（木材科学与技术专业论文）不同温度下生物质热解产物组分的研究.pdf

声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南林学院或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：壑丝日期：! 竺： 2 关于论文使用授权的说明 本人同意：西南林学院有权保留论文的复印件，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文；提交论文一年后，允许论文被查阅和借阅，学校可以公布论 文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 攀期：一 摘要 摘要 在能源危机与环境保护的双重压力之下，生物质能的开发利用受到人们的广 泛关注，生物质热化学转化技术是生物质能源化利用研究中的一个重点。生物质 热裂解技术是目前世界上生物质能研究开发的前沿技术，它不仅是生物质气化、 燃烧等转化过程的必要步骤，而且本身就是一种能够产生高能量密度产物的独立 工艺。因此对生物质热裂解进行深入研究有利于提高我国生物质能的转换利用水 平。它不仅有利于改善我国目前广大农村地区商品能源紧张的局面，提高农村生 物质能的利用效率，为农村地区因地制宜地提供清洁方便能源，而且有利于改善 我国目前以化石燃料为主的能源生产和消费结构。基于此目的，本文对生物质热 解机理、生物质热解液态产物的成分分析以及温度对热解产物的影响进行了研 究。 本文首先对生物质利用意义、利用方式以及国内外生物质能利用现状和未来 的发展趋势进行了归纳总结，并对生物质热裂解领域的研究进展进行了详细阐 述。 热解是生物质燃料制备的重要方法，热解产物与和操作条件密切相关，而热 解原料和操作条件存在广泛的可变性。因此无法用一个固定的模式描述。本文阐 述了生物质热解的定义和机理，并综述了热解温度、升温速率、物料的种类与形 态、压力、滞留时间、反应气氛、物料含水率、灰分含量等因素对热解过程的影 响为深入了解生物质热裂解的机理提供了坚实的基础。 本文采用气相色谱在不同热解温度下对以生物质为原料的生物油成分进行 了分析，生物油是由一系列的环戊酮，甲氧基苯酚，乙酸，甲醇，丙酮，糠醛， 苯酚，甲酸，左旋葡聚糖，邻甲氧基苯酚，和它们的烷基酚衍生物组成。生物质 三种主要材料的热降解形成了乙酸。在生物质的热解反应中，脱水反应生成了水。 此外，对云南主要薪材树种和部分生物质燃料，共计2 2 种，进行了热值分 析，结果表明：云南松，刺槐，蓝桉，山合欢，女贞等树种的热值，在1 9 5 0 0 k j k g 以上；其次为滇杨，桉树，旱冬瓜，栓皮栎，青冈等，其热值在 1 9 0 0 0 k j k g 一1 9 5 0 0 k j k g 之间。 关键词：生物质、热裂解、热值、温度影响、分析 a b s t r a c t a b s t r a c t t os o l v et h ep r o b l e mc a u s e db ye n e r g yc r i s i sa n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n , t h e e x p l o i t a t i o na n du t i l i z a t i o no fb i o m a s se n e r g yh a sb e e np a i dm o r ea t t e n t i o n sd u r i n g t h e s ey e a r s t oc o n v e r tt h eb i o m a s se n e r g yt h e r m a l l yb yp y r o l y s i si sr e g a r d e d 蹈a s i g n i f i c a n tt e c h n o l o g y i ta c t sn o to n l y 硒a ne s s e n t i a ls t e pi nb i o m a s sg a s i f i c a t i o na n d c o m b u s t i o n , b u ta l s o 嬲a ni n d e p e n d e n tt e c h n o l o g yr e s u l t i n gi nh i g he n e r g yd e n s i t y p r o d u e t s s or e s e a r c ho nb i o m a s sp y r o l y s i si sg o o da te n h a n c i n gt h ec a p a b i l i t yo f u t i l i z a t i o