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机械毕业设计全套

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NJ01-027@基于生物质阴燃的大棚供热系统设计,机械毕业设计全套

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附件 5 2009届本科生毕业论文（设计）中期汇报 表填表日期： 2009-04-23 专 业 机械设计制造及其自动化 学 院 工程学院 姓 名 刘伟 指导教师 王黎明 论文（设计） 题 目 基于 生物质阴燃的 大棚供热系统 设计 毕业论文（设计）前期工作小结 毕业设计已经开始一个月了，在刚开始写开题报告的时候我感到很茫然，不知道从何入手，在王老师的悉心指导和启发下，我在查阅了一些相关资料后 ,对阴燃炉有了初步的了解。在这段时间内，我完成了以下的论文工作： 1.收集有关 阴燃炉 方面的资料和数据； 2.明确了研究 阴燃炉 的目的和意义； 3.确定自己的主要研究方向； 4.了解 阴燃炉 的国内外发展现状 由于时间仓促，所以还有以下后续工作没有完成。 1 分析 阴燃炉 结构和工作原理； 2 计算基本参数； 3 计算机绘图 ； 4 实验结果分析。 鉴于后续工作量还很大，还有很多关键部分没有做完。因此，我一定不能放松，继续努力，扎扎实实地完成后续工作。争取在论文答辩前一周，完成所有论文任务。 指导教师意见 指导教师签名： nts 1 黑龙江八一农垦大学 毕业设计 (论文 )开题报告 学生姓名： 刘伟 学 号： 20054024102 专 业： 机械设计制造及其自动化 设计 (论文 )题目： 基于 生物质阴燃的 大棚供热系统 设计 指导教师： 王黎明 2009 年 3 月 19日 nts 2 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写 2000 字左右的文献综述 ： 生物质阴燃现状及发展趋势 ： 由于粮食资源不足的制约，目前，以粮食为原料的生物质燃料生产已不具备再扩大规模的资源条件。今后，生物质燃料乙醇生产应转为以甜高粱、木薯、红薯等为原料，特别是以适宜在盐碱地、荒地等劣质地和气候干旱地区种植的甜高粱为主要原料。虽然中国有大量的盐碱地、荒地等劣质土地可种植甜高粱，有大量荒山、荒坡可以种植麻风树和黄连木等油料植物，但目前缺乏对这些土地利用的合理评价和科学规划。目前，虽然在西南地区已种植了一定数量的麻风树等油料植物，但不足以支撑生物柴油的规模化生产。因此，生物质燃料资源不落实是制约生物质燃料规模化发 展的重要因素 。 阴燃：没有火焰的缓慢燃烧现象称为阴燃。 很多固体物质，如纸张、锯末、纤维织物、纤维素板、胶乳橡胶以及某些多孔热固性塑料等，都有可能发生阴燃，特别是当它们堆积起来的时候。阴燃是固体燃烧的一种形式，是无可见光的缓慢燃烧，通常产生烟和温度上升等现象，它与有焰燃烧的区别是无火焰，它与无焰燃烧的区别是能热分解出可燃气，因此在一定条件下阴燃可以转换成有焰燃烧 阴燃燃烧条件： (1) 发生阴燃的内部条件是，可燃物必须是受热分解后能产生刚性结构的多孔碳的固体物质。如果可燃物受热分解产生的非刚性结构的碳，如 流动焦油状的产物，就不能发生阴燃。这说明，产物的分子结构和原材料热解方式在决定物质燃烧特征中起着十分重要的作用。由丙烯腈和苯乙烯接枝的多元醇制得的柔性泡沫材料，在高温下产生刚性很强nts 3 的碳，故而很容易进行阴燃。而纯纤维受热时产生很少的碳，因此不易发生阴燃。 (2) 发生阴燃的外部条件是有一个适合供热强度的热源。所谓适合的供热强度是指能够发生阴燃的适合温度和一个适合的供热速率。 假定阴燃过程中 ,活性物、焦炭和灰三种物质的密度是恒定的 ,但它们各自占固体质量的份额随阴燃而改变 ,确定了阴燃过程固体颗粒的体积收缩速率及填 充空隙率变化数学模型 .对上方具有空气掠过的水平纤维质填充床 ,从点火到稳态传播的阴燃过程进行了模拟计算 .计算结果表明 ,空隙率随阴燃过程增大 ,从而加快了阴燃传播速度 ,提高了其峰值温度 .水平填充床表面下沉所引起的固 -固辐射换热在阴燃模拟计算中则可以忽略不计 . 参考文献 1.张百良 .农村能源工程学 .北京 :中国农业大学出版社 .1999. 2.樊峰鸣 博士论文 .我国农村秸秆成型燃料规模化技术研究 .郑州 :2005， 5. 3.马孝琴 博士论文 .生物质 (秸秆 )成型燃料燃烧动力学特性及液压秸秆成型机改进设计 研究 .郑 州 :2002. 4.岳建芝 硕士论文 .中国与工 AE 国家生物质能利用比较研究 .河南农业大学，郑州 :2001. 5.邱凌，郭康权 .生物质能转换技术 .西北农业大学出版社 :2002. 6.车战斌 .生物质就地及时压缩成型技术 Highzones 技术 J.中国能源，2005,27(1):28-31. 7.徐康富，马永亮，常新莲，郝吉明 .生物质型 煤成型技术开发实验研究 J.环境污染与防治， 2002,24(5):261-264. 8.盛奎川，吴杰 .生物质成型燃料的物理品质和成 型机理的研究进展 J.农业工程学报， 2004,20(2):242-245. nts 4 9.赵廷林，舒伟，邓大军，曹冬辉，王鹏 . 生物质致密成型技术研究现状与发展 J.新能源产业， 2007，（ 6）： 29-33. 10.樊峰鸣，张百良 .生物质成型燃料的技术及产业 化前景分析 J.河南农业大学学报， 2005.39（ 1） :111-115. 11.董宏林 .生物质能源转换新技术及其应用 J.宁夏农林科技， 1999， (6)： 10-17. 12.袁振宏，吴创之，马隆龙 .生物质能利用原理与 技术 M.北京：化学工业出版社2005. 13.翁伟 硕士论文 .HPB 一 型液压式生物质 (秸秆 )成型机的设计及试验研究 .郑州：2006. 14.张百良，李保谦等 .HPB 一 I 型生物质成型机的试验研究 .