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生物质能产业技术及产品等相关资料
生物质能产业技术及产品、等相关资料
一．生物质元素成分及工业分析
生物质元素成分:
生物质的元素成分是指生物质含有不同元素的多少，它将影响决定生物质的燃烧状态。
从化学角度来看，生物质固体燃料是由多种可燃质、不可燃的无机矿物质及水分混合而成的。
其中，可燃质是多种复杂的高分子有机化合物的混合物，主要由碳（Ｃ）、氢（Ｈ）、氧（Ｏ）、氮（Ｎ）和硫（Ｓ）等元素所组成，而Ｃ、Ｈ和Ｏ是生物质的主要成分
生物质的工业分析:
在隔绝空气条件下对燃料进行加热，首先是水分蒸发逸出，然后燃料中的有机物开始热分解并逐渐析出各种气态产物，称为挥发分（Ｖ），主要含有氢气、甲烷等可燃气体和少量的氮气、二氧化碳等不可燃气体。
余下的固体残余物为木炭，主要由固定碳与灰分组成。
用水分、挥发分、固定碳和灰分表示燃料的成分称为燃料的工业分析成分。
二．生物质热化学转化
生物质热化学转换技术是指在加热条件下，用化学手段将生物质转换成燃料物质的技术，包括燃烧、气化、热解及直接液化。
生物质的直接燃烧是最普通的生物质能转换技术，所谓直接燃烧就是燃料中的可燃成分和氧化剂（一般为空气中的氧气）进行化合的化学反应过程，在反应过程中放出热量，并使燃烧产物的温度升高。
其主要目的就是取得热量。
生物质气化是以生物质为原料，以氧气（空气、富氧或纯氧）、水蒸气或氢气等作为气化剂（或称气化介质），在高温条件下通过热化学反应将生物质中可燃的部分转化为可燃气的过程。
生物质热裂解是指生物质在完全没有氧或缺氧条件下热降解，最终生成生物油、木炭和可燃气体的过程。
可用于热解的生物质的种类非常广泛，包括农业生产废弃物及农林产品加工业废弃。
直接液化是把固体生物质在高压和一定温度下直接与氢气反应（加氢），转化为物理化学性质较为稳定的液体燃料的热化学反应过程。
一般使用催化剂且具有较高的氢分压，以提高反应速度，改善过程稳定性。
上述四种转化技术与产物的相互关系如下图所示。
1．生物质直接燃烧
生物质直接燃烧技术是生物质能源转化中相当古老的技术，人类对能源的最初利用就是从木柴燃火开始的。
我国许多史籍中都有关于原始洪荒时代人工取火的传说。
例如，《韩非子·五蠹》曰：
“燧人氏，钻木取火，以化腥臊”；《河图挺佐辅》亦记载：
“伏羲禅于伯牛，错木取火”；《庄子·外物》则曰：
“木与木相摩则然（燃）”。
这些古老的记载，说明了我国古代人民在燧人氏和伏羲氏时代，就已经知道使用“钻木取火”的方法来获取能源了。
从能量转换观点来看，生物质直燃是通过燃烧将化学能转化为热能加以利用，是最普通的生物质能转换技术。
炉灶与连炕灶:
现阶段，我国农村生活用能结构虽然发生了一定的变化，但薪柴、秸秆等生物质仍占消费总能量的50%以上，是农村生活中的主要能源。
这种能源消费结构在相当长的时期内不会发生质的变化，因此在农村，特别是偏远山区，生物质炉灶仍然是农民炊事、取暖的主要生活用能设备。
炕（俗称火炕）是我国北方农村居民取暖的主要设施，是睡眠与家务活动的场所。
炕的热量一般来源于炊事用的柴灶，炕与灶相连，故称炕连灶。
也有专为取暖供热的炕，如西北的煨炕、东北的地炕都是在炕内设一烧火的坑。
生物质现代化燃烧技术:
传统生物质直燃技术虽然在一定时期内满足了人类取暖饮食的需要，但普遍存在能量的利用率低规模小等缺点。
当生物质燃烧系统的功率大于100KW时，例如在工业过程、区域供热、发电及热电联产领域，一般采用现代化的燃烧技术。
