新能源與分布式發(fā)電技術(shù)生物質(zhì)能及其利用

會(huì)計(jì)學(xué)1新能源與分布式發(fā)電技術(shù)生物質(zhì)能及其利用2§7生物質(zhì)能及其利用關(guān)注的問題生物質(zhì)是怎么形成的，怎樣獲得？生物質(zhì)資源有何特點(diǎn)？我國的生物質(zhì)資源情況如何？沼氣是如何形成的？垃圾能否被利用？生物質(zhì)燃料的類型和特點(diǎn)？生物質(zhì)發(fā)電有哪些方式？石油樹是什么樹？海藻和燃料有什么關(guān)系？教學(xué)目標(biāo)了解生物質(zhì)的概念和資源情況，理解其特點(diǎn)和重要性；掌握生物質(zhì)燃料的類型并了解其生成方式；掌握生物質(zhì)能發(fā)電的原理和主要方式。第1頁/共47頁3§7.1生物質(zhì)和生物質(zhì)能生物質(zhì)，是指有機(jī)物中除化石燃料外所有來源于動(dòng)、植物和微生物的物質(zhì)，包括動(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?！焐镔|(zhì)的概念小知識(shí)：光合作用第2頁/共47頁4§生物質(zhì)的來源獲取生物質(zhì)的途徑大體上有兩種情況：一有機(jī)廢棄物的回收利用，一專門培植作為生物質(zhì)來源的農(nóng)林作物。此外，某些光合成微生物也可以形成有用的生物質(zhì)。第3頁/共47頁5§農(nóng)林作物形成的生物質(zhì)（1）農(nóng)林作業(yè)和加工的廢棄物例如：農(nóng)作物的秸稈，殘?jiān)凸葰ぃ涣帜镜臍堉?、樹葉、鋸末、果核、果殼等。（2）專門培植的農(nóng)林作物例如：白楊等薪炭林樹種，桉樹等能源作物，苜蓿等草本植物。

造酒精的甜高粱，產(chǎn)糖的甘蔗，及向日葵等油料作物。此外，海洋和湖泊也提供大量生物質(zhì)。第4頁/共47頁6§其它形式的生物質(zhì)（1）動(dòng)物糞便動(dòng)物糞便是從植物體轉(zhuǎn)化而來的，富含有機(jī)物，數(shù)量也很大。發(fā)酵釋放大量溫室氣體；若處理不善，還會(huì)對(duì)水體造成污染。（2）城市垃圾城市垃圾成分比較復(fù)雜，居民生活垃圾，辦公、服務(wù)業(yè)垃圾，部分建筑業(yè)垃圾和工業(yè)有機(jī)廢棄物都含有大量有機(jī)物。猜一猜：平均每個(gè)家庭每年會(huì)產(chǎn)生多少垃圾？（3）有機(jī)廢水工業(yè)有機(jī)廢水和生活污水，往往也含有豐富的有機(jī)物。第5頁/共47頁7§生物質(zhì)能及其特點(diǎn)生物質(zhì)能，指蘊(yùn)藏在生物質(zhì)中的能量，是直接或間接地通過光合作用，把太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能后固定和貯藏在生物體內(nèi)。每年生成的生物質(zhì)總量達(dá)1400～1800億噸，所蘊(yùn)含的生物質(zhì)能相當(dāng)于目前世界耗能總量的10倍左右。生物質(zhì)長期以來為人類提供了最基本的燃料。在不發(fā)達(dá)地區(qū)，生物質(zhì)能在能源結(jié)構(gòu)中的比例較高，例如在非洲有些國家高達(dá)60%以上。在當(dāng)今世界能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，僅次于煤炭、石油和天然氣，被稱為“第四能源”。第6頁/共47頁8作為一種能源資源，生物質(zhì)能具有如下特點(diǎn)：（1）可循環(huán)再生（2）可存儲(chǔ)和運(yùn)輸（3）資源分散（4）大多來自廢物§生物質(zhì)能及其特點(diǎn)第7頁/共47頁9§我國的生物質(zhì)資源中國擁有豐富的生物質(zhì)資源，理論總量有50億噸左右。