生物質能的利用

生物質能一直是人類賴以生存的重要能源，它是僅次于煤炭、石油和天然氣而居于世界能源消費總量第四位的能源，在整個能源系統中占有重要地位。有關專家估計，物質能極有可能成為未來可持續能源系統的組成部分，到下世紀中葉，采用新技術生產的各種生物質替代燃料將占全球總能耗的40%以上。 生物質能的利用主要有直接燃燒、熱化學轉換和生物化學轉換等3種途徑。 1、直接燃燒 當前改造熱效率僅為10%左右的傳統燒柴灶，推廣效率可達20%-30%的節柴灶這種技術簡單、易于推廣、效益明顯的節能措施，被國家列為農村新能源建設的重點任務之一。生物質的直接燃燒和固化成型技術的研究開發主要著重于專用燃燒設備的設計和生物質成型物的應用。現已成功開發的成型技術按成型物形狀主要分為大三類：以日本為代表開發的螺旋擠壓生產棒狀成型物技術，歐洲各國開發的活塞式擠壓制的圓柱塊狀成型技術，以及美國開發研究的內壓滾筒顆粒狀成型技術和設備。 2、熱化學轉換 是指在一定的溫度和條件下，使生物質氣化、炭化、熱解和催化液化，以生產氣態燃料、液態燃料和化學物質的技術。 ①　生物質氣化：生物質氣化技術是將固體生物質置于氣化爐內加熱，同時通入空氣、氧氣或水蒸氣，來產生品位較高的可燃氣體。它的特點是氣化率可達70%以上，熱效率也可達85%。生物質氣化生成的可燃氣經過處理可用于合成、取暖、發電等不同用途，這對于生物質原料豐富的偏遠山區意義十分重大，不僅能改變他們的生活質量，而且也能夠提高用能效率，節約能源。 空氣氣化： 以空氣為氣化介質的自供熱氣化工藝系統。獲得以CO為主的低熱值燃氣。 惰性N2全部保留，燃氣熱值較低（5MJ/m3左右） 用于近距離燃燒或發電時，空氣氣化是*佳選擇。我國目前使用*多的氣化方式。 優點：設備簡單，能源自給 缺點：熱值低，存儲、輸送成本高，應用受限制 氧氣氣化： 氧氣氣化以氧氣為氣化介質的氣化過程。其過程原理與空氣氣化相同。 優點：沒有惰性氮氣，在與空氣氣化相同的當量比下，反應溫度提高，反應速率加快，設備容積減小，熱效率提高，氣體熱值(約10MJ/m3)提高一倍以上，熱值與城市煤氣相當。因此，可建立以生物質廢棄物為原料的中小型生活供氣系統，也可用作化工合成燃料的原料。 缺點：氧氣會比空氣稀缺一些 水蒸氣氣化： 水蒸氣氣化是以水蒸氣為氣化介質的氣化工藝。它不僅包括水蒸氣和碳的還原反應，尚有CO與水蒸氣的變換反應。 優點：熱值較高 缺點：需外供熱源 空氣（氧氣）-水蒸氣氣化： 以空氣（氧氣）和水蒸氣同時作為氣化介質的氣化過程。 特點：自供熱系統 部分氧來源于水蒸汽，減少了空氣消耗量，H2與CH4含量較高 ②　生物質碳化 生物質顆粒碳化燃料是各種生物質經過干燥、轉性、混料、成型、碳化等復雜過程連續生產出來的一種新型燃料，其與煤性質相同，是可供各種燃燒機、生物質鍋爐、熔解爐、生物質發電等的高*、可再生、環保生物質燃料，此種燃料在國際認證為零污染燃料。 ③　生物質熱解 通常是指在無氧或低氧環境下，生物質被加熱升溫引起分子分解產生焦炭、可冷凝液體和氣體產物的過程，是生物質能的一種重要利用形式。 生物質熱裂解技術是世界上生物質能研究的前沿技術之一。該技術能以連續的工藝和工廠化的生產方式將以木屑等廢棄物為主的生物質轉化為高品質的易儲存、易運輸、能量密度高且使用方便的代用液體燃料（生物油），其不僅可以直接用于現有鍋爐和燃氣透平等設備的燃燒，而且可通過進一步改進加工使液體燃料的品質接近于柴油或汽油等常規動力燃料的品質，此外還可以從中提取具有商業價值的化工產品。相比于常規的化石燃料，生物油因其所含的硫、氮等有害成分極其微小，可視為21世紀的綠色燃料。 根據反應溫度和加熱速度的不同，生物質熱解工藝可分為慢速、常規、快速或閃速集中。慢速裂解工藝具有幾千年的歷史，是一種以以生成木炭為目的的炭化過程，低溫和長期的慢速裂解可以得到30%的焦炭產量；低于600℃的中等溫度及中等反應速率（0.1～1℃/s）的常規熱裂解可制成相同比例的氣體、掩體和固體產品；快速熱裂解大致在10～200℃/s的升溫速率，小于5s的氣體停留時間；閃速熱裂解相比于快速熱裂解的反應條件更為嚴格，氣體停留時間通常小于1s，升溫速率要求大于103℃/s，并以102～103℃/s的冷卻速率對產物進行快速冷卻。 生物質快速熱解過程中，生物質原料在缺氧的條件下，被快速加熱到較高反應溫度，從而引發了大分子的分解，產生了小分子氣體和可凝性揮發分以及少量焦炭產物。可凝性揮發分被快速冷卻成可流動的液體，稱之為生物油或焦油。生物油為深棕色或深黑色，并具有刺激性的焦味。通過快速或閃速熱裂解方式制得的生物油具有下列共同的物理特征：高密度（約1200Kg/m^3）；酸性（pH值為2.8～3.8）；高水分含量（15%～30%）以及較低的發熱量（14～18.5MJ/Kg）。 3、生物質化學轉換 通過生物質的厭氧發酵制取甲烷，用熱解法生成燃料氣、生物油和生物炭，用生物質制造乙醇和甲醇燃料，包括有生物質-沼氣轉換和生物質-乙醇轉換等。沼氣轉化是有機物質在厭氧環境中，通過微生物發酵產生一種以甲烷為主要成分的可燃性混合氣體即沼氣。乙醇轉換是利用糖質、淀粉和纖維素等原料經發酵制成乙醇。生物制氫，生物質通過氣化和微生物催化脫氫方法制氫。 當前較為有效地利用生物質能的方式有： (1)制取沼氣。主要是利用城鄉有機垃圾、秸稈、水、人畜糞便，通過厭氧消化產生可燃氣體甲烷，供生活、生產之用。 (2)利用生物質制取酒*。

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