南工大~生物质能材料.doc

生物质能材料班级： 姓名： 学号： 摘 要: 介绍一些常用的生物质能转化方式，包括生物质固体成型技术、生物质液体燃料转化技术以及生物质制取气体技术。同时详细地介绍了秸秆燃烧发电、沼气发电、整体气化发电(BIG)、生物质燃料电池等一些常用的、比较有前景的生物质能发电技术。最后，结合目前国内外生物质能发展现状以及发展中需注意的问题从技术的可行性、经济性等方面做了一些分析。关键词: 生物质能; 发电技术; 转换; 分析Biomass Energy MaterialsAbstract: In this paper, some commonly used ways of biomass energy conversion, including thetechnologies of biomass solid molding, biomass liquid fuel conversion and biomass production of as in two ways, were described. We also introduced in detail some other promising, commonly applied biomass power generation technologies, such as straw burning for power generation, and biomass fuel cells etc.Finally, an analysis was done on the technical feasibility and economical efficiency in the light ofhe present situation of biomass energy development as well as problems needing attention at home and abroad.Key Words: biomass energy; power generation technology; conversion; analysis新能源的含义当今世界，随着人类对传统资源如煤矿等的过度开采和利用，引发了一些环境污染问题，也引起了社会各界人士的广泛关注，如今，能源问题已成为全球关注的重大问题。各大国在经济竞争的同时，也在竞争着对新能源的开发及利用。因而，为了使人类更加合理地利用自然资源，同时也为了国家的可持续发展，新能源材料的研发已经成为国家科技战略的基本内容。（一）新能源概念所谓的新能源是指非传统矿石能源以外的其他能源形式，具有来源上的可再生性以及使用上的低污染性。从上世纪50年代以来，世界各国都开始研究新能源，在风电、太阳能光伏与光热、生物质能发电、潮汐利用等方面取得了一定的成果，初步具备了产业化的条件。（二）新能源主要特点（1）能量密度较低，并且高度分散；（2）资源丰富，可以再生；（3）清洁干净，使用中几乎没有损害生态环境的污染物排放；（4）太阳能、风能、潮汐能等资源具有间歇性和随机性；（5）开发利用的技术难度大。（三）新能源种类1、联合国开发计划署（UNDP）把新能源和可再生能源分为三大类：大中型水电；新可再生能源，包括小水电、太阳能、风能、现代生物质能、地热能和海洋能等；传统生物能。 2、能源和可再生能源是指除常规化石能源和大中型水力发电及核裂变发电之外的生物质能，太阳能，风能、小水电、地热能和海洋能等一次能源以及氢能、燃料电池等二次能源。关于生物质能一、生物质能利用转化方式生物质能是人类利用最早的能源之一。生物质能源主要是指直接或间接地利用自然界的有机物质生产的能源，其具有蕴藏量大、普遍性、易取性、挥发性高、炭活性高、易燃性等特点。在我国，生物质能的主要表现形式有1：农业生产物及农林废物；生活垃圾；工业有机废物等。但我国生物质能利用起步晚、利用方式简单、效率低，因此，开发比较环保、高效燃烧技术对我国农村地区生活水平的提高以及环境的改善显有深远的意义1.1 气体转化利用方式气化方式主要有生物化学法和热化学法两种。生物化学生产可燃气体主要指细菌将原料(有机废物)分解为淀粉和纤维素都等有几大分子，然后将他们直接转化为脂肪酸(乙酸等)，紧接着甲烷化细菌开始起作用进行厌氧消化法生产沼气；热化学法就是将温度加热到600以上，在缺氧的条件下对有机质进行“干馏”这类热解产物与以煤热解十分相似，固体产物为焦炭类似物，气体产物为“炉煤气”类似物，一部分固体物质，再进入裂解炉2(鲁奇法)进行固体物质的裂解或进入二次燃烧室燃烧，炉温可达900以上。