no fb i o m a s se n e r g yi no u rc o u n t r y i tc a nn o to n l yr e l i e v et h ed e m a n dp r e s s o fp o w e rf u e la n di m p m v et h eu s i n ge f f i c i e n c yo fb i o m a s se n e r g yi nc h i n ar u r a la r e a , b u ta l s oc a ni m p r o v et h es t r u c t u r eo fc h i n ae n e r g y a c c o r d i n gt ot h i sp u r p o s e ，a s y s t e m i cm e c h a n i s mr e s e a r c ho nt h eb i o m a s sp y r o l y s i s ，t h eb i o o i l so b t a i n e df r o m b i o m a s ss a m p l e sv i ap y r o l y s i sa n a l y s i sa n de f f e c t so ft e m p e r a t u r eh a sb e e nc a r r i e d o u t f i r s to fa l l ，a ni n t r o d u c t i o no fe u r r e n ts t a t eo fb i o m a s su t i l i z a t i o na n dt h ef u t u r e d e v e l o p m e n tt r e n dw a sg i v e n ，t h e nt h ed e v e l o p m e n ta n dc u n e n tr e s e a r c ho f b i o m a s s p y m l y s i sw e r ei n t r o d u c e d p y r o l i s i si st h ei m p o r t a n tm e t h o do fp r e p a r i n gt h eb i o m a s sf u e l t h er e l a t i o n s h i p o fp y r o l i s i sp r o d u c t sa n do p e r a t i n gc o n d i t i o n si sc o n s a n g u i n e o u s b e c a u s eo ft h eg r e a t v a r i a b i l i t yo f t h er e s o u r c ea n dt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n s , b i o m a s sp y r o l y s i sc a nn o tb e d e s c r i b e db yo n em o d e l t l l i sa r t i c l ei n t r o d u c e dt h ed e f i n i t i o na n dm e c h a n i s m so f b i o m a s sp y r o l y s i s ，a n d e x p a t i a t e d t h ee f f e c t so ft e m p e r a t u r e ，r a t eo fr a i s i n g t e m p e r a t u r e ，c l a s sa n ds i z eo fm a t e r i a l ，s t a y i n gt i m e ，r e a c t i o n a la t m o s p h e r e ，m o i s t u r e c o n t e n t ，a s hc o n t e n to nt h ep r o c e s so fp y r o l y s i s 。