（林产化学加工工程专业论文）锥形流化床结构与生物质颗粒流化特性研究.pdf

摘要 由于化石能源的日益耗尽和造成的环境问题，因此，各国政府和科学家对资源丰富、 可再生性强、有利于改善环境和可持续发展的生物质资源的开发利用给予了极大的关注。 生物质能是太阳能的一种存在形式，它是通过生物的光合作用把光这种过程性能源转化 为化学能保存在了生物质中。它的合理、高效利用，对解决人类的能源危机和改善人们 生存环境起着十分重要的作用。 虽然在流态化技术有了很大发展，但直到1 9 7 5 年流态化技术才用于生物质方面。生 物质流态化是国内外专家学者研究开发的热点本文对国内外生物质流化床的研究进展 进行了详细论述，对生物质冷态流化床进行了一系列的研究。 论文首先对所用的原料木屑和稻壳的成分进行分析，工业分析中可以看出木屑的灰 分含量很少为1 6 1 ，稻壳的灰分含量高为1 7 1 ，稻壳灰分中6 0 为硅，可以提取稻 壳灰分中的硅，进行综合的利用，提高稻壳的附加值；木屑的挥发分比稻壳的挥发分多， 固定碳的含量相近。 论文其次在圆柱床中对不同开孔率分布板、不同床层高度、不同颗粒范围、不同的 生物质原料对临界流化速度的影响，得出在本实验的测定范围内，不同开孔率的分布板 和不同的物料床层高度对临界流化速度基本没有影响，临界流化速度随着粒径的增加而 增大。 论文然后对锥形流化床进行了研究，研究了在不同锥角的锥形床、不同环隙的分布 锥、不同开孔率的分布板、不同的物料床层高度和不同原料的条件下对锥形床中临界流 化速度的影响。首先在空床条件下对不同开孔率的分布板和不同环隙的分布锥进行了研 究，得出随着锥形床锥角的增大，对分布锥的影响越大；锥形床锥角不变，分布板开孔 率变化，对分布板没有影响；开孔率相同，锥形床锥角变化，对分布板没有影响。在本 实验范围内，利用分布锥为分布器，临界流化速度随着物料床层高度和粒径的的增加而 增加，在床层高度相同，环隙相同，临界流化速度随着锥形床锥角的增加而增加；利用 分布板为分布器，临界流化速度随着物料床层高度和粒径的的增加而增加，在床层高度 相同，相同开孔率分布板，临界流化速度随着锥形床锥角的增加而增加。 在不同的条件下对锥形床的流化状态和稳定性进行了研究，结果得出：锥形床的锥 角为2 0 度时，分布锥和分布板的流化状态相差不明显，随着锥形床锥角的增大，分布锥 和分布板的流化现象会出现明显的变化，锥形床锥角越大，分布锥的流化状态变化越明 显，流化的的物料越少，大量物料都聚集在锥形床底部，而分布板在加料量少的情况下， 能流化起来。l o m m 、1 5 r a m 和2 0 r a m 环隙分布锥在锥形床锥角相同条件下，l o m m 环隙分布 锥的流化质量要好于其它两个分布锥，环隙越大越容易出现腾涌现象的产生，压降波动 范围增大。2 、4 和6 开孔率分布板在本实验测定时，2 和4 开孔率分布板的流 量不容易调节，同时产生的压降波动范围也很大，比较来说，6 开孔率分布板流化质量 好些。锥形床锥角的增大，流化时压力波动变小，同时吹起来的物料也变少。尤其木屑 附着在周围的壁上，而没有移动。 通过以上章节多种影响因素研究，通过理论计算和推导，可以计算出圆柱体中术屑 和稻壳l 临界流化速度公式以及锥形流化床的最小流化速度公式。 论文最后在小规模测定数据的基础上，进行锥形流化床放大实验的研究，首先进行 大型锥形流化床的调试，对进料系统、流化系统、循环系统进行实验，得出此分布锥的 压降和旋风分离器的压将和进口速度的关系式。 关键词：生物质，流化床，冷态，锥形分布器，分布板 i l ab s t r a c t b e c a u s eo ff o i le n e r g yi n c r e a s i n g l ye x h a u s t i o na n dt h ep r o b l e mo fe n v i r o n m e n t ，s oa l l g o v e r n m e n t sa n ds c i e n t i s t sp a ym o r ea t t e n t i o n t ob i o m a s sr e s o u r c ew h i c hi sa b u n d a n t ， r e n e w a b l e ，a n ds u s t a i n a b l ea n da l eb e n e f i tt oi m p r o v ee n v i r o n m e n t b i o m a s se n e r g yi sa n e x i s t e n tf o r mo fs o l a re n e r g y ，b i o m a s se n e r g yb es a v e di nb i o m a s st h r o u g hp h o t o s y n t h e s i sf o r m a k i n gl i g h ti n t oc h e m i s t r ye n e r g y t h e i rr e a s o n a b l ea n dh i g l ie f f i c i e n tu t i l i z a t i o n w i l lb e p l a y i n gap