新能源技術(shù)研究與應(yīng)用-方旭

1、Ocean University of China Ocean University of China新能源新能源生物質(zhì)發(fā)電和污泥制氫綜述生物質(zhì)發(fā)電和污泥制氫綜述機械工程方旭Ocean University of China研究背景 隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，常規(guī)能源(煤、石油和天然氣)的消費量持續(xù)增加，能源供需矛盾日益突出。我國的常規(guī)能源短缺，尤其是石油和天然氣資源嚴(yán)重不足，成為影響經(jīng)濟社會發(fā)展的重要因素。 以石油為例，我國1993年成為石油凈進口國，2011年我國石油的對外依存度已超過 55，預(yù)計到2020年中國石油對外依存度將達到67。常規(guī)能源的使用，尤其是煤的開發(fā)和利用引發(fā)的各種環(huán)境問題

2、已嚴(yán)重影響社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展和人民的生命健康。因此尋找新的替代能源持續(xù)發(fā)展成為亟待解決的問題。Ocean University of ChinaOcean University of China生物質(zhì)發(fā)電生物質(zhì)發(fā)電 生物質(zhì)能是一種重要的可再生能源，它是太陽能以化學(xué)能形式儲存在生物質(zhì)中的能量，被認(rèn)為是最有發(fā)展前景的可再生能源之一。在眾多的生物質(zhì)利用方式中，生物質(zhì)發(fā)電是我國目前對生物質(zhì)能源應(yīng)用的最為廣泛。 Ocean University of China生物質(zhì)的定義 以生物質(zhì)為載體的能量。生物界一切有生命的可以生長的有機物質(zhì)，包括動植物和微生物。所有生物質(zhì)都有一定的能量，而作為能源利用的主要是

3、農(nóng)林業(yè)的副產(chǎn)品及其加工殘余物，也包括人畜分糞便和有機廢棄物。生物質(zhì)能為人類提供了基本燃料。Ocean University of China生物質(zhì)的分類Ocean University of China生物質(zhì)發(fā)電方式 生物質(zhì)燃料具有松散性、密度低、高揮發(fā)分及低熱值等特點，因此在收集、貯存和使用過程中存在一定的困難和不經(jīng)濟性。傳統(tǒng)的生物質(zhì)資源利用主要是爐灶直接燃燒方式，其能源利用率只有1015，而且在燃燒過程中排放出大量的煙塵。新的生物質(zhì)能源利用方式，如生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)能夠克服上述的缺點，已經(jīng)成為生物質(zhì)能現(xiàn)代化利用的重要方式之一。生物質(zhì)現(xiàn)代化燃燒系統(tǒng)Ocean University of Chin

4、a 生物質(zhì)直燃發(fā)電 生物質(zhì)直燃發(fā)電是指在特定的生物質(zhì)蒸汽鍋爐中通人足夠的氧氣使生物質(zhì)原料氧化燃燒，產(chǎn)生蒸汽，進而驅(qū)動蒸汽輪機，帶動發(fā)電機發(fā)電的過程。生物質(zhì)直燃發(fā)電技術(shù)中的生物質(zhì)燃燒方式包括固定床燃燒和流化床燃燒等方式。前者只需將生物質(zhì)原料經(jīng)過簡單處理甚至無須處理就可投入爐排爐內(nèi)燃燒，而后者則要求將生物質(zhì)原料進行破碎、分選等預(yù)處理再燃燒，其燃燒效率和強度都比固定床高 。Ocean University of China 生物質(zhì)混燃發(fā)電 生物質(zhì)混燃發(fā)電是指在傳統(tǒng)的燃煤發(fā)電鍋爐中將生物質(zhì)和煤以一定的比例進行混合燃燒發(fā)電的過程。生物質(zhì)與煤混合燃燒的方式有兩種。 (1)生物質(zhì)直接與煤混合燃燒，產(chǎn)生蒸汽，

