生物质清洁能源的综述doc

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  摘要概述了生物质能的来源,包括农作物秸秆、薪柴、禽畜粪便、城镇垃圾和工业有机废弃物等;将生物质清洁能源分为液体、气体、固体燃料,并从概况、特点、现状、工艺四个方面介绍了生物质清洁能源;并对生物质清洁能源的发展前途做了一定的展望。

  Summaryoverviewofbiomassenergysources,includingstraw,firewood,livestockmanure,urbanwasteandindustrialorganicwaste,、gas、solidfuel,abstractingthebiomasscleanenergyfromtheprofile,characteristic,status,.

  我国是世界上经济发展最为迅速的国家之一,对能源的需求量长期持续快速地增长,目前我国已变成全球上仅次于美国的第二大能源消费国[1]。在现在的能源消耗构成中,除煤炭能够很好的满足自给外,石油和天然气供给远远满足不了经济发展的需要,特别是石油,我国非常大程度上依靠进口。据国际能源机构预测,2020年,108t(),108t(),对外依存度超过60%;如果2030~2040年经济持续增长,我国原油产量仅剩下108t(1亿吨),需要进口5108t(5亿吨),对外依存度将达到87%,石油供需矛盾更突出,石油资源将成为中国经济发展的瓶颈

  。【2】与此同时国际石油价格的高企,不仅增加购买石油的外汇消耗,而且给我们国家的经济的稳定发展造成不容忽视的负面影响。

  从我国的能源消费结构看,煤(占72%)和石油(占15%)一直占主导地位[3]。众所周知,燃烧这些能源会使空气中CO2、SO2、NOx、粉尘等有害化学气体含量飞速增加,在严重对环境造成污染的同时也不可避免带来一次性能源枯竭的灾难性后果。据统计,若按目前的水平开采世界已探明的能源,煤炭资源尚可开采100年,石油30~40年,天然气50~60年。

  在这样的背景下,我国必须根据现有能源资源条件,改变能源消费结构,在提高能源利用率的同时,寻找、开发新能源和可再次生产的能源。开发利用生物质能等可再生的清洁能源资源,对建立新型能源体系和促进国民经济的可持续发展将具有重大的意义。而且我国生物质能资源很丰富,为我国的生物质能的开发利用提供了物质基础。

  在能源转化中,生物质是一种理想的燃料。生物质能燃烧容易,污染少,灰分较少,具有很强的再生能力。生物质清洁能源燃烧不排放SO2、NOx等对环境造成污染的气体,是环保型的能源。

  我国拥有丰富的生物质资源,主要是农业废弃物及农林产品加工业废弃物、薪柴、人畜粪便、城镇生活垃圾等,每年的生物质能产量达6亿多t标煤,其中可开发为能源的达3亿多t标煤【4】。

  。秸秆除少量用于传统燃料、垫圈、喂养牲畜,部分用于堆沤肥外,大部分都作废弃物烧掉。现如今许多地区废弃秸秆量逐年增大,已占秸秆产量的60%以上,而且大多是低效利用方式即直接在柴灶上燃烧,转换效率仅为10%~20%。而且随着省柴节煤技术的推广,燃煤和液化气的普及,秸秆更是大量富余。因此,加快秸秆的优质化转换利用势在必行。

  2)薪材。薪柴属于森林生长和林业生产的全部过程提供的生物质能源,来源于树木生长过程中修剪的枝杈、木材加工的边角余料以及专门提供薪柴的薪炭林。目前许多国家生物质资源利用的主要构成均以林业废弃物和薪炭林为主,所以应制定长期林业规划,合理、有计划地进行砍伐与造林,以解决供需矛盾及生态问题。

  3)禽畜粪便。禽畜粪便也是一种重要的生物质能源,其经干燥可直接燃烧供应热能,主要是与秸秆混合作为沼气的发酵原料,起到改善农村能源质量和生存环境的作用。,。

  4)城镇垃圾。城镇垃圾主要是由居民生活垃圾、商业、服务业垃圾和少量建筑垃圾等废弃物构成的混合物,成分很复杂。其直接燃烧可产生热能,或经热解处理制成燃料使用,(1000kCal/kg)左右。

  5)工业有机废弃物。经济的持续增长和工业的迅速发展使工业有机废弃物逐年增加。目前我国每年除乡镇企业外的工业废水排放量约360亿t,%的工业有机废水即可生产250亿m3的沼气

  ,接近于目前全国天然气产量。厌氧技术非常适合于以生物质为原料的行业,如造纸、制糖、酒精发酵、制药和食品等,利用此技术处理工业有机废弃物,不仅有利于环境改善还可回收大量能源,发展前途良好【5】。

