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1、新能源之生物质能 电子学院A0931 内容摘要：能源作为一种最重要的地球资源，是生产力的核心，是经济增长的发展的前提，是解决环境问题的先决条件。而生物质能一直是人类赖以生存的重要能源，它是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第四位的能源，在整个能源系统中占有重要地位。关键词：生物质能 资源 能源生物质能（biomass energy ），就是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，取之不尽、用之不竭，是一种可再生能源，同时也是唯一一种可再生的碳源。生物质能的原始能量来源于太阳，所以
2、从广义上讲，它是太阳能的一种表现形式。目前，很多国家都在积极研究和开发利用生物质能。生物质能蕴藏在植物、动物和微生物等可以生长的有机物中，它是由由太阳能转化而来的。1. 生物质能的特点1）可再生性生物质能属可再生资源,生物质能由于通过植物的光合作用可以再生,与风能、太阳能等同属可再生能源,资源丰富,可保证能源的永续利用；2）低污染性生物质的硫含量、氮含量低、燃烧过程中生成的SOX、NOX较少；生物质作为燃料时，由于它在生长时需要的二氧化碳相当于它排放的二氧化碳的量，因而对大气的二氧化碳净排放量近似于零，可有效地减轻温室效应；3）广泛分布性缺乏煤炭的地域，可充分利用生物质能；4）生物质燃料总量十
3、分丰富生物质能是世界第四大能源,仅次于煤炭、石油和天然气。根据生物学家估算,地球陆地每年生产10001250亿吨生物质;海洋年生产500亿吨生物质。生物质能源的年生产量远远超过全世界总能源需求量,相当于目前世界总能耗的10倍。我国可开发为能源的生物质资源到2010年可达3亿吨。随着农林业的发展,特别是炭薪林的推广,生物质资源还将越来越多。2. 生物质能的分类依据来源的不同，可以将适合于能源利用的生物质分为林业资源、农业资源、生活污水和工业有机废水、城市固体废物和畜禽粪便等五大类。1）林业资源林业生物质资源是指森林生长和林业生产过程提供的生物质能源，包括薪炭林、在森林抚育和间伐作业中的零散木材、
4、残留的树枝、树叶和木屑等；木材采运和加工过程中的枝丫、锯末、木屑、梢头、板皮和截头等；林业副产品的废弃物，如果壳和果核等 生物质能2） 农业资源农业生物质能资源是指农业作物(包括能源作物)；农业生产过程中的废弃物，如农作物收获时残留在农田内的农作物秸秆（玉米秸、高粱秸、麦秸、稻草、豆秸和棉秆等）；农业加工业的废弃物，如农业生产过程中剩余的稻壳等。能源植物泛指各种用以提供能源的植物，通常包括草本能源作物、油料作物、制取碳氢化合物植物和水生植物等几类。3）生活污水和工业有机废水生活污水主要由城镇居民生活、商业和服务业的各种排水组成，如冷却水、洗浴排水、盥洗排水、洗衣排水、厨房排水、粪便污水等。工业
5、有机废水主要是酒精、酿酒、制糖、食品、制药、造纸及屠宰等行业生产过程中排出的废水等，其中都富含有机物。4）城市固体废物城市固体废物主要是由城镇居民生活垃圾，商业、服务业垃圾和少量建筑业垃圾等固体废物构成。其组成成分比较复杂，受当地居民的平均生活水平、能源消费结构、城镇建设、自然条件、传统习惯以及季节变化等因素影响。5）畜禽粪便畜禽粪便是畜禽排泄物的总称，它是其他形态生物质（主要是粮食、农作物秸秆和牧草等）的转化形式，包括畜禽排出的粪便、尿及其与垫草的混合物。3. 生物质能的利用1）生物质燃烧发电生物质燃烧发电是将生物质与过量的空气在锅炉中燃烧，产生的热烟气和锅炉的热交换部件换热，产生的高温高压
6、蒸汽在燃气轮机中膨胀做功发出电能。在生物质燃烧发电过程中，一般要将原料进行处理再进行燃烧以提高燃烧效率。例如，燃烧秸秆发电时，秸秆入炉有多种方式：可以将秸秆打包后输送入炉；也可以将秸秆粉碎造粒(压块)后人炉或与其他的燃料混合后一起入炉。生物质燃烧发电的技术已基本成熟，已进入推广应用阶段，这种技术大规模下效率较高，单位投资也较合理，但它要求生物质集中，数量巨大。生物质燃烧发电技术作为一种重要的能源获取手段应用于实际的历史不长，从20世纪90年代起，丹麦、奥地利等欧洲国家开始对生物质能发电技术进行开发和研究81。经过多年努力，已研制出用于木屑、秸秆、谷壳等发电的锅炉。丹麦各电力组织为此进行了规划，