t h i sr e s e a r c hr e s u l t sp r o v i d e dt h e f o u n d a t i o nf o rt h em e c h a n i s ma n a l y s i so f b i o m a s sp y r o l y s i s i nt h ed i f f e r e n tt e m p e r a t u r e ，t h ed e t e r m i n a t i o no ft h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no f b i o - o i lf r o mr o b i n i ap s e u d o a c a c i a , ad e a l b a t ab n k p t n u ak e s i y av a t ，l a n g b i a n e n s i ， o l i v eh u s kw a sp e r f o r m e da c c o r d i n gt og ca n a l y s i s 。t h eb i o o i l sw e r ec o m p o s e do fa r a n g eo fc y c l o p e n t a n o n e ，m e t h o x y p h e n o l ，a c e t i ca c i d ，m e t h a n o l ，a c e t o n e , f u r f u r a l ， p h e n o l ，f o r m i ca c i d ，l e v o g l u c o s a n , g u a i a c o la n dt h e i ra l k y l a t e dp h e n o ld e r i v a t i v e s t t t 不同温度下生物质热解产物组分的研究 a c e t i ca c i di sf o r m e di nt h et h e r m a ld e c o m p o s i t i o no fa l lt h r e em a i nc o m p o n e n t so f b i o m a s s i nt h ep y r o l y s i sr e a c t i o n so f b i o m a s s ：w a t e ri sf o r m e db yd e h y d r a t i o n m o r c o v c r , ad e t e r m i n a t i o no f c a l o r i f i cv a l u eo ff u e l w o o df o r2 2t r e es p e c i e sf r o m y u n n a np r o v i n c ew a sc o n d u c t e d t h em a i nr e s u l t sw e r es u m m a r i z e d 嬲f o l l o w ： ( 1 ) t h e r ew e r e5t r e es p e c i e s 一- p i n u sy u n n a n e n s i s ，r o b i n i ap s e u d o a c a c i a , e u c a l y p t u s g l o b u l u sl a b i u ，a l b i z i am o l l i sb o i v , l i g u s t r u ml u e i d u ma i t i o ne t ca b v e19 5 0 0 k j k g o ft h ec a l o r i f i co ff u e l w o o d ，i nt h en e x tp l a c e ，t h e r ew e r e5t r e es p e c i e s p o p u l u s y u n n a n c n s i s ，e u c a l y p t u ss p p ，a i b u sn e p a l e n s i s ，q u e r c u sv a r i a b i l i s ，c y d o b a l a n o p s i s g l a u c ab e t w e e n1 9 0 0 0 k j k g - 1 9 5 0 0 k j k go f t h ec a l o r i f i co f f u e l w o o d 。 k e yw o r d s ：b i o m a s s ，p y r o l y s i s ，c a l o r i f i cv a l u e ，t e m p e r a t u r ee f f e c t ，a n a l y s i s i v 1 1 ：! ：i z l 4 6 8 9 9 1 5 2 淀粉质原料乙醇燃料生成l o 1 5 3 甜高粱及其茎杆制取乙醇燃料1 0 1 6 本文研究的必要性与主要研究内容1 1 2 生物质热裂解技术及反应器分类1 2 2 1 热裂解的概念与分类1 2 2 2 快速热解系统简介1 3 2 2 1 原料的干燥与粉碎1 3 2 2 2 快速热裂解反应器1 4 2 2 3 焦炭和灰的分离。