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生物质燃料的制备及燃烧性能研究综述

文献综述

魏然

（四川理工学院材料与化学工程学院，四川自贡643000）

摘要

生物质燃料是植物材料和动物废料等有机物质在内的燃料，作为煤炭、石油和天然气的最佳替代品，因其资源总量的丰富性、分布的广泛性，以及快速的可再生性，当前世界各国对生物质燃料的开发研究正开展的如火如荼。

本文综述了几种当前最主要的生物质燃料的利用形式及其制备方法和燃烧特点。

关键词：

生物质，燃料，制备，燃烧

前言

生物质包括所有的植物、微生物以及以植物、微生物为食物的动物及其生产的废弃物。

包括农林业生产过程中除粮食、果实以外的秸秆、树木等木质纤维素（简称木质素）、农产品加工业下脚料、农林废弃物及畜牧业生产过程中的禽畜粪便和废弃物等。

生物质能，就是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量。

生物质能直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，生物能是由太阳能转化而来，取之不尽、用之不竭，所以生物质燃料也是一种具备替代煤、石油等不可再生燃料的新型燃料。

目前生物质燃料的利用方式主要是直接燃烧，沼气，燃料乙醇、生物柴油等液体燃料，以及生物质气化燃料和生物质固体成型燃料。

1生物质燃料开发和利用的现状

生物质包括所有的植物、微生物以及以植物、微生物为食物的动物及其生产的废弃物。

包括农林业生产过程中除粮食、果实以外的秸秆、树木等木质纤维素（简称木质素）、农产品加工业下脚料、农林废弃物及畜牧业生产过程中的禽畜粪便和废弃物等。

生物质能，就是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量。

生物质能直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，生物能是由太阳能转化而来，取之不尽、用之不竭，所以生物质燃料也是一种具备替代煤、石油等不可再生燃料的新型燃料。

生物质能作为仅次于煤炭、石油和天然气的世界第四大能源，其组成是碳氢化合物，资源总量十分丰富，并且分布广泛。

根据生物学家估计，地球陆地每年生产1000亿~1250亿吨生物质；海洋每年生产500亿吨生物质。

生物质能源的年生产量远远超过全世界总能源需求量，相当于世界总耗能的10倍。

生物质能源的开发利用早已引起世界各国政府和科学家的关注。

有许多国家都制定了相应的开发研究计划，在日本的阳光计划、印度的绿色能源工程、美国的能源农场和巴西的酒精能源计划等发展计划。

其它诸如丹麦、荷兰、德国、法国、加拿大、芬兰等国，多年来一直在进行各自的研究与开发，并形成了各具特色的生物质能源研究与开发体系，拥有各自的技术优势。

目前，全球生物质能发电装机容量已超过5000万千瓦，可代替9000多万吨标准煤。

美国生物物质发电在世界上处于领先地位，生物质能发电总装机容量超过1万兆瓦，占美国可再生能源发电装机的40%以上。

有关资料显示，到2020年，西方发达国际15%的电力将来自生物质发电。

中国是世界人口大国，又是当前世界经济发展最迅速的国家之一，中国2009年消费22.5亿吨标准油的能源，比美国高约4%（约21.6亿吨标准油），已成为全球最大的能源消费国。

而我国生物质能消费尚不足总能源消费的1%，大力发展生物质能对我国节能环保、优化能源结构、保持可持续发展都将起到显著作用为了促进可再生能源的发展，根据《可再生能源法》的要求，国家发展改革委已组织编制了《可再生能源中长期发展规划》，提出了2010年和2020年可再生能源发展目标和任务，其中生物质能是重要的发展领域。

规划提出的全国生物质能开发利用的主要目标是：

到2010年，生物质发电装机容量达到550万千瓦，沼气年利用量达到190亿立方米，燃料乙醇年利用量达到200万吨，生物柴油年利用量达到20万吨，生物质固体成型燃料达到100万吨，建成50个绿色能源示范县。

