新能源与分布式发电技术

2 7生物质能及其利用 关注的问题生物质是怎么形成的 怎样获得 生物质资源有何特点 我国的生物质资源情况如何 沼气是如何形成的 垃圾能否被利用 生物质燃料的类型和特点 生物质发电有哪些方式 石油树是什么树 海藻和燃料有什么关系 教学目标了解生物质的概念和资源情况 理解其特点和重要性 掌握生物质燃料的类型并了解其生成方式 掌握生物质能发电的原理和主要方式 3 7 1生物质和生物质能 生物质 是指有机物中除化石燃料外所有来源于动 植物和微生物的物质 包括动物 植物 微生物以及由这些生命体排泄和代谢的所有有机物 7 1 1生物质的概念 小知识 光合作用 4 7 1 2生物质的来源 获取生物质的途径大体上有两种情况 一有机废弃物的回收利用 一专门培植作为生物质来源的农林作物 此外 某些光合成微生物也可以形成有用的生物质 5 7 1 2 1农林作物形成的生物质 1 农林作业和加工的废弃物例如 农作物的秸秆 残渣和谷壳 林木的残枝 树叶 锯末 果核 果壳等 2 专门培植的农林作物例如 白杨等薪炭林树种 桉树等能源作物 苜蓿等草本植物 造酒精的甜高粱 产糖的甘蔗 及向日葵等油料作物 此外 海洋和湖泊也提供大量生物质 6 7 1 2 2其它形式的生物质 1 动物粪便动物粪便是从植物体转化而来的 富含有机物 数量也很大 发酵释放大量温室气体 若处理不善 还会对水体造成污染 2 城市垃圾城市垃圾成分比较复杂 居民生活垃圾 办公 服务业垃圾 部分建筑业垃圾和工业有机废弃物都含有大量有机物 猜一猜 平均每个家庭每年会产生多少垃圾 3 有机废水工业有机废水和生活污水 往往也含有丰富的有机物 7 7 1 3生物质能及其特点 生物质能 指蕴藏在生物质中的能量 是直接或间接地通过光合作用 把太阳能转化为化学能后固定和贮藏在生物体内 每年生成的生物质总量达1400 1800亿吨 所蕴含的生物质能相当于目前世界耗能总量的10倍左右 生物质长期以来为人类提供了最基本的燃料 在不发达地区 生物质能在能源结构中的比例较高 例如在非洲有些国家高达60 以上 在当今世界能源消费结构中 仅次于煤炭 石油和天然气 被称为 第四能源 8 作为一种能源资源 生物质能具有如下特点 1 可循环再生 2 可存储和运输 3 资源分散 4 大多来自废物 7 1 3生物质能及其特点 9 7 1 4我国的生物质资源 中国拥有丰富的生物质资源 理论总量有50亿吨左右 1 秸秆等农业生物质每年农作物秸秆产量达7亿吨 可作为能源的约有3亿吨 此外 一些大型米厂每年可收集2000万吨左右的稻壳 分布情况 详见教材 2 林木生物质林木生物质资源大多分布在我国的主要林区 其中西藏 四川 云南三省区的蕴藏量越占全国总量的一半 10 3 禽畜粪便主要来源是大牲畜和大型畜禽养殖场 集约化养殖所产生的畜禽粪便就有4亿吨左右 主要分布在河南 山东 四川 河北等养殖业和畜牧业较为发达的地区 7 1 4我国的生物质资源 4 城市垃圾和废水工业有机废水排放量高达20多亿吨 不含乡镇工业 每年城市垃圾产量不少于1 5亿吨 有机物的含量约为37 5 11 生物质能的主要分布区在西南 东北 河南 山东等地 分布情况 详见教材 我国生物质能的分布与常规能源有一定程度的互补 在一次能源蕴藏量较低的地区往往有开发生物质能的巨大潜力 7 1 4我国的生物质资源 12 7 2生物质能利用概述 7 2 1生物质能利用的历史 自原始农业社会 秸秆和薪柴就一直是主要的燃料 这就是传统生物质能 有时统称薪炭 1860年 薪炭在世界能源消耗中所占比例仍高达73 8 随着化石燃料的大量开发利用 薪炭能源的比例逐渐下降 