節(jié)2004年第10期ENERGY CONSERVATION(總第267期)我國生物質(zhì)資源化利用新技術(shù)及其進展周義德1,王方2,岳峰2(1·中原工學院能源與環(huán)境工程親,河南鄭州45000;2.河南省能源研究所,河南鄭州450008摘要:針對生物質(zhì)傳統(tǒng)利用方式的不足與弊端,提出生物質(zhì)資源化利用新技術(shù)是生物質(zhì)最終處置的根本方式,并就目前研究的生物質(zhì)高溫空氣氣化、生物質(zhì)制氫、生物質(zhì)液化、生物質(zhì)田體成型等多種利用方式進行了綜述關鍵詞:生物質(zhì)資源化利用;生物質(zhì)成型;沼氣氣調(diào);生物質(zhì)制氬;生物柴油中圖分類號:TK6文獻標識碼:A文章編號:1004-7948(200410-0008-041前言料浪費嚴重,全國有近一半的秸稈在田間焚燒,木能源的開發(fā)與生產(chǎn)為人類物質(zhì)文明和精神文明材林產(chǎn)品加工產(chǎn)生的大量木屑、鋸末等被廢棄,食提供了重要的物質(zhì)保障成為滿足人類生活和保障品加工產(chǎn)生的殼、皮等被當作垃圾填埋。我國9億國民經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎工業(yè)。但當人類步入又一多農(nóng)村人口的生活用能75%依賴于生物質(zhì)能源{4),個新的千年的時候,由于能源的過度開發(fā)與消費累然而生物質(zhì)直接燃燒不僅熱效率低,而且大量煙塵計的效應,出現(xiàn)了與能源有關的諸多問題。首先由和余灰的排放,嚴重影響了人們的生活和居住環(huán)境。于能源本身的資源屬性,誘發(fā)了部分能源在使用上另外,直接焚燒秸稈,只能部分利用它的熱能,卻白的危機;其次,能源開發(fā)與利用引起的環(huán)境污染,導白損失了它的營養(yǎng)成分和肥料成分。秸稈平均含氮致的區(qū)域環(huán)境問題與全球環(huán)境問題,成為制約國民0.6%,含磷0.3%,含鉀1%,這一損失很難用化肥經(jīng)濟發(fā)展的重要因素;另外,能源開發(fā)利用引起的補償。目前,化肥的過量使用已導致土壤有機質(zhì)CO2排放,已成為全球關注的環(huán)境問題。面對復雜含量下降,氮、磷、鉀比例失調(diào),理化性能變壞。的經(jīng)濟和環(huán)境問題,我們不得不思考我國未來的能據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織資料,我國每年有1.1億t源發(fā)展戰(zhàn)略。麥秸,居世界第一位。過去都把它當廢物或焚燒或可以想像,我國未來的能源結(jié)構(gòu)將與過去不同粉碎還田,產(chǎn)生大量的CO2等有害氣體,直接破壞多種能源并存的能源體系將成為新世紀能源結(jié)構(gòu)大氣質(zhì)量,造成地區(qū)性氣候異常。地方上主要處理方式是造紙,但污染嚴重。粉碎還田看起來是出路,特征,生物質(zhì)極有可能成為新世紀的主要能源之但實際上由于干燥等原因不易腐爛,肥田效果不好生物質(zhì)能( biomass energy或 bioenergy)是指利用生還增加了農(nóng)作物發(fā)生病蟲害的可能。因此,大力研物質(zhì)經(jīng)過轉(zhuǎn)換所獲得的可用能源,如電與熱。目前,發(fā)推廣生物質(zhì)利用新技術(shù),不僅可合理利用生物質(zhì)生物質(zhì)是最廣泛使用的一種可再生能源,約占世界資源把農(nóng)村地區(qū)豐富的生物質(zhì)資源變廢為寶,還可所有可再生能源的2/3。我國“863”計劃已將開發(fā)有效刺激農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展切實增加農(nóng)民收入,符合國4MW級生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)及關鍵技術(shù)、纖維素民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。