颗粒燃烧机为您讲解生物质能源的技术发展

2012-08-30 08:11:56 lanitel

颗粒燃烧机为您讲解生物质能源的技术发展

生物质动力技能就是把生物质转化为动力并加以运用的技能,依照生物质的特色及转化办法可分为固体燃料出产技能、液体燃料出产技能、气体燃料出产技能。固体生物燃料技能包罗生物质成型技能、生物质直接焚烧技能和生物质与煤混烧技能,是广泛运用且十分老练的技能,生物质常温成型技能代表着固体生物质燃料的展开趋势;生物液体燃料可以代替石油作为运送燃料,不只能处置动力安全问题,还有利于削减温室气体排放,还可以作为根本有机化工质料,代表着生物动力的展开方向,液体生物燃料包罗燃料乙醇、生物柴油、生物质经气化或液化进程再竟化学组成得到的生物燃油BtL(Biomass to Liquid Fuel);气体生物燃料包罗沼气、生物质气化、生物质制氢等技能,工业化出产沼气以及沼气净化后作为运送燃料GtL(Gas to Liquid Fuel)是近期内展开气体生物燃料的实际可行技能。


2、液体生物燃料

    1973年第一次石油危机后,人类就在寻觅可以代替石油的燃料。而生物液体燃料正是抱负的挑选-来源于可再生资源、温室气体净排放简直为零、还可以代替石油出产人类所需的化学品。当前液体生物燃料首要被用于代替化石然油作为运送燃料,如代替汽油的燃料乙醇和代替石油基柴油的生物柴油。而生物柴油又分从植物油得到生物柴油,和颠末气化或液化得到的BtL。BtL技能被以为是最有出路的生物液体燃料技能。欧盟委员会活跃推进生物燃料展开,拟定了到2010年生物燃料占运送燃料5%的方针;美国正在运筹颠末法律手段强迫在运送燃猜中增加生物燃料,详细份额是柴油中增加2%生物柴油,汽油中增加5%燃料乙醇;英国政府方案从2006年起恳求出产运送燃油的动力企业必须有3%的质料是来自可再生资源,并且份额将逐年进步。

1) 燃料乙醇

    从1970年代起,巴西首要开端用燃料乙醇局部代替汽油,曾经成为当今世界上最大的燃料乙醇出产和消耗国,也是仅有不运用纯汽油燃料的国家。美国在20世纪70年代末,拟定了“乙醇展开方案”,开端大力推行车用乙醇汽油,2004年美国的燃料乙醇产值到达35亿加仑,还进口了1.3亿加仑;到2005年全国已有500万辆以燃料乙醇为燃料的灵敏燃料汽车(Flexible Fuel Vehicles,VFFs)。当前,中国的燃料乙醇产值仅次于巴西、美国,居世界第3位,为102万吨/年。2004年世界乙醇产值已到达2760万吨,大局部作为燃料乙醇运用。燃料乙醇是当前最实际可行的代替石油燃料,进入新世纪以来各国都活跃展开燃料乙醇工业。在美国2005年8月公布的《动力法案》中宣告,美国方案到2012年出产2200万吨燃料乙醇,到2025年以削减从中东地区进口石油的75%。

 a. 现有的燃料乙醇出产技能

    现有的燃料乙醇首要以粮食基淀粉为质料,如2004年美国用玉米出产1000万吨乙醇,欧洲用小麦出产160万吨乙醇;仅巴西以甘蔗为质料,年出产乙醇约1200万吨。我国2005年燃料乙醇产值102万吨,首要以玉米为质料。乙醇的出产根本上都是颠末微生物对葡萄糖的发酵得到乙醇。乙醇的出产质料多种多样,首要是玉米、小麦等淀粉质质料,还有比如甘蔗、糖蜜、甜菜等糖质质料,亦有木质纤维素类植物生物质质料等。无论选用何种质料,其乙醇出产工艺迥然异样。 在乙醇出产中,为了加快蒸煮、糖化、发酵的反响速度,需求对固体质料破坏,普通分为干法和湿法两种。在以玉米为质料的湿法出产工艺中,玉米油、蛋白饲料和玉米谷盶粉这些副产品的收入占玉米自身费用的60%或许更多;与此相对照,干法出产进程中得到的副产品收入在同等条件下普通占玉米费用的45%。美国首要选用湿法工艺出产。但湿法工艺中存在很多的污水处置问题,我国丰原集团公司开发了“半干法”玉米处置技能,不只进步了玉米运用率,还明显削减了废水量,处置了湿法处置玉米工艺中的污水处置问题。

    b. 燃料乙醇技能的开发远景

    当前乙醇的出产本钱较高,如何下降乙醇本钱并使之能与石油基燃料产品在价钱上竞赛是世界性的难题,其间质料本钱占产品总本钱的70%左右,能耗也是构本钱钱的重要因素。这两个影响乙醇本钱的要害因素,已成为各国研讨开发的热门。一些技能行将运用于工业化出产,包罗:非粮食质料出产乙醇技能, 乙醇出产节能技能, 纤维素乙醇出产技能等。