  生物质能转化为优质燃料生物质大致上可以分为三类,即生物质液体燃料、生物质气体燃料和固体燃料。生物质制乙醇的技术已基本成熟,进入商业示范阶段。生物质直接裂解制取油料的技术目前仍处于研究和中试阶段,其产品仍未能具有实际意义,但前景很好。生物质能制沼气已得到较大的推广,在我国农村更是得到相应的推广。由于生物质比煤含有更多的氢,所以从生物质制取氢气更加合理和经济,同时也是完全洁净的能源技术,更有发展前途。生物质固体燃料燃烧性能得到很大的改善,并减少了对环境的污染。【6】

  生物质液体燃料被认为是近期代替化石液体燃料的最佳途径。其中燃料乙醇、生物柴油是最接近产业化的液体燃料技术。但是,目前生产燃料乙醇和生物柴油的原料成本比较高,如淀粉和糖质原料成本占生产所带来的成本的60%以上,且原料供应需要占用大量农业用地,所以虽然这种模式已经较为成熟,但对我国粮食安全存在很大的潜在威胁,因此,发展生物质液体燃料应建立在以非粮食的各种经济作物上。虽然我国在生物质能源开发方面取得了一定成绩,但在非粮生物质液体燃料的产业化方面进展缓慢,仍有很多问题制约生物质液体燃料产业化的发展

  ,主要表现在:①以木薯、甘薯、甜高粱等生产液体燃料技术中存在原料预处理及储存困难,转化率偏低,能耗较高的问题。②生物柴油和纤维素乙醇生产中的生物酶核心技术仍未突破,存在转化效率低、酶成本高等问题。③以秸秆等生物质废弃物生产热解油和气化合成液体燃料技术尚未成熟,存在产品质量不稳定、投资和生产所带来的成本高等问题。

  生物柴油是清洁的可再次生产的能源,又称脂肪酸甲酯,它以大豆和油菜籽等油料作物、油棕和黄连木等油料林木果实、工程微藻等油料水生植物以及动物油脂、废餐饮油等为原料制成的液体燃料,是优质的石油替代品。[7],在1900年巴黎博览会上,。而系统的研究工作则始于上世纪50年代末60年代初,在70年代的石油危机之后得到了全力发展,许多国家都制订了相应的研究开发计划。如日本的阳光计划、印度的绿色能源工程、美国的能源农场等。

  在发达国家,利用油、花生油、棉籽油、葵花籽油、油菜籽油、棕榈油和蓖麻籽油生产生物柴油正在形成产业[8]。,占整个欧盟15国总生产能力的50%以上,是世界上最大的生物柴油生产国和消费国[9]。在中国,生物柴油产业化首先在非公有制企业展开

  ,海南正和生物能源公司、四川古杉油脂化工公司、福建卓越新能源发展公司等都建成了1万~2万t/a的生产装置,除生产生物柴油外,还生产一些高的附加价值的产品。北京市科委可持续发展科技促进中心正与中国石油大学合作,利用北京市餐饮业废油为原料来制造生物柴油。四川大学生命科学学院正筹备以麻疯树果油为、原料,计划建立2万t/a的生产装置[10]。

  原料来源广泛,可利用各种动、植物油作原料;生物柴油作为柴油代用品使用时,柴油机不需作任何改动或更换零件;可得到经济价值较高的副产品,如甘油;相对于石化柴油,生物柴油贮存、运输和使用都很安全(无腐蚀性,非易燃易爆);热值高(一般可达石化燃料油的80%);可再生性(一年生的能源作物及多年生的木本植物均可作为原料);可在自然状况下实现生物降解,减少对人类生存环境的污染。

  主要可以归结为两个方面:物理法生物柴油生产技术和化学法生物柴油生产技术。

  燃料乙醇是由甘蔗、小麦等作物进行生化转换,主要是通过厌氧消化制取沼气和通过酶技术制取乙醇液体燃料,可以与汽油混合使用。车用乙醇燃料也称为乙醇汽油,是一种通过特定工艺混配而成的新一代清洁环保型车用燃料

  。乙醇可由生物质热解乙炔和乙烯合成制取,但耗能太多,而采用生物质经糖化发酵制取方法较经济可行。正常的情况下,乙醇生产的成本的60%以上为原料所占,因此选用廉价原料对降低乙醇成本很重要,因此,人们开始研究使用非粮食类生物质。制取乙醇的原料主要有两类:一类是木质纤维原料,如速生林、草类;另一类是含糖丰富的植物原料,也可选用农业废弃物,如高粱秸、玉米秸、制糖废渣等。

  燃料乙醇的生产原料主要有糖类、淀粉和纤维素,由于其产量受到粮食资源的限制,成本高,难以满足能源需求,因而长远考虑必须寻找丰富且廉价的原料来源,最近这方面的研究主要是集中在纤维素方面[5]。巴西是最早大规模使用乙醇作为替代燃料的国家,世界上第1个燃料乙醇项目ProAlcool于1975年诞生在巴西,接下来在1978年美国、加、拿大也开展了类似的项目。目前,国外在燃料乙醇生产技术产业化方面进展较快的单位主要有Iogen公司、BCI公司、Arkenol公司,中国国内有华东理工大学、河南天冠集团和山东泽生生物科技公司[12,13]。

