生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術的應用

　　

　　生物質(zhì)發(fā)電

　　

　　生物質(zhì)氣化發(fā)電

　　

　　生物質(zhì)氣化技術是利用生物質(zhì)作為高品位能源的一種新技術，近年來歐洲很多研究人員對生物質(zhì)氣化發(fā)電技術進行了大量的研究，并取得了相當?shù)某晒?。生物質(zhì)氣化發(fā)電技術的基本原理是把生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可燃氣，再利用可燃氣推動燃氣發(fā)電設備進行發(fā)電。它既能解決生物質(zhì)難于燃用，而且分布分散的缺點，又可以充分發(fā)揮燃氣發(fā)電設備緊湊而且污染少的優(yōu)點。所以，氣化發(fā)電是生物質(zhì)能最有效、最潔凈的利用方法之一。

　　

　　氣化發(fā)電過程主要包括3個方面：一是生物質(zhì)氣化，在氣化爐中把固體生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣體燃料；二是氣體凈化，氣化出來的燃氣都含有一定的雜質(zhì)，包括灰分、焦炭和焦油等，需經(jīng)過凈化系統(tǒng)把雜質(zhì)除去，以保證燃氣發(fā)電設備的正常運行；三是燃氣發(fā)電，利用燃氣輪機或燃氣內(nèi)燃機進行發(fā)電，有的工藝為了提高發(fā)電效率，發(fā)電過程可以增加余熱鍋爐和蒸汽輪機。

 

生物質(zhì)氣化發(fā)電技術在發(fā)達國家已受到廣泛重視，如奧地利、丹麥、芬蘭、法國、挪威、瑞典和美國等國家生物質(zhì)能在總能源消耗中所占的比例增加相當迅速。奧地利成功地推行了建立燃燒木材剩余物的區(qū)域供電站的計劃，生物質(zhì)能在總能耗中的比例由原來的3%增到目前的25%，已擁有裝機容量為1～2MW的區(qū)域供熱站90座。瑞典和丹麥正在實施利用生物質(zhì)進行熱電聯(lián)產(chǎn)的計劃，使生物質(zhì)能在轉(zhuǎn)換為高品位電能的同時滿足供熱的需求，以大大提高其轉(zhuǎn)換效率。一些發(fā)展中國家，隨著經(jīng)濟發(fā)展也逐步重視生物質(zhì)的開發(fā)利用，增加生物質(zhì)能的生產(chǎn)，擴大其應用范圍，提高其利用效率。菲律賓、馬來西亞以及非洲的一些國家，都先后開展了生物質(zhì)能的氣化、成型固化、熱解等技術的研究開發(fā)，并形成了工業(yè)化生產(chǎn)。

　　

　　美國在利用生物質(zhì)氣化發(fā)電方面處于世界領先地位。美國建立的Battelle生物質(zhì)氣化發(fā)電示范工程代表生物質(zhì)能利用的世界先進水平，可生產(chǎn)中熱值氣體。這種大型生物質(zhì)氣化循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)包括原料預處理、循環(huán)流化床氣化、催化裂解凈化、燃氣輪機發(fā)電、蒸汽輪機發(fā)電等設備，適合于大規(guī)模處理農(nóng)林廢物。國內(nèi)很多單位也進行了此方面的研究，如中國科學院廣州能源研究所，成功地把流化床技術應用到生物質(zhì)氣化發(fā)電方面，使用木屑或稻殼的1MW流化床發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)投入商業(yè)運行，取得了良好的經(jīng)濟和社會效益。

　　

　　沼氣發(fā)電

　　

　　世界各發(fā)達國家都對利用沼氣發(fā)電十分重視。為了減少20%溫室氣體排放，德國充分利用垃圾填埋場的沼氣發(fā)電。日本還通過食品廢棄物再生法的實施，促進了食品廢棄物發(fā)酵堆肥技術的推廣，并研究從沼氣中提取氫氣供燃料電池熱電聯(lián)供作燃料。朝日、麒麟等幾個大啤酒廠都配套建成了200kW的燃料電池發(fā)電機組；東芝公司與中國廣東省番禺縣豬場聯(lián)合建設的200kW燃料電池項目已于2001年投產(chǎn)。