o s i t i v er o l e f o rr e s o l v i n gt h ec r i s i so fe n e r g yl $ o u r c e sa n dt h ei m p r o v i n gh u m a n e x i s t e n c ee n v i r o n m e n t f l u i d i z e dt e c h n o l o g yh a sm a k e sb i gp r o g r e s s ，b u tu n t i l1 9 7 5 ，t h et e c h n o l o g yw a sa p p l i e d t ob i o m a s sg a s i f i c a t i o n b i o m a s sf l u i d i z e di sah o tp o i n to f r e s e a r c hb o t hi nc h i n aa n da b r o a d e x t e n s i v er e v i e ww a sm a d eo nt h ed e v e l o p m e n to ft h eb i o m a s sf l u i d i z e dt e c h n o l o g y ，a n da s e r i e so f s t u d i e so nb i o m a s sc o l df l u i d i z e db e dw e r eo p e r a t e d i n t h i st h e s i s ，t h ec o m p o s i t i o n so fs a w d u s ta n dd e eh u l lw e r ea n a l y z e d f r o mi n d u s t r y a n a l y s i s t h ea s hc o n t e n to f s a w d u s ti s1 6 1 ，b u ta s hc o n t e n to f r i c eh u l li s1 7 1 ，a n d6 0 o f a s hi ss i s oe x t r a c ts if r o ma s ho fr i c eh u l l sf e a s i b l e ，i nt h es a m et i m ei n c r e a s ev a l u e a d d e d o f f i c eh u l l ；t h ev o l a t i l eo f s a w d u s tm o r et h a nr i c eh u l la n df i x e dc a r b o ni sr a t h e ra d j a c e n t t h e a v e r a g ed i a m e t e ro f s a w d u s t w a sd e t e r m i n e d t h i st h e s i ss e c o n d l ys t u d i e dt h a t i nt h ec o n d i t i o n s o fd i f f e r e n tp e r f o r a t e dr a t eo f d i s t r i b u t o r s ，d i f f e r e n tp a r t i c l es i z ea n dt h ed i f f e r e n tb e dh e i g h t t of l u i d i z a t i o n v e l o c i t y i s d e t e r m i n e di nc o l dc o l u m nf l u i d i z e db e d t h er e s u l t so ft h i se x p e r i m e n ta r et h ee f f e c t so f p e r f o r a t e dr a t eo fd i s t r i b u t o ra n dt h eb e dh e i g h to nm i n i m u mf l u i d i z a t i o nv e l o c i t ya r er a t h e r s m a l l ，a n dt h ee f f e e to f p a r t i c l es i z eo nm i n i m u mf l u i d i z a t i o ni sv e r yo b v i o u s u n d e rd i f f e r e n tc o n i c a la n g l eo ff l u i d i z e db e d ，d i f f e r e n tc o n i c a ld i s t r i b u t o r , d i f f e r e n t p e r f o r a t e d r a t eo fd i s t r i b u t o r , t h ee m p t yc o n i c a lf l u i d i z e db e dw a ss t u