聚享游聚享游生 物 质 能 生物质是指由光合作用而产生的各种有机体。光合作用即利用空气中的二氧化碳和土壤中的水，将吸收的太阳能转换为碳水化合物和氧气的过程。? 植物 水 + 二氧化碳 有机体 + 氧 太阳能  国外生物质能展状况举例1  国外生物质能展状况举例2 开发利用生物质能的意义 1、生物质能在工业生产和日常生活中占有相当重要的地位。 目前中国有8.6亿人口居住在农村，农村居民生活用能61%仍靠传统生物质资源；急速发展的乡镇企业所消费的能源已达3.2亿吨标煤，占全国商品能源总消费量的1/4。 生物质今后在我国能源结构中占有非常重要的地位，尤其在农村能源领域，生物质能是其它能源不可代替的。 2、生物质能源是可再生的清洁能源 生物质能是植物通过光合作用合成的，植物的光合作用是燃烧反应的逆过程。而燃烧反应是人类获取和使用能源的主要方式，如果这两个过程能相互匹配，形成完整循环，生物质能源即可取之不尽，用之不竭。 （1）生物质能源对温室气体的减排作用 矿物燃料是把原为固定的碳通过燃烧是其流动化，并以CO2的形式累计与大气环境，造成温室效应。生物质中的碳来自空气中流动的CO2，如果这两个速度有合适的匹配，CO2甚至可以达到平衡，整个生物质能循环就能实现CO2的零排放，从根本上解决矿物能源消耗带来的温室效应问题。 （2）生物质能源对生态环境的保护作用。 生物质资源代替化石燃料，一方面减少了化石燃料的供应量；另一方面可以减少CO2,、SO2、NOx等污染物排放，改善环境质量。 3.生物质物理化学特性 生物质的一些物理特性，如密度、流动性、析出挥发分后的残留碳特性和灰熔点等对生物质气化过程和气化效果也有一定的影响。 4.密度和堆积密度 密度是指单位体积生物质的质量。固体颗粒状物料有两种衡量其密度的方法 （1）物料的真实密度，即通常所说的物质的密度，它是指颗粒间空隙不做物质所占有的体积时计算物质的密度； （2）堆积密度 即把颗粒间空隙算作物质的体积所计算的物质密度，一般在自然堆积的状态下测量，它反映了单位体积物料的质量，对于固定床气化工艺来说，堆积密度对气化反应的影响更大。生物质原料的堆积密度差别较大。一类是包括木材、木炭、棉秸在内的高堆积密度物料，他们的堆积密度在200~350kg/m3之间； （4）自然堆积角 当物料自然堆积时会形成一个锥体，锥体母线与地面的夹角叫做自然堆积角（图4-6）。自然堆积角反映了物料的流动特性，流动性好的物料颗粒在很小的坡度时就会滚落。只能形成很矮的锥体，因此自然堆积角很小。而流动性不好的物料会形成很高的锥体，自然堆积角较大。 虽木材一类原料的自然堆积角一般不超过45℃，在固定床气化炉中依靠重力向下移动顺畅。当下部物料消耗以后，上部原料自然下落补充，形成充实而均匀的反应层。而铡碎的玉米秸和麦秸堆垛以后即使底部被掏空，上面的麦秸依然不下落，这时的自然堆积角已经超过了90℃而成为钝角。在固定床气化炉里容易产生架桥、穿孔现象 图4-6 自然堆积角 （5）炭的机械强度 生物质原料加热后很快析出挥发分，剩余的木炭组成气化炉中的反应层。作为支撑生物质物料颗粒形状的骨架，木炭的机械强度对反应层的构成有重要影响。由木材等硬柴形成的木炭机械强度较高，析出挥发分后几乎可以保持原来的形状，形成孔隙率高而且均匀的优良反应层。 而秸秆炭的机械强度很低，在大量挥发分析出后，不能保持原有形状，容易在反应层中产生空洞，形成不均匀气流，细而散的炭粒降低了反应层的活性和透气性。 （6）灰熔点 在高温下，灰分将变成熔融状态从而形成渣，结在气化炉的内壁上或黏结成难以清除的大渣块。