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生物质洁净能源利用技术

文章作者:www.cs-vaccine.com发布时间:2020-04-08浏览次数:1404

生物质能源已被人类重新认识到化石能源的危机和生态平衡的回归。它是储存在生物质中的能量。它是绿色植物通过叶绿素储存在生物质中的能量,将太阳能转化为化学能。生物质能源是世界上仅次于煤炭,石油和天然气的第四大能源消耗。它在整个能源系统中发挥着重要作用。生物质资源不仅储量丰富,而且可再生。目前,世界上的生物质资源约为18.41 x 10.1 t [1]。如果转化为能量,它们相当于目前石油产量的15-20倍。如果这部分资源得到充分利用,人类将拥有取之不尽,用之不竭的资源宝库。

生物质来自二氧化碳(光合作用)并在燃烧后产生二氧化碳,因此当生物质燃烧时,二氧化碳的排放可以被认为是零或甚至减少(考虑到燃烧后植物灰中存在大量的K2CO3) )。因此生物质比化石燃料更清洁。生物质能的缺点是热值低,热效率高,体积大,难以运输,生物质直接燃烧的热效率仅为10%-30%。因此,作为一种高效清洁燃料,必须通过技术加工[3]。

除了替代石油和煤炭等化石燃料外,生物质燃料还具有将废物变为财富,保护环境和资源综合利用的功能。发展生物质有助于减少温室效应,维持良性生态循环,是解决能源和环境问题的有效途径之一。

1国内外生物质能源的利用

目前,生物质能的研究和开发已成为世界的热门话题之一,并引起了世界各国政府和科学家的关注。 1992年世界环境与发展大会之后,欧美国家大力发展生物质能源。北欧国家正在大力发展木材发电,德国正在大力发展沼气。欧盟计划2010年可再生能源比率为12%,每年可替代2000万吨石油,其中生物质成本约为80%。瑞典非常重视废木材的使用,生物质能比已达到20%。法国使用生物质和柴油的甲基酯化来代替石油。美国加速使用燃木动力和燃料乙醇来利用作物和废物。乙醇作为汽车燃料,于1999年明确提出。到2010年,生物制品和生物质能的产量将是目前水平的三倍,生物质能比将达到10%。生物质能源是丹麦主要的可再生能源,2000年。在丹麦,生物质能源约占该国可再生能源的85%。作为世界风力涡轮机的主要供应商,其风能仅占10%。古巴富含甘蔗,大量的甘蔗渣可用于燃烧电力。政府已经与联合国合作。发展组织和世界环境基金会共同开展国际合作。预计将投资1亿美元建设以甘蔗渣为原料的环保型发电厂。预计产生的电能足以供古巴使用。

中国每年的农林废弃物已超过10亿吨,具有广阔的发展前景。生物质能源占农村地区总能耗的近70%,占该国总能耗的近四分之一[1]。沼气在中国的使用历史悠久,在发展中国家处于领先地位。甲醇燃料公共汽车在北京成功通过测试,其他数十辆公共汽车也在进行改装,为“油和烧酒的处理”做准备。据预测,2050年中国生物质能源的开发利用将达到2.75亿吨。煤炭占一次能源供应的8%[3]。

2生物质转化技术的主要能量载体

2.1氢气

作为21世纪的清洁能源,氢气受到政府和研究人员的青睐。今天生产氢气的主要方法是化石燃料制氢,但化石燃料资源有限,环境污染几乎是不可逆转的;水电解制氢技术成熟,但能耗高,在电力需求旺盛的国家,电解水的制氢成本相当高。目前,许多研究人员对生物质氢生产非常感兴趣。 Willams.R.H评估生物质制氢的成本。在考虑了氢生产的社会和经济效益之后,氢的生物质生产将是生产氢的最便宜的方式。生物质制氢主要包括生物质热化学气化制氢和生物质发酵制氢。

2.1.1生物质气化制氢

生物质气化是指在气化介质(例如空气,纯氧,水蒸气或三者的混合物)中将预处理的生物质加热至高于700℃的温度,以将生物质分解成合成气。生物质气化的主要产物是氢气,一氧化碳,甲烷和少量二氧化碳和氮气。气体混合物的组成随气化温度,压力,气化停留时间和催化剂而变化。气化反应器的选择也是决定混合物组成的重要因素。与常见的生物质气化制氢形式不同,有超临界水生物质催化气化制氢和等离子体热解气化制氢。

