第30卷第5期華北電力大學(xué)學(xué)報Vol30. No, 52003年9月Journal of North China Electri Power University2003文章編號:1007-2691(2003)050102403木質(zhì)生物質(zhì)在能源方面的開發(fā)與利用曹金珍,張壁光,趙廣杰(北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院,北京100083)要:針對目前的能源形勢,從木質(zhì)生物質(zhì)能的儲存以及木質(zhì)生物質(zhì)能與化石能源產(chǎn)生污染的比較出發(fā)提出了木質(zhì)生物質(zhì)在未來能源領(lǐng)域的應(yīng)用潛力及應(yīng)用前景介紹了木質(zhì)生物質(zhì)的基本組成和化學(xué)組分,木質(zhì)生物質(zhì)作為能源的利用途徑——直接燃燒、氣化,液化和碳化等,以及在其利用技術(shù)方面的最新研究進展。日在引起對木質(zhì)生物質(zhì)的能源潛力和木質(zhì)生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)的普遍關(guān)注,從而促進該技術(shù)的進一步發(fā)關(guān)鍵詞:木村;生物質(zhì);能源中圖分類號:TK6文獻標(biāo)識碼:ADevelopment and application of wooden biomassCAO Jin-zhen, ZHANG Bi-guang, ZHAO Guang-jie(School of Technology, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)Abstract: In regard to present situation of energy source, this article started from the accumalation of woodenbiomass energy and the comparison of the pollution produced by wooden biomass energy and fossil energy, andfurther put forward the application potential and expectation of wooden biomass in future energy source, Alsetroduced briefly in this article are the essential composition and chemical constitucnts of wooden biomass. theplication methods of wooden biomass as energy.direct combustion, gasification, liquidation, and carbonization,and the novelist research progress that has been made on these application technologies. The purpose of this erticleis to provide a basic introduction of the potential of wood biomass as an energy source, atartof researchers to the exchanging technologies from wooden biomass to energy, and finally further improve theseKey words: wood; biomass;: energy source近年來,圍繞著生物質(zhì)能研究者們開展了廣泛而深入的研究,尤其是在木質(zhì)生物質(zhì)能方面。目前,生物質(zhì)燃料在歐洲已經(jīng)受到非常的重視,例如自從1972年的石油危機以來,人類開始意識瑞典、荷蘭等。但是,在我國,生物質(zhì)能的開發(fā)與到尋找其他可再生能源來代替煤,石油和天然氣等利用還處在起步階段,特別是對木質(zhì)生物質(zhì)能還沒化石能源的必要性和緊迫性,另外,中國煤化工這種情況,本文將從木材的基燒時釋放出大量的CO,CE和NO一介紹木質(zhì)生物質(zhì)能的生產(chǎn)途徑環(huán)境和氣候造成了嚴(yán)重的不良影響,CNMHG一氣化、液化,碳化等方面研種可再生、低污染的能源形式,生物質(zhì)能在未來的究者們的最新研究進展,旨在引起國內(nèi)研究者們對源中占有不可估量的地位,木質(zhì)生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)的普遍關(guān)注,從而促進該技收稿日期:200304-30.