生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)及其分析

孫守強(qiáng)，袁隆基，楊宏坤，梁軍輝 (中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)  　　摘要： 介紹一些常用的生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化方式，包括生物質(zhì)固體成型技術(shù)、生物質(zhì)液體燃料轉(zhuǎn)化技術(shù)以及生物質(zhì)制取氣體技術(shù)。同時(shí)詳細(xì)地介紹了秸稈燃燒發(fā)電、沼氣發(fā)電、整體氣化發(fā)電(BIG)、生物質(zhì)燃料電池等一些常用的、比較有前景的生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)。最后，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)能發(fā)展現(xiàn)狀以及發(fā)展中需注意的問(wèn)題從技術(shù)的可行性、經(jīng)濟(jì)性等方面做了一些分析。 　　生物質(zhì)能是人類(lèi)利用最早的能源之一。生物質(zhì)能源主要是指直接或間接地利用自然界的有機(jī)物質(zhì)生產(chǎn)的能源，其具有蘊(yùn)藏量大、普遍性、易取性、揮發(fā)性高、炭活性高、易燃性等特點(diǎn)。在我國(guó)，生物質(zhì)能的主要表現(xiàn)形式有[1]：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)物及農(nóng)林廢物；生活垃圾；工業(yè)有機(jī)廢物等。但我國(guó)生物質(zhì)能利用起步晚、利用方式簡(jiǎn)單、效率低，因此，開(kāi)發(fā)比較環(huán)保、高效燃燒技術(shù)對(duì)我國(guó)農(nóng)村地區(qū)生活水平的提高以及環(huán)境的改善顯有深遠(yuǎn)的意義。 　　1生物質(zhì)能利用轉(zhuǎn)化方式 　　1.1固體利用方式 　　固體利用生物質(zhì)燃料技術(shù)與燃煤發(fā)電技術(shù)類(lèi)似，核心問(wèn)難是生物質(zhì)入爐前的成型技術(shù)。根據(jù)成型工藝的差別主要分為濕壓成型、熱壓成型和碳化成型[2]工藝三種形式：濕壓成型工藝主要是將原料在一定液體中浸泡數(shù)日，生物質(zhì)在液體中皺裂并部分降解，然后采用一定方式(通常為高壓)將水分?jǐn)D出，然后成型成為燃料塊；熱壓成型工藝過(guò)程與型煤技術(shù)類(lèi)似通常分為原料粉碎、干燥混合、擠壓成型以及冷卻包裝等過(guò)程，其中成型方式是核心工藝；碳化成型是將原料送入機(jī)器內(nèi)壓縮，后柱塞將壓好的塊料送入熱解桶內(nèi)，物料在已設(shè)好溫度的熱解桶內(nèi)被碳化，得到相應(yīng)的產(chǎn)品。 　　1.2液體轉(zhuǎn)化利用方式 　　生物質(zhì)轉(zhuǎn)化液體方式主要有發(fā)酵工藝、生物質(zhì)液化以及機(jī)械萃取工藝。發(fā)酵主要是指糖類(lèi)、淀粉含量較高的生物質(zhì)制取乙醇，其流程為先將生物質(zhì)碾碎，通過(guò)催化酶作用將淀粉、糖類(lèi)轉(zhuǎn)化為糖，再用發(fā)酵劑將糖轉(zhuǎn)化為乙醇，初步得到的乙醇體積分?jǐn)?shù)較低(10% ~15%)的產(chǎn)品，蒸餾除去水分和其他一些雜質(zhì)，最后濃縮的乙醇(一步蒸餾過(guò)程可得到體積分?jǐn)?shù)95%的乙醇)冷凝得到液體乙醇[3]；生物質(zhì)液化燃油是一種以廢棄生物質(zhì)(如各種廢棄農(nóng)業(yè)秸稈、廢棄木本植物、草本植物及城市有機(jī)垃圾)為原料，經(jīng)特殊的熱化學(xué)液化工藝轉(zhuǎn)化、分離所獲得的新型、綠色可再生的生物質(zhì)液體燃料；一些含油率高的能源作物如菜籽、油桐、蓖麻、油菜等可以直接經(jīng)過(guò)機(jī)械方式經(jīng)過(guò)壓榨、提煉、萃取以及精煉等處理方式得到的液體燃料，對(duì)植物油進(jìn)行酯化處理，經(jīng)過(guò)油脂水解、脂肪酸的酯化、酯交換等過(guò)程可生產(chǎn)出品質(zhì)較好的生物柴油。 　　1.3氣體轉(zhuǎn)化利用方式 　　氣化方式主要有生物化學(xué)法和熱化學(xué)法兩種。生物化學(xué)生產(chǎn)可燃?xì)怏w主要指細(xì)菌將原料(有機(jī)廢物)分解為淀粉和纖維素都等有幾大分子，然后將他們直接轉(zhuǎn)化為脂肪酸(乙酸等)，緊接著甲烷化細(xì)菌開(kāi)始起作用進(jìn)行厭氧消化法生產(chǎn)沼氣；熱化學(xué)法就是將溫度加熱到600℃以上，在缺氧的條件下對(duì)有機(jī)質(zhì)進(jìn)行“干餾”這類(lèi)熱解產(chǎn)物與以煤熱解十分相似，固體產(chǎn)物為焦炭類(lèi)似物，氣體產(chǎn)物為“爐煤氣”類(lèi)似物，一部分固體物質(zhì)，再進(jìn)入裂解爐[4](魯奇法)進(jìn)行固體物質(zhì)的裂解或進(jìn)入二次燃燒室燃燒，爐溫可達(dá)900℃以上。