生物质能

2009-4-20王华生物质能生物质能高温裂解技术生物质气化技术沼气生物质压缩成型技术2009-4-20王华生物质能概述生物质能的定义：直接或间接通过绿色植物的光合作用，把太阳能转化为化学能后固定和储藏在生物体内的能量。生物质的分类：木质（木材，农业种植物）非木质（加工过程废弃物，农作物）动物粪便2009-4-20王华生物质能概述用于能量转化的生物质：木材残余物：农业废弃物：秸秆，稻壳，动物粪便等能源庄稼:比如甘蔗、木薯、甜高粱等城市垃圾(MSW)2009-4-20王华农作物秸秆的应用以棉为例直接燃烧生物质发电国能生物发电有限公司高唐项目投资建设一台25MW级的生物质直燃发电项目，按年运行6000小时计算，年消耗农林废弃物约20万吨，年发电量约1.6亿千瓦时；在秸秆收购方面，每年可为当地农民秸秆销售带来直接现金收入4000万元左右；生物质能概述2009-4-20王华生物质能概述•围绕燃料收、储、运等产业链条，能够直接吸纳当地农村劳动力1000多人。•与同类型火电机组相比，每年可减排二氧化碳约10万吨。•燃烧后产生的草木灰，每年可达8000吨左右，作为高品质的钾肥，可以还田使用，环保效益和社会效益突出。供发电使用的棉杆和树皮被堆成了小山2009-4-20王华生物质能概述生物质能的特点•二氧化碳几乎零排放•硫、氮和灰分含量少•挥发分含量高，氧含量多，有利于燃烧•水分含量高，影响着火和燃烧的稳定性•单位质量生物质热量低•分布分散，能量密度低，收集、运输和预处理繁琐•具有可再生性，原料广泛2009-4-20王华生物质能概述生物质能形成：地球上的生物：异养和自养光合作用：6CO2+12H20——→C6H12O6+6O2光合作用的发现：1771年，英国科学家普利斯特利光合作用对生物进化的作用：原始大气、有氧生物的出现，2009-4-20王华生物质能概述利用光合作用吸收发电厂排放出的废气可以减少火力发电厂的废气排放量想法：在发电厂的废气排放管道上种植单细胞藻类是再循环的根本途径。俄亥俄大学煤炭研究中心：生物反应器马萨诸塞州剑桥市：反应器由一系列透明管子组成麻省理工学院的校园电厂:该反应器能够回收一个电厂75%的二氧化碳排放量2009-4-20王华生物质能直接燃烧技术•农业废弃物燃烧•木炭•城市固体废弃物的燃烧•燃用生物质锅炉2009-4-20王华生物质能直接燃烧技术1木炭•方法：将木料在300-500℃窑炉中闷烧（还原条件下）得到。成分基本上就是碳。能量密度是原始木材的2倍。•缺点：•要获得1t的木炭要消耗4-10t的木材•如果没有对挥发分收集，3/4的能量都损失掉了•制取木炭会排放大量污染物，增加温室效应2009-4-20王华生物质能直接燃烧技术2城市固体废弃物的燃烧•垃圾燃烧供暖、发电•欧洲国家垃圾发电的装机容量占世界总量的一半2009-4-20王华二恶英危害:二恶英一旦进入人体，就会长久驻留，因为其本身具有化学稳定性并易于被脂肪组织吸收，并从此长期积蓄在体内。来源:常以微小的颗粒存在于大气、土壤和水中，主要的污染源是化工冶金工业、垃圾焚烧、造纸以及生产杀虫剂等产业。污染载体:这些化合物聚积最严重的地方是在土壤、沉淀物和食品，特别是乳制品、肉类、鱼类和贝壳类食品中。其在植物、水和空气中的含量非常低。.2009-4-20王华形成条件:含氯化学品的制造有氯存在条件下，200℃～400℃时易产生二恶英含氯化合物的燃烧在焚烧状态：200℃～400℃条件下易产生二恶英，800℃～1200℃时也有少量二恶英产生。自然形成条件森林大火；污泥自然蒸发过程；堆肥化处理；树叶的自然腐化等过程也会自然形成二恶英。