新能源与节能技术5-生物质能

第五章生物质能生物质能简介

太阳是地球上一切能量和生命的基本源泉。绿色植物本身不仅能吸收而且还能贮备太阳的能量，就是说，绿色植物具有“固定”大阳能的特性，也即它能利用太阳光能进行光合作用，把二氧化碳和水合成储藏能量的有机物(糖类)，并释放出氧气来。利用这些物质就可以开发出能源，故人们称之为“绿色能源”。因此生物能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式，一种以生物质为载体的能量，它直接或间接地来源于植物的光合作用，在各种可再生能源中，生物质能是独特的，它是贮存的太阳能，更是一种唯一可再生的碳源，可转化成常规的固态、液态和气态燃料。

生物质能存在于生物质。所谓生物质就是在有机物中除矿物燃料外，所有来源于植物、动物和微生物的可再生的物质。动物要以植物为生，而植物则通过光合作用把太阳能转变为生物质的化学能。因此，从根本上说，一切生物质能都是来源于太阳能。生物质也称为“生物量”，“生物量”是生态学中的一个术语，用以表示生物体及由于它的活动而生成的有机物总体。而这些有机物可以用作能源。生物质能简介生物质是仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源，在整个能源系统占有重要地位。生物质能一直是人类赖以生存的重要能源之一，就其能源当量而言，是仅次于煤、油、天然气而列第四位的能源，在世界能源消耗中，生物质能占总能耗的14％，但在发展中国家占40％以上。生物能的优点提供低硫燃料；提供廉价能源(某些条件下)；将有机物转化成燃料可减少环境公害(例如，垃圾燃料)；与其他非传统性能源相比较，技术上的难题较少。生物能的缺点植物仅能将极少量的太阳能转化成有机物；单位土地面的有机物能量偏低；缺乏适合栽种植物的土地；有机物的水分偏多(50%～95%)。

生物质能前景预测一、局限性及分析

1、作为可再生能源的生物质能是劳动密集型产品，这一点在发展中国家尤其明显。

2、某一设备的使用目的可能会完全不同。

3、利用生物质会对环境造成各种影响。

1）需要和希望保持生物的多样性。

2）需要保持和进一步保护重要的天然景区、著名的自然风光、生态敏感区和重要地区的植物种类。

3）需要机构与规章制度上的制约，进一步加强研究后的开发工作，促进研究人员、制造者和潜在用户之间的更好合作。二、发展前景分析生物质能的开发利用得到迅速发展的条件，可从以下几方面进行分析：

1、成功的实例在过去十几年间，美国利用生物质发电的能力从50MW扩大到9000MW，提高了36倍；巴西的乙醇产量在12年间扩大了20倍，仅在1983~1987年间就有90%以上的汽车利用乙醇燃料。我国辽宁省公主岭市在汽油里加20％的乙醇作为汽车燃料使用。这些例子说明，只要具有成功的经验，使用生物质能源从社会效益和经济效益上都有较大的优越性，就会逐渐得到社会和公众的承认。2、生物质能经济学方面的因素制约生物质能发展的经济因素主要有：1）原料上的竞争；2）外部环境不如常规能源优越；3）缺乏有实效的鼓励政策，尤其是针对造林计划的鼓励政策。总之，在当前的经济条件下特别是与常规能源价格相比，生物质能源的价格是关键。例如，生物质能源在发达国家是一种昂贵的能源，这就是生物质能在发达国家不能获得大规模发展的原因。三、结论