农业工程学 报， 1999，15(3):133-136. 15.杨太军，朱柏林等 .柱塞式压块机压块成型理论分析与试验研究 .农业机械学报，1995， 26(3):51 一 56. 2.设计的目的与意义 生物质能仅次于煤炭、石油和天然气，居于世界能源消费总量第 4 位。据专家预测，生物质能极有可能成为未来可持续能源系统的重要组成部分，到下世纪中叶，采用新技术生产 的各种生物质替代燃料将占全球总燃料消耗的 40以上。由于生物质替代燃料具有无染污、可再生等显著特点，因此日益受到各国的重视。随着我国经济的不断发展，能源短缺问题显得日益严重，为了解决能源危机、减轻环境污染、保护生态环境，开发利用生物质能显得尤为重要。 据预测，地球上可利用的石油将在今后几十年内耗竭，从长远看液体燃料短缺仍将是困扰人类发展的大问题。在此背景下，生物质能作为唯一可转化为液体燃料的可再生资源，正日益受到重视。由 生物质转化而来的燃料比较干净，有利于环境保护。同时使用这类燃料也有助于减少温室气体的排放。实际上这也是很多发达国家开发生物质能的主要动力。生物质能是通过光合作用以生物形态储存的太阳能，可作为能源利用的生物质包括林产品下脚nts 5 料，薪柴，农作物秸秆及城市垃圾中的生物质废弃物等。 生物质能一直是人类赖以生存的重要能源，它是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第四位的能源，在整个能源系统中占有重要地位。有关专家估计，生物质能极有可能成为未来可持续能源系统的组成部分，到下世纪中叶，采用新技术生产的各种生物质替代 燃料将占全球总能耗的 40以上。 目前人类对生物质能的利用，包括直接用作燃料的有农作物的秸秆、薪柴等；间接作为燃料的有农林废弃物、动物粪便、垃圾及藻类等，它们通过微生物作用生成沼气，或采用热解法制造液体和气体燃料，也可制造生物炭。生物质能是世界上最为广泛的可再生能源。据估计，每年地球上仅通过光合作用生成的生物质总量就达 1440 1800 亿吨 ( 干重 )，其能量约相当于 20 世纪 90 年代初全世界总能耗的 3 8 倍。但是尚未被人们合理利用，多半直接当薪柴使用，效率低，影响生态环境。现代生物质能的利用是通过生物质的厌 氧发酵制取甲烷，用热解法生成燃料气、生物油和生物炭 ，用生物质制造乙醇和甲醇燃料，以及利用生物工程技术培育能源植物，发展能源农场。 nts 6 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 3本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径） ： 生物质 阴燃池 存在的问题 生物质阴燃目前较多是采用燃池，燃池缺点主要有：燃池建于地下，体积庞大，和周围土壤直接接触，烟气直接排在室外，热容量大；建燃池要在地下挖出很大的坑，施工较困难；使用不够灵活，由于燃池大，阴燃过程中途点燃和熄火麻烦，难以根据需要灵活应用。 温室大棚生物 质阴燃炉能解决的问题 阴燃炉主要功能是对各种农业种植、养殖大棚进行升温、降温，它具有体积小、功率大、功能全面、造价低、运行费用低、调温效果均匀等综合优势，解决了农业大棚生产中人工控温技术的多项难题，解决了传统的电空调及热风炉设备投资高、能耗大、效果差、仅适于在高档、高附加值大棚生产中应用的不足。反季节大棚蔬菜生产已成为农业结构调整和增加农业农民收入的重要组成部分，在过去的生产中，由于没有有效的温控设施，大棚内的温度、湿度无法很好地满足蔬菜生产的需要，特别是遇到持续的低温和高湿天气，大棚内的蔬菜会受到冻害和各 类菌病病害，会严重影响蔬菜的产量和质量，严重时会出现绝产。应用阴燃炉后，可根据生产情况、天气情况，进行人工调节大棚内的温湿度，有效防止低温冻害和高湿病害，这样不仅能确保的大棚蔬菜的稳产高产，而且可大幅度降低农药用量，为生产无公害蔬菜生产创造了条件 本设计的 研究方法 及技术路线 研究方法 ： Pro/ENGINEER 的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在nts 7 开发周期的任一点进行修改，却没有 任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。 基于特征的参数化造型： Pro/ENGINEER 使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修改。例如：设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟悉的，因而易于使用。 装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征。通过给这些特征设置参数（不但包括几何尺寸，还包括非几何属性），然后修改参数很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发。 本设计首先是对阴燃炉 及 阴燃物质燃烧释放能量维持大棚封闭空间温度进行设计计算，在利用 Pro/ENGINEER 进行实体造型设计与仿真分析。 技术路线如下： 1. 查阅并仔细整理资料； 2. 实地考察详细记录见闻； 3. 对所整理资料及记录进行分析进一步找出现有阴燃炉的不足； 4. 针对已知不足再次查阅资料以找出最合理的解决办法； 5. 确定 供热系统的技术参数并进行计算 ； 6. 绘制供热系统图纸 ； 7. 利用 Pro/ENGINEER 进行实体造型设计与仿真分析； 8. 经仿真分析后在改正不足 ； 9. 编写说明书； 10. 准备答辩。 4.论文工作进度安排 1、 3 月 20 日 3 月 30 日 查阅相关资料 ， 了解 阴燃 炉的工作原理 ； 2、 3 月 31 日 4 月 5 日 实地考察 阴燃 炉，找出现存的不足，确定解决nts 8 方案； 3、 4 月 6 日 4 月 9 日 确定供热系统的技术参数并进行计算； 4、 4 月 10 日 4 月 30 日 绘制供热系统图纸； 5、 5 月 7 日 5 月 17 日 编写说明书； 6、 6 月 准备答辩。 