（动力机械及工程专业论文）生物制气—柴油双燃料发动机的燃烧及nox排放模拟计算.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 生物制气是一种清洁的发动机替代燃料，是解决能源短缺的重 要途径之一。生物制气在我国具有一定的使用规模和发展水平，在 发动机上具有广阔的应用空间。生物制气一柴油双燃料发动机由 z h l l l 5 直喷式柴油机改装而成，生物制气在进气冲程中与空气一起 经进气管进入气缸，在压缩冲程末期由喷入的柴油引燃。 本文在广安博之的油滴蒸发准维燃烧模型的基础上，结合生成 q 的详细化学动力学机理，建立了生物制气一柴油双燃料发动机 的n o 。生成模型，模拟计算结果与试验结果吻合较好。 应用模型分析了转速、负荷及供油提前角等对生物制气一柴油 双燃料发动机崛排放的影响情况。模拟结果和试验结果都表明， 生物制气一柴油双燃料发动机0 。排放比柴油机低3 0 8 0 。生物 制气一柴油双燃料发动机在转速不变负荷增加时，燃烧始点相对提 前，滞燃期缩短，最大放热率及温度提高，d ，排放增加。低速大 负荷时，生物制气一柴油双燃料发动机充气效率变大，可燃气体在 高温下停留时间增加，因此转速降低时虽然最高燃烧温度降低，但 此时n o 。排放浓度增加。减小供油提前角可以减少预混燃烧所占的 比例，降低最大燃烧压力，从而可以降低生物制气一柴油双燃料发 动机的0 ，排放。 关键词：生物制气，双燃料发动机，燃烧，n o ：排放，模拟计算 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t b i o g a si sak i n do fa l t e r n a t i v ec l e a nf u e lf o re n g i n e i ti s o n eo ft h e m o s ti m p o r t a n tw a yt os o l v et h es h o r t a g eo fe n e r g y i no u rc o u n t r yt h e b i o g a si su s e dm o r ea n dm o r ew i d e l yi ne n g i n e b i o g a s - - d i e s e ld u a lf u e l e n g i n ei sr e f i t t e df r o mt h ez h l l15d i r e c ti n j e c t i o nd i e s e le n g i n e b i o g a s i si n d u c e dt h r o u g hi n t a k et u b ew i t ha i rd u r i n gi n t a k es t r o k e t h ed i e s e li s i n j e c t e di nt h ec y l i n d e ra tt h ee n do ft h ec o m p r e s s i o ns t r o k ea n di g n i t e s t h eb i o g a s i nt h i sp a p e r , ? c o xf o r m a t i o nm o d e lo fb i o g a s - - d i e s e ld u a lf u e l e n g i n ew a se s t a b l i s h e d ，w h i c hc o m b i n e st h eq u a s i - d i m e n s i o n a ls p r a y c o m b u s t i o nm o d e lb a s e do nh i r o y u k i h i r o y a s u sm o d e lw i t ht h e d e t a i l e dc h e m i c a lk i n e t i c sm e c h a n i s mo fn o 。f o r m a t i o n t h em o d e l h a sg o o d p r e c i s i o nc o m p a r e d w i t he x p e r i m e n td a t a b a s e do nt h e n o xf o r m a t i o nm o d e l ，t h ei n f l u e n c eo fe n g i n es p e e d ， l o a da n df u e ls u p p l ya d v a n c ea n g l et ot h en o 。