    纤维素乙醇的研讨已有几十年前史,最早的技能是浓酸水解法。当前世界上出产纤维素乙醇首要选用稀酸水解和酶水解技能。最抱负的是一体化乙醇出产技能CPB(Consolidate Bioprocessing),即同一微生物完结产纤维素酶、纤维素水解、乙醇发酵进程,但乙醇产率不高,发作有机酸等副产品,尚需很多的根底研讨。

 2)生物柴油

    生物柴油是燃料乙醇以外的另一种液体生物燃料,从动植物油脂出产的一种长链脂肪酸的单烷基酯,在工业运用上首要指脂肪酸甲酯。天然油脂多由直链脂肪酸的甘油三酯组成,与甲醇酯交换后,分子量降至与柴油的挨近,然后使其具有更挨近于柴油的功用,十六烷值高,光滑功用好,是一种优质卫生柴油。还这些长链脂肪酸单烷基酯可生物降解,高闪点,无毒,VOC低,具有优秀的光滑功用和溶解性,所以也是制作可生物降解高附加值精密化工产品的质料。生物柴油在欧盟已很多运用,2004年欧盟的生物柴油产值为224万吨,仅德国就已有1800个加油站供应生物柴油,并已公布了德国工业规范(EDIN51606)。美国企图颠末立法,在全国的柴油中增加2%的生物柴油。马来西亚大力推进以棕榈油为质料出产的生物柴油,出产潜力达2000万吨/年;印度正活跃开发麻风果生物柴油,将在5-10年内到达1000万吨/年的出产能力,英国石油BP已介入印度的麻风果生物柴油工业。

    a.  国外生物柴油出产技能

    生物柴油出产是由甘油三酸酯与甲醇颠末酯交换制备生物柴油,甘油为副产品。欧洲首要以菜子油为质料出发作物柴油,美国则以大豆油为质料出产。普通小的生物柴油厂选用间歇酯交换反响,而大型企业都选用接连酯交换反响出发作物柴油。

    德国鲁奇(Lurgi)公司的选用的是两级接连醇解工艺油脂转化率达96%,过量的甲醇可以收回持续作为质料进行反响。德国斯科特公司(Sket)选用的是接连脱甘油醇解工艺可以使醇解反响的平衡不断向右挪动,然后取得极高的转化率。鲁奇的两级接连醇解工艺和斯科特的接连脱甘油醇解工艺在欧洲和美国均有10万吨/年级的工业化出产设备。这两种工艺都在常压下进行,均加工精粹油脂。其长处是工艺老练,可间歇或接连操作,反响条件温文,合适于优质质料;缺陷是质料需精制,操控酸值小于0.5,工艺流程杂乱,甘油收回能耗高,三废排放多,腐蚀严峻。德国汉高(Henkel)公司开发了碱催化的接连高压醇解工艺。该工艺的醇解温度220-240℃,压力9-10MPa,质猜中甘油三酸酯的转化率挨近100%,游离脂肪酸大局部可以与甲醇发作酯化反响而生成脂肪酸甲酯。此工艺的长处是可运用高酸值质料,催化剂用量少,工艺流程短,合适规划化接连出产;缺陷是反响条件严苛,对反响器恳求高,甘油收回能耗较高。 

 b. 国内生物柴油出产技能
国内首要以高酸值的抛弃油脂为质料,大多选用硫酸、有机磺酸等液体酸催化剂进行酸催化的酯化-酯交换制备生物柴油。中石化开发了依据超临界的生物柴油出产技能,行将工业化。

    别的,国内外还在研讨:

     a. BtL出发作物柴油的术:植物油好像石油相同资源,每年的产值是有限的,以其为质料出发作物柴油不能满意大规划运用生物柴油的需求和经济性;其次,除低芥酸、低硫甙的“双低”菜子油外,其他质料油出产的生物柴油只能以2-20%份额与石油基柴油混合,不能100%地运用。因而必须开发新的技能,运用具有宏大资源潜力的生物质和有机抛弃物(包罗农业残余物、动物内脏、城市固体废物、污水、以及旧轮胎等)把其转化为高质量的卫生燃油、化肥和化工产品,即BtL技能。运用化学法从生物质中出发作物柴油包罗生物质气化再经FT(Fischer-Tropsch,FT)组成生物柴油和DTP(Thermal Depolymerization,TDP)热分化出发作物柴油技能。

