26%是由生物質(zhì)能提供的¨,流化床氣化技術(shù)由于具有床內(nèi)氣固接觸均勻,反應(yīng)面積大,反應(yīng)溫度均勻,單位截面積氣化強(qiáng)度大,反應(yīng)溫度較固定床低等優(yōu)點(diǎn),從1975年以來(lái)一直是科學(xué)家們關(guān)注的熱點(diǎn).包括循環(huán)流化

10、床,加壓流化床和常規(guī)流化床.印度Anna大學(xué)新能源和可再生能源中心最近開發(fā)研究用流化床氣化農(nóng)業(yè)剩余物如稻殼,甘蔗渣等,建立了一個(gè)中試規(guī)模的流化床系統(tǒng),所產(chǎn)生的氣體用于柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電¨.1995年美國(guó)Hawaii大學(xué)和Vermont大學(xué)在國(guó)家能源部的資助下開展了流化床氣化發(fā)電的工作.Hawaii大學(xué)建立了處理生物質(zhì)量為100t?d的工業(yè)化壓力氣化系統(tǒng),1997年已經(jīng)完成了設(shè)計(jì),建造和試運(yùn)行達(dá)到預(yù)定生產(chǎn)能力.1.2生物質(zhì)固化生物質(zhì)壓塊成型是將秸稈,稻殼,鋸末,木屑等有機(jī)廢棄物,用機(jī)械加壓的方法,使無(wú)定型,低發(fā)量的生物質(zhì)原料壓制成具有一定形狀,密度較高的固體成型燃料.從成型工藝上可分為常溫

11、壓縮成型,熱壓成型和碳化成型3類¨.何建等¨利用作物秸稈得到生物型煤最佳生產(chǎn)條件:生物型煤成型主機(jī)的壓力為17MPa,進(jìn)料轉(zhuǎn)速為40r?min,成型速率為7r?min.生物型煤與原煤成本低等優(yōu)點(diǎn),既能節(jié)省能源,又能明顯減少大氣污染,具有儲(chǔ)存,運(yùn)輸和使用方便等特點(diǎn).這一技術(shù)在農(nóng)村具有很大的推廣使用價(jià)值.1.3生物質(zhì)液化1.3.1生物質(zhì)熱裂解制燃料油裂解是在無(wú)氧或缺氧條件下,利用熱能切斷生物質(zhì)大分子中的化學(xué)鍵,使之轉(zhuǎn)變?yōu)榈头肿游镔|(zhì)的過(guò)程.生物廢棄物的熱解是復(fù)雜的化學(xué)過(guò)程,包含分子鍵斷裂,異構(gòu)化和小分子聚合等反應(yīng).中等溫度(5006OOC)下的快速裂解有利于生產(chǎn)液體產(chǎn)品,其收率可

12、達(dá)80%.裂解中產(chǎn)生的少量熱值氣體可用作系統(tǒng)內(nèi)部的熱源,氣體中氮氧化合物的濃度很低,無(wú)污染問(wèn)題.國(guó)外已發(fā)展了多種生物質(zhì)裂解技術(shù),以達(dá)到最大限度地增加液體產(chǎn)品收率的目的.如快速裂解,快速加氫裂解,真空裂解,低溫裂解,部分燃燒裂解等¨'J.一般認(rèn)為,常壓快速裂解是生產(chǎn)液體燃料最經(jīng)濟(jì)的方法.快速裂解反應(yīng)時(shí)間僅須幾秒鐘或更少,在常壓下,快速加氫裂解壓力可達(dá)20MPa.短的停留時(shí)間要求反應(yīng)器有極高的加熱速率,如在專門設(shè)計(jì)的混合器里,通過(guò)載熱粒子和生物質(zhì)原料的接觸,可使加熱速率達(dá)到10OO0C?h.最常用的裂解反應(yīng)器是氣流床和流化床.氣流床裂解反應(yīng)器由美國(guó)佐治亞技術(shù)研究院開發(fā),流化床裂解

13、以加拿大Waterloo大學(xué)的工藝為代表.1.3.2生物質(zhì)液化制醇類燃料以纖維素廢棄物為原料生產(chǎn)乙醇,將有效地緩解因糧食供應(yīng)和漲價(jià)因素對(duì)燃料乙醇生產(chǎn)所造成的沖擊,擴(kuò)大燃料乙醇的市場(chǎng)供應(yīng)量,其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前景是光明的;燃料2007年第11期張應(yīng)桂等:生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)利用現(xiàn)狀與環(huán)境評(píng)價(jià)乙醇要實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn),必須加大開發(fā)力度,解決如下技術(shù)關(guān)鍵:提高轉(zhuǎn)化率,包括水解轉(zhuǎn)化率和單糖發(fā)酵成乙醇的轉(zhuǎn)化率;能量綜合利用以降低過(guò)程能耗;通過(guò)開發(fā)副產(chǎn)品提高經(jīng)濟(jì)性,同時(shí)降低廢水處理費(fèi)用;開發(fā)連續(xù)高效產(chǎn)酶的微生物和低成本產(chǎn)酶的工藝;開發(fā)先進(jìn)的乙醇發(fā)酵與精餾工藝和設(shè)備,選育出高轉(zhuǎn)化,能發(fā)酵多種單糖,耐乙酸抑制,耐乙醇反饋抑