e m i s s i o ni st h e nc a r r i e d o u t t h e ? c o xe m i s s i o no fd u a lf u e le n g i n ei s 3 0 8 0 l o w e rt h a n d i e s e le n g i n e w h e nt h el o a do ft h eb i o g a s - - d i e s e ld u a lf u e le n g i n e i n c r e a s e sa n dt h ee n g i n es p e e di sa tt h es a m e ，i t si g n i t i o nt i m ei s a d v a n c e d ，i t si g n i t i o nd e l a yp e r i o di ss h o r t e r , i t sm a x i m u mh e a tr e l e a s e r a t ea n dt e m p e r a t u r ea r el a r g e r ，n o ，e m i s s i o nw i l li n c r e a s e a tl o w s p e e da n dh i g hl o a dt h eb i o g a s - - d i e s e ld u a lf u e le n g i n eh a sah i g h e r v o l u m e t r i c e f f i c i e n c y , t h e t i m e o ft h em i x t u r e s t a y i n g a t h i g h t e m p e r a t u r el e v e l i s l o n g e r , s oe v e n i ft h em a x i m u mc o m b u s t i o n t e m p e r a t u r ei sr e l a t i v e l yl o w e r , t h en o r e m i s s i o ni ss t i l lh i g h t h e d e l a y o ft h ef u e l s u p p l y a d v a n c ea n g l el e a d st ol o w e r p r e m i x e d c o m b u s t i o nr a t ea n dm a x i m u mp r e s s u r e ，n o xe m i s s i o nw i l ld e c r e a s e k e yw o r d s ：b i o g a s ，d u a lf u e le n g i n e ，c o m b u s t i o n ，n o e m i s s i o n ， s i m u l a t i o n | i 学位论文版权使用授权书 ：学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 e 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 e 查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容编入有 ；数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 、_ ：学位论文。 保密口 本学位论文属于，在年我解密后适用笨授权书。 不保密回 位敝储繇、证驴指删雠：汤易? 乏 飞x 年了只恐b f 年f 畏f 饵i 7 独创性申明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 旅钞 介7 年r 月6 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 在过去的一百多年里，内燃机作为高效的热机被广泛应用于国民经济的各 个领域，推动了其它产业的发展，对人类生活和社会发展作出了巨大贡献。但 我们也同时面临着无法回避的尖锐问题：一方面，石油燃料是短期内无法再生 的资源，石油资源已逐渐不能满足需求，按照当前的消耗率，今后几十年内可 能会消耗殆尽，这就使全球范围内的能源危机日益突出；目前我国是一个石油 进口国，每年进口的原油量相当大，而且我国石油资源分布很不均匀，因此存 在如何缓解石油短缺和对能源结构进行配置的问题。另一方面，内燃机排气中 有大量危害人体健康的成分，包括一氧化碳( c 0 ) 、末燃碳氢化合物( h c ) 、氮 氧化物( n o ，) 、微粒( 尸m ) ，另外还有醛类和苯等。碳颗粒物中7 0 的粒径小 于0 3 am ，且吸附多种有机化合物，如c 1 c 2 的烃类( 其中含磷化钡) 、酚类、 胺、致癌物苯并芘及其它含氧化合物，这些粒度极细的颗粒物在空气中的沉降 速率不同，而其大小恰又使它悬浮于大气中人们的呼吸层高度内，能深入至肺 泡，且不易排出体外，而颗粒物又为强致癌物苯并芘、硝基稠环芳烃的载体， 危害极大。氮氧化物和未燃烧h c 在日光作用下会形成光化学烟雾，这些烟雾 会使人眼红、头痛、手足抽搐，还能使植物枯死，橡胶破裂等。人体血液中的 血红素对c o 比对d 有较强的亲和力，人在含有c o 的大气中停留时，c o 浓度 越大，停留时间越长其毒性反应越大；c o 浓度超过1 0 0 m g f 时，随着浓度的增 加会引起头痛，呕吐甚至昏厥，浓度超过6 0 0 m g l 时，长时间停留可能致死。 氮氧化物、硫氧化物和硫酸盐是酸雨的制造者。碳氢化合物中多环芳香族被专 家们认定为对人体最危险的有害成分。它是高致癌物质，而且人体对其不能自 行消除，所以当通过呼吸系统进入人体并在肌体内积聚到临界浓度时，这些物 质就激发生成恶性肿瘤。