灰分开始融化的温度较灰熔点，灰熔点的高低与灰的成分有关，不同的生物质种类和不同的产地其灰熔点都会有所不同。木材的灰含量很低，对气化炉工作的影响较小， 但用秸秆类原料时应控制反应温度在灰熔点以下。一般生物质原料的灰熔点在900~1050℃范围内，也有一些产地的原料会在850℃以下。 综上所述，各种生物质原料的化学成分变化不大，但是他们的物理特性有较大的差别。如果作为燃料来看，与煤相比有如下几个特点。 1）挥发分高，固定碳低。煤的挥发分一般在20%左右，固定碳在60%左右。而生物质特别是秸秆类生物质，固定碳在20%左右，而挥发分则高达70%左右。 2）生物质原料中氧含量高，因此在干馏或气化过程中都有大量的CO产生，不想没在干馏气化过程产生低CO的煤气。 3）木质类生物质含灰分极低，只有1%~3%,秸秆类生物质含量会稍多一些，但是同煤相比生物质的灰含量是较低的 4）生物质的发热值明显低于煤，一般只相当于煤的1/2~2/3 5）生物质的硫含量极低，有的生物质甚至不含硫。 六、生物质能的利用状况 从目前来看，主要的技术种类分类如图4-7所示，分为直接燃烧技术、物化转换技术和生化转换技术等。 图4-7 生物质技术分类 图4-7（续） 生物质技术分类 1、直接燃烧技术 直接燃烧大致可分炉灶燃烧、抗连灶及地炕燃烧技术、锅炉燃烧、垃圾焚烧和成型燃料燃烧五种情况。炉灶燃烧时最原始的利用方法，一般适用于农村或山区分散独立的家庭用炉，他的投资最省，但效率最低，燃烧效率在10%~20%左右。炕连灶以地炕燃烧技术较炉灶燃烧效率有所提高，可达30%，也是目前北方农村常用的技术。 锅炉燃烧采用了现代化的锅炉技术，适用于大规模利用生物质，它的主要优点是效率高，并且可实现工业化生产。主要缺点是投资高，而且不适于分散的小规模利用，生物质必须相对比较集中才能采用本技术。垃圾焚烧也是采用锅炉技术处理垃圾，但由于垃圾的品位低，腐蚀性强，所以他要求技术更高，投资更大。从能量利用的角度来讲，它也必须规模较大才比较合理。 成型燃料绕烧时把生物质固化成型后再采用传统的燃煤设备燃用，主要优点是所采用的热力设备是传统的定型产品，不必经过特殊的设计或处理，主要缺点是运行成本高，所以他比较适合企业对原有设备进行技术改造时，在不重复投资的前提下，以生物质代替煤，以达到节能的目的。 2、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。 干馏技术主要目的是同时生产生物质炭和燃气，炭和燃气可分别用于不同用途。优点是设备简单，可以生产炭和多种化工产品，缺点是利用率较低 热解制油是通过热化学方法把生物质转化为液体燃料的技术，它的主要优点是可以把生物质制成油品燃料，作为石油产品替代品，用途和附加值大大提高。主要缺点是技术复杂，目前成本仍然太高。 3、 生化转换技术 生物转换技术主要是以厌氧发酵和特种酶技术为主。 （1）厌氧发酵 生产沼气的主要方法。沼气发酵是有机物质（为碳水化合物，脂肪，蛋白质等）在一定温度、湿度、酸碱度和厌氧条件下，经过沼气菌群发酵（消化），生成沼气（甲烷气CH4 ），消化液和消化污泥（富含氮的肥料）。 上述过程就叫沼气发酵或厌氧发酵。它包括小型的农村沼气技术和大型的厌氧处理污水工程。 它的主要优点是提供的能源形式为沼气（CH4），非常清洁，具有显著的环保效益，主要缺点是能源产出低，投资大，所以比较适宜于以环保为目标的污水处理工程获以有机易腐物为主的垃圾的堆肥过程。 生物质原料由炉顶的加料口投入炉内，作为气化剂的空气也由进料口进入炉内。炉内的物料自上而下分为干燥层、热分解层、氧化层、还原层。 