廢棄物制取酒精燃料技術(shù)和快速裂解油燃料技術(shù)列3生物質(zhì)資源化利用新技術(shù)為高效利用生物質(zhì)能的主要研究內(nèi)容1l因此,大能源的開發(fā)利用對環(huán)境的影響可分為三種情力開發(fā)生物質(zhì)資源化利用新技術(shù),對于緩解21世紀形:其一,能源的開發(fā)利用對環(huán)境造成直接的影響和能源、環(huán)境生態(tài)問題所帶來的壓力具有重要意義。危害;其二,能源的開發(fā)利用不會對環(huán)境造成直接的2生物質(zhì)傳統(tǒng)利用危害和影響;其三,能源的開發(fā)利用不僅不會對環(huán)境我國是一個農(nóng)業(yè)大國,生物質(zhì)資源十分豐富,僅造成危害,而且還有利于改善已經(jīng)破壞了的環(huán)境和農(nóng)村每年產(chǎn)生的生物質(zhì)燃料可折合2.7×10°t標準生中國煤化工種情形,而生物質(zhì)煤,占農(nóng)村總耗能的40%左右23。許多低熱值燃的CNMHG生物質(zhì)能的開發(fā)利2004年第10期節(jié)能(總第267期)ENERGY CONSERVATION用就要求人們恢復植被,最終形成CO2的收支平型熱水鍋爐熱風爐等,小顆粒產(chǎn)品也作為燃料用于衡,使用這種能源幾乎不會產(chǎn)生SO2污染,并且有小型發(fā)電。目前國內(nèi)許多科研單位在生物質(zhì)固體成利于回收利用有機廢棄物61。型方面也進行了大量的研究,“八五”期間,我國重點3.1生物質(zhì)固體成型對生物質(zhì)固體成型技術(shù)進行了科技攻關,引進國外生物質(zhì)壓縮技術(shù)可將固體農(nóng)林廢棄物壓縮成先進機型,經(jīng)消化、吸收,研制出各種類型的適合我型,制成可替代煤炭的壓塊燃料,克服生物質(zhì)能量密國國情的生物質(zhì)壓縮成型機,用以生產(chǎn)棒狀塊狀或度低的缺點。早在20世紀30年代,美國開始設顆粒狀生物質(zhì)成型燃料。我國的生物質(zhì)螺旋成型機計螺旋式生物質(zhì)壓縮成型設備,同時,現(xiàn)代化的活塞螺桿使用壽命達500h以上,屬國際先進水平。成型機在瑞典、德國得到推廣;20世紀50年代,日2002年,河南農(nóng)業(yè)大學研制成功液壓驅(qū)動式雙向擠本人研制出了螺旋式生物質(zhì)成型機,并逐步推廣到壓秸稈成型機,技術(shù)基本成熟,并已投入工廠化生中國的臺灣、泰國乃至歐洲和美國,20世紀50年代產(chǎn),每小時生產(chǎn)玉米秸稈成型塊2~4t81。目前,無又相繼產(chǎn)生了以油壓為動力的生物質(zhì)壓縮成型論從經(jīng)濟、市場還是從技術(shù)角度分析,中國生物質(zhì)壓設備。生物質(zhì)壓縮成型工藝如圖1所示,其產(chǎn)品縮成型燃料(飼料)生產(chǎn)都已接近世界水平,具有良在國外主要用于各種類型的家庭采暖爐(壁爐)、小好的發(fā)展前景。脫水生物質(zhì)收集加熱或粘結(jié)劑保型包裝貯運圖1生物質(zhì)壓縮成型工藝流程圖另外,利用生物質(zhì)還可熱壓板材。中國林科院萬戶用沼氣池。沼氣與其他燃氣相比,其抗爆性木材所對利用農(nóng)業(yè)剩余物秸稈作原料生產(chǎn)人造板這好,是一種很好的清潔燃料。目前,沼氣氣調(diào)技術(shù)作重大課題進行了研究,并獲得了國家專利。我國為一種新興科研技術(shù)廣泛應用于果蔬保鮮{S。其生物質(zhì)資源豐富,若利用現(xiàn)有農(nóng)業(yè)剩余物5%,就有原理是沼氣本身為有機物經(jīng)厭氧消化產(chǎn)生的混合氣1200萬t可供作人造板生產(chǎn)原料生產(chǎn)約2000萬方體,其主要成分是CH4和CO2。以沼氣作為環(huán)境的人造板,可代替6000萬方木材。目前,世界人造板氣體調(diào)節(jié)劑,用于糧食、果蔬的貯藏,可以降低貯藏產(chǎn)量的15%~20%是利用農(nóng)業(yè)剩余物生產(chǎn)的。秸物的呼吸強度,減弱其新陳代謝推遲后熟期,從而稈熱壓板材具有質(zhì)輕、強度高、剖面密度均勻等特延長其貯藏時間。沼氣作為氣調(diào)劑是高CO2低氧點,并且經(jīng)特殊處理后還可阻燃、防火、防蟲9。目條件,可以抑制貯藏器內(nèi)糧食、果蔬的生理病害、真前,我國年產(chǎn)人造復合板3500萬t,其中用秸稈生產(chǎn)菌病害及蟲害等人造板幾乎為零。