（1）秸稈等農(nóng)業(yè)生物質(zhì)每年農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量達(dá)7億噸，可作為能源的約有3億噸。此外，一些大型米廠每年可收集2000萬噸左右的稻殼。(分布情況，詳見教材)（2）林木生物質(zhì)林木生物質(zhì)資源大多分布在我國的主要林區(qū)，其中西藏、四川、云南三省區(qū)的蘊(yùn)藏量越占全國總量的一半。第8頁/共47頁10（3）禽畜糞便主要來源是大牲畜和大型畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)，集約化養(yǎng)殖所產(chǎn)生的畜禽糞便就有4億噸左右。主要分布在河南、山東、四川、河北等養(yǎng)殖業(yè)和畜牧業(yè)較為發(fā)達(dá)的地區(qū)。§我國的生物質(zhì)資源（4）城市垃圾和廢水工業(yè)有機(jī)廢水排放量高達(dá)20多億噸(不含鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè))。每年城市垃圾產(chǎn)量不少于1.5億噸，有機(jī)物的含量約為37.5％。第9頁/共47頁11生物質(zhì)能的主要分布區(qū)在西南、東北、河南、山東等地。分布情況，詳見教材。我國生物質(zhì)能的分布與常規(guī)能源有一定程度的互補(bǔ)，在一次能源蘊(yùn)藏量較低的地區(qū)往往有開發(fā)生物質(zhì)能的巨大潛力。§我國的生物質(zhì)資源第10頁/共47頁12§7.2生物質(zhì)能利用概述§生物質(zhì)能利用的歷史自原始農(nóng)業(yè)社會(huì)，秸稈和薪柴就一直是主要的燃料，這就是傳統(tǒng)生物質(zhì)能，有時(shí)統(tǒng)稱薪炭。1860年，薪炭在世界能源消耗中所占比例仍高達(dá)73.8%。隨著化石燃料的大量開發(fā)利用，薪炭能源的比例逐漸下降。1973年能源危機(jī)的爆發(fā)及礦物能源的嚴(yán)重污染，使可再生能源，得到了國際上的廣泛重視和發(fā)展。更為廣泛的生物質(zhì)來源，更多的生物質(zhì)能利用方式，逐漸被人類發(fā)現(xiàn)并普及應(yīng)用。專家估計(jì)，到21世紀(jì)中葉采用新技術(shù)生產(chǎn)的各種生物質(zhì)替代燃料將占全球總能耗的很大比重。第11頁/共47頁13§生物質(zhì)能利用的形式生物質(zhì)能利用，主要是將生物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榭芍苯永玫臒崮堋㈦娔芎涂纱鎯?chǔ)的燃料。生物質(zhì)的組成與化石燃料大體相同，利用方式也類似。常規(guī)能源的利用技術(shù)無需大改，即可應(yīng)用于生物質(zhì)能。但生物質(zhì)的種類繁多，各有不同的屬性和特點(diǎn)，應(yīng)用方式也趨于多樣，可能遠(yuǎn)比化石燃料的利用更復(fù)雜。第12頁/共47頁14§生物質(zhì)能利用的形式第13頁/共47頁15§7.3生物質(zhì)燃料§固體生物質(zhì)燃料（1）生物質(zhì)直接燃燒直接燃燒是最古老、最廣泛的生物質(zhì)利用方式。得到的熱量，可直接利用，也可進(jìn)行后續(xù)轉(zhuǎn)換（如發(fā)電）。不過，直接燃燒的轉(zhuǎn)換效率往往很低。與煤炭相比，生物質(zhì)燃料的特點(diǎn)為：－碳?xì)浠衔锸軣岱纸鈸]發(fā)分多，釋放的能量過半；－含氧量多，易點(diǎn)燃，而不需太多氧氣供應(yīng)；－密度小，容易充分燒盡，灰渣中殘留的碳量?。唬剂可?，能量密度低，燃燒時(shí)間短；－松散，體積大，不便運(yùn)輸。