超临界水生物质催化气化制氢是一种新型高效的制氢技术。采用超临界水可溶解大部分有机物和气体,具有密度高,粘度低,运输能力强,可达100%的特点。该物质的气化率,气体产品中氢气的体积百分比甚至超过50%,反应不产生焦油和木炭等副产物,不会造成二次污染。

等离子体用于生物质转化也引起了许多研究人员的关注。典型的电弧等离子体的特征在于可以达到数万度的极高温度,并且还包含多种活性物质,例如带电离子,中性离子和电子。在氮气氛中通过电弧等离子体热解生物质后,产物的主要组分是氢气和一氧化碳。

2.1.2生物质发酵生产氢气

通过微生物发酵产生氢气不仅可以利用生物质中的化学键,还可以利用光能。氢的产生通常与能量代谢过程一起进行。氢可以在常温常压下通过微生物酶促反应产生。在过去的20年中,用于从生物质中产生氢的微生物主要是光合细菌,但由于有机酸的来源,该技术的工业应用受到限制。 2000年,美国年产量为248亿立方米,已达到市值1000亿美元。

2.2乙醇

生物质向乙醇的转化主要是热化学转化和生物转化。

2.2.1热化学转化为乙醇生产

通过热化学转化生产乙醇主要是指在一定的温度,压力和时间控制条件下将生物质转化为液体燃料乙醇。生物质气化产生中等热量的燃料油和可燃气体(一氧化碳,氢气,小分子烃),并且重新形成所得的气体组分,即调节气体的比例以使其最适合于合成。液体燃料乙醇(或甲醇,乙醚,汽油等)可通过催化合成获得。

2.2.2生物转化生产乙醇

乙醇是生物质发酵制备能量载体的主要目标产物之一。最常用的产乙醇微生物是酵母。传统的酵母发酵方法以谷物或甘蔗糖蜜为原料。这种制备燃料乙醇的技术已经成熟并具有大规模应用。对于含有大量纤维素的植物,正在开发将纤维素水解成糖。在生产乙醇的过程之后,用转基因酵母发酵生产乙醇的技术也正在开发用于木糖,其仅次于植物中的糖。

美国和巴西都在汽车燃料中使用燃料乙醇。 2000年,巴西甘蔗燃料乙醇总产量达到793万吨,约占该国汽油消费量的三分之一。除了发酵玉米生物质以生产乙醇外,美国还资助从生物质燃料废物中开发燃料乙醇。 Logen委托世界上最大的纤维素废物(麦秆,大麦秸秆等)生产乙醇的工厂。该公司现在使用乙醇以每升约29美分的成本生产乙醇,这项新技术有望将未来的工业生产成本降低至约23.78美分/升[7]。美国希望在2030年生产850亿升乙醇,价格将降至14美分/升[1]。中国已在“十五”计划中纳入燃料乙醇项目的生产,并将全面推广乙醇汽油在车辆上的使用,并正式颁布了“变性燃料乙醇”和“汽车乙醇汽油”两项国家标准。近年来,中国已开始大力推进玉米乙醇的工业化生产。吉林省投资29亿元建设年产60万吨燃料乙醇。该项目于2001年获得批准,河南和安徽也正在对这些项目进行研究。

2.3沼气

沼气技术已广泛应用于污水处理,堆肥,人畜凋落物,农作物秸秆和食物垃圾处理。该过程是将生物质有机废物放入容器中并与细菌混合,细菌将迅速进入容器中。繁殖,细菌在分解过程中释放甲烷,氨和二氧化碳。据报道,印度于1981年开始利用畜禽粪便生产沼气来制定农村沼气国家发展计划。在该计划的指导下,每年约有118万个新的沼气池。位于美国俄克拉荷马州的一家热回收处理厂建造了一座将牛粪转化为沼气的生产厂。 10万头牛粪每天可以转化为5×104立方米的沼气,可以满足近3万户家庭的需求。使用[2]。中国在应用沼气方面有着悠久的历史。全国已建成近1000个工业废水,畜禽粪便沼气工程,产能约6亿立方米/年。农村沼气用户数已超过688万,发展规模和技术水平不断提高。中国处于领先地位[3]。