該技術(shù)不僅具有廣闊的市場前此外,生物質(zhì)高溫空氣氣化也受到了人們的普景,還可切實提高農(nóng)民收入和創(chuàng)造富余勞動力就業(yè)遍重視。生物質(zhì)高溫空氣氣化技術(shù)是使用1000℃以上的高溫預熱空氣,在低過?？諝庀禂?shù)下發(fā)生不3.2生物質(zhì)氣化完全燃燒化學反應,獲得熱值較高的燃氣。1999沼氣技術(shù)是我國發(fā)展最早的生物質(zhì)氣化技術(shù)。年,吉田邦夫提出了高溫空氣氣化( High Tempera20世紀70年代,我國為解決農(nóng)村能源短缺問題,曾大力開發(fā)和推廣戶用沼氣池技術(shù),全國已建成525架HH中國煤化工G)的初期理論框CNMHG時生物質(zhì)熱利用效能2004年第10期ENERGY CONSERVATION(總第267期)率低的情況,將高溫空氣氣化技術(shù)與IGCC相結(jié)合氫燃氣。國內(nèi)這方面的工作開展得比較緩慢,研究形成MEET-IGC系統(tǒng)。實驗發(fā)現(xiàn),該系統(tǒng)具有成果也十分有限。中科院廣州能源所進行了生物質(zhì)靈活機動、適應性強、燃料適用性廣、空氣過剩系數(shù)流化床制取富氫燃氣的研究,得到了最高氫產(chǎn)率可大大減少、合成燃氣熱值有較大提高系統(tǒng)熱效率71gkg-1生物質(zhì)(21此外,利用光合菌、藻類和發(fā)可達40%以上等優(yōu)點。目前,日、美、西歐等國家和酵細菌制氫技術(shù)也得到了人們的關注,成為生物質(zhì)地區(qū)紛紛投資該系統(tǒng)的研究,并將其推上商業(yè)化發(fā)制氫的另一條有效途徑。雖然生物質(zhì)制氫尚處于試展的道路,使該系統(tǒng)得到不斷的發(fā)展2-14。生物驗研究階段,但該技術(shù)的優(yōu)越性已突出表現(xiàn)出來。質(zhì)高溫空氣氣化由于空氣溫度很高,無需使用純氧隨著氫能應用領域的逐步成熟與擴大,制氫方法的或富氧氣體反應便能迅速進行,并且氣化效率也大研究與開發(fā)必將得到有力推動。大提高,其主要化學反應為3.3生物柴油C生物柴油是從富油植物中提取生物油,經(jīng)甲脂烷烴+O2+N2→O+H2+H2O+OO+N2+△Q1化后可供柴油機使用,稱為生物柴油21。近年來為抑制煙塵的生成通常加入10%~20%的水國外生物柴油研發(fā)和推廣很快美國2001年生物柴蒸氣在高溫氣氛中水蒸氣與碳及烷烴發(fā)生高溫重油消耗量達2538萬L;日本的《廢棄物再生法》也整,其副反應0為有力地推動了該國生物柴油的發(fā)展烷烴x+QCO+H2-△QC生物柴油和礦物柴油性能相比(見表1),具有硫含量低、氧含量高、分解性能好、燃燒效率高等特高溫空氣氣化系統(tǒng)具有燃氣熱值高、對環(huán)境污點,用于柴油車,其尾氣中的煙塵、SO3和NO2等均染小、過?？諝庀禂?shù)低、灰渣易于處理、結(jié)構(gòu)簡單緊大幅下降,十分有利于減輕大氣污染。生物柴油是湊、氣化效率高、經(jīng)濟性好等特點。自1998年以來,對汽車、環(huán)境友好的可再生能源24。我國多年來開已有越來越多的國家開始重視生物質(zhì)高溫空氣氣化展了一些生物柴油研發(fā)工作?！鞍宋濉逼陂g,我國開技術(shù),繼日本、美國之后,瑞典、意大利、丹麥、奧地利始利用纖維素廢棄物制取乙醇燃料技術(shù)的研究和等國已投巨資用于生物質(zhì)高溫空氣氣化技術(shù)的研探索,主要研究纖維素廢棄物的稀酸水解和發(fā)酵技究。在我國,生物質(zhì)高溫空氣氣化的研究剛剛起步。術(shù),并在“九五”期間進入中試階段。中科大、石油化目前,中科院廣州能源所、中南大學能源與動力工程工研究院、西北農(nóng)林科技大、遼寧能源所等分別進行學院、長沙綠色能源技術(shù)研究所和株洲工業(yè)爐制造了實驗研發(fā)和小型工業(yè)試驗,一系列關鍵技術(shù)已被公司等4家單位正在合作開發(fā)該技術(shù)151克服,我國生物柴油產(chǎn)業(yè)已初具規(guī)模。探索生物質(zhì)生物質(zhì)制氫也是一種很有前景的開發(fā)方式,已合成液體燃料技術(shù),以適應代油需要對確保我國能引起世界各國研究者的廣泛關注。許多國家對生物源安全意義重大。