1 4 2 2 4 液体的收集。1 4 2 2 5 生物质热裂解试验台的设计要求与特性1 5 2 3 生物质热裂解工艺及反应器分类1 5 2 4 生物油的特性与改性17 2 4 1 生物油的特性。1 7 2 4 2 生物油的改性。l8 2 5 生物质热裂解制油的技术发展2 l 2 6 我国生物质热裂解制油发展现状2 2 3 生物质热解的机理和热解产物影响因素2 3 3 1 概述2 3 3 2 热解的机理2 3 3 3 温度的影响2 5 3 4 升温速率的影响2 6 3 5 物料的粒径与类别的影响2 7 3 6 压力的影响2 7 3 7 其他影响因素。2 8 3 8 小结2 9 4 温度对生物质热解油的影响研究及部分生物质材料热值测定3 0 4 1 云南主要薪材树种的热值测定。3 0 4 1 1 概述3 0 4 1 2 试样的准备。3 0 4 1 3 热值测定方法31 v 不同温度下生物质热解产物组分的研究 4 1 3 1 试剂的准备3 2 4 1 3 2 测定步骤3 2 4 1 3 3 结果计算3 2 4 1 4 不同薪材树种热值的差异3 3 4 1 5 不同器官的热值比较3 3 4 1 6 薪材热值与营养成份关系的分析3 5 4 1 7 小结3 5 4 2 不同温度对生物质热解油的影响研究3 6 4 2 1 概述3 6 4 2 2 样品的性质。3 6 4 2 3 热解试验过程。3 8 4 2 4 结果与讨论。钧 4 2 4 1 热解液体产物与温度的关系4 0 4 2 4 2 生物油的物理化学性质4 0 4 2 4 3 生物质热解油成份的气相色谱分析4 2 4 2 5 小结4 9 5 结论和建议5 1 5 1 结论5l 5 2 建议5 2 参考文献5 3 j 目i 【谢5 6 v i 1 绪论 1 绪论 1 1 开发生物质能的意义 生物质( b i o m a s s ) 是指有机物中除化石燃料外的所有来源于动、植物再生的 物质。生物质能则是指直接或间接地通过绿色植物的光合作用，把太阳能转化为 化学能后固定和贮藏在生物体内的能量。 生物质能源是人类用火以来，最直接应用的能源。随着人类文明的进步，生 物质能源的应用研究开发几经波折，在第二次世界大战前后，欧洲的木质能源应 用研究达到高峰，然后随着石油化工和煤化工的发展，生物质能源的应用逐渐趋 于低谷。到2 0 世纪7 0 年代中期，由于中东战争引发的全球性能源危机，可再生 能源，包括木质能源在内的开发利用研究，重新引起了人们的重视。人们深刻认 识到石油、煤、天然气等化石能源的资源有限性和环境污染问题。日益严重的环 境问题，己引起国际社会的共同关注，环境问题和能源问题密切相关，成为当今 世界共同关注的焦点之一。化石燃料的使用是大气污染的主要原因。“酸雨 、“温 室效应”等都己经给人们赖以生存的地球带来了灾难性的后果。而使用大自然馈 赠的生物质能，几乎不产生污染，使用过程中几乎没有s 0 2 的产生，产生的c 0 2 气体与植物生长过程需要吸收的大量c 0 2 在数量上保持平衡，被称之为c 0 2 中 性的燃料。生物质能将成为未来可持续能源系统的组成部分，预计到本世纪中叶， 采用新技术产生的各种生物质替代燃料强占全球总能耗的4 0 以上n 3 。 生物质能开发利用在许多国家得到高度重视，联合国开发计划署( i j n d p ) 、 世界能源委员会、美国能源部都把它当作发展可再生能源的首要选择。联合国粮 农组织认为，生物质能有可能成为未来可持续能源系统的重要能源，扩大其利用 是减排c 0 2 的最重要的途径，应用大规模植树造林和种植能源作物，并使生物 质能从“穷人的燃料 变成高品味的现代能源。 随着世界经济持续发展导致对能源需求的高速增长以及大量化石燃料利用 所造成得环境污染，生物质能这一可再生的清洁能源目前己经引起了世界各国的 高度重视。随着石油、天然气和煤炭等不可再生能源储量的日益减少，人类面临 日益严重的能源危机，鉴于石油、煤炭等化石燃料蕴藏量的有限性，必须考虑以 不同温度下生物质热解产物组分的研究 新能源和可再生能源逐步代替石化能源乜1 。 2 0 世纪以来，世界能源结构主要是以燃烧化石燃料为主其排放的大量有害 物质，使大气环境受到严重污染，而由于c 0 2 大量排放造成的“温室效应刀逐 渐引起了人们的广泛注意。环境危机要求我们减少使用有污染的化石燃料，积极 开发低碳或非碳能源，尽可能减少温室效应和环境污染一3 。 开发和利用可再生能源对缓解能源危机、减少环境污染、促进经济可持续发 展具有重要的意义。生物质作为一种资源丰富、污染小的可再生能源，具有重要 的利用价值和经济价值。 1 2 生物质能的来源及其优点 生物质能是一种可大规模利用的清洁可再生能源。生物质的来源十分广泛， 作为开发利用研究对象的生物质，一般指农作物、油料作物、林木、木材生产的 废弃物、木材加工的残余物、动物粪便、农副产品加工的废渣、城市的生活垃圾 中的生物废弃物一5 1 。