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各国生物质能源研究最新动态

作者:影子资源网(www.yzw7.com)

各国生物质能源研究最新动态

摘要:生物质能是可再生能源的重要组成部分。生物质能的高效开发利用将对解决能源和生态环境问题起到非常积极的作用。自20世纪70年代以来,世界各国特别是经济发达国家都非常重视这一问题,积极开展生物质能应用技术的研究,并取得了许多研究成果,达到了工业应用的规模。综述了国内外生物质能固化、液化、气化和直接燃烧的研究进展。结合我国的实际情况,提出了研发的前景和建议。

1生物质能的现状

生物质能是人类用火以来最早直接应用的能源。随着人类文明的进步,生物质能的应用研究和开发经历了许多波折。二战前后,木质能源在欧洲的应用研究达到高峰,然后随着石化工业和煤化工的发展,生物质能的应用逐渐趋于低迷。到20世纪70年代中期,由于中东战争引发的全球能源危机,包括木质能源在内的可再生能源的开发利用研究再次引起了人们的关注。人们深刻意识到石油、煤炭和天然气等化石能源的资源限制和环境污染。根据已探明的储量和需求,到21世纪中叶,世界石油和天然气资源可能会枯竭,而煤炭的大量使用不仅储量有限,而且燃烧会产生大量SO2、CO2等气体,严重污染环境。日益严重的环境问题引起了国际社会的普遍关注。环境问题与能源问题密切相关,成为当今世界共同关注的焦点之一。一些数据表明,化石燃料的使用是空气污染的主要原因。“酸雨”、“温室效应”等给人类赖以生存的地球带来了灾难性的后果。而自然捐赠的生物质能使用几乎不产生污染,使用过程中几乎不产生SO2。产生的CO2气体与植物生长过程中需要吸收的大量CO2相平衡,称为CO2中性燃料。生物质能源可以再生而不枯竭,在保护和改善生态环境方面发挥着重要作用。它是理想的可再生能源之一。

林业薪炭林和农作物秸秆属于生物质能源。在当前世界能源消耗中,生物质能消耗占世界总能耗的14%,仅次于石油、煤炭和天然气,位居第四。在发展中国家,生物质能消耗占很大比例,达到50%以上。

中国是一个农业大国,农业人口占总人口的70%以上,农村生活能源主要依靠秸秆和薪材。据统计,农村地区总能耗的65%以上是生物质能,其中薪材消耗约占总能耗的29%。为了解决农村能源短缺的问题,中国正在大力发展薪炭林。目前薪炭林总面积达到429万hm2,年生物量达到2.2亿t左右[3]。生物质是一种能与环境和谐发展的能源,具有巨大的发展潜力。利用现代技术开发和利用包括生物质能在内的可再生能源,对于建立可持续能源体系、促进社会经济发展和改善生态环境具有重要意义。如何高效开发和利用生物质能,包括薪炭林,在历史上一直摆在我们面前。

2生物质能应用技术的研究现状

2.1研发技术概述

生物质能的研发主要包括物理转化、化学转化和生物转化。它涉及气化、液化、热解、固化和直接燃烧。生物质能转化技术及产品如图1所示。

生物质能气化是指固体物质与气化剂(空气、氧气和水蒸气)在高温下反应,获得小分子可燃气体的过程。不同的气化器是我们

液化是指通过化学手段将生物质转化为液体产品的过程。液化技术主要包括间接液化和直接液化。间接液化是将生物质气化成气体,然后合成液体产品。或者将生物质中的纤维素和半纤维素通过水解的方法转化为多糖,然后通过生物技术发酵成酒精。直接液化是将生物质放入高压设备中,加入适当的催化剂,在一定的工艺条件下反应制成液化油,可用作汽车燃料,也可进一步分离加工成化工产品。这种技术是生物质能源的研究热点。