這樣固體全部轉(zhuǎn)化為氣體燃料，便可產(chǎn)生出高質(zhì)量的氣體燃料。 　　2生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù) 　　2.1直接燃燒發(fā)電 　　以秸稈、垃圾等為代表的生物質(zhì)發(fā)電方式為直接燃燒發(fā)電。燃燒秸稈發(fā)電時(shí)，秸稈入爐有多種方式：可以將秸稈打包、粉碎造粒(壓塊)、或打成粉或者與煤混合后末打入鍋爐。其生產(chǎn)過(guò)程為：將秸稈等生物質(zhì)加工成適于鍋爐燃燒的形式(粉狀或塊狀)，送入鍋爐內(nèi)充分燃燒，使儲(chǔ)存于生物質(zhì)燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成熱能；鍋爐內(nèi)的熱后產(chǎn)生飽和蒸汽，飽和蒸汽在過(guò)熱器內(nèi)繼續(xù)加熱成過(guò)熱蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)，驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組旋轉(zhuǎn)，將蒸汽的內(nèi)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，最后由發(fā)電機(jī)將機(jī)械能變成電能。具體發(fā)電流程如圖1所示。  　　2.2沼氣發(fā)電 　　沼氣發(fā)電是隨著沼氣綜合利用的不斷發(fā)展而出現(xiàn)的一項(xiàng)沼氣利用技術(shù)，它將沼氣用于發(fā)動(dòng)機(jī)上，并裝有綜合發(fā)電裝置，以產(chǎn)生電能和熱能的一種有效利用沼氣方式。該系統(tǒng)用一個(gè)密閉型的熱動(dòng)力裝置(BTTPU)[6]，包括一套沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和一臺(tái)帶出熱量的熱交換器。與現(xiàn)用的液體發(fā)酵主要區(qū)別在于物料有機(jī)質(zhì)不需要液化過(guò)程，在高溫厭氧環(huán)境下將生物質(zhì)原料直接裝入模塊式的密封發(fā)酵設(shè)備，在滲濾液環(huán)流作用下使干燥物料潮濕，經(jīng)過(guò)幾周時(shí)間，變成甲烷含量達(dá)70% ~ 80%的高質(zhì)量沼氣，通過(guò)沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換成電能以及余熱利用。 　　2.3整體氣化聯(lián)合發(fā)電 　　生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)是生物質(zhì)通過(guò)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化為氣體燃料，將凈化后的氣體燃料直接送入鍋爐、內(nèi)燃發(fā)電機(jī)、燃?xì)鈾C(jī)的燃燒室中燃燒來(lái)發(fā)電。氣化發(fā)電過(guò)程主要包括三個(gè)方面[7]，一是生物質(zhì)氣化，在氣化爐中把固體生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣體燃料；二是氣體凈化，氣化出來(lái)的燃?xì)舛己幸欢ǖ碾s質(zhì)，包括灰分、焦炭和焦油等，需經(jīng)過(guò)凈化系統(tǒng)把雜質(zhì)除去，以保證燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備的正常運(yùn)行；三是燃?xì)獍l(fā)電，利用燃?xì)廨啓C(jī)或燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)進(jìn)行發(fā)電，有的工藝為了提高發(fā)電效率，發(fā)電過(guò)程可以增加余熱鍋爐和蒸汽輪機(jī)。原理流程圖見(jiàn)圖2。 　　目前，國(guó)外比較先進(jìn)的是TPS[9]生物質(zhì)氣化整體循環(huán)系統(tǒng)在和Battelle[10]整體氣化循環(huán)系統(tǒng)。TPS系統(tǒng)中，采用了兩個(gè)循環(huán)流化床，從第一個(gè)循環(huán)流化床反應(yīng)器出來(lái)的氣化氣進(jìn)入焦油催化裂解器底部，與石灰石接觸，出來(lái)的氣體再冷卻加壓成高壓氣。清潔的氣化氣在燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室中增壓燃燒后進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)，從燃?xì)廨啓C(jī)排放出來(lái)的燃?xì)鉁囟却蠹s是450℃~500℃，此外如果需要提高溫度，可以在進(jìn)入余熱鍋爐前采用附加的燃料進(jìn)行補(bǔ)燃，在余熱鍋爐中產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入蒸汽輪機(jī)發(fā)電。