到2020年，生物质发电装机容量达到3000万千瓦，沼气年利用量达到400亿立方米，燃料乙醇年利用量达到1000万吨，生物柴油年利用量达到200万吨。

生物质固体成型燃料达到5000万吨，绿色能源县普及到500个。

同时，为促进节能减排、加快建设节约型社会，我国政府通过税收的合理调节支持生物质等可再生能源产业的发展，对属于生物质能源的垃圾发电实行增值税即征即退政策，对国家批准的定点企业生产销售的变性燃料乙醇实行增值税先征后退，对国家批准的定点企业生产销售的变性燃料乙醇实行免征消费税政策。

　　实用上，生物燃料是指通过生物资源生产的燃料乙醇和生物柴油等，可以替代由石油制取的汽油和柴油，是可再生能源开发利用的重要方向。

受世界石油资源、价格、环保和全球气候变化的影响，20世纪70年代以来，许多国家日益重视生物燃料的发展，并取得了显著的成效。

中国的生物燃料发展也取得了很大的成绩，特别是以粮食为原料的燃料乙醇生产，已初步形成规模。

美国科学家最新的研究成果显示，作为目前应用最广泛的两种生物燃料，生物柴油和乙醇燃料尽管比化石燃料更加优越，但不可能满足社会的能源需求。

研究人员发现，即使美国种植的所有玉米和大豆都用于生产生物能源，也只能分别满足全社会汽油需求的12%和柴油需求的6%。

而玉米和大豆首先要满足粮食、饲料和其他经济需求，不可能都用来生产生物燃料。

生物燃料大有可为。

生物质燃料的特点主要有：

1）生物质燃烧所释放的二氧化碳大体相当于其生长时通过光合作用所吸收掉二氧化碳，因此可以认为是二氧化碳零排放。

2）生物质热解后含有大量的挥发分，燃点低，容易燃烧、

3）生物质含氮硫极少，燃烧产物对环境无污染。

4）生物质燃烧后，灰分中含有植物生长所必需的多种营养元素，课作为良好的农用肥料。

2生物质燃料主要制备方法

2.1直接燃烧 

生物质直接燃烧是将生物质直接作为燃料燃烧的生物质利用方法，只要分为炉灶燃烧和锅炉燃烧。

直接燃烧是生物质能利用中最简单也是最早被采用的方式，但在传统燃烧方式中，生物质燃烧效率极低，能源好资源的浪费都很大。

因此，一种方便和高效的生物质直接燃烧技术，具有很好的经济和社会效益。

炉灶在中国沿用时间久、使用广泛。

旧式柴灶热效率低（只有10%左右）、浪费严重，且严重污染环境。

我国政府在农村大力推广节柴灶后，每年减少数千万吨标准煤的能源消耗。

节柴灶的特点主要是：

一是热能在灶内停留时间长，利用充分，热效率高（可达20%以上）；二是没有熏烟，污染少；三是质量小，可拆装；四是多功能，灶桥可调整。

目前节柴灶在偏远山区仍是生物质能源利用的主要方式。

采用先进技术，提高小型炉具的燃烧和热利用效率，降低污染物排放，实现农村炉具的商业化和规模化，是我国浓醇提高生物质直接燃烧利用效率飞主要途径。

锅炉燃烧主要是采用先进燃烧技术，把生物质作为锅炉的燃料，以提高生物质的利用效率，适用于相对集中、大规模利用生物质资源生物质燃料的种类很多，按照锅炉燃烧方式的不同又可分为流化床锅炉和层燃炉等