在隔绝或供应少量氧气的情况下,生物质的热解过程通常称为热解,在这一热解过程中获得的产物主要包括气体、液体和固体产物。该比率根据不同的工艺条件而变化。近年来,国外发展了快速热解技术,即瞬时热解来生产液体燃料油[4]。以干物质计,液化油的产率可达70%以上。这是一项很有前途的生物质应用技术。

生物质经固化粉碎至一定粒径,在高压下挤压成一定形状,无需添加粘合剂。附着力主要取决于挤压过程中产生的热量,使生物质中的木质素塑化粘结。形成的产品进一步碳化成木炭。已经成功开发的成型技术主要有三种:棒成型、颗粒成型和圆柱形块成型。解决了生物质能形状各异、体积密度小、运输、储存和使用不方便的问题,提高了生物质的使用热效率。

直接燃烧直接燃烧是最早的传统生物质利用方式。研发工作主要集中在提高直接燃烧的热效率上。如直接使用生物质的锅炉等用能设备的研发。

2.2外国研究概述[5]

自20世纪70年代以来,生物质能开发利用的研究已经成为一个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,如日本的阳光工程、印度的绿色能源工程、美国的能源农场、巴西的酒精能源工程等,在生物质能的研发上投入了大量的人力和资金。

在生物质能利用的研发方面,国外的研究者,尤其是发达国家的研究者,做了大量的工作。

美国是生物质利用的世界领导者。据报道,美国有350个

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,提供了大约6.6万个工作岗位。据有关科学家预测,到2010年,生物质发电将达到装机容量,届时有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。并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1000~的区域供热站,年供热10。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BarryA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5300万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100t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200t/d,发电能力为50MW。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3.5104kJ/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100kg/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1.7104kJ/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。

2.3国内研究开发概况

我国生物质能的应用技术研究,从20世纪80年代以来一直受到政府和科技人员的重视。国家“六五”计划就开始设立研究课题,进行重点攻关,主要在气化、固化、热解和液化等方面开展研究开发工作。

生物质气化技术的研究在我国发展较快。利用农林生物质原料进行热解气化反应,产生的木煤气供居民生活用气、供热和发电方面。中国林业科学研究院林产化学工业研究所从20世纪80年代初期开始研究开发木质原料和农业剩余物的气化各国生物质能源研究最新动态和成型技术。先后承担了国家、部、省级重点项目和国际合作项目近10项,研究开发了以林业剩余物为原料的上吸式气化炉,已先后在黑龙江、福建等建成工业化装置[6],气化炉的最大生产能力达6.3106kJ/h(消耗木片量为300kg/h)。产生的木煤气作为集中供热和居民家庭用气燃料,从原料计算气化热效率达到70%以上。同时在出热量达4.18104kJ/h的中试装置中,进行了气化发电试验研究,电的转化率为13%左右。最近在江苏省研究开发以木屑、稻壳、稻草和麦草为原料,应用内循环流化床气化系统,并研究应用催化剂和富氧气化技术产生接近中热值煤气,供乡镇居民使用的集中供气系统[7],气体热值为7000kJ/Nm3左右,较同类生物质气化的热值提高了近30%,气化热效率达70%以上。山东省能源研究所研究开发了下吸式气化炉,主要适用硬秸杆类农业剩余物的气化。从20世纪90年代开始,在农村居民集中居住地区得到较好的推广应用,已形成产业化规模。国内有数十家单位从事同类技术的研究开发,目前全国已建立300余个秸杆气化集中供气系统。气体热值一般在5000kJ/Nm3,气化转化率达70%以上。

广州能源研究所开发了外循环流化床生物质气化技术,制取的木煤气作为干燥热源和发电。已完成了目前国内最大发电能力为1MW的气化发电系统,为木材加工厂提供附加电源。辽宁能源所与意大利合作引进了一套下吸式气化炉发电装置,发电能力30kW。另外北京农机院、浙江大学热工所和大连环科所等单位先后开展了生物质气化技术的研究工作。

