生物質(zhì)能利用的研究現(xiàn)狀及特點(diǎn)

史方芳

（山東交通學(xué)院，山東 濟(jì)南 250023）

0 引言

生物質(zhì)是植物通過光合作用生成的有機(jī)物，作為清潔的可再生能源，由于在生物質(zhì)生成過程吸收二氧化碳，屬于廢物利用，生物質(zhì)能的利用已成為全世界的共識。作為能源利用的生物質(zhì)能主要有農(nóng)作物、油料作物、林木、木材加工生產(chǎn)的殘余物、農(nóng)副產(chǎn)品加工的廢渣、城市生活垃圾中的部分生物廢棄物。20世紀(jì)70年代中期，全球性能源危機(jī)，可再生能源，重新引起了人們的重視。化石燃料的使用是大氣污染的主要原因，而使用大自然饋贈的生物質(zhì)能，幾乎不產(chǎn)生污染，生物質(zhì)能的開發(fā)得到越來越多國家的重視，生物質(zhì)能的開發(fā)利用研究也成為世界性的熱門研究課題。美國、日本、加拿大等國家氣化技術(shù)已得到很大發(fā)展，巴西、美國等用甘蔗、玉米等提取乙醇，作為汽車燃料；加拿大有很多實(shí)驗(yàn)室和大學(xué)開展了生物質(zhì)的氣化技術(shù)研究；英國也開發(fā)了適合生物質(zhì)能發(fā)電的燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)和高效氣化技術(shù)。我國未來的能源形勢十分嚴(yán)峻，人均一次能源及其有限。我國擁有豐富的生物質(zhì)資源，若采用新技術(shù)來利用這些生物質(zhì)能，并提高它的利用率，不僅能節(jié)約大量礦物燃料，又可改善生態(tài)環(huán)境。

1 生物質(zhì)能利用的主要技術(shù)

生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)換技術(shù)包括化學(xué)轉(zhuǎn)換、物理轉(zhuǎn)換和生物轉(zhuǎn)換，圖1所示。

圖1 生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換技術(shù)及產(chǎn)品

1.1 化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)

生物質(zhì)化學(xué)轉(zhuǎn)換包括燃燒、液化、氣化、熱解等方法。其中，最簡單的利用方法是直接燃燒。但是，直接燃燒煙塵大、熱效率低、能源浪費(fèi)大。除農(nóng)村外，一般在城鎮(zhèn)不提倡直接燃燒的方法。生物質(zhì)熱解技術(shù)是生物質(zhì)受高溫加熱后，其分子破裂而產(chǎn)生可燃?xì)怏w（一般為CO、H2、CH4等的混合氣體）、液體（焦油）及固體（木炭）的熱加工過程。采用直接熱解液化方法可將生物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)樯锶加?。?jù)估算，生物燃油的能源利用效率約為直接燃燒物質(zhì)的4倍，若將生物燃油作為汽油添加劑，其經(jīng)濟(jì)效益更加顯著。 生物質(zhì)氣化是指將固體或液體燃料轉(zhuǎn)換為氣體燃料的熱化學(xué)過程。生物質(zhì)與煤相比，揮發(fā)分含量高，灰分含量少，固定碳含量雖少但活性卻比煤的高許多。因此，生物質(zhì)通過氣化之后加以利用，比煤氣化后再利用的效果要好。

1.2 生物質(zhì)物理轉(zhuǎn)換技術(shù)

生物質(zhì)熱解技術(shù)主要指生物質(zhì)壓制成型技術(shù)。將農(nóng)林剩余物進(jìn)行粉碎烘干分級處理，放入成型擠壓機(jī)，在一定的溫度和壓力下形成較高密度的固體燃料——壓塊細(xì)密成型技術(shù)。該方法使用專用技術(shù)和設(shè)備，在農(nóng)村有很大的推廣價值。

1.3 生物化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)

該技術(shù)主要是利用生物質(zhì)厭氧發(fā)酵生成沼氣（一種可燃的混合氣體，其中CH4占55%～70%，CO2占25%～40%）和在微生物作用下生成酒精等能源產(chǎn)品。包括厭氧發(fā)酵制取沼氣、微生物制取酒精、生物制氫、生物柴油等。

2 生物質(zhì)能氣化技術(shù)

生物質(zhì)氣化是指固態(tài)生物質(zhì)原料在高溫下部分氧化的轉(zhuǎn)化過程。所謂氣化是指將固體或液體轉(zhuǎn)化為氣體燃料的熱化學(xué)過程。為了提供反應(yīng)的熱力學(xué)條件，氣化過程需要供給空氣或氧氣，使原料發(fā)生部分燃燒。盡可能將能量保留在反應(yīng)得到的可燃?xì)庵?，氣化后的產(chǎn)物是含H2、CO及低分子CmHn等可燃性氣體。所用氣化劑不同，得到的氣體燃料也不同。目前應(yīng)用最廣的是用空氣作為氣化劑，產(chǎn)生的氣體主要作為燃料，用于鍋爐、民用爐灶、發(fā)電等場合。通過生物質(zhì)氣化可以得到合成氣，可進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)榧状蓟蛱釤挼玫綒錃?。整個過程分為干燥、熱解、氧化和還原。