d i e d t h ec o n i c a l d i s t r i b u t o rd i d n tc h a n g e d , t h ec o n i c a la n g e lo fc o n i c a lf l u i d i z e db e di n c r e a s et h ee f f e c to n c o n i c a ld i s t r i b u t o ri n c r e a s ea l s o t h ec o n i c a la n g e lo fc o n i c a lf l u i d i z e db e dd i d n tc h a n g e d ，t h e p e r f o r a t e dr a t eo f d i s t r i b u t o rc h a n g e d ，a n dt h ec u l eo fp r e s s u r et ov e l o c i t yd i d n tc h a n g e t h e p e r f o r a t e dr a t eo fd i s t r i b u t o ri ss a m e ，t h ec o n i c a la n g e lc h a n g e d ，t h ec u r v eo fp r e s s u r et o v e l o c i t yi ss a m e i nt h ee x p e r i m e n t ，w i t ht h eb e dh e i g h ti n c r e a s e ，t h em i n i m u mf l u i d i z a t i o n v e l o c i t yi n c r e a s e ；a n dt h ep a r t i c l es i z ei n c r e a s e ，m i n i m u mf l u i d i z a t i o nv e l o c i t yi sa l s oi n c r e a s e ； t h ec o n i c a la n g e lo f c o n i c a lf l u i d i z e db e di n c r e a s e t h em i n i m u mf l u i d i z a t i o nv e l o c i t yi n c r e a s e i nd i f f e r e n tc o n d i t i o n so nf l u i d i z e ds t a t ea n ds t a b i l i t yo fc o n i c a lf l u i d i z e db e d t h e c o n l u s i o n sa r c ：t h ec o n i c a la n g e lo ft h ec o n i c a lf l u i d i z e db e di s2 0 。，t h ef l u i d i z e ds t a t eh a v e s m a l ld i f f e r e n c ei nc o n i c a ld i s t r i b u t o ra n dd i s t r i b u t o rp l a t e t h ea n g l eo fc o n i c a lb e di n c r e a s e ， t h ef l u i d i z e ds t a t ew i l lh a v eb i gd i f f e r e n c e t h ea n g l ei s6 0 。a n dt h ec o n i c a la sd i s t r i b u t o r , t h e m a s so ff l u i d i z e di sl e s s t h em o s to fm a t e r i a li st h eb o s o mo fc o n i c a lb e d t h ee f f c c to f d i s t r i b u t o rp l a t ei sm u c hb e r e tt h a nt h ec o n i c a ld i s t r i b u t o r s a w d u s ta n dr i c eh u l lc a nf l u i d i z e t h ea n n u l a rg a po fc o n i c a ld i s t r i b u t o rd i f f e r e n t ，t h ea n g l eo fc o n i c a lb e di ss a m e ，t h ef l u i d i z e d q u a l i t yo f1 0 m ma n n u l a rg a pi sb e a e rt h a nt h eo t h e rc o n i c a ld i s t r i b u t o r s t h ea n n u l a rg a pi s m o r ew i d e ，t h ec o n i c a