2.2厌氧与沼气发酵

沼气是有机物质在厌氧条件下，经过微生物的发酵作用而生成的一种可燃气体。

由于这种气体最先是在沼泽中发现的，所以称为沼气。

人畜粪便、秸秆、污水等各种有机物在密闭的沼气池内，在厌氧（没有氧气）条件下发酵，即被种类繁多的沼气发酵微生物分解转化，从而产生沼气。

沼气是一种混合气体，可以燃烧。

沼气是有机物经微生物厌氧消化而产生的可燃性气体。

沼气是一些有机物质,在一定的温度、湿度、酸度条件下，隔绝空气（如用沼气池），经微生物作用（发酵）而产生的可燃性气体。

它含有少量硫化氢，所以略带臭味。

发酵是复杂的生物化学变化，有许多微生物参与。

反应大致分两个阶段：

（1）微生物把复杂的有机物质中的糖类、脂肪、蛋白质降解成简单的物质，如低级脂肪酸、醇、醛、二氧化碳、氨、氢气和硫化氢等。

（2）由甲烷菌种的作用，使一些简单的物质变成甲烷。

要正常地产生沼气，必须为微生物创造良好的条件，使它能生存、繁殖。

沼气池必须符合多种条件。

首先，沼气池要密闭。

有机物质发酵成沼气，是多种厌氧菌活动的结果，因此要造成一个厌氧菌活动的缺氧环境。

在建造沼气池时要注意隔绝空气，不透气、不渗水。

其次，沼气池里要维持20～40℃，因为通常在这种温度下产气率最高。

第三，沼气池要有充足的养分。

微生物要生存、繁殖，必须从发酵物质中吸取养分。

在沼气池的发酵原料中，人畜粪便能提供氮元素，农作物的秸秆等纤维素能提供碳元素。

第四，发酵原料要含适量水，一般要求沼气池的发酵原料中含水80％左右，过多或过少都对产气不利。

第五，沼气池的pH值一般控制在7～8.5。

据估计，在英国，利用人和动物的各种有机废物，通过微生物厌氧消化所产生的甲烷，可以替代整个英国25％的煤气消耗量。

苏格兰已设计出一种小型甲烷发动机，可供村庄、农场或家庭使用。

美国一牧场兴建了一座工厂，主体是一个宽30米、长213米的密封池组成的中烷发酵结构，它的任务是把牧场厩肥和其他有机废物，由微生物转变成甲烷、二氧化碳和干燥肥料。

这座工厂每天可处理1650吨厩肥，每日可为牧场提供11.3万立方米的甲烷，足够1万户家庭使用。

目前美国已拥有24处利用微生物发酵的能量转化工程。

从世界范围看，利用各种微生物协同作用生产甲烷的研究和应用，正处于方兴未艾的阶段。

近年来，中国沼气事业获得了迅速的发展，沼气池总数已达到1000多万个。

随着我国经济发人民生活水平的提高，工业、农业、养殖业的发展，大废弃物发酵沼气工程仍将是我国可再生能源利用和环护的切实有效的方法。

2.3燃料乙醇

燃料乙醇，一般是指体积浓度达到99.5%以上的无水乙醇。

燃料乙醇是燃烧清洁的高辛烷值燃料，是可再生能源。

主要是以雅津甜高粱加工而成。

燃料乙醇是一种可再生能源，目前应用最广泛最受关注的是作为汽车燃料。

可在专用的乙醇发动机中使用，又可按一定的比例与汽油混合，在不对原汽油发动机做任何改动的前提下直接使用。

使用含醇汽油可减少汽油消耗量，增加燃料的含氧量，使燃烧更充分，降低燃烧中的CO等污染物的排放。

生产制备燃料乙醇的主要原料有三类：

第一类是含糖作物，如甘蔗、甜菜、甜高粱等；第二类是淀粉质作物，如玉米、小麦、木薯、红薯、马铃薯及菊芋等；第三类是纤维质原来，如秸秆、木木屑、农作物壳皮及城市固体垃圾等。