在Battelle 生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)中：生物質(zhì)原料經(jīng)過(guò)預(yù)處理過(guò)程后，進(jìn)入氣化反應(yīng)器氣化，從氣化器出來(lái)的高溫燃?xì)膺M(jìn)入旋風(fēng)分離器，其中的炭、灰粒和循環(huán)砂粒被分離后回送到燃燒器內(nèi)燃燒，產(chǎn)品氣經(jīng)過(guò)空氣加熱器后進(jìn)入凈化系統(tǒng)，干凈的產(chǎn)品氣進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)中發(fā)電，而從燃燒器出來(lái)的煙氣進(jìn)入余熱回收利用裝置中，產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽帶動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電。 　　2.4生物質(zhì)能電池 　　生物質(zhì)能的另一種有效利用方法是將生物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)物作為燃料電池的燃料(如圖3)。與傳統(tǒng)熱機(jī)相比這種裝置有不受卡諾循環(huán)效應(yīng)的限制、能源轉(zhuǎn)化效率高、噪音小、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。它的工作過(guò)程相當(dāng)于電解水的逆反應(yīng)過(guò)程，電極是燃料和氧化劑向電、水和能量轉(zhuǎn)化的場(chǎng)所，燃料(以氫氣為主)在陽(yáng)極上放出電子，電子經(jīng)外電路傳到陰極并與氧化劑結(jié)合，通過(guò)兩極之間電解質(zhì)的離子導(dǎo)體，使得燃料和氧化劑分別在兩個(gè)電極/電解質(zhì)介面上進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)構(gòu)成回路，產(chǎn)生電流。 　　2.4.1沼氣燃料電池 　　沼氣燃料電池由三個(gè)單元組成：燃料處理單元、發(fā)電單元和電流轉(zhuǎn)換單元。燃料處理單元主要部件是沼氣裂解轉(zhuǎn)化器(改質(zhì)器)，以鎳為催化劑，將甲烷轉(zhuǎn)化為氫氣；發(fā)電單元把沼氣燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能；電流轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主要任務(wù)是把直流電轉(zhuǎn)換為交流電。燃料電池產(chǎn)生的水蒸汽、熱量可供消化池加熱或采暖用，排出廢氣的熱量可用于加熱消化池[11]。 　　2.4.2乙醇燃料電池 　　電池由醇類(lèi)陽(yáng)極、氧陰極和質(zhì)子交換膜三部分組成。電極本身由擴(kuò)散層和催化層組成。擴(kuò)散層起支撐催化層、收集電流及傳導(dǎo)反應(yīng)物的作用，它一般是由導(dǎo)電的多孔材料制成，現(xiàn)在使用的多為表面涂有碳粉的碳紙或碳布。催化層則是電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的場(chǎng)所，是電極的核心部分。常用的陽(yáng)極和陰極催化劑分別為PtRu/C和Pt/C貴金屬催化劑[12]。 　　3生物質(zhì)能前景及評(píng)價(jià) 　　3.1生物質(zhì)能技術(shù)前景分析 　　(1) 固體直接利用方式鍋爐燃燒發(fā)電利用方式是技術(shù)相對(duì)比較成熟的利用方式。如城市生活垃圾等資源進(jìn)行合理的燃燒發(fā)電既解決了填埋占用大量土地的問(wèn)題，又最大限度的利用現(xiàn)有資源，一舉兩得。同時(shí)，由于生物質(zhì)燃?xì)鉄嶂档?約5023.2 kJ·m-3)，加之氣化爐出口氣體溫度較高，因此生物質(zhì)氣化聯(lián)合發(fā)電技術(shù)的整體效率一般要低于35%。 　　(2) 沼氣發(fā)電及其綜合利用則應(yīng)該大力推廣。我國(guó)有著廣袤農(nóng)村地區(qū)，每年產(chǎn)生大量的農(nóng)業(yè)秸稈和其他廢棄物以及牲畜糞便等大量的有機(jī)物，白白浪費(fèi)太可惜，如能結(jié)合先進(jìn)的技術(shù)加以綜合利用對(duì)我國(guó)的能源將會(huì)帶來(lái)莫大益處。 　　(3) 通過(guò)蒸餾可將乙醇提純，1t干玉米可以生產(chǎn)450t乙醇。淀粉類(lèi)生物質(zhì)通常比含糖生物質(zhì)便宜，但需要進(jìn)行額外的處理。纖維素的生物質(zhì)主要是木材、植物的根莖等，由于存在長(zhǎng)鏈的多聚糖分子，轉(zhuǎn)化預(yù)處理過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，需將纖維素經(jīng)過(guò)幾種酸的水解才能轉(zhuǎn)化為糖，然后再經(jīng)過(guò)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，故其預(yù)處理費(fèi)用昂貴。但這種技術(shù)目前還不是很成熟，處在研究、完善、論證階段。 　　