随着汽车保有量的持续增加，这些有害成分对人体造 江苏大学硕士学位论文 成了极大的危害，同时也造成目益严重的环境污染，甚至在一些大城市汽车造 成的污染已经到了人们无法容忍的程度，这就促使世界各国不断出台日益严格 的排放法规以限制有害排放气体对人类和社会的危害。 为了满足曰益严格的排放法规的要求，需要不断的对柴油机的排放控制技 术进行研究。另一种行之有效的方式就是开发气体燃料部分替代柴油。开发气 体燃料一清洁能源，还能同时缓解当今世界日益匮乏的石油能源危机。目前的 主要代用燃料有【l 】：天然气( c n g ) 、液化石油气( l p g ) 、醇类燃料、生物燃料、 二甲基醚、氢燃料和电动汽车等。利用太阳能、电能、氢能等新能源作为汽车 动力，未来将成为可能。但根据我国资源现状，发动机燃用气体燃料替代部分 燃油最为现实，且有比较成熟的技术可借鉴。 压燃式发动机的c o 和舵排放量相对于点燃式发动机来说要少的多，但 n o ，排放与点燃式发动机在同一数量级，而微粒则要比点燃式发动机大十几倍， 因此压燃式发动机排放重点是| v 0 ，和微粒。本文就是模拟在柴油机上燃用柴油 和生物制气的双燃料发动机的 ，0 ，排放。生物制气由各种农林生产加工过程中 通常废弃的生物质( 如秸秆、果壳、锯末、机刨花等) 经气化炉气化产生。其 燃烧组织方式为：生物制气经进气道在进气冲程中与空气一起进入气缸，在压 缩冲程由于气缸内紊流作用生物制气与空气充分混合形成均质混合气，在接近 上止点时，引燃柴油经喷油器喷入燃烧室内，柴油着火燃烧，从而引燃被压缩 的均质混合气。 1 2 双燃料发动机燃烧模型的发展和现状 内燃机燃烧模型对于试验研究和指导实际设计均有重要的意义。借助于内 燃机燃烧模型，不仅可以分析气缸内燃烧的产生和发展的具体情况，有助于分 析、理解燃烧过程的机理，明确各种现象间的相互内在关系，有利于选型设计 以及优化内燃机的燃烧过程。而且还能够在设计阶段即可预测内燃机的结构参 数和运转参数的变化对内燃机性能产生的影响，大大简化了试验工作，缩短了 研制周期，提高发动机整机性能。双燃料发动机的燃烧过程更为复杂，有关的 机理尚未被人们理解，更需要研究者的广泛深入研究。由于双燃料发动机实际 江苏大学硕士学位论文 上就是在传统发动机上应用气体燃料的一类发动机。因此双燃料发动机的燃烧 模型与传统的发动机燃烧模型有一定的联系。而且，在气体燃料着火之前，双 燃料发动机的燃烧模拟近似于传统发动机燃烧过程的模拟，因此研究双燃料发 动机的燃烧模型，离不开传统的发动机燃烧模型的基础。但双燃料发动机的燃 烧模型又有自身的特点，需进行特殊处理。 传统的燃烧模型大体上可分为三类：零维模型( 有时也称之为热力学模 型) 、准维模型( 有时也称之为现象学模型) 、多维模型( 有时也称之为详细的 通用模型) 。 零维模型( z d m ) 发展于二十世纪六十年代，它假定气缸内工质均匀分 布，各种热力学参数和热物性参数处处相等，即随时处于热力学平衡状态，因 此零维模型又叫做热力学模型。由因为模型的参数由经验确定，有人亦称之为 经验数学模型。如林慰梓的三角形法、w h i t e h o u s e 的单区模型法。零维模型主 要用于根据已知的示功图计算放热规律和用经验的放热规律预测示功图两方 面，但它无法描述喷雾、油滴蒸发、混合、卷吸及工质运动等重要物理过程以 及非均匀温度场对有害排放产物的影响，因而不能用于有害废气浓度预测。 在准维模型( q d m ) 中，则考虑了缸内的非均匀性，根据缸内燃油空气 非均匀分布的经验关系式把燃油喷注划分成若干个小区域，每个小区域即是一 个独立的热力学系统。同时也考虑了有关区域中进行的过程都受到气缸内紊流 的影响。如林慰梓的油气射流模型1 2 1 和广安的油滴蒸发模型 3 1 等。整个模型是 由柴油机中概念化了的单个过程如喷油、喷雾破碎、混合气形成、放热、传热 以及排放物的生成等组成，而n o 。的生成大多采用z e l d o v i c h 或扩展的z e l d o v i c h 机理计算。但准维模型由于对某些重要的过程抽象的过于简单，仍难以完全地 反映燃烧室几何形状对性能及排放指标的影响。 在多维模型( m d m ) 中，在遵循质量、动量和能量守恒的基础上，进一 步考虑燃烧室中工质成分、温度及流动等三维结构，通过求解支配燃烧现象的 物理、化学过程的基本微分方程，可以确定工质的流动特性、温度及燃烧产物 浓度等参数的空间分布，具体地讲是在燃烧室中划出很细的二维或三维网络， 用数值方法对一组互相耦合的微分控制方程进行求解，在解得缸内温度场分布 江苏大学硕士学位论文 的基础上用z e l d o v i c h 或扩展的z e l d o v i c h 机理计算n o w 排放。 而关于双燃料发动机燃烧模型的研究则相对滞后，国外有些学者在这方面 已做了定的研究工作【4 _ ”。有的以沼气和乙醇作为代用燃料，也有的以天然 气一柴油双燃料发动机作为研究对象。7 0 年代加拿大人k a r i m 率先提出了双燃 料发动机的爆震预测模型，认为天然气的爆震是在压缩上止点附近的高温环境， 由于火源分布不广泛及传播速度慢。混合气在火焰到达之前出现自燃而产生的。 