第三章 生物能

1、第三第三章章 生物質能生物質能生物能是太陽能以化學能形式貯存在生物中的一種能量形式，一種以生物質為載體的能量，它直接或間接地來源于植物的光合作用，在各種可再生能源中，生物質能是獨特的，它是貯存的太陽能，更是一種唯一可再生的碳源，可轉化成常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料。 據(jù)估計地球上每年植物光合作用固定的碳達2x1011t，含能量達3x1021J，因此每年通過光合作用貯存在植物的枝、莖、葉中的太陽能，相當于全世界每年耗能量的10倍。 生物質是僅次于煤炭、石油、天然氣的第四大能源，在整個能源系統(tǒng)占有重要地位。生物質能一直是人類賴以生存的重要能源之一，就其能源當量而言，是僅次于煤、油、天然氣而列第四位的

2、能源，在世界能源消耗中，生物質能占總能耗的14，但在發(fā)展中國家占40以上。生物質能的來源生物質能的來源 柴薪，至今仍是許多發(fā)展中國家的重要能源。但由于柴薪的需求導致林地日減，應適當規(guī)劃與廣泛植林。 牲畜糞便，牲畜的糞便，經(jīng)干燥可直接燃燒供應熱能。若將糞便經(jīng)過厭氧處理，可產(chǎn)生甲烷和肥料。 制糖作物，制糖作物可直接發(fā)酵，轉變?yōu)橐掖肌?水生植物，同柴薪一樣，水生植物也可轉化成燃料。 城市垃圾，主要成分包括：紙屑（占40）、紡織廢料（占20%）和廢棄食物（占20%）等。將城市垃圾直接燃燒可產(chǎn)生熱能，或是經(jīng)過熱分解處理制成燃料使用。 城市污水，一般城市污水約含有0.020.03的固體與99%以上的水分，

3、下水道污泥有望成為厭氧消化槽的主要原料。生物能的開發(fā)和利用 建立以沼氣為中心的農(nóng)村新的能量，物質循環(huán)系統(tǒng)，使秸桿中的生物能以沼氣的形式緩慢地釋放出來，解決燃料問題。 種植柑蔗，木薯，海草，玉米，甜菜，甜高粱等，既有利于食品工業(yè)的發(fā)展，植物殘渣又可以制造酒精以代替石油。 建立“能量林場”，“能量農(nóng)場”，“海洋能量農(nóng)場”。 建立以植物為能源的發(fā)電廠。變“能源植物”為“能源作物”，如“石油樹”：綠玉樹，續(xù)隨子，麻風果。 綠玉樹(Euphorbia tirucalli L.)，英文名：milk bush， 別名乳蔥樹、白蟻樹、光棍樹、綠珊瑚、光枝樹、龍骨樹、神仙棒。大戟科(Euphorbiaceae)

4、，直立灌木或小喬木，高達49米，枝肉質，圓柱狀，綠色，簇生或散生。葉缺少或僅有數(shù)枚散生，線狀，矩圓形。原產(chǎn)非洲。 綠玉樹莖干中的白色乳汁，其成分接近石油成分，不含硫，可以直接或與其它物質混合成原油，作為燃料油替代石油。綠玉樹還可作為沼氣的原料，具有可再生、可生物降解、對環(huán)境無污染或低污染和能持續(xù)利用的特點，其沼氣產(chǎn)量是一般嫩枝綠草產(chǎn)氣量的5-10倍，榨汁后剩余的纖維還可用作造紙原料或生活燃料，是極具競爭力的“綠色”能源。綠玉樹將是未來能源危機時非常熱門的石油原料植物。 白色乳汁有毒！乳汁含佛波醇-12，13-不飽和二酯化合物、4-去氧佛波醇-12，13-不飽和二酯化物、蒲公英甾醇、13-萵苣甾

5、醇、大戟醇等。 綠玉樹綠玉樹 麻風樹果實的含油量很豐富，最高可達40%。果實榨出的油可以用作柴油發(fā)動機汽車的燃料，剩余的殘渣可用于發(fā)電。 每公頃 (麻風樹)可以產(chǎn)油2700公斤，生產(chǎn)能用于發(fā)電的殘渣4000公斤。8000公頃麻風樹足夠供應一座1.5兆瓦的發(fā)電站，可以為2500個家庭供電。 自古以來，麻風樹的用處很少，僅局限于治療瘧疾、建造柵欄和制作蠟燭。麻風樹果實可以用于調制治療便秘的藥物。麻風樹的樹液會刺激皮膚，其果實具有很強的毒性。吃掉3個未加工的麻風樹果實可能就會使人喪命。麻風果麻風果原產(chǎn)歐洲；我國引種栽培已久，各地有野生，生于向陽山坡。 種子含油4060%，有毒，不能食，可制肥皂和軟皂