lb e dh a v em o r es l u g g i n gp h e n o m e n o na n dt h ep r e s s u r ef l u c t u a t ei st u r n b i g i nt h ee x p e r i m e n tt h ef l o wo f2 a n d4 d i s t r i b u t o rp l a t e sd o n te a s yt oc o n t r 0 1 b e c a u s e t h ep r e s s u r ei s v e r yb i ga n dt h ep r e s s u r ef l u c t u a t eo fc o n i c a lb e di st o ob i g t h ef l u i d i z e d q u a l i t yo f6 d i s t r i b u t o ri sb e r e rt h a nt h eo t h e rt w od i s t r i b u t o rp l a t e s i tc o u l dc a c l u a t e dt h em i n m u mf l o w v e l o c i t y o fc y l i n d r i c a lf l u i d i z e db e db yt h e e x p e r i m e n td a t a b a s e b yt h e s ed a t a b a s e si tc a nd e d u c et h ea c a d e m i cf o r m u l ao fm i n i m u mf l o w v e l o c i t yi nc y l i n d r i c a lf l u i d i z e db e da n dc o n i c a lf l u i d i z e db e d o nt h eb a s eo fs m a l ls c a l ec o n i c a lf l u i d i z e db e d ，t h eb i gf l u i d i z e db e dw a ss t u d i e d t h ef i r s ta l l i ti st h ed e b u g g i n go ft h eb i gs c l a l ec o n i c a lf l u i d i z e db e d f e e d i ns y s t e m ，f l u i d i z e da n d c i r c u l a t es y s t e mw e r es t u d i e d ，s o m ec o n c l u s i o nw e r ec o n c l u d e d ：t h et h ea c a d e m i ce q u a t i o no f e o n i c a ld i s t r i b u t o ra n dc y c l o n ew e r ed u c e d 1 1 l ( 邮o r d s ：b i o m a s s ，c o l d ，f l u i d i z e db e d ，c o n i c a ld i s t r i b u t o r ，d i s t r i b u t o r 独创性声明 本人声明所里交的学位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，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得本研究生培养单位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 的说明并表示谢意。 学位做作者躲浏多亮吼冲7 月_ 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解中国林业科学研究院有关保留、使用学位论文的规定，中 国林业科学研究院有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅。本人授权中国林业科学研究院可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫插等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 硼年7 月1 日 割宝尧 学位论文作者毕业联系方式 工作单位：常州工学院 联系电话：1 3 8 1 3 8 6 5 7 9 1 导师签 夕细7 年夕 ， f 电子邮件：l i u b a o l i a n g _ 2 0 0 1 s i n a c o r l l c i l 通讯地址、邮编：常州市常澄路3 号，21 3 0 0 2 1 1 引言 1 1 1 研究背景 第一章绪论 能源是国家发展的重大战略问题，能源安全是国家安全的重要组成部分。在人类能 源利用历史中，世界各国的能源结构大致经历了两次重大转变，一是从1 9 世纪中叶前的 以生物质燃料为主转变为1 9 世纪末到2 0 世纪初的以煤为主，二是从2 0 世纪中叶以来石油 天然气代替煤成为人类的主要能源。 