生物質(zhì)能開發(fā)利用技術(shù)

　　摘要：隨著化石燃料短缺和其使用時(shí)產(chǎn)生的污染問題的加劇，人們對生物質(zhì)能源的開發(fā)利用技術(shù)日益重視起來，本文介紹了生物質(zhì)燃料的特點(diǎn)、壓縮成型技術(shù)、氣化技術(shù)和連續(xù)干餾制氣技術(shù)。倡導(dǎo)尋求適合地區(qū)特點(diǎn)的生物質(zhì)能資源系統(tǒng)利用的新模式，推廣改進(jìn)農(nóng)村燃料結(jié)構(gòu)，提高農(nóng)民的生活質(zhì)量。

　　引言

　　生物質(zhì)能是指來源于木材、秸稈、動(dòng)物糞便等生物質(zhì)的能源。與化石能源不同，他們來自新近生存過的生物，這些生物質(zhì)可以通過直接燃燒來獲取能量，也可以轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)燃料。由于其可再生性，被認(rèn)為是未來能源和化學(xué)燃料的重要來源，約占世界所有可再生能源的2/3。我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，生物質(zhì)資源十分豐富，僅農(nóng)村每年產(chǎn)生的生物質(zhì)燃料可折合217×108t標(biāo)準(zhǔn)煤，占農(nóng)村總耗能的40%左右。但是生物質(zhì)能在我國商業(yè)用能結(jié)構(gòu)所占的比例極小，主要被作為一次能源在農(nóng)村被利用，大部分被直接作為燃料燃燒或廢棄，利用水平低，浪費(fèi)嚴(yán)重，且污染環(huán)境，所以充分開發(fā)、系統(tǒng)合理的應(yīng)用生物質(zhì)能，對改善我國農(nóng)村的能源利用環(huán)境，加大生物質(zhì)能源的高品位利用具有重要的意義。

　　1生物質(zhì)燃料的特性

　　1）含碳量少，生物質(zhì)燃料的含碳量最高不會超過50%，相當(dāng)于褐煤的含碳量。特別是固定碳的含量明顯比較煤少，所以該燃料燃燒的時(shí)間短，而且能量密度比較低。

　　2）揮發(fā)分多，該燃料中的碳多數(shù)和氫結(jié)合成分子量較低的碳?xì)浠衔?，遇熱易分解析出揮發(fā)物，揮發(fā)分里所含能量占其所有能量的一半以上，若燃燒不充分會產(chǎn)生黑煙污染環(huán)境。

　　3）含氧量多使得生物質(zhì)易燃，且不需要太多的氧氣供應(yīng)。

　　4）生物質(zhì)燃料密度小，比較容易燃燒盡，灰渣中殘留的碳少，但對燃料的運(yùn)輸不利。

　　與煤的燃燒類似，生物質(zhì)燃料的燃燒過程可以分為：預(yù)熱、干燥、揮發(fā)份析出和焦炭燃燒四個(gè)階段。在250℃時(shí)熱分解開始，在325℃時(shí)揮發(fā)分可以析出近80%。揮發(fā)分的析出時(shí)間很短，若通風(fēng)不足，揮發(fā)分有可能未燃燒完全就排除，會產(chǎn)生黑煙甚至濃黃煙。揮發(fā)分燃盡后，燃料的剩余物為松散的焦炭，氣流運(yùn)動(dòng)會將一部分炭粒裹入煙道，形成黑絮，因此若通風(fēng)過強(qiáng)會降低燃燒效率。固定碳燃燒受到灰分包裹空氣較難滲透的影響，易有殘?zhí)窟z留。

　　2生物質(zhì)壓縮成型

　　生物質(zhì)燃料在直接燃燒時(shí)存在揮發(fā)分逸出過快、空氣供給難以控制等問題。

　　這些問題在一般的爐灶中不易解決，村民使用時(shí)也控制不好。為了改善此類問題，將分布散、形體輕、儲運(yùn)困難、使用不便的生物質(zhì)燃料壓縮成型后使用，能提高燃料的熱值，改善燃燒性能，此項(xiàng)技術(shù)稱為生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)。在20世紀(jì)80年代，此項(xiàng)技術(shù)得到較大規(guī)模的發(fā)展。

　　如上圖所示為生物質(zhì)壓縮成型的工藝流程圖。農(nóng)村以秸稈、稻殼等為主的生物質(zhì)資源豐富，在收集過程中盡可能減少夾帶泥土，防止燃燒時(shí)結(jié)渣，條件允許宜采用機(jī)械化收集。粉碎是壓縮成型前對物料的基本處理，對稻殼等小尺寸原料只進(jìn)行清除尺寸較大的異物即可，對秸稈等尺寸較大的農(nóng)林廢棄物，要進(jìn)行粉碎作業(yè)，通常進(jìn)行兩次以上粉碎，一般先用切片機(jī)切成小片再用錘片式粉碎機(jī)粉碎。