生物质能主要分为： 城市垃圾工业、生活和商业垃圾，全球每年排放约1 0 0 亿吨； 有机废水工业废水和生活污水，全球每年排放约4 5 0 0 亿吨 粪便类牲畜、家禽、人的粪便等，全球每年排放数百亿吨以上； 林农生物质薪柴、枝丫、树皮、树根、落叶、木屑、刨花等： 农业废弃物秸秆、果壳、果核、玉米芯、甜菜渣、甘蔗等； 水生植物藻类、海草、浮萍、水葫芦、芦苇、水风信子等； 能源植物生长迅速，轮伐期短的乔木、灌木和草本植物，如棉籽、芝麻、 花生、大豆等。 人们通常直接利用的生物质能有秸秆、林木和粪便等。林木类木质燃料，薪 柴作燃料己经有几千年的历史，是人类利用最早的能源之一。在农村仍是主要的 能源，占农村能源总数的4 0 左右。不能作为食物利用的农作物根、茎、叶系统 称为秸秆。在农村，秸秆作为能源利用较为普遍，但作为能源直接利用不如作为 饲料、工业原料或加工成有机肥料更有利于农业发展：粪便是动物排泄物，作为 农作物的有机肥料有较长的历史，作为燃料利用的历史也较长，但较为有利的是 作为有机肥料，如作为燃料则不应直接利用，而应采用与秸秆混合发酵后产生沼 2 1 绪论 气利用，可使之发挥更大的能效。同时，可改善农村的能源质量和生存环境。 生物质燃料中可燃部分主要是纤维素、半纤维素、木质素。按质量计算，纤 维素占生物质的4 0 5 0 ，半纤维素占生物质的2 0 - 4 0 ，木质素占生物质的 1 0 2 5 。表1 为一些生物质中纤维素、半纤维素和木质素的比例一1 。 表1 - 1 生物质中纤维素、半纤维素、木质素的比倒单位： t a b l e1 - 1t h ec o n t e n to fc e l l u l o s e ，h e m i c e l l u l o s e ，u g n i ni nt h eb i o m a s s 典型生物质的密度为4 0 0 9 0 0 k g m 3 ，热值为1 7 6 0 0 2 2 6 0 0 k j k g - 1 ，随着含湿量 的增加，生物质的热值直线下降。生物质是一种清洁的低碳燃料，其含硫和含氮 量均较低，同时灰分份额也很小，所以燃烧后s 0 2 ，n 0 2 和灰尘排放量比化石燃 料要小得多，同时，生物质对生态环境的最大贡献还在于其具有c 0 2 零排放的 特点。生物质热裂解以连续的工艺和工业化的生产方式将木屑等农林加工废弃物 为主的生物质原料转化为易储存、易运输、能量密度高的液体燃料成为目前世界 上生物质能研究开发的前沿技术。 生物质热裂解可获得高品质的燃料一木炭、生物油和可燃气，具有很高的热 值，是一种产生高能量密度产物，其能量密度比原生物质大5 1 0 倍。事实上， 从生物质中获得的最有价值的产品是生物油，生物油有类似于矿物油的特性，经 过提炼可替代来自石油的液体燃料。 1 3 生物质能利用的技术 生物质能源转换技术包括化学转换、物理转换和生物转换三种转换技术砸 羽。 ( 1 ) 化学转换技术睁1 3 1生物质化学转换包括直接燃烧、液化、气化、热解 等方法，其中，除农村外，最简单的利用方法是直接燃烧。但是，直接燃烧烟尘 大，热效率低，能源浪费大。一般在城镇不提倡直接燃烧的方法。 生物质热解技术是生物质受高温加热后，其分子破裂而产生可燃气体( 一般 为c 0 ，h 2 ，c h 4 等的混合气体) 、液体( 焦油) 及固体( 木炭) 的热加工过程。 3 不同温度下生物质热解产物组分的研究 采用直接热解液化方法可将生物质转变为生物燃油据估计，生物燃油的能 源利用效率约为柴薪等生物质直接被传统燃烧的4 倍，且辛烷值较高，若将生物 燃油作为汽油添加剂，其经济效益更加显著。 生物质气化是指将固体或液体燃料转化为气体燃料的热化学过程。生物质与 煤相比，挥发分含量高，灰分含量少，固定碳含量虽少但活性却比煤的高许多。 因此生物质通过气化后加以利用，比煤气化后加以利用的效果要好。 ( 2 ) 生物质物理转换技术n p 埔1生物质热解技术主要是指生物质压制成型技 术。将农村剩余物进行粉碎烘干分级处理，放入成型挤压机，在一定的压力和温 度下形成较高密度的固体燃料一压块细密成型技术。该方法使用专用技术和设备， 在农村有很大的推广价值。 ( 3 ) 生物化学转换技术n h 町该技术主要是利用生物质厌氧发酵生成沼气 ( 一种可燃的混合气体，其中c i - h 占5 5 7 0 ，c 0 2 占2 5 - 4 0 ) 和在微生物作用下 生成酒精等能源产品。包括厌氧发酵制取沼气，微生物制取酒精、生物质制氢、 生物柴油等。 热解是一种转化效率较高的生物质热化学转化工艺，在不同反应条件下，该 7 过程可以得到不同的品质、数量的气液固相产物，它又是气化、燃烧等热化学转 化过程中普遍存在的一个重要初始过程，同时还是生物质气化或燃烧等转化过程 中的必经步骤，所以研究它的热裂解过程具有重要意义。 