目前，乙醇的生产技术仍处于第一代，所采用的原料包括第一类和第二类，以第三类为原料的纤维素乙醇技术属于第二代生物燃料技术，虽已开发但技术尚不成熟。

全球乙醇生产高度集中于美国和巴西，两国合计产量占全球的８７％。

其中美国的乙醇产量为265亿升，占全球的50%；巴西的乙醇产量为190亿升，占全球的37%。

中国、欧盟和加拿大的乙醇产量分别占全球的4%、4%和2%。

美国乙醇生产原料几乎全部是玉米，巴西的乙醇生产原料几乎全部来自甘蔗，而中国、欧盟、加拿大等国家和地区则主要是粮食和甜菜。

生物质生产燃料乙醇的的主要工艺是发酵法生产乙醇和脱水制的燃料乙醇。

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（即糖化）、发酵使双糖、多糖转化为单糖并进一步转化为乙醇。

淀粉质在微生物作用下,水解为葡萄糖,再进一步发酵生成乙醇。

发酵法制酒精生产过程包括原料预处理、蒸煮、糖化、发酵、蒸馏、废醪处理等。

脱水技术是燃料乙醇生产关键技术之一。

从普通蒸馏工段出来的乙醇,其最高质量浓度只能达到95%,要进一步的浓缩,继续用普通蒸馏的方法是无法完成的,因为此时,酒精和水形成了恒沸物（对应的恒沸温度为78.15℃）,难以用普通蒸馏的方法分离开来。

为了提高乙醇浓度,去除多余的水分,就需采用特殊的脱水方法。

目前制备燃料乙醇的方法主要有化学反应脱水法、恒沸精馏、萃取精馏、吸附、膜分离、真空蒸馏法、离子交换树脂法等。

2.4生物质气化

生物质气化是利用空气中的氧气或含氧物做气化剂，在高温条件下将生物质固体或液体燃料中的可燃部分转化为可燃气（主要是氢气、一氧化碳和甲烷）的热化学反应，在气化装置中，游离氧或结合氧与燃料中的碳进行热化学反应，生成可燃气体。

２０世纪７０年代，Ｇｈａｌｙ首次提出了将气化技术应用于生物质这种含能密度低的燃料。

到目前，欧美等发达国家在生物质气化的研究利用上已达到较高的水平，如德国鲁奇公式进行１００ＭＷ生物质气化联合循环发电（ＢＩＧＣＣ）的示范工程，美国可再生能源研究室和夏威夷大学联合开发的Ｂａｔｔｅｌｌｅ生物质气化发电系统（ＢＩＧＣＣ）及瑞典开发成功的ＴＰＳ生物质的ＢＩＧＣＣ系统，目前欧美国家正在致力于生物质气化合成甲醇。

制氢燃料的研究。

其生物质气化装置均为流化床气化炉，使用氧或水蒸气做气化剂，产生中热值煤气。

我国的生物质气化技术应用研究起始于上世纪８０年代初。

初期成功开发了一些生物质气化技术，主要是固定床气化炉，９０年代初国内才开展生物质流化床气化炉，应用于发电。

但从总体上说，我国生物质气化技术水平不高，规模偏小，与发达国家生物质气化技术相比还比较落后。

2.5压缩成型燃料

生物质成型燃料是将各种分散的、没有一定形状的秸秆经干燥、粉碎到一定温度、湿度和压力条件下，挤压成规则的、较大密度的棒状、块状球状或颗粒状的固体燃料。

是在经济上最可行的生物质利用方式。

由于生物质原料产地分散、质地疏松、能量密度小，给采集、储运和使用带来了许多不便。

经致密成型加工后的生物质固体成型燃料，其粒度均匀、单位密度（可达到０．８～１．４ｇ/㎝）和强度增加，便于运输和贮存，且燃料性能明显改善。

生物质燃料成型主要是运用生物质致密成型技术，即应用机械加压（加热或不加热）的方法，将各类原来分散、没有一定形状、密度低的生物质原料压制成具有一定形状、密度较高的各种固体成型燃料的过程。

