4生物质能工程(1)

生物质能工程BiomassEnergyEngineering概述生物质是自然界中有生命的可以生长的各种有机物质，包括动植物和微生物。生物质本身具有一定的能量，并可转化成不同形式的能。生物质中可以被人们当作能源加以利用的部分称为生物质能资源。生物质的基本来源是绿色植物通过光合作用（photosynthesis）把水和二氧化碳转化成碳水化合物而形成。可以通过各种生物质能转换技术把生物质能加以利用。生物质是讨论能源时常用的一个术语，是指由光合作用而产生的各种有机体。生物能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式，一种以生物质为载体的能量，它直接或间接地来源于植物的光合作用，在各种可再生能源中，生物质是独特的，它是贮存的太阳能，更是一种唯一可再生的碳源，可转化成常规的固态、液态和气态燃料。光合作用与生物质光合作用是绿色植物吸收日光能还原二氧化碳并释放氧气的过程，光能转变为化学能积蓄在有机物中，其总反应为2222)(OOCHOHCO光水+二氧化碳植物有机体+氧太阳能由于光合作用所利用的是自然界取之不尽用之不竭的太阳能，和大气中的C02与地球上十分丰富的水作原料，故而绿色植物在地球上得到了优势的发展，成为规模最大的一类植物。后来，发现某些光合细菌也能进行光合作用。地球上的植物通过光合作用每年约吸收7×1011t。氧化碳，合成有机物5×1011t，光合作用是地球上制造有机物的重要途径。从能量利用方面看，光合作用又是一个巨型能量转换过程，它是地球上唯一大规模地将太阳能转变成可贮存的化学能的生物学过程。虽然通过光合作用固定的太阳能只约占到达地球表面太阳能的千分之一，但其每年合成有机物的能量还是非常巨大，约为世界每年耗能量的10倍。生物质资源既包括陆生植物，也包括水生植物。水生生物质资源比陆生的更为广泛。这是因为地球上有广大的水域，而且不存在陆生资源那样与住宅、粮食等争地的问题。水域费用一般比陆地费用较低。水生生物质资源品种繁多，资源量大，领域广阔。通常提供作为能源的生物质资源种类很多，主要是：①农作物、油料作物和农业有机剩余物②林木，森林工业残余物③动物的排泄物，④江河湖泊的沉积物，⑤农副产品加工后的有机废物和废水，⑥城市生活有机废水及垃圾等都是重要的生物质能资源。生物质能转换技术综述通常把生物质能通过一定的方法和手段转变成燃料物质的技术称为生物质能转换技术。如不经转换直接燃用称为直接燃烧。生物质能的转换过程依原材料的湿度不同可分为：干生物质和湿生物质两大类。干生物质是通过某种热化学转换形式来处理的，在这种情况下，利用加热来生产能源产品；由湿生物质获取燃料物质通常是采用某种发酵过程，此时生产液体或气体燃料(或化工原料)是微生物在起作用。虽然这两类转换方式可以互换、但将湿生物质干燥使之适于热化学处理需要大量的加工能量；而使干生物质原材料适于发酵流程，又必须进行物理或化学预处理，耗费也相当大。此外，生物质能资源还有植物油，它一般呈液态，它可以作燃料燃烧，亦可再加工提炼成其他产品。综上所述，生物质能转换技术总的可分为1、直接燃烧技术2、化学转换技术3、生物转换技术。1、直接燃烧生物质直接燃烧是最普通的生物质能转换技术。直接燃烧的过程可以简单地表示为：可见，此过程实际上是光合作用的逆过程。在燃烧过程中，燃料将贮存的化学能转变为热能释放出来。除碳的氧化外，在此过程中还有硫、磷等微量元素的氧化。热量有机物质直接燃烧OHCO222O直接燃烧的主要目的是取得热量，而燃烧过程产生热量的多少，除因有机物质种类不同而不同外，还与氧气(空气)的供给量有关，即是否使有机物质达到完全氧化。可以进行直接燃烧的设备形式很多，有普通的炉灶，亦有各种锅炉，还有复杂的内燃机(如燃用植物油)等。用化学手段将生物质能转换成燃料物质的技术，称为化学转换技术。常用方法有：①气化法（gasify)②热分解法(Pyrolysis)③液化法（liquefy）。2、化学转换技术①气化法气化过程是使固体有机物在高温下发生反应或使它在不足以完全燃烧的供氧情况下燃烧，最后得到CO、H2、CH4、水蒸汽及其他少量碳氢化合物组成的气体混合物。当由空气来提供氧气时，气体热值就很低；如果供纯氧，这种气体的能量就较高，可压缩或远距离输送供商业出售。这种气体产品也可以通过转化反应和液化转化为酒精或氨。上吸式煤气发生炉下吸式煤气发生炉干燥层干馏层冷却套气嘴煤气空气平吸式煤气发生炉流化床式煤气发生炉ND-90型气化炉乡村燃气系统示意图1、给料器2、气化反应器3、净化器4、风机5、过滤器6、水封器7、气柜8、燃气供应网②热分解法热分解法是使有机物质在隔绝空气条件下加热而取得多种产品，包括固体燃料、液体燃料和气体燃料三每种产品的相对量主要取决于加热速度和温度。快速加热有利于液体产品的形成，加热速度慢便产生更多的气体和炭。生物质压缩成型亦是利用了生物质的热分解特性来生产质量密度和能量密度都较高的固体燃料的工艺。意大利Alten公司生物质热解工艺流程图加拿大ENSYN公司上流式循环流化床反应器旋转锥型生物热解反应器荷兰Twente大学研制安装在中国沈阳农业大学旋涡式热解反应器美国台太阳能研究所（SERI）研制③液化法采用液化技术可获得液体产品。这种技术不同于通常的热解，它是在高压与低温下进行的。加入H2和CO以及各种催化剂可以使理想的液体产品的产量增至最大。由液化及热解产生的各种液体与气体可直接用作燃料，也可提炼、净化、合成为其他能源产品。炭或木炭可燃烧或气化，也可做为吸附剂或在高炉炼铁中代替焦炭。另外，压榨、提取植物油亦是从生物质中取得液体燃料的一种方法。生物质压缩成型技术1、工具柜2、电器柜3、电动机4、料斗5、电热成型筒6、切断装置3、生物转换技术生物转换技术是用微生物发酵方法将生物质能转变成燃料物质，其通式为：通常产生的液体燃料为乙醇(酒精)，气体燃料为沼气+CO2产生酒精的有机物原料有两类，糖类原料如甘蔗、甜菜、甜高梁等作物的汁液以及制糖工业的废糖蜜等，可直接发酵成含乙醇的发酵醪液，再经蒸馏便得高浓度的酒精；淀粉类原料如玉米、甘薯、马铃薯、木薯等，则须先经过蒸煮、糖化，然后再发酵、蒸馏产生酒精。酒精可作为燃料，亦可制成饮料。沼气是生物质在严格厌氧条件下经发酵微生物的作用而形成的气体燃料。可用于产生沼气的生物质非常广泛，包括各种秸秆、杂草、水生植物、人畜粪便、各种有机废水等。沼气可直接使用，或将CO2除去，得到甲烷纯度较高的产品。生物能具备优点1.提供低硫燃料；2.提供廉价能源(於某些条件下)；3.将有机物转化成燃料可减少环境公害(例如，垃圾燃料)；4.与其他非传统性能源相比较，技术上的难题较少。生物能具备缺点1.规模利用；2.植物仅能将极少量的太阳能转化成有机物；3.单位土地面的有机物能量偏低；4.缺乏适合栽种植物的土地；5.有机物的水分偏多(50%～95%)。