第14頁/共47頁16（2）固體成型燃料以木質(zhì)素為黏合劑，將松散的秸稈、樹枝和木屑等農(nóng)林廢棄物擠壓成特定形狀的固體燃料，即壓縮成型。壓縮成型可以解決天然生物質(zhì)分布散、密度低、松散蓬松造成的儲(chǔ)運(yùn)困難、使用不便等問題。原料主要是鋸末、木屑、稻殼、秸稈等，其中含有纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，占植物成分的2/3以上?！旃腆w生物質(zhì)燃料一般將原料粉碎到一定細(xì)度后，在一定壓力、溫度和濕度條件下，擠壓成棒狀、球狀、顆粒狀的固體燃料。第15頁/共47頁17其能源密度相當(dāng)于中等煙煤，熱值顯著提高，便于儲(chǔ)運(yùn)。§固體生物質(zhì)燃料（2）固體成型燃料第16頁/共47頁18氣體燃料的優(yōu)點(diǎn)包括：①既可直接燃燒，又能用來驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪機(jī)；②能量轉(zhuǎn)化效率比生物質(zhì)直接燃燒高；③便于運(yùn)輸；等等。（1）木煤氣可燃的生物質(zhì)在高溫條件下經(jīng)過干燥、干餾熱解、氧化還原等過程后，能產(chǎn)生可燃性混合氣體，稱為生物質(zhì)燃?xì)?，俗稱“木煤氣”

。主要成分有CO、H2、CH4、CmHn等可燃?xì)怏w和CO2、O2、N2等不可燃?xì)怏w及少量水蒸氣。另外，還有由多種碳氧化合物組成的大量煤焦油。§氣體生物質(zhì)燃料第17頁/共47頁19原料多為原木生產(chǎn)及木材加工的殘余物、薪柴、農(nóng)副產(chǎn)物。不同的生物質(zhì)氣化所產(chǎn)生的混合氣體成分可能稍有差異?！鞖怏w生物質(zhì)燃料（1）木煤氣目前常用的生物質(zhì)燃?xì)獍l(fā)生器，有熱裂解裝置和氣化爐。熱裂解是指在隔絕空氣或空氣不足的不完全燃燒條件下，將生物質(zhì)原料加熱，將生物質(zhì)大分子中的化學(xué)鍵切斷，使其分解為分子量較低的CO2、H2、CH4等可燃?xì)怏w。氣化爐原理：將原料送入爐內(nèi)，加燃料后點(diǎn)燃，同時(shí)通過進(jìn)氣口向爐內(nèi)鼓風(fēng)，通過一系列氧化還原反應(yīng)形成煤氣。生物煤氣中可燃?xì)怏w所占比例較低，熱值較低。第18頁/共47頁20人畜糞便、農(nóng)林廢棄物、有機(jī)廢水等，在密封裝置中利用特定微生物分解代謝，能產(chǎn)生可燃的混合氣體，稱為沼氣。主要成分是甲烷(CH4)，通常體積占60%～70%。甲烷的發(fā)熱值很高，完全燃燒時(shí)僅生成CO2和H2O，并釋放熱能，是一種清潔燃料。1m3

沼氣的含熱量相當(dāng)于0.8kg標(biāo)準(zhǔn)煤?！鞖怏w生物質(zhì)燃料（2）沼氣第19頁/共47頁21利用微生物代謝作用來生產(chǎn)產(chǎn)品的工藝過程稱為發(fā)酵。沼氣發(fā)酵又稱為厭氧消化，有機(jī)物質(zhì)在一定的水分、溫度和厭氧條件下，通過多種微生物的分解代謝，最終形成甲烷和二氧化碳等混合性氣體。§氣體生物質(zhì)燃料（2）沼氣沼氣池必須符合多種條件（微生物生存、繁殖）：－沼氣池要密閉。－維持20～40℃。－要有充足的養(yǎng)分。－發(fā)酵原料要含適量水。－pH值一般控制在7～8.5。第20頁/共47頁22§氣體生物質(zhì)燃料（2）沼氣中國農(nóng)村推廣的沼氣池多為水壓式沼氣池，詳見教材。截至2006年底，全國農(nóng)村約有2200多萬戶農(nóng)村家庭已經(jīng)利用上了沼氣能源。尤其是在西部地區(qū)，發(fā)展更快。沼氣發(fā)酵技術(shù)對(duì)工廠廢水、城市生活垃圾、農(nóng)業(yè)廢棄物等有非常好的處理效果，有積極的環(huán)保意義。第21頁/共47頁23主要包括燃料乙醇、植物油、生物柴油等，都可以直接代替柴油、汽油等由常規(guī)液體燃料。生成途徑有熱裂解