　　

　　日本政府已規(guī)定電力公司必須給用生物質(zhì)能發(fā)的電優(yōu)惠上網(wǎng)，并在研究其他鼓勵政策。沼氣發(fā)電從1990年的5000GW·h增長到2000年的12048GW·h.雖然在20世紀90年代早期，幾乎所有的沼氣發(fā)電都是由美國提供的，然而，現(xiàn)在最大的沼氣發(fā)電國家已經(jīng)轉(zhuǎn)移到了OECD(經(jīng)濟合作與發(fā)展組織)國家，它們占沼氣發(fā)電總量的54.5%。英國在2000年的沼氣發(fā)電量為2556GW·h，在OECD國家中位居第二。

　　

　　雖然美國以4984GW·h的發(fā)電量保持著第一的位置，它的增長速度卻僅為年均6.4%，明顯低于許多歐盟國家的增長速度。德國的年均增長速度為23.4%(2000年達到1683GW·h)，意大利增長速度為60.3%(566GW·h)，法國為14.4%(346GW·h)?？梢灶A見到在不久的將來，利用沼氣發(fā)電的較快增長將會出現(xiàn)在歐盟成員國家。

　　

　　生物質(zhì)制取燃料

　　

　　生物質(zhì)制取液體燃料

　　

　　生物質(zhì)是惟一可以直接轉(zhuǎn)化為液體燃料的可再生能源。由于生物質(zhì)的多樣性和轉(zhuǎn)化技術的多樣性，生物液體燃料種類也各種各樣。目前技術較成熟、開發(fā)利用達到一定規(guī)模的生物液體燃料主要是燃料乙醇和生物油。燃料乙醇的應用由來已久，早在1908年，美國福特公司就研制出既能燒汽油，又能燒純乙醇的汽車。但隨著廉價石油的大量開采和應用，這些車輛逐漸消失了。20世紀70年代石油危機后，很多國家重新加強了乙醇燃料的開發(fā)和利用。巴西是世界上最早實施乙醇燃料計劃的國家。

　　

　　巴西乙醇燃料的生產(chǎn)以甘蔗、砂糖為原料。目前巴西年產(chǎn)乙醇燃料近800萬t，約占汽油總耗量的1/3，使用乙醇燃料的車輛達370多萬輛，成為世界上最大的乙醇燃料消費國。美國是世界上另一個大量生產(chǎn)使用乙醇燃料的國家。與巴西不同的是，美國主要用玉米為原料生產(chǎn)乙醇，所耗玉米占全國玉米總產(chǎn)量的7%～8%。1990年美國乙醇燃料銷售量為265萬t，到2000年達到559萬t，年均增產(chǎn)率達8%。

　　

　　除此之外，歐共體和日本等國家也有開發(fā)利用乙醇燃料的計劃。1993年歐共體建議提高燃料級乙醇生產(chǎn)量，要求汽油摻混乙醇燃料不低于5%，并將生物乙醇燃料的稅率降低到相當干礦物燃料稅率的水平。日本從l983年開始實施燃料乙醇開發(fā)計劃，重點開發(fā)以農(nóng)村廢棄物為原料直接生產(chǎn)乙醇的技術。20世紀90年代，用可再生資源替代石油資源，并用生物技術取代化工制備生物燃料已成為世界各大化學公司發(fā)展戰(zhàn)略的熱點。中國政府一直重視乙醇燃料的研究與開發(fā)，特別是利用非糧食原料生產(chǎn)乙醇燃料的戰(zhàn)略

　　

