生物质能特点及发展

2010-05-31Page11.生物质能源特点及发展状况1.1生物质能源概况1.2生物质能源特点1.3生物质能源的分类1.4生物质能源发展简要历程1.5发展生物质能源的必要性1.6生物质能源利用主要技术1.7生物质能源转换方式1.8生物质能源重要研发方向1.9美国生物能源发展状况1.10欧盟生物能源发展状况1.11中国生物能源发展状况1.12巴西生物能源发展状况2010-05-31Page21.1生物质能源概况生物质能简介生物质能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。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，它是由太阳能转化而来的。有机物中除矿物燃料以外的所有来源于动植物的能源物质均属于生物质能，通常包括木材、森林废弃物、农业废弃物、水生植物、油料植物、城市和工业有机废弃物、动物粪便等。地球上的生物质能资源较为丰富。地球每年经光合作用产生的物质有1730亿吨，其中蕴含的能量相当于全世界能源消耗总量的10-20倍，但目前的利用率不到3%。据估计，每年地球上仅通过光合作用生成的生物质总量就达1440～1800亿吨(干重)，其能量约相当于20世纪90年代初全世界总能耗的3～8倍。生物质能的利用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，占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。目前人类对生物质能的利用包括直接用作燃料的有农作物的秸秆、薪柴等；间接作为燃料的有农林废弃物、动物粪便、垃圾及藻类等；或采用热解法制造液体和气体燃料，也可制造生物炭。生物质能是世界上最为广泛的可再生能源，但是尚未被人们合理利用，多半直接当薪柴使用。目前，生物质能技术的研究与开发已成为世界重大热门课题之一，受到世界各国政府与科学家的关注。国内外的生物质能技术和装置很多已达到商业化应用程度，实现了规模化产业经营。用户排出CO2光合作用转化设备电/热/气/油吸收CO2放出O2O2O2排出CO2图：生物质能利用过程示意2010-05-31Page31.2生物质能源特点生物质的优点：可再生低污染广泛分布性总量十分丰富某些条件下属于廉价能源与其它非传统性能源相比较，技术上的难题较少生物质的缺点：原料成分复杂能量密度低收集成本高各种生物质分布不均小规模利用相比化石燃料而言，生物质能具有以下显著特点：可再生性。生物质通过植物的光合作用可以再生，与风能、太阳能同属可再生能源。生物质资源丰富，可保证能源的永续利用。生物质利用过程中具有二氧化碳零排放特性。生物质在生长时需要的CO2相当于它燃烧时排放的CO2的量，CO2净排放量近似于零，可有效降低温室效应。生物质含硫、含氮都较低，灰分含量也很少，燃烧后SO2、NOx和灰尘排放量比化石燃料小得多，是一种清洁的燃料。生物质资源分布广、产量大，转化方式多种多样。生物质单位质量热值较低，而且一般生物质中水份含量大，影响了生物质的燃烧和热裂解特性。生物质的分布比较分散，收集、运输和预处理的成本较高。2010-05-31Page41.3生物质能源的分类生物质资源按照来源可分为六大类森林能源森林能源是森林生长和林业生产过程提供的生物质能源，主要是薪材等。农作物秸秆农作物秸秆是农业生产的副产品，也是我国农村的传统燃料。禽畜粪便除在牧区有少量直接燃烧外，禽畜粪便主要是作为沼气的发酵原料。生活垃圾城镇生活垃圾主要是由居民生活垃圾、商业和服务业垃圾、少量建筑垃圾等废弃物所构成的混合物。能源植物能源植物种类较多，例如制糖作物、油料植物等。水生植物水生植物可转化成燃料，也是增加能源供应的方法之一。2010-05-31Page51.4生物质能源发展简要历程20世纪70年代由于中东战争引发的全球性能源危机，包括木质能源在内的可再生能源开发利用重新引起了人们的重视。