nts 9 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 指导教师意见 ： 1对“文献综述”的评语： 2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测： 指导教师： 年 月 日 所在专业审查意见： 负责人： 年 月 日 nts 10 nts -I- 摘要 能源在当今世界中具有重大的战略意义，它不仅是人类赖以生存和发展的基础，也是制约国民经济发展的重要因素 。 由于地球上可利用的石油资源在日益耗竭，许多国家纷纷开始寻找石油的替代品。生物质能作为可转化为液体燃料的可再生资源，且其储量巨大，它仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源总量的第四位，所以，生物质直接液化制取燃油将成为本世纪最有发展潜力的技术之一。 我国拥有丰富的生物质能资源，理论生物质能资源达到 50 亿吨左右，但由于没有经济、高效的利用技术而被闲置废弃，仅农业秸秆、谷物壳皮每年的废气量就达45 亿吨；与 此同时，我国石油资源比较贫乏，目前年石油缺口近亿吨， 2020 年预计年石油缺口达 2.5 亿吨。因此，政府及有关部门对生物质能资源利用极为重视，已连续在四哥国家五年计划将生物质能利用技术的研究与应用列为重点科技攻关项目，开展了生物质能利用技术的研究与开发，具有重大的经济意义和社会意义。 农作物秸秆作为我国生物质能的重要组成部分，其特点是分布分散，热值较低，集中应用时收集、运输成本较高。根据这个特点，开发一种经济实用的应用技术，对解决目前秸秆田间地头焚烧等造成的能源浪费，环境污染等问题，具有重要的意义。 关键词： 生物质 ，阴燃，阴燃炉 nts -II- Abstract The energy has a graveness in nowadays the world of strategy meaning, it not only is the mankind rely for existence with development of foundation, also is a check and supervision national economy development of importance factor;Becaus e the petroleum resources canning make use of on the earth use up day by day, many nation start look for in succession petroleum of substitute.The living creature quality can do for can conversion is liquid fuel of can rebirth resourc es, and it keep quantity huge, it only next to coal, petroleum and natural gas but occupy at the fourth of energy total amount in the world, so, living creature qualitys being direct liquefaction to make to take fuel will become this century to have development potential most of one of the technique. Our country own living creature quality of abundant ability resources, theories living creature quality ability the resources attain 5,000,000,000 tons or so, but because of have no economy, efficiently of make use of technique but drive idle abandon, only agriculture Ji Gan, the corn hull waste gas of skin every year quantity reach to 4500,000,000 tons;At the same time, our country petroleum the resources be more needy, the year petroleum indentation be about hundred million tons currently, 2020 anticipate the petroleum indentation in year to reach to 250,000,000 tons.Therefore, government and department concerned to living creature quality ability using of resource extremely value, already continuous at four elder brother nation five year plan living creature quality ability make use of technique of research and application list as point science and technology to offend pass item, openned an exhibition living