7、筛选了一批研究项目，并重点对燃烧秸秆和木屑的锅炉与大型燃煤锅炉并联运行发电供热进行了研究。在BWE公司的技术支撑下，1988年诞生了世界上第一座秸秆生物燃烧发电厂。如今已有130家秸秆发电厂遍及丹麦，秸秆发电等可再生能源占到全国能源消费量24以上。在美国生物质发电装机容量已达1 050万kw嘲，70为生物质一煤混合燃烧工艺，单机容量13万kW，发电成本36美分(kWh。1)，预计到2015年装机容量将达l 630万kW。日本城市垃圾焚烧发电技术发展更快，垃圾焚烧处理的比例已接近100；目前，我国对生物质燃料燃烧所进行的理论研究很少，对生物质成型燃料的燃烧机理及动力学特性研究才刚刚开始，关于生物
8、质成型燃料燃烧理论与数据还没有人系统地提出。关于生物质成型燃料燃烧设备的设计与研究几乎是个空白。一些单位为燃用生物质成型燃料，在未弄清生物质成型燃料燃烧理论的情况下，盲目地把原有的燃煤设备改为生物质成型燃料燃烧设备，致使燃烧设备的燃烧效率及热效率较低，出力及工质参数下降，排烟中污染物含量高。为了使生物质成型燃料能稳定、充分、直接地燃烧，根据生物质成型燃料燃烧理论重新进行系统设计，以及研究生物质成型燃料专用燃烧设备是非常重要的，也是非常紧迫的。2） 生物质气化发电技术生物质气化发电技术是生物质通过热化学转化为气体燃料同，将净化后的气体燃料直接送入锅炉、内燃发电机、燃气机的燃烧室中燃烧来发电。气化
9、发电过程主要包括三个方面：一是生物质气化，在气化炉中把固体生物质转化为气体燃料；二是气体净化，气化出来的燃气都含有一定的杂质，包括灰分、焦炭和焦油等，需经过净化系统把杂质除去，以保证燃气发电设备的正常运行；三是燃气发电，利用燃气轮机或燃气内燃机进行发电，有的工艺为了提高发电效率，发电过程可以增加余热锅炉和蒸汽轮机口。由于生物质燃气热值低(约5 0232 kJm。)，加之气化炉出口气体温度较高，因此生物质气化联合发电技术的整体效率一般要低于35。生物质气化发电技术在发达国家已受到广泛重视111-13J，生物质能在总能量消耗中所占的比例增加相当迅速，如美国的Battelle(6 MWe)生物质气化
10、发电项目和夏威夷(6 MWe)生物质气化发电项目、英国(8 MWe)生物质气化发电项目、瑞典(4 MWe)加压生物质气化发电项目、芬兰(6 MWe)生物质气化发电项目以及欧盟建设的3个712 MWe生物质气化发电(IGCC)示范项目等。奥地利成功的推行了建立气化木材剩余物的区域供电站的计划，使生物质能在总能耗中的比例由原来的3增加到目前的25，已拥有装机容量为12 MWe的区域供电站90座。瑞典和丹麦正在实施利用生物质进行热电联产的计划，使生物质能在转换为高品位电能的同时满足供热的需求，以大大提高其转换效率。一些发展中国家，随着经济发展也逐步重视生物质气化发电的开发利用，增加生物质能的生产，扩
11、大其应用范围，提高其利用效率。菲律宾、马来西亚以及非洲的一些国家，都先后开展了生物质能的气化、热解等技术的研究开发，并形成了工业化生产。近年欧美开展了其它技术路线的研究，如比利时(25 MWe)和奥地利(6 MWe)开展的生物质气化与外燃式燃气轮机发电技术，美国的史特林循环发电等，但这些技术仍未成熟，成本较高。我国生物质气化发电技术的研究始于上世纪60年代，具有代表性的是稻壳气化发电装置。目前应用的主要是160 kW和200 kW的气化发电装置。近年我国开展了1 MW生物质气化发电系统的研究，目标在于中等规模的生物质利用技术。我国对生物质气化技术的深入研究始于上世纪80年代，经过20多年的努力
12、，我国生物质气化技术日趋完善。但与发达国家生物质气化技术相比，国内生物质气化装置基本上是以空气为气化剂的常压固定床气化技术，如河北的ND系列、山东的XFL系列、广州的GSQ系列和云南QL系列。这些固定床气化炉应用在不同场合取得了一定的社会、环保和经济效益。但在技术上存在着一些问题，如气化得到的生物质燃气热值和利用率低、燃气中焦油含量高等，制约了生物质气化技术在我国的商业化推广。我国目前应用的生物质气化发电系统主要是中国科学院广州能源研究所开发的流化床气化炉和内燃机结合的气化发电系统旧。该系统采用内燃机系统，降低了对燃气杂质的要求(焦油和杂质含量100 mgm。即可)和系统成本，适合发展分散独立