TIME目前，生物质能居于世界能源消费总量第四位，各主要国家都积极展开了对生物质能源的研究。生物质能一直是人类赖以生存的重要能源。在第二次世界大战前后，欧洲的木质能源应用研究达到高峰，但之后随着石油化工和煤化工的发展，生物质能源的应用逐渐趋于低谷。生物质能极有可能成为未来可持续能源系统的组成部分。乐观估计，到21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。2010-05-31Page61.5发展生物质能源的必要性传统能源面临枯竭，开发新能源已成为人类发展中的紧迫课题。发展生物质能源迫在眉睫环境危机日益加重，生物质能可代替部分煤炭、石油、天然气等石化燃料，减少温室气体排放，对生态环境具有保护作用。开发生物质能可以减少对石油的依赖程度，对保障国家能源安全具有重要作用。未来的能源结构将是以生物质能等可再生能源为主的多种能源形式并存的可持续的能源系统。2010-05-31Page71.5发展生物质能源的必要性（续上表）石油34.8%其它能源11.9%煤29.2%天然气24.1%石油18.7%煤68.7%天然气3.8%其它能源8.8%数据来源：国际能源机构（IEA）2008年全球能耗比例图2008年中国能耗比例图其它能源12.4%石油35.5%煤28.5%天然气23.7%石油11.3%煤76.6%天然气3.8%其它能源8.2%数据来源：《中国统计年鉴2008》2007年全球能耗比例图2007年中国能耗比例图能源种类占全球能耗比例可使用时间化石能源煤29.2%88.1%220年左右石油34.8%40年左右天然气24.1%60年左右其它11.9%-表.2008年各类能源占全球能耗比例注：来源于国际能源机构（IEA）公开信息。2010-05-31Page81.6生物质能源利用主要技术物理转化生物转化热量/电力直接燃烧气化热化学法热解直接液化生物质燃气木炭或生物油液化油化学法间接液化直接液化甲醇、醚生物柴油水解发酵乙醇沼气技术甲烷固体燃料生物质化学转化2010-05-31Page91.7生物质能源转换方式生物质固化生物质气化燃料油乙醇生物质炭燃油甲烷燃料甲醇生物质液化植物油料热解液化生物发酵沼气发酵热解气化固体燃料生物质物理转化物理转化主要是指生物质的固化。生物质固化就是将生物质粉碎至一定的平均粒径，不添加黏结剂，在高压条件下，挤压成一定形状。其黏结力主要是靠挤压过程所产生的热量，使得生物质中木质素产生塑化黏结，成型物再进一步炭化制成木炭。物理转化解决了生物质形状各异、堆积密度小且较松散、运输和储存使用不方便等问题，提高了生物质的使用效率，但固体在运输方面不如气体、液体方便。该技术尚存在机组可靠性较差、生产能力与能耗、原料粒度与水分、包装与设备配套等方面的问题。生物质化学转化生物质化学转变主要包括以下几个方面：直接燃烧、液化、气化、热解、酯交换等。直接燃烧利用生物质原料生产热能的传统办法是直接燃烧，燃烧过程中产生的能量可被用来产生电能或供热。在生物质燃烧用于烧饭、加热房间的过程中，能量的利用效率极低，只能达到10%~30%。而在高效率的燃烧装置中，生物质能的利用效率可获得大幅度的提高，接近石化能源的利用效率。生物质的热解热解是将生物质转化为更为有用的燃料，是热化学转化方法之一。在热解过程中，生物质经过在无氧条件下加热或在缺氧条件下不完全燃烧后，最终可以转化成高能量密度的气体、液体和固体产物。2010-05-31Page10生物质的气化气化是以氧气（空气、富氧或纯氧）、水蒸气或氢气作为气化剂，在高温下通过热化学反应将生物质的可燃部分转化为可燃气（主要为一氧化碳、氢气和甲烷以及富氢化合物的混合物，还含有少量的二氧化碳和氮气）。通过气化，原先的固体生物质被转化为更便于使用的气体燃料，可用来供热、加热水蒸气或直接供给燃气机以产生电能，并且能量转换效率比固态生物质的直接燃烧有较大的提高。气化技术是目前生物质能转化利用技术研究的重要方向之一。