可再生能源發(fā)電技術(shù)5-生物質(zhì)能及其利用課件

第五講生物質(zhì)能發(fā)電可再生能源發(fā)電技術(shù)公共郵箱：，密碼:123456要點(diǎn)生物質(zhì)的概念我國生物質(zhì)資源生物質(zhì)能利用方式生物質(zhì)能發(fā)電原理生物質(zhì)能發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀和前景3生物質(zhì)的概念生物質(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。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)。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)。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。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(zhǎng)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”。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。（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。（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)。（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％。10生物質(zhì)能的主要分布區(qū)在西南、東北、河南、山東等地。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11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。13生物質(zhì)能利用的形式14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??；－含碳量少，能量密度低，燃燒時(shí)間短；－松散，體積大，不便運(yùn)輸。15（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。固體生物質(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。17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18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。氣體生物質(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。19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。氣體生物質(zhì)燃料（2）沼氣21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。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。22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。液體生物質(zhì)燃料23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、玉米、木薯等；糖質(zhì)原料，如甜菜、甜高粱、甘蔗等；纖維素原料，例如農(nóng)作物秸稈、林木加工殘余等。工業(yè)上玉米制造酒精的流程是：玉米——粉碎——蒸煮（糊化）——糖化（加糖化酶）——發(fā)酵（加酵母菌種）——蒸餾塔（蒸餾）——精餾塔（精餾）——酒精液體生物質(zhì)燃料（1）燃料乙醇25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。液體生物質(zhì)燃料（2）植物油26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。液體生物質(zhì)燃料（3）生物柴油29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)保生物質(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30生物質(zhì)發(fā)電起源于1970s年代。1988年，丹麥（BME公司）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。生物質(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(zhǎng)，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。312004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。截止到2010年，生物質(zhì)能發(fā)電總裝機(jī)達(dá)到35GW，其中美國有7GW。32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2010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100余個(gè)，總裝機(jī)規(guī)模550萬千瓦，到2015年增加為1300萬千瓦。具體包括農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電將達(dá)800萬千瓦，沼氣發(fā)電將達(dá)200萬千瓦，垃圾焚燒發(fā)電將達(dá)300萬千瓦。《可再生能源中長(zhǎng)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)3000萬千瓦，生物質(zhì)發(fā)電廠達(dá)到300個(gè)?？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。生物質(zhì)發(fā)電的發(fā)展?fàn)顩r33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。直接燃燒發(fā)電34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，l988年丹麥誕生了世界上第一座秸稈生物燃燒發(fā)電廠；丹麥BWE公司率先研發(fā)的秸稈生物燃燒發(fā)電技術(shù)，迄今在這一領(lǐng)域仍是世界最高水平的保持者。最大的秸稈發(fā)電廠，英國坎貝斯的生物質(zhì)能發(fā)電廠是目前世界上最大的秸稈發(fā)電廠，裝機(jī)容量3.8萬kW。直接燃燒發(fā)電35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30多個(gè)。直接燃燒發(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，江蘇宿遷秸稈發(fā)電項(xiàng)目，總投資2.48億元,每年可燃燒秸稈17萬至20萬噸,節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤9.8萬噸,外供電力1.32億千瓦時(shí),可為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民增收5000多萬元；最大的生物質(zhì)直燃發(fā)電機(jī)組，河北晉州（1×25MW）。36直接燃燒發(fā)電373839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。40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)。沼氣發(fā)電世界之最和中國之最：世界最大的垃圾沼氣發(fā)電廠，韓國首爾沼氣發(fā)電50MW；中國第一個(gè)垃圾沼氣發(fā)電廠，浙江杭州天子嶺沼氣發(fā)電；世界最大的禽畜沼氣發(fā)電廠，內(nèi)蒙古蒙牛沼氣發(fā)電；全球大型沼氣發(fā)電示范工程，北京延慶縣張山營(yíng)鎮(zhèn)德青源沼氣發(fā)電。41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)電國內(nèi)垃圾以廚房垃圾為主，含水量高達(dá)60%，每公斤燃燒產(chǎn)生的熱值為900-1000千卡，不及國外的1/342垃圾焚燒，可使其體積和重量大幅度減?。ㄈ萘繙p少90%，質(zhì)量減輕75%），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(jiǎn)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。43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。垃圾發(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：世界最大的垃圾焚燒發(fā)電廠，新加坡大士南垃圾焚燒發(fā)電廠，廣州李坑生活垃圾焚燒發(fā)電廠二期；中國第一個(gè)垃圾焚燒發(fā)電廠，1988年深圳垃圾發(fā)電廠；中國第一個(gè)國產(chǎn)化的垃圾焚燒發(fā)電廠，浙江紹興。44生物質(zhì)燃?xì)獍l(fā)電，就是將生物質(zhì)先轉(zhuǎn)換為可燃?xì)怏w，再利用這些可燃?xì)怏w燃燒所釋放的熱量發(fā)電。關(guān)鍵設(shè)備是氣化爐（或熱裂解裝置），生物質(zhì)燃?xì)猱a(chǎn)生后，發(fā)電過程和常規(guī)火電以及沼氣發(fā)電就沒有本質(zhì)區(qū)別了。生物質(zhì)燃?xì)獍l(fā)電45典型的能源植物薪炭樹種為了集中地獲取大量生物質(zhì)，還可專門培植經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的能源作物。比較優(yōu)良的薪炭樹種，例如：原產(chǎn)中美洲的新銀合歡樹；印、緬、泰，云南等地的鐵刀木；美、澳常見的桉樹；46典型的能源植物薪炭樹種(一)三尖杉科:粗榧,本地稱巖杉。(二)松科:馬尾松、油松、云南松、華山松、濕地松、云杉、鄂西冷杉、鐵堅(jiān)杉(又名篦子松)、羅漢松。(三)杉科:杉木、柳杉、水杉。(四)柏科:柏木、側(cè)柏、扁柏、刺柏(又名園柏)。(五)木蘭科鵝掌楸(僅六河、界嶺鄉(xiāng)少量天然生長(zhǎng),當(dāng)?shù)胤Q葛藤楸)、水青樹。(六)樟科:大葉楠、楨楠、黑殼楠。(七)金縷梅科:楓香(又名楓樹)。(八)懸鈴木科:法國梧桐。(九)苦木科:樗樹(又名臭椿)、香椿。(十)槭樹科:水色樹、青皮槭,青榨樹。(十一)七葉樹科:七葉樹(又名猴板栗)。(十二)椴樹科:椴樹(又名椴皮樹)、桐梧(又名青桐、桐麻樹)。(十三)大風(fēng)子科:柞木(蒙子樹)。(十四)楊柳科:加楊、北京楊、箭桿楊、銀白楊、山楊、旱楊(又名旱柳)、水柳。(十五)胡桃科:楓楊(又名麻柳)。(十六)樺木科:紅樺、棘皮樺、樺木(本地稱樺角樹)、楦木(本地稱水青)、金榆、鵝耳櫟、(