creature quality ability make use of technique of research and development, have graveness of economy meaning and society meaning. Farm crop Ji Gan Be our country living creature quality ability of importance constitute part, its characteristics be to distribute dispersion, hot value lower, concentration application hour collections, conveyance the cost be higher.Acc ording to this characteristics, the development is a kind of economy practical of application technique, to solve currently the Ji Gan in the field ground a head the energy which burn etc. to result in waste, pollution of the environment etc. problem, have importance of meaning. Key words: Biomass Smolder Smolder stove nts -III- 目录 摘要 . I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 国内外研究现状及分析 . 1 1.2.1 世界能源已面临严重短缺 . 1 1.2.2 生物质能概述 . 2 1.2.3 中国生物质能源开发利用现状 . 2 1.2.4 中国生物质能源发展政策 . 4 1.2.5 中国生物质能源发展中存在的主要问题 . 6 1.2.6 中国生物质能源未来的发展特点和趋势 . 7 1.3 利用农作物秸秆等生物质能的重要意义 . 9 1.3.1 现有农作物秸杆能源利用主要技术 . 9 1.3.2 农作物秸秆直接燃烧技术现状及分析 . 11 1.3.3 农作物秸秆阴燃技术现状及分析 .12 2 阴燃取暖炉的设计 .14 2.1 阴燃取暖炉的设计目的和思想 .14 2.2 阴燃取暖炉参数的理论计算 .15 2.3 材料选择 .16 2.3.1 保温材料的选择 .16 2.3.2 密封材料的选择 .18 2.4 阴燃炉结构设计 .20 2.4.1 炉体部分的设计 .20 2.4.2 进风口的设计 .20 2.4.3 烟囱的设计 .21 2.4.4 装料口及盖的设计 .21 2.4.5 排灰口的设计 .21 3 阴燃取暖炉的操作及特点 .22 3.1 阴燃取暖炉的操作 .22 3.2 阴燃取暖炉的特点 .22 4 上料机的设计 .22 4.1 参数选择 .22 4.2 传动装置选择 .23 5 结论及建议 .23 参考文献 .24 nts -IV- 致谢 .26 nts -1- 1 绪论 1.1 引言 所谓阴燃，是一种缓慢、低温、无火焰的燃烧方式，氧气直接侵 入固体燃料表面，通过燃料本身燃烧释放的热量得以自维持传播。其特点是，在温度较低、热量较小的环境下就可以发生并维持。随着农民生活水平的提高，农业设施、装备的广泛应用，农村住宅，蔬菜大棚、畜禽舍等农业设施供暖，农产品干燥的能量需求不断增长。和发电、城市工业、民用耗能相比，农村上述耗能分散分布、负荷强度小，更注重经济性。秸秆阴燃热释放速率低、可就地取材、经济方便，特别适合用来满足农村上述热能的需求。利用秸秆阴燃来解决我国广大农村较小负荷供热用能问题，在目前我国能源十分紧缺的情况下，将具有很好的经济、社会效益和广泛 的应用前景，也应该是秸秆能源利用的一个方向。 1.2 国内外研究现状及分析 随着人类大量使用矿物燃料带来的环境问题日益严重，各国政府开始关心、重视生物质电源的开发利用。虽然各国的自然条件和技术水平差别很大，对生物质能今后的利用情况将千差万别，但总的来说，生物质能今后的发展将不再像最近 200 多年来一样日渐萎缩，而是重新发挥重要作用，并在整个一次能源体系中占据稳定的比例和重要的地位。 自从 1981 年 8 月在内罗毕召开联合国新能源和可再生能源会议以来，许多国家对能源、环境和生态问题越来越重视，特别是利用现代新能源技术 和新材料来开发包括生物质能在内的新能源，备受各国关注。目前，生物质能的技术研究和开发利用已成为世界重大热门课题之一，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、巴西的酒精能源计划等：其中生物质能源的开发利用都占有相当大的比重。现在，国外有许多生物质能利用技术与设备已达到了商业化应用的程度，实现了规模化产业经营。 1.2.1 世界能源已面临严重短缺 随着全球经济的发展，人类对能源的需求必然不断地增加，然而目前人类赖以生存的化石能源却正在迅速地减少，世界各国己经充分认识到能源的重要性 与短缺性，因此开发新能源将是促进经济增长和解决环境保护的重要战略举措。据 2003 年 6 月英国石油公司的世界能源统计回顾的资料显示 :地球卜蕴藏nts -2- 的可以开发利用的煤和石油化石能源将分别在 200 年、 40 年内耗竭，而天然气也只能用 60 年左右。与此同时，由于化石能源的过度开发利用带来环境污染和全球气候变暖的问题也日益突出。目前，这种能源需求主要通过增加石油、煤炭的消耗量来满足，这不仅涉及到有限的石油、煤炭资源的维持问题，而且会使危及人类的环境污染问题变得日趋严重。因此，发展新能源，提高能源利用效率，尽可能多地利用可再生能 源，己经成为世界各国优先发展的战略目标。 1.2.2 生物质能概述 生物质能是蕴藏在生物质中的能量，是绿色植物用过光合作用将太阳能转化为化学能而贮藏在生物质内部的能量。