我国的生物质固化技术开始于“七五”期间,现已达到工业化生产规模。目前国内已开发完成的固化成型设备有2大类:棒状成型机和颗粒状成型机。这2种机型均由中国林科院林化所科研人员率先完成。棒状成型机有单头和双头2种,单头生产能力为120kg/h,双头机生产能力为200kg/h。1998年与江苏正昌粮机集团公司合作,开发了内压滚筒式颗粒成型机,生产能力为250~300kg/h,生产的颗粒成型燃料尤其适用于家庭或暖房取暖使用。南京市平亚取暖器材有限公司,从美国引进适用于家庭使用的取暖炉,通过国内消化吸收,形成工业化生产。并从美国引进了一套生产能力为1.5t/h的颗粒成型燃料生产线,1999年开始正式生产,产品供应市场运行情况良好。

从20世纪50年代开始了稀酸常压、稀酸加压的浓酸大液比的水解、纤维素酶水解法研究,并在南岔水解厂建立示范工程,主要利用木材加工剩余物制取乙醇和饲料酵母,设计生产能力为年产4000t乙醇,产生的木质素作为生产活性炭的原料。但由于工艺设备较之用粮食淀粉水解制乙醇复杂得多,在粮食供应充足、粮价较低情况下,难以和粮食酒精匹敌,更难和石油化工的合成酒精竞争。20世纪80年代,人们再度开始木质纤维素的水解新技术的研究,中国林科院林化所、山东大学、华东理工大学、沈阳农业大学等先后开展了生物质水解制取乙醇工艺和设备的研究开发,重点对前处理工艺进行了研究,目前尚处于研发阶段。

木材热解技术的研究,国内从20世纪50年代至60年代进行大量的研究工作,中国林科院林化所在北京光华木材厂建立了一套生产能力为500kg/h的木屑热解工业化生产装置;在安徽芜湖木材厂建立年处理能力达万吨以上的木材固定床热解系统。黑龙江铁力木材干馏厂曾从前苏联引进了年处理木材10万t的大型木材热解设备。这些生产装置的目标均是为了解决当时我国石油资源紧缺问题。随着石油化工的迅速崛起,以木材为原料制取化工产品的生产成本高,难以与石化产品竞争,这些装置纷纷下马和转产。研究工作也转向以热解产品的深加工开发,如活性炭、木醋液等应用研究领域。国内在快速热解制取液化油的研究开发方面,尚未见有报道。

总之,我国在生物质能转换技术的研究开发方面做了许多工作,取得了明显的进步,但与发达国家相比差距甚远。

3农林生物质能应用研究技术展望

生物质能是重要的可再生资源,预计到21世纪,世界能源消费的40%将会来自生物质能[8]。我国有丰富的生物质能资源。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,化石能源逐渐减少,对包括生物质能在内的可再生资源的合理、高效地开发利用,必然愈来愈受到人们的重视。因此,科学地利用生物质能源,加强应用基础和应用技术的研究,具有十分重要的意义。

从国外生物质能利用技术的研究开发现状来看,结合我国现有研究开发技术水平和实际情况,作者认为我国生物质应用技术将主要在以下几方面发展。

3.1高效直接燃烧技术和设备的开发

我国有13亿多人口,绝大多数居住在广大的乡村和小城镇。其生活用能的主要方式仍然是直接燃烧。剩余物秸杆、稻草等松散型物料是农村居民的主要能源,开发研究高效的燃烧炉,提高使用热效率,仍将是应予解决的重要问题。乡镇企业的快速兴起,不仅带动农村经济的发展,而且加速了化石能源尤其是煤的消费,因此开发改造乡镇企业用煤设备(如锅炉等),用生物质替代燃煤在今后的研究开发中应占有一席之地。把松散的农林剩余物进行粉碎分级处理后,加工成定型的燃料,结合专用技术和设备的开发,家庭和暖房取暖用的颗粒成型燃料,推广应用工作在我国将会有较好的市场前景。