工业用生物质燃料包括木材工业的木屑和树皮、甘蔗加工中的甘蔗渣等。
目前法国、瑞典、丹麦、芬兰和奥地利是利用生物质能供热最多的国家，利用中央供热系统通过专用的网络为终端用户提供热水或热量。
生物质直燃发电技术:
现代生物质直燃发电技术诞生于丹麦。
上世纪70年代的世界石油危机以来，丹麦推行能源多样化政策。
该国BWE公司率先研发秸秆等生物质直燃发电技术，并于1988年诞生了世界上第一座秸秆发电厂。
该国秸秆发电技术现已走向世界，被联合国列为重点推广项目。
在发达国家，目前生物质燃烧发电占可再生能源（不含水电）发电量的70%，例如，在美国与电网连接以木材为燃料的热电联产总装机容量已经超过7GW。
目前，我国生物质燃烧发电也具有了一定的规模，主要集中在南方地区，许多糖厂利用甘蔗渣发电。
例如，广东和广西两省共有小型发电机组300余台，总装机容量800MW，云南省也有一些甘蔗渣电厂。
固体废弃物焚烧利用：
顾名思义，固废焚烧利用就是使固体废弃物在焚烧炉中充分燃烧，再将燃烧释放出来的热量通过供暖或者发电加以利用的一种处理方法。
通过焚烧处理，固体废物的剩余物体积减少90%以上，质量减少80%以上。
一些危险固体废物焚烧后，可以破坏其组织结构或杀灭病菌，减少新的污染物的产生，避免二次污染。
所以固体废物通过焚烧处理，能同时实现减量化、无害化和资源化，是一种重要的处理途径。
2.生物质气化技术
在原理上，气化和燃烧都是有机物与氧发生反应。
其区别在于，燃烧过程中氧气是足量或者过量的，燃烧后的产物是二氧化碳和水等不可再燃的烟气，并放出大量的反应热，即燃烧主要是将生物质的化学能转化为热能。
而生物质气化是在一定的条件下，只提供有限氧的情况下使生物质发生不完全燃烧，生成一氧化碳、氢气和低分子烃类等可燃气体，即气化是将化学能的载体由固态转化为气态。
相比燃烧，气化反应中放出的热量小得多，气化获得的可燃气体再燃烧可进一步释放出其具有的化学能。
生物质气化技术首次商业化应用可追溯1833年，当时是以木炭作为原料，经过气化器生产可燃气，驱动内燃机应用于早期的汽车和农业灌溉机械。
第二次世界大战期间，生物质气化技术的应用达到了高峰，当时大约有100万辆以木材或木炭为原料提供能量的车辆运行于世界各地。
我国在20世纪50年代，由于面临着能源匮乏的困难，也采用气化的方法为汽车提供能量。
20世纪70年代，能源危机的出现，重新唤起了人们对生物质气化技术的兴趣。
以各种农业废弃物、林业废弃物为原料的气化装置生产可燃气，可以作为热源，或用于发电，或生产化工产品（如甲醇、二甲醚及氨等）。
生物质气化有多种形式，如果按照气化介质分，可将生物质气化分为使用气化介质和不使用气化介质两大类。
不使用气化介质称为干馏气化；使用气化介质，可按照气化介质不同分为空气气化、氧气气化、水蒸气气化、水蒸气-氧气混合气化和氢气气化等。
生物质气化炉是气化反应的主要设备。
生物质气化技术的多样性决定了其应用类型的多样性。
在不同地区选用不同的气化设备和不同的工艺路线来使用生物质燃气是非常重要的。
生物质气化技术的基本应用方式主要有以下四个方面：
供热、供气、发电和化学品合成。
生物质气化供热是指生物质经过气化炉气化后，生成的生物质燃气送各入下一级燃烧器中燃烧，为终端用户提供热能。
此类系统相对简单，热利用率较高。
生物质气化集中供气技术是指气化炉生产的生物质燃气，通过相应的配套设备，为居民提供炊事用气。
其基本模式为：
以自然村为单元，系统规模为数十户至数百户，设置气化站，铺设管网，通过管网输送和分配生物质燃气到用户家中。