按成型温度可分为加热成型和常温高压成型两种。

加热成型：

植物中含有的木质素是具有芳香族特性的结构单体，属非晶体，没有熔点但有软化点，当温度达70~100℃是开始软化切粘合力开始增加，在200~300℃是，软化程度加剧达到液化，此时施加一定的压力，使其与纤维素紧密粘接，并与邻近颗粒相互胶结，冷却后即可固化成型。

生物质加热成型燃料就是利用生物质的这种特性，用压缩成型设备将经过干燥和粉碎的松散生物质在家呀（0.5~1t∕㎝）、加温（１１０～３００℃）的条件下，是木质素软化并经挤压而成型，得到具有一定形状和规格的成型燃料。

其固化成型的工艺流程一般为：

原料→干燥→加热、成型→冷却包装。

常温成型：

生物质原料是由纤维构成的，被粉碎后生物钟原料质地松散，在受到一定的外部压力后，原料颗粒先后经历位置重新排列、颗粒机械变形和塑料性流变等阶段。

开始压力较小时，有一部分离子进入粒子间的空隙内，粒子间的相互位置不断改变，当离子键所有较大的空隙都被能进入的粒子占据后，再增加压力，只有靠粒子本身的变形去充填其周围空隙。

这是粒子在垂直于最大主应力的平面上被延展，当粒子被延展到与相邻的两个粒子相互接触式，再增加压力，粒子就会相互结合，这样，原来分散的粒子就被压缩成型，同时其体积大幅度减小，密度则显著增大。

由于非弹性或粘弹性的纤维分子之间的相互缠绕和咬合，在外部压力解除后，一般都不能在恢复到原来的结构形状。

应用这一原理，可以实现自然状态下的常温压缩成型。

该成型技术的工艺流程为：

→原料→预处理（削片或粉碎）→成型→包装。

它比加热成型技术减少了原料烘干、成型时加热和降温等３道工序，课节约能耗４４％～６７％。

在能源紧缺的今天，常温成型时生物质成型燃料的发展方向。

我国秸秆资源非常丰富，长期以来农村一直使用薪柴和秸秆直接燃烧作为主要生活用能，热利用率低，资源浪费严重，且污染大，有害人体健康，成型后的燃料燃烧性能得到极大改善，燃烧效率有秸秆直接燃烧的１０％～１５％提高到３０％～４０％，生物质成型燃料的生产，一方面客服了生物质体积大、不易运输的缺点；另一方面保持了生物质挥发性高、易燃烧、灰分少（一般少于３％）、燃烧室几乎不产生二氧化硫、不造成环境污染等优点；加之成型燃料的使用与农民长期以来燃用固体燃料的习惯一致，成本较低，作为煤的良好替代品，成型燃料在将来农村燃料市场大有作为。

2.7植物油与生物柴油

生物柴油又称脂肪酸甲酯，是以油料作物、野生油料林木果实和工程微藻等油料水生植物，以及动物油脂、废弃餐饮油等为原料通过交换工艺制成的甲酯或乙酯燃料，这种燃料可供内燃机使用，它是优质的石化柴油代用品，生物质柴油不仅具有可再生的特点，而且可生物降解，发展生物柴油有益于保护生态环境，是典型的“绿色燃料”。

自上世纪七十年代末至今，世界各国研究的生物柴油多达几十种，常用的植物油有菜籽油、桐油、棉籽油等，是载重运输机车、农用柴油机等重要的替代燃料。

生物柴油与石化柴油相比有以下优点:

十六烷值较高,大于49（石化柴油为45）,抗爆性能优于石化柴油;含氧量高于石化柴油,可达11%,在燃烧过程中所需的氧气量较石化柴油少,燃烧、点火性能优于石化柴油;不含芳香族烃类成分而不具致癌性,并不含硫、铅、卤素等有害物质;无须改动柴油机,可直接添加使用;生物柴油的闪点较石化柴油高,有利于安全运输、储存;不含石蜡,低温流动性好,适用区域广泛。