8 0 年代末，h a n n a 、k a r i m 、y z h a o d a 等建立了双燃料发动机燃烧过程的热力 学一化学反应动力学数学模型 7 - 1g 。该模型采用了含有1 4 种化学成分的3 2 个 化学反应方程式来模拟均匀的空气一甲烷混合气缸内燃烧过程。并针对引燃柴 油的燃烧提出了引燃油定容燃烧模型和热释放模型。该零维模型可以给出缸内 各种成分的温度、压力、浓度和放热率的变化，并能反映引燃油当量比、喷油 定时、进气温度对燃烧过程的影响。9 0 年代中期，美国m j j e n n i n g s 等采用 c f d ( c o m p u t a t i o nf l u i dd y n a m i c s ) 分析了h p d 双燃料发动机的天然气喷注 与缸内空气的混合过程、天然气喷孔位置和数量、喷孔直径、喷射角度对缸内 流场特性的影响。此外，加拿大的p ，s a m u e l 确立了新的双燃料发动机零维燃烧 模型，该模型将双燃料发动机引燃柴油的燃烧视为在定压、高温和天然气、空 气均质混合环境中进行；引燃油的着火时刻定义为缸内工质温度的二阶导数为 零的时刻：并采用单步a r r h e n i u s 化学动力学反应式形式分别模拟引燃油及气体 燃料的燃烧过程。在双燃料燃烧过程模拟计算分析时以天然气和引燃油的反应 速率确定整个燃烧过程的进程。 国内在这方面起步较晚，1 9 9 3 年浙江大学以燃烧化学动力学为理论根据， 提出了天然气和空气混合气的燃烧反应机理，建立了包含4 1 种组分l1 9 个化学 反应方程式的双燃料准维燃烧模型。1 9 9 4 年福建大学黄敬党等人提出了双燃料 涡流室发动机的准维燃烧模型。1 9 9 7 年吉林农业大学建立了用于天然气发动机 燃烧过程的准维双区模型。2 0 0 0 年北方交通大学张欣等在改装的电控双燃料发 动机上应用了二维燃烧模型，该模型计算结果和试验结果吻合较好m 】。有些学 者利用双燃料发动机的试验结果，对双燃料发动机的放热规律进行了分析，但 4 江苏大学硕士学位论文 这种分析缺乏双燃料发动机燃烧过程的系统的理论支持，不能解释双燃料发动 机的本质现象。也有的学者对双燃料发动机的燃烧过程进行了模拟【2 0 1 ，但在建 立模型中，对燃烧过程起关键作用的引燃柴油的燃烧过程未作充分的描述，将 其热释放过程作出某种假设，如定容假设和按某一能量释放规律进行的引燃柴 油能量释放假设，仅将引燃柴油抽象为气体燃料的“燃油火花塞”。这种处理方 法与实际燃烧过程差别较大，仅适用于引燃柴油量较小的情形。也有些学者建 立了具有引燃柴油燃烧过程以及气体燃料燃烧过程预测的模型 2 1 l ，在模型中， 假设引燃柴油在气体燃料着火时已完全燃烧完，也没有考虑引燃柴油量较大的 情况。而实际应用中，双燃料发动机在部分负荷时经济性变差；应适当增大引 燃柴油量；全负荷时在不导致发动机工作粗暴和敲缸的情况下，可适当减少引 燃柴油量以充分发挥气体燃料的优良性能。可见双燃料发动机引燃柴油量会有 较大的变化范围，因此，建立具有适应范围更广的双燃料发动机燃烧模型具有相 当的必要性。 1 3 课题的意义及主要内容 为了解决由发动机排放造成的环境污染问题和日益严峻的能源问题，世界 各国在制定各种严格的排放法规来规范发动机的生产和使用的同时，开始大力 发展代用燃料。双燃料发动机不仅热效率高，排放好，而且具有显著的经济效 益( 降低燃料成本) 。双燃料发动机的开发应用，既迎合了时代对环境保护的 要求，又可节约石油资源，缓和能源危机。与发达国家相比，我国的双燃料发 动机研究尚存在较大的差距，因此，需加强双燃料发动机在开发和应用方面的 研究工作。 建立双燃料发动机的燃烧模型，可以更深入的了解其燃烧机理，探讨发动 机结构参数及运行参数对其性能的影响，从而为双燃料发动机的研发及应用提 供理论指导和分析手段。 本课题是国家自然科学基金项目“生物制气一柴油双燃料发动机的燃烧排 放及控制研究”( 5 0 1 7 6 0 1 6 ) 的一部分。 课题的主要内容： 江苏大学硕士学位论文 1 试验方面 用z h l1 1 5 直喷式柴油机改制成生物制气一柴油双燃料发动机，测量分析 生物制气一柴油双燃料发动机的气缸压力及排放，为以后的生物制气一柴油双 燃料发动机的理论燃烧模型的建立和氮氧化物( 0 ，) 排放的计算提供了试验 依据和数值来源。 2 理论方面 建立生物制气一柴浊双燃料发动机的燃烧模型。 建立基于扩展的z e l d o v i c h 机理的氮氧化物( o ，) 排放模型。 推导气体一柴油双燃料发动机动力性变化的公式。 3 对比分析 对比分析了生物制气一柴油双燃料发动机动力性变化。 对比分析了生物制气一柴油双燃料发动机排放试验及模拟计算结果。 江苏大学硕士学位论文 2 1 生物质能简介 第2 章生物质能 生物质能是绿色植物通过光台作用将太阳能转化为化学能而贮存在体内的 能量。生物质能可再生，性能稳定，同风能、太阳能相比，很少受自然因素的 制约，又能加工转换成常规的固态、液态和气态燃料，能储存运输。当今社会 能量消耗急剧增加，而且在世界范围内存在巨大的不平衡；由于传统的不可再 生能源( 石油、煤和天然气等) 量的限制，以及在使用过程中对环境产生的不 可恢复性破坏，这都使得开发新型的环保能源成为了今天的研究热点 2 2 - - 2 4 。生 物质能除了可替代部分石油、煤炭等化石燃料外，更有变废为宝、保护环境和 资源综合利用的功能，开发生物质能有助于减轻温室效应和维持生态良性循环， 是解决能源和环境问题的有效途径之。 