1、加深对可用资源情况的更全面的了解，包括对资源未来潜力的了解，同时掌握因土地用于其他目的而可能产生的不利因素；

2、调查和研究现有的生物质能技术应用效果的真实程度，因地制宜地制订切实可行的发展计划；

3、正确认识生物质资源利用的经济性问题；

4、必须重视生物质能源的开发和利用；

5、进一步加强地区和国家间的合作。生物质能的来源柴薪薪柴生物质一般包括树木，秸杆等。这些绿色植物，既可作为纤维素用以转化为液态和气态燃料，也可直接燃烧。薪柴生物质至今仍是许多发展中国家的重要能源。但由于柴薪的需求导致林地日减，应适当规划与广泛植林。林木伐区剩余物：每采伐100立方米木材，剩余物约占30％，其中，约有15立方米枝杈、梢头，8立方米木截头。1995年中国年生产原木6766.9万立方米，可产生2030.1万立方米的剩余物，若利用率按55％计算，会有1000多万立方米的剩余物可供加工利用。木材加工厂剩余物：中国所有制材厂生产线几乎都是跑车带锯制材生产线。这种制材生产线能加工各种径级、不同形状、内部质量各异的原木，既生产普通锯材又生产专用锯材。但是，这种单一模式的制材生产线不利于节约木材。由于带锯机锯条稳定性差，对修锯和操作技术水平要求高，所以造成带锯制材锯切精度低，使中国锯材规格质量较差，造成了严重的木材浪费。日本也是以带锯制材为主的国家，其锯材规格质量合格率为98％，锯切精度的公差为1毫米时出材率为68.8％，而中国锯材规格质量合格率仅为50％，在公差1毫米范围内绝对出材率为60.165％。

木材剩余物综合统计：中国原木出材率较高，约在80％~60％之间，但锯材到木制品的木材利用率低，只有50％~65％。东北地区锯材到木制品的木材利用率仅为50.15％，即东北地区从原木到木制品的木材利用率仅为34.6％。按全国平均原木出材率为70％、锯材利用率为60％计算，全国各地区木材剩余物数量为3703.57万立方米，约占木材总量的54.73％。秸杆稻壳、稻秸等作为农业废余物，也是农作物通过光合作用而生成的生物质。农业作物的秸杆重量差不多与收获的粮食和经济作物的重量相当。其组成元素主要为碳(40%~46%)、氧(43%~50%)、氢5%~6%)，以及微量磷、氮、硫等。在农村基本上都是把秸杆当作燃料烧掉，不仅热效率很低，能量浪费很大，而且严重影响秸杆还田，使耕地有机质大量损失。像我国农村能源消耗量有50%来源于生物质能源，而其中主要是柴草、秸杆的直接燃烧，每年总量竟有两亿多吨。为提高能源利用率，一是推广先进的节柴灶，热效率可提高到30%，二是推广先进的农村沼气技术，把秸杆作为沼气发酵原料，既可获得优质气体燃料，又可使优质沼渣肥还田，一举两得，这是解决农村能源的重要途径。牲畜粪便，牲畜的粪便，经干燥可直接燃烧供应热能。若将粪便经过厌氧处理，可产生甲烷和肥料。制糖作物，制糖作物可直接发酵，转变为乙醇。水生植物，同柴薪一样，水生植物也可转化成燃料。生物质能的来源城市垃圾，主要成分包括：纸屑（占40%）、纺织废料（占20%）和废弃食物（占20%）等。将城市垃圾直接燃烧可产生热能，或是经过热分解处理制成燃料使用。城市污水，一般城市污水约含有0.02％～0.03％的固体与99%以上的水分，下水道污泥有望成为厌氧消化槽的主要原料。生物质能的利用技术生物质能的利用技术大体上分为直接燃烧技术、物化转化技术、生化转化技术和植物油技术四大类，各类技术又包含了不同的子技术。直接燃烧技术直接燃烧大致可分四种情况：（1）炉灶燃烧；（2）锅炉燃烧；（3）垃圾焚烧；（4）固型燃料燃烧。物化转换技术物化转换技术包括三方面：（1）干馏技术；（2）气化制生物质燃气；（3）热解制生物质油。生化转换技术生物转换技术主要是以厌氧消化和特种酶技术为主。醇能乙醇：现在人们把燃料酒精叫做“绿色石油”，就是由于这种燃料来源于绿色植物。各种水果、甜菜、甘蔗、甜高梁、粮食、木薯、玉米芯、秸杆、稻草、木片、锯屑、草类以及许多含纤维素的原料，都可提取乙醇(酒精)。工艺是利用含糖的原料直接发酵；利用碳水化合物或淀粉间接发酵；木材等纤维素原料酸水解或酶水解。酒精作为燃料，热值比汽油低30%，但密度高，功率比汽油大18%左右，成本与汽油差不少，对环境的污染比汽油、柴油都小得多，用20%的酒精和汽油混合使用，汽车发动机可以不必改装。据1991年最新科学研究表明，生产l加仑酒精需要56000个热量单位，而1加仑酒精至少可以产生76000个热量单位，使有用能量增加20%。若在乙醇里掺入10%的汽油，燃烧后的一氧化碳可大大减少。专家们预测，由于乙醇成本低、能量高、污染少，其需求量将大幅度上升。甲醇：甲醇也是一种可以燃烧而很少污染环境的液体燃料能源。固体生物质气化，再提取甲醇。燃烧效率高、碳氢化合物和一氧化碳排放量小，功率高。比如用甲醇作燃料的汽车，发动机的输出功率可比汽油、柴油车高17%左右，而排出的氮化物只有汽油、柴油车的50%，一氧化碳只有后者的12%。甲醇加热气化，与水蒸汽反应生成氢，氢燃烧驱动燃气轮机发电。用甲醇驱动的汽车(美国)沼气