人类正面临着巨大的能源与环境压力，当今的能源工业主要是矿物燃料工业，包括 煤炭、石油和天然气。一方面。矿物能源的应用推动了社会的发展，其能源却在日益耗 尽，1 9 9 2 年罗马俱乐部出版了超级极限一书，重新用计算机模型推算后，提出人类 消耗资源已超过物理上可持续的速度，如不大力降低物质流和能量流的转化，短短几十 年后，人们的粮食生产，能源消费和工业生产将不可控制的衰退，表卜l 给出了不可再 生能源占全球能源消耗比例及可使用年限的统计预测【1 0 】；另方面，矿物能源的无节制 使用，引起了日益严重的环境问题，如导致全球气温变暖、损害臭氧层、破坏生态圈平 衡、释放有害物质、引起酸雨等自然灾害，表l 一2 是全球生态环境恶化的具体表现。因 此，各国政府和科学家对资源丰富、可再生性强、有利于改善环境和可持续发展的生物 资源的开发利用给予了极大的关注“1 1 。正如中国科学院和中国工程院院士石元春教授所 说：“现在全球替代能源有风能、核能、太阳能、生物能等，但前3 种能源没有物质性 生产能力，不能完全替代石油，因为石油衍生产品有2 0 0 0 多种。唯一可以完全替代石油 的就是生物质能，其衍生产品也可达到2 0 0 0 多种。生物质能可以实现物质循环，不仅有 利于农业和林业发展，而旦对保护生态很重要。”因此，我们完全有理由相信，生物质 能极有可能成为未来可持续发展能源系统中最重要的组成部分之一。 第一章绪论 表卜l 不可再生能源占全球能耗比例及可用年限 t a b1 1t h ep r o p o a i o no f n o n r e n e w a b l ee n e r g yi ng l o b ee n e r g yc o n s u m ea n dt h e i ru s e f u ll i f e 表卜2 全球生态环境恶化的具体表现 t a b1 - 2 i n c o r p o r a t eo f e n t i r o r u n e n td e p r a v a t i o ni ng l o b e 生物质能灶- ：能n 勺呻 ， 仃j l ；一，1 jj - j i ( ! j i 生物的光台f 1 川 u 光r 种wr i 能源 牡f p 乃化 徙协! f 亿j - 生物巩t l j ，生物吼n ! 足。种泛仔m 、j 为人”i ，1 , 1j j ij i 门能加，! ，生 第一章绪论 物质能是可再生能源，通常包括以下几个方面：一是木材及森林工业废弃物；二是农业 废弃物；三是水生植物：四是油料植物；五是城市和工业有机废弃物；六是动物粪便。 生物质作为能源，是一种贮存太阳能的可再生物质，生长过程中吸收大气中的屺0 2 ，用现 代技术可以转化成固态、液态和气态燃料，便于储存运输，生物质能是惟一的可再生碳 源。生物质能是仅次于煤炭、石油和天然气的第4 位能源资源，约占全球总能耗的1 4 2 2 1 。 在发展中国家则更为突出，生物质能占总能耗的3 5 1 5 】o 据预测，至u 2 0 5 0 年，生物质能用 量将占全球燃料直接用量的3 8 ，发电量占全球总电量的1 7 1 6 。因此，许多发达国家和 一些发展中国家将生物质看作是对环境和社会有益的能源资源，加快了生物质能源的产 品化进程在我国，1 9 9 9 年生物质能的消耗量占农村总能耗的3 9 ，占全国总能耗的 1 7 4 f 7 】。 据科学家估计地球上每年植物光合作用固定的碳达2 x1 0 “t ，含能量达3 x1 0 “j ， 因此每年通过光合作用贮存在植物的枝、茎、叶中的太阳能，相当于全世界每年耗能量 的1 0 倍l ”。生物质遍布世界各地，其蕴藏量极大，仅地球上的植物，每年生产量就相当 于目前人类消耗矿物能的2 0 倍，或相当于世界现有人口食物能量的1 6 0 倍【2 3 】。虽然不同 国家单位面积生物质的产量差异很大，但地球上每个国家都有某种形式的生物质，。生物 质能是热能的来源，为人类提供了基本燃料。 我国拥有丰富的生物质能资源，我国理论生物质能资源5 0 亿吨左右，是我国目前总 能耗的4 倍左右【8 外。目前可供利用开发的资源主要为生物质废弃物，包括农作物秸秆、 薪柴、禽畜粪便、工业有机废弃物和城市固体有机垃圾等。 然而，由于农业、林业、工业及生活方面的生物质资源状况非常复杂，缺乏相关的 统计资料和数据，以及各类生物质能资源间以各种复杂的方式相互影响，因此，生物质 的消耗量是最难确定或估计的。 生物质能源的资源主要包括以下几个方面。 ( 1 ) 森林能源 森林能源是森林生长和林业生产过程提供的生物质能源，主要是薪材，也包括森林 工业的一些残留物等。森林在社会和经济发展中，不但有着不可替代的位置，而且也蕴 藏着巨大的潜力。森林能源在我国农村能源中占有重要地位，1 9 8 0 年前后全国农村消费 森林能源约l 1 0 8t 标准煤，占农村能源总消费量的3 0 以上，而在丘陵、山区、林 区农村生活用能的5 0 以上靠森林能源。 薪材就是指薪炭林产出的薪柴和用材林的树根、枝桠及木材工业的下脚料，换言之， 第一章绪论 就是指作为燃料或木炭原料的木材材种，来源于树木生长过程中修剪的枝权，木材加工 的边角余料，以及专门提供薪材的薪炭林。