5、帶動蒸汽輪機發(fā)電。 (2)將生物質(zhì)在氣化爐中氣化產(chǎn)生的燃氣與煤混合燃燒，產(chǎn)生蒸汽，帶動蒸汽輪機發(fā)電。前者的燃燒要求很高，并不適用于所有燃煤發(fā)電廠，而后者的通用性較好，對原燃煤系統(tǒng)的影響也比較小 ?；旌先紵纳镔|(zhì)可以是林業(yè)生物質(zhì)(木片和鋸末)或者農(nóng)業(yè)生物質(zhì)(如稻殼、麥草和玉米稈等)。生物質(zhì)混燃發(fā)電被認(rèn)為是一種近期可以實現(xiàn)的、相對低成本的生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)。Ocean University of China生物質(zhì)氣化發(fā)電 生物質(zhì)氣化發(fā)電是指生物質(zhì)原料(廢木料、秸稈和稻草等)氣化后，產(chǎn)生可燃氣體(CO、H2和CH等)，經(jīng)過除焦凈化后燃燒，推動內(nèi)燃機或燃氣輪機發(fā)電設(shè)備進行發(fā)電。Ocean Univers

6、ity of China國內(nèi)外發(fā)展 生物質(zhì)發(fā)電在北歐國家經(jīng)過30多年的發(fā)展，技術(shù)上已經(jīng)比較成熟，并得到了廣泛的應(yīng)用 。特別是2002年可持續(xù)發(fā)展世界峰會之后，生物質(zhì)能的開發(fā)利用在全球加快推進。Ocean University of China基于農(nóng)業(yè)資源的生物質(zhì)發(fā)電西安周至秸稈發(fā)電廠基于林業(yè)資源的生物質(zhì)發(fā)電流化床鍋爐Ocean University of China【日經(jīng)【日經(jīng)BP社報道】社報道】日本國土交通省將從日本國土交通省將從2013年度起，實年度起，實施燃燒下水污泥進行發(fā)電的生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)實證實驗。在施燃燒下水污泥進行發(fā)電的生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)實證實驗。在13年度預(yù)算案概算申請中，包括特別重

7、點申請金額在內(nèi)，年度預(yù)算案概算申請中，包括特別重點申請金額在內(nèi)，列入了列入了20多億日元。多億日元。 國交省將于國交省將于2012年年底公開征集企業(yè)進行實證實驗。作年年底公開征集企業(yè)進行實證實驗。作為應(yīng)征條件，需要與管理作為實證場所的污水處理廠的地為應(yīng)征條件，需要與管理作為實證場所的污水處理廠的地方政府進行合作。將把實證實驗的結(jié)果歸納總結(jié)成指導(dǎo)方方政府進行合作。將把實證實驗的結(jié)果歸納總結(jié)成指導(dǎo)方針予以公布，力爭在日本全國的污水處理廠等應(yīng)用該技術(shù)。針予以公布，力爭在日本全國的污水處理廠等應(yīng)用該技術(shù)。 國交省為了促進可再生能源的普及，從國交省為了促進可再生能源的普及，從2011年度起著手年度起著手

8、開發(fā)利用下水污泥的發(fā)電技術(shù)。開發(fā)利用下水污泥的發(fā)電技術(shù)。2011年度開始實施使下年度開始實施使下水污泥發(fā)酵產(chǎn)生甲烷，以進行發(fā)電的生物燃氣發(fā)電技術(shù)實水污泥發(fā)酵產(chǎn)生甲烷，以進行發(fā)電的生物燃氣發(fā)電技術(shù)實證實驗；證實驗；12年度開始實施將下水污泥制成固體燃料，在年度開始實施將下水污泥制成固體燃料，在火力發(fā)電站與煤炭混燃發(fā)電的固體燃料化技術(shù)實證實驗?；鹆Πl(fā)電站與煤炭混燃發(fā)電的固體燃料化技術(shù)實證實驗。 Ocean University of China氫能氫是宇宙中最豐富的元素之一，但是在地球上單質(zhì)氫的含量微乎其微。氫能屬于二次能源，只能由其他能源進行轉(zhuǎn)化而得到。其主要優(yōu)點有：燃燒熱值高，每千克氫燃燒后的