3.2發(fā)展生物質(zhì)能應(yīng)該注意的問(wèn)題 　　(1) 作為一種能源形式，其市場(chǎng)前景必然受到成本因素的影響。競(jìng)爭(zhēng)力衡量的標(biāo)準(zhǔn)是則 是單位熱值的價(jià)格，元·GJ-1。 但是作為新能源，雖然目前普通的化石燃料相比還有一定的差距，只有少數(shù)大規(guī)模的項(xiàng)目進(jìn)行燃料的生產(chǎn)，其生產(chǎn)方式、成本以及環(huán)保成本等還沒(méi)有完全達(dá)到我們的期望。隨著化石燃料成本的上升，其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)； 　　(2) 政府再新能源技術(shù)引導(dǎo)時(shí)，一定要注意一些措施真正落實(shí)到位。比如有些新能源企業(yè)為了獲得項(xiàng)目壓低競(jìng)標(biāo)價(jià)格，一旦拿到項(xiàng)目就開(kāi)始慢做、不做或者將生物質(zhì)燃燒發(fā)電改成燃煤發(fā)電，同時(shí)還拿著國(guó)家的補(bǔ)貼； 　　(3) 能源作物作為生物質(zhì)能原料問(wèn)題亦需要注意合理發(fā)展。用薪柴、木料等直接燃燒則應(yīng)慎重考慮，一則我國(guó)木柴資有限，長(zhǎng)此會(huì)造成水土流失、土地貧瘠等問(wèn)題，二則直接燃燒能源轉(zhuǎn)化率相對(duì)比較地低的缺點(diǎn)；同時(shí)需要注意的是，利用玉米、高粱、小麥等作物作為燃料乙醇的原料應(yīng)在充分論證下開(kāi)展，以防與人爭(zhēng)地、爭(zhēng)糧。生物質(zhì)熱化學(xué)方法、生化方法等應(yīng)加快技術(shù)攻關(guān)，爭(zhēng)最大限度提高利用率； 　　(4) 雖與化石燃料相比，生物質(zhì)燃料的可持續(xù)前景在整體上是肯定的，但是在大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)，必須注意其可能帶來(lái)的負(fù)面影響。在真正大規(guī)模生產(chǎn)之前，生產(chǎn)的整個(gè)周期，從原料的生產(chǎn)(收集、種植)開(kāi)始，到加工轉(zhuǎn)化為燃料階段，都應(yīng)當(dāng)從環(huán)境、職業(yè)以及社會(huì)的影響等諸多方面進(jìn)行全面的評(píng)價(jià)。其中有效的影響評(píng)價(jià)方法即為“生命周期評(píng)價(jià)”[4]。 　　4結(jié)語(yǔ) 　　能源作為一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動(dòng)力與基礎(chǔ)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在當(dāng)今工業(yè)化社會(huì)世界中，隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的不斷發(fā)展，包括煤炭、石油、天然氣等化石燃料終將會(huì)枯竭。因此，增加能源供應(yīng)、保障能源安全、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，是我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的一項(xiàng)重大戰(zhàn)略任務(wù)[13]。這樣尋找清潔、可持續(xù)的可再生能源及其轉(zhuǎn)換技術(shù)就成為我國(guó)當(dāng)前能源工作中一項(xiàng)重中之重。 　　參考文獻(xiàn)：  　　[1] 袁振宏，吳創(chuàng)之，馬隆龍.生物質(zhì)能利用原理與技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005. 　　[2] 李美華，俞國(guó)盛.生物質(zhì)燃料成型技術(shù)現(xiàn)狀[J].木材加工機(jī)械，2005，5(2)：35-40. 　　[3] 袁振宏，吳創(chuàng)之，馬隆龍.生物質(zhì)能利用原理與技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005. 　　[4] Edward s.Cassedy.可在生能源前景[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002. 　　[5] 劉首元，余 英，趙碧光，等.我國(guó)秸稈發(fā)電產(chǎn)業(yè)化發(fā)展前景[J].水利電力機(jī)械，2007，29(12)：207-210. 　　[6] 黃英超，李文哲，張 波.生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，38(2)：270-274. 　　[7] 宋鴻偉，郭民臣.生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r的綜述[J].現(xiàn)代電力，2003，20(5)：10-16. 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