　　儲備性研究與開發(fā)，一直被科技部列為國家重點科技攻關課題和“863”計劃。20世紀80年代以來，“甜高粱”的育種技術和乙醇燃料的生產(chǎn)技術得到一定發(fā)展，到2001年其試產(chǎn)規(guī)模達到5000t·a-1。近幾年，隨著石油進口壓力的增加，以糧食(主要是玉米)為原料的乙醇燃料生產(chǎn)也提到了日程上。經(jīng)國務院批準，投資29億元在吉林省新建60萬t燃料乙醇項目，河南年產(chǎn)20萬t、黑龍江年產(chǎn)10萬t2個變性燃料乙醇項目也相繼投產(chǎn)。

　　

　　生物柴油是一種潔凈的生物燃料。借助酶法即脂酶進行酯交換反應，可將廢食用油轉(zhuǎn)變?yōu)樯锊裼?，混在反應物中的游離脂肪酸和水對酶的催化效應無影響。反應液靜置后，脂肪酸甲脂即可與甘油分離，從而可獲得較為純凈的柴油。為提高柴油生產(chǎn)效率，采用酶固定化技術，并在反應過程中分段添加甲醇，更有利于提高柴油的生產(chǎn)效率。生物柴油于1988年誕生，由德國聶爾公司發(fā)明。生物柴油主要是把植物和動物油脂與甲醇或乙醇等低碳醇用酸性或堿性催化劑在230～250℃下進行脂化反應，生成以脂肪酸甲脂或乙脂為主要成分的生物柴油。生物柴油有良好的環(huán)保性(含硫量低)，較好的發(fā)動機低溫啟動性(無添加劑時冷凝點達-20℃)，較好的安全性(閃點高)，良好的燃料性能(十六烷值高，燃燒性能優(yōu)于普通柴油)，最重要的是它是一種可再生能源?；谝陨蟽?yōu)點。生物柴油具有廣闊的發(fā)展前景。

　　

　　生物柴油使用最多的是歐洲，份額已占到成品油市場的5%。德國現(xiàn)有8家生物柴油生產(chǎn)廠，生產(chǎn)能力為25萬t·a-1，擁有300多個生物柴油加油站，并制定了生物柴油標準DINV51606，對生物柴油免稅。法國有7家生物柴油生產(chǎn)廠?？偵a(chǎn)能力為40萬t·a-1。意大利有9個生物柴油生產(chǎn)廠，總生產(chǎn)能力為33萬t·a-1。奧地利有3個生物柴油生產(chǎn)廠，總生產(chǎn)能力為5.5萬t·a-1。比利時有2個生物柴油生產(chǎn)廠，總生產(chǎn)能力為24萬t·a-1。歐盟確定了較高的生產(chǎn)目標，2010年達830萬t。美國從20世紀90年代初就開始將生物柴油投入商業(yè)性應用，生物柴油已成為其產(chǎn)量增長最快的替代燃油。另外，日本、巴西、泰國、韓國等國家也積極推廣和使用生物柴油。目前中國生物柴油研究開發(fā)尚處于起步階段。先后由上海內(nèi)燃機研究所、中國農(nóng)業(yè)工程研究設計院、遼寧省能源研究所、中國科技大學、云南師范大學等單位都對生物柴油作了不同程度的研究。并取得了可喜的成績。生物柴油在今后幾十年中會迅速發(fā)展起來，形成生物柴油產(chǎn)業(yè)。

　　

　　生物質(zhì)快速裂解生產(chǎn)生物油被認為是最經(jīng)濟的生物質(zhì)生產(chǎn)液體燃料的路線?？焖倭呀饧夹g自20世紀80年代提出以來，得到了迅速的發(fā)展?，F(xiàn)已發(fā)展了多種工藝，加拿大Watedoo大學流化床反應器、荷蘭Twente大學旋轉(zhuǎn)錐反應器、瑞士自由降落反應器等均達到最大限度地增加液體產(chǎn)品收率的目的。生物質(zhì)快速裂解液體產(chǎn)率可高達70%～80%?？焖倭呀鈼l件比較難控制，條件控制不好。

　　