所谓“沼气”，就是一种可以燃烧的气体，在沼泽地、河流、湖泊、污水渠、下水道等地所冒出的气泡，就是沼气。沼气是一种高效的气体燃料，可以用于生活能源，也可以用于动力能源。有机质在厌氧条件下，经过多种细菌的发酵作用，液化、产酸、气化生成沼气。甲烷60~70%，二氧化碳20~40%，硫化氢、氢、氮、一氧化碳5%。热值高，排放清洁，生产过程同时是治污过程。要求有严格的厌氧环境，足够的菌种，合适的碳氮比，适宜的发酵液浓度，适当的PH值，适宜的温度。

常温发酵的温度为10~30℃，其优点是沼气池不需升温设备和外加能源，建设费用低，原料用量少。中温发酵的温度为35℃左右，这是沼气发酵的最适宜温度，其产气量比常温发酵高出许多倍。高温发酵温度为55℃左右。这种发酵的特点是原料分解快，产气量高，但沼气中的甲烷含量略低于中温和常温发酵，并需消耗热能。

沼气池的种类很多，有池－气并容式的沼气池，池－气分离式沼气池；有固定式沼气池及浮动储气罐式的沼气池。用来建造沼气池的材料也多种多样，有砖、混凝土、钢、塑料等。最常用的池－气并容固定式的沼气池如图所示。

生物质能发电技术一、甲醇发电甲醇发电的优点除了低污染外，其成本低于石油和天然气发电也很有吸引力。利用甲醇的主要问题是燃烧甲醇时会产生大量的甲醛（比石油燃烧多5倍）。而有人认为甲醛是致癌物质，且有毒刺激眼睛，导致目前对甲醇的开发利用存在分歧，应对其危害性进一步进行研究观察。二、垃圾发电垃圾发电技术的关键技术－垃圾焚烧处理厂的设计。垃圾发电技术的关键之一，是垃圾焚烧炉的设计、制造和管理。废物处理厂规模越大，成本越低，效率越高。垃圾发电技术的关键之二，是垃圾的质量管理。由于垃圾中可燃废弃物的质量和数量都随季节和地区的不同而发生变化，发电量稳定性差，导致垃圾发电厂的电力向电力公司出售时“评价”较低，价格偏低。第七章生物质能三、生物质燃气发电生物质燃气（木煤气）发电技术的关键技术是气化炉及热裂解技术。 生物质燃气发电系统如下图所示，它主要由气化炉、冷却过滤装置、煤气发动机、发电机等4大主机构成，其工作流程为首先将生物燃气冷却过滤送入煤气发动机，将燃气的热能转化为机械能，再带动发电机发电。1-煤气发生炉；2-煤气冷却过滤装置；3-煤气发动机；4-发电机；5-配电盘；6-离心过滤器；7-灰分收集器；8-底座；9-燃料输送带；10-生物质燃料生物质燃气发电系统四、沼气发电技术沼气发电技术分为纯沼气电站和沼气－柴油混烧发电站，按规模分为50kW以下的小型沼气电站、50~500kW的中型沼气电站和500kW以上的大型沼气电站。沼气发电系统工艺流程如下图所示。沼气发电系统主要由消化池、汽水分离器、脱硫化氢及二氧化碳塔、储气柜、稳压箱、发电机组(即沼气发动机和沼气发电机)、废热回收装置、控制输配电系统等部分构成。沼气发电系统工艺流程图

