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一种未来可持续能源—生物质能

2011-1-8 20:52:14
       文:朱萍
 
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。石油、煤、天然气等化石能源的有限性及CO2、粉尘、SO2等废弃物的大量排放,污染了环境,给人类赖以生存的地球造成危害。而使用生物质能源,既可以不产生污染,资源又可再生,同时还保护和改善生态环境。据专家估计,生物质能极有可能成为未来可持续能源系统的组成部分。预计到下世纪中叶,采用新技术生产的各种生物质替代燃料将占全球总能耗的40%以上。
我国是一个经济发展迅速、人口众多的国家。在农村,大多生物质以直接燃烧为主,不仅能源浪费严重,而且烟尘和余灰的排放损害了人们的身心健康。由于乡镇企业的发展和我国农村用能水平的提高,能源严重短缺达30%以上,对森林资源的掠夺性采伐超过合理量的两倍,森林资源遭到严重的破坏,造成大面积水土流失,土地沙化,自然生态日趋恶化。开发和利用生物质能源,对促进国民经济发展、保护环境具有重大意义。
国外生物质能技术现状
  国外生物质能技术开发是从70年代末期开始的,现在已有了很大进展。目前,直接燃烧秸秆的先进设备已投放市场,生物质供热、发电或热电联供已成为现实。在厌氧消化方面,中温和高温下的产气率可达5m3/m3.d,百千瓦量级的沼气发电机组每立方米沼气发电量可达1.4~2.6kWh,发电效率高达38%。在热解气化技术方面已有多项技术装备进入商品化阶段。如荷兰BTG开发成功的生物质高温热解装置产气率达66%;德国、美国等开发出自动化程度相当高的家用生物质气化炉用于用户热水和供暖。在发达国家中,生物质能气化是在高温条件下,利用部分氧化法,使有机物转化成可燃气体的过程。产生的气体可直接作为燃料,用于发动机、锅炉、民用炉灶等。
生物质的直接燃烧和固化成型技术的研究开发,主要着重于专用燃烧设备的设计和生物质成型物的应用。现已成功开发的成型技术按成型物形状分主要有三大类:以日本为代表开发的螺旋挤压生产棒状成型物技术;欧洲各国开发的活塞式挤压制得园柱块状成型技术;美国开发研究的内压滚筒颗粒状成型技术和设备。
成型燃料应用于二个方面:一是进一步炭化加工制成木炭棒或木炭块,作为民用烧烤木炭或工业用木炭原料;二是作为燃料直接燃烧,用于家庭或暧房取暧用燃料。日本、美国、加拿大等国家,开发了专用炉灶。在北美有50万户以上家庭使用这种专用炉灶作为取暧炉。将生物质能进行正常化学加工、制取液体燃料如乙醇、甲醇、液化油等是一个热门的研究领域。利用生物发酵或酸水解技术,在一定条件下,将生物质转化加工成乙醇,供汽车和其他工业使用。加拿大用木质原料生产的乙醇年产量达17万吨。比利时每年用甘蔗为原料,每年制取乙醇量达3.2万吨以上。美国用农林生物质和玉米为原料,每年大约生产450万吨乙醇,计划到2010年,可再生的生物质可提供约5300万吨乙醇。生物质能的另一种液化转换技术,是将生物质经过粉碎预处理后在反应设备中,添加催化剂或无催化剂,经化学反应转化成液化油。该技术制得的液化油得率高达70%。
国内研究开发
  我国对开发利用生物质能源极为重视,连续三个国家五年计划都将生物质能技术列为重点科技攻关项目。已列入“中国阳光计划"的项目有生物质裂解气化、炭化和液化技术等。开发利用生物质能对我国农村更具特殊意义。我国80%人口生活在农村,农作物秸秆产量达6亿吨以上,禽畜粪便约有14亿吨,生物质能是农村的主要生活燃料。尽管煤炭等商品能源在农村的使用迅速增加,但生物质能仍占有重要地位。