这样固体全部转化为气体燃料，便可产生出高质量的气体燃料。气体燃料含有大量的甲烷气体，不但可以直接用于燃烧，还可以用来做燃料电池原料。现在甲烷燃料电池技术已日渐成熟，我们可以从分利用该技术进行生物质能的转化。甲烷燃料电池是化学电池中的氧化还原电池。燃料电池是燃料和氧化剂(一般是氧气)在电极附近参与原电池反应的化学电源。甲烷（CH4）燃料电池就是用沼气（主要成分为CH4）作为燃料的电池，与氧化剂O2反应生成CO2和H2O.反应中得失电子就可产生电流从而发电。美国科学家设计出以甲烷等碳氢化合物为燃料的新型电池,其成本大大低于以氢为燃料的传统燃料电池。燃料电池使用气体燃料和氧气直接反应产生电能,其效率高、污染低,是一种很有前途的能源利用方式。但传统燃料电池使用氢为燃料,而氢既不易制取又难以储存,导致燃料电池成本居高不下。科研人员曾尝试用便宜的碳氢化合物为燃料,但化学反应产生的残渣很容易积聚在镍制的电池正极上,导致断路。美国科学家使用铜和陶瓷的混合物制造电池正极,解决了残渣积聚问题。这种新电池能使用甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等5种物质作为燃料。甲燃料电池 反应方程碱性介质下的甲烷燃料电池负极：CH4+10OH - - 8e-=CO32- +7H2O正极：2O2+8e-+4H2O=8OH-离子方程式为：CH4+2O2+2OH-=CO32-+3H2O总反应方程式为：CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O酸性介质下的甲烷燃料电池：负极：CH4-8e-+2H2O=CO2+8H+正极：2O2+8e-+8H+=4H2O总反应方程式为：2O2+CH4=2H2O+CO2反应情况：1.随着电池不断放电，电解质溶液的碱性减小；2.通常情况下，甲烷燃料电池的能量率大于甲烷燃烧的能量利用率。甲烷燃料电池化学方程式CH4+2O2+2OH-=CO32-+3H20就是CH4在O2中燃烧，生成的CO2和OH-反应生成CO32-的离子反应方程式接着写正极，记住：正极在碱性条件下的反应一定是：O2+4e-+2H2O=4OH-接着将总反应式减去正极反应式就是负极反应式，这里有一点非常重要，就是一定要将O2消去，因为原电池负极发生氧化反应，而O2发生还原反应 故一定要将O2消去将X2 得到 2O2+8e-+4H2O=8OH- 得到CH4-8e-4H2o+2OH-=CO32-+3H2O-8OH-移项的到负极反应式：CH4+10OH-8e-=CO32-+7H20总反应：CH4+2O2+2OH-=CO32-+3H20负极：CH4+10OH-8e-=CO32-+7H20正极：O2+4e-+2H2O=4OH-燃料电池历史燃料电池（Fuel cell），是一种使用燃料进行化学反应产生电力的装置，最早于1839年由英国的Grove所发明。最常见是以氢氧为燃料的质子交换膜燃料电池，由于燃料价格平宜，加上对人体无化学危险、对环境无害，发电后产生纯水和热，1960年代应用在美国军方，后于1965年应用于美国双子星座计划双子星座5号飞船。现在也有一些笔记型电脑开始研究使用燃料电池。但由于产生的电量太小，且无法瞬间提供大量电能，只能用于平稳供电上。发展前景燃料电池是一个电池本体与燃料箱组合而成的动力机制。燃料的选择性非常高，包括纯氢气(H2)、甲醇（CH3OH）、乙醇（CH3CH2OH）、天然气，甚至于现在运用最广泛的汽油，都可以作为燃料电池的燃料。这是目前其他所有动力来源无法做到的。而以燃料电池做为汽车的动力，已被公认是廿一世纪必然的趋势。燃料电池则是以具有可燃性的燃料与氧反应产生电力；通常可燃性燃料如瓦斯、汽油、甲烷（CH4）、乙醇（酒精）、氢等这些可燃性物质都要经过燃烧加热水使水沸腾，而使水蒸气推动涡轮发电，以这种转换方式大部分的能量通常都转为无用的热能，转换效率通常只有约30%相当的低，而燃料电池是以特殊催化剂使燃料与氧发生反应产生二氧化碳（CO2）和水（H2O），因不需推动涡轮等发电器具，也不需将水加热至水蒸气再经散热变回水，所以能量转换效率高达70%左右，足足比一般发电方法高出了约40%；优点还不只如此，二氧化碳排放量比一般方法低许多，水又是无害的产生物，是一种低污染性的能源。甲烷做燃料电池电极方程式溶液甲烷燃料电池的电解质溶液为KOH，生成的CO2还要与KOH反应生成K2CO3，所以总反应为：CH4 + 2KOH+ 2O2 = K2CO3 + 3H2O。