(已介紹)和直接液化法等。固態(tài)生物質(zhì)經(jīng)一系列化學(xué)加工過程，轉(zhuǎn)化成液體燃料，稱為生物質(zhì)的直接液化。直接液化得到的產(chǎn)品，物理穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性都更好?！煲后w生物質(zhì)燃料第22頁/共47頁24乙醇俗稱酒精，進(jìn)一步脫水（含量高于99.6%）再加適量的變性劑即可制成燃料乙醇。主要原料：淀粉質(zhì)原料，甘薯、土豆等；糖質(zhì)原料，如甜菜等；纖維素原料，例如農(nóng)作物秸稈、林木加工殘余等。§液體生物質(zhì)燃料（1）燃料乙醇第23頁/共47頁25每千克乙醇完全燃燒時(shí)能產(chǎn)生30MJ左右的熱量，是一種優(yōu)質(zhì)的液體燃料。燃料乙醇的生產(chǎn)成本與汽油和柴油大致相當(dāng)，產(chǎn)生的環(huán)境污染卻少得多。經(jīng)過適當(dāng)加工，還可再制成乙醇汽油等用途廣泛的工業(yè)燃料?！煲后w生物質(zhì)燃料（1）燃料乙醇世界之最：最大的生物質(zhì)燃料乙醇生產(chǎn)系統(tǒng)（詳見教材）利用植物原料生產(chǎn)乙醇產(chǎn)品最早的國家（俄）。乙醇燃料開發(fā)利用最有特色的國家（巴西）

。美國汽車用油添加乙醇的也很高。第24頁/共47頁26利用含油植物的果實(shí)、葉、莖，經(jīng)壓榨、提取、萃取和精煉等處理得到的油料。發(fā)熱量一般可達(dá)37~39MJ/kg，比柴油稍小。單獨(dú)使用或與柴油混合，植物油都可在柴油機(jī)里直接燃燒。不過直接燃燒會(huì)在汽缸中留下未燒完的碳?！煲后w生物質(zhì)燃料（2）植物油第25頁/共47頁27來自生物質(zhì)的原料油經(jīng)一系列加工處理制成的液體燃料。原料包括植物油脂、動(dòng)物油酯、廢棄食用油等。生產(chǎn)主要以化學(xué)法為主，即原料油與甲醇或乙醇在酸、堿或生物酶等催化劑作用下進(jìn)行酯交換反應(yīng)。性質(zhì)與常規(guī)柴油相近，是汽油、柴油的優(yōu)質(zhì)代用燃料。也可按一定比例與柴油混合使用?！煲后w生物質(zhì)燃料（3）生物柴油第26頁/共47頁28§7.4生物質(zhì)能發(fā)電簡介§生物質(zhì)發(fā)電的基本原理生物質(zhì)發(fā)電是利用生物質(zhì)直接燃燒或轉(zhuǎn)化為某種燃料后燃燒所產(chǎn)生的熱量發(fā)電。生物質(zhì)發(fā)電的流程，大致分兩個(gè)階段：一般先把各種可利用的生物原料收集起來，通過一定程序的加工處理，轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢愿咝紵娜剂?；再把燃料送入鍋爐中燃燒，產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)出電能。生物質(zhì)能發(fā)電的發(fā)電環(huán)節(jié)與常規(guī)火力發(fā)電是一樣的，所用的設(shè)備也沒有本質(zhì)區(qū)別。第27頁/共47頁29生物質(zhì)能發(fā)電的特殊性在于燃料的準(zhǔn)備。一般要對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行一定的預(yù)處理，如烘干、壓縮、成型等。不采用直接燃燒方式的，還需要通過特殊的工藝流程，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)原料到氣態(tài)或液態(tài)燃料的轉(zhuǎn)換。