13、的生物质能源利用系统。随着我国能源供需形势的发展，人们对生物质发电规模及系统效率提出了更高的要求，发展生物质整体气化联合循环发电技术(BIGCC)，尤其是增压流化床气化联合发电系统的必要性越来越明显。3）沼气发电技术沼气燃烧发电是随着沼气综合利用的不断发展而出现的一项沼气利用技术，它将沼气用于发动机上，并装有综合发电装置，以产生电能和热能，是有效利用沼气的一种重要方式。沼气发电工程本身是提供清洁能源，解决环境问题的工程，它的运行不仅解决沼气工程中的一些主要环境问题，而且由于其产生大量电能和热能，又使沼气的综合利用有了广泛的应用前景。沼气发电在发达国家已受到广泛熏视和积极推广，如美国的能源农场、
14、德国的可再生能源促进法的颁布、日本的阳光工程、荷兰的绿色能源等。沼气工程发电并网在西欧(德国、丹麦、奥地利、芬兰、法国、瑞典等)一些国家的能源总量的比例为10左右，预计本世纪末将增加到25。美国在沼气发电领域有许多成熟的技术和工程，处于世界领先水平。现有61个填埋场使用内燃机发电，加上使用汽轮机发电的装机，总容量已达34万kW；欧洲用于沼气发电的内燃机，较大的单机容量在4002 000 kW，填埋沼气的发电效率约为1682 kWhm3。近几年随着德国可再生能源政策的不断加强，德国沼气发电技术发展迅速，其中沼气发电设备也随之加速发展。德国沼气工程以发电为主要目的，全德国2000个沼气工程中用于沼
15、气发电的占98。德国还开发了小型沼气燃气发电技术，大大提高了沼气的应用水平，沼气发电站数量成倍增加。目前，日本和德国等一些发达国家还开展了沼气燃料电池及发电装置的研究剐。沼气燃料电池把沼气经过烃裂解反应产生的以氢气为主的的混合气(氢气含量达77)作为原料，将此混合气以电化学方式进行能量转换，实现沼气发电，与传统沼气发电相比发电效率较高，经济效益显著。我国开展沼气发电领域的研究始于80年代初，在此期间，先后有一些科研机构进行过沼气发动机的改装和提高热效率方面的研究工作。我国的沼气发动机主要为两类，即双燃料式和全烧式iz2。目前，对“沼气一柴油”双燃料发动机的研究开发工作较多。如：中国农机研究院与
16、四川绵阳新华内燃机厂共同研制开发的S195一l型双燃料发动机，上海新中动力机厂研制的2027G双燃料发动机等。成都科技大学等单位还对双燃料发动机的调速、供气系统以及提高热效率等方面进行过研究。在全烧式发动机研究方面，潍坊柴油机厂研制出功率为120 kW的6160A一3型全烧式沼气发动机，贵州柴油机厂和四川农业机械研究所共同开发出60 kW的6135AD(Q)型全烧沼气发动机发电机组；此外，还有重庆、上海、南通等一些机构进行过这方面的研究、研制工作。可以说，目前我国在沼气发电方面的研究工作主要集中在内燃机发电系列上。截至2005年底，全国已建成农村户用沼气池1 700多万口，年产沼气约65亿m3
17、，但用于发电的并无报道。我国有9个省(区、市)建有沼气发电工程，畜禽养殖场沼气发电均供自用，尚无一例工程发电上网。 4生物质能对中国的意义我国拥有丰富的生物质能资源，我国政府及有关部门对生物质能源利用极为重视已连续在四个国家五年计划中将生物质能利用技术的研究与应用列为重点科技攻关项目，开展了生物质能利用技术的研究与开发，在大中型沼气工程、气化与气化发电、生物质液体燃料等方面取得了多项优秀成果。利用生物质能发电是一个系统工程，它包括多项但愿技术的优化组合，也涉及到国家对生物质能发电的扶持政策和技术法规等。剖桥国内已有的生物质能发电工程，并借鉴发达国家的生物质能发电利用经验，以及国家近期对可再生能
18、源的政策导向，相信我国生物质能发电产业将在未来的若干年后会有突破性的进展。首先，2006年1月1日起可再生能源法的正式实施表明我国政府已在法律上明确了可再生能源包括生物质能在现代能源中的地位，并在政策上给予了巨大优惠支持，将大大改善生物质能发电的经济性和市场前景，对其进入市场具有积极作用；其次，要引进吸收国外先进技术和经验，将强技术支持和保障体系的建设、扶持和培养，制定国家级的沼气发电工程技术规范和标准，逐步建立和完善可持续的、市场化的推广生物质能发电综合性服务网络；再次，鼓励有实力的研究院所和大型企业进行强强合作，开发符合我国国情具有自主知识产权的生物质能发电设备及配套设施，为我国的生物质能发电事业提供技术设备保障。