煤、石油和天然气等化石能源也是由生物质转变而来的。生物质能通常包括以下几个方面 :木材及森林工业废弃品、农业废弃物、水生植物、油料植物、城市和工业有机废弃物、动物粪便 . 生物质能是人类利用最早的能源之一 ,具有分布广、可再生、成本低等优点。我国是人口众多的农业国家，生物质能在我国的能源结构中占有相当重要的地位，尤其在广大农村地区，生物质能 曾经是最重要的能源。但是，长期以来，大多生物质能的利用时以直接燃烧为主，不仅热利用效率低下，而且伴随着大量的烟尘和余灰的排放，成为阻碍农村经济和社会进步的重要因素之一。随着科学技术的进步和发展，生物质能可以通过各种转换技术而高效的加以利用，生产各种清洁燃料和电力，在一定程度上替代煤炭、石油和天然气等矿物燃料。所以开发与利用生物质能源，对实现可持续发展，保障国家能源安全，改善生存环境和减少二氧化碳都具有重要作用和实际意义。 通过生物质能转换技术可以高效的利用生物质能源，生产各种清洁燃料 ，在一定程度上替 代煤炭、石油和天然气等燃料，从而减少对矿物能源的依赖，保护国家能源，减轻能源消费给环境造成的污染。 1.2.3 中国 生物质能源开发利用现状 20 世纪 70 年代，国际上第一次石油危机使发达国家和贫油国家重视石油替代，开始大规模 发展 生物质能源。生物质能源是以农林等有机废弃物以及利用边际土地种植的能源植物为主要原料进行能源生产的一种新兴能 源。生物质能源按照生物质的特点及转化方式可分为固体生物质燃料、液体生物质燃料、气体生物质燃料。中国生物质能源的发展一直是在 “改善 农村 能源 ”的观念和框架下运作，较早地起步于农村户用沼气，以后在秸秆气化上部署了试点。近两年，生物质能源在中国受到越来越多的关注，生物质能源利用取得了很大的成绩。沼气工程建设初见成效。截至 2005 年底，全国共建成 3764 座大中型沼气池，形成了每年约 3.4l 亿立方米沼气的生产能力，年处理有机废弃 物和污水1.2 亿吨，沼气利用量达到 80 亿立方米。到 2006 年底，建设农村户用沼气池nts -3- 的农户达 2260 万户，占总农户的 9.2%，占适宜农户的 15.3%，年产沼气 87.0亿立方米，使 7500 多万农民受益，直接为农民增收约 180 亿元。生物质能源发电迈出了重要步伐，发电装机容量达到 200 万千瓦。液体生物质燃料生产取得明显进展，全国燃料乙醇生产能力达到： 102 万吨，已在河南等 9 个省的车用燃料中推广使用乙醇汽油。 （ 1） 固体生物质燃料 固体生物质燃料分生物质直接燃烧或压缩成型燃料及生物质与煤混合燃烧为原料的燃料。生物质燃 烧技术是传统的能源转化形式，截止到 2004 年底，中国农村地区已累计推广省柴节煤炉灶 1.89 亿户，普及率达到 70%以上。省柴节煤炉灶比普通炉灶的热效率提高一倍以上，极大缓解了农村能源短缺的局面。生物质成型燃料是把生物质固化成型后采用略加改进后的传统设备燃用，这种燃料可提高能源密度，但由于压缩技术环节的问题，成型燃料的压缩成本较高。目前，中国（清华大学、河南省能源研究所、北京美农达科技有限公司）和意大利（比萨大学）两国分别开发出生物质直接成型技术，降低了生物质成型燃料的成本，为生物质成型燃料的广泛应用奠定了基础 。此外，中国生物质燃料发电也具有了一定的规模，主要集中在南方地区的许多糖厂利用甘蔗渣发电。广东和广西两省（区）共有小型发电机组 300 余台，总装机容量 800 兆瓦，云南也有一些甘蔗渣电厂。中国第一批农作物秸秆燃烧发电厂将在河北石家庄晋州市和山东菏泽市单县建设，装机容量分别为 212 兆瓦和 25 兆瓦，发电量分别为 1.2 亿千瓦时和 1.56 亿千瓦时，年消耗秸秆 20 万吨。 （ 2） 气体生物质燃料 气体生物质燃料包括沼气、生物质气化制气等。中国沼气开发 历史 悠久，但大中型沼气工程发展较慢，还停留在几十年前的个体小厌氧消化池的水平，2004 年，中国农户用沼气池年末累计 1500 万户，北方能源生态模式应用农户达 43.42 万户，南方能源生态模式应用农户达 391.27 万户，总产气量 45.80 亿立方米，相当于 300 多万吨标准煤。到 2004 年底，中国共建成 2500 座 工业 废水和畜禽粪便沼气池，总池容达到了 88.29 万立方米，形成了每年约 1.84 亿立方米沼气的生产能 力，年处理有机废物污水 5801 万吨，年发电量 63 万千瓦时，可向 13.09 万户供气。 在生物质气化技术开发方面，中国对农林业废弃物等生物质资源的气化技术的深入研究始于 20 世纪 70 年代末、 80 年代初。截至 2006 年底，中国生物质气化集中供气系统的秸秆气化站保有量 539 处，年产生物质燃气 1.5 亿立方米；年发电量 160 千瓦时稻壳气化发电系统已进入产业化阶段。 （ 3） 液体生物质燃料 液体生物质燃料是指通过生物质资源生产的燃料乙醇和生物柴油，可以替代由石油制取的汽油和柴油，是可再生能源开发利用的重要方向。近年来 ，中国的生物质燃料发展取得了很大的成绩，特别是以粮食为原料的燃料乙醇生产已初步形成规模。 “十五 ”期间，在河南、安徽、吉林和黑龙江分别建设了以陈nts -4- 化粮为原料的燃料乙醇生产厂，总产能达到每年 102 万吨，现已在 9 个省（ 5个省全部， 4 个省的 27 个地（市）开展车用乙醇汽油销售。到 2005 年，这些地方除军队特需和国家特种储备外实现了车用乙醇汽油替代汽油。 但是，受粮食产量和生产成本制约，以粮食作物为原料生产生物质燃料大规模替代石油燃料时，也会产生如同当今面临的石油问题一样的原料短缺，因此，中国近期不再扩大以粮食为原 料的燃料乙醇生产，转而开发非粮食原料乙醇生产技术。目前开发的以木薯为代表的非食用薯类、甜高粱、木质纤维素等为原料的生物质燃料，既不与粮油竞争，又能降低乙醇成本。广西是木薯的主要产地，种植面积和总产量均占全国总量的 80%， 2005 年，木薯乙醇产量 30万吨。