负极：CH4 8e- + 10OH- = CO32- +7H2O，正极：2O2 + 4H2O + 8e- = 8OH-沼气发电沼气发电是随着沼气综合利用的不断发展而出现的一项沼气利用技术，它将沼气用于发动机上，并装有综合发电装置，以产生电能和热能的一种有效利用沼气方式。该系统用一个密闭型的热动力装置(BTTPU)6，包括一套沼气发动机、发电机和一台带出热量的热交换器。与现用的液体发酵主要区别在于物料有机质不需要液化过程，在高温厌氧环境下将生物质原料直接装入模块式的密封发酵设备，在渗滤液环流作用下使干燥物料潮湿，经过几周时间，变成甲烷含量达70% 80%的高质量沼气，通过沼气发动机转换成电能以及余热利用1.2 固体利用方式固体利用生物质燃料技术与燃煤发电技术类似，核心问难是生物质入炉前的成型技术。根据成型工艺的差别主要分为湿压成型、热压成型和碳化成型3工艺三种形式：湿压成型工艺主要是将原料在一定液体中浸泡数日，生物质在液体中皱裂并部分降解，然后采用一定方式(通常为高压)将水分挤出，然后成型成为燃料块；热压成型工艺过程与型煤技术类似通常分为原料粉碎、干燥混合、挤压成型以及冷却包装等过程，其中成型方式是核心工艺；碳化成型是将原料送入机器内压缩，后柱塞将压好的块料送入热解桶内，物料在已设好温度的热解桶内被碳化，得到相应的产品。1.3 液体转化利用方式生物质转化液体方式主要有发酵工艺、生物质液化以及机械萃取工艺。发酵主要是指糖类、淀粉含量较高的生物质制取乙醇，其流程为先将生物质碾碎，通过催化酶作用将淀粉、糖类转化为糖，再用发酵剂将糖转化为乙醇，初步得到的乙醇体积分数较低(10% 15%)的产品，蒸馏除去水分和其他一些杂质，最后浓缩的乙醇(一步蒸馏过程可得到体积分数95%的乙醇)冷凝得到液体乙醇4；生物质液化燃油是一种以废弃生物质(如各种废弃农业秸秆、废弃木本植物、草本植物及城市有机垃圾)为原料，经特殊的热化学液化工艺转化、分离所获得的新型、绿色可再生的生物质液体燃料；一些含油率高的能源作物如菜籽、油桐、蓖麻、油菜等可以直接经过机械方式经过压榨、提炼、萃取以及精炼等处理方式得到的液体燃料，对植物油进行酯化处理，经过油脂水解、脂肪酸的酯化、酯交换等过程可生产出品质较好的生物柴油。二、生物质能前景及评价2.1 生物质能技术前景分析(1) 固体直接利用方式锅炉燃烧发电利用方式是技术相对比较成熟的利用方式。如城市活垃圾等资源进行合理的燃烧发电既解决了填埋占用大量土地的问题，又最大限度的利用现有资源，一举两得。同时，由于生物质燃气热值低(约5 023.2 kJm-3)，加之气化炉出口气体温度较高，因此生物质气化联合发电技术的整体效率一般要低于35%。(2) 沼气发电及其综合利用则应该大力推广。我国有着广袤农村地区，每年产生大量的农业秸秆和其他废弃物以及牲畜粪便等大量的有机物，白白浪费太可惜，如能结合先进的技术加以综合利用对我国的能源将会带来莫大益处。(3) 通过蒸馏可将乙醇提纯，1 t 干玉米可以生产450 l 乙醇。淀粉类生物质通常比含糖生物质便宜，但需要进行额外的处理。纤维素的生物质主要是木材、植物的根茎等，由于存在长链的多聚糖分子，转化预处理过程相对复杂，需将纤维素经过几种酸的水解才能转化为糖，然后再经过发酵生产乙醇，故其预处理费用昂贵，。但这种技术目前还不是很成熟，处在研究、完善、论证阶段。2.2 发展生物质能应该注意的问题(1) 作为一种能源形式，其市场前景必然受到成本因素的影响。竞争力衡量的标准是则是单位热值的价格，元GJ-1。但是作为新能源，虽然目前普通的化石燃料相比还有一定的差距，只有少数大规模的项目进行燃料的生产，其生产方式、成本以及环保成本等还没有完全达到我们的期望。随着化石燃料成本的上升，其市场竞争力会进一步加强；(2) 政府再新能源技术引导时，一定要注意一些措施真正落实到位。比如有些新能源企业为了获得项目压低竞标价格，一旦拿到项目就开始慢做、不做或者将生物质燃烧发电改成燃煤发电，同时还拿着国家的补贴；(3) 能源作物作为生物质能原料问题亦需要注意合理发展。用薪柴、木料等直接燃烧则应慎重考虑，一则我国木柴资有限，长此会造成水土流失、土地贫瘠等问题，二则直接燃烧能源转化率相对比较地低的缺点；同时需要注意的是，利用玉米、高粱、小麦等作物作为燃料乙醇的原料应在充分论证下开展，以防与人争地、争粮。生物质热化学方法、生化方法等应加快技术攻关，争最大限度提高利用率；(4) 虽与化石燃料相比，生物质燃料的可持续前景在整体上是肯定的，但是在大规模生产时，必须注意其可能带来的负面影响。在真正