沼气发电系统的工艺流程为消化池产生的沼气经汽水分离器、脱硫化氢及脱二氧化碳塔净化后，进入贮气柜，经稳压箱进入沼气发动机驱动沼气发电机发电。发电机所排出的废水和冷却水所携带的废热经热交换器回收，作为消化池料液加温热源或其他再利用。发电机所产出电流经控制输配电系统送往用户。沼气发电系统主要包括以下几部分：

1、沼气发动机特点如下：

1)较高的压缩比。

2)密闭条件下，沼气与空气的混合比在5%~15%之间，一遇火种即引燃并迅速燃烧、膨胀，从而获得沼气发动机理想的工作范围。

3)沼气具有低临界温度（-25.7~48.42℃）和高临界压力（529~582MPa），故沼气在低速燃烧(0.268~0.428m/s)时液化困难，须考虑将沼气发动机的点火期提前。

4)沼气具有较高的热值，可达20~25kJ／m3，相当于0.45~0.55kg柴油，发电量为1.2~1.8kWh／m3，是一种优质价廉的气体燃料。第七章生物质能2、发电机根据具体情况可选用须与外接励磁电源配用的感应发电机和自身作为励磁电源的同步发电机，与沼气发动机配套使用。

3、废热回收装置采用水－废气热交换器、冷却排水－空气热交换器及余热锅炉等废热回收装置回收利用发动机排除的沼气废热(约占燃烧热量的65%~70%)。

4、气源处理须进行疏水、脱硫化氢处理，将硫化氢含量降到500mg/m3以下，并且要经过稳压器使压强保持在1470~2940Pa再输入发动机用。生物质能在燃料油中的应用一、概述由于液体燃料无论和固体燃料或气体燃料相比，具有以下优点：⑴热值高；⑵灰分很少；⑶贮运方便；⑷使用便利。根据长期使用的经验，各种发动机对使用液体燃料的品质也有其共同的要求，即：适当的蒸发性；良好的燃烧性；高度的稳定性；无腐蚀性；良好的低温性和洁净性。除上述各项主要品质外，液体燃料还应该要求毒性小，燃烧产物（即排放产物）对环境尽量少或不产生污染。

由于柴油机的高效率（约比汽油机高出30％）和由此带来的低燃油消耗率、低CO2排放，使世界范围内的车用发动机出现了柴油机化的趋势。柴油机废气中有害成分所占的比例为0.82%，小于汽油机的1.6%，但柴油机的废气量比汽油机大，其原因是柴油机的过量空气系数（1.2~2.2）大于汽油机的过量空气系数(0.8~1.2)。尽管柴油机排放的有害成分比汽油机有所降低，但柴油机排放的NOX和微粒PM仍然对环境造成了很大的危害。柴油机排放的控制技术通常可分为三类：前处理；机内净化；后处理。在对柴油机进行大量机内净化、后处理的试验和研究的基础上，从改善柴油品质的角度来降低柴油机污染物排放具有重要意义。