3.2生物质气化和发电

国外生物质发电的利用占很大比重,且已工业化推广,而我国的生物质发电开发尚属起步阶段。由于电能传输和使用方便,从发展的前景来看,应有较好的市场。未来10年中,将会有较大发展。国家科技部已将生物质发电作为主要能源研究列入“十五”规划中。同时随着经济的发展,农村分散居民逐步向城镇集中,数以万计的乡镇小城镇将是农民的居住地,为集中供气和供热、提高能源利用率提供了现实的可能性。生活水平的提高,促使人们希望使用清洁方便的气体燃料。因此生物质能热解气化产生木煤气的技术推广应用应具有较好的市场前景。但应注意研究解决气体中的焦油引起堵塞和酸性气体的腐蚀等问题。

3.3能源植物的开发

大力发展能产生“绿色石油”的各类植物,如山茶树、油棕榈、木戟科植物等,为生物质能利用提供丰富的优质资源。

3.4生物质的液化技术

由于液体产品便于贮存、运输,可以取代化石能源产品,因此从生物质能经济高效地制取乙醇、甲醇、合成氨、液化油等液体产品,必将是今后研究的热点。如水解、生物发酵、快速热解、高压液化等工艺技术研究,以及催化剂的研制、新型设备的开发等等都是科学家们关注的焦点,一旦研究获得突破性进展,将会大大促进生物质能的开发利用。

4建议

4.1生物质能应用技术的研究开发,在现阶段主要是从生态环境、环境保护的角度出发,从中长期来看,将要弥补资源有限性的不足。因此,生物质能源的开发利用,其社会效益远远大于经济效益。在目前发展阶段,需要国家的政策扶持和财力支撑。应制订相关政策,鼓励和支持企业投资生物质能源开发项目。

4.2我国有丰富的生物质资源,但我国的国情是人口众多,人均资源相对偏小,因此,在生物质的应用技术发展方向上,应结合我国分散的能源系统,以满足农村乡、镇、村不断增长的能量需求,重点解决居民生活用能,减少对化石能源尤其是煤炭的使用。在经济条件较发达的乡村地区,大力

我国生物质能源现状及前景 生物质的用途

马军、马兴元、刘淇

(陕西xi陕西科技大学资源与环境学院)

摘要:生物质能是可再生能源的重要组成部分,生物质能的开发利用对世界能源的发展具有重要意义。摘要:论述了生物质能的利用现状和转化技术,介绍了国内外生物质能开发利用的研究进展,分析了生物质能技术的发展趋势和面临的问题。

随着社会经济的快速发展,人类对能源的需求趋势也发生了变化。生物质能源具有资源丰富、可再生、低污染等优点,这使得其在人类生活和社会活动中的价值不断提高。据报道,生物质能已上升至仅次于煤炭、石油、天然气等化石能源的第四位,占全球一次能源消耗的14%。与传统的直接燃烧方式相比,现代生物质能更多的是通过热化学和生物化学的手段来利用,通过一系列先进的转化技术,产生固体、液体和气体等高级能源来替代化石燃料,为人类生产和生活提供电、交通燃料、热能和气体等终端能源产品。目前,生物质能作为一种可再生的低碳能源,具有巨大的发展潜力。现代生物质能利用技术的开发和研究对于替代或部分替代化石能源、保护生态环境、实现可再生资源的合理利用和人类社会的可持续发展具有重要意义。

1生物质能利用现状

1.1资源现状目前,全球每年生产的生物质达到1800亿吨,相当于全球实际能耗的10倍。在理想条件下,地球上的生物量潜力可以达到实际能耗的180 ~ 200倍[3]。我国生物质资源主要来源于农林产业,可分为薪柴、秸秆、粪便、城市固体废弃物、海洋生物、污水和污油等。其中,薪柴秸秆因其热值高、产量高,占生物质资源利用率的94%,成为主要的可再生能源。在中国,秸秆年产量已超过7亿吨,但只有30%左右被用作造纸工业、建筑业和手工业的原料,其余被焚烧或丢弃。随意处置剩余秸秆不仅造成环境污染、能源浪费,还带来其他社会和经济损失[6]。因此,根据我国生物质能源的现状和技术水平,生物质资源的开发应主要利用农林生产中产生的有机废弃物。此外,世界各地,美国、巴西等国家也开展了能源植物的培育和种植,并对相应的能源产品的生产和开发进行了相关研究。

