生物質能應用技術分析論文

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1、前言

生物質能是人類用火以來，最早直接應用的能源。隨著人類文明的發展，生物質能的應用研究開發幾經波折，最終人們深刻認識到，石油、煤、天然氣等化石能源的有限性，同時無節制地使用化石能源，大量增加CO2、粉塵、SO2等廢棄物的排放，污染了環境，給人類賴以生存的星球，造成十分嚴重的后果。而使用大自然饋贈的生物質能源，幾乎不產生污染，資源可再生而不會枯竭，同時起著保護和改善生態環境的重要作用，是理想的可再生能源之一。生物質能的應用技術開發，旨在把森林砍伐和木材加工剩余物以及農林剩余物如秸桿、麥草等原料通過物理或化學化工的加工方法，使之成為高品位的能源，提高使用熱效率，減少化石能源使用量，保護環境，走可持續發展的道路。

七十年代，由于中東戰爭引發的能源危機以來，生物質的開發利用研究，進一步引起了人們的重視。美國、瑞典、奧地利、加拿大、日本、英國、新西蘭等發達國家，以及印度、菲律賓巴西等發展國家都分別修定了各自的能源，投入大量的人力和資金從事生物質能的研究開發。

我國生物質能研究開發工作，起步較晚。隨著經濟的發展，開始重視生物質能利用研究工作，從八十年代起，將生物質能研究開發列入國家攻關計劃，并投入大量的財力和人力。已經建立起一支專業研究開發隊伍，并取得了一批高水平的研究成果，初步形成了我國的生物質能產業。

2、生物質能應用技術的研究開發現狀

2.1國外研究開發簡介

在發達國家中，生物質能研究開發工作主要集中于氣化、液化、熱解、固化和直接燃燒等方面。

生物質能氣化是在高溫條件下，利用部份氧化法，使有機物轉化成可燃氣體的過程。產生的氣體可直接作為燃料，用于發動機、鍋爐、民用爐灶等場合。氣化技術應用在二戰期間達到高峰。隨著人們對生物質能源開發利用的關注，對氣化技術應用研究重又引起人們的重視。目前研究主要用途是利用氣化發電和合成甲醇以及產生蒸汽。奧地利成功地推行建立燃燒木材剩余物的區域供電計劃，目前已有容量為1000~2000kw的80~90個區域供熱站，年供應10×109MJ能量。加拿大有12個實驗室和大學開展了生物質的氣化技術研究。1998年8月了由Freel,BarryA.申請的生物質循環流化床快速熱解技術和設備。瑞典和丹麥正在實行利用生物質進行熱電聯產的計劃，使生物質能在提供高品位電能的同時滿足供熱的要求。1999年，瑞典地區供熱和熱電聯產所消耗的能源中，26是生物質。

美國在利用生物質能方面，處于世界領先地位，據報道，目前美國有350多座生物質發電站，主要分布在紙漿、紙產品加工廠和其它林產品加工廠，這些工廠大都位于郊區。裝機容量達7000MW，提供了大約66000個工作崗位，根據有關科學家預測，到2010年，生物質發電將達到13000MW裝機容量，屆時有4000000英畝的能源農作物和生物質剩余物用作氣化發電的原料，同時，可按排170000個以上的就業人員，對繁榮鄉村經濟起到積極的推動作用。

流化床氣化技術由于具有床內氣固接觸均勻、反應面積大、反應溫度均勻、單位截面積氣化強度大。反應溫度較固定床低等優點，從1975年以來一直是科學家們關注的熱點。包括循環流化床、加壓流化床和常規流化床。印度Anna大學新能源和可再生能源中心最近開發研究用流化床氣化農業剩余物如稻殼、甘蔗渣等，建立了一個中試規模的流化床系統，氣體用于柴油發電機發電。1995年美國Hawaii大學和Vermont大學在國家能源部的資助下開展了流化床氣化發電的工作。Hawaii大學建立了處理生物質量為100T/d的工化壓力氣化系統，1997年已經完成了設計，建造和試運行達到預定生產能力。Vermont大學建立了氣化工業裝置，其生產能力達200T/d，發電能力為50MW。目前已進入正常運行階段。

