生物质的热化学转换

生物质热化学转换和生物化学转换 陈帆 热化学转换 直接燃烧 生物化学转换 生物质能的利用 生物质的热化学转换 生物质的热化学转换是指在一定的温度和条件下 使生物质汽化 炭化 热解和催化液化 以生产气态燃料 液态燃料和化学物质的技术 生物质气化技术与直接燃烧的区别 在原理上 气化和燃烧都是有机物与氧发生反应 其区别在于 燃烧过程中氧气是足量或者过量的 燃烧后的产物是二氧化碳和水等不可再燃的烟气 并放出大量的反应热 即燃烧主要是将生物质的化学能转化为热能 而生物质气化是在一定的条件下 只提供有限氧的情况下使生物质发生不完全燃烧 生成一氧化碳 氢气和低分子烃类等可燃气体 即气化是将化学能的载体由固态转化为气态 相比燃烧 气化反应中放出的热量小得多 气化获得的可燃气体再燃烧可进一步释放出其具有的化学能 生物质气化的历史 生物质气化技术首次商业化应用可追溯1833年 当时是以木炭作为原料 经过气化器生产可燃气 驱动内燃机应用于早期的汽车和农业灌溉机械 第二次世界大战期间 生物质气化技术的应用达到了高峰 当时大约有100万辆以木材或木炭为原料提供能量的车辆运行于世界各地 我国在20世纪50年代 由于面临着能源匮乏的困难 也采用气化的方法为汽车提供能量 20世纪70年代 能源危机的出现 重新唤起了人们对生物质气化技术的兴趣 以各种农业废弃物 林业废弃物为原料的气化装置生产可燃气 可以作为热源 或用于发电 或生产化工产品 如甲醇 二甲醚及氨等 种类 生物质气化炉 生物质气化炉是气化反应的主要设备 生物质气化技术的基本应用方式主要有以下四个方面 供热 供气 发电和化学品合成 生物质气化供热是指生物质经过气化炉气化后 生成的生物质燃气送各入下一级燃烧器中燃烧 为终端用户提供热能 此类系统相对简单 热利用率较高 气化率可达70 以上 热效率也可达85 原理 不同生物质的反应过程也有差异 常见气化炉反应可分为氧化层 还原层 裂解层和干燥层 1 氧化反应生物质在氧化层中的主要反应为氧化反应 气化剂由炉栅的下部导入 经灰渣层吸热后进入氧化层 在这里通过高温的碳发生燃烧反应 生成大量的二氧化碳 同时放出热量 温度可达1000 1300摄氏度 在氧化层进行的燃烧均为放热反应 这部分反应热为还原层的还原反应 物料的咧解及干燥提供了热源 2 还原反应 在氧化层中生成的二氧化碳和碳与水蒸气发生还原反应 3 裂解反应区 氧化区及还原区生成的热气体在上行过程中经裂解区 将生物质加热 使在裂解区的生物质进行裂解反应 4 干燥区 经氧化层 还原层及裂解反应区的气体产物上升至该区 加热生物质原料 使原料中的水分蒸发 吸收热量 并降低产生温度 生物质气化炉的出口温度一般为100 300 氧化区及还原区总称气化区 气化反应主要在这里进行 裂解区和干燥区总称为燃料准备区 生物质气化集中供气 生物质气化集中供气技术是指气化炉生产的生物质燃气 通过相应的配套设备 为居民提供炊事用气 其基本模式为 以自然村为单元 系统规模为数十户至数百户 设置气化站 铺设管网 通过管网输送和分配生物质燃气到用户家中 生物质气化发电 生物质气化发电技术又称生物质发电系统 简单地说 就是将各种低热值固体生物质能源资源 如农林业废弃物 生活有机垃圾等 通过气化转换为生物质燃气 经净化 降温后进入燃气发电机组发电的技术 发电方式 生物质气化发电可通过三种途径实现 生物质气化产生燃气作为燃料直接进入燃气锅炉生产蒸汽 再驱动蒸汽轮机发电 也可将净化后的燃气送给燃气轮机燃烧发电 还可以将净化后的燃气送入内燃机直接发电 在发电和投资规模上 它们分别对应于大规模 中等规模和小规模的发电 在商业上最为成功的生物质气化内燃发电技术 由于具有装机容量小 布置灵活 投资少 结构紧凑 技术可靠 运行费用低廉 经济效益显著 操作维护简单和对燃气质量要求较低等特点 而得到广泛的推广与应用 生物质气化发电技术是生物质清洁能源利用的一种重要方式 几乎不排放任何有害气体 在我国很多地区普遍存在缺电和电价高的问题 近几年这一状况更加严重 生物质发电可以在很大程度上解决能源短缺和矿物燃料燃烧发电的环境污染问题 近年来 生物质气化发电的设备和技术日趋完善 无论是大规模还是小规模均有实际运行的装置 生物质热解 生物质热解 又称热裂解或裂解 是指在隔绝空气或通入少量空气的条件下 利用热能切断生物质大分子中的化学键 使之转变为小分子物质的过程 根据热解条件和产物的不同 生物质热解工艺可以分为以下几种类型 烧炭 将薪炭放置在炭窑或烧炭炉中 通入少量空气进行热分解制取木炭的方法 一个操作期一般需要几天 干馏 将木材原料在干馏釜中隔绝空气加热 制取醋酸 甲醇 木焦油抗聚剂 木馏油和木炭等产品的方法 热解液化 把林业废料及农副产品在缺氧的情况下中温 500 650 快速加热 然后迅速降温使其冷却为液态生物原油的方法 生物质直接液化 生物质直接液化是在较高压力下的热化学转化过程 温度一般低于快速热解 热体产物的高位热值可达25 30MJ kg 明显高于快速热解液化 但因其技术成本高目前还难以商业化 生物质的生物化学转换 生物质生化转化是依靠微生物或酶的作用 对生物质进行生物转化 生产出如乙醇 氢 甲烷等液体或者气体燃料的技术 主要针对农业生产和加工过程的生物质 如农作物秸秆 畜禽粪便 生活污水 工业有机废水和其他有机废弃物等 生物质的生物化学转换包括有生物质 沼气转换和生物质 乙醇转换等 沼气转化是有机物质在厌氧环境中 通过微生物发酵产生一种以甲烷为主要成分的可燃性混合气体即沼气 乙醇转换是利用糖质 淀粉和纤维素等原料经发酵制成乙醇 生物质水解发酵 发酵法采用各种含糖 双糖 淀粉 多糖 纤维素 多缩己糖 的农产品 农林业副产物及野生植物为原料 经过水解 水解 使某一化合物裂解成两个或多个较简单化合物的化学过程 发酵使双糖 多糖转化为单糖并进一步转化为乙醇 发酵原理 酒精的发酵过程中 酵母菌进行的是属于厌氧型发酵 进行着无氧呼吸 发生了复杂的生化反应 从发酵工艺来讲 既有发酵醪中的淀粉 糊精被糖化酶作用 水解生成糖类物质的反应 又有发酵醪中的蛋白质在蛋白酶的作用下 水解生成小分子的蛋白胨 肽和各种氨基酸的反应 这些水解产物 一部分被酵母细胞吸收合成菌体 另一部分则发酵生成