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生物质能利用技术先容 木屑颗粒机|秸秆颗粒机|秸秆压块机|木屑制粒机|生物质颗粒机|富通新能源 / 13-11-02

1、引言
    能源是人类生存和支撑人类发展的经济、社会活动所不可或缺的支柱。但是石油、煤炭等能源由于本身的有限性必定会枯竭。世界目前探明的可开采储量表明,石油尚可开采40余年,煤炭可开采200多年,天然气可开采40年。大量燃烧煤、石油和天然气等化石燃料所排放的有害物质使大气环境受到严重污染。能源和环境的双重压力,使得人类不得不开始寻找一些相对比较清洁的可再生能源,毫无疑问生物质能是目前比较理想的选择之一。17世纪末大规模使用煤以前,人类的主要能源是生物质能。目前,生物质能的利用仍然占世界总能耗的14%,是仅次于石油、煤炭和天然气,位居第4位的能源。在发展中国家则更加突出,生物质能的利用达到总能耗的35%[l]。但生物质能利用总量还不到生物质所能产生的总能量的1%,由此可见,生物质能的开发利用前景十分广阔。生物质能除了数量巨大,还有其他许多优点:(1)含硫量较小,燃烧产物相对比较清洁;(2)提供低价能源(在一定的条件下);(3)将有机物转化为燃料可减少环境公害(例如垃圾燃料)。据有关专家估计,生物质能将成为未来可持续能源系统中的重要组成部分,到21世纪中叶,采用新技术生产的备种生物质替代燃料将占全球总能耗的40%以上。
2、生物质能的开发利用
    目前,世界上的生物质能源转换途径包括物理转换、化学转换和生物转换三种。生物质能源转换的技术主要有:生物质固化、生物质气化、生物质液化、生物质热解、生物质发酵和生物质直接燃烧等技术。
2.1  生物质固化
    将稻壳、木屑、花生壳、甘蔗渣等生物质原料粉碎到一定粒度或者不加粉碎,不加粘接剂,在秸秆压块机秸秆颗粒机等生物质成型机械设备高压条件下,利用机械挤压成一定的形状,这就是生物质固化。甘蔗蔗渣压块生物质燃料    现有的生物质成型技术按成型物的形状主要可分为三大类:圆柱块状成型、棒状成型和颗粒状成型技术。如果把一定粒度和干燥到一定程度的煤按一定的比例与生物质混合,加入少量的固硫剂,压制成型就成为生物质型煤,这是当前生物质固化最有市场价值的技术之一。
    生物质固体燃料具有型煤和木柴的许多特点,可以在许多场合替代煤和木柴作为燃料。目前,生物质固体燃料技术的研究在国内外已经达到较高的水平。许多发达国家对生物质成型技术进行了深入的研究,产生了一系列的生物质固化技术。日本、德国、土耳其等国研究用糖浆作为粘结剂,用锯末和造纸厂废纸与原煤按比例混合生产型煤,成为许多场合的替代燃料。另外,美国、英国、匈牙利等国用生物质水解产物作为粘结剂生产型煤。国内陈贵烽、曲思建等人对生物质工业型煤的技术特点及型煤技术中存在的问题进行了探讨,另外,清华大学、浙江大学、哈尔滨理工大学、煤炭研究院北京煤化学研究所等单位对生物质的固化利用途径进行了深入的研究,取得了一系列的成果。
    生物质型煤虽然在燃烧性能和环保节能上具有明显的优良特性,但它的致命缺点是压块机械磨损严重,配套设施复杂,使得一次性投资和成本都很高,目前还没有显著的经济优势。技术和经济因素阻碍了他的商业化发展应用,使得生物质固化技术目前还处于实验室研究和工业试生产阶段,还没有形成规模产业。以后的研究将主要集中在降低成本和提高固硫率上。