利用生物质能可改善和保护生态环境，所以生物质能作为人类可持续发展 道路上的理想能源被人类重新认识。生物质能足在煤炭、石油和天然气之后居 于世界能源消费总量第4 位的能源m 】，在整个能源系统中占有重要地位。生物 质资源不仅储量丰富，而且还可再生，目前世界拥有的生物质资源约 1 8 4 1 1 0 ”r 【”l ，如以能量换算，相当于目前石油产量的1 5 2 0 倍 2 7 1 。光合作 用对太阳能的转换效率最大为5 6 ，但实际上考虑到全世界的陆地面积， 则光合作用的平均转换效率约为03 。如果广泛推广应用更先进的农业技术 则平均转换效率约可达0 5 1 。如果生物质能得到充分利用，人类相当于 拥有了一个取之不竭用之不尽的资源宝库。 2 2 生物质能的种类及特点 生物质能源分布极广、产量巨大。据研究表明，全球每年形成的生物质达 1 8 0 0 亿t ，相当予3 0 0 0 亿g j 的能量，为全球现实能源消费的1 0 倍，在理想状 态下地球上的生物质潜力可达到现实能源消费的 8 0 2 0 0 倍。生物质的能量密 态下地球上的生物质潜力可达到现实能源消费的1 8 0 2 0 0 倍。生物质的能量密 江苏大学硕士学位论文 2 1 生物质能简介 第2 章生物质能 生物质能是绿色植物通过光合作用将太阳能转化为化学能而贮存在体内的 能量。生物质能可再生，性能稳定，同风能、太阳能相比，很少受自然因素的 制约，又能加工转换成常规的固态、液态和气态燃料，能储存运输。当今社会 能量消耗急剧增加，而且在世界范围内存在巨大的不平衡；由于传统的不可再 生能源( 石油、煤和天然气等) 量的限制，以及在使用过程中对环境产生的不 可恢复性破坏，这都使得开发新型的环保能源成为了今天的研究热点忙2 “3 。生 物质能除了可替代部分石油、煤炭等化石燃料外，更有变废为宝、保护环境和 资源综合利用的功能，开发生物质能有助于减轻温室效应和维持生态良性循环， 是解决能源和环境问题的有效途径之。 利用生物质能可改善和保护生态环境，所以生物质能作为人类可持续发展 道路上的理想能源被人类重新认识。生物质能是在煤炭、石油和天然气之后居 于世界能源消费总量第4 位的能源1 2 5 1 ，在整个能源系统中占有重要地位。生物 质资源不仅储量丰富，而且还可再生，目前世界拥有的生物质资源约 1 8 4 1 x 1 0 “f 【”1 ，如以能量换算，相当于目前石油产量的1 5 2 0 倍【”1 。光合作 用对太阳能的转换效率最大为5 6 ，但实际上考虑到全世界的陆地面积， 则光合作用的平均转换效率约为o 3 。如果广泛推广应用更先进的农业技术， 则平均转换效率约可达o 5 1 。如果生物质能得到充分利用，人类相当于 拥有了一个取之不竭，用之不尽的资源宝库。 2 2 生物质能的种类及特点 生物质能源分布极广、产量巨大。据研究表明，全球每年形成的生物质达 1 8 0 0 亿t ，相当于3 0 0 0 亿g j 的能量，为全球现实能源消费的1 0 倍，在理想状 态下地球上的生物质潜力可达到现实能源消费的1 8 0 2 0 0 倍。生物质的能量密 江苏大学硕士学位论文 度低，使用传统技术、在不考虑对环境的影响时，难以与化石能源竞争，这是 其工程化应用一直受到限制的重要因素。生物质能主要有农作物、油料作物、 林木、木材生产的废弃物、术材加工的残余物、动物粪便、农副产品加工的废 渣、城市的生活垃圾中的部分生物废弃物，它的种类如下： 1 薪柴这一种类的生物质通常指的是薪炭林产出的薪柴及用材林产生 的枝桠、木材加工的下脚料。目前我国每年产出的薪柴约为2 1 亿f i t ，其热值 约为1 5 刎培，折合标准煤1 2 i l t 。 2 秸杆( 热值约为1 4 5 朋叫堙) 我国是一个农业大国，因此秸杆产量特别 大，在农田里约是粮食产量的1 1 倍，每年各种作物产生的总量达6 2 亿t 。但其 中仅有2 5 3 0 被作为燃料使用，约合o ，7 5 亿t 标准煤，其余的均弃之于田。 3 粪便( 热值约为1 3 m j k g ) 在我国每年其总量为8 2 8 4 亿f 。约合o 7 亿r 标准煤，但只有边远的牧区直接以此为燃料。现在一些地区采用微型沼气装 置对其加以利用，一些大型饲养场近年为净化环境在以较大规模沼气化方式处 理粪便，使之能源化。 4 城市生活垃圾( 热值为5 6m j 堙) 我国城市生活垃圾的年产量已达 1 5 亿f 。由于垃圾的特殊性，其热能利用率只有1 5 2 5 ，可产生电量4 0 0 亿 k w h ，我国垃圾发电产业化正在从南到北形成。 5 海洋生物人们对海洋生物研究还比较少，但是海洋生物的潜力是极 大的。美国可再生能源实验室近年应用现代技术开发海洋微藻，在户外种植表 明，其脂质含量高达4 0 ，每亩这种产品可提炼生物柴油1 2 5 f ，在近海种植 其前景十分看好。 6 污水与污油我国人口众多，每年都有大量的污水污油产生，其中油 脂每年可提炼生物柴油达2 0 0 多万f ，利用微生物技术可以使大量的高浓度的废 水产生数量可观的氢气。 2 3 生物质能的转化利用 生物质能的开发和利用具有巨大的潜力，主要包括两方面：一是建立以沼 江苏大学硕士学位论文 气为主的农村新能量、物质循环系统，使秸秆中的生物能以沼气的形式缓慢地 释放出来，解决燃料问题；二是建立能量农场、能量林场及海洋能量农场。 