14、制的超級(jí)乙醇發(fā)酵菌.一般情況下,乙醇生產(chǎn)成本60%來(lái)源于原料.因此,選用廉價(jià)原料對(duì)降低乙醇成本很重要.制取乙醇的原料主要有兩類,一類是木質(zhì)纖維原料,一類是含糖豐富的植物原料.秸桿類植物生物質(zhì)的微生物利用是先把多糖即纖維素,半纖維素降解為可發(fā)酵單糖葡萄糖,木糖等,再將可發(fā)酵糖轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物.A.Wojcia和A.Pekarovicova報(bào)道了超聲波處理法對(duì)酶水解和發(fā)酵的影響,超聲波能碎解木質(zhì)素大分子,影響纖維的化學(xué)性能和物理結(jié)構(gòu).Kitchaiya等ll研究了微波處理木質(zhì)纖維對(duì)酶水解的影響,在常壓下240W的微波處理稻草或蔗渣浸入甘油中10min后反應(yīng)溫度200時(shí),還原糖濃度提高2倍.纖維素水解

15、過(guò)程,是由于內(nèi)切型B一葡聚糖酶作用于末端基釋放出纖維二糖,最后分解葡萄糖分子.利用作物秸稈生產(chǎn)乙醇的酵母和運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌的固定化方法具有工藝簡(jiǎn)單,歷時(shí)短等優(yōu)點(diǎn).Mass.ayuki和Kumaku以腸溶衣聚合物為載體固定化纖維素酶,微晶纖維素的水解率明顯高于游離酶J.RajaRao等盟研究了靜磁場(chǎng)對(duì)SaccharomycesCerevisae發(fā)酵木質(zhì)纖維原料轉(zhuǎn)化乙醇的影響,在磁場(chǎng)中靜止24h,乙醇濃度提高了3.4倍;若加入木糖異構(gòu)酶,四硼酸鈉及SaccharomycesCerevisae.可同時(shí)將葡萄糖和木糖發(fā)酵轉(zhuǎn)化成乙醇,收率達(dá)90%.朱靈峰等對(duì)玉米秸稈轉(zhuǎn)化燃料甲醇進(jìn)行了研究,在5MPa壓力下

16、,生物質(zhì)秸稈合成氣合成甲醇適宜流量為0.40.6mol?h一,最佳的反應(yīng)溫度為230204,1kgC矧銅基催化劑可獲得最大甲醇收率為0.56kg?h一.1.3.3生物柴油產(chǎn)油植物直接獲得植物油或加工后作為內(nèi)燃機(jī)用燃料,但存在粘度大,著火點(diǎn)高,揮發(fā)性差,濁點(diǎn)和混濁度高,含磷等不利因素.可以加定量的醇(甲醇或乙醇),在催化劑的作用下生成近似柴油的脂化燃料,是較為理想的柴油機(jī)代用燃料J.生物柴油是生物質(zhì)能的一種形式,其主要成份是動(dòng)植物油脂轉(zhuǎn)化而來(lái)的高級(jí)脂肪酸的低碳烷基酯混合物,以其物化性能與石化柴油相近,以直接代替石化柴油或與普通石化柴油以一定比例互溶代替石化柴油使用而得名.它可以植物果實(shí),種子,植

17、物導(dǎo)管乳汁或動(dòng)物脂肪油,廢棄的食用油等為原料,經(jīng)與醇類(甲醇,乙醇)酯交換反應(yīng)獲得.生物柴油于上世紀(jì)80年代末就被歐美國(guó)家高度重視,他們均投人大量的人力,財(cái)力,物力進(jìn)行開發(fā)利用,美國(guó)通過(guò)政策法規(guī)要求聯(lián)邦州和公共部門的汽車都必須有一定比例的車輛使用替代燃油,在美國(guó)生物柴油己成為增加最快的替代燃料.德國(guó)也于2001年在海德地區(qū)投資5000萬(wàn)馬克(7馬克約合0.26元人民幣),興建年產(chǎn)10萬(wàn)t的生物柴油裝置.為便于推廣使用,美德意等國(guó)都制定了生物柴油技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),如美國(guó)相繼在1996年和2000年頒布標(biāo)準(zhǔn),完善生物柴油的產(chǎn)業(yè)化條件,政府實(shí)行積極鼓勵(lì),在生物柴油的價(jià)格上給予一定的補(bǔ)貼.1.4生物質(zhì)發(fā)電秸稈