作者簡介:曹金珍(1978-),女,北京林業(yè)人學(xué)工學(xué)院研究生第5期曹金珍等:木質(zhì)生物質(zhì)在能源方面的開發(fā)與利用術(shù)的進一步發(fā)展。speciosa)、銀槭屬( Acer saccharinum L)和4年生的楊屬( Populus sp)樹種的化學(xué)元素組成、木質(zhì)生物質(zhì)能的優(yōu)點學(xué)組分、燃燒熱等性質(zhì)。結(jié)果如表2所示表2幾類速生闊葉樹的基本元素組成化學(xué)組分和燃燥熱木質(zhì)生物質(zhì)能是生物質(zhì)能中最重要的一部分,因為森林的陽光利用率遠(yuǎn)高于農(nóng)作物。有估算表明,地球上的森林每年由光合作用吸收的碳素量為基本元素組C47034812477656億t而由呼吸作用釋放出的碳素量為328億t,成干重%)所以其每年的實際吸收量達到328億t。由此可HoN見,森林是一個固定太陽能的巨大機構(gòu)。而且與農(nóng)0.56作物相比,樹木還具有可在一年中任何季節(jié)砍伐的0.75特點,這使得木質(zhì)生物質(zhì)能具有十分廣閣的應(yīng)用前(%半纖維素16017.71景及巨大的應(yīng)用潛力。木素1694森林是一個巨大的“空氣凈化器”。據(jù)測算,燃燒熱/(cal-g4657人類活動每年釋放出的CO2為70億有3034億注:1cl-41868.t排放到大氣中,20億t被海洋吸收,而余下的由表2可見,不同的速生樹種由于其元素組成16-20億t目前經(jīng)科學(xué)家指出,是由北半球高緯度和化學(xué)組分的不同,燃燒時產(chǎn)生的熱量也有一定的陸地生態(tài)系統(tǒng)(主要是森林生態(tài)系統(tǒng))吸收并存差別。因此,將木質(zhì)生物質(zhì)作為能源進行使用時儲。另外,木材在燃燒時產(chǎn)生的CO2是產(chǎn)生相同熱應(yīng)該綜合分析樹種、樹齡等多方面的因素。值的燃料油的6.5%左右(如表1中所示),這足以表明木材燃料的低污染性3木質(zhì)生物質(zhì)的利用途徑表1木材與燃料油燃燒產(chǎn)生的CO污染比較(1000kg木材相當(dāng)于229kg燃料油木質(zhì)生物質(zhì)的主要用途在于能源以及生產(chǎn)化學(xué)燃料種藥劑方面。石原田對木材生物質(zhì)進行的各類反應(yīng)燃料量1000kg及其產(chǎn)物作了詳細(xì)的歸納,如圖1所熱量值11.9 MJ/kg42.7M/kg0.34 M/kg10.9 M /kg排放全碳量656kg化合域氣體CO排放量合物(烴習(xí)2木質(zhì)生物質(zhì)的基本組成及化學(xué)組分化液化本材學(xué)藥劑十其愾產(chǎn)木村的3大組成成分是纖維素、半纖維素和木素,它們占木材重量的%9%,在熱幫木材中略低,約占90%,纖維素是木村細(xì)胞壁的骨架成/(憶一分,是由BD葡萄糖組成的線性高分子聚合物。半纖維素是細(xì)胞壁中與纖維素緊密聯(lián)結(jié)的字品及其他產(chǎn)畫結(jié)作用,主要由己糖、甘露糖、半乳糖中國煤化工拉伯糖等5種中性單糖組成。木素則是CNMHG纖維素纖單元組成的芳香族化合物,起著填充作用,強化細(xì)園/數(shù)是及再圓胞壁。組成這3類主要成分的基本元素為C,HO等。影響木材的基本組成和化學(xué)組分的因素很多,如木材樹種、生長地域、生長部位、樹齡等。嗎方數(shù)據(jù)了7年生的梓屬( Catalpa圖1熱及化學(xué)作用下木質(zhì)生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化華北電力大學(xué)學(xué)報2003年圖中粗線框內(nèi)所示為可作為能源的產(chǎn)物以及相解油的發(fā)熱量提高約600calg對應(yīng)的反應(yīng)。由圖可見,木質(zhì)生物質(zhì)作為能源的利木質(zhì)生物質(zhì)的碳化一般是將原料粉碎,在一定用途徑除了直接燃燒外,還包括氣化、液化和碳化壓力作用下(加熱或不加熱)制成成型生物質(zhì)塊,然這3種質(zhì)能轉(zhuǎn)化方式,下面將簡要介紹木質(zhì)生物質(zhì)后再利用生物質(zhì)碳化爐將生物質(zhì)塊進一步碳化,直接燃燒以及氣化.