1 4 生物质能开发利用现状及前景 1 4 1 国外生物质能利用状况 由于生物质能再生长过程中可吸收二氧化碳，又利于废物利用，故欧美国家 多将其作为可再生能源大力发展口螂1 ( 1 ) 生物质转换技术的研发生物质能的有效利用在于其技术的提高。生物 质直接燃烧是最简单的转换方式，但普通炉灶的热效率仅为1 5 左右。生物质经 微生物发酵处理，可转换为沼气、酒精等优质气体和流体燃料。在高温和催化剂 作用下，可使生物质能转换为可燃气体；热分解法将木材干馏，可制取气体和液 体然料。在美国、日本、加拿大等国，气化技术已经大规模生产水煤气：巴西、 4 1 绪论 美国等国用甘蔗、玉米等制取乙醇，作汽车燃料：美国加州己有5 0 多万千瓦的木 柴发电厂。不少国家都开始研究垃圾发电，技术己经成熟。日本就有1 0 0 座垃圾 电站，到2 0 0 0 年己装机4 0 0 万千瓦。奥地利成功地推行简易燃烧木质能源的区 域供热计划，目前己有八九十个容量为1 0 0 0 2 0 0 0 k w 的区域供热站，年供热l o x 1 0 9 m j 。加拿大有1 2 个试验室和大学开展了生物质的气化技术研究。日本从2 0 世纪4 0 年代开始了生物质成型技术研究，开发出单头、多头螺杆积压成型机， 生产棒状成型燃料，其年生产量达2 5 万吨左右。欧洲各国开发了活塞式挤压制 圆柱及块状成型技术。美国、新西兰、日本、德国、加拿大等国先后开展了从生 物质制取液化油的研究工作。欧美等发达国家的科研人员在催化气化方面也做了 大量的研究开发工作。 ( 2 ) 世界各国的研究开发计划从2 0 世纪7 0 年代开始，生物质能的开发利用 研究己成为世界性的热门研究课题。许多国家都制定了相应的开发研究计划，如 日本的阳光计划、印度的绿色能源工程、美国的能源农场和巴西的酒精能源计划 在筮 专f0 美国计划2 0 1 0 年将使生物质能的利用量扩大到现有水平的3 倍，由此农业 将可创收2 0 0 亿美元，减少进口石油消费2 0 亿桶，减排1 亿吨c 0 2 。2 0 0 0 年， 美国政府又拨款2 1 亿美元作为相关项目的开发费用，能源部还组织了扩大燃料 乙醇生产、降低乙醇成本和发酵菌种转基因等技术的开发。政府规划到2 0 1 0 年 生物质能在总能中的比例提高到2 0 的水平。 欧盟以前可再生能源所占比例约为6 7 ，其中生物质能占六成。欧盟规 划2 0 1 0 年可再生能源比例达1 2 ，每年可替代2 0 0 0 万吨石油，其中8 0 为成 本较低的生物质能。在欧盟加强发展可再生能源的立法后，欧盟各国的生物质能 利用工作因地制宜各有特色，德国除了狠抓风电外还十分重视人工沼气，对垃圾 填埋场沼气加以充分利用；法国将生物质能甲脂化后和柴油并用以替代石油；芬 兰充分利用本国森林资源优势大力发展木质系能源，目前占总能耗的比例己达 1 6 的水平；瑞典通过对重油、煤炭征收c 0 2 税和硫化物税，扶持木质系生物质 能的利用工作，使它占总能耗的比例达到1 9 ，生物质能是丹麦主要的可再生能 源，2 0 0 0 年丹麦生物质能约占全国可再生能源的8 5 ，作为世界风力机主要的 供应者，其风能只占1 0 。 5 不同温度下生物质热解产物组分的研究 京都会议后，日本因c 0 2 减排指标的压力于2 0 0 0 年开始学习欧美经验，将 生物质能利用列入新能源发展规划中，要求它的利用量从1 9 9 9 年的8 万千瓦发 展到2 0 10 年的4 4 万千瓦，并通过制定食品废物再生法法案促进利用食品废弃物 生产沼气、利用废弃食油生产生物柴油工作的开展，2 0 0 1 年实施的建筑废物 再生法又促进了用废木屑代煤供锅炉燃烧和发电的技术发展。 英国计划到2 0 1 0 年，再生能源发电占总发电量的1 0 ，要实现这一目标， 必须大幅度提高生物质能发电的能力。重点将开发用于适合生物质能发电的燃气 轮机技术和高效气化技术，并改进设计工艺和环境评估等。 古巴生产甘蔗，大量的甘蔗渣可用于燃烧发电，该国政府己与联合国发展组 织、世界环境基金会联合进行国际合作，预计投资1 亿美元兴建以甘蔗渣为原料 的环保电厂，预计所生产的电能可足够古巴全国使用。 1 4 2 我国生物质能利用现状 ( 1 ) 中国的能源形势n 一一1中国未来的能源形势面临着严峻挑战，人均一次 能源极其有限。从能源利用的可能性分析，到2 0 6 0 年，即使我们把可经济开发 的水能资源全部利用，也只能提供2 6 0 g w ，这一数字相当于从现在起再增加1 0 个三峡电站的容量；在核电方面增加1 2 0 g w ，即相当于再建6 6 个大亚湾核电站； 非常乐观地估计，再开发4 6 亿t e e ( 吨标准煤) 的新能源：把煤的供应量达到极限， 即提供1 9 亿t c e ；艮p 使如此总共也只有3 0 亿t c e 。