生物質(zhì)發(fā)電涉及原料的收集、打包、運(yùn)輸、貯存、預(yù)處理、燃料制備、燃燒過程的控制、灰渣利用等諸多環(huán)節(jié)?！焐镔|(zhì)發(fā)電的基本原理生物質(zhì)能發(fā)電的同時(shí)，常常還可實(shí)現(xiàn)資源的綜合利用。如余熱、灰渣，等等。第28頁/共47頁30生物質(zhì)能發(fā)電具有如下特點(diǎn)：（1）適于分散建設(shè)、就地利用（2）技術(shù)基礎(chǔ)較好、建設(shè)容易（3）碳排放比化石燃料少（4）變廢為寶，更加環(huán)?！焐镔|(zhì)發(fā)電的特點(diǎn)發(fā)展生物質(zhì)能發(fā)電，也有一些問題需要注意：（1）轉(zhuǎn)化設(shè)備必須安全可靠。（2）能源作物需要占用大量土地第29頁/共47頁31生物質(zhì)發(fā)電起源于1970s年代。1988年，誕生世界上第一座秸稈生物燃燒發(fā)電廠。1992年，英國第一家利用動(dòng)物糞便的電廠建成?！焐镔|(zhì)發(fā)電的發(fā)展?fàn)顩r2000年，歐盟15國電力的1.5%來自生物質(zhì)能。生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)保持持續(xù)穩(wěn)定的增長，主要集中在發(fā)達(dá)國家，但印度、巴西和東南亞等發(fā)展中國家也積極研發(fā)或者引進(jìn)技術(shù)建設(shè)生物質(zhì)直燃發(fā)電項(xiàng)目。第30頁/共47頁322004年，世界生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)已達(dá)3900萬千瓦，是風(fēng)電、光電、地?zé)岬瓤稍偕茉窗l(fā)電量的總和。§生物質(zhì)發(fā)電的發(fā)展?fàn)顩r歐盟及美國等眾多國家已將其列入重點(diǎn)發(fā)展及扶植項(xiàng)目。歐盟計(jì)劃到2010年底，生物質(zhì)能利用量比2003年翻一番。第31頁/共47頁33作為農(nóng)業(yè)大國，我國對(duì)生物質(zhì)能發(fā)電也極為重視。2003年以來，國家先后核準(zhǔn)了若干秸稈發(fā)電示范項(xiàng)目。截至2007年底，國家和各省發(fā)改委已核準(zhǔn)生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目87個(gè)，總裝機(jī)規(guī)模220萬千瓦，到2008年增加為……萬千瓦?！犊稍偕茉粗虚L期發(fā)展規(guī)劃》確定的發(fā)展目標(biāo)，

到2020年生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)……萬千瓦?？偟恼f來，生物質(zhì)能發(fā)電行業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景?！焐镔|(zhì)發(fā)電的發(fā)展?fàn)顩r第32頁/共47頁34直接燃燒發(fā)電，即直接利用處理過的生物質(zhì)為燃料(而不轉(zhuǎn)換)，燃燒所釋放的熱量在鍋爐中生產(chǎn)高壓過熱蒸汽，通過汽輪機(jī)膨脹做功……。直接燃燒發(fā)電原理和發(fā)電過程與常規(guī)火電一樣，所用的設(shè)備也沒本質(zhì)區(qū)別。常見原料是秸稈、薪炭木材和其它農(nóng)林廢棄物。設(shè)備投資較高，效率較低，將來也很難有明顯改善。為提高熱效率，可以考慮采取各種回?zé)?