6、，作潤滑油；種子藥用，能利尿、瀉下、通經(jīng)，外用涂治疥癬、惡瘡等癥，并可殺蟲。種子含馬栗樹皮沈(羧基香豆精類)、三掂成分、脂肪油、樹膠。 續(xù)隨子續(xù)隨子學名：Euphorbia lathyris Linn. 英文名：Caper Spurge,Moleweed 科名：大戟科 Euphorbiaceae 能源農(nóng)場 即建立以獲取能源為目的的生物質生產(chǎn)基地，以能源農(nóng)場的形式大規(guī)模培育生物質，并加工成可利用的能源。要對土地進行合理規(guī)劃，盡可能利用山地、非耕荒地和水域，選擇適合當?shù)厣L條件的生物質品種進行培育、繁殖，以獲得足夠數(shù)量的高產(chǎn)能植物。在海洋、水域，要充分利用海藻和水生物提取能源，建立海洋能源農(nóng)場或江

7、河能源農(nóng)場。同時，將基因工程等現(xiàn)代生物技術廣泛應用于能源農(nóng)場中，以提高能源轉化率。生物能的開發(fā)和利用生物能的開發(fā)和利用 直接燃燒生物質來產(chǎn)生熱能、蒸汽或電能； 利用能源作物生產(chǎn)液體燃料。目前具有發(fā)展?jié)摿Φ哪茉醋魑?，包括：快速成長作物樹木、糖與淀粉作物（供制造乙醇）、含有碳氧化合物作物、草本作物、水生植物； 生產(chǎn)木炭和炭； 生物質（熱解）氣化后用于電力生產(chǎn)，如集成式生物質氣化器和噴氣式蒸汽燃氣輪機（BIG/STIG）聯(lián)合發(fā)電裝置； 對農(nóng)業(yè)廢棄物、糞便、污水或城市固體廢物等進行厭氧消化，以生產(chǎn)沼氣和避免用錯誤的方法處置這些物質，以免引起環(huán)境危害。生物質能的利用技術生物質能的利用技術生物質能利用技術

8、：直接直接燃燒技術、物化轉化技術、生化轉化燃燒技術、物化轉化技術、生化轉化技術、植物油技術、植物油技術技術四大類，各類技術又包含了不同的子技術。 1、直接燃燒直接燃燒大致可分四種情況： 爐灶燃燒；鍋爐燃燒；垃圾焚燒；固型燃料燃燒。 爐灶燃燒是最原始的利用方法，但一般適用于農(nóng)村或山區(qū)分散獨立的家庭用爐，它的投資最省，但效率最低，燃燒效率在15-20%左右。 鍋爐燃燒采用了現(xiàn)代化的鍋爐技術，適用于大規(guī)模利用生物質，它的主要優(yōu)點是效率高，并且可實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。主要缺點是投資高，而且不適于分散的小規(guī)模利用，生物質必須相對比較集中才能采用本技術。 固型燃料燃燒是把生物質固化成型后再采用傳統(tǒng)的燃煤設備燃用

9、，主要優(yōu)點是所采用的熱力設備是傳統(tǒng)的定型產(chǎn)品，不必經(jīng)過特殊的設計或處理，主要缺點是運行成本高，所以它比較適合企業(yè)對原有設備進行技術改造時，在不重復投資前提下，以生物質代替煤，以達到節(jié)能的目的，或應用于對污染要求特別嚴格的場所，如飯店燒烤等。 垃圾焚燒也是采用鍋爐技術處理垃圾，但由于垃圾的品位低，腐蝕性強，所以它要求技術更高，投資更大，從能量利用的角度，它也必須規(guī)模較大才比較合理。2 2、物化、物化轉換技術轉換技術包括三方面：干餾技術；氣化制生物質燃氣；熱解制生物質油。干餾技術干餾技術主要目的是同時生產(chǎn)生物質碳和燃氣，它可以把能量密度低的生物質轉化為熱值較高的固定碳或氣，碳和燃氣可分別用于不同用