生物質的直接燃燒和固化成型技術的研究開發，主要著重于專用燃燒設備的設計和生物質成型物的應用。目前，已開發的技術有：林產品加工廠的廢料（如造紙廠的樹皮、家具廠的邊角料等）的專用燃燒蒸汽鍋爐，國外造紙廠幾乎都有專門的設備，用來處理廢棄物。由于生物質形狀各異，堆積密度小較松散，給運輸和貯存以及使用帶來了較大困難，影響生物質的使用。因此，從四十年代開始了生物質的成型技術研究開發。現已成功開發的成型技術按成型物形狀分主要有三大類：以日本為代表開發的螺旋擠壓生產棒狀成型物技術，歐洲各國開發的活塞式擠壓制得園柱塊狀成型技術，以及美國開發研究的內壓滾筒顆粒狀成型技術和設備。美國顆粒成型燃料年產量達80萬噸。

成型燃料應用于二個方面：其一：進一步炭化加工制成木炭棒或木炭塊，作為民用燒栲木炭或工業用木炭原料；其次是作為燃料直接燃燒，用于家庭或曖房取曖用燃料。日本、美國、加拿大等國家，開發了專用爐灶。在北美有50萬戶以上家庭使用這種專用爐灶作為取曖爐。

將生物質能進行正常化學加工，制取液體燃料如乙醇、甲醇、液化油等；是一個熱門的研究領域。利用生物發酵或酸水解技術，在一定條件下，將生物質轉化加工成乙醇，供汽車和其它工業使用。加拿大用木質原料生產的乙醇上產量為17萬噸。比利時每年用甘蔗為原料，制取乙醇量達3.2萬噸以上，美國每年用農林生物質和玉米為原料大約生產450萬噸乙醇，計劃到2010年，可再生的生物質可提供約5300萬噸乙醇。

生物質能的另一種液化轉換技術，是將生物質經粉碎預處理后在反應設備中，添加催化劑或無催化劑，經化學反應轉化成液化油。美國、新西蘭、日本、德國、加拿大國家都先后開展了研究開發工作，液化油的發熱量達3.5×104KJ/kg左右，用木質原料液化的得率為絕干原料的50以上。歐盟組織資助了三個項目，以生物質為原料，利用快速熱解技術制取液化油，已經完成100kg/hr的試驗規模，并擬進一步擴大至生產應用。該技術制得的液化油得率達70，液化油低熱值為1.7×104KJ/kg。

生物質能催化氣化研究，旨在降低氣化反應活化能，改變生物質熱處理過程，分解氣化副產物焦油成為小分子的可燃氣體，增加煤氣產量，提高氣體熱解；同時降低氣化溫度，提高氣化速度和調整生物質氣體組成，以便進一步加工制取甲醇或合成氨。歐美等發達國家科研人員在催化氣化方面已經作了大量的研究開發，研究范圍涉及到催化劑的選擇，氣化條件的優化和氣化反應裝置的適應性等方面，并且已經在工業生產裝置中得到了應用。

2.2國內研究開發

我國生物質能的應用技術研究，從八十年代以來一直受到政府和科技人員的重視。主要在氣化、固化、熱解和液化開展研究開發工作。

生物質氣化技術的研究在我國發展較快，應用于集中供氣、供熱、發電方面。中國林科院林產化學工業研究所，從八十年代開始研究開發了集中供熱、供氣的上吸式氣化爐，并且先后在黑龍江、福建得到工業化應用，氣化爐的最大生產能力達6.3×106kJ/hr。建成了用枝椏材削片處理，氣化制取民用煤氣，供居民使用的氣化系統。最近在江蘇省又研究開發以稻草、麥草為原料，應用內循環流化床氣化系統，產生接近中熱值的煤氣，供鄉鎮居民使用的集中供氣系統，氣體熱值約8000KJ/NM3。氣化熱效率達70/以上。山東省能源研究所研究開發了下吸式氣化爐。主要用于秸桿等農業廢棄物的氣化。在農村居民集中居住地區得到較好的推廣應用，并已形成產業化規模。廣州能源所開發的以木屑和木粉為原料，應用外循環流化床氣化技術，制取木煤氣作為干燥熱源和發電，并已完成發電能力為180KW的氣化發電系統。另外北京農機院、浙江大學等單位也先后開展了生物質氣化技術的研究開發工作。