　　對產(chǎn)率影響較大。生物油是一種液體含氧混合物，主要包括羧酸、酚和醛酮等含氧化合物。由于生物質(zhì)油的獨特性質(zhì)，導致其不穩(wěn)定。尤其是它的熱不穩(wěn)定性，限制了其直接應用的范圍。同時也正因為此，生物質(zhì)油的精制比較困難。不同于原油餾分及煤液化組分的精制。所以，為了提高其使用性能，生物質(zhì)油精制方法的研究開發(fā)仍然是一個亟待解決課題之一。王樹榮等進行了快速熱裂解制取生物油的試驗，生物油產(chǎn)率高達60%。美國喬治亞技術研究所生物油的產(chǎn)率已達到70.6%，生產(chǎn)規(guī)模達到日產(chǎn)200t。加拿大CastleCapital公司生產(chǎn)的成套生物油設備已投放市場。近年來，國際上提出了生物油精制的可能處理方法包括催化裂化和催化加氫。

 

生物質(zhì)氣化發(fā)電技術在發(fā)達國家已受到廣泛重視，如奧地利、丹麥、芬蘭、法國、挪威、瑞典和美國等國家生物質(zhì)能在總能源消耗中所占的比例增加相當迅速。奧地利成功地推行了建立燃燒木材剩余物的區(qū)域供電站的計劃，生物質(zhì)能在總能耗中的比例由原來的3%增到目前的25%，已擁有裝機容量為1～2MW的區(qū)域供熱站90座。瑞典和丹麥正在實施利用生物質(zhì)進行熱電聯(lián)產(chǎn)的計劃，使生物質(zhì)能在轉(zhuǎn)換為高品位電能的同時滿足供熱的需求，以大大提高其轉(zhuǎn)換效率。一些發(fā)展中國家，隨著經(jīng)濟發(fā)展也逐步重視生物質(zhì)的開發(fā)利用，增加生物質(zhì)能的生產(chǎn)，擴大其應用范圍，提高其利用效率。菲律賓、馬來西亞以及非洲的一些國家，都先后開展了生物質(zhì)能的氣化、成型固化、熱解等技術的研究開發(fā)，并形成了工業(yè)化生產(chǎn)。

　　

　　美國在利用生物質(zhì)氣化發(fā)電方面處于世界領先地位。美國建立的Battelle生物質(zhì)氣化發(fā)電示范工程代表生物質(zhì)能利用的世界先進水平，可生產(chǎn)中熱值氣體。這種大型生物質(zhì)氣化循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)包括原料預處理、循環(huán)流化床氣化、催化裂解凈化、燃氣輪機發(fā)電、蒸汽輪機發(fā)電等設備，適合于大規(guī)模處理農(nóng)林廢物。國內(nèi)很多單位也進行了此方面的研究，如中國科學院廣州能源研究所，成功地把流化床技術應用到生物質(zhì)氣化發(fā)電方面，使用木屑或稻殼的1MW流化床發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)投入商業(yè)運行，取得了良好的經(jīng)濟和社會效益。

　　

　　沼氣發(fā)電

　　

　　世界各發(fā)達國家都對利用沼氣發(fā)電十分重視。為了減少20%溫室氣體排放，德國充分利用垃圾填埋場的沼氣發(fā)電。日本還通過食品廢棄物再生法的實施，促進了食品廢棄物發(fā)酵堆肥技術的推廣，并研究從沼氣中提取氫氣供燃料電池熱電聯(lián)供作燃料。朝日、麒麟等幾個大啤酒廠都配套建成了200kW的燃料電池發(fā)電機組；東芝公司與中國廣東省番禺縣豬場聯(lián)合建設的200kW燃料電池項目已于2001年投產(chǎn)。

　　

　　日本政府已規(guī)定電力公司必須給用生物質(zhì)能發(fā)的電優(yōu)惠上網(wǎng)，并在研究其他鼓勵政策。沼氣發(fā)電從1990年的5000GW·h增長到2000年的12048GW·h.雖然在20世紀90年代早期，幾乎所有的沼氣發(fā)電都是由美國提供的，然而，現(xiàn)在最大的沼氣發(fā)電國家已經(jīng)轉(zhuǎn)移到了OECD(經(jīng)濟合作與發(fā)展組織)國家，它們占沼氣發(fā)電總量的54.5%。英國在2000年的沼氣發(fā)電量為2556GW·h，在OECD國家中位居第二。