我國已對生物柴油和生物裂解油質(zhì)制氫技術(shù)進行研究,以期早日實現(xiàn)該技術(shù)向商業(yè)等代用燃料進行了研究,但該技術(shù)目前尚處于初級化生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變。國外在這方面進行了相當多的研階段(。究(16-20)。 Mckinley K r1等研究了對生物質(zhì)進行表1生物柴油和礦物柴油性能對比表熱化學處理以得富氫燃氣;Stur1在富氧條件下性能指標礦物柴油生物柴油研究了生物質(zhì)的水蒸氣氣化反應,在他們的操作條密度/kgm820~860875~900件下單位生物質(zhì)產(chǎn)氫量達60gkg-1。J.L.cox粘度/m2s等通過控制氣化條件和優(yōu)化反應器設計,由生物質(zhì)引火點/℃氣化得到了較高的氫產(chǎn)出; Hauserman201采用木灰含硫量(質(zhì)量)%為催化劑研究了生物質(zhì)水蒸氣氣化制氫的效果,木灰為生物質(zhì)氣化后的產(chǎn)物,基本組分為44.3%CaO,15%MgO,145%K2O。通過添加30%的木灰,在650℃和024MPa壓力條件下,獲得含氫52%的富EYH中國煤化工3.9CNMHG2004年第10期(總第267期)ENERGY CONSERVATION4生物質(zhì)資源的未來發(fā)展tion[ R]. RAN2001, 3d Intertional Symposium on Ad-可持續(xù)發(fā)展是新世紀發(fā)展的主題。伴隨著經(jīng)濟vanced Energy Conversion System and Related Technolo-Nagoya, Japan, December 15(sat )-17(man),2001的可持續(xù)發(fā)展能源作為經(jīng)濟運行的血液已成為經(jīng)[131 Yoshikawa Kunio.R& d on small-scale gasification of solid濟、科技界及各國政府優(yōu)先考慮的問題。我國在生fuels using high temperature air and stream [R]物質(zhì)資源化利用新技術(shù)方面取得了巨大成績,但與RAN2001, 3 Intertional Symposium on Advanced Energy發(fā)達國家相比尚存在一定差距,在生物質(zhì)高溫空氣Conversion System and Related Technologies, NagoyaJapan, December 15(sat )-17(man),2001氣化、生物質(zhì)液化(包括生產(chǎn)酒精熱解液化生物柴[141 Toru Ishii, Emi Yoshitake KIGA,ec, Gasification of solid油)、生物質(zhì)制氫等工業(yè)技術(shù)方面有待進一步研發(fā)。fuel at the demonstration plant of meet system, MEETII要立足于科技進步,加大基礎理論的研究,不斷將各[R]. RAN2001, 3, Intertional Symposium on Advanced種研究成果實用化、產(chǎn)業(yè)化。我們有理由相信,在可Nagoya, Japan, December 15(sat )-17(man),2001預見的未來我國生物質(zhì)能的綜合開發(fā)與利用必將[15]曹小玲蔣紹堅翁一武生物質(zhì)高溫空氣氣化分析現(xiàn)達到一個新的高度。狀及前景[].節(jié)能技術(shù),2004,22(1):47-49參考文獻[16]Mckinley KR, Browne SH, Neill DR, et al. Hydrogen fuel[1]國家經(jīng)貿(mào)委節(jié)能信息傳播中心.發(fā)展中國家節(jié)能融資促from renewable resources[J ]. Energy Resources, 1990, 12進項目[J.