10、途。優(yōu)點是設備簡單，可以生產(chǎn)碳和多種化工產(chǎn)品，缺點是利用率較低，而且適用性較小，一般只適用于木質生物質的特殊利用。生物質熱解氣化生物質熱解氣化是把生物質轉化為可燃氣的技術，根據(jù)技術路線的不同，可以是低熱值氣，也可以是中熱值氣。它的主要優(yōu)點是生物質轉化為可燃氣后，利用效率較高，而且用途廣泛，如可以用作生活煤氣，也可以用于燒鍋爐或直接發(fā)電。主要缺點是系統(tǒng)復雜，而且由于生成的燃氣不便于儲存和運輸，必須有專門的用戶或配套的利用設施。熱解制油熱解制油是通過熱化學方法把生物質轉化為液體燃料的技術，它的主要優(yōu)點是可以把生物質制成油品燃料，作為石油產(chǎn)品替代品，用途和附價值大大提高，主要缺點是技術復雜，目前的成

11、本仍然太高。3 3、生化、生化轉換技術轉換技術 生物轉換技術主要是以厭氧消化厭氧消化和特種酶技術特種酶技術為主。 厭氧消化厭氧消化主要是把水中的生物質分解為沼氣，它包括小型的農(nóng)村沼氣技術和大型的厭氧處理污水的工程。它主要優(yōu)點是提供的能源形式為沼氣（CH4），非常潔凈，具有顯著的環(huán)保效益，主要缺點是能源產(chǎn)出低，投資大，所以比較適宜于以環(huán)保為目標的污水處理工程或以有機易腐物為主的垃圾的堆肥過程。 利用生物技術（包括酶技術）把生物質轉化為乙醇的主要目的是制取液體燃料，它的主要優(yōu)點可以使生物質變?yōu)榍鍧嵢剂希貙捰猛?，提高效率，主要缺點是轉換速度太慢，投資較大，成本相對較高。植物油技術植物油技術： 植物

12、油技術也是生物質能利用技術的一種，植物油除了可以作食用或化工原料之外，也可以作為能源利用。它的主要優(yōu)點是提煉和生產(chǎn)技術簡單，主要缺點是油產(chǎn)率較低，速度很慢，而且品種的篩選和培育也較困難。 有發(fā)展前景的生物質生化轉換技術發(fā)展前景的生物質生化轉換技術包括：（1）生物質熱化學轉換制氫技術 氫能是公認的高效清潔能源，在后化石燃料時代將發(fā)揮重要的作用。生物質催化裂解制氫方向是發(fā)展一個新的可再生能源制氫技術，與燃料電池組合成為對環(huán)境完全無害的高效能源系統(tǒng)。（2）木質素生物質制取燃料乙醇 燃料乙醇可用作汽車代用燃料或與汽油組成混合燃料，節(jié)約石油并減少有害氣體的排放，將固體生物質廢棄物轉化成燃料乙醇是未來最重

13、要的發(fā)展方向。該技術屬第二代生物燃料技術，目標是開發(fā)木質纖維素生物質，生產(chǎn)便宜的能夠用于制造燃料、化學制品和材料的糖，關鍵問題是如何降低酶的成本，基本路線是將木質素和半木質素通過酶轉換成糖，然后發(fā)酵成乙醇。生化轉換技術第一代第一代生物燃料中生產(chǎn)燃料乙醇的原料主要是玉米、甘蔗等, 生產(chǎn)生物柴油的原料主要是大豆、菜籽油等；第二代第二代生物燃料指的是以麥稈、草和木材等農(nóng)林廢棄物為主要原料, 采用生物纖維素轉化為生物燃料的模式, 主要有纖維素乙醇技術、合成生物燃油技術、生物氫技術、生物二甲醚技術等眾多發(fā)展方向, 其中，纖維素乙醇和合成生物燃油是最為重要的第二代生物燃料產(chǎn)品。目前第二代生物燃料目前的問題

14、在于用來分解纖維素的酶成本太高, 用不可食用的纖維素生產(chǎn)酒精也需要先把它們變成糖類，商業(yè)化的項目還不多。 第三代第三代生物燃料是以微藻為原料生產(chǎn)的各種生物燃料, 也稱為微藻燃料。微藻燃料的研發(fā)始于1978 年美國能源部資助的水上能源作物計劃起初是以生物氫為目的, 1982 年逐漸轉向了生物柴油和燃料乙醇。除美國外, 以色列、歐洲各國、加拿大、阿根廷、澳大利亞和新西蘭等國家也逐步開始了微藻燃料的研發(fā)。第三代生物燃料的油脂很難提煉, 從海藻中提煉生物燃料的研究正處于實驗室階段, 距離實現(xiàn)商業(yè)化階段還比較遠。生物能的優(yōu)點 生物質利用過程中具有CO2零排放特性；由于生物質在生長時需要的CO2相當于利用