图4-5 下吸式固定床气化炉 上吸式固定床气化炉的结构和反应过程如图所示，物料自炉顶加料口投入炉内，气化剂由炉体底部进气口进入炉内参与气化反应，反应产生的气化气自下而上流动，由可燃气出口排出。 图4-6 上吸式固定床气化炉 横吸式固定床气化炉的气化剂由炉子的一侧供给，产生的可燃气从炉子的另一侧抽出，该种炉子所用的原料多为木炭，反应温度很高。该气化炉在南美洲得到了广泛应用 图4-7 横吸式固定床气化炉 生物质燃气灶具是生物质气化集中供气系统的终端设备，也是关键的设备之一，它直接影响到用户的用气效果，也是整个系统成功与否的最终体现。目前全国范围内使用效果较好的生物质燃气灶具是河南省科学院能源研究所研制的JZJ生物质燃气专用灶具。 目前全国范围内使用效果较好的生物质燃气灶具是河南省科学院能源研究所研制的JZJ生物质燃气专用灶具。该灶具的特点:高效节能、低污染;通用性好;着火率高;燃烧稳定性好，不脱火，不回火，无黄焰:坚固耐用，价低质优。它的技术指标也很高，燃气适应范围4.6~6.6MJ/m3 ;额定热量为3.2kW;热效率55%;烟气中的CO含量( a =1时)0.05%;着火率为100%。 JZJ生物质燃气专用灶具.结构示意如图4-8所示 图4-8 JZJ生物质燃气专用灶具 国内在生物质气化及其发电技术领域从事研究工作的主要有中国科学院广州能源研究所、清华大学、浙江大学热能工程研究所、中国林业科学研究院、华中科技大学、山东省科学院和其它一些科研院所。中国科学院广州能源研究所主要对固体生物质气化动力学 固体生物质循环流化床气化器数学模型、生物质中热值气化装置的设计与运行等进行了研究，并且成功研制出1 MW生物质气化发电系统，使我国生物质气化发电技术取得了突破性进展。清华大学对流态化条件下生物质热解气化过程进行了试验和建立模型的研究，同时用混合神经网终模拟生物质气化过程； 浙江大学热能工程研究所从事固定床移动层下吸式生物质气化器的研究；中国林业科学研究院对生物质流态化催化气化进行研究；华中科技大学对生物质流化床气化器气化过程进行实验研究；山东科学院能源所成功研制了玉米芯、麦秸等为原料的XFL型生物质气化机组以及集中供气系统，而且已进入商品化阶段。 3.国外现状 20 世纪70 年代开始,生物质能的开发利用研究已成为世界性的热门研究课题。许多国家都制定了相应的开发研究计划,如日本的阳光计划、印度的绿色能源工程、美国的能源农场和巴西的酒精能源计划,纷纷投入大量的人力和资金从事生物质能的研究开发。国外尤其是发达国家的科研人员作了大量的工作 美国在生物质利用方面处于世界领先地位。据报道,美国有350 多座生物质发电站,主要分布在纸浆、纸产品加工厂和其它林产品加工厂,这些工厂大都位于郊区。发电装机总容量达700 MW , 提供了大约6. 6 万个工作岗位。 据有关科学家预测,到2010 年,生物质发电将达到13 000 MW 装机容量,届时有面积16. 2 万hm2 的能源农作物和生物质剩余物作为气化发电的原料,同时可安排17 万多就业人员。20 世纪70 年代研究开发了颗粒成型燃料,该技术在美国、加拿大、日本等国得到推广应用。 研究开发了专门使用颗粒成型燃料的炉灶,用于家庭或暖房取暖。在北美有50 万户以上家庭使用这种专用取暖炉。美国的颗粒成型燃料,年产量达80 万t 。 奥地利成功地推行建立燃烧木质能源的区域供电计划,目前已有八九十个容量为1 000～2 000 kW 的区域供热站,年供热10 ×109 MJ 。加拿大有12 个实验室和大学开展了生物质的气化技术研究。