2009-4-20王华生物质能直接燃烧技术城市固体废弃物燃烧发电的现状•迫于公众的压力，得不到发展•环保组织鼓励循环利用减少污染•总之，优于垃圾填埋的方式苏州市生活垃圾焚烧发电日本东京垃圾焚烧发电2009-4-20王华厌氧消化制取气体燃料•沼气技术沼气：主要成分：甲烷50-70%,CO230-40%，少量H2，N2，CO，H2S和NH3广泛分布于大自然中：沼泽、积水粪坑、池塘、江河底部气泡2009-4-20王华厌氧消化制取气体燃料•沼气发酵微生物学原理：发酵细菌产氢产乙酸菌耗氢产乙酸菌水解酸化阶段产甲烷阶段嗜氢产甲烷菌嗜乙酸产甲烷菌2009-4-20王华•动物粪便富氮性原料其C／N＜25／1。粪便类原料颗粒较细，合有较多低分子化和物，原料分解产气速度快，不必进行预处理。原料中的C/N比C-甲烷的主要成分N-微生物细胞若原料C/N大于30：1，就难以启动，产气效果也不好。消化器中原料：C/N20-30：1为宜。2009-4-20王华影响产气速度的条件A）原料：人畜粪便、稻草、麦草、玉米秸秆、青杂草比较：秸秆原料木质素含量高，C/N比高，分解速度慢，粪便类原料C/N比低，分解快。B）温度8-65度都可以产气，温度越高，速度越快，2009-4-20王华接种物常温发酵下水道污泥中温发酵常温接种物培养驯化如：酒糟和猪粪高温发酵中温接种物培养驯化如：酒糟和猪粪2009-4-20王华酸碱度：最适宜pH范围6.8-7.56或者8发酵受到抑制，甚至停止产气。压力：双重影响，可以影响成分和总产气量CO2可溶于水，而甲烷不能，所以压力增加，CO2含量减少，相当于甲烷含量增加了。搅拌：适当搅拌可以增加产气量15%-35%添加剂和抑制剂：纤维素酶，尿素，碳酸钙；农药，金属离子等2009-4-20王华厌氧消化制取气体燃料沼气池的结构：家用沼气池：2009-4-20王华厌氧消化制取气体燃料几种新型发酵消化器1厌氧过滤器(AF)2纤维填料生物膜消化器3上流式厌氧污泥床消化器4UBF型消化器2009-4-20王华厌氧消化制取气体燃料1厌氧过滤器(AF)惰性填充料：卵石，炉渣，瓷环，塑料等生物膜：用于：处理高浓度有机污水，也用于处理城市下水道污水。缺点：由于填料存在，污水中悬浮物太多，容易堵塞短路。2009-4-20王华厌氧消化制取气体燃料•纤维填料生物膜消化器AF的一种，维纶制成纤维填充料2009-4-20王华厌氧消化制取气体燃料2009-4-20王华厌氧消化制取气体燃料•四位一体北方生态农业模式（能源生态模式）•组成：•沼气池•温室（塑料蔬菜大棚）•猪舍•厕所•原理2009-4-20王华厌氧消化制取气体燃料西北农业五配套北方四位一体2009-4-20王华厌氧消化制取气体燃料沼气工程的作用•生产清洁能源—高效、可再生能源•治理环境污染—处理粪便、垃圾、有机废水、废渣•提高企业经济效益—综合利用、改善生产条件•形成新的产业—设计、施工、副产品生产销售、配套设备加工2009-4-20王华厌氧消化制取气体燃料•我国沼气发展•集约化禽畜场沼气工程•万头育肥猪场，日产粪水60ｍ3，设计池容500m3，产气率为0.39m3/m3•d，总投资为175万元•年产沼气10万立方米，固体有机肥540吨•收益=沼气+有机肥+避免排污罚款+畜禽发病率减少避免的损失•COD、BOD去除率分别70%、75%以上2009-4-20王华厌氧消化制取气体燃料•技术成熟，具备了规模化发展条件•2001年工业沼气600多座，池容150万m3，年处理废水1.5亿m3，年产沼气10.0亿m3•2000年农业沼气853座，池容22万m3，年处理粪便1500万t，年产沼气0.5亿m32009-4-20王华厌氧消化制取气体燃料主要发展障碍：–初始投资大，自我融资能力不够•万头猪场沼气工程初始投入150-200万元•工业2500池容沼气工程400-500万元–治理成本和沼气产品成本高•工业废水2.50元/m3废水，发电＞0.35元/kWh•养殖场7.5元/m3粪水，发电＞0.7元/kWh–市场风险大•禽畜产品和食品产品不确定因素大，风险大•难以吸引各方投资者2009-4-20王华厌氧消化制取气体燃料•国外沼气发展•印度是继中国之后户用沼气数量最多的国家。