15、它時排放的CO2的量，因而對大氣的CO2凈排放量近似于零，大量使用生物質能可有效降低溫室效應。 生物質含硫、含氮都較低，灰分含量也很少，燃燒后SOx、NOx和灰塵排放量比化石燃料小得多，是一種相對清潔的燃料。國際能源機構的有關研究表明，秸稈的平均含硫量只有3.80 ，而煤的平均含硫量約達1%。且低溫燃燒產(chǎn)生的氮氧化物較少，所以除塵后的煙氣不進行脫硫，煙氣可直接通過煙囪排入大氣。生物能的優(yōu)點生物能的優(yōu)點 生物質資源分布廣、產(chǎn)量大、轉化方式多種多樣。 可借鑒傳統(tǒng)能源利用技術，與其他非傳統(tǒng)性能源相比較，技術上的難題較少。 可再生性。生物質通過植物的光合作用可以再生，與風能、太陽能同屬可再生能源，生物

16、質資源豐富，可保證能源的可持續(xù)利用。秸稈燃燒后通常會有3%5%的灰分，這種灰以鍋爐飛灰和灰渣、爐底灰的形式被收集，含有豐富的營養(yǎng)成分如鉀、鎂、磷和鈣，可用作高效農(nóng)業(yè)肥料。生物能的缺點生物能的缺點 植物僅能將極少量的太陽能轉化成有機物； 單位土地面的有機物能量偏低； 缺乏適合栽種植物的土地； 有機物的水分偏多(50%95%) 。 歷史： 人類發(fā)現(xiàn)、利用沼氣，已有悠久的歷史。1776年，意大利科學家沃爾塔發(fā)現(xiàn)沼澤地里腐爛的生物質發(fā)酵，從水底冒出一連串的氣泡，分析其主要成分為甲烷和二氧化碳等氣體。由于這種氣體產(chǎn)生于沼澤地，故俗稱“沼氣”。 1781年，法國科學家穆拉發(fā)明人工沼氣發(fā)生器。200多年過去

17、了，如今全世界約有農(nóng)村家用沼氣池530萬個，中國就占了92。農(nóng)村沼氣池的主要填料是豬糞、秸稈、污泥和水等。隨著農(nóng)村沼氣使用的日益推廣和大型厭氧工程技術的進步，90年代以來，世界范圍內的一些大型沼氣工程有了迅速發(fā)展。沼沼 氣氣 沼氣定義：沼氣定義： 沼氣沼氣是有機廢棄物（糞便、樹葉、秸稈等）經(jīng)過厭氧發(fā)酵的產(chǎn)物，是一項制備容易，用途廣泛，綜合效益顯著的能源技術。沼氣主要成分是甲烷和二氧化碳，其中甲烷含量（容積比）一般為60%70%，二氧化碳含量為30%40%。 甲烷甲烷是一種理想的氣體燃料，它無色無味，與適量空氣混合后即對燃燒。每立方米純甲烷的發(fā)熱量為34000焦耳，每立方米沼氣的發(fā)熱量約為208

18、0023600焦耳。即1立方米沼氣完全燃燒后，能產(chǎn)生相當于0.7千克無煙煤提供的熱量。生產(chǎn)甲烷的基本過程生產(chǎn)甲烷的基本過程 第一階段的水解把不溶解的有機化合物和聚合物，通過酶法轉化為可溶解的有機物。 第二階段再將上一步轉化成的產(chǎn)物如碳水化合物、蛋白質、脂肪類、醇等發(fā)酵為有機酸。 第三階段由有機酸發(fā)酵產(chǎn)生甲烷。多產(chǎn)沼氣的條件多產(chǎn)沼氣的條件 密閉：沼氣發(fā)酵是多種嫌氣性細菌活動的結果，所以要造成細菌活動的缺氧條件。在建造沼氣池時一定要密閉，隔絕空氣，不漏氣，不漏水。 適宜的溫度：沼氣池在20 40 時產(chǎn)氣量最高。 充足的養(yǎng)分：細菌正常生成，需要從發(fā)酵原料中吸取充足的養(yǎng)分，主要是碳、氮和無機鹽。沼氣發(fā)