1998 年8 月发布了由Freel 和Barry A 申请的生物质循环流化床快速热解技术和设备。 瑞典和丹麦正在实行利用生物质进行热电联产的计划,使生物质能在提供高品位电能的同时,满足供热的要求。1999 年, 瑞典地区供热和热电联产所消耗的能源中,26 % 是生物质能。加拿大用木质原料生产的乙醇产量为每年17 万t 。 比利时每年以甘蔗渣为原料制取的乙醇量达3. 2 万t 以上。美国每年以农村生物质和玉米为原料生产乙醇约450 万t , 计划到2010 年,可再生的生物质可提供约5 300 万t 乙醇。 在气化、热解反应的工艺和设备研究方面,流化床技术是科学家们关注的热点之一。 印度Anna 大学新能源和可再生能源中心最近开发研究用流化床气化农林剩余物和稻壳、木屑、甘蔗渣等,建立了一个中试规模的流化床系统,气体用于柴油发电机发电。 1995 年美国Hawaii 大学和Vermont 大学在国家能源部的资助下开展了流化床气化发电工作。Hawaii 大学建立了日处理生物质量为100 t 的工业化压力气化系统,1997 年已经完成了设计。建造和试运行达到预定生产能力。Vermont 大学建立了气化工业装置,其生产能力达到200 t/d , 发电能力为50 MW 。目前已进入正常运行阶段。 日本从20 世纪40 年代开始了生物质成型技术研究,开发出单头、多头螺杆挤压成型机,生产棒状成型燃料。其年生产量达25 万t 左右。欧洲各国开发了活塞式挤压制圆柱及块状成型技术。 美国、新西兰、日本、德国、加拿大等国先后开展了从生物质制取液化油的研究工作。将生物质粉碎处理后,置于反应器内,添加催化剂或无催化剂,经化学反应转化为液化油,其发热量达3. 5 ×104 kJ/ kg 左右,用木质原料液化的得率为绝干原料的50 % 以上。 欧盟组织资助了3 个项目,以生物质为原料,利用快速热解技术制取液化油,已经完成100 kg/ h 的试验规模,并拟进一步扩大至生产应用。该技术制得的液化油得率达70 % , 液化油热值为1. 7 ×104 kJ/ kg 。 欧美等发达国家的科研人员在催化气化方面也作出了大量的研究开发工作,在生物质转化过程中, 应用催化剂,旨在降低反应活化能,改变生物质热分解进程,分解气化副产物焦油成为小分子的可燃气体,增加煤气产量,提高气体热值,降低气化反应温度,提高反应速率和调整气体组成,以便进一步加工制取甲醇和合成氨。 研究范围涉及到催化剂的选择,气化条件的优化和气化反应装置的适应性等方面, 并已在工业生产装置中得到应用。 四、生物质的基本概念 一起有生命的可以生长的有机物质统称为生物质。它包括植物、动物和微生物。各争生物质之间存在着相互依赖和相互作用的关系。生物质对人类有着相互依赖和相互作用的关系。生物质对人类有着广泛而重要的用途：1.用作食物；2.用作工业原料；3.用作能源；4.改善环境、调节气候、保持生态平衡。 从广义上讲，生物质是植物通过光合作用生成的有机物，所以生物质能是太阳能的一种，它的生成过程如下： 6CO2+12H2O C6H12O6+6H2O+6O2 生地球上的绿色植物包括森林、农作物、野生草类等陆生植物和水草、藻类等水生植物，它们以0.25%~5%的能量转换率，每年把太阳辐射到地球表面能量的1%左右，以碳的形式固定下来，生物界的碳通过动植物呼吸、动植物的尸体腐烂经微生物分解、燃烧时产生的CO2重新回到非生物界。 在碳的循环过程中，也进行着能量的循环。绿色植物通过光合作用制造有机物，同时把太阳能以化学能的形式储藏在自己体内。