但由于我国一些地区农民燃料短缺，专门用 作燃料的薪炭林太少，所以常用材林充抵生活燃料，这就属于“过耗”。7 0 年代，薪柴 的过耗量达90 0 0 万吨，致使生态环境日趋恶化。直至9 0 年代中期，由于我国能源工业 的发展，尤其是乡村煤炭工业、农村电气化和可再生能源的发展，才缓解了农村能源短 缺的局面，促使过耗现象已趋减少，薪柴的过耗量降为30 0 0 万吨。 ( 2 ) 农作物秸秆 农作物秸秆是农业生产的副产品，也是我国农村的传统燃料。秸秆资源与农业种植 业的生产关系十分密切。根据1 9 9 5 年的统计数据计算，我国农作物秸秆年产量为6 0 4 1 0 8t ，其中造肥还田及其收集损失约占1 5 ，剩余5 1 3 x 1 0 8t 。这些剩余的农作物 秸秆除了作为饲料、工业原料之外，其余大部分还可作为农户炊事、取暖燃料。目前全 国农村作为能源的秸秆消费量约2 8 6 x1 0 8t ，但大多数还处于低效利用，即直接在柴灶 上燃烧，其转换效率仅为1 0 2 0 左右，浪费严重，直接燃烧造成了环境污染 2 4 , 2 5 。 随着农村经济的发展和农民收入的增加，农村生活用能中商品能源的比例也正以较快的 速度增加。事实上，农村收入的增加和商品能源获得的难易程度都能成为新型商品能源 开发的契机与动力。在较为接近商品能源产区的农村地区或富裕的农村地区，商品能源 ( 如煤、液化石油气等) 己成为主要的炊事用能，而以传统方式利用的秸秆首先成为商 品能源替代的对象，致使被弃于地头田间直接燃烧的秸秆量逐年增大。许多地区废弃秸 秆量己占总秸秆量的6 0 以上，既危害环境，又浪费资源。因此加快秸秆的优质转换利 用势在必行。 ( 3 ) 禽畜粪便 禽畜粪便也是一种重要的生物质资源，资源量和畜牧业生产有关。除在牧区有少量 直接燃烧外，禽畜粪便主要是作为沼气的发酵原料。中国主要的禽畜是鸡、猪和牛，根 据这些品种、体重、粪便排泄量等因素可以估算出粪便资源量。根据计算，目前我国禽 畜粪便资源总量约8 5 1 0 8t ( 相当于7 8 4 0 多万吨标准煤) 、其中牛粪5 7 8 1 0 8t ( 相 当于4 8 9 1 0 7t 标准煤) 、猪粪2 5 9 1 0 8t ( 相当于2 2 3 x 1 0 7t 标准煤) 、鸩粪0 1 4 l 舻t ( 相当于7 1 7 x 1 0 6t 标准煤) 。 在粪池资源中，大中型养殖场的粪便更便于集中开发和规模化利用。我国目前大中 型牛、猪、鸡场约6 0 0 0 多家，每天排出粪尿及冲洗污水8 0 多万吨，全国每年粪便污水 资源量1 6 1 0 8t ，折合1 1 5 7 5 1 0 7t 标准煤。 第一章绪论 ( 4 ) 生活垃圾 随着我国经济的快速发展，城市人口的大量增加和城市规模的日益扩大、城市化进 程的加速以及人民生活水平的不断提高，中国城镇垃圾的产生量和堆积量逐年增加。据 统计，在2 0 0 2 年，我国共有6 5 0 个城市，年垃圾清运量为1 3 6 5 亿吨，考虑垃圾的平均 热值4 2 0 0k j k g ，则垃圾作为能源资源年总量为5 7 3t j 。根据国家环保总局预测，2 0 1 0 年我国城市垃圾年产量将为1 5 2 亿吨，2 0 1 5 年和2 0 2 0 年将分别达到1 7 9 亿吨和2 t 亿吨。根据专家估计，到2 0 1 0 年大中城市的生活垃圾基本能够达到直接焚烧的要求，届 时能够达到这一要求的垃圾如能占到总量的5 0 ，热值按5 0 0 0k j k g 计算，则垃圾能 源资源总量为7 6 0t j ，可利用量3 8 0t j ，可利用的垃圾发电装机潜力为2 5 0 0 唧，提供 电力约1 8t n ；2 0 2 0 年如考虑同样的比例，则垃圾能源资源总量为1 0 5 0t j ，可利用量 为5 2 5t j ，可利用的垃圾发电装机潜力为3 4 5 0 唧，提供电力约2 5t w h 。 城镇生活垃圾主要是由居民生活垃圾、商业和服务业垃圾、少量建筑垃圾等废弃物 所构成的混合物，成分比较复杂，其构成主要受居民生活水平、能源结构、城市建设、 绿化面积以及季节变化影响。中国大城市的垃圾构成已呈现向现代化城市过渡的趋势， 有以下特点：( a ) 垃圾中有机物含量接近1 3 甚至更高；( b ) 食品类废弃物的主要组成 部分是有机物；( c ) 易降解有机物含量高。目前中国城镇垃圾热值在4 1 8m j k g 左右。 ( 5 ) 能源植物 能源作物是指提供制取燃料原料或提供燃料油为目的的栽培植物总称。主要可分为 四类：一、以制取酒精为目的的一年生或多年生作物，如玉米、甘蔗、甜高粱、甘薯、 木薯等；二、以生产燃料油( 如生物柴油、烃类物质) 为目的的植物，如苦配巴、续随 子、绿玉树、三角戟、三叶橡胶树、麻疯树、汉加树、白乳木、油桐、小桐子、光皮树、 油楠、藿藿巴树、乌柏、油橄榄等；三、用于直接燃烧的植物；四、可供厌氧发酵的藻 类或其它植物，如马尾藻、巨藻、海带等，淡水生的布袋草、浮萍、小球藻等。 以能源作物作为原料制取的燃料油有很多优点：燃烧后比矿物能源对环境污染少， 是一种低硫燃料，而且不增加c 0 2 排放量；比核能使用安全；比风能、地热使用广泛；可 进行降解等。因而成为国际上开发的热点，并被称之为“绿色”能源。 此外，还有光合成微生物( 如硫细菌、非硫细菌等) 以及城市污水等。