1973年能源危机的爆发及矿物能源的严重污染 使可再生能源 得到了国际上的广泛重视和发展 更为广泛的生物质来源 更多的生物质能利用方式 逐渐被人类发现并普及应用 专家估计 到21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很大比重 13 7 2 2生物质能利用的形式 生物质能利用 主要是将生物质转变为可直接利用的热能 电能和可存储的燃料 生物质的组成与化石燃料大体相同 利用方式也类似 常规能源的利用技术无需大改 即可应用于生物质能 但生物质的种类繁多 各有不同的属性和特点 应用方式也趋于多样 可能远比化石燃料的利用更复杂 14 7 2 2生物质能利用的形式 15 7 3生物质燃料 7 3 1固体生物质燃料 1 生物质直接燃烧直接燃烧是最古老 最广泛的生物质利用方式 得到的热量 可直接利用 也可进行后续转换 如发电 不过 直接燃烧的转换效率往往很低 与煤炭相比 生物质燃料的特点为 碳氢化合物受热分解挥发分多 释放的能量过半 含氧量多 易点燃 而不需太多氧气供应 密度小 容易充分烧尽 灰渣中残留的碳量小 含碳量少 能量密度低 燃烧时间短 松散 体积大 不便运输 16 2 固体成型燃料以木质素为黏合剂 将松散的秸秆 树枝和木屑等农林废弃物挤压成特定形状的固体燃料 即压缩成型 压缩成型可以解决天然生物质分布散 密度低 松散蓬松造成的储运困难 使用不便等问题 原料主要是锯末 木屑 稻壳 秸秆等 其中含有纤维素 半纤维素和木质素 占植物成分的2 3以上 7 3 1固体生物质燃料 一般将原料粉碎到一定细度后 在一定压力 温度和湿度条件下 挤压成棒状 球状 颗粒状的固体燃料 17 其能源密度相当于中等烟煤 热值显著提高 便于储运 7 3 1固体生物质燃料 2 固体成型燃料 18 气体燃料的优点包括 既可直接燃烧 又能用来驱动发动机和涡轮机 能量转化效率比生物质直接燃烧高 便于运输 等等 1 木煤气可燃的生物质在高温条件下经过干燥 干馏热解 氧化还原等过程后 能产生可燃性混合气体 称为生物质燃气 俗称 木煤气 主要成分有CO H2 CH4 CmHn等可燃气体和CO2 O2 N2等不可燃气体及少量水蒸气 另外 还有由多种碳氧化合物组成的大量煤焦油 7 3 2气体生物质燃料 19 原料多为原木生产及木材加工的残余物 薪柴 农副产物 不同的生物质气化所产生的混合气体成分可能稍有差异 7 3 2气体生物质燃料 1 木煤气 目前常用的生物质燃气发生器 有热裂解装置和气化炉 热裂解是指在隔绝空气或空气不足的不完全燃烧条件下 将生物质原料加热 将生物质大分子中的化学键切断 使其分解为分子量较低的CO2 H2 CH4等可燃气体 气化炉原理 将原料送入炉内 加燃料后点燃 同时通过进气口向炉内鼓风 通过一系列氧化还原反应形成煤气 生物煤气中可燃气体所占比例较低 热值较低 20 人畜粪便 农林废弃物 有机废水等 在密封装置中利用特定微生物分解代谢 能产生可燃的混合气体 称为沼气 主要成分是甲烷 CH4 通常体积占60 70 甲烷的发热值很高 完全燃烧时仅生成CO2和H2O 并释放热能 是一种清洁燃料 1m3沼气的含热量相当于0 8kg标准煤 7 3 2气体生物质燃料 2 沼气 21 利用微生物代谢作用来生产产品的工艺过程称为发酵 沼气发酵又称为厌氧消化 有机物质在一定的水分 温度和厌氧条件下 通过多种微生物的分解代谢 最终形成甲烷和二氧化碳等混合性气体 7 3 2气体生物质燃料 2 沼气 沼气池必须符合多种条件 微生物生存 繁殖 沼气池要密闭 维持20 40 要有充足的养分 发酵原料要含适量水 pH值一般控制在7 8 5 22 