    b. TDP出发作物柴油技能: DTP技能是将生物质颠末疾速热解出产液体燃料的技能,运用该技能可以将生物质变为卫生燃料-生物柴油,作为石油产品的代替品。自1980年以来,DTP技能取得了很大展开,成为最有开发潜力的生物柴油出产技能之一。世界动力署(IEA)安排了美国、加拿大、芬兰、意大利、瑞典、英国等国的十余个研讨小组包罗Batelle、麻省理工学院等国家闻名大学及实验室进行了10余年的研讨及开发任务,任务的要点环绕该技能展开潜力、技能经济可行性等。到1995年头,在加拿大、美国、意大利及芬兰等国已有20余套生物质疾速裂解实验设备,规划从每小时几十到几百千克的生物质的处置量。TDP技能普通包罗预处置、热解、别离和搜集三个进程。

    我国在生物质热裂解制取液体燃料的研讨根本上都处于实验研讨期间。沈阳农业大学在UNDP的赞助下,从荷兰的BTG引入一套50kg/h旋转锥闪速热裂解设备并进行了关联的实验研讨;上海理工大学也运用旋转锥闪速热裂解设备对生物质进行了热解实验研讨;浙江大学在上世纪末成功开发了以流化床技能为根底的生物质热裂解液化反响器;山东工程学院、中国科学院广州动力研讨所和中国科学院进程研讨所也在进行关联的生物质热裂解液化研讨。

    TDP技能的要害进程是热解,该进程必须严格操控反响温度及质料的停留工夫,以保证在极快的加热和热传导速率下质料能敏捷转变为热解蒸汽。关于热解进程发作的热解蒸汽必须疾速、完全的进行别离,以防止炭和灰份在热解蒸汽的二次裂解中起催化作用。美国曾经在Philadelphia(费城)建立了一个选用TDP技能运用有机抛弃物出发作物柴油的中试厂,比来又在密苏里州(Missouri)的Carthage出资2000万美圆建设了一座选用TDP技能日处置200吨火鸡加工抛弃物资274桶柴油的工厂。但由于液体产品收率低、成分杂乱,加之本钱较高级缘由使该技能在推行上尚有难度。

3. 气体生物燃料

    气体生物燃料包罗沼气、生物质气化、生物质制氢等技能,以及沼气净化后作为运送燃料GtL(Gas to Liquid Fuel)。

1)沼气与GtL

    沼气是指有机物质(如作物秸杆、杂草、人畜粪便、废物、污泥及城市生计污水和工业有机废水等)在厌氧条件下,颠末品种繁复、数量宏大、功用异样的各类微生物的分化代谢,结尾发作的以甲烷(CH4)为首要成分的气体,此外还有少数其它气体,如水蒸气、硫化氢、一氧化碳、氮气等。沼气发酵进程普通可分为三个期间,即水解液化期间、酸化期间和产甲烷期间。沼气发酵包罗小型用户沼气池技能和大中型厌氧消化技能。

    瑞典在沼气开发与运用方面独具特色,运用动物加工副产品、动物粪便、食物抛弃物出产沼气,还专门培养了用于产沼气的麦类植物,产气率达300升/公斤底物,沼气中含甲烷64%以上。瑞典由麦类植物出产沼气,麦类植物用于出产沼气,除沼气被用做运送燃料外,所发作的沼肥又被用于栽培。瑞典Lund大学开发了“二步法”秸杆类生物质制沼气技能,并已进行中心实验;还开发了低温高产沼气技能,可于10°C条件下产气,产气率大于200L/Kg 底物。因瑞典没有天然气资源,就用沼气代替天然气。斯德哥尔摩市居民运用的煤气就是厌氧消化处置有机抛弃物后得到的沼气。将沼气净化去除CO2等杂质后,甲烷纯度到达97-98%,再经紧缩(Gas to Liquid, GtL)得到车用甲烷供甲烷汽车运用,还有1列斯德哥尔摩至海边的火车运用沼气燃料。

当前,全球有410万辆紧缩天然气汽车,8300座加油(气)站。还沼气正在悄然代替天然气而成为运送燃料,到2005年末,瑞典全国有5000多辆沼气汽车,加油(气)站逐年成倍增加,已达70余座。2008年奥运会是我国展开GtL工业的杰出机缘,把有机污染物转化成卫生燃料技能老练、根底设施具有、市场需求宏大,可以使“绿色奥运”的标语变为实际。