19、酵原料中，人畜糞尿主要是氮素來源，作物秸稈等纖維素物質主要是碳素來源。 充足的水分：一般要求發(fā)酵原料的含水量占總質量的80左右，過稀或過濃都對產(chǎn)氣不利。 適合的酸堿環(huán)境：一般發(fā)酵池的酸堿度控制在pH為78.5。 我國生物質能資源 我國生物質能資源相當豐富，僅各類農(nóng)業(yè)廢棄物（如秸稈等）的資源量每年即有3.08億噸標煤，薪柴資源量為1.3億噸標煤，加上糞便、城市垃圾等，資源總量估計可達6.5億噸標煤以上，約相當于1995年全國能 源消費總量的一半。沼氣能源的利用沼氣能源的利用 在占中國人口80的農(nóng)村，人們生活主要以秸稈和薪柴為燃料。1998年全國農(nóng)村居民總能耗為365Mtce,其中56.7（365

20、Mtce）來自于稻草、秸稈和薪柴。發(fā)展中國農(nóng)村沼氣利用技術可以滿足居民生活和工業(yè)生產(chǎn)的能源需要。因此，作為一項優(yōu)先發(fā)展的技術，沼氣利用可以幫助農(nóng)村人口擺脫貧困，增加收益。 從1991年到1998年，中國農(nóng)村能源總能耗從568 Mtce增加到了672 Mtce,增長幅度為18.3，平均年增長率為2.4。農(nóng)村對優(yōu)質能源的需求日益增長。但是單靠傳統(tǒng)能源技術不能滿足這種需求。因此，研究和應用沼氣技術對優(yōu)質能源對生產(chǎn)有著重大的意義。 農(nóng)村家用沼氣池生產(chǎn)的沼氣主要用來做生活燃料。修建一個容積為6立方米的沼氣池，每天投入相當于4頭豬的糞便發(fā)酵，它所產(chǎn)的沼氣能解決4口人家庭點燈、做飯的燃料問題。沼氣能源的利用

21、沼氣能源的利用沼氣還可以用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，如溫室保溫、烘烤農(nóng)產(chǎn)品、沼氣防蛀、儲備糧食、水果保鮮等。沼氣也可發(fā)電做農(nóng)機動力，大、中型沼氣工程生產(chǎn)的沼氣可用來發(fā)電、燒鍋爐、加工食品、采暖或供給城市居民使用。例如，河南南陽市從20世紀70年代開始至今，有3萬戶城市居民使用沼氣。從環(huán)保角度講，沼氣中的甲烷是作用強烈的溫室氣體，其導致溫室效應的效果是二氧化碳的23倍，控制甲烷及沼氣排放已成為保護大氣的一個重要方面；從能源角度講，沼氣又是性能較好的燃料，純燃料熱值為21.98MJ/m3(甲烷含量60%、二氧化碳含量32%)，屬中等熱值燃料；沼氣還是生物質可再生能源。因此，高效利用沼氣，具有控制沼氣污染、開發(fā)

22、新能源的雙重意義。以沼氣作為動力機的燃料，帶動發(fā)電機運轉，獲得高品位電能的沼氣發(fā)電技術，是沼氣綜合利用的有效方式之一，已成為國際趨向的技術路線。專家預測，到2050年，以生物質能為重要組成部分的可再生能源，將以相同或低于礦物燃料的價格，提供全球 3/5的電力和2/5的直接燃料。生物質發(fā)電一生物質直接燃燒發(fā)電技術二生物質氣化發(fā)電技術生物質發(fā)電三沼氣發(fā)電技術四生活垃圾焚燒發(fā)電生物質發(fā)電五 生物質混合燃燒發(fā)電技術混合燃燒主要有三種方式：l一種是將生物質原料直接送入燃煤鍋爐，與煤共同燃燒，生產(chǎn)蒸汽，帶動蒸汽輪機發(fā)電；l另一種是先將生物質原料在氣化爐中氣化生成可燃氣體，再通入燃煤鍋爐，可燃氣體與煤共同燃燒，產(chǎn)生高溫蒸汽帶動蒸汽輪機發(fā)電。l第三種是并行燃燒方式，將生物質和煤分別送入獨立的鍋爐燃燒，產(chǎn)生蒸汽供汽輪機發(fā)電。 生物質能技術發(fā)展生物質能技術發(fā)展趨勢趨勢