1.2生物质能的主要利用途径在生物质能开发利用过程中,根据不同的生产工艺,可以形成不同类型的最终产品(主要是各种类型的能源燃料),提供电能、热能、运输能等能源。目前技术成熟、综合效益高的利用方式主要有厌氧发酵产沼气、燃料乙醇、生物质气化发电、秸秆固化成型等。此外,除了将生物质资源用于发电、供气和能源燃料生产外,秸秆等多功能生物质原料还可作为饲料、肥料、生物机械和工业原料进行综合开发利用。

2生物质能利用技术及研究概况

生物质种类繁多,具有多样性和复杂性。因此,与化石燃料等其他能源相比,生物质能的利用技术更加复杂多样。随着技术发展和研究领域的不断扩大,生物质的利用不再局限于简单的燃烧手段,而是基于现代技术的进一步高效利用。目前,生物质能的系统利用技术相对成熟,转化利用手段主要分为直接燃烧技术、热化学转化和生化转化。目前,利用

2.1固化成型技术固化成型技术是指利用无定形生物质(如木屑、植物作物秸秆、各种谷壳和谷壳等。)为原料,在一定的温度和机械压力下,通过固化成型设备挤压成颗粒状、棒状和块状燃料,便于集中利用,从而改善生物质的原有性能,提高热效率。这种技术不仅可以用于城乡居民做饭,还可以用于农业生产燃料。经进一步除烟、炭化后,可制成清洁炭,达到高效、清洁、低CO2排放的效果。是一种简单可行的生物质能生产技术。随着生物质固化成型技术的发展,出现了很多成型工艺和成型机,但作为生产燃料,主要是常温成型和干料热成型[7]。

生物质固化成型需要一定的预处理工艺,对原料的种类、粒径、含水率、成型温度都有一定的要求。经过固化成型后,为了进一步提高生物质成型燃料的使用价值,可以进行炭化,形成木炭。

生物质固化成型的工艺流程为:原料预处理(粉碎)、干燥、炭化木炭成型。

自20世纪90年代以来,欧美、亚洲等国家开始在生活领域大量应用生物质固化成型燃料。瑞典利用树皮、树枝、锯末和能源作物等森林废弃物生产固体型煤燃料的发展相当成熟,形成了从原料种植和收集到颗粒(或切片)生产到配套应用和服务体系的完整产业链[8]。日本改进了从国外引进的固化成型技术,研制了棒形燃料成型机及相关燃料设备,发展成为日本的压缩成型燃料工业体系。

近年来,我国对生物质固化成型技术的研究和设备的开发不断深入,取得了一定的研究进展。吴、等人通过建立生物质固化成型的微接触几何模型,推导出压辊压力与生物质颗粒表面斜角的直接数学关系,建立了生物质固化成型的分子电化学微观机理,解释了固化成型燃料燃烧点低的原因[9]。陈晓卿等人通过实验研究了生物质热压制品表面裂纹形成的影响因素。结果表明,裂纹的形成与力学、原材料微观结构和环境介质(含水量或温度等)有关。),而材料在挤压中屈服强度后的塑性流动过程产生的剪应力是裂纹形成的根本原因[10]。侯振东等人以玉米秸秆为原料,研究秸秆固化成型过程中成型压力、温度和含水率对成型块的影响

品质的影响,选取成型压力为60~,加热温度为75~100℃,物料含水率在8%~12%的工艺条件,生产出性能优良便于储运的成型块[11]。生物质固化成型技术应用范围广,但作为能源转化的途径,目前仍有一些关键技术问题难以解决,如物料压缩时螺杆的使用寿命、成型燃料的密度及碳化技术等。

2.2生物化学加工利用技术随着一次能源的大量消耗及储量的日趋减少,生物化学加工利用技术作为新型的生物质能燃料成为热门的研究领域,受到人们广泛关注。生物质在微生物的发酵作用下,生成的沼气、酒精等能源产品的研究逐步深入。