从生产潜力看，目前，木薯是替代粮食生产乙醇最现实可行的原料，全国具有年产 500 万吨燃料乙醇的潜力。 此外，为了扩大生物质燃料来源，中国已自主开发了以甜高粱茎秆为原料生产燃料乙醇的技术（称为甜高粱乙醇），目前，已经达到年产 5000 吨燃料乙醇的生产规模。国内已经 在黑龙江、内蒙古、新疆、辽宁和山东等地，建立了甜高粱种植、甜高梁茎秆制取燃料乙醇的基地。生产 1 吨燃料乙醇所需原料甜高粱茎秆收购成本 2000 元，加上加工费，燃料乙醇生产成本低于 3500元，吨。由于现阶段国家对燃料乙醇实行定点生产，这些甜高粱乙醇无法进入交通 燃料市场，大多数掺入了低质白酒中。另外，中国也在开展纤维素制取燃料乙醇技术的研究开发，现已在安徽丰原生化股份有限公司等 企业 形成年产600 吨的试验生产能力。目前，中国燃料乙醇使用量已居世界第三位。生物柴油是燃料乙醇以外的另一种液体生物质燃料。生物柴油的原料来源既可以是各种废弃或回收的动植物油，也可以是含油量高的油料植物，例如麻风树（学名小桐子）、黄连木等。中国生物柴油产业的发展率先在民营企业实现，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年生产能力 l 万 2 万吨的生产装置，主要以餐饮业废油和皂化油下脚料为原料。此外，国外公司也进军中国，奥地利一家 公司在山东威海市建设年生产能力 25 万吨的生物柴油厂，意大利一家公司在黑龙江佳木斯市建设年生产能力 20 万吨的生物柴油厂。预计中国生物柴油产量 2010 年前约可达每年 100万吨。 1.2.4 中国生物质能源发展政策 为了确保生物质能源产业的稳步发展，中国政府出台了一系列 法律 法规和政策措施，积极推动了生物质能源的开发和利用。 （ 1） 行业标准规范生产，法律法规提供保障 本世纪初，为解决大量库存粮积压带来的财政重负和发展石化替代能 源，中国开始生产以陈化粮为主要原料的燃料乙醇。 2001 年，国家计划委员会发布了示范推行车用汽油中添加燃料乙醇的通告。随后，相关部委联合出台了试nts -5- 点方案与工作实施细则。 2002 年 3 月，国家 经济 贸易委员会等 8 部委联合制定颁布了车用乙醇汽油使用试点方案和车用乙醇汽油使用试点工作实施细则，明确试点范围和方式，并制定试点期间的财政、税收、价格等方面的相关方针政策和基本原则，对燃料乙醇的生产及使用实行优惠和补贴的财政及价 格政策。在初步试点的基础上， 2004 年 2 月，国家发展和改革委员会等 8部委联合发布车用乙醇汽油扩大试点方案和车用乙醇汽油扩大试点工作实施细则，在中国部分地区开展车用乙醇汽油扩大试点工作。同时，为了规范燃料乙醇的生产，国家质量技术监督局于 2001 年 4 月和 2004.年 4 月，分别发布 GBl8350 2001变性燃料乙醇和 GBl8351 2001车用乙醇汽油两个国家标准及新车用乙醇汽油强制性国家标准（ GBl835l 一 2004）。在国家出台相关政策措施的同时，试点区域的省份均制定和颁布了地方性法规，地方 各级政府机构依照有关规定，加强组织领导和协调，严格市场准入，加大市场监管力度，对中国生物质燃料乙醇产业发展和车用生物乙醇汽油推广使用起到了重大作用。 此外，国家相关的法律法规也为生物质能源的发展提供保障。 2005 年，中华人民共和国可再生能源法提出， “国家鼓励清洁、高效地开发利用生物质燃料、鼓励发展能源作物，将符合国家标准的生物液体燃料纳入其燃料销售体系 ”。国家 “十一五 ”规划纲要也提出， “加快开发生物质能源，支持发展秸秆、垃圾焚烧和垃圾填埋发电，建设一批秸秆发电站和林木质发电站，扩大生物质固体成型燃料 、燃料乙醇和生物柴油生产能力 ”。 （ 2）运用经济手段和财政扶持政策推动产业发展 除制定相应法律法规和标准外， 2002 年以来，中央财政也积极支持燃料乙醇的试点及推广工作，主要措施包括投入国债资金、实施税收优惠政策、建立并优化财政补贴机制等。一是投入国债资金 4.8 亿元用于河南、安徽、吉林3 省燃料乙醇企业建设；二是对国家批准的黑龙江华润酒精有限公司、吉林燃料乙醇有限公司、河南天冠燃料乙醇有限公司、安徽丰原生化股份有限公司 4家试点单位，免征燃料乙醇 5%的消费税，对生产燃料乙醇实现的增值税实行先征后返；三是在试点初期 ，对生产企业按保本微利的原则据实补贴，在扩大试点规模阶段，为促进企业降低生产成本，改为按照平均先进的原则定额补贴，补贴逐年递减。 为进一步推动生物质能源的稳步发展， 2006 年 9 月，财政部、国家发展和改革委员会、农业部、国家税务总局、国家林业局联合出台了关于发展生物质能源和生物化工财税扶持政策的实施意见，在风险规避与补偿、原料基地补助、示范补助、税收减免等方面对于发展生物质能源和生物化工制定了具体的财税扶持政策。此外，自 2006 年 1 月 1 日可再生能源法正式生效后，酝酿中与之配套的各项行政法规和规章也开始 陆续出台。财政部 2006 年 10月 4 日出台了可再生能源发展专项资金管理暂行办法，该办法对专项资金的扶持重点、申报及审批、财务管理、考核监督等方面做出全面规定。该办nts -6- 法规定：发展专项资金由国务院财政部门依法设立，发展专项资金的使用方式包括无偿资助和贷款贴息，通过中央财政预算安排。 1.2.5 中国 生物质能源 发展 中存在的主要问题 尽管 中国在生物质能源等可再生能源的开发利用方面取得了一些成效，但由于中国生物质能源发展还处于起步阶段，面临许多困难和问题，归纳起来主要有以下几个方面。 （ 1）原料资源短缺限制了生物质能源的大规模生产 由于粮食资源不足的制约，目前，以粮食为原料的生物质燃料生产已不具备再扩大规模的资源条件。今后，生物质燃料乙醇生产应转为以甜高粱、木薯、红薯等为原料，特别是以适宜在盐碱地、荒地等劣质地和气候干旱地区种植的甜高粱为主要原料。虽然中国有大量的盐碱地、荒地等劣质土地可种植甜高粱，有大量荒山、荒坡可以种植麻风树和黄连木等油料 植物，但目前缺乏对这些土地利用的合理评价和 科学 规划。