液化、碳化這幾種木質(zhì)生物質(zhì)為了節(jié)省能源最近山根等探討了木材不經(jīng)過粉能轉(zhuǎn)化技術(shù)方面的最新研究碎,直接進行碳化的可能性。研究結(jié)果表明,不經(jīng)過3.1木質(zhì)生物質(zhì)燃燒粉碎的木材能夠?qū)崿F(xiàn)在短時間內(nèi)碳化。如果木材的木材作為燃燒用材的決定性因素是總?cè)紵裏?、尺寸?則需要較長的干燥時間。他們認(rèn)為今后的油提物含量、綜纖維素含量、木素含量、a-纖維素含研究方向就是縮短碳化時間。量和灰分含量,因此有必要對這些木材的性質(zhì)進行除了木材及樹皮外,樹木的其他部分也可以作為測定, Blankenhorn等間比較了木材、樹皮、木材樹能源使用,例如可以從樹葉中提取高熱量的焦油s皮的總?cè)紵裏峒捌浠瘜W(xué)成分含量。結(jié)果表明:木材等的綜纖維素和m纖維素含量比樹皮高:樹皮的總?cè)荚谀举|(zhì)生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)方面,研究者們開展燒熱、木素含量、抽提物含量、灰分含量比木材高:木了十分廣泛的研究工作,以上只是對這方面的最新材樹皮混合燃料的燃燒熱和化學(xué)成分位于木材和研究作了一個簡要的介紹,更詳細(xì)的介紹將在今后樹皮兩者之間。阿部等測定了同屬速生材的3種進行。針葉材、36種闊葉材的樹皮率及燃燒熱,樹皮率的參考文平均值為115%,針葉材、針葉材樹皮闊葉材闊葉材樹皮的燃燒熱分別為494.,5070,4710,48101王松永木質(zhì)材料對二氧化碳固存的環(huán)境效應(yīng)以林業(yè)calg. Geyer"測定了7種速生闊葉材的總?cè)紵裏?p2 I Geyer W A, Walawender W P. Biomass and gasification所有樹種的木材樹皮的平均燃燒熱為4476calgoperties of young catalpa trees [) Wood and Fiber Sci,其中最低值為4312cavg,最高值為459calg,兩199931(1)295-100.者相差282calg。3] Geyer W A, Walawender W P. Biomass and sastification以上研究得出了相似的結(jié)論:樹皮的燃燒熱高properties of young Silver maple trees []. Wood and Fiberci,199729(1k85-90于木材本身:速生闊葉材的燃燒熱低于速生針葉 Geyer WA. Jon De Wyke, Walawender WP. Biomass and材;不同樹種的燃燒熱有一定的差異gasification properties of young populus clones []. Wood3.2木質(zhì)生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)and Fiber Sci,200032(3)375-384將木質(zhì)生物質(zhì)進行氣化、液化、碳化可以得到 5 Ishihara S. Recent trend of advanced carbon materials from合不同要求的燃料。通過氣化,可以將不同來源wood charcoals [J]. Mokuzai Gakkaishi, 1996, 42(8717-723的原材料制成高效、清潔、方便的氣體燃料:通過[6] Blankenhorn PR Bowersox T W, Kuklewski K M, et al.液化制成的液體燃料具有燃燒量易控制等優(yōu)點;碳 Comparison of selected fuel and chemical content values for化后得到的生物碳燃料是一種低污染、易儲存和運d clones [J]. Wood and Fiber Sci.,輸?shù)母咂肺幻裼萌剂?85,17(2148-158木質(zhì)生物質(zhì)氣化的方式一般為水蒸氣氣化和熱71 Abe F, Kigure M, Endo M. Manufacture of charcoal from分解氣化,鈴木等研究開發(fā)了使木材在高溫下of charcoal produced II. The bark ratio and calorific value直接與H1作用產(chǎn)生高熱量氣體的氫氣氣化1. Mokuzai Gakkaishi, 1983, 29(12)研究討論了氫化氣化的預(yù)處理方式中國煤化工等因素對CH生成量的影響CNMHGeld, and woody biomass characteristic在木質(zhì)生物質(zhì)的液化方面,城hardwoods [ Wood Sci., 1981, 13了用百草枯(一種除草劑)等試劑處理松樹( Pinus4)209215densiflora s.etZ)后處理材的熱解油含量及其發(fā)[9] Suzki T, Katabuchi H, Yamada T, et al. Hydrogasificationof wood for heating-value gas production 1. Effect of熱量。