生物质厌氧发酵产沼气。生物质厌氧发酵是生物质在厌氧条件下,以动物粪便、秸秆、有机废水等为原料,通过厌氧细菌的代谢作用产生CH4和CO2等混合可燃气体(沼气)的过程。目前,生物质厌氧发酵技术已经比较成熟,初步实现了商业化,开始面向规模化应用发展。沼气池技术主要发展于20世纪80年代以前,我国农村地区普遍以秸秆和畜禽粪便进行厌氧发酵,产生沼气用于生活炊事燃料。80年代后大型的沼气工程相继出现,农户型以沼气技术为纽带的畜禽、沼气、果蔬三位一体的生态园模式成为生态农业的发展重点,产业化力度大大加强。

厌氧发酵可分为干式厌氧发酵和湿式厌氧发酵。相比于湿发酵,干发酵技术具有节约发酵用水、节省管理沼气池所需工时、池容产气率较高等优点[12],成为秸秆类生物质进行资源化利用的主要途径。目前对厌氧发酵技术的研究主要集中在规模的扩大化及厌氧发酵产气量的提高上。

在对生物质秸秆进行厌氧发酵过程中,由于其中含有木质素与纤维素和半纤维素混杂交联,使纤维素及其他易分解物质难以被微生物分解,降低了产气量,因此,秸秆厌氧发酵的预处理也是研究的一个重要内容。杨玉楠等进行了利用白腐菌对秸秆生物预处理后发酵产甲烷试验[13],结果表明,与发酵时间在45~90d,转化率在50%左右的传统秸秆厌氧发酵相比,经过白腐菌室温下20d预处理后的秸秆,发酵15d甲烷产量已相对稳定,转化率达到%,继续发酵至30d后,甲烷转化率达到%,大大缩短了发酵周期,提高了甲烷转化率。孙辰等采用6%的NaOH对稻草秸秆进行化学预处理,研究了其在厌氧发酵过程中厌氧消化效率、产气量及COD的去除情况[14]。结果表明,与未经NaOH预处理相比,经过NaOH化学预处理后的稻草秸秆在厌氧消化效率和产气量上有了显著提高,最大日产气量、总产气量及COD去除率分别提高了%、%、%。目前基于厌氧发酵产沼气的机理研究,工艺优化及反应器制备的研究已相当广泛,但我国现有厌氧发酵技术水平与国外相比有较大差距,推行大规模实际应用的条件还尚未成熟,主要存在包括系统运行和自动化水平低,厌氧发酵相配套的技术和设备不健全等问题。

2.2.2乙醇发酵。乙醇发酵是以糖类(甘蔗、甜菜等)、淀粉(玉米、谷类等)、木质纤维(秸秆、蔗渣等)等生物质为原料,利用微生物发酵制成生物燃料乙醇。燃料乙醇可根据乙醇添加比例的高低分为替代燃料和燃料添加剂两种类型。其中燃料酒精作添加剂可起到增氧和抗爆的作用,以替代有致癌作用的甲基叔丁醚[15]。目前利用糖类和淀粉为原料制备燃料乙醇的成熟技术工艺在一些国家已经得到广泛应用,自20世纪70年代中期的石油危机以来,以美国和巴西为主的一些国家开始积极推行生物乙醇发展计划,尤其是21世纪以来,全球生物乙醇产量迅速扩张[16]。全球可再生燃料联盟和F.O.Licht在2月14日联合发布的全球年度乙醇产量预测报告中指出,2011年全球乙醇产量预计会达到887亿L,在全球范围内每天满足更多的替代原油的需求。根据预测显示,2011年全球乙醇产量增幅超过3%,高于2010年858亿升的产量数据。当前全球乙醇产量已超过5.5亿桶/年。美国作为世界上最大的生物燃料乙醇生产国和使用国,其燃料乙醇生产量占世界乙醇燃料总量的一半以上。