我國生物質的固化技術在八十年代中期開始，現已達到工業化規模生產。目前國內有數十家工廠，用木屑為原料生產棒狀成型物木炭。螺旋擠壓成型機有單頭和雙頭二種，單頭機生產能力為120Kg/hr，雙頭機生產能力達200Kg/hr。1990年中國林科院林化所與江蘇省東海糧機廠合作，研究開發生產了單頭和雙頭二種型號的棒狀成型機，1998年又與江蘇正昌集團合作，共同開發了內壓滾筒式顆粒成型機，機器生產能力為250~300kg/hr，生產的顆粒成型燃料尤其適用于家庭或暖房取暖使用。南京市平亞取暖器材有限公司，從美國引進適用于家庭使用的取暖爐，通過國內消化吸收，現已形成生產規模。

生物發酵制氣技術，在我國已經形成工業化，技術亦趨成熟，利用的原料主要是動物糞便和高濃度的有機廢水。在上海亦已建成沼氣集中供氣系統。

沈陽農業大學從國外引進一套流化床快速熱解試驗裝置，研究開發液化油的技術，和利用發酵技術制取乙醇試驗。另外，中國林科院林化所進行了生物質催化氣化技術研究。華東理工大學還開展了生物質酸水解制取乙醇的試驗研究，但尚未達到工業化生產。

3、我國生物質能應用技術的展望

生物質能是一個重要的能源，預計到下世紀，世界能源消費的40來自生物質能，我國農村能源的70是生物質，我國有豐富的生物質能資源，僅農村秸桿每年總量達6億多噸。隨著經濟的發展，人們生活水平的提高，環境保護意識的加強，對生物質能的合理、高效開發利用，必然愈來愈受到人們的重視。因此，科學地利用生物質能，加強其應用技術的研究，具有十分重要的意義。

目前，我國已有一批長期從事生物質轉換技術研究開發的科技人員，已經初步形成具有中國特色的生物質能研究開發體系，對生物質轉化利用技術從理論上和實踐上進行了廣泛的研究，完成一批具有較高水平的研究成果，部分技術已形成產業化，為今后進一步研究開發，打下了良好的基礎。

從國外生物質能利用技術的研究開發現狀結合我國現有技術水平和實際情況來看，本人認為我國生物質能應用技術將主要在以下幾方面發展。

3.1高效直接燃燒技術和設備

我國有12億多人口，絕大多數居住在廣大的鄉村和小城鎮。其生活用能的主要方式仍然是直接燃燒。剩余物秸桿、稻草松散型物料，是農村居民的主要能源，開發研究高效的燃燒爐，提高使用熱效率，仍將是應予解決的重要問題。鄉鎮企業的快速興起，不僅帶動農村經濟的發展，而且加速化石能源，尤其是煤的消費，因此開發改造鄉鎮企業用煤設備（如鍋爐等），用生物質替代燃煤在今后的研究開發中應占有一席之地。把松散的農林剩余物進行粉碎分級處理后，加工成型為定型的燃料，結合專用技術和設備的開發，在我國將會有較大的市場前景，家庭和曖房取曖用的顆粒成型燃料，推廣應用工作，將會是生物質成型燃料的研究開發之熱點。

3.2集約化綜合開發利用

生物質能尤其是薪材不僅是很好的能源，而且可以用來制造出木炭、活性炭、木醋液等化工原料。大量速生薪炭材基地的建設，為工業化綜合開發利用木質能源提供了豐富的原料。由于我國經濟不斷發展，促進了農村分散居民逐步向城鎮集中，為集中供氣，提高用能效率提供了現實的可能性。將來應根據集中居住人口的多少，建立能源工廠，把生物質能進行化學轉換，產生的氣體收集凈化后，輸送到居民家中作燃料，提高使用熱效率和居民生活水平。這種生物質能的集約化綜合開發利用，既可以解決居民用能問題，又可通過工廠的化工產品生產創造良好的經濟效益，也為農村剩余勞動力提供就業機會。因此，從生態環境和能源利用角度出發，建立能源材基地，實施“林能”結合工程，是切實可行的發展方向。