这一分析表明，到本世纪中叶， 我国人均一次能源占有量仅为2 t 左右，仅比1 9 9 5 年增加1 倍，显而易见本世纪 我国能源形势十分严峻。从能源弹性系数来看，通常的能源弹性系数为1 左右， 即国民生产总值的增长与能源消费是同步增长的，要实现我国在本世纪中叶达到 中等发达国家的水平，能源成了制约我国国民经济发展的瓶颈因素。 ( 2 ) 中国的生物质资源暗1 我国是一个农业大国，拥有丰富的生物质资源， 仅农作物秸秆每年就有6 亿吨，其中一半可作为能源利用。据调查统计，全国生 物质能的可再生能量按热当量计算为2 0 亿吨标准煤，相当于农村耗能量的7 0 。 历年垃圾堆存量也高达6 0 亿吨，年生产垃圾近1 4 亿吨。我国现有6 6 8 个城市， 其中有2 j 3 被垃圾环带所包围，城市垃圾造成的损失每年高达2 5 0 亿3 0 0 亿元 若采用新技术来利用生物质能，并提高它的利用率，不仅能解决农民生活用能问 6 1 绪论 题，还可用作各种动力和车辆的燃料。又如，利用荒山野地种植能源作物，可改 善生态环境，又可建立绿色能源工厂，生产能源产品。总之，挖掘这些资源，推 广生物质能利用新技术等潜力巨大，前景广阔。 ( 3 ) 中国生物质转换技术的研发现状嵋 7 8 3中国生物质能的应用技术研究， 2 0 世纪8 0 年代以来一直受到政府和科技人员的重视。主要在气化、固化、热解 和液化等方面开展研究开发工作。 生物质气化技术生物质气化技术的研究在我国发展较快。利用农村生物质 原料进行热裂解气化反应，产生的木煤气供居民生活用气、供热和发电方面。中 国林业科学研究院林产化学工业研究所从2 0 世纪8 0 年代初期开始研究开发木质 原料和农业剩余物的气化和成型技术。开发了以林业剩余物为原料的上吸式气化 炉，已先后在黑龙江、福建等建成工业化装置，气化炉的最大生产能力达6 3 x 1 0 6 k j n a ( 消耗木片量为3 0 0k g h ) 产生的水煤气作为集中供热和居民家庭用气燃料， 原料气化热效率达7 0 以上。同时在产能达4 1 8 x 1 0 4 k j n a 的中试装置中，进行了 气化发电试验研究，电的转化率为1 3 左右。山东能源研究所研究开发了下吸式 气化炉，主要适用于硬秸秆类农业剩余物的气化，2 0 世纪9 0 年代开始，在农村 居民集中居住地区得到较好的推广应用，己形成产业化规模。国内有数十家单位 从事同类技术的研究开发，目前全国已建立3 0 0 余个秸秆气化集中供气系统。气 体热值一般在5 0 0 0 k j m 3 ，气化转化率达7 0 以上。 广州能源所开发了外循环流化床生物质气化技术，制取的木煤气作为干燥热 源和发电，己完成了国内最大发电能力为1 m w 的气化发电系统，为木材加工厂 提供附加电源。辽宁能源所与意大利合作引进了一套下吸式气化炉发电装置，发 电能力为3 0 k w 。另外北京农机院、浙江大学热能所和大连环科所等单位先后开 展了生物质气化技术的研究工作。 生物质固化技术我国的生物质固化技术开始于“七五 期间，现己达到工 业化生产规模。目前国内已开发完成的固化成型设备有两大类：棒状成型机和颗 粒状成型机。这两种机型均由中国林科院林化所科研人员率先完成。棒状成型机 有单头和双头两种，单头生产能力为1 2 0 k g h ，双头机生产能力为2 0 0k g h 。1 9 9 8 年与江苏正昌粮机集团合作，开发了内压滚筒式颗粒成型机，生产能力为2 5 0 3 0 0 k g h ，生产的颗粒成型燃料尤其适用于家庭或暖房取暖使用。南京市平亚取暖器 7 不同温度下生物质热解产物组分的研究 材有限公司，从美国引进了一套生产能力为1 5t l l 的颗粒成型燃料生产线，1 9 9 9 年开始正式生产，产品供应市场运行情况良好。 生物质水解制取乙醇技术早在2 0 世纪5 0 年代，我国就曾经开展了木质纤 维素稀酸常压、稀酸加压水解制取乙醇的研究。2 0 世纪8 0 年代，人们再度开始 木质纤维素水解新技术的研究，中国林科院林化所、山东大学、华东理工大学、 沈阳农业大学等先后开展了生物质水解制取乙醇工艺和设备的研究开发，重点对 前处理工艺进行了研究，目前尚处于研发阶段。 生物质热解技术从2 0 世纪5 0 年代至6 0 年代，国内就进行了木材热解技 术的研究工作，中国林科院林化所在北京光华木材厂建立了一套生产能力为 5 0 0 k g h 的木屑热解工业化生产装置：在安徽芜湖木材厂建立了年处理能力达万 吨以上的木材固定床热解系统。黑龙江铁力木材干馏厂曾从前苏联引进了年处理 木材1 0 万吨的大型木材热解设备。这些生产装置的目标均是为了解决当时石油 资源紧缺问题。随着石油化工的迅速崛起，以木材为原料制取化工产品的生产成 本高，难以和石化产品竞争，这些装置纷纷下马和转产。研究工作也转向以热解 产品的深加工开发，如活性碳、木醋液等应用研究领域。 