生物质气化集中供气系统示意图
生物质气化发电技术是生物质清洁能源利用的一种重要方式，几乎不排放任何有害气体。
在我国很多地区普遍存在缺电和电价高的问题，近几年这一状况更加严重，生物质发电可以在很大程度上解决能源短缺和矿物燃料燃烧发电的环境污染问题。
近年来，生物质气化发电的设备和技术日趋完善，无论是大规模还是小规模均有实际运行的装置。
生物质气化发电工作流程
生物质气化合成化学品是指经气化炉生产的生物质燃气，经过一定的工艺合成为化学制品，目前主要包括合成甲醇、氨和二甲醚等。
生物质气化合成甲醇、二甲醚
3.生物质热解
生物质热解（又称热裂解或裂解）是指在隔绝空气或通入少量空气的条件下，利用热能切断生物质大分子中的化学键，使之转变为低分子物质的过程。
根据热解条件和产物的不同，生物质热解工艺可以分为以下几种类型：
1） 烧炭。
将薪炭放置在炭窑或烧炭炉中，通入少量空气进行热分解制取木炭的方法，一个操作期一般需要几天。
2） 干馏。
将木材原料在干馏釜中隔绝空气加热，制取醋酸、甲醇、木焦油抗聚剂、木馏油和木炭等产品的方法。
3） 热解液化。
把林业废料及农副产品在缺氧的情况下中温（500~650℃）快速加热，然后迅速降温使其冷却为液态生物原油的方法。
三．生物质生化转化
生物质生化转化是依靠微生物或酶的作用，对生物质进行生物转化，生产出如乙醇、氢、甲烷等液体或者气体燃料的技术。
主要针对农业生产和加工过程的生物质，如农作物秸秆、畜禽粪便、生活污水、工业有机废水和其他有机废弃物等。
生物质生化转化技术主要包括水解发酵和沼气技术两大类应用技术。
1.生物质水解发酵
发酵法采用各种含糖（双糖）、淀粉（多糖）、纤维素（多缩己糖）的农产品，农林业副产物及野生植物为原料,经过水解（水解——使某一化合物裂解成两个或多个较简单化合物的化学过程）、发酵使双糖、多糖转化为单糖并进一步转化为乙醇。
2.沼气发酵
沼气发酵又称为厌氧消化、厌氧发酵和甲烷发酵，是指有机物质（如人畜家禽粪便、秸秆、杂草等）在一定的水分、温度和厌氧条件下，通过种类繁多、数量巨大、且功能不同的各类微生物的分解代谢，最终形成甲烷和二氧化碳等混合性气体（沼气）的复杂的生物化学过程。
四．其他生物质利用技术
生物质利用技术还有其他一些利用方式,在社会生活中也得到了一定的发展和应用,尤其是生物质压缩成型技术和生物柴油技术得到了相对广泛的应用。
1.生物质压缩成型技术
农业和林业生产过程中所产生的大量废弃物通常松散的分散在大面积范围内，具有较低的堆积密度，给收集、运输、储藏带来了困难。
由此人们提出如果能够将农业和林业生产的废弃物压缩为成型燃料，提高能源密度则不仅可以解决上述问题，而且可以形成商品能源。
将分布散、形体轻、储运困难、使用不便的纤维素生物质，经压缩成型和炭化工艺，加工成燃料，能提高容量和热值，改善燃烧性能，成为商品能源，这种转换技术称为生物质压缩成型技术或致密固化成型技术，这种被压缩后的物质称为生物质颗粒。
2.生物柴油（酯化）
酯化是指将植物油与甲醇或乙醇在催化剂和230~250℃温度下进行反应，生成生物柴油，并获得副产品——甘油。
生物柴油可单独使用以替代柴油，又能够以一定比例（2％～30％）与柴油混合使用。
除了为公共交通车、卡车等柴油机车提供替代燃料外，又可为海洋运输业、采矿业、发电厂等具有行业提供燃料。
五．能源植物
随着化石能源的不断枯竭，人们开始在世界范围内寻找替代能源。
许多国家都在进行替代能源的研究，能源植物的研究便应运而生。