  目前,我国的生物质能开发利用已初具规模,拥有了一批成熟的开发基地和研究设施。引入了高新技术,为提高生物质的能源利用率,如:生物质裂解气化、炭化和液化技术等。由于,我国生物质能高新技术的开发尚处于起步阶段,还有一些问题尚待解决,如:自身能耗过高,能量转换率低,产品成本过高等。因此,有必要在国际社会的经济和技术援助下,引进系统设备,建立示范工程,开发先进技术。
  从“六五”以来,我国先后对禽畜粪便厌氧消化、农作物秸秆热解气化、致密成型等技术进行了攻关研究和开发,已经取得了一定成绩。在厌氧消化技术方面,目前国内处理有机废弃物的沼气工程已有600多处,总池容20万m3,年产沼气1亿m3左右。经过10多年的研究开发,厌氧消化工艺技术已取得了较大进展。在热解气化方面,低热值的ND-400、600、900型秸秆气化装置相继研制成功并投放市场,已建立了100多个气化集中供气村。
我国生物质能技术与国外相比还有较大差距。主要表现在:厌氧消化产气率低;系统运行和管理自动化水平不高;与厌氧消化和综合利用配套的技术和设备还不成熟;厌氧消化技术产业化发展缓慢,不便于大规模市场推进;秸秆气化热值低,在稳定运行、焦油清除、气体净化等技术上需要提高;缺乏秸秆直接燃烧供热技术研究和设备开发,不便于多途径能源利用;生物质发电技术和装置方面有较大差距。
我国生物质能应用技术
  生物质能的应用技术开发,旨在把森林砍伐和木材加工剩余物以及农林剩余物如秸杆、麦草等原料通过物理或化学化工的加工方法,使之成为高品位的能源,提高使用热效率,减少石化能源使用量,保护环境,加快能源领域实现可持续发展的战略目标的步伐。
  组装式沼气发酵装置及配套设备和工艺技术
  为适合我国规模化养殖中占绝大部分的(几千到万头猪)养殖场沼气工程建设需要,研究沼气池商品化快速建造技术,实现沼气池的工厂化生产,规范化施工,促进大中型沼气工程产业化和市场化发展。主要研究内容包括:组装部件的研究、设计(材料、规格等);组装部件的生产设备;密封材料的研究、选择及生产技术;工程中的现场组装技术等。
  中热值秸秆气化技术
  针对目前低热值热解气化技术的不足,开发出适合我国农村应用,技术上相对成熟、安全,燃气热值接近城市管道煤气,投资适中的秸秆气化集中供气技术,燃气热值达到11.7~14MJ/Nm3,燃料利用率达到80%,杂质含量达到国家标准。技术包括中热值气化装置和燃气净化技术及装置等。
  移动式秸秆干燥粮食工艺及成套设备
  研究开发以秸秆为燃料的移动式粮食干燥成套设备,在充分开发利用秸秆能源的同时,满足我国粮食干燥加工的需要,减少环境污染。并使成套设备达到商业化水平。其主要技术包括:便于运输和田间作业的移动式干燥加工粮食工艺;秸秆半气化高效燃烧技术;秸秆燃烧无烟化处理技术;移动式秸秆燃烧炉;移动式粮食烘干机。
秸秆直接燃烧供热系统技术
  该技术在发达国家已经开始应用,其特点是秸秆处理利用量大、热能利用率高,不仅可以供应生活用热水,而且可以作为企业工艺供热的来源。
生物质能利用展望
  生物质能是一个重要的能源,预计到下世纪,40%的世界能源消费来自生物质能。我国农村能源的70%是生物质。

随着经济的发展,人们生活水平的提高,环境保护意识的加强,对生物质能的合理、高效开发利用,也愈来愈受到人们的重视。因此,科学地利用生物质能,加强其应用技术的研究,具有十分重要的意义。但是生物质能的发展将依赖于创新技术来实现。生物技术高效低成本转化应用研究;常压快速液化制取液化油;催化化学转化技术的研究;生物质能转化设备如流化床技术等都是生物质能新技术的研究热点,一旦获得突破性进展,将会大大促进我国生物质能开发和应用


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