沼气技术我国沼气的使用有较长历史，在发展中国家中处于领先地位。近 年来，全国沼气建设持续保持良好的发展势头，用户沼气池达6 8 8 7 万户。两年 增加1 3 3 7 万户，除去报废数，每年实际递增6 9 ，利用率达到8 7 以上，综 合利用户数达到3 4 0 万户。全国大中型沼气工程达到1 2 1 1 处。 总之，我国在生物质能转换技术的研究开发方面做了许多工作，取得了明显 的进步，但与发达国家相比还有差距。 1 4 3 生物质能开发利用的前景 生物质能是重要的可再生资源，预计在本世纪，世界能源消费的4 0 将会来 自生物质能。但真正实际应用还取决于生物质的各种转化利用技术能否突破。目 前生物质能利用技术的主要研究方向为：各种生物质能源转换技术：生活垃 圾能源的规模化利用与示范推广；生物质热解液化的实用化技术，这是最主要 的研究方向，不但可以提供初级化工产品，而且可以减轻化石能源枯竭带来的能 源危机：沼气和热解气化的集中供气系统相关技术。此外，利用热解气来合成 8 i 绪论 甲醇、乙醇也是今后研究的主要方向之一溉2 。 长期以来人们依赖化石能源，年耗量不断增加，造成日益严重的环境问题。 而且预计到2 0 5 0 年左右，化石能源将濒临耗竭。生物质能源由于其可再生性和 利用时不产生大量的二氧化碳而越来越得到重视，开发利用生物质被称为第三次 能源转变，2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初，许多国家尤其是西欧及北美的一些发 达国家投入大量人力物力进行技术开发。据估计世界范围内对可再生能源的技术 开发投资己达3 1 5 亿美元。美国生物质能利用占全国总能耗的比例，从9 0 年代 中期的5 左右将提高到2 0 0 0 年的1 0 1 3 。而巴西、芬兰、瑞典等国家更是大 规模应用生物质能源的国家，己走在了从化石燃料转入可再生能源时代的前列。 西的可再生能源占全国能耗的5 5 以上，而芬兰每年也提供总能耗的3 0 - 4 0 。 综上所述，生物质作为可再生的洁净能源其利用开发己势在必行，无论从废 弃物资源回收或能源结构转换，还是从环境的改善和保护等各方面均具有重大的 意义。善 1 5 我国生物质能产业的发展方向 我国政府非常重视生物质能源的产业化发展，已经在法律上明确其在现代能 源中的地位，连续三个国家五年计划都将生物质能技术列为重点科技攻关项目， ， 并列入“中国阳光计划重点开发项目。根据国家法规对生物质能源的开发利用 实施一系列激励政策，通过法律政策、补贴政策、税收政策以及价格政策、贷款 和信用担保等各方面对生物质能源的应用提供了巨大的优惠支持。 根据( 2 1 世纪议程优先项目计划，我国将中将兆瓦级生物质气化发电、淀 粉质原料乙醇燃料生成、甜高粱及其茎杆制取乙醉燃料定为生物质能源开发利用 的产业化优先项目发展。 1 5 1 兆瓦级生物质气化发电 中科院广州能源研究所在“九五”期间进行了兆瓦级生物质气化发电系统研 究，旨在开发适合我国市场需求和支援特点的中型生物质气化发电技术。该生物 质气化发电示范系统在1 9 9 8 年1 0 月建成并投入使用，至今已经推广了2 0 余套， 体现了良好的技术经济性和环境友好性。该系统发电效率达1 6 1 8 发电成本 9 不同温度下生物质热解产物组分的研究 大约为o 2 5 0 3 元度左右，接近小型煤电水平。 1 5 2 淀粉质原料乙醇燃料生成 高效的乙醇发酵反应系统使得乙醉生产成本大幅度降低，特别在利用廉 料时己具备与石油燃料在价格上的竞争能力。目前，我国政府支持利用陈化 产燃料乙醉的工业建设项目，其中吉林省已经启动利用玉米陈化粮的燃料乙 目，年生产能力为8 0 万吨。河南也启动了玉米和小麦陈化粮的燃料乙醇项 四川、山东和河北则开发甘薯等淀粉质原料乙醇转化技术。 1 5 3 甜高粱及其茎杆制取乙醇燃料 种植甜高粱不仅能够向高粱一样收获粮食，还能收获富含糖份的茎杆，经过 发酵可生产乙醇。采用锥形三段流化床生物质反应器的固定化酵母连续乙醇发酵 新工艺是当今世界上高科技生物技术，为开发甜高粱茎杆制取乙醇，降低设备投 资，提高经济效益开发了新工艺。 为给生物质能源的大规模应用提供技术支撑，我国政府制定了纤维素废弃物 生产燃料乙醉和生物质裂解液化生产生物油两项产业化前期优先示范项目来开 发新的生物质能转化技术。 为将来大规模利用生物质能源开发乙醇提供技术支撑，逐步向利用农林废弃 物和纤维类能源植物等资源转移该技术在上海华东理工大学能源化工系进行开 发，建设纤维素废弃物的酒精化中试系统，开展纤维素废弃物生产然料乙醇技术 的最佳工艺及示范工程研究。主要研究包括纤维素的水解、乙醇发酵和水解残渣 的综合理应及三废处理技术。利用蔗渣等废弃物，生产日产量达到1 0 0 0 公斤酒 精燃料。 综上所述，生物质作为一种重要的能源不仅在目前的能源体系中占有重要地 位