目前，虽然在西南地区已种植了一定数量的麻风树等油料植物，但不足以支撑生物柴油的规模化生产。因此，生物质燃料资源不落实是制约生物质燃料规模化发展的重要因素。 （ 2）还没有建立起完备的生物质能源 工业 体系，研究开发能力弱，技术产业化基础薄弱 虽然中国已实现以粮食为原料的燃料乙醇的产 业化生产，但以其他能源作物为原料生产生物质燃料尚处于技术试验阶段，要实现大规模生产，还需要在生产工艺和产业组织等方面做大量工作。以废动植物油生产生物柴油的技术较为成熟，但发展潜力有限。后备资源潜力大的纤维素生物质燃料乙醇和生物合成柴油的生产技术还处于研究阶段，一些相对成熟的技术尚缺乏标准体系和服务体系的保障，产业化程度低，大规模生物质能源生产产业化的格局尚未形成。 （ 3）生物燃油产品市场竞争力较弱 巴西以甘蔗生产燃料乙醇 1980 年每吨价格为 849 美元， 1998 年降到 300美元以下。中国受原料来源、 生产技术和产业组织等多方面因素的影响，燃料乙醇的生产成本比较高，目前，以陈化粮为原料生产的燃料乙醇的成本约为每吨 3500 元左右，以甜高粱、木薯等为原料生产的燃料乙醇的成本约为每吨 4000元。按等效热值与汽油比较，汽油价格达到每升 6 元以上时，燃料乙醇才可能赢利。目前，国家每年对 102 万吨燃料乙醇的财政补贴约为 15 亿元，在目前的技术和市场条件下，扩大燃料乙醇生产需要大量的资金补贴。以甜高粱和麻风树等非粮食作物为原料的燃料乙醇和生物柴油的生产技术才刚刚开始产业化试点，产业化程度还很低，近期在成本方面的竞争力还比较 弱。因此，生物质燃料成本和石油价格是制约生物质燃料发展的重要因素。 （ 4）政策和市场环境不完善，缺乏足够的 经济 鼓励政策和激励机制 生物质能源产业是具有环境效益的弱势产业。从国外的经验看，政府支持nts -7- 是生物质能源市场发育初期的原始动力。不论是发达国家还是发展中国家，生物质能源的发展均离不开政府的支持，例如投融资、税收、补贴、市场开拓等一系列的优惠政策。 2000 年以来，国家组织了燃料乙醇的试点生产和销售，建立了包括燃料乙醇 的技术标准、生产基地、销售渠道、财政补贴和税收优惠等在内的政策体系，积累了生产和推广燃料乙醇的初步经验。但是，由于以粮食为原料的燃料乙醇发展潜力有限，为避免对粮食安全造成负面影响，国家对燃料乙醇的生产和销售采取了严格的管制。近年来，虽有许多 企业 和个人试图生产或销售燃料乙醇，但由于受到现行政策的限制，不能普遍享受到财政补贴，也难以进入汽油现有的销售渠道。对于生物柴油的生产，国家还没有制定相关的政策，特别是还没有生物柴油 的国家标准，更没有生物柴油正常的销售渠道。此外，生物质资源的其它利用项目，例如燃烧发电、气化发电、规模化畜禽养殖场大中型沼气工程项目等，初始投资高，需要稳定的投融资渠道给予支持，并通过优惠的投融资政策降低成本。中国缺乏行之有效的投融资机制，在一定程度上制约了生物质资源的开发利用。 1.2.6 中国生物质能源未来的发展特点和趋势 （ 1）逐步改善现有的能源消费结构，降低石油的进口依存度 中国经济的高速发展，必须构筑在能源安全和有效供给的基础之上。目前，中国能源的基本状况是：资源短缺，消费结构单一，石油的进口依存度 高，形势十分严峻。 2004 年，中国一次能源消费结构中，煤炭占 67.7%，石油占 22.7%，天然气占 2.6%，水电等占 7.0%；一次能源生产总量中，煤炭占 75.6%，石油占 13.5%，天然气占 3.O%，水电等占 7.9%。这种能源结构导致对环境的严重污染和不可持续性。中国石油储量仅占世界总量的 2%，消费量却是世界第二，且需求持续高速增长， 1990 年的消费量刚突破 1 亿吨， 2000 年达到 2.3 亿吨，2004 年达到 3.2 亿吨。中国自 1993 年成为石油净进口国后， 2005 年进口原油及成品油约 1.3 亿吨，估计 2010 年将 进口石油 2.5 亿吨，进口依存度将超过50%。进口依存度越高，能源安全度就越低。中国进口石油的 80%来自中东，且需经马六甲海峡，受国际形势影响很大。 因此，今后在厉行能源节约和加强常规能源开发的同时，改变目前的能源消费结构，向能源多元化和可再生清洁能源时代过渡，已是大势所趋，而在众多的可再生能源和新能源中，生物质能源的规模化开发无疑是一项现实可行的选择。 （ 2）生物质产业的多功能性进一步推动 农村 经济发展 生物质产业是以 农林产品及其加工生产的有机废弃物，以及利用边际土地种植的能源植物为原料进行生物能源和生物基产品生产的产业。中国是农业大国，生物质原料生产是农业生产的一部分，生物质能源的蕴藏量很大，每年可用总量折合约 5 亿吨标准煤，仅农业生产中每年产生的农作物秸秆，就折合nts -8- 1.5 亿吨标准煤。中国有不宜种植粮食作物、但可以种植能源植物的土地约 l亿公顷，可人工造林土地有 311 万公顷。按这些土地 20%的利用率 计算 ，每年约可生产 10 亿吨生物质，再加上木薯、 甜高粱等能源作物，据专家测算，每年至少可生产燃料乙醇和生物柴油约 5000 万吨，农村可再生能源开发利用潜力巨大。生物基产品和生物能源产品不仅附加值高，而且市场容量几近无限，这为农民增收提供了一条重要的途径；生物质能源生产可以使有机废弃物和污染源无害化和资源化，从而有利于环保和资源的循环利用，可以显著改善农村能源的消费水平和质量，净化农村的生产和生活环境。生物质产业的这种多功能性使它在众多的可再生能源和新能源中脱颖而出和不可替代，这种多功能性对拥有 8 亿农村人口的中国和其他发展中国家具有特殊的重要性。 （ 3） 净化 环境，进一步为环境 “减压 ” 随着中国经济的高速增长，以石化能源为主的能源消费量剧增，在过去的20 多年里，中国能源消费总量增长了 2.6 倍，对环境的压力越来越大。 2003年，中国二氧化碳排放量达到 8.23 亿吨，居世界第二位。 2025 年前后，中国二氧化碳排放量可能超过美国而居首位。 2003 年，中国二氧化硫的排放量也超过了 2000 万吨，居世界第一位，酸雨区已经占到国土面积的 30%以上。