顾名思义，能源植物就是可以用作能源的植物，通常是指那些可产生接近石油成分和可替代石油使用的产品的植物，以及富含油脂的植物。
目前，大多数能源植物尚处于野生或半野生状态，人类正在研究应用遗传改良、人工栽培或先进的生物质能转换技术等，以提高利用生物能源的效率，生产出各种清洁燃料，从而替代煤炭、石油和天然气等化石燃料，减少对矿物能源的依赖，保护国家能源资源，减轻能源消费给环境造成的污染。
据估计，绿色植物每年固定的能量，相当于600亿吨至800亿吨石油，即全世界每年石油总产量的20倍至27倍，约相当于世界主要燃料消耗的10倍。
而绿色植物每年固定的能量作为能源的利用率，还不到其总量的l%。
世界上许多国家都开始开展能源植物或石油植物的研究，并通过引种栽培，建立新的能源基地，如“石油植物园”、“能源农场”等，以此满足对能源结构调整和生物质能源的需要。
我国是利用能源植物较早的国家，但基本上局限在直接燃烧、制碳等初级的阶段。
近年来我国能源植物的研究发展速度较快。
研究内容涉及到油脂植物的分布、选择、培育、遗传改良等及其加工工艺和设备。
同时我国政府对生物燃料非常重视，制定了多项指导性政策以促进其发展。
1.富含类似石油成分的能源植物
续随子、绿玉树、西谷椰子、西蒙得木、巴西橡胶树等均属此类植物。
例如巴西橡胶树分泌的乳汁与石油成分极其相似，不需提炼就可以直接作为柴油使用，每一株树年产量高达40L。
我国海南省特产植物油楠树的树干含有一种类似煤油的淡棕色可燃性油质液体，在树干上钻个洞，就会流出这种液体，也可以直接用作燃料油。
2..富含高糖、高淀粉和纤维素等碳水化合物的能源植物
利用这些植物所得到的最终产品是乙醇。
这类植物种类多，且分布广，如木薯、马铃薯、菊芋、甜菜以及禾本科的甘蔗、高粱、玉米等。
它们都是生产乙醇的良好原料。
3.富含油脂的能源植物
这类植物既是人类食物的重要组成部分,又是工业用途非常广泛的原料。
对富含油脂的能源植物进行加工是制备生物柴油的有效途径。
世界上富含油的植物达万种以上，我国有近千种，有的含油率很高，如桂北木姜子种子含油率达64.4%，樟科植物黄脉钓樟种子含油率高达67.2%。
这类植物有些种类存储量很大，如种子含油达15%～25%的苍耳子广布华北、东北、西北等地，资源丰富，仅陕西省的年产量就达1.35万t。
集中分布于内蒙、陕西、甘肃和宁夏的白沙蒿、黑沙蒿，种子含油16%～23%，蕴藏量高达50万t。
水花生、水浮莲、水葫芦等一些高等淡水植物也有很大的产油潜力。
4.用于薪炭的能源植物
这类植物主要提供薪柴和木炭，如杨柳科、桃金娘科桉属、银合欢属等。
目前世界上较好的薪炭树种有加拿大杨、意大利杨、美国梧桐等。
近来我国也发展了一些适合作薪炭的树种，如紫穗槐、沙枣、旱柳、泡桐等，有的地方种植薪炭林3~5年就见效，平均每公顷薪炭林可产干柴15t左右。
美国种植的芒草可燃性强，收获后的干草能利用现有技术制成燃料用于电厂发电。
六．城市固体废弃物能源处理
固体废弃物是指人类在生产、消费、生活和其他活动中产生的固态、半固态废弃物质，通俗地说，就是“垃圾”。
主要包括固体颗粒、垃圾、炉渣、污泥、废弃的制品、破损器皿、残次品、动物尸体、变质食品、人畜粪便等。
在当前，城市固体废弃物已成为困扰人类社会发展的一大问题。
随着我国经济的发展，城市化进程的加快，城市垃圾的产量呈逐年递增的趋势。
据统计，2002年全国生活垃圾清运量为13638万吨，生活垃圾无害化处理量为7404万吨，无害化处理率仅为54.3%。