加拿大用木质原料生产的乙醇产量为17万t。比利时每年用甘蔗为原料,制取乙醇量达3.2万t以上[17]。但受到生产乙醇所需的玉米、小麦等经济作物价格的影响,各国乙醇燃料产量增长较为缓慢。由于生产玉米乙醇是以粮食作物为原料,须占用大量耕地,这与国家的粮食安全存在矛盾,不可能进行大规模生产,且从燃料生产成本的角度出发,并不具有经济意义。近年来,由粮食作物向非粮作物的生物质原料转向开始兴起,美国及欧洲等国家进行大量投入开展以纤维素和木质素等为原料的生产技术路线和工业实践。因此,开发利用秸秆等农林废弃植物纤维作为原料,并以工业微生物取代酵母的现代生物燃料乙醇生产将成为今后产业发展的必然之路。

各国生物质能源研究最新动态

根据当前国情要求,我国的燃料乙醇生产逐步走向非粮化的发展道路,燃料乙醇产量呈几何级数增长。目前,国内最大的燃料乙醇生产商中粮集团启动建设的年产500t的纤维素乙醇试验装置,纤维素转化率超过了90%、半纤维素转化率超过95%、糖转化率超过85%等,其多项关键技术指标在行业内均处于领先地位,已接近国际先进水平。国内研究者主要是开展针对木质纤维素乙醇发酵的试验研究。路鹏等提出了减少预处理发酵抑制物和综合利用混合糖类进行发酵的两大关键点,并采用改变预处理方法,提高发酵菌种对混合糖底物的利用能力和产乙酸能力,来提高乙酸的转化率[18]。丁文武等采用硅橡胶膜渗透汽化分离与酵母细胞固定床耦合构成的连续发酵系统,实现酵母细菌固定化与产物乙醇的原位连续分离,提高了乙醇发酵密度,减少了产物的抑制作用[19]。

2.3热化学转化技术热化学转化是生物质转化技术中的一类重要的能源利用手段。通常采用高温分解、碳化、气化等热加工工艺,主要以木质素(木材、稻壳)和纤维素(农作物秸秆)为原料,获得焦油、木炭、低热值可燃气等高品位能源产品。

2.3.1热解气化。生物质的热解气化技术主要利用秸秆、锯沫等农林废弃物,在气化反应器中高温缺氧条件下,发生热解气化反应,生成含一氧化碳、氢气和低分子烃类的可燃气体。生物质热解气化技术一般以空气、氧气、水蒸汽等作为气化介质。气化炉为生物质热解气化的主要工作设备。

目前国内应用的生物质气化炉主要有流化床和下吸式固化床两种类型。可根据气化方式、气化介质和条件的不同,获得不同热值的生物质燃气,从而调整燃气中CO、CO2、H2的比例,应用于供热、供气、发电、合成液体燃料及制氢等不同场合。我国的生物质气化技术主要是应用于集中供气以及中小型气化发电领域,还有部分用于工业锅炉供热。

国内外针对生物质气化热解机理开展的研究中发现,由于生物质主要是由纤维素、半纤维素和木质素组成,它们在生物质中紧密结合成一个有机整体,因此,其热解行为被认为是这三种主要组分热解的综合作用。Raveendran利用热重分析仪和填充床热解反应器对14种生物质原料及几种主要成分的热解特征进行了研究,研究表明,生物质的热解在不同温度区间下的主要分解物质不同[20]。一般来说,在温度较低时(<300℃),生物质中易分解的结构单元开始热解,一些较为复杂的化合物(长链脂肪烃或带侧链的芳烃)发生裂解反应,生产较简单的化合物(甲醛和苯)[21],大部分的无机气体及烃类气体由含氧官能团及侧链上的脂肪烃分解而成[22],此阶段半纤维素的分解占主导地位。当温度达到300~500℃时,生物质中的较大结构单元发生热解,生物质焦油产生,纤维素成为主要的热解对象。