研究表明,經(jīng)過化學(xué)處理后木材具有作為能carbonization pretreatment on the CH, production []. Mo-源使用的潛力。例如用百草枯處理后,可以使熱解kuai gakkaishi,198430(8):684692.油的發(fā)數(shù)據(jù)e,用氫酸鈉處理后,熱(下轉(zhuǎn)第108頁)華北電力大學(xué)學(xué)報2003年疊式熱泵循環(huán)的工質(zhì)可以從低溫級工質(zhì)R290,質(zhì);而對于低溫級循環(huán),可選擇R290,R134a和R34a和R152a與高溫級工質(zhì)R600,R600a和Rl52a作為工質(zhì)。在所計算的溫度范圍和所選工質(zhì)R42b進行匹配,其中以R142b/R290的組合性能中,以R142b/R290的組合性能最優(yōu)。如果考慮環(huán)最優(yōu)。境的可接受性,則以R60R290或R600aR290的值得注意的是,本文的上述分析與比較是在固組合性能較佳定工況下進行計算的,而其中復(fù)疊循環(huán)的中間溫度(3)在本文的計算條件和工質(zhì)范圍內(nèi),由于低是可調(diào)的。不同的中間溫度可能會對不同工質(zhì)匹配溫級工質(zhì)的循環(huán)性能系數(shù)大致相同,復(fù)疊式熱泵的的循環(huán)性能有所影響。更深入的工質(zhì)選擇和比較還整體性能系數(shù)主要取決于高溫級工質(zhì)的循環(huán)性能,有待進一步研究。高溫級工質(zhì)的循環(huán)性能高,則復(fù)疊式熱泵的整體性3結(jié)論參考文獻(1)本文提出了一種新型的復(fù)疊式熱泵冷凍干(] Liapis AI,PMAM, Bruttii. Research and development燥系統(tǒng),將升華水蒸氣的冷凝熱量進行溫度提升并Drying tech用于干燥過程的加熱中。該系統(tǒng)具有減少常規(guī)冷凍 nolog,114(6:1265-1300干燥系統(tǒng)中冷卻水的熱能消耗、提高干燥室中加熱2潘水康王喜忠,現(xiàn)代干燥技木國M].北京:化學(xué)工業(yè)出擱板的溫度分布均勻性和減少冷凍干燥設(shè)備的復(fù)雜性等突出特點。3]吳業(yè)正,制冷原理及設(shè)備(第二版)DM西安:西安交通大學(xué)出版社,1997(2)針對上述復(fù)疊式熱泵干燥系統(tǒng),本文以常(4沈志光,制冷工質(zhì)熱物理性質(zhì)表和圖M北京:機被規(guī)工質(zhì)對熱泵性能進行了計算,結(jié)果表明:對于高工業(yè)出版社,1983溫級循環(huán),可選擇R600,R600a和R142b作為工(責(zé)任編輯:王立新)(上接第104頁)3)205-211[10] Magara K, Jyodai S, Goto T. Conversion of wood into [14] Yamane T, Okuda H, Ishihara S. Thenviorofsolidnergy Ill. Pyrolysis oil of paraquat-treated wood and itsood in a carbonizing process ll. Simulations of thermalorific value[. Mokuzai Gakkaishi, 1987, 33(4): 316-324behavior using temperature calculation [J]. Mokuzai Ga-[l] Jyodai S. Comversion of wood into energy IV. ProductionfPinus densiflora extract by chemical treatment and calo- [15] Yatagai M, Takahashi T. An approach to biomass utilizationrifie value oftreated wood [J]. 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