生物柴油是典型的“绿色能源”,生产生物柴油的能耗仅为石油柴油的25%,可显著减少燃烧污染排放;生物柴油无毒,生物降解率高达98%,降解速率是石油柴油的2倍;生产生物柴油适用的植物可以改善土壤,保护生态,减少水土流失;利用餐饮废油脂生产生物柴油,可以减少废油直接进人环境或重新进人食用油系统,有较大的环境价值和社会价值。

在国外,用于规模生产生物柴油的原料有大豆（美国）、油菜籽（欧盟国家）、棕桐油（东南亚国家）。

日本、爱尔兰等国以植物油下脚料及食用回收油为原料生产生物柴油,成本较石化柴油低。

美国、英国等西方国家正尝试使用一种高油脂的工程微藻来生产生物柴油。

食用回收油价格低廉,取材广泛,亦是许多国家研究和利用的对象。

中国目前主要以废餐饮油脂、动物脂肪和木本油籽为生物柴油的生产原料。

据业内人士指出,我国2010年柴油的需求量将突破1×10７t,与2005年相比增长24%,至2015年柴油需求量将突破1.3×108t,这将加大我国对进石油进口的依赖度程度,这不仅消耗大量的外汇储备,并对我国的能源安全带来严重的威胁.因此,发展生物柴油可以有效缓解我国柴油供应紧张的状况,减少石油进口,节省外汇,确保能源安全,改善生态环境等。

另外,我国有丰富的植物油脂及动物油脂资源,其中,油料植物有1000多种,含油20%以上有300多种,仅每年我国豆油产量就达到6×10７t；此外,废弃食用油也可作为生物柴油原料,我国油脂消耗量高达1.7×10７t,仅仅废弃食用油我国每年产生约2.5×10６t,此数字还在逐年增长,食品制造与加工企业、饭店以及饮食摊贩等产生大量的煎炸油,如加以集中充分利用即可生产生物柴油以替代柴油,减少环境污染,因此有极大的发展空间.所以我国发展生物柴油产业有着充足的原料资源。

3实例

雷鸣公司是四川省级高新技术企业，是集生物环保工程建设，技术研发，设备制造为一体的民营高科技企业。

自2000年至今雷鸣生物环保工程有限公司；总取得具有自主知识产权的专利项目22项其中实用新型专利17项；发明专利5项。

在环保和生物工程技术领域17项；其他领域5项。

2006年被四川省知识产权局命名为省级知识产权示范企业；2007年取得环境工程设计乙级资质。

为了解决生物质型煤好的成型效果开始在燃料中添加泥质或沾结计、固硫剂，但增加了燃料灰分降低了热值引响燃烧效果；生物质型煤在不添加任何沾结条件下成型，并保证较高强度是国内一大技术难题。

四川雷鸣生物环保工程有限公司通过多年技术攻关，从工艺和装备技术上创新，最终开发出一套全新工艺装备并获得独立知识产权。

。

该项目建成可生产生物质颗粒燃料二万吨，其燃烧的能量等同于二万吨煤燃烧后产生的能量，同时可以减少排放二氧化碳1.5万吨、二氧化硫400吨、氮氧化合物100吨、粉尘60吨。

4结语

进入21世纪，随着化石资源的迅速消耗，生态环境不断恶化，世界各国都将更加重视发展可再生能源，特别是生物质能源。

生物质是生物体经光合作用合成的有机物，是一种资源量十分巨大的能够大规模替代汽油和柴油的可再生资源，大力发展生物质燃料，对中国加强能源自主，促进能源安全具有重要的战略意义。

目前成本居高不下成为制约我国生物燃料产业发展的最大瓶颈。

然而，该问题正在通过技术进步得到逐步解决。

正因如此，未来政府需要在生物燃料领域加大政策补贴以及技术研发支持力度，以激发企业参与的积极性，加快我国生物燃料对传统石化燃料的替代步伐，我国必然能够在生物质燃料开发这个崭新领域内取得成功。

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