9、熱量，約為汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。燃燒的產(chǎn)物是水，是世界上最干凈的能源。 Ocean University of China氫能的開發(fā) 氫能屬于二次能源，在人類生存的地球上，很少有集中的自然氫存在。氫元素的主要資源有水、化石燃料和生物質(zhì)。從化石燃料制氫，即以煤、石油及天然氣為原料制取氫氣是當(dāng)今制氫的主要方法。生物氫氣的生產(chǎn)可有效利用生物能源，并可減少有機廢棄物對環(huán)境的污染以及對化石燃料的使用，具有高效、節(jié)能、成本低等諸多優(yōu)點而備受關(guān)注。生物制氫已成為近年來日本、美國等一些發(fā)達工業(yè)國關(guān)注的熱點研究領(lǐng)域之一。 但正在開發(fā)和研究的各種生物制氫技術(shù)，仍停留在實驗階段。污泥作為有機廢

10、物產(chǎn)氫近年來備受青睞，污泥產(chǎn)氫，包括直接作為基質(zhì)產(chǎn)氫以及作為接種物產(chǎn)氫。Ocean University of China微生物轉(zhuǎn)化制氫 生物制氫的想法最早是由Lewis于1966年提出的,該方法是利用微生物將生物質(zhì)降解得到氫氣，此過程既可以充分利用資源,又可以起到污染整治的目的,因而受到世界各國的重視。 目前關(guān)于生物法制氫的研究主要集中在厭氧微生物發(fā)酵制氫、光合微生物制氫和厭氧-光合微生物聯(lián)合制氫.光合生物法制氫是以太陽能為能源,水為原料，通過光合微生物分解水產(chǎn)生氫氣，主要研究集中于光合細菌和藻類,然而,該方法氫生產(chǎn)率和對太陽能的轉(zhuǎn)化效率仍然較低，并且氫產(chǎn)率低，產(chǎn)氫代謝過程的穩(wěn)定性較差,這些

11、問題始終是制約光合生物制氫技術(shù)發(fā)展的主要障礙。Ocean University of China熱化學(xué)轉(zhuǎn)化法制氫 生物質(zhì)熱化學(xué)制氫可分為直接制氫和間接制氫兩大類，主要包括快速熱解液化間接制氫以及催化氣化、超臨界水制氫、等離子體熱解氣化制氫和生物質(zhì)裂解油水蒸汽重整制氫等。雖然目前生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化制氫在技術(shù)上是最具有規(guī)?；熬暗墓に嚪椒ǎ沁€有一些難以解決的問題。關(guān)鍵之處在于:其一，由于生物質(zhì)的種類繁多,結(jié)構(gòu)不同，不能簡單地采用單一的進料方式。其二，生物質(zhì)氣化相比煤氣化來說雖然氣體中粉塵、S、N的量要少，但是焦油的含量卻高得多。此外，生物質(zhì)的體積龐大，能量密度低，在儲存、運輸?shù)确矫娑加胁槐阒帯?/p>

12、Ocean University of China純污泥產(chǎn)氫研究現(xiàn)狀 培養(yǎng)產(chǎn)氫污泥是進行厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫試驗研究的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。污泥是多種微生物的混合體，既有產(chǎn)氫微生物又有嗜氫微生物。在厭氧發(fā)酵過程中，產(chǎn)氫微生物所產(chǎn)生的氫氣會迅速為嗜氫微生物所利用。但是一些產(chǎn)氫微生物能形成芽孢，其耐受不利環(huán)境條件的能力比普通的微生物強。利用這兩類微生物生存條件的差異，通過預(yù)處理（如熱處理、酸處理和堿處理等）抑制污泥中的耗氫微生物，達到篩選產(chǎn)氫微生物的目的。Ocean University of China 制氫設(shè)備三維圖制氫設(shè)備三維圖 國外污泥制氫規(guī)劃圖國外污泥制氫規(guī)劃圖Ocean University of Ch