干燥過程：生物質(zhì)原料進(jìn)入氣化器后，在熱量的作用下，首先被干燥。大約被加熱到200～300℃，原料中水分首先蒸發(fā)，產(chǎn)物為干原料和水蒸氣。

熱解反應(yīng)：當(dāng)溫度升高到300℃以上時開始發(fā)生熱解反應(yīng)。熱解是高分子有機(jī)物在高溫下吸熱所發(fā)生的不可逆裂解反應(yīng)。大分子碳?xì)浠衔锏奶兼湵淮蛩?，析出生物質(zhì)中的揮發(fā)物，只剩下殘余的木炭。熱解反應(yīng)析出揮發(fā)分主要包括水蒸氣、氫氣、一氧化碳、甲烷、焦油及其他碳?xì)浠衔铩?/p>

氧化反應(yīng)：熱解的剩余物木炭與被引入的空氣發(fā)生反應(yīng)，同時釋放大量的熱以支持生物質(zhì)干燥、熱解及后繼的還原反應(yīng)進(jìn)行，氧化反應(yīng)速度較快，溫度可達(dá)1 000～1 200℃，其他揮發(fā)分參與反應(yīng)后進(jìn)一步降解。

還原過程：還原過程沒有氧氣存在，氧化層中的燃燒產(chǎn)物及水蒸氣與還原層中木炭發(fā)生還原反應(yīng)，生成氫氣和一氧化碳等。這些氣體和揮發(fā)分組成了可燃?xì)怏w，完成了固體生物質(zhì)向氣體燃料的轉(zhuǎn)化過程。 還原反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，溫度將會降低到700～900℃。

3 生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)

生物質(zhì)氣化發(fā)電是先將生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w。再利用可燃?xì)馔苿尤細(xì)獍l(fā)電設(shè)備發(fā)電。燃?xì)獍l(fā)電過程包括三方面：一是生物質(zhì)氣化，把固體生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣體燃料；二是氣體凈化，氣化出來的燃?xì)舛紟в幸欢ǖ碾s質(zhì)，包括灰分、固體顆粒、焦油及冷凝物等，需經(jīng)過凈化系統(tǒng)把雜質(zhì)除去，凈化后的氣體即可用于發(fā)電；三是燃?xì)獍l(fā)電，通常采用蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)及內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行發(fā)電。生物質(zhì)氣化發(fā)電的過程如圖2所示。

經(jīng)預(yù)處理（以符合不同氣化爐的要求）的生物質(zhì)原料，由進(jìn)料系統(tǒng)送進(jìn)氣化爐內(nèi)。由于有限提供氧氣，生物質(zhì)在氣化爐內(nèi)不完全燃燒，發(fā)生氣化反應(yīng)，生成可燃?xì)怏w，然后經(jīng)過凈化用于發(fā)電。通常采用蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)及內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行發(fā)電。生物質(zhì)氣化發(fā)電有三種方式。

圖2 生物質(zhì)氣化發(fā)電過程圖

在蒸汽鍋爐內(nèi)燃料燃燒生產(chǎn)蒸汽帶動蒸汽輪機(jī)發(fā)電。這種發(fā)電方式在原理上與燃煤的火力發(fā)電沒什么區(qū)別。對氣化氣要求不很嚴(yán)格，氣化氣在鍋爐內(nèi)直接燃燒，產(chǎn)生蒸汽，再用蒸汽推動汽輪機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。

在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃燒帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。內(nèi)燃機(jī)發(fā)電系統(tǒng)以簡單的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)為主，可單獨(dú)燃用低熱值的燃?xì)?，也可以燃?xì)?、油兩用，前者使用方便，后者工作穩(wěn)定性好，效率較高。該系統(tǒng)屬于小型發(fā)電裝置。

在燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)燃燒帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。它采用燃?xì)廨啓C(jī)，燃?xì)庑柙鰤海駝t發(fā)電效率較低，由于燃?xì)廨啓C(jī)對燃?xì)庖蟾卟⑶倚枰休^高的自動控制水平，所以單獨(dú)采用燃?xì)廨啓C(jī)的生物質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)較少。多采用燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以有效提高發(fā)電效率，是目前重點(diǎn)研究和推廣的。

4 結(jié)語

我國生物質(zhì)能源利用的研究起步較晚，雖然經(jīng)過多年的發(fā)展，產(chǎn)生了一定的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，但和國外相比，仍然存在差距。我國是農(nóng)業(yè)大國，生物質(zhì)資源非常豐富，而且價格相對便宜，生物質(zhì)資源的有效開發(fā)利用，不僅能解決能源短缺，節(jié)約大量的礦物燃料，還能有效減少溫室氣體的排放。綜上所述，生物質(zhì)能源作為可再生的潔凈能源其開發(fā)利用勢在必行，無論從廢棄資源回收或能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，還是從環(huán)境的改善和保護(hù)等方面均具有重大的意義。