生物质的液化液化是一个在高温高压条件下进行的生物质热化学转化过程，通过液化可将生物质转化成高热值的液体产物。生物质液化是将固态的大分子有机聚合物转化为液态的小分子有机物的过程。生物柴油将植物油与甲醇或乙醇等短链醇在催化剂或者在无催化剂超临界状态下进行反应，生成生物柴油（脂肪酸甲酯），并获得副产物甘油。生物柴油可以单独使用以替代柴油，又可以一定的比例与柴油混合使用。除了为公共交通车、卡车等柴油机车提供替代燃料外，又可为海洋运输业、采矿业、发电厂等具有非移动式内燃机的行业提供燃料。1.7生物质能源转换方式（续上表）2010-05-31Page11目前受到国内外学者普遍关注的研究方向主要有以下几个方面：两步法生物质气化发电技术两步法生物质气化技术是在二次气化过程中将焦油彻底裂解，产生高品质的清洁燃气，以解决燃气净化和二次污染的难点问题，使下游的用气设备和发电系统更加稳定可靠，能源转换效率比现有气化发电提高10个百分点。两步法气化发电机组的发展方向是村级小型清洁能源系统。循环流化床生物质气化技术循环流化床气化技术的方向是发展煤与生物质燃气联合燃烧的电站。循环流化床气化的原料适应性好，可使用范围宽广的生物质原料，气化和发电效率高，可大量消化秸秆等生物废弃物，节约发电用煤炭，减少二氧化碳的排放。生物质热化学转换制氢技术氢能是公认的高效清洁能源，在后化石燃料时代将发挥重要的作用。生物质催化裂解制氢方向是发展一种新的可再生能源制氢技术，与燃料电池组合成为对环境完全无害的高效能源系统。生物质气化合成二甲醚技术采用生物质合成二甲醚的过程是先将生物质气化，气相产物经净化调整成为合成气（CO+H2）后，再经催化合成得到二甲醚。该产品不仅在制冷、日用化工、染料、涂料、气溶胶喷射剂等方面有广泛的应用，而且还具有十分优良的燃料性能。与液化气性质近似，其十六烷值高于柴油，可作为清洁柴油和液化气。生物质制取燃料乙醇燃料乙醇可用作汽车代用燃料或与汽油组成混合燃料，节约石油并减少有害气体的排放，将固体生物质废弃物转化成燃料乙醇是未来最重要的发展方向。生物质快速热解制取液体燃料快速热解技术的发展方向是将固体生物质转变为液体燃料，以替代石油用作汽车燃料，初期以作为普通燃料、脱硫剂、脱硝剂和化工原料为目标。生物柴油技术生物柴油是对植物油进行脂交换处理得到的脂肪酸甲酯或已酯，其性质与柴油十分接近，是较为理想的柴油代用燃料。生物柴油的合成方式包括化学法和生物酶法。需要解决的关键问题是寻找合适的原料、提高转化率、降低成本、降低能耗、简化工艺、提高生物柴油的经济效益。生物质成型技术生物质成型主要有螺旋挤压、活塞冲压以及压锟成型技术。机械磨损大、寿命短、能耗高时影响其推广应用的主要障碍。1.8生物质能源重要研发方向2010-05-31Page121.9美国生物能源发展状况在美国利用生物质发电已成为大量工业生产用电的选择。目前美国有350座生物质发电站，主要分布在纸浆、纸产品加工厂和其它林木产品加工厂附近。TIME美国国会在2000年通过了《生物质研发法案》，2002年提出了《发展和推进生物质基产品和生物能源报告》以及《生物质技术线路图》，成立了“生物质项目办公室”和生物质技术咨询委员会。美国是目前世界上第一大能源生产国和消费国。美国能源部早在1991年就提出了生物质发电计划，而美国能源部的区域生物质能源计划的第一个实习区域早在1979年就已开始建设。美国能源部提出了逐步提高绿色电力的发展计划。至2010年，美国将新增约1100万千瓦的生物质发电装机。美国可再生能源生产税为生物质发电提供了每千瓦时1.8美分的税收优惠。2008年，生物质能占美国能量供给的3%，成为国内最大的可再生能源来源。在美国一次能源消费中，可再生能源占6%，其中生物质能占47%。发电能源消耗中，可再生能源约9.1%，其中生物质发电占67%。美国计划2020年使生物能源和生物质基产品较2000年增加20倍，达到能源总消费量的25%，2050年达到50%，每年减少碳排放量1亿吨和增加农民收入200亿美元的。2009年，美国燃料乙醇产量在34亿加仑以上