13、ina【日經(jīng)【日經(jīng)BP社報道】社報道】日本大和房建集團中從事建筑租賃及環(huán)境綠化業(yè)務(wù)等的日本大和房建集團中從事建筑租賃及環(huán)境綠化業(yè)務(wù)等的大和租賃公司（大和租賃公司（Daiwa Lease），與豐田通商公司、三井化學(xué)公司及從事），與豐田通商公司、三井化學(xué)公司及從事氣化發(fā)電及氫回収設(shè)備相關(guān)業(yè)務(wù)的日本藍色能源公司（氣化發(fā)電及氫回収設(shè)備相關(guān)業(yè)務(wù)的日本藍色能源公司（Japan Blue Energy），日前成立了與氫相關(guān)的業(yè)務(wù)研究會，著手開展以下水道污泥為），日前成立了與氫相關(guān)的業(yè)務(wù)研究會，著手開展以下水道污泥為原料進行生物制氫的實證試驗。力爭針對燃料電池車及定置式燃料電池領(lǐng)原料進行生物制氫的實證試驗。力

14、爭針對燃料電池車及定置式燃料電池領(lǐng)域供貨。域供貨。 大和房建工業(yè)與豐田也作為觀察員參與其中。研究會名為大和房建工業(yè)與豐田也作為觀察員參與其中。研究會名為“HIT事業(yè)研究事業(yè)研究會會”，HIT表示氫（表示氫（Hydrogen）、技術(shù)革新（）、技術(shù)革新（Innovation）及城市）及城市（Town）。將集中利用各家公司所擁有的專業(yè)知識及網(wǎng)絡(luò)，通過實證試）。將集中利用各家公司所擁有的專業(yè)知識及網(wǎng)絡(luò)，通過實證試驗，共同推進與生物氫相關(guān)的技術(shù)授權(quán)、設(shè)備建設(shè)及所制造的氫的流通和驗，共同推進與生物氫相關(guān)的技術(shù)授權(quán)、設(shè)備建設(shè)及所制造的氫的流通和銷售等。銷售等。 實證試驗將利用藍色能源在日本島根縣出云市的實證

15、設(shè)備實實證試驗將利用藍色能源在日本島根縣出云市的實證設(shè)備實施。通過此前的試驗已確認(rèn)，加熱下水道污泥使之氣化，能夠得到以氫為施。通過此前的試驗已確認(rèn)，加熱下水道污泥使之氣化，能夠得到以氫為主要成分的氣體，下水道污泥作為生物氫原料具主要成分的氣體，下水道污泥作為生物氫原料具 研究會計劃將來在日本各地的污水處理廠引進不使用普通化石燃料，而是研究會計劃將來在日本各地的污水處理廠引進不使用普通化石燃料，而是利用目前大多進行焚燒處理的下水道污泥制造氫的技術(shù)，將針對有望實現(xiàn)利用目前大多進行焚燒處理的下水道污泥制造氫的技術(shù)，將針對有望實現(xiàn)普及的燃料電池車、燃料電池巴士、住宅及商用定置式燃料電池供應(yīng)氫。普及的燃

16、料電池車、燃料電池巴士、住宅及商用定置式燃料電池供應(yīng)氫。能夠利用住宅排放的污水重新制造氫，有助于構(gòu)筑實現(xiàn)氫地產(chǎn)地消的低碳能夠利用住宅排放的污水重新制造氫，有助于構(gòu)筑實現(xiàn)氫地產(chǎn)地消的低碳循環(huán)型城市。循環(huán)型城市。Ocean University of China 結(jié)語 在介紹3種應(yīng)用比較廣泛的生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)上，深刻剖析了國內(nèi)外生物質(zhì)發(fā)電在技術(shù)和經(jīng)濟性上的研究進展，并指出了我國在發(fā)展生物質(zhì)發(fā)電方面還存在的不足之處。國際市場上原油價格和供應(yīng)不穩(wěn)定、能源需求持續(xù)增加、常規(guī)能源的使用與氣候變化等可持續(xù)發(fā)展問題始終是國際上討論的熱點話題 。因此只有大力發(fā)展包括生物質(zhì)能源在內(nèi)的可再生能源才是解決我國能源