　　原料粉碎后要有一個(gè)脫水程序，常用設(shè)備有回轉(zhuǎn)圓筒式干燥機(jī)和立式氣流干燥機(jī)，最佳濕度控制在10%—15%，含水率達(dá)到成型要求的范圍后輸送至下一工序。

　　為了提高生產(chǎn)率，在推進(jìn)器“進(jìn)刀”前先把松散的物質(zhì)預(yù)壓一下，然后再推到成型模前。預(yù)壓多采用螺旋推進(jìn)器、液壓推進(jìn)器，也有手工預(yù)壓的，生產(chǎn)時(shí)可根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模自主選擇。壓縮中“成型模”是原料成型的關(guān)鍵，它呈前大后小的錐形，物料進(jìn)入后受主推力、摩擦力和模具的向心反作用力三種力作用，模具分為內(nèi)模和外模，外模不變，內(nèi)?？烧{(diào)換，夾角一般從3°開始調(diào)試。

　　壓縮成型過程中的加熱一方面可以是原料中含的木質(zhì)素軟化，起到粘結(jié)的作用；另一方面還可以使原料本身變軟，容易壓縮。或者加入粘結(jié)劑，例如加入10%—20%的煤粉或炭粉可以達(dá)到增加壓塊熱值的作用，再者加入粘結(jié)劑可增加粘結(jié)力便于成型。保型是在生物質(zhì)成型后的一段套筒內(nèi)進(jìn)行的，其內(nèi)徑略大于壓縮成型的最小部位直徑，以便使已成型的物料消除部分應(yīng)力，隨著溫度的降低固定形狀。最后是切割、包裝與運(yùn)輸給用戶。生物質(zhì)壓縮成型燃料可廣泛應(yīng)用于各種類型的家庭取暖爐、熱水鍋爐、熱風(fēng)爐和小型發(fā)電設(shè)備，是煤料的一種很好的替代品。

　　3生物質(zhì)的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化

　　隨著人類的進(jìn)步和社會的發(fā)展，人們對能源的需求數(shù)量越來越多，品位越來越高，對生物質(zhì)能的利用也改變了傳統(tǒng)的直接燃燒方式，先將其轉(zhuǎn)化為高品位能源，然后再進(jìn)行利用。在轉(zhuǎn)換技術(shù)方面最近大力發(fā)展的新技術(shù)主要有氣化技術(shù)和干餾技術(shù)。

　　3.1氣化技術(shù)

　　生物質(zhì)氣化是生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)換的一種技術(shù)，是在不完全燃燒條件下，將原料加熱，使較高分子量的有機(jī)碳?xì)浠衔镦溋呀?，變成家底分子量的CO、H2、CH4等可燃?xì)怏w，在轉(zhuǎn)換過程中要加氣化劑。秸稈、稻殼、柴草等農(nóng)業(yè)廢棄物氣化利用熱值高。據(jù)測算，直接燃燒只能利用其熱值的20%，這不但造成了資源的極大浪費(fèi)，而且焚燒的煙霧也對大氣環(huán)境造成了嚴(yán)重污染;若將其放到氣化爐灶內(nèi)燃燒，則可使熱值的利用率提高到80%以上，機(jī)械統(tǒng)一控制空氣的供給量，可使燃燒充分，煙塵排放量少，殘余的灰燼也很少(小于7%)，比一般農(nóng)家直接燃燒熱值利用率可提高60%以上。

　　氣化器的基本原理是，熱蒸汽、氧氣與物料一起反應(yīng)，反應(yīng)溫度從幾百度到近千度，壓力從1到30個(gè)大氣壓。這個(gè)過程一開始，揮發(fā)分釋放出來，留下了木炭，這兩種物質(zhì)和熱蒸汽氧氣反應(yīng)，最后生成了“發(fā)生爐煤氣”，主要含一氧化碳和氫氣，同時(shí)還有少量的甲烷、烴類和凝聚的焦油，當(dāng)然還有二氧化碳和水。接下來將干凈的氣體分離出來使用。若這個(gè)過程使用的是空氣，則氣體中還含有氮?dú)猓詈髿怏w的低熱值在3—5MJ/m3。如果利用純氧熱值會提高一些。建議使用壓縮成型后的生物質(zhì)燃料這樣可以提高燃?xì)獾臒嶂怠?/p>