中國能源,2002,(3):44[2]王革華我國生物質(zhì)能利用技術(shù)展望[J農(nóng)業(yè)工程學[17] CoxJL, Tonkovich AY, Elliot DC,etl. Hydrogen from報,1999,15(4):19-22.biomass,a fresh approach[ A]. Energy Evironment. Agri[3]劉圣勇,張杰.生物質(zhì)氣化技術(shù)現(xiàn)狀及應用前景展望Iture, and Indistry Proceedings[C], August 21-24, 1995J]資源節(jié)約與綜合利用,199,(2):24-27Prot land, Orgeon[4]周簋秸稈氣化是一個大有前途的新產(chǎn)品[J]新能源[18]Tums Kinoshita C, Zhang Z, et al. An experimental inves-tigation of hydrogen production from biomass gasification2000,21(4):37-395]周靜茹以沼氣為紐帶綜合開發(fā)利用生物質(zhì)資源[A][J]. Int J Hydrogen Energy, 1998, 8: 641-648[19]Rapagna S, Jand N, Foscolo P U Fcatalytu gasification of見:論文集[C],北京:2000omass to produce hydrogen rich gas[J]. Int J Hydrogen[6]張無敵,宋洪川韋小巋,等.21世紀發(fā)展生物質(zhì)能前景Energy,1998,8:551-557闊[J]中國能源,2001,(5):35-38[20 ] Hofbauer H, Rauch R, FoscoloP, et al. Hydrogen rich gas[7]袁振宏我國生物質(zhì)能源發(fā)展方向和政策[A].見:論文om biomass steam gasification[A].(2000)1s world con-集[C].北京,2000ference on biomass for energy and industry[C].Sevilla[8]吳創(chuàng)之,馬隆龍.生物質(zhì)現(xiàn)代化利用技術(shù)[M].北京:化Spain,Jane,2000:1999-2001學工業(yè)出版社,現(xiàn)代生物技術(shù)與醫(yī)藥技術(shù)出版中心[21]W B Hauserman, Steam reforming of model compounds offast-pyralysis oil[J]. Int J Hydrogen Energy, 1994 (19)[9]范建,林群.麥秸稈:綠色家具好材料[N].科技日報,2000,4-3[22]呂鵬梅,熊祖鴻,王鐵軍生物質(zhì)流化床氣化制取富氫燃[10]K. Yoshikawa Gasification and Power Generation from Sol-氣的研究[J].太陽能學報,2003,24(6):758-764id Fuels Using High Temperature Air. Proceeding of High[23]郭廷杰加速生物質(zhì)的利用和發(fā)展[J]能源技術(shù),2003Temperature Air Combustion Symposium, Beijing, Oct,24(4):152-1551999:48-68[24]冀星,鄱小林我國生物柴油產(chǎn)業(yè)發(fā)展展望[J].中國能[11JC C Pian Biomass Fueled MEET Gasifier. Proceeding of源,2002,(5):16-17.High Temperature Air Combustion Symposium, Beijing,作者簡介:周義德(1957-),男,河南南陽人,高級工程師,主Oct,1999:69-8要從事空調(diào)、通風、環(huán)保、能源工程和節(jié)能技術(shù)等方面的[12 ]Carlson C. P. Pian, LincoIn Yong. High-temperature, air教學和科研工作。blown gasification of dairy-farm wastes for energy produc(收稿日期:2004-06-06中國煤化工CNMHG