此时纤维素聚合度快速降低,并与低温炭化反应形成竞争过程。当纤维素聚合度降到200时,致使纤维素内部结构发生破裂,解聚反应同时存在,伴随生成一些气态小分子产物。而CO则通过半纤维素产生的挥发组分中的不稳定的羰基断裂生成,在很大程度上,CO的生成是源于挥发组分的二次裂解。这段时间里木质素的热解速度很快,失重达50%以上,主要生成片状焦炭。当温度继续升高到500~700℃时,木质素热解固体产物的产率下降,液体产物随温度升高产率提高,甲醇、乙醛和低分子碳氢化合物等可挥发组分大量析出。很多研究者认为,生物质热解行为可以看作纤维素、半纤维素和木质素独立热解的线性叠加[23]。

自20世纪70年代以来,国外尤其是发达国家的科研人员在相关领域做了大量研究工作。Gahly等首次提出了将气化技术应用于能量密度较低的生物质燃料上,生物质气化研究开始逐步活跃起来[24]。Alexis等设计了利用木材气化生产合成天然气的工艺流程,研究表明,该工艺可以通过甲烷化反应将木材转化为热效率达57.9%低热值基础上的管道质量甲烷[25]。此外,美国、瑞典、德国、意大利等国家在生物质气化技术领域已具有备了领先水平。发达国家在生物质发电、生物质气化联合循环发电技术方面,达到了4~63MW规模水平,发电效率达到35%~40%以上[26]。美国现有生物质发电站350多座,主要采用木材废弃物、城市固体废弃物和其他废弃物作为生物质发电所用原料。生物质发电的总装机容量超过1000万kW。目前,生物质动力工业已成为美国仅次于水电的第二大可再生能源。

近年来,该领域的研究方向正逐步拓宽,其中生物质燃气焦油裂解、生物制氢、生物质合成气制备等技术成为研究重点之一,我国的研究者也开展了大量试验研究。孙云娟等以木屑为原料,研究了不同产地白云石催化作用下的焦油裂解过程,分析了裂解温度、催化类型和反应停留时间等对焦油转化效果和热解可燃气的影响[27]。结果表明,裂解温度越高,停留时间越长时焦油的裂解效果越好,且不同催化剂的裂解效果有明显差异,白云石煅烧处理后的比表面积是决定裂解效果优劣的最重要因素。王铁军等就采用空气-水蒸汽气化生物质制备富氢燃气,结合沼气重整富氢燃气的工艺过程,调整合成气化学当量比,并以制备的生物气合成气一步合成二甲醚,且二甲醚的最大产量为0.244kg/kg(DME/生物质)[28]。

同时,国内的一些研究机构和高校等还开展了生物质气化合成液体燃料等技术方面的研究工作,并取得了一定成果。如山东科技大学成功研发了垃圾分级热解气化技术,让城市生活垃圾在还原性气氛下发生反应,避免二噁英的生产,很好地解决了二次污染问题,运行过程中所生成的气体含有大量甲烷、一氧化碳和氢气等可燃气,可用于工业燃气。

2.3.2生物质液化制油。在生物质作为含能物质利用的过程中,由于固体生物质结构松散,能量密度低,直接燃烧的产能方式不易流通和储存利用。而通过热化学转化过程,可将生物质最大限度的转化为能量密度高的液体燃料,使附加值大大提高,便于存储运输。不同的生物质原料制备出的生物质液化产品不同,制备的液体燃料产品主要有生物油、生物柴油、乙醇和二甲醚等,可以替代石油能源产品,成为车用替代燃料。

固体生物质制取生物油的热化学转化方法一般有直接液化和间接液化两种。直接液化包括高压液化和快速热解液化,而间接液化则是先将生物质热解气化,再将生成的气体精制合成燃料油。直接液化产品主要是生物原油,还包含一些气体和固体残留物。由于生物油与石油相比在分子质量和化学组分等理化性质上有很大不同,除含有除碳、氢元素外,还含有35%~48%质量分数的氧元素。在液化过程中由于氧元素性质活泼,生成的生物原

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