　　

　　雖然美國以4984GW·h的發(fā)電量保持著第一的位置，它的增長速度卻僅為年均6.4%，明顯低于許多歐盟國家的增長速度。德國的年均增長速度為23.4%(2000年達到1683GW·h)，意大利增長速度為60.3%(566GW·h)，法國為14.4%(346GW·h)?？梢灶A見到在不久的將來，利用沼氣發(fā)電的較快增長將會出現(xiàn)在歐盟成員國家。

　　

　　生物質(zhì)制取燃料

　　

　　生物質(zhì)制取液體燃料

　　

　　生物質(zhì)是惟一可以直接轉(zhuǎn)化為液體燃料的可再生能源。由于生物質(zhì)的多樣性和轉(zhuǎn)化技術的多樣性，生物液體燃料種類也各種各樣。目前技術較成熟、開發(fā)利用達到一定規(guī)模的生物液體燃料主要是燃料乙醇和生物油。燃料乙醇的應用由來已久，早在1908年，美國福特公司就研制出既能燒汽油，又能燒純乙醇的汽車。但隨著廉價石油的大量開采和應用，這些車輛逐漸消失了。20世紀70年代石油危機后，很多國家重新加強了乙醇燃料的開發(fā)和利用。巴西是世界上最早實施乙醇燃料計劃的國家。

　　

　　巴西乙醇燃料的生產(chǎn)以甘蔗、砂糖為原料。目前巴西年產(chǎn)乙醇燃料近800萬t，約占汽油總耗量的1/3，使用乙醇燃料的車輛達370多萬輛，成為世界上最大的乙醇燃料消費國。美國是世界上另一個大量生產(chǎn)使用乙醇燃料的國家。與巴西不同的是，美國主要用玉米為原料生產(chǎn)乙醇，所耗玉米占全國玉米總產(chǎn)量的7%～8%。1990年美國乙醇燃料銷售量為265萬t，到2000年達到559萬t，年均增產(chǎn)率達8%。

　　

　　除此之外，歐共體和日本等國家也有開發(fā)利用乙醇燃料的計劃。1993年歐共體建議提高燃料級乙醇生產(chǎn)量，要求汽油摻混乙醇燃料不低于5%，并將生物乙醇燃料的稅率降低到相當干礦物燃料稅率的水平。日本從l983年開始實施燃料乙醇開發(fā)計劃，重點開發(fā)以農(nóng)村廢棄物為原料直接生產(chǎn)乙醇的技術。20世紀90年代，用可再生資源替代石油資源，并用生物技術取代化工制備生物燃料已成為世界各大化學公司發(fā)展戰(zhàn)略的熱點。中國政府一直重視乙醇燃料的研究與開發(fā)，特別是利用非糧食原料生產(chǎn)乙醇燃料的戰(zhàn)略

　　

　　儲備性研究與開發(fā)，一直被科技部列為國家重點科技攻關課題和“863”計劃。20世紀80年代以來，“甜高粱”的育種技術和乙醇燃料的生產(chǎn)技術得到一定發(fā)展，到2001年其試產(chǎn)規(guī)模達到5000t·a-1。近幾年，隨著石油進口壓力的增加，以糧食(主要是玉米)為原料的乙醇燃料生產(chǎn)也提到了日程上。經(jīng)國務院批準，投資29億元在吉林省新建60萬t燃料乙醇項目，河南年產(chǎn)20萬t、黑龍江年產(chǎn)10萬t2個變性燃料乙醇項目也相繼投產(chǎn)。

　　