一般城市污 水约含有0 0 2 n o 0 3 固体与9 9 以上的水分，下水道污泥有望成为厌氧消化槽 的主要原料。 总之，生物质资源不仅储量丰富，而且可以再生。据估计，作为植物生物质的最主 第一章绪论 要成分一一木质素和纤维素每年以约1 6 4 0 1 0 。t 的速度不断再生，如以能量换算，相当 于目前石油年产量的1 5 2 0 倍 1 1 】。如果这部分能量能得到利用，人类就相当于拥有了一 个取之不尽、用之不竭的资源宝库；而且，由于生物质来源于c 0 2 ，但不会增加大气中的 c o ：的含量。因此生物质与矿物质燃料相比为更为清洁，是未来世界理想的清洁能源。 1 1 2 研究目的和意义 生物质能技术的研究与开发已成为世界重大热门课题之一，并受到世界各国政府与 科学家的关注。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等，纷纷投入大量的人力和资金从 事生物质能的研究开发，生物质能源的开发利用占有相当的比重。欧洲和美国在生物质 气化发电的研究与开发方面处于领先水平。目前，国外的生物质能技术和装置已达到商 品化应用程度，实现了规模化产业经营。在美国，生物质能发电的总装机容量已超过i 0 0 0 0 姗，单机容量达1 0 2 5m w ”。2 7 q 美国纽约的斯塔腾垃圾处理站投资2 0 0 0 万美元，采用 湿法处理垃圾，回收沼气用于发电，同时生产肥料。巴西是乙醇燃料开发应用最有特色 的国家，实施了世界上规模最大的乙醇开发计划，目前乙醇燃料已占该国汽车燃料消费 量的5 0 以上。美国开发出利用纤维素废料生产酒精的技术，建立了i 胂的稻壳发电 示范工程，年产酒精2 5 0 0t 。 在面临矿产资源枯竭的背景下，全世界都在谋求以循环经济、生态经济为指导，坚 持可持续发展战略，从保护人类自然资源、生态环境出发，充分有效地利用可再生的、 巨大的生物质资源。生物质能源和生物质利用的战略意义在于生物质具有多功能、多效 益的特点以及在满足国家重大战略需求方面的重要作用。 1 ，缓解能源短缺 频频爆发的石油危机和不断上涨的国际油价使得能源短缺的阴影笼罩全世界，同时 也将生物能源开发利用提上议事日程。世界工业化国家早己重视生物质能源，并且均有 发展石油替代产业的计划，其生物质能源的开发利用已达一定规模。例如，美国、瑞典、 奥地利生物质能转化为高品质能源( 电力、燃气等) 的比例己分别达到一次性能源的4 、 1 6 和l o 。据估算，世界石油枯竭的时限最多可以推迟1 0 0 年。而我国是世界上石油 资源相对短缺的国家，石油资源的稳定供应时间最多可以持续2 0 年。我国的石油蕴藏量 为世界的2 ，从2 0 0 3 年开始我国成为仅次于美国的第二大能源消耗大国。2 0 0 5 年中国 第一章绪论 石油的外贸依存度预计将达n 5 0 ，随着中国经济的高速发展，该比例将高达6 0 以 上。由此可知，能源危机和能源安全对当前的中国而言是一个亟待解决的现实问题。在 积极寻求可替代能源的过程中，生物能源以其突出的优点倍受社会各界青睐。以巴西为 例，它是一个贫油国家，国土面积8 5 1 万k m 2 ，人口1 6 5 亿，农业是其重要支柱，其甘蔗种 植和蔗糖出口均为世界第一。由于2 0 世纪7 0 年代的石油危机对巴西经济的强烈冲击，巴 西政府启动两项生物能源计划，斥资n 7 亿美元开发生物质能源，目前已建成1 0 大燃料乙 醇生产基地，为国内提供了1 5 0 万个就业岗位，节省石油进口外汇2 2 0 亿美元。巴西乙醇 汽油相关产业总产值占到国民生产总值的8 ，超过包括电信业在内的信息技术产业 从国内和国外生物质能源的开发利用的实践来看，我国生物质能源的开发利用是可行的。 2 解决“三农”问题 我国作为一个农业大国，“三农”问题事关国民素质、经济发展，事关社会稳定、 国家富强。“三农”问题的核心是农民增收难的问题。1 9 9 7 年以来，农民收入中来自农 业内部的收入一直难以增长，农民增收主要靠工资性收入。2 0 0 2 年工资性收入占农民纯 收入的3 4 5 ，2 0 0 3 年增加到3 6 。因此，要促进农民增收，农业必须扩大服务领域， 向农业的深度和广度进军。通过发展生物质能源产业，可以做到以下3 点： 1 ) 生物质的充分利用、能源农业的发展、生物质能源型企业的建立，可为农民增加 就业岗位，一定程度上解决了农民增收难问题： 2 ) 发展生物质能源产业不与人争粮、不与粮争土地，因而发展生物质能源与保障粮 食安全并不冲突； 3 ) 农村地区的能源型企业和产业集群的发展，可加速农业产业化和农村城镇化。 我国生物质利用效率低，浪费严重，我国每年有2 亿吨秸秆露地燃烧，2 5 亿吨畜禽粪 便污染环境，2 亿多万吨林地废弃物白白遗弃，l 亿多公顷边际土地抛荒，如能利用现有 资源的一半，生物质产业年产值就可达2 万亿元，这将为农业增效和农民增收开辟出一个 新的途径。 3 有利于环境保护 我国能源结构极不合理，煤炭在能源消费中占6 5 以上，是世界唯一以煤炭为主要 能源的大国。我国矿物能源消费的s o ：排放量已居世界第一位，c o ：摊放量仅次于美国居 世界第二位。