2)生物质气化技能

    生物质气化技能已有一百多年的前史。1883年诞生了最早的气化反响器,它以木炭为质料,气化后的燃气驱动内燃机,推进早期的汽车和农业排灌机械工业的展开。欧美等发达国家自70年代以来相继展开了生物质气化技能的研讨,到达了较高的水平。近期的研讨首要会集于将生物质变换为高氢燃气、裂解油等高质量燃料,并连系燃气轮机,斯特林发动机、燃料电池等变换办法,变换为电能,为21世纪的电力供应作技能储备。

    我国对农林业抛弃物等生物质资源的气化技能的深入研讨是在七十年代末、八十年代初才广泛展开起来的。其间具有代表性技能有中科院广州动力所开发的上吸式生物质气化炉和循环流化床气化炉、中国农业机械化科学研讨院研制的ND系列生物质气化炉、山东省动力研讨所研制的XFL系列秸杆气化炉、大连环境科学院开发的木柴干馏工艺以及商业部红岩机械厂开发的稻壳气化发电技能等。当前已建立了500多座秸杆气化站,为农人供应燃气;160kW稻壳气化发电体系已进入工业化期间,该气化发电体系产气量约为785Nm3/h。

    生物质气化进程简略、对设备恳求不高,可是能量转化率低(所发作气体的能量普通为生物质所含能量的60-70%左右,最高为75%)、燃气热值低(仅为4-6MJ/Nm3)、焦油含量高且燃气被焦油和颗粒污染,亦缺少有用的净化技能、不能灵敏运用热值异样的多样化生物质质料,并且气化进程还需求能量。所以跟着生物质(或成型)直燃技能的进步,国外首要选用生物质直接焚烧供热/发电或成型后焚烧供热/发电,如丹麦建了130家秸杆直燃发电厂,瑞典直接焚烧生物质发电量已挨近国内总发电量的20%。世界上在生物质气化方面的展开趋势则是在气化得到组成气(syngas)的根底上,再经FT(Fischer-Tropsch)组成得到生物柴油或化工产品,仅运用FT组成进程的废气驱动燃气透平发电,而不是专门把气化气用于发电。

3)生物质制氢

    氢气是一种可再生、高热值的卫生动力,在焚烧时只发作水作为产品,而不发作氮氧化物、硫化物和颗粒等大气污染物或二氧化碳等温室气体。近年来跟着氢气储存技能(如氢化物合金)和燃料电池技能的敏捷展开,氢气的制取和运用日益受到重视,被以为是一种最有潜力的代替动力。美国总统布什在2005年的新年讲演中专门说到展开氢燃料汽车。当前,世界上简直一切大的汽车制作商都研制推出了以氢为动力的汽车。

    普通的制氢办法如水电解法、水煤气转化法、甲烷裂解法都需很多的能耗,而生物法制氢相对本钱低价,克服了其他制氢办法高能耗的坏处,还能以污染物为质料进行出产,去除污染。世界各国都对生物制氢研讨有较大的投入,日本通产省和科技厅于1995年开端了一个长达28年的生物资氢方案;美国动力部于1997年开端赞助微生物资氢的研讨任务;欧洲共同体委员会和世界动力安排也别离于1999和1996年提出了生物资氢的大规划研讨方案。这些研讨根本上都会集在运用光合细菌制取氢气,与光合细菌比拟,厌氧发酵细菌将有机物转化为氢气、二氧化碳和有机酸,由于不需求光源和成长条件恳求简略而使本钱更低,但存在着产氢功率低、可控性差的缺陷。国外对运用厌氧发酵细菌产氢首要会集在纯种产氢细菌的固定化技能、纯种产氢细菌及包埋剂的挑选,可是由于制氢质料(如抛弃物)自身的杂乱性,运用纯种细菌无法完结工业化规划的生物制氢。别的需求思索的是葡萄糖转化为氢的生物组成反响,当前1摩尔葡萄糖最多可产6摩尔氢气,可是若是按质量核算,160g葡萄糖仅产了12g氢,的确存在经济可行性问题。

    生物资氢的重要展开方向是以生物质为质料制取氢气。该项技能的运用将不只局限于发作高浓度有机废水的食物加工、发酵等职业,并且还可以用城市污水处置厂的剩下污泥、生计废物等其他有机抛弃物为质料出产氢气。欧洲开发了生物质直接气化制氢技能,进程简略、产氢速度快,显示出宏大潜力,本钱明显低于生物质发电再电解制氢、乙醇制氢,欧洲正在活跃开发这项技能。

    虽然氢被炒得很热,可是依据美国动力方针委员会2004年的年终陈述,颠末对氢的质料可供应性、CO2减排性、与现有根底设施的相容性、到2020年与汽油的竞赛性等4项目标比拟,以为氢还不具有竞赛优势。美国科学院猜测,氢需求再颠末50年的全力研制才干显示出其优越性。
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