　　3.2生物質(zhì)干餾制氣

　　生物質(zhì)干餾技術(shù)以其燃?xì)鉄嶂蹈?、產(chǎn)能大等優(yōu)勢，成為生物質(zhì)能利用的一個(gè)重要方向。生物秸稈經(jīng)破碎后連續(xù)裝入干餾爐頂，靠輸料機(jī)擠壓和秸稈自重落入干餾室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)干餾制氣過程。干餾爐為立式箱形結(jié)構(gòu)，外熱式。干餾爐由干餾室和燃燒室組成，干餾室兩側(cè)各有一個(gè)燃燒室，燃燒室又分為加熱段和空氣預(yù)熱段。

　　兩個(gè)干餾室為一組。爐料由干餾室頂部連續(xù)向下移動(dòng)，在移動(dòng)過程中，溫度漸升，實(shí)現(xiàn)干燥、干餾的制氣過程，干餾段溫度控制在850～900℃。該項(xiàng)研究已于2006年3月在吉林省遼源市惠宇能源公司建成了工業(yè)試驗(yàn)裝置并實(shí)驗(yàn)成功，2007年被國家發(fā)改委確定為全國示范項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：單爐產(chǎn)氣量可達(dá)250～300M3/h，燃?xì)獾桶l(fā)熱值達(dá)到14.5～16.0MJ/Nm3，產(chǎn)品爐料質(zhì)量百分率分別

　　為：燃?xì)?0～45％、輕質(zhì)油10～15%、重油5～10％、木醋液5～10％、炭30～35％。燃?xì)饨M成見下表。

　　采用干餾方法生產(chǎn)的生物質(zhì)燃?xì)夥铣鞘腥細(xì)赓|(zhì)量要求，可用于發(fā)電或作為城市燃?xì)鈿庠础?/p>

　　以上兩種制氣方法，若應(yīng)用壓縮成型后的生物質(zhì)燃料為原料，其轉(zhuǎn)化效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于秸稈等生物質(zhì)原料直接粉碎后應(yīng)用的效率，產(chǎn)氣熱值也會大大提供高。

　　4生物質(zhì)能合理應(yīng)用

　　綜合考慮收集與加工環(huán)節(jié)，生物質(zhì)利用應(yīng)存在使總成本最低的優(yōu)化經(jīng)濟(jì)規(guī)模。國內(nèi)外學(xué)者已對這方面的相關(guān)問題進(jìn)行了初步分析，但多數(shù)研究僅針對特定技術(shù)，沒有明確建立系統(tǒng)應(yīng)用的模式。農(nóng)村燃?xì)獾募泄?yīng)屬于社會公用性事業(yè)，凡公用性事業(yè)都具有初始投資大、回報(bào)周期長的特點(diǎn)。建管道化供氣系統(tǒng)是一個(gè)綜合經(jīng)濟(jì)實(shí)力問題，是生活水平和生活質(zhì)量上臺階的問題。

　　每個(gè)村屯的住戶相對較少，為此有學(xué)者提出在一個(gè)地區(qū)范圍內(nèi)集中建立一個(gè)專門的燃?xì)馍a(chǎn)供應(yīng)站，為鄰近各個(gè)村屯供氣，生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大，效率增高，而各個(gè)村屯只建儲氣柜或管網(wǎng)，這是可行的。但與城市居民分布不同，農(nóng)村居民居住分布零散，若燃?xì)夤?yīng)管道化，會導(dǎo)致投資大，管道建設(shè)長，成本增高，大大超過農(nóng)村居民的承受能力，是脫離實(shí)際的。因此，在農(nóng)村及偏遠(yuǎn)地區(qū)，不便鋪設(shè)管道，宜采用戶用型燃?xì)鉅t，將生物質(zhì)燃料在鍋爐內(nèi)直接燃燒，以自己自足的方式供應(yīng)炊事燃?xì)?、冬季取暖為主要目的。也可達(dá)到安全、節(jié)能環(huán)保的功效。

　　綜上所述，干餾氣熱值能夠達(dá)到城市燃?xì)獾臒嶂狄?，可以通過管道供給居住集中的居民使用，而氣化氣熱值還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到城市燃?xì)獾臒嶂狄?，不宜直接供給居民使用。同樣，通過厭氧消化制取的氣體燃料，如沼氣，也不宜直接用于民用戶。應(yīng)將此類燃?xì)饧杏糜诎l(fā)電，并入國家電網(wǎng)或供村民使用，以求達(dá)到真正的安全環(huán)保。

　　5結(jié)語

　　我國是一個(gè)人口大國，又是一個(gè)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的國家，目前面臨著經(jīng)濟(jì)增長和環(huán)境保護(hù)的雙重壓力，因此改變能源生產(chǎn)方式，因地制宜，開發(fā)低成本、高效率適于地區(qū)發(fā)展特點(diǎn)的生物質(zhì)能應(yīng)用技術(shù)，對建立可持續(xù)的能源系統(tǒng)，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)具有重大意義。