中国二氧化碳排放量的 70%、二氧化硫排放量的 90%、氮氧化物排放量的 2 3均来自燃煤。预计到 2020 年，氧化硫和氮氧化物的排放量将分 别超过中国环境容量 30%和 46%。京都议定书已对发达国家分配了 2012 年前二氧化碳减排 8%的指标，中国是京都议定书的签约国，承担此项任务只是时间早晚的问题。此外，农业生产和废弃物排放也对生态环境带来严重伤害。因此，发展生物质能源，以生物质燃料直接或成型燃烧发电替代煤炭以减少二氧化碳排放，以生物燃油替代石化燃油以减少碳氢化物、氮氧化物等对大气的污染，将对于改善能源结构、提高能源利用效率、减轻环境压力贡献巨大。 （ 4） 技术逐步完善，产业化空间广阔 从生物质能源的发展前景看，第一，生物乙醇是可以大规模替代 石化液体燃料的最现实选择；第二，对石油的替代，将由 E85（在乙醇中添加 15%的汽油）取代 E10（汽油中添加 10%的乙醇）；第三， FFVs（灵活燃料汽车）促进了生物燃油生产和对石化燃料的替代，生物燃油的发展带动了传统汽车产业的更新改造；第四，沼气将规模化生产，用于供热发电、（经纯化压缩）车用燃料或罐装管输；第五，生物质成型燃料的原料充足，技术成熟，投资少、见效快，可广泛用于替代中小锅炉用煤，热电联产（ CHP）能效在 90%以上，是生物质能源家族中的重要成员；第六，以木质纤维素生产的液体生物质燃料（ Bff。）被认 为是第二代生物质燃料，包括纤维素乙醇、气化后经费托合成生物柴油（ FT 柴油），以及经热裂解（ TDP）或催化裂解（ CDP）得到的生物柴油。此外，通过技术研发还将开拓新的资源空间。工程藻类的生物量巨大，如果能将 现代 生物技术和传统育种技术相结合，优化育种条件，就有可能实现大规模养殖高产油藻。一旦高产油藻开发成功并实现产业化，由藻类制取生物柴nts -9- 油的规模可以达到数千万吨。 据专家预测估计，到 2010 年，中国年生产生物燃油约为 600 万吨，其中，生物乙醇 500 万吨、生物柴油 100 万吨：到 2020 年，年生产生物燃油将达到1900 万吨，其中，生物乙醇 1000 万吨，生物柴油 900 万吨。 （ 5）生物质燃料流通体系和相关政策进一步健全完善 随着生物质产业的进一步发展，现有的以粮食为原料的燃料乙醇的销售体系，将会扩大到以甜高粱、甘蔗、麻风树等非粮食作物为原料的液体燃料的销售，与此相配套的非粮食生物质燃料的收购、调配和销售体系将在全国建立并逐步完善。非粮食燃料乙醇收购价格将由国务院价格主管部门根据有利于促进非粮食生物质燃料发展的原则确定并公布。同 时，参照目前已实行的陈化粮燃料乙醇的财政和税收优惠政策，对非粮食燃料乙醇、生物柴油的生产和销售制定财政和税收优惠政策。有关非粮食生物质燃料的生产和销售管理办法、价格及财政税收政策将由国家发展和改革委员会同有关部门制定。 1.3 利用农作物秸秆等生物质能的重要意义 解决农村能源问题势在必行从能源长远发展战略高度来审视，寻求一条可持续发展的能源道路，大力利用新能源和可再生 (新 )能源以减少对环境的污染，加快新能源对传统能源的新旧更替，己经成为我国近期急需解决的重大问题。因此改变能源生产和消费方式，开发利用生物质能等 可再生清洁能源、资源对建立可持续的能源系统，促进国民经济发展和环境保护具有重大意义。经过 20 年左右的时间，我国生物质能开发利用取得了长足的进步，主要涉及到气化、液化、热解、固化和直接燃烧技术。由于农作物秸秆分布比较分散，集中应用时收集比较困难，而且运输费用较高，另外，目前应用于农村的大部分生物质利用装置如气化炉等，普遍存在着成本较高，效率较低等缺点，不能满足广大农村广泛使用的要求，无法达到大面积推广及产业化的目的。因此，立足于农村现有的生物质资源，开发一种简易的生物质能利用设备，是农村发展的需要，又是减少污 染、保护环境的需要。 1.3.1 现有农作物秸杆能源利用主要技术 近些年来，生物质废弃物的利用技术越来越受到世界各国的关注。特别是近一二十年，人们普遍提高了能源与环保意识，对地球固有的化石燃料日趋减少有一种危机感，在可再生能源方面寻求能源持续供给的今天，生物质利用新技术新途径的研究与应用，才有了快速的发展。生物质自古以来就是人类赖以生存的主要能源，随着人类社会的不断进步，生物质 的利用己经有多种不同的方式，同样适合于农作物秸秆的利用。 （ 1） 生物质直接燃烧 nts -10- 直接燃烧是目前生物质能利用的最主要方式。直接燃烧所耗用 的生物质能源主要是农作物秸秆和薪柴。在牧区也燃用少量的牲畜粪便。该方法燃料利用效率低，为既 %5.1%1 ，使得生物质燃料被认为是“贫穷燃料”，节能炉灶的推广将效率提高到了 %0.3%5.2 。垃圾焚烧技术属于直接燃烧，目前主要的燃烧方式是改进后的链条炉和马丁炉等，循环流化床垃圾锅炉等新技术的方式正处在发展阶段，德国、法国、美国等国家在垃圾的能源利用方面处于领先地位。 （ 2） 固化成型技术 由于生物质燃料具有能量密度小的特点，将疏散的、低热值的农林废弃物固态生物质燃料，如秸秆，木屑等压制成型燃料或进一步炭化制得所谓“机带休炭”。生物质中的木质素 (木素 )属于非晶体，没有熔点，但有软化点，当温度为 11070 时粘合力开始增加，在适当的温度 ( 300200 )下会软化，此时施以压力，则其与纤维素紧密粘接，并与相邻颗粒互相胶接，冷却后即可固化成型。 （ 3） 生物质热裂解技术 热解是指生物质在缺氧的条件下受热后发生分解的现象。生物质热解后产生残炭和 热解气，热解气化的热解气主要含有 CO 、 2H 、 4CH 以及少量 2CO 和2N ，热解气经过净化后得到可燃气体，这就是生物质热解气化技术 ;在中等温度下热解产生较大分子有机气体，对热解气进行冷凝制得生物油液体燃料，即生物质热解液化技术。热解燃料与生物质原料相比，具有能量密度高、易运输等的优点。热解既可以作为独立的过程，也可以是燃烧、炭化、液化或气化过程的一个中间过程，决 定各热化学转化反应的动力学，也决定产物的组成、特征和分布。 （ 4） 生物质液化制醇类燃料