7 3 2气体生物质燃料 2 沼气 中国农村推广的沼气池多为水压式沼气池 详见教材 截至2006年底 全国农村约有2200多万户农村家庭已经利用上了沼气能源 尤其是在西部地区 发展更快 沼气发酵技术对工厂废水 城市生活垃圾 农业废弃物等有非常好的处理效果 有积极的环保意义 23 主要包括燃料乙醇 植物油 生物柴油等 都可以直接代替柴油 汽油等由常规液体燃料 生成途径有热裂解 已介绍 和直接液化法等 固态生物质经一系列化学加工过程 转化成液体燃料 称为生物质的直接液化 直接液化得到的产品 物理稳定性和化学稳定性都更好 7 3 3液体生物质燃料 24 乙醇俗称酒精 进一步脱水 含量高于99 6 再加适量的变性剂即可制成燃料乙醇 主要原料 淀粉质原料 甘薯 土豆等 糖质原料 如甜菜等 纤维素原料 例如农作物秸秆 林木加工残余等 7 3 3液体生物质燃料 1 燃料乙醇 25 每千克乙醇完全燃烧时能产生30MJ左右的热量 是一种优质的液体燃料 燃料乙醇的生产成本与汽油和柴油大致相当 产生的环境污染却少得多 经过适当加工 还可再制成乙醇汽油等用途广泛的工业燃料 7 3 3液体生物质燃料 1 燃料乙醇 世界之最 最大的生物质燃料乙醇生产系统 详见教材 利用植物原料生产乙醇产品最早的国家 俄 乙醇燃料开发利用最有特色的国家 巴西 美国汽车用油添加乙醇的也很高 26 利用含油植物的果实 叶 茎 经压榨 提取 萃取和精炼等处理得到的油料 发热量一般可达37 39MJ kg 比柴油稍小 单独使用或与柴油混合 植物油都可在柴油机里直接燃烧 不过直接燃烧会在汽缸中留下未烧完的碳 7 3 3液体生物质燃料 2 植物油 27 来自生物质的原料油经一系列加工处理制成的液体燃料 原料包括植物油脂 动物油酯 废弃食用油等 生产主要以化学法为主 即原料油与甲醇或乙醇在酸 碱或生物酶等催化剂作用下进行酯交换反应 性质与常规柴油相近 是汽油 柴油的优质代用燃料 也可按一定比例与柴油混合使用 7 3 3液体生物质燃料 3 生物柴油 28 7 4生物质能发电简介 7 4 1生物质发电的基本原理 生物质发电是利用生物质直接燃烧或转化为某种燃料后燃烧所产生的热量发电 生物质发电的流程 大致分两个阶段 一般先把各种可利用的生物原料收集起来 通过一定程序的加工处理 转变为可以高效燃烧的燃料 再把燃料送入锅炉中燃烧 产生高温高压蒸汽 驱动汽轮发电机组发出电能 生物质能发电的发电环节与常规火力发电是一样的 所用的设备也没有本质区别 29 生物质能发电的特殊性在于燃料的准备 一般要对生物质进行一定的预处理 如烘干 压缩 成型等 不采用直接燃烧方式的 还需要通过特殊的工艺流程 实现生物质原料到气态或液态燃料的转换 生物质发电涉及原料的收集 打包 运输 贮存 预处理 燃料制备 燃烧过程的控制 灰渣利用等诸多环节 7 4 1生物质发电的基本原理 生物质能发电的同时 常常还可实现资源的综合利用 如余热 灰渣 等等 30 生物质能发电具有如下特点 1 适于分散建设 就地利用 2 技术基础较好 建设容易 3 碳排放比化石燃料少 4 变废为宝 更加环保 7 4 2生物质发电的特点 发展生物质能发电 也有一些问题需要注意 1 转化设备必须安全可靠 2 能源作物需要占用大量土地 31 生物质发电起源于1970s年代 1988年 诞生世界上第一座秸秆生物燃烧发电厂 1992年 英国第一家利用动物粪便的电厂建成 7 4 3生物质发电的发展状况 2000年 欧盟15国电力的1 5 来自生物质能 生物质发电产业保持持续稳定的增长 主要集中在发达国家 但印度 巴西和东南亚等发展中国家也积极研发或者引进技术建设生物质直燃发电项目 