2.4生物柴油

从植物种子如向日葵,大豆,油菜籽,棕榈,椰子等中提取的植物油可以在用甲酯酰化后由柴油发动机使用,并且被称为生物柴油。生物柴油具有许多优异的品质:高氧含量,低硫含量,良好的分解性能,高燃烧效率,以及优于石油柴油的润滑性能。它可以减少发动机磨损,高闪点(160°C)和存储。运输和使用更安全。生物柴油还具有良好的环保性能,有利于减少空气污染。

2001年,欧盟的生物柴油产量达到100万吨,美国从过去三年的1500吨猛增到2001年的6万吨。2001年,日本的Moz Mie公司开发了一种用废弃食用油制造生物柴油的装置。废食用油的日消耗量为1200L,油的回收率为80%-85%。京都市于2002年4月投资1.9亿日元建设了一家生产5000升废弃食用油以生产生物柴油的工厂。它于2003年投入生产后主要用于城市公交车和垃圾车。近年来,美国可再生能源实验室应用现代技术开发海洋微藻。其室外栽培表明其脂质含量高达40%。该产品可将生物柴油从每英亩1至2.5吨精炼。

2.5生物质发电

生物质发电包括直接燃烧发电和生物质气化发电。直接燃烧发电是指利用工业锅炉将生物质能转化为高质量的能源。生物质气化发电技术的基本原理是将生物质转化为可燃气体,然后利用可燃气体驱动燃气发电设备发电。它不仅可以解决难以燃烧和分配生物质的缺点,而且可以充分利用紧凑型燃气发电设备的优点,减少污染。因此,气化发电是生物质能最有效,最清洁的利用方法之一。

美国在这方面的工作比较先进。有超过350个生物质发电厂,总装机容量为700兆瓦,提供约66,000个工作岗位。据科学家估计,到2010年,生物质发电量将达到MW装机容量,可安排17万多名就业人员[8]。瑞典和丹麦实施了一项利用生物质进行热电联产的计划,使生物质能够满足供热需求,同时提供高品质的电能。 2002年,日本提出计划在2010年产生33万千瓦的生物质发电量。中国的“十五”国家科技计划研究计划建议推进10兆瓦级以上发电站的建设,以及发电成本约0.25元/千瓦时。中国科学院广州能源研究所早期研究了生物质能的发展。最近,开展了4MW生物质气化气体蒸汽一体化联合循环发电示范工程的设计,取得了良好的效果。该示范项目位于。江苏省镇江市丹徒经济技术开发区

2.6其他能源载体

生物质能转换技术有许多能量载体。除上述之外,还有其他形状的燃料,例如固化燃料,热分解的液化燃料,以及气化后合成的液体燃料(甲醇,二甲醚)。随着科学技术的进步,人类在生物质能的开发和应用方面肯定会有新的进展。

3结论

(1)生物质能在人类经济发展和维持生态平衡方面发挥着重要作用,是一种古老而新兴的能源。政府应该指导这一政策,旨在发展新的生物质能源产业,加强行业管理,并通过税收和其他经济手段将能源的外部社会和环境成本纳入能源成本,以提高能源质量。竞争力。加强科研开发,借鉴国外成功经验,尽快在生物质能源应用方面达到国际先进水平。

(2)中国的森林覆盖率仅为13%[9],生态条件相当薄弱,有必要适应当地条件,利用现代生物技术加速木柴林的发展,种植快速生长的大型森林耕地确保充足的可再生生物质材料。其次,首先要选择农业废弃物(秸秆等)作为技术改造的资源,使农牧民能够干预能源市场,获得稳定的收入,提高全民生活质量,改善生活。人类的环境。

(3)实现生物质能转换技术的多样化发展,大力推进农村沼气利用技术的应用,加快以非食品生物质为原料的燃料乙醇生产研究,开发具有自主知识分子的实用技术。产权保护中国的能源安全和经济繁荣,利用中国现有的资源优势,深入开发生物质清洁能源。