动物以绿色植物为食物，能量也随着有机养料转移到动物体内。古代生物一体埋藏在地下，有些形成了煤炭、石油、天然气等矿物燃料，能量随之转移到煤炭、石油、天然气中。 生物体中含有的能量经过呼吸、体内有机物的分解放出能量，作为生命存在和生理活动的动力。煤炭、石油、天然气和干生物质的燃烧，生物尸体的分解都要放出能量，使能量重新回到自然界。 所谓生物质能，主要是把某些生物质作为一种能源（而不是食物），设法将蕴藏在其中的化学能尽量全部的、集中的释放出来，以满足人类对能源（而不是食物）的需求。 基于这一独特的形成过程，生物质能既不同于常规的矿物能源，又有别于其它新能源，它兼有两者的特点和优势，是人类最主要的可再生能源之一。其特点如下： 1.生物质能资源的大量性和普遍性。生物质是一种到处都有的，普遍而廉价的能源，取材容易，生产过程简单。 2.生物质能是一种理想的可再生能源。只要太阳辐射能存在，绿色植物的光合作用就不会停止，生物质能就永远不会枯竭。 3.生物质能的清洁性。在科学合理的使用下，生物质能不但不会污染环境，而且还有益于环境。生物质能在作为能源被利用的同时可实现二氧化碳的“零排放”。 五、生物质资源 生物质不但数量巨大，而且具体的种类也很多，植物类中最主要也是我们经常见到的有木材、农作物废弃物（秸秆、稻草、麦秸、豆秸、棉花秸、谷壳等）、杂草、藻类等，非植物类中主要有动物粪便、动物尸体、废水中的有机成分、垃圾中的有机成分等。 国内生物质气化技术也在20世纪80年代以后得到了较快发展。20世纪80年代初期，我国研制了由固定床气化器和内燃机组成得稻壳发电机组，形成了200kW稻壳气化发电机组的产品并得到推广。同期中国农业机械研究院，中国林业科学院进行了用固定床木材气化器烘干茶叶，为采暖锅炉供应燃气等尝试 通过农业机械研究院研制了用固定床气化器进行木材烘干技术并得到一定程度的推广。20世纪90年代中期，中国科学院广州能源所进行了流化床气化器的研制，并与内燃机结合组成了流花床气化发电系统，使用木屑的1MW流化床发电系统已经投入商业运行，并取得了较好的效益。 在借鉴国外生物质气化技术的基础上，山东省科学院能源研究所在“七五”期间提出了生物质气化集中供气技术的设想，通过“七五”，“八五”期间的研究和改进，研制成功了秸秆气化机组和集中供气系统中的关键设备，在燃气发生，输配及使用方面形成了配套完整的技术。 1994年建成第一个实际运行的集中供气的试点工程以后，迅速在全国推广，目前全国已经建设了约500个左右的生物质气化集中供气工程。生物质气化集中供气技术在高效利用农村剩余秸秆，减轻由于秸秆大量过剩引起的环境问题，为农村居民供应清洁的生活燃料方面已经开始发挥作用，逐渐成为以低品位生物质原料供应农村现代生活燃气的新事业。 1.生物质气化系统工程 生物质气化技术用于村级集中供气是一个新兴的产业，自1994年在国家科委资助下山东省利一学院能源研究所研制出第一代生物质气机组，到1998年，全国也只有少量的几台机组供用户使用。1998年6月，国家科委、农业部、环境总局在山东济南召开了生物质气化集中供气技术推广现场会以后，这项技术的大规模推广应用才刚刚起步 但大家的注意力大都集中在气化机组的更新换代以及专用灶具的研究与开发上，因而涌现出一大批气化机组及专用灶具的生产企业。通过多年实践应用，使个别生产企业逐渐走向正规化。 比较有代表性的是山东能源所研制并生产的固定床下吸式气化炉及河南省秸秆燃气公司生产的固定床下吸式气化炉都得到了广泛的应用，并且使用效果较好。而河南省能源所研制的JZJ生物质燃气专用灶具更是占据了市场的很大比例。 