32 2004年 世界生物质发电装机已达3900万千瓦 是风电 光电 地热等可再生能源发电量的总和 7 4 3生物质发电的发展状况 欧盟及美国等众多国家已将其列入重点发展及扶植项目 欧盟计划到2010年底 生物质能利用量比2003年翻一番 33 作为农业大国 我国对生物质能发电也极为重视 2003年以来 国家先后核准了若干秸秆发电示范项目 截至2007年底 国家和各省发改委已核准生物质发电项目87个 总装机规模220万千瓦 到2008年增加为 万千瓦 可再生能源中长期发展规划 确定的发展目标 到2020年生物质发电装机 万千瓦 总的说来 生物质能发电行业有着广阔的发展前景 7 4 3生物质发电的发展状况 34 直接燃烧发电 即直接利用处理过的生物质为燃料 而不转换 燃烧所释放的热量在锅炉中生产高压过热蒸汽 通过汽轮机膨胀做功 直接燃烧发电原理和发电过程与常规火电一样 所用的设备也没本质区别 常见原料是秸秆 薪炭木材和其它农林废弃物 设备投资较高 效率较低 将来也很难有明显改善 为提高热效率 可以考虑采取各种回热 再热措施和联合循环方式 7 5生物质能发电技术 7 5 1直接燃烧发电 35 美国在直接燃烧发电方面处于世界领先地位 巴西有独特的生物质燃烧技术 已有近百年的历史 世界之最 最早发展秸秆燃烧发电的国家 最大的秸秆发电厂 7 5 1直接燃烧发电 36 我国每年废弃的农作物秸秆约有1亿吨 如将这些秸秆用于发电 相当于一个 三峡 的发电量 截至2007年底 建成投产的生物质直燃发电项目超过15个 在建项目多个 7 5 1直接燃烧发电 中国之最 第一个具有自主知识产权的秸秆发电项目 最大的生物质直燃发电机组 37 沼气发电就是以沼气为燃料实现的热动力发电 7 5 2沼气发电 发动机排出的余热约占燃烧热量的1 4 由废气热交换器回收用于消化池升温或采暖 能量利用率可达60 以上 沼气发电的规模 50kW以下小型 50 500kW中型 500kW以上大型 38 沼气发电始于1970s年代初期 美国有许多成熟的技术和工程 处于世界领先水平 欧洲单机容量可2MW 每方填埋沼气的发电量接近2度 沼气发电在我国也受到重视 目前0 8kW 5MW的沼气发电机组均已投产 7 5 2沼气发电 世界之最和中国之最 世界最大的垃圾沼气发电厂 中国第一个垃圾沼气发电厂 世界最大的禽畜沼气发电厂 全球大型沼气发电示范工程 39 垃圾发电主要是从有机物废物中获取热量用于发电 从垃圾中获取热量主要有两种方式 一是垃圾经分类处理后 直接在特制焚烧炉内燃烧 一是填埋垃圾在密闭环境中发酵产生沼气 再燃烧沼气 垃圾沼气发电的效率非常低 但发电成本低廉 仍然很有开发价值 小知识 垃圾的成分和发热量 7 5 3垃圾发电 40 垃圾焚烧 可使其体积和重量大幅度减小 减多少 并转换为无害物质 垃圾焚烧发电 是处理垃圾最快捷和最有效的技术方法 近年来在国内外得到了广泛应用 这种方式从原理上看似容易 实际生产流程并不简单 首先要对垃圾进行质量控制 这是垃圾焚烧的关键 一般都要经过较为严格的分选 7 5 3垃圾发电 需要利用特殊的垃圾焚烧设备 也可以焚烧与发酵并用 41 从1970s起 一些发达国家便着手运用焚烧垃圾产生的热量进行发电 7 5 3垃圾发电 我国生活垃圾处理技术起步较晚 近年来也迅速发展 自1985年以来 先后在深圳 珠海 杭州 上海 绍兴等多个城市建成了垃圾焚烧发电厂 截至2007年底 已建成50座垃圾焚烧电厂 还有25座在建 世界之最和中国之最 世界最大的垃圾发电厂 中国第一个垃圾焚烧发电厂 中国第一个国产化的垃圾焚烧发电厂 42 生物质燃气发电 就是将生物质先转