1 沼气利用技术人类发现、利用沼气，已有悠久的历史。从1 7 7 6 年意 大利科学家沃尔塔发现沼气以来，2 0 0 多年过去了，如今全世界约有农村家用 沼气池5 3 0 万个，中国就占了9 2 。农村沼气池的主要填料是猪粪、秸秆、污 泥和水等。随着沼气使用的日益推广和大型厌氧工程技术的进步，2 0 世纪9 0 年 代以来，世界范围内的一些大型沼气工程有了迅速发展。 2 生物质汽化 将固体生物质转化为气体燃料，称为生物质气化。其基 本原理是含碳物质在不充分氧化( 燃烧) 的情况下，会产生出可燃的一氧化碳 气体，即煤气。制造煤气的设备称为气化炉，人们故意不给足氧气，让含碳物 质在没有足够的空气的情况下燃烧，“焖”出一氧化碳来。 3 生物质液化将固体生物质转化为液体燃料，称为生物质液化。它包 括间接液化和直接液化两种：间接液化是指通过微生物作用或化学合成方法生 成液体燃料，如乙醇( 酒精) 、甲醇；直接液化则是采用机械方法，用压榨或 提取等工艺获得可燃烧的油品，如棉籽油等植物油，经提炼成为可替代柴油的 燃料。 4 生物质热分解 这是一项很有潜力的技术，用于制取人造石油。一些 生物质通过热分解，可制取生物油、生物炭和可燃烧气体，使生物质得到充分 利用。 5 能源农场 即建立以获取能源为目的的生物质生产基地，以能源农场 的形式大规模培育生物质，并加工成可利用的能源。要对土地进行合理规划， 尽可能利用山地、非耕荒地和水域，选择适合当地生长条件的生物质品种进行 培育、繁殖，以获得足够数量的高产能植物。在海洋、水域，充分利用海藻和 水生物提取能源，建立海洋能源农场或江河能源农场。同时，将基因工程等现 代生物技术广泛应用于能源农场中，以提高能源的转化率。 专家预测，到2 0 5 0 年，以生物质能为重要组成部分的可再生能源，将以相 同或低于矿物燃料的价格，提供全球3 5 的电力和2 5 的直接燃料。 9 江苏大学硕士学位论文 2 4 国外生物质能的开发利用状况p ”3 2 0 世纪7 0 年代开始，生物质能的开发利用研究已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，纷纷投入大量的人力和 资金从事生物质能的研究开发。 美国在生物质利用方面处于世界领先地位。据报道，美国有3 5 0 多座生物 质发电站，主要分布在纸浆、纸产品加工厂和其它林产品n i 厂，这些工厂大 都位于郊区。发电装机总容量达7 0 0 m w ，提供了大约6 6 万个工作岗位。据有 关科学家预测，到2 0 1 0 年，生物质发电将达到1 3 0 0 0 m w 装机容量，届时有1 6 2 万h m2 的能源农作物和生物质剩余物作为气化发电的原料，同时可安排1 7 万多 就业人员。2 0 世纪7 0 年代研究开发了颗粒成型燃料，该技术在美国、加拿大、 日本等国得到推广应用。并研究开发了专门使用颗粒成型燃料的炉灶，用于家 庭或暖房取暖。在北美有5 0 万户以上家庭使用这种专用取暖炉。美国的颗粒成 型燃料，年产量达8 0 万f 。 奥地利成功地推行建立燃烧木质能源的区域供电计划，目前已有八九十个 容量为1 0 0 0 2 0 0 0 k w 的区域供热站，年供热1 0 1 0 9 m j 。加拿大有1 2 个实验 室和大学开展了生物质的气化技术研究。1 9 9 8 年8 月发布了由f r e e l 和b a r r ya 申请的生物质循环流化床快速热解技术和设备。瑞典和丹麦正在实行利用生物 质进行热电联产的计划，使生物质能在提供高品位电能的同时，满足供热的要 求。1 9 9 9 年，瑞典地区供热和热电联产所消耗的能源中，2 6 是生物质能。加 拿大用木质原料生产的乙醇产量为每年1 7 万f 。比利时每年以甘蔗渣为原料制 取的乙醇量达3 2 万t 以上。美国每年以农村生物质和玉米为原料生产乙醇约 4 5 0 万f ，计划到2 0 1 0 年，可再生的生物质可提供约5 3 0 0 万t 乙醇。 在气化、热解反应的工艺和设备研究方面，流化床技术是科学家们关注的 热点之一。印度a n n a 大学新能源和可再生能源中心最近开发研究用流化床气化 农林剩余物和稻壳、木屑、甘蔗渣等，建立了一个中试规模的流化床系统，气 体用于柴油发电机发电。1 9 9 5 年美国h a w a i i 大学和v e r m o n t 大学在国家能源部 的资助下开展了流化床气化发电工作。v e r m o n t 大学建立了气化工业装置，其 1 0 江苏大学硕士学位论文 生产能力达到2 0 0 t d ，发电能力为5 0 m w ，目前已进入正常运行阶段。 b 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 杆挤压成型机，生产棒状成型燃料。其年生产量达2 5 万r 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。将生物质粉碎处理后，置于反应器内，添加催化剂或无催化剂， 经化学反应转化为液化油，其发热量达3 5 x 1 0 4 七k g 左右，用木质原料液化的 得率为绝干原料的5 0 以上。欧盟组织资助了3 个项目，以生物质为原料，利 用快速热解技术制取液化油，已经完成1 0 0 堙h 的试验规模，并拟进一步扩大 至生产应用。