二、合成生物柴油的配制及检测所谓改质后的柴油即为由0#柴油、添加剂、水三者在反应釜内，采用加温到45℃及微乳技术经搅拌器以500~600转/分速度搅拌一定时间后合成的柴油（称为合成生物柴油）。以前研制的柴油掺水的乳化液多为乳白色，其水颗粒较大，容易分层、出水，存放时间短；另一方面许多研制者片面追求经济效益，掺水的比例过高而导致燃烧时的动力不足、冷启动困难及油水分层等问题。

添加剂分为A剂和B剂两种，A剂为油性添加剂，它由72%植物油酸（是从棉籽油渣、大豆油渣和菜籽油渣中提炼出）的有机体和助燃剂、抗氧化剂、润滑剂等组成，具有润滑、降硫、助燃、抗氧化等特点并具有与柴油基本相同的热值，其运动粘度小，比重与柴油基本相同，因此与柴油的相溶性较好。B剂是水性乳化柴油添加剂，由10种以上非离子表面活性剂与无机化工原料组成，它具有抗腐蚀性能强、促进油品稳定及相溶的特点，使原柴油在含有一定比例的水分子时还能在高温下稳定燃烧，这不但节约了能源，更重要的是降低了尾气排放所造成的污染程度。

该合成生物柴油试制成功后，配制成2种样品

1＃（79.1%、12%、8.9%）

2＃（81.83%、10.05%、8.12%）送交“上海市环保产品质量监督检验总站”对其排放污染物与原柴油进行对比检测，其结果为：在采用了合成生物柴油后，平均下降率为：

CO：13.6%~14.33%；HC：6%~7%；

NOX：11.8%~19.4%；PM：23.4~37.6%。而2＃配方合成生物柴油排放污染物的平均下降率更为显著，特别是微粒PM值的下降率。图1柴油机CO排放特性对比曲线图2柴油机HC排放特性对比曲线图3柴油机NOx排放特性对比曲线图4柴油机PM排放特性对比曲线

柴油机燃烧排放时的污染物中主要是NOX和PM，大量的NOX和PM排放，直接的危害就是造成光化学烟雾或引起人们患上呼吸道疾病。燃用合成生物柴油后，在不同工况下均能降低NOX的含量，这是由于合成生物柴油在气缸内燃烧时，水具有较高的比热，其升温和汽化需吸收一部分热量，使气缸内的温度及氧浓度有所下降。同时，由于合成生物柴油的“微爆”机理使气缸内氧浓度的均匀性得到改善，从而抑制了NOX的生成速度。

推进特性的平均耗油增加率在2.02~4.62g/kWh，负荷特性的平均耗油增加率在1.84~3.68g/kWh。显然，2＃配方合成生物柴油的平均耗油增加率（2.02g/kWh）要比1＃配方合成生物柴油的平均耗油增加率(4.62g/kWh)降低了129%；而在负荷特性时，2＃配方合成生物柴油的平均耗油增加率（1.84g/kWh）要比1＃配方合成生物柴油的耗油增加率(3.68g/kWh)降低了100%。

从2＃配方的合成生物柴油中可以看出，0＃柴油占了81.83%，水为10.05%以及添加剂为8.12%，也就是说，合成生物柴油节约了18.17%的不可再生能源。在推进特性和负荷特性的试验的数据中显示了耗油率的增加，这是由于在合成生物柴油中掺混了10.05%的水而引起热值降低所造成的，但在2＃配方中81.83%的柴油中还有18.17%的添加剂和水，即实际的耗油率应为：推进特性：2.0281.83%=1.65%；负荷特性：1.8481.83%=1.5%。所以，在这二个特性中耗油的增加率都不是很大。图5动力特性的实测耗油率(g/kg·h)

图6动力特性的实际耗油率(g/kg·h)图7动力特性的负荷(Nm)图8动力特性的功率(kW)

合成生物柴油的实际消耗率应为测试去除水及添加剂后纯柴油的消耗率。计算方法如下：式中