、再熱措施和?lián)合循環(huán)方式?！?.5生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)§直接燃燒發(fā)電第33頁/共47頁35美國在直接燃燒發(fā)電方面處于世界領(lǐng)先地位。巴西有獨(dú)特的生物質(zhì)燃燒技術(shù)，已有近百年的歷史。世界之最：最早發(fā)展秸稈燃燒發(fā)電的國家；最大的秸稈發(fā)電廠?！熘苯尤紵l(fā)電第34頁/共47頁36我國每年廢棄的農(nóng)作物秸稈約有1億噸。如將這些秸稈用于發(fā)電，相當(dāng)于一個(gè)“三峽”的發(fā)電量。截至2007年底，建成投產(chǎn)的生物質(zhì)直燃發(fā)電項(xiàng)目超過15個(gè)，在建項(xiàng)目多個(gè)?！熘苯尤紵l(fā)電中國之最：第一個(gè)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的秸稈發(fā)電項(xiàng)目；最大的生物質(zhì)直燃發(fā)電機(jī)組。第35頁/共47頁37沼氣發(fā)電就是以沼氣為燃料實(shí)現(xiàn)的熱動(dòng)力發(fā)電。§沼氣發(fā)電發(fā)動(dòng)機(jī)排出的余熱約占燃燒熱量的1/4，由廢氣熱交換器回收用于消化池升溫或采暖，能量利用率可達(dá)60％以上。沼氣發(fā)電的規(guī)模，

50kW以下 小型，

50～500kW 中型，

500kW以上 大型。第36頁/共47頁38沼氣發(fā)電始于1970s年代初期。美國有許多成熟的技術(shù)和工程，處于世界領(lǐng)先水平。歐洲單機(jī)容量可2MW，每方填埋沼氣的發(fā)電量接近2度。沼氣發(fā)電在我國也受到重視。目前0.8kW~5MW的沼氣發(fā)電機(jī)組均已投產(chǎn)?！煺託獍l(fā)電世界之最和中國之最：世界最大的垃圾沼氣發(fā)電廠；中國第一個(gè)垃圾沼氣發(fā)電廠；世界最大的禽畜沼氣發(fā)電廠；全球大型沼氣發(fā)電示范工程。第37頁/共47頁39垃圾發(fā)電主要是從有機(jī)物廢物中獲取熱量用于發(fā)電。從垃圾中獲取熱量主要有兩種方式：一是垃圾經(jīng)分類處理后，直接在特制焚燒爐內(nèi)燃燒；一是填埋垃圾在密閉環(huán)境中發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，再燃燒沼氣。垃圾沼氣發(fā)電的效率非常低，但發(fā)電成本低廉，仍然很有開發(fā)價(jià)值。小知識(shí)：垃圾的成分和發(fā)熱量§垃圾發(fā)電第38頁/共47頁40垃圾焚燒，可使其體積和重量大幅度減?。p多少?），并轉(zhuǎn)換為無害物質(zhì)。垃圾焚燒發(fā)電，是處理垃圾最快捷和最有效的技術(shù)方法，近年來在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。這種方式從原理上看似容易，實(shí)際生產(chǎn)流程并不簡單。首先要對(duì)垃圾進(jìn)行質(zhì)量控制，這是垃圾焚燒的關(guān)鍵。一般都要經(jīng)過較為嚴(yán)格的分選。§垃圾發(fā)電需要利用特殊的垃圾焚燒設(shè)備，也可以焚燒與發(fā)酵并用。第39頁/共47頁41從1970s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?！炖l(fā)電我國生活垃圾處理技術(shù)起步較晚，近年來也迅速發(fā)展。自1985年以來，先后在深圳、珠海、杭州、上海、紹興等多個(gè)城市建成了垃圾焚燒發(fā)電廠。截至2007年底，已建成50座垃圾焚燒電廠，還有25座在建。世界之最和中國之最：世界最大的垃圾發(fā)電廠；中國第一個(gè)垃圾焚燒發(fā)電廠；中國第