大量生活垃圾和工业垃圾由于缺少处理而露天堆放，垃圾围城现象日益严重，由此带来的细菌滋生和空气、饮水污染的问题严重影响了城市居民的生活质量，危害人类的健康。
城市固体废弃物的处理以无害化、减量化和资源化为终极目标。
无害化要求处理后的废弃物化学性质稳定，病原体被消灭，达到国家有关卫生评价标准的要求。
减量化旨在减少进入生产和消费过程中物质和能源流量，对固体废弃物的产生是通过预防而不是治理的方式加以解决。
资源化是把废弃物变成二次资源加以利用，也就是通常所说的废物综合利用。
1.城市固体废弃物的分类回收
随着人民生活水平提高，垃圾的构成也发生了很大的变化，具体表现为垃圾中灰渣的含量持续下降，易腐垃圾和可燃垃圾增多，可回收废弃物数量也有所增加，可利用价值增大。
如果将城市固废中可回收部分加以利用，则不仅可以减少最终无害化处理的数量，减少环境污染，而且可以节约资源和能源。
因此要实现垃圾资源化，应从源头开始，加强管理，推行垃圾分类回收。
我国生活垃圾一般可分为以下四大类：
可回收垃圾、厨余垃圾、有害垃圾和其他垃圾。
可回收垃圾主要包括废纸、塑料、玻璃、金属和布料五大类；厨余垃圾包括剩菜剩饭、骨头、菜根菜叶、果皮等食品类废物；有害垃圾包括废电池、废日光灯管、废水银温度计、过期药品等，这些垃圾需要特殊安全处理；其他垃圾包括除上述几类垃圾之外的砖瓦陶瓷、渣土、卫生间废纸、纸巾等难以回收的废弃物。
2.城市固体废弃物的焚烧处理
焚烧法是指将固体废弃物先经分选装置分选，然后输送至垃圾焚烧炉中焚烧，使其中可燃物质燃烧并产生热能或发电的一种方法。
城市垃圾焚烧工艺流程图
通过焚烧处理，固体废物的体积减少90%以上，质量减少80%以上。
一些危险固体废弃物焚烧后，可以破坏其组织结构或杀灭病菌，减少性的污染物的产生，避免二次污染。
所以固体废弃物通过焚烧处理，能同时实现减量化、无害化和资源化，是一种重要的处理途径。
原生垃圾及其焚烧产物
垃圾焚烧发电
3.垃圾衍生固体燃料技术
垃圾本身虽然具有一定热值，但并不是一种理想的固体燃料。
垃圾中有机物极易腐烂释放出恶臭，在运输和储藏过程中可能会出现问题；垃圾中一般含有聚氯乙烯塑料、食盐和其他含氯化合物，在焚烧时会产生具有腐蚀性的氯化氢，会在大气中形成酸雨，此外还有可能产生二噁英；垃圾焚烧后的灰渣通常含有重金属，如果不加处理会造成二次污染。
近年来将垃圾进行分选、粉碎、干燥、成型颗粒等过程，产生出高热值、高温定性固体燃料的处理方法得到了广泛应用。
产生的固体燃料一般称为垃圾衍生燃料（RDF）。
RDF大小均匀、易于运输和储存、组成相对稳定、热值高，可作为供热、发电和水泥等行业的燃料。
它的出现为垃圾的能源化利用带来了生机，成为垃圾利用资源化领域的增长点。
RDF成型机
垃圾衍生固体燃料
4.固体废弃物填埋
土地填埋是在传统的堆放和土地处置基础上发展起来的一项技术，是处置大量城市固体废弃物的有效方法，也是所有废弃物处置后其剩余物的的最终处置手段。
土地填埋不是单纯的堆、填、埋，而是一种按照工程理论和土木标准，对固体废弃物进行有效管理的综合性科学方法。
填埋场是采用卫生填埋方式对城市垃圾进行集中填埋的场所，因其成本低、卫生程度好近年来在国内被广泛应用。
按照填埋场的水文气象条件可以将土地填埋分为干式填埋、湿式填埋和干湿式混合填埋；按照处置废物类型和有害物质释放所需控制水平可分为1~6级填埋场。
用于处置城市固体废弃物属于3级填埋场，一般称为城市垃圾卫生填埋场
垃圾填埋场
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