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      生物質(zhì)能利用的研究現(xiàn)狀及特點(diǎn)

      2011-05-24 09:20:28史方芳
      山東電力技術(shù) 2011年5期
      關(guān)鍵詞:生物質(zhì)能燃?xì)廨啓C(jī)氣化

      史方芳

      (山東交通學(xué)院,山東 濟(jì)南 250023)

      0 引言

      生物質(zhì)是植物通過光合作用生成的有機(jī)物,作為清潔的可再生能源,由于在生物質(zhì)生成過程吸收二氧化碳,屬于廢物利用,生物質(zhì)能的利用已成為全世界的共識。作為能源利用的生物質(zhì)能主要有農(nóng)作物、油料作物、林木、木材加工生產(chǎn)的殘余物、農(nóng)副產(chǎn)品加工的廢渣、城市生活垃圾中的部分生物廢棄物。20世紀(jì)70年代中期,全球性能源危機(jī),可再生能源,重新引起了人們的重視。化石燃料的使用是大氣污染的主要原因,而使用大自然饋贈的生物質(zhì)能,幾乎不產(chǎn)生污染,生物質(zhì)能的開發(fā)得到越來越多國家的重視,生物質(zhì)能的開發(fā)利用研究也成為世界性的熱門研究課題。美國、日本、加拿大等國家氣化技術(shù)已得到很大發(fā)展,巴西、美國等用甘蔗、玉米等提取乙醇,作為汽車燃料;加拿大有很多實(shí)驗(yàn)室和大學(xué)開展了生物質(zhì)的氣化技術(shù)研究;英國也開發(fā)了適合生物質(zhì)能發(fā)電的燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)和高效氣化技術(shù)。我國未來的能源形勢十分嚴(yán)峻,人均一次能源及其有限。我國擁有豐富的生物質(zhì)資源,若采用新技術(shù)來利用這些生物質(zhì)能,并提高它的利用率,不僅能節(jié)約大量礦物燃料,又可改善生態(tài)環(huán)境。

      1 生物質(zhì)能利用的主要技術(shù)

      生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)換技術(shù)包括化學(xué)轉(zhuǎn)換、物理轉(zhuǎn)換和生物轉(zhuǎn)換,圖1所示。

      圖1 生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換技術(shù)及產(chǎn)品

      1.1 化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)

      生物質(zhì)化學(xué)轉(zhuǎn)換包括燃燒、液化、氣化、熱解等方法。其中,最簡單的利用方法是直接燃燒。但是,直接燃燒煙塵大、熱效率低、能源浪費(fèi)大。除農(nóng)村外,一般在城鎮(zhèn)不提倡直接燃燒的方法。生物質(zhì)熱解技術(shù)是生物質(zhì)受高溫加熱后,其分子破裂而產(chǎn)生可燃?xì)怏w(一般為CO、H2、CH4等的混合氣體)、液體(焦油)及固體(木炭)的熱加工過程。采用直接熱解液化方法可將生物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)樯锶加?。?jù)估算,生物燃油的能源利用效率約為直接燃燒物質(zhì)的4倍,若將生物燃油作為汽油添加劑,其經(jīng)濟(jì)效益更加顯著。 生物質(zhì)氣化是指將固體或液體燃料轉(zhuǎn)換為氣體燃料的熱化學(xué)過程。生物質(zhì)與煤相比,揮發(fā)分含量高,灰分含量少,固定碳含量雖少但活性卻比煤的高許多。因此,生物質(zhì)通過氣化之后加以利用,比煤氣化后再利用的效果要好。

      1.2 生物質(zhì)物理轉(zhuǎn)換技術(shù)

      生物質(zhì)熱解技術(shù)主要指生物質(zhì)壓制成型技術(shù)。將農(nóng)林剩余物進(jìn)行粉碎烘干分級處理,放入成型擠壓機(jī),在一定的溫度和壓力下形成較高密度的固體燃料——壓塊細(xì)密成型技術(shù)。該方法使用專用技術(shù)和設(shè)備,在農(nóng)村有很大的推廣價值。

      1.3 生物化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)

      該技術(shù)主要是利用生物質(zhì)厭氧發(fā)酵生成沼氣(一種可燃的混合氣體,其中CH4占55%~70%,CO2占25%~40%)和在微生物作用下生成酒精等能源產(chǎn)品。包括厭氧發(fā)酵制取沼氣、微生物制取酒精、生物制氫、生物柴油等。

      2 生物質(zhì)能氣化技術(shù)

      生物質(zhì)氣化是指固態(tài)生物質(zhì)原料在高溫下部分氧化的轉(zhuǎn)化過程。所謂氣化是指將固體或液體轉(zhuǎn)化為氣體燃料的熱化學(xué)過程。為了提供反應(yīng)的熱力學(xué)條件,氣化過程需要供給空氣或氧氣,使原料發(fā)生部分燃燒。盡可能將能量保留在反應(yīng)得到的可燃?xì)庵?,氣化后的產(chǎn)物是含H2、CO及低分子CmHn等可燃性氣體。所用氣化劑不同,得到的氣體燃料也不同。目前應(yīng)用最廣的是用空氣作為氣化劑,產(chǎn)生的氣體主要作為燃料,用于鍋爐、民用爐灶、發(fā)電等場合。通過生物質(zhì)氣化可以得到合成氣,可進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)榧状蓟蛱釤挼玫綒錃?。整個過程分為干燥、熱解、氧化和還原。