　　生物柴油是一種潔凈的生物燃料。借助酶法即脂酶進行酯交換反應，可將廢食用油轉(zhuǎn)變?yōu)樯锊裼?，混在反應物中的游離脂肪酸和水對酶的催化效應無影響。反應液靜置后，脂肪酸甲脂即可與甘油分離，從而可獲得較為純凈的柴油。為提高柴油生產(chǎn)效率，采用酶固定化技術，并在反應過程中分段添加甲醇，更有利于提高柴油的生產(chǎn)效率。生物柴油于1988年誕生，由德國聶爾公司發(fā)明。生物柴油主要是把植物和動物油脂與甲醇或乙醇等低碳醇用酸性或堿性催化劑在230～250℃下進行脂化反應，生成以脂肪酸甲脂或乙脂為主要成分的生物柴油。生物柴油有良好的環(huán)保性(含硫量低)，較好的發(fā)動機低溫啟動性(無添加劑時冷凝點達-20℃)，較好的安全性(閃點高)，良好的燃料性能(十六烷值高，燃燒性能優(yōu)于普通柴油)，最重要的是它是一種可再生能源。基于以上優(yōu)點。生物柴油具有廣闊的發(fā)展前景。

　　

　　生物柴油使用最多的是歐洲，份額已占到成品油市場的5%。德國現(xiàn)有8家生物柴油生產(chǎn)廠，生產(chǎn)能力為25萬t·a-1，擁有300多個生物柴油加油站，并制定了生物柴油標準DINV51606，對生物柴油免稅。法國有7家生物柴油生產(chǎn)廠?？偵a(chǎn)能力為40萬t·a-1。意大利有9個生物柴油生產(chǎn)廠，總生產(chǎn)能力為33萬t·a-1。奧地利有3個生物柴油生產(chǎn)廠，總生產(chǎn)能力為5.5萬t·a-1。比利時有2個生物柴油生產(chǎn)廠，總生產(chǎn)能力為24萬t·a-1。歐盟確定了較高的生產(chǎn)目標，2010年達830萬t。美國從20世紀90年代初就開始將生物柴油投入商業(yè)性應用，生物柴油已成為其產(chǎn)量增長最快的替代燃油。另外，日本、巴西、泰國、韓國等國家也積極推廣和使用生物柴油。目前中國生物柴油研究開發(fā)尚處于起步階段。先后由上海內(nèi)燃機研究所、中國農(nóng)業(yè)工程研究設計院、遼寧省能源研究所、中國科技大學、云南師范大學等單位都對生物柴油作了不同程度的研究。并取得了可喜的成績。生物柴油在今后幾十年中會迅速發(fā)展起來，形成生物柴油產(chǎn)業(yè)。

　　

　　生物質(zhì)快速裂解生產(chǎn)生物油被認為是最經(jīng)濟的生物質(zhì)生產(chǎn)液體燃料的路線?？焖倭呀饧夹g自20世紀80年代提出以來，得到了迅速的發(fā)展。現(xiàn)已發(fā)展了多種工藝，加拿大Watedoo大學流化床反應器、荷蘭Twente大學旋轉(zhuǎn)錐反應器、瑞士自由降落反應器等均達到最大限度地增加液體產(chǎn)品收率的目的。生物質(zhì)快速裂解液體產(chǎn)率可高達70%～80%?？焖倭呀鈼l件比較難控制，條件控制不好。

　　

　　對產(chǎn)率影響較大。生物油是一種液體含氧混合物，主要包括羧酸、酚和醛酮等含氧化合物。由于生物質(zhì)油的獨特性質(zhì)，導致其不穩(wěn)定。尤其是它的熱不穩(wěn)定性，限制了其直接應用的范圍。同時也正因為此，生物質(zhì)油的精制比較困難。不同于原油餾分及煤液化組分的精制。所以，為了提高其使用性能，生物質(zhì)油精制方法的研究開發(fā)仍然是一個亟待解決課題之一。王樹榮等進行了快速熱裂解制取生物油的試驗，生物油產(chǎn)率高達60%。美國喬治亞技術研究所生物油的產(chǎn)率已達到70.6%，生產(chǎn)規(guī)模達到日產(chǎn)200t。加拿CastleCapital公司生產(chǎn)的成套生物油設備已投放市場。近年來，國際上提出了生物油精制的可能處理方法包括催化裂化和催化加氫。

 

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