2.2生物质气化
    生物质气化是指柴草、枝条、秸杆、废木料等农林废弃物在高温条件下与气化剂(空气、氧气及水蒸气)反应得到可燃气体的过程。
    伴随着气化过程,燃料会出现氧化、还原、干馏和干燥四个阶段,其中氧化和还原是关键技术。氧化的份额太高就接近于燃烧,氧化的份额太低,反应温度就偏低,只冒油烟和水蒸气,气化过程变为炭化过程,不能得到气体燃料。合理控制水蒸气在空气中的比例,就可以使气化反应放热超过重整反应中的吸热,使气化温度维持在预定的水平下,并能得到较高热值的气体燃料。
    国内外最常用的气化方法主要有:固定床气化炉、流化床气化炉、携带床气化炉。目前,生物质气化技术的商业应用已经成熟,市场潜力巨大,气化煤气的主要用途有以下几个方面:(1)供热、供暖;
(2)供气;(3)烘干;(4)发电;(5)热源。
    国外对生物质气化技术的研究已有160多年的历史,20世纪30、40年代的石油短缺使气化技术的研究达到较大的规模,而20世纪70年代初的石油危机把气化技术推到新的发展水平。目前,国外的气化技术己达到很高的水平,气化炉工艺流程复杂,自动化程度很高,气化煤气主要用于发电和供热。
    20世纪80年代以来,国内的生物质气化技术得到了较快的发展,研究主要集中在适用于农村、林区和偏远地区的固定床气化技术,以农业和林产工业废弃物为原料,面向工业企业的流化床气化技术及生物质气化集中供气技术。
    生物质气化技术使生物质能的利用效率提高了一倍,降低了CO,的排放,缓解了能源和环境两方面的压力,为世界的可持续发展提供了途径。但是生物质气化技术的真正推广还存在许多障碍,还有许多问题有待解决。例如:(1)气化煤气中的焦油消除问题,净化除焦已经成为制约生物质气化技术的主要因素;(2)生物质气化产生的气化煤气总体来说成本还比较高,许多技术还处于试验和试运行状态,即使是应用比较成熟的气化集中供气系统也存在着运行成本偏高,设备折旧偏快的问题。
2.3  生物质热解技术
    热解是指生物质在隔绝空气或供给少量空气的情况下,加热分解成气体、液体、固体产品的过程。热解产物中各成分的比例可通过控制反应参数,如温度、加热速率、过程中活性气体、固体停留时间等来加以控制。根据温度、加热速率、固体停留时间及固体粉碎程度等条件可把热解分成慢速热解、快速热解和瞬时热解(表1)。
    常用的热解设备主要有流化床、循环流化床、气流床和自由落下床等。目前国内外对这种热解设备的研究主要集中在消除焦油上面。
    利用生物质热解产生燃料不会增加空气中CO,的含量,可利用各种农林废弃物为原料,减少环境污染。生物质能源具有可再生性,能缓解能源紧张的矛盾,而且生物质热解产生的燃料与化石燃料相比相对比较清洁,热解产物中S的含量远小于化石燃料。通过生物质热解还能得到像焦炭、生物质油、合成气、甲醇和氢气等原料,可满足多种工业需求。
2.4生物质液化
    生物质液化是指通过化学方法将生物质转换成液体产品的过程。液化可分为催化液化和超临界液化。催化液化过程中,溶剂和催化剂的选择是影响产物产率和质量的重要因素。目前除了水之外,常用的溶剂还有苯酚、高沸点的杂环烃和芳香烃混合物。目前主要的超临界水液化生物质的研究包括:超临界水液化纤维生物质、超临界水和超临界甲醇液化木质素生物质等技术。