      干燥過程:生物質(zhì)原料進(jìn)入氣化器后,在熱量的作用下,首先被干燥。大約被加熱到200~300℃,原料中水分首先蒸發(fā),產(chǎn)物為干原料和水蒸氣。

      熱解反應(yīng):當(dāng)溫度升高到300℃以上時開始發(fā)生熱解反應(yīng)。熱解是高分子有機(jī)物在高溫下吸熱所發(fā)生的不可逆裂解反應(yīng)。大分子碳?xì)浠衔锏奶兼湵淮蛩?,析出生物質(zhì)中的揮發(fā)物,只剩下殘余的木炭。熱解反應(yīng)析出揮發(fā)分主要包括水蒸氣、氫氣、一氧化碳、甲烷、焦油及其他碳?xì)浠衔铩?/p>

      氧化反應(yīng):熱解的剩余物木炭與被引入的空氣發(fā)生反應(yīng),同時釋放大量的熱以支持生物質(zhì)干燥、熱解及后繼的還原反應(yīng)進(jìn)行,氧化反應(yīng)速度較快,溫度可達(dá)1 000~1 200℃,其他揮發(fā)分參與反應(yīng)后進(jìn)一步降解。

      還原過程:還原過程沒有氧氣存在,氧化層中的燃燒產(chǎn)物及水蒸氣與還原層中木炭發(fā)生還原反應(yīng),生成氫氣和一氧化碳等。這些氣體和揮發(fā)分組成了可燃?xì)怏w,完成了固體生物質(zhì)向氣體燃料的轉(zhuǎn)化過程。 還原反應(yīng)是吸熱反應(yīng),溫度將會降低到700~900℃。

      3 生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)

      生物質(zhì)氣化發(fā)電是先將生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w。再利用可燃?xì)馔苿尤細(xì)獍l(fā)電設(shè)備發(fā)電。燃?xì)獍l(fā)電過程包括三方面:一是生物質(zhì)氣化,把固體生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣體燃料;二是氣體凈化,氣化出來的燃?xì)舛紟в幸欢ǖ碾s質(zhì),包括灰分、固體顆粒、焦油及冷凝物等,需經(jīng)過凈化系統(tǒng)把雜質(zhì)除去,凈化后的氣體即可用于發(fā)電;三是燃?xì)獍l(fā)電,通常采用蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)及內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行發(fā)電。生物質(zhì)氣化發(fā)電的過程如圖2所示。

      經(jīng)預(yù)處理(以符合不同氣化爐的要求)的生物質(zhì)原料,由進(jìn)料系統(tǒng)送進(jìn)氣化爐內(nèi)。由于有限提供氧氣,生物質(zhì)在氣化爐內(nèi)不完全燃燒,發(fā)生氣化反應(yīng),生成可燃?xì)怏w,然后經(jīng)過凈化用于發(fā)電。通常采用蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)及內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行發(fā)電。生物質(zhì)氣化發(fā)電有三種方式。

      圖2 生物質(zhì)氣化發(fā)電過程圖

      在蒸汽鍋爐內(nèi)燃料燃燒生產(chǎn)蒸汽帶動蒸汽輪機(jī)發(fā)電。這種發(fā)電方式在原理上與燃煤的火力發(fā)電沒什么區(qū)別。對氣化氣要求不很嚴(yán)格,氣化氣在鍋爐內(nèi)直接燃燒,產(chǎn)生蒸汽,再用蒸汽推動汽輪機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。

      在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃燒帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。內(nèi)燃機(jī)發(fā)電系統(tǒng)以簡單的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)為主,可單獨(dú)燃用低熱值的燃?xì)?,也可以燃?xì)?、油兩用,前者使用方便,后者工作穩(wěn)定性好,效率較高。該系統(tǒng)屬于小型發(fā)電裝置。

      在燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)燃燒帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。它采用燃?xì)廨啓C(jī),燃?xì)庑柙鰤海駝t發(fā)電效率較低,由于燃?xì)廨啓C(jī)對燃?xì)庖蟾卟⑶倚枰休^高的自動控制水平,所以單獨(dú)采用燃?xì)廨啓C(jī)的生物質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)較少。多采用燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng),這種系統(tǒng)可以有效提高發(fā)電效率,是目前重點(diǎn)研究和推廣的。

      4 結(jié)語

      我國生物質(zhì)能源利用的研究起步較晚,雖然經(jīng)過多年的發(fā)展,產(chǎn)生了一定的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益,但和國外相比,仍然存在差距。我國是農(nóng)業(yè)大國,生物質(zhì)資源非常豐富,而且價格相對便宜,生物質(zhì)資源的有效開發(fā)利用,不僅能解決能源短缺,節(jié)約大量的礦物燃料,還能有效減少溫室氣體的排放。綜上所述,生物質(zhì)能源作為可再生的潔凈能源其開發(fā)利用勢在必行,無論從廢棄資源回收或能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換,還是從環(huán)境的改善和保護(hù)等方面均具有重大的意義。

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