该技术制得的液化油得率达7 0 ，液化油热值为1 7 x1 0 4u 堙。 欧美等发达国家的科研人员在催化气化方面也作出了大量的研究开发工 作，在生物质转化过程中，应用催化剂，旨在降低反应活化能，改变生物质热 分解进程，分解气化副产物焦油成为小分子的可燃气体，增加煤气产量，提高 气体热值，降低气化反应温度，提高反应速率和调整气体组成，以便进一步加 工制取甲醇和合成氨。研究范围涉及到催化剂的选择，气化条件的优化和气化 反应装置的适应性等方面，并已在工业生产装置中得到应用。 2 5 国内生物质能的开发利用状况9 。 我国生物质能的应用技术研究，从2 0 世纪8 0 年代以来一直受到政府和科技 人员的重视。国家“六五”计划就开始设立研究课题，进行重点攻关，主要在 气化、固化、热解和液化等方面开展研究开发工作。 生物质气化技术的研究在我国发展较快。利用农林生物质原料进行热解气 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。先后承担了国家、部、省级重点项目和国际合作项目 近1 0 项，研究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【3 2 1 ，气化炉的最大生产能力达6 3 1 0 6 堙( 消耗木片 量为3 0 0 k g h ) 。产生的木煤气作为集中供热和居民家庭用气燃料，从原料计算 i , 1 江苏大学硕士学位论文 气化热效率达到7 0 以上。同时在出热量达4 1 8 1 0 4 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。最近在江苏省研究开发以木屑、稻 壳、稻草和麦草为原料，应用内循环流化床气化系统，并研究应用催化剂和富 氧气化技术产生接近中热值煤气，供乡镇居民使用的集中供气系统m 】，气体热 值为7 0 0 0 u ，3 左右。较同类生物质气化的热值提高了近3 0 ，气化热效率 达7 0 以上。山东省能源研究所研究开发了下吸式气化炉，主要适用硬秸杆类 农业剩余物的气化。从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，已形成产业化规模。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 余个秸杆气化集中供气系统。气体热值一般在 5 0 0 0 u ，n m 3 ，气化转化率达7 0 以上。 广州能源研究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。已完成了目前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3 0 k w 。另外北京农机院、浙江大学热工所和大连环科所 等单位先后开展了生物质气化技术的研究工作。 我国的生物质固化技术开始于“七五”期间，现已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2 大类：棒状成型机和颗粒状成型机。 这2 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2 种，单头生产能力为1 2 0 k g h ，双头机生产能力为2 0 0 堙h 。1 9 9 8 年与江 苏正昌粮机集团公司合作，开发了内压滚筒式颗粒成型机，生产能力为2 5 0 3 0 0 堙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 取暖器材有限公司，从美国引进适用于家庭使用的取暖炉，通过国内消化吸收， 形成工业化生产。并从美国引进了一套生产能力为1 5 f h 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。 从2 0 世纪5 0 年代开始了稀酸常压、稀酸加压的浓酸大液比的水解、纤维素 酶水解法研究，并在南岔水解厂建立示范工程，主要利用木材加工剩余物制取 乙醇和饲料酵母，设计生产能力为年产4 0 0 0 t 乙醇，产生的木质素作为生产活 1 2 江苏大学硕士学位论文 性炭的原料。但由于工艺设备较之用粮食淀粉水解制乙醇复杂得多，在粮食供 应充足、粮价较低情况下，难以和粮食酒精匹敌，更难和石油化工的合成酒精 竞争。2 0 世纪8 0 年代，人们再度开始木质纤维素的水解新技术的研究，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。 木材热解技术的研究，国内从2 0 世纪5 0 年代至6 0 年代进行大量的研究工 作，中国林科院林化所在北京光华木材厂建立了套生产能力为5 0 0 堙h 的木 屑热解工业化生产装置；在安徽芜湖木材厂建立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l o 万f 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我国石油资源紧 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， 难以与石化产品竞争，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，如活性炭、木醋液等应用研究领域。