18、發(fā)電在歐洲的一些國(guó)家已得到廣泛應(yīng)用,世界上第一座秸稈生物燃燒發(fā)電廠于1988年在丹麥投產(chǎn).秸稈是清潔的可再生資源,秸稈經(jīng)切碎,錘磨成1520mm后發(fā)電,每2t秸稈產(chǎn)生的熱量相當(dāng)于1t標(biāo)準(zhǔn)煤,其熱值相當(dāng)于煤炭的85%90%.秸稈燃燒的含硫量只有3.3%,遠(yuǎn)低于煤的平均含硫量,與同等規(guī)模每年發(fā)電1.38億度的燃煤電廠相比,秸稈發(fā)電每年可節(jié)約煤炭10多萬(wàn)t,減少SO排放量400t_2.秸稈發(fā)電鍋爐排出的灰渣還可作為農(nóng)家肥再利用,其生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益十分明顯.周肇秋等報(bào)道利用稻殼發(fā)電技術(shù),其氣化發(fā)電成本約為0.26kWh,受電成本0.29元?(kWh)一,接近小型煤電發(fā)電成本.2環(huán)境效益評(píng)價(jià)2.1減少有害物

19、質(zhì)排放量和溫室氣體增量無(wú)論是傳統(tǒng)的煤燃料還是石油燃料,在使用過(guò)程中都不可避免地產(chǎn)生有害物質(zhì)并向環(huán)境排放,如:煤燃燒產(chǎn)生的SO:,NO和煤灰;汽車尾氣中的碳?xì)浠衔?NO等.生物質(zhì)能原料s含量和灰分都比煤低,而H元素含量較高,因此,比煤清潔.此外,礦物燃料在燃燒過(guò)程中排放出的CO在大氣層中不斷積累,工業(yè)化前期大氣中CO濃度按體積比在空氣中為0.028%,到1980年已增加到0.04%,到本世紀(jì)初,提高到0.056%,溫室氣體在大氣中的濃度不斷增加,導(dǎo)致氣候變暖.而生物質(zhì)既是低碳燃料,又由于其生產(chǎn)過(guò)程中吸收CO,因此,隨著國(guó)張應(yīng)桂等:生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)利用現(xiàn)狀與環(huán)境評(píng)價(jià)2007年第11期際社會(huì)對(duì)溫室

20、氣體減排聯(lián)合行動(dòng)的付之實(shí)施,大力開發(fā)生物質(zhì)能資源,對(duì)于改善我國(guó)以化石燃料為主的能源結(jié)構(gòu),特別是為農(nóng)村地區(qū)因地制宜地提供清潔方便能源,具有十分重要的意義.2.2改善區(qū)域環(huán)境質(zhì)量減少環(huán)境公害采礦與工業(yè)固體廢物不僅毀占耕地,也嚴(yán)重破壞了農(nóng)村聚落的生態(tài)環(huán)境.據(jù)統(tǒng)計(jì),吉林省鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)固體廢物排放總量1999年為615.07×10t,其中煤炭采選業(yè)產(chǎn)生的固體廢物最多,達(dá)到296.09×10t,占全省鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)固體廢物總量的48.14%,1999年全省因鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)污染農(nóng)作物受害面積為296.06hm.而生物質(zhì)能源則無(wú)此環(huán)境公害.3生物質(zhì)利用的展望(1)開發(fā)低成本,高效率的技術(shù)是生物質(zhì)燃料利用的

21、總趨勢(shì).各種利用方式的推廣主要受到經(jīng)濟(jì)因素的限制,低成本,高效率的技術(shù)將備受歡迎,如:"多位一體"的沼氣技術(shù)將繼續(xù)推廣,氣化和熱解技術(shù)向降低成本方向發(fā)展.(2)發(fā)電技術(shù)聯(lián)用的綜合利用技術(shù)前景廣闊.電能的利用技術(shù)已經(jīng)很成熟,而且是利用最方便,最廣泛的潔凈能源,因此,生物質(zhì)燃料利用和發(fā)電聯(lián)用的技術(shù)將具有廣闊的前景.(3)液體燃料具有較廣的應(yīng)用空間,由于液體燃料具有宜儲(chǔ)存密度大等優(yōu)點(diǎn),生物質(zhì)乙醇化技術(shù)和生產(chǎn)燃料油技術(shù)有著廣闊應(yīng)用空間.我國(guó)具有豐富的生物質(zhì)資源,若能充分利用,不僅能減少環(huán)境污染,變廢為寶,而且還是走可持續(xù)發(fā)展能源的必由之路.隨著可再生能源法的出臺(tái),它將進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)

22、生物質(zhì)能開發(fā)與利用.參考文獻(xiàn)1中國(guó)大百科全書出版社.能源百科全書M.北京:中國(guó)大百科全書出版社,1997.3133.2朱清時(shí),閻立峰,郭慶祥.生物質(zhì)潔凈能源M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.1516.3郭建維,宋曉銳,崔英德.流化床反應(yīng)器中生物質(zhì)的催化裂解氣化研究J.燃料化學(xué),2001,29(4):319322.4呂鵬梅,常杰,熊祖鴻,等.生物質(zhì)廢棄物催化氣化制取富氧燃料氣J.煤炭轉(zhuǎn)化,2002,25(3):3236.5YokoyamaS,SuzukiA,MurakamiM,eta1.Liquidfuelproductionfromsewagesludgebycatalyticconvers

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