我国由矿物燃料消费所产生的c o ：总排放量每年可达2 2 7 亿吨，相当于6 2 亿吨碳排放量，是全球g h g 总排放量1 1 8 左右，单位国内生产总值c o z 排放量远高于 发达国家，大约是美国的5 倍，日本和法国的1 2 倍左右。酸雨面积已经超过国土面积的 第一章绪论 三分之一，s o ：和酸雨造成的经济损失约占g d p 的2 。在未来几十年，我国将面临履行 国际公约和实行c o 。减排的巨大压力。生物质能源是可再生能源，通过光合作用吸收c o 。 固化光能产生生物质，不仅产量巨大，而且不释放c o 和s 0 等有毒气体，充分体现了“绿 色”和“循环”。生物质能源的使用能够改善日益恶化的生存环境，因而它被科学界、 环保人士视为缓解生态安全的希望。如乙醇汽油的使用，可使一氧化碳等污染物的排放 量减少4 0 。另外，生物质能源的开发利用，还可以治理有机废弃物污染：能源植物的 种植还能起到防风固沙和有利于水土保持的作用。 生物质的组成成分包括：纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质、单糖、淀粉、水分、 灰分和其它化合物。每一种组分的含量比例是由生物质种类、生长时期和生长条件等因 素决定的【2 ”。与化石燃料相比，生物质具有以下特占 2 8 - 3 0 1 ： ( 1 ) 生物质是一种二氧化碳零排放的能源资源( 利用转化过程中排放的二氧化碳量 等于生长过程中吸收的量) ，可以在提供能源的同时而不增加二氧化碳排放量，有助于减 轻温室效应； ( 2 ) 生物质的硫、氮和灰分含量少，在利用转化过程中可以减少硫化物、氮化物和 粉尘的排放： ( 3 ) 生物质的挥发分含量大( 折算挥发分约为烟煤的6 倍以上) ，氧含量高，有利于生 物质的着火和燃烧： ( 4 ) 生物质的水分含量大，影响着火和燃烧的稳定性，同时在燃烧时造成大量的能 量损失，并且可能引起燃料储存问题； ( 5 ) 单位质量生物质的热值低，要求能量转化设备有足够的空间投入原料； ( 6 ) 生物质能的加工转化刚刚起步，规模小技术不成熟，加之生物质的分布分散， 能量密度低，收集运输和预处理过程( 例如粉碎、压缩成型和干燥) 费用高： ( 7 ) 生物质具有可再生性，原料具有多样性和广泛性，资源开发潜力大。 ( 8 ) 生物质能具有多功能性，兼容性最好，既是可再生能源，也能生产出上千种的 化工产品，是太阳能、风能、水能等可再生能源不可比拟的，同时也是唯一可储存和运 输的可再生能源。 ( 9 ) 对生物质能的利用是农业生产的一部分，可以发展农村经济，增加农民收入， 促进农业的工业化、中小城镇建设、富余劳动力转移，以及缩小工农和城乡差别。 由此可见，研究开发高效利用生物质能的技术，不仅可以满足高速发展的国民经济 对能源的需要，解决“三农”问题，而且减少了矿物燃料和秸秆燃烧带来的污染，产生 第一章绪论 巨大的经济效益和环境效益。 1 1 3 项目来源与经费支持 本课题属于基础性研究，是导师课题的一部分，选题来自国家级科研项目。 1 2 生物质的热化学转化方法 各种生物质能在利用时均须转化，由于不同生物质资源在物理化学方面的差异，转 化途径各不相同，除人畜粪便的厌氧处理以及油料与含糖作物的直接提取外，多数生物 质能要经过热化学转化。生物质能转换技术的研究开发工作包括生物转换、化学转换、 物理转换和直接燃烧等四大类转换技术。生物质能转换的方式，涉及到气化、液化、热 解、固化和直接燃烧等技术。其中，生物质的热解气化是热化学转化中最主要的一种方 式。生物质能转换技术和产品如图1 - 3 所示【1 2 】。 生物质能转换技术是利用现代技术将生物质转化为能量的方法，从技术路线上分有 热化学转化和生物转化等。在热化学转化方面，生物质大体上可在下述三方面为人类提 供能源：一是直接燃烧，二是气化提供燃料气，用于发电或城市煤气，三是液化制取液 体产品，这种产品便于储存和输送，可替代部分场合下使用的燃料油，还可进一步生产 其它化学品。根据原料的特点可采取液化法，气化法和生化法等对生物质进行能量转换。 生物质热化学转换法，可获得木炭、焦油和可燃气体等品位高的能源产品，该方法 又按其加工的方法不同，分为高温干馏、热解、高压液化、快速热解、高温气化等方法。 9 第一章绪论 图1 - 1 生物质能转换技术及产品 f i g 1 1b i o m a s se n e r g yc o n v e r s i o nt e c h n o l o g ya n dp r o d u c t s 1 2 1 生物质燃烧 0 第一章绪论 生物质在燃烧过程中，可燃组分和氧进行化合反应，释放出能量，使燃烧产物的温 度升高，从而将化学能转化为热能。热能利用效率和能量品位的提高是生物质燃烧关注 的主要对象。燃烧的初期，挥发分析出量大，需要大量的空气满足挥发分的燃烧，否则 挥发分容易发生裂解，产生碳黑而增加完全燃烧的难度。生物质燃料的这些特点决定其 燃烧过程经历燃料干燥阶段、挥发分析出阶段，挥发分燃烧阶段、固定碳的燃烧和燃尽 阶段。各个阶段并不完全一次完成，部分反应阶段是同时进行的。各个阶段所经历的时 间长短与快慢由生物质的组成成分、物理化学特性和燃烧方式等因素决定。 传统的生物质燃烧是在农用炉灶中燃烧用于炊事和取暖，热效率很低，一般为 1 0 1 5 。先进的燃烧技术是将生物质作为锅炉的燃料燃烧，产生蒸汽用于供热或