国内在快速热解制取液化 油的研究开发方面，少有报道。 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，但与发达国家相比差距甚远。 2 6 开发利用生物质能的意义 随着矿物质资源的日益减少，地球环境对石油等矿物燃料所产生污染物的 容忍性日趋极限，生物质作为地球上最丰富的绿色资源，必将越来越受到人们 的重视；随着生物技术的突破，生物质资源的应用领域必将越来越广阔。伴随 着生物质资源的广泛应用，生物质资源应用的社会、环境和经济效益将日益凸 现出来。 自然界的各种绿色植物通过光合作用利用太阳光的光能将大气中的二氧化 碳和水转化为淀粉、纤维素和木质素等生物质，组成生物质的基本元素是c 、h 和0 ，几乎不含有硫等有害物质。以各种方式利用它的能量或是自然腐烂消化， 都会最终变为二氧化碳和水，而植物生长时，又从环境中吸收二氧化碳和水。 正是这种循环保持了生态环境的平衡和大气中二氧化碳浓度的稳定。因此，生 江苏大学硕士学位论文 物质是完全没有污染的洁净能源，是真正的绿色资源。随着生物质资源应用生 物技术的突破，会有更多的有机化工产品从以矿物资源为原料转为以生物质资 源为原料。这些生物技术路线，不仅原料可以再生，而且生产过程中避免了有 毒有害物质的使用，且产品也往往对环境友好。因而用新技术开发利用生物质 不仅有助于减轻环境污染物s 0 2 等的排放，也可以减少温室气体c o ，的排放， 有利于生态环境的保护，将会使我们人类生活的环境天更蓝、草更绿、水更清。 因此，生物质资源的全面开发应用，对改善环境造福人类具有很重要的意义。 我国是一个人口大国，又是一个经济迅速发展的国家，2 1 世纪将面临着经 济增长和环境保护的双重压力。因此改变能源生产和消费方式，开发利用生物 质等可再生的清洁能源资源对建立可持续的能源系统，促进国民经济发展的环 境保护具有重大意义。 生物质能高新转换技术不仅能够大大加快村镇居民实现能源现代化进程， 满足农民富裕后对优质能源的迫切需求，同时也可在乡镇企业等生产领域中得 到应用。由于我国地广人多，常规资源不可能完全满足广大农村日益增长的需 求，而且由于国际上正在制定各种有关环境问题的公约，限制c o ，等温室气体 排放，这对以煤炭为主的我国是很不利的。因此，立足于农村现有的生物质资 源，研究新型转换技术，开发新型装备既是农村发展的迫切需要，又是减少排 放、保护环境、实施可持续发展战略的需要。 2 7 开发生物质能的前景”4 目前，生物质资源应用技术的研究与开发已成为世界重大热门课题之一， 受到各国政府和科学家的关注。许多国家都制定了相应开发研究计划，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等。 目前国外的生物质能技术装置多，已达到商业化应用程度，实现了规模化产业 经营，以美国、瑞典和奥地利三国为例，生物质转化为高品位能源利用已具有 相当可观的规模，分别占该国一次能源消耗量的1 4 、1 6 和1 0 。在美国， 生物质能发电的总装机容量己超过1 0 0 0 0 m w 。巴西是乙醇燃料开发应用最有特 色的国家，实施了世界上最大规模的乙醇开发计划。美国也开发出利用纤维素 江苏大学硕士学位论文 废料生产酒精的技术。 我国政府也十分重视生物质资源的开发和利用。自上世纪7 0 年代以来先后 实施了一大批生物质资源利用研究项目和示范工程，进入8 0 年代，又将生物质 资源利用技术的研究与应用列为重点攻关项目，开展生物质资源利用新技术的研 究与开发，使生物质资源的利用技术有了进一步提高，其中尤以大中型畜禽场沼 气工程技术、秸杆气化集中供气技术和垃圾填埋发电技术等的进展引人注目。我 国有丰富的生物质资源，仅农产品的秸秆产量就达到5 6 亿f 以上，还有1 1 亿f 柴 薪，历年垃圾堆存量也高达6 0 亿t ，年产垃圾近1 4 亿f 。生物质和经过分拣的城 市垃圾不加利用就是一种垃圾，将造成很大的资源浪费和环境污染，如加以科学 利用则是一种宝贵的资源。1 9 9 9 年4 月，朱镕基总理去美洽谈中国加入w t o 事 宜时，美方提出开放环保市场作为对等条件之一，其中首选的就是垃圾产业。据 专家统计，我国现有6 6 8 个城市，其中有2 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 3 0 0 亿元。“六五”以来，我国生物质能的开发利用技术已 比较完善，步入了国际先进行列。尽管我们起步较晚，但后发力强，研究和技术 水平与发达国家相比并不低多少。若采取高新技术来利用生物质能，并提高它的 利用率，不仅可以解决农民生活用能问题，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用，可改善生态环境，又可建立绿色能源工厂，生 产能源产品。 可以预见，随着煤和石油等矿物资源的日益匮乏和其价格的攀升，随着人 们环保意识的增强，特别是生物技术的突破，可再生生物质资源代替石油等矿 物资源将成为不可阻挡的历史潮流，生物质资源必将成为2 1 世纪的可再生绿色 资源。挖掘生物质资源，推广生物质能利用新技术潜力巨大，前景广阔。 江苏大学硕士学位论交