    生物质的液化产物常称为生物质油。生物质油与传统燃料相比具有含水量高、含氧量高、性质较不稳定等特点,使得其蒸馏加工过程中对温度和不挥发性很敏感,因此对生物质油的改良十分必要。目前对生物质油的改良主要有以下途径:(1)加氢处理;(2)分子筛处理;(3)产品的精制等。
    生物质液化是生物质能源利用的一条有效途径。目前对生物质液化的研究工作已有了一定的基础,但是生物质油的产量和质量还处于它的幼年时期,仍需要更多的理论与实践的探索。例如对溶剂及催化剂技术还要进一步研究,以生产出高质量的生物质油。国外对生物质液化的研究比较早,已面临产业化、市场化,而我国由于技术积累比较薄弱,急需开展相关的研究。
2.5  生物质的生物转化技术——生物质发酵技术
    生物质的生物转化技术是指农林废弃物通过微生物的生物化学作用生成高品位气体燃料或液体燃料的过程。目前主要的生物质转化方式为厌氧发酵和乙醇发酵。
    厌氧发酵是指有机物在厌氧细菌的作用下进行代谢以产生以甲烷为主的可燃气体(沼气)的过程。目前厌氧发酵主要分生物质发酵制沼气技术及垃圾填埋技术。人类最早使用沼气是在西欧。但中国的沼气事业发展速度最快,数量最多,并己成为世界沼气大国。而国外发展中国家和发达国家都在加大沼气的利用来缓解城乡的能源及环境问题。美国最近正在研究新的发酵技术和新的微生物系统以提高沼气的品质。寻找新的发酵菌类是目前沼气技术的研究方向。
    乙醇发酵是指通过碳水化合物提取乙醇的过程。利用淀粉酿制乙醇,被认为是一种重要的潜在替代能源,可以用作交通运输行业所需要的液体燃料。目前在发酵生物的种类方面进行着广泛的研究。利用生物质发酵生产液体燃料乙醇的技术,主要分为糖和淀粉原料发酵生产乙醇及转化纤维素生产乙醇。
    纤维素发酵制取乙醇是制醇领域最令人瞩目的技术,目前最主要的纤维素制乙醇方法有浓硫酸水解法、稀硫酸水解法、浓盐酸水解法及酶水解法。稀硫酸水解法己达到工业化水平,酶水解法还处于大力研究中,而浓硫酸和浓盐酸水解法已经通过试验研究。
2.6生物质直接燃烧技术
    生物质直接燃烧是生物质能最早被利用的传统方法,就是在不进行化学转化的情况下,将生物质直接作为燃料燃烧转换成能量的过程。燃烧过程所产生的能量主要用于发电或者供热。生物质直接作为燃料燃烧具有许多优点:1)资源化,使生物质真正成为能源,而不是产生能源产品替代物的原料;2)减量化,减少了生物质利用后剩余物的量;3)无害化,直接燃烧生物质不会造成环境问题,真正达到了能源利用的无害化。
    据FAO(联合国粮食农业组织)统计,全世界有34个发展中国家的木质燃料和木炭消耗量达到全国总能耗的70%以上,而且1999年全世界63%的木材收获量用作木质燃料,其中发达国家为30%,发展中国家是81%。我国农村能源消耗的50%来源于生物质能源,而其中主要是生物质的直接燃烧,每年总量高达两亿多吨‘钉。由此可见,燃用生物质燃料仍将是发展中国家的主要选择。
    生物质直接燃烧主要分为生物质作为农用炉灶燃料直接燃烧和生物质作为锅炉燃料直接燃烧。
    生物质在农用炉灶中燃烧的热效率一般为10%~15%,在省柴炉灶中燃烧的热效率为30%左右。生物质作为锅炉的燃料直接燃烧,其热效率远远高于作为农用炉灶燃料,甚至能接近化石燃料的水平。所以利用生物质作为锅炉直接燃料能大大地提高生物质能的利用效率。生物质燃料锅炉的种类很多,按燃用生物质的品种不同可分为:木材炉、颗粒燃料炉、薪柴炉、秸秆炉;按燃烧方式又可分为流化床锅炉、层燃炉等。杨木木屑生物质颗粒燃料    生物质作为锅炉燃料与化石燃料(煤)相比具有许多差别(见表5),主要有:(1)生物质含氢量稍多,挥发分明显较多;(2)生物质含碳量少,含固定碳更少;(3)生物质含氧量多;(4)生物质密度较小;(5)生物质含硫量低。