  (1)增氧性强,助燃效果好。燃料乙醇按10%的比例混配入汽油中,%,助燃效果好,汽油燃烧充分,使汽车的有害尾气排放总量降低33%以上。并可使辛烷值提高2—3个单位,提高了油品的抗爆性。

  (2)溶解性好,清洁油路。车用乙醇汽油中的燃料乙醇是一种性能优良的有机溶剂,能有效地消除汽车油箱及油路系统中沉淀和凝结的杂质,具有使油路疏通的作用。

  (3)燃烧充分,减少积炭。由于车用乙醇汽油燃烧充分,可有效地预防和消除火花塞、气门、活塞顶部及排气管、消声器等部位积炭的形成,延长发动机和主要部件的使用寿命。

  (4)亲水性强,不正确使用会分层。乙醇是亲水性液体,易与水互溶,如果油箱中沉积有水分或在车用乙醇汽油中混入水分,使油品水分超标,会出现燃料乙醇与调和组分油分层现象,影响发动机正常工作。

  目前国际上已开发出两类用非粮食类生物质中的木质纤维素制取乙醇和甲醇的新工艺:一类是生物技术法(发酵法);另一类是热化学法,即在一定的温度、压力和时间控制条件下将生物质转化为气态和液态燃料。

  人类在长期的生产实践中发现,众多植物在阳光照射下将吸收的水分和二氧化碳等无机物转化为碳水化合物时,还能产生同石油相似的碳氢化合物。只要对这些碳氢化合物进行简单加工便能提取到各种植物油,有的还能代替柴油作燃料。能产生燃料有的作物被称为“绿色燃油”作物,其种类最重要的包含被子植物及藻类。

  石油植物作为未来的一种新能源,与其他的能源相比,具有许多优点:①石油植物是新一代的绿色洁净能源,在当今全世界环境污染严重的情况下,应用它对环境保护十分有利。②石油植物分布面积广,若能因地制宜地进行种植,便能就地取木成油,而不需勘探、钻井、采矿,也能减少了长途运输,成本低廉,易于普及推广。③石油植物能够迅速生长,能通过规模化种植保证产量,而且是一种可再生的种植能源,而非一次能源。④植物能源用起来要比核电等能源安全得多,不会发生爆炸、泄露等安全事故。⑤开发石油植物,还要逐步加强世界各国在能源方面的独立性,减少对石油市场的依赖,可以保障能源供应。稳定经济发展方面发挥积极作用。

  生物质气化是通过化学方法将固体的生物质能转换为气体燃料。由于气体燃料高效、清洁、方便,生物质气化技术的研究和开发受到国内外的广泛重视,并获得了可喜的成就。生物质气化技术主要有热解气化技术和厌氧发酵生产沼气技术等。

  沼气是有机物质在一定温度、湿度、酸碱度和厌氧条件下,经各种微生物发酵及分解作用而产生的一种以甲烷为主要成分的混合可燃气体。沼气的主要成分是甲烷,约占所产生的气体的60%~80%。甲烷是一种理想的气体燃料,它无色无味,与适量空气混合后即可燃烧。甲烷的发热量为34000J/m

  3,沼气的发热量约为20800~23600J/m3,。由于这种气体最先是在沼泽中发现的,所以称为沼气。人畜粪便、秸秆、污水等各种有机物在密闭的沼气池内,在厌氧(没有氧气)条件下发酵,即被种类非常之多的沼气发酵微生物分解转化,由此产生沼气。

  与其它燃气相比,其抗爆性能较好,是一种很好的清洁燃料。沼气除直接燃烧用于炊事、烘干农副产品、供暖、照明和气焊等。用沼气代替汽油、柴油机器的效果也很好。

  沼气作为能源利用已有很长的历史。从全球范围看,利用各种微生物协作作用生产甲烷的研究和应用正处于方兴未艾的阶段。现在,沼气的应用正在各国广大农村推广,在沼气能源的开发利用等方面已经取得了较好的成绩。目前中国农村户用沼气池的数量达1300万座。

  自80年代以来建立起的沼气发酵综合利用技术沼气为纽带,物质多层次利用、能量合理流动的高效农产模式,巳慢慢的变成为我国农村地区利用沼气技术促进可持续发展的有效方法。我国北方推广的塑料大棚、沼气池、禽畜舍和相结合的“四位一体”沼气生态农业模式、中部地区的以沼气为纽带的生态果园模式、南方建立的“猪一果”模式、以及别的地方因地制宜建立的“养殖一沼气植”、“猪一沼一鱼”和“草一牛一沼”等模式都是以业为龙头,以沼气为纽带,对沼气、沼液、沼渣的多层次利用的