与此同时，作为生物质气化集中供气系统工程咽喉要道的输配部分，却很少有人问津，导致一大批供气系统的施工企业没有经过正规的设计计算及燃气安全知识的培训而随意施工，无章可循，给用户的人身安全及财产安全带来了极大的隐患。在整个生物质气化集中供气系统工程中，主要存在以下问题: (1)气化站站址选择不当。生物质燃气较之液化石油气、天然气或人工煤气热值低、输送压力低，但其仍属于易燃易爆品，而现有部分气化站设在距用户的安全距离之内，给用户带来安全隐患。 (2)气柜压力调配不当。因生物质燃气集中供气技术主要面对农村，多数农民的经济能力有限，所以考虑减少投资，而不安装输气调压设备，输气压力靠气柜本身的配重来调配。压力过低，用气高峰时，压力不足，无法满足用户用气;压力过高，造成用户灶前压力过大，使灶具火焰脱火而影响用户使用，并且造成资源浪费。 (3)输气管道的管径不合理。现有部分供气管网的施工队，不经过管道水力计算，仅凭其它燃气工程的施工经验进行管道安装。管径过小，用气高峰时，影响用户正常使用;管径过大，一次投资增大，造成资源浪费。 (4)输气管道坡度不合理。因生物质燃气会携带一定的水分进入输气管道，而现有部分管道坡度过小或根本没有坡度，使管道内的积水无法排出，会导致管道堵塞，从而影响用户用气。 2.生物质气化集中供气技术 生物质气化技术，就是生物质原料在缺氧状态下加热反应的能量转换过程。生物质一般由碳、氢、氧等元素和灰分组成，当它们被点燃时，供应少量空气，并且采取措施控制其反应过程，使碳、氢、氧元素变成一氧化碳、甲烷、氢气等可燃气体，生物质中大部分能量都转移到气体中，这就是气化过程。 生物质气化集中供气技术是针对农林废弃物(玉米秆、玉米芯、花生壳、树枝等)所提出的一项规模化利用生物质资源的技术。随着农业、农村经济的发展和农民生活水平的提高，农村对生活燃料的需求发生了较大的变化。高品位能源的需求日益增大，优质燃料用户率递增30%以上，增加了国家优质能源供应的压力， 而在一些地区，作为农村传统燃料之一的农作物秸秆却出现过剩，剩余秸秆随地焚烧，不仅浪费了宝贵的生物质资源，也严重的污染了环境，带来了飞机延误、汽车相撞等严重的社会问题，即被普遍关注，给人民生活和经济建设带来了不良影响。国家有关部委及各级地方政府多次发文要求禁止焚烧秸秆，秸秆资源的有效利用已成为我国农业可持续发展的重要问题。 农作物秸秆数量大、分布广，是农生产的副产品，也是一项重要的生物质能源资源。有效地解决随意焚烧秸秆问题，关键在于为剩余秸秆找出路，进一步搞好综合利用，从而减少污染，保护环境，实现农业资源的再增值。开辟秸秆利用的新途径，研究和推广秸秆等生物质高品位能源转换利用技术，满足农民对优质生活燃料的需求，是农村能源工作的一项重要任务。 利用秸秆热解气化，开创农村利用低品位生物质资源供应现代生活燃气的新事业，符合我国国情。它对增加农村高品位的生活能源，改善生活质量，解放劳动力，增加就业机会，消化农村大量剩余秸秆都有重要的意义。 通过秸秆气化技术的推厂应用，可大幅度提高能源利用率，增加农村能源的有效供给，解决秸秆焚烧造成环境污染的问题，这样对促进农村社会和经济可持续发展和保护生态环境起到积极作用。 （1）生物质气化集中供气系统基本模式为: 以自然村为单元，系统规模为数十户到上千户，系统由三部分组成:秸秆气化机组、燃气输配系统和用户燃气系统。工艺系统如图4-1所示。铡成小段的秸秆送入气化炉中经过热解气

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