    刘建禹等人对生物质燃料燃烧过程进行了深入的研究,得出以下结论:(1)生物质燃料密度小,结构松散,挥发分含量高,挥发分在250~350℃温度下大部分析出;(2)挥发分析出后,疏松的焦炭会随着气流进入烟道,所以通风不能过强;(3)挥发分燃尽后,受到灰烬包裹的焦炭较难燃尽。所以生物质燃料锅炉的设计要结合生物质燃烧的特点。
    目前的生物质燃料锅炉主要是流化床锅炉。因为流化床能很好地适应生物质燃料挥发分析出迅速、固定碳难以燃尽的特点,并能克服固定床燃烧效
率低下的弊病,还具有燃料适应性好、负荷调节范围大、操作简单的优点。
    瑞典、丹麦、德国等发达国家在流化床燃用生物质燃料技术方面具有较高的水平。国内以生物质为燃料的流化床锅炉的应用也正在起步。哈尔滨工业大学、清华大学、华中理工大学、浙江大学等机构也对流化床用生物质燃料技术进行了一系列的研究。当然流化床锅炉燃用生物质燃料也存在一些缺点:1)锅炉体形大,成本高;2)生物质燃料的燃用需要经过一系列的预处理(例如生物质原料的烘干、粉碎等);3)飞灰含碳量高于炉灰的含碳量,并且随着生物质挥发分的大量析出,焦炭的燃尽较为困难;4)生物质燃料蓄热能力小,必须采用床料来保证炉内温度水平,造成炉膛磨损严重,也影响了灰渣的综合利用。
    链条炉属层状燃烧,生物质燃料通过给料斗送到炉排上形成的料层疏密不均,从而形成布风不均匀,影响了生物质的燃尽。所以国内外对生物质层燃炉的报道比较少。丹麦改造Benson型锅炉来燃用生物质燃料,取得了一定的效果。国内也有一些锅炉厂设计生产了燃用生物质燃料的层燃炉,但热效率偏低,出力不足,锅炉本体大,所以很难推广。
    最近国内研制出采用室燃与层燃相结合,燃用酒糟的锅炉。该锅炉物料从炉膛前上方喷入炉内,下落过程中酒糟逐渐被加热,大量挥发分开始析出,并在炉膛空间燃烧,,同时物料颗粒在下落过程中也开始燃烧,较难燃尽的固定碳落在炉排上继续燃烧。燃烧速度快,燃烧效率高,负荷调节灵活方便。目前这项技术已经推广应用,五粮液酒厂已安装了32台蒸发量为4 t/h的燃酒糟锅炉,日处理酒糟2000t,每年节省燃料费用达3000万元,节能效果明显,并且极大地减轻了环境污染。由于酒糟与棕榈渣、椰子壳、稻壳等生物质燃料具有相近的燃烧特性,这种技术有望得到大面积的推广。
3、结论
     以上对生物质能利用的常用方法进行了简单的先容,从上面的先容可知:固化、气化、液化、热解过程需要能量的投入,而且像热解、液化过程需要投入的能量还比较大。固化、气化、液化、热解和发酵方式设备的成本比较高,而且这些方法并不能完全将生物质中的有用成分转化为产品。生物质直接作为锅炉燃料燃烧,生物质能的利用效率很高,产生的能量可供发电、供热来满足各种需求,处理过程实现了减量化、资源化、无害化。所以如果能够实现经济、安全、高效地直接燃烧生物质燃料,毫无疑问将解决未来的能源问题,实现人类社会的可持续发展。
     三门峡富通新能源销售颗粒机木屑颗粒机、秸秆颗粒机等生物质固体燃料成型机械设备。

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