•牛电项目•美国蓝衫农庄2009-4-20王华厌氧消化制取气体燃料•德国蒙斯特利用生活垃圾制取沼气的装置•1999年德国有850家沼气电站，2000年就有2000多家。2009-4-20王华生物质热化学转化•三种：•热干馏（炭、燃气）•热裂解气化（可燃气）不足供氧情况下，“焖”出煤气(CO)•热裂解液化中温闪速热裂解，“生物油”2009-4-20王华生物质热化学转化•生物质热裂解气化原理：在一定热力学条件下，在只提供有限氧的情况下，生物质不完全燃烧，生成一氧化碳、氢气和低分子烃气体等可燃气的过程。工艺过程：进料—气化反应器—净化系统—后处理系统2009-4-20王华生物质热化学转化1上吸式气化炉•工作过程：物料自炉顶加料口投入炉内，气化剂由炉体底部进气口进入炉内参与气化反应，反应产生的气化气自下而上流动，由可燃气出口排出。•优点：可燃气在经过热分解层和干馏层时，将其携带的热量传递给物料，用于物料的热分解和干燥，同时降低其自身温度，使气化炉热效率大大提高;热分解层和干馏层对可燃气有一定的过滤作用。所以出炉的可燃气中只含有少量灰份。•缺点：添料不方便;可燃气中含挥发性物质(如焦油蒸气)较多。2009-4-20王华生物质热化学转化2、下吸式气化炉工作过程：生物质原料由炉顶的加料口投入炉体，作为气化剂的空气也由进料口进入炉内，炉内的物料自上而下分为干燥层、热分解层、氧化层、还原层。优点：结构比较简单，工作稳定性好，可随时开盖添料;气体中的焦油在通过下部高温区时，一部分被分解成小分子永久性气体(再降温时不凝结成液体)，以出炉的可燃气中焦油含量较少。缺点:由于炉内的气体流向是自上而的，而热流的方向是自下而上的，致使引风机从炉栅下抽出可燃气要耗费较的功率;出炉的可燃气中含有较多灰份;出炉的可燃气温度较高，须用水对其进行冷却。2009-4-20王华生物质热化学转化工作过程：空气或空气与水蒸气的混合气从位于炉身一定高度处的喷嘴送入炉内，炉生产的燃气经炉栅处被吸到炉外，燃气呈水平流动，故称平吸式。优点：燃料层温度较高，可达到2000℃。炉子结构紧凑，启动时间短，负荷适应力强。缺点：由于物料在炉内停留时间短，燃气质量不理想;由于炉体心温度高，容易造成结块;另外由于炉子的还原层容积很小，使CO2还原成O的机会减少，从而使燃气质量降低。2009-4-20王华生物质热化学转化反应机理-以上吸式为例：生物质气化是指固体物质在高温条件下，与气化剂(空气、氧气和水蒸汽)应得到小分子可燃气体的过程。通常所说的气化，还包括生物质的热解。图7为其气化原理图。原料在上吸式气化炉内大体上分为四个区域(层)：氧化层，还原层，热分层和干燥层。炉内温度自氧化层向上递减。原料从炉顶落入炉内，大型气化原料是连续加入;而小小型气化炉原料是间歇性投入的。空气由下方供给，出的燃气经上方管道输走2009-4-20王华生物质热化学转化循环流化床适合大型的应用比如生物质气化发电2009-4-20王华太阳能生物质气化技术传统方法存在的问题：1）耗能大，外部加热的方式耗化石燃料；内部加热的方法，消耗近40%的生物质原料。2009-4-20王华2）需要高温高加热速率，耗能强度大3）采用空气作为气化剂，产出燃气中含有大量氮气，稀释了可燃气，使热值降低。太阳能聚光生物质气化2009-4-20王华家用小型气化炉•原理：实际上是半气化炉2009-4-20王华2009-4-20王华生物质气化技术1.气化技术原理：CO,CO2,H2,CH4,焦油少量烃类。燃烧准备区气化区2009-4-20王华2.气化过程能量平衡：气化剂工况条件产物耗用最低的热量,将原料物质的化学能最大限度地转化为气体燃料的化学能.2009-4-20王华植物质压缩成型1压缩成型的意义单位容积的热值和密度增加，一般的农林废弃物压缩后，密度可达1.2-1.4t/m3，热值达到16744kJ/kg，体积缩小6-8倍。热性能优于木材，相当于中值烟煤。2009-4-20王华2主要工艺方法加粘结剂成型加热压缩黄泥，蘑菇渣，废蜜渣，硅酸钠成本增加，热值降低纤维软化粘结成型，1