1、第四章 生物质能利用工程主要内容主要内容4.1 生物质能概述4.2 秸秆、薪柴与省柴灶4.3 生物质热化学转换4.4 生物质生物转换4.5 生物质化学转换4.6 城市垃圾发电技术世界能源状况世界能源状况发展中国家一次能源使用情况发达国家一次能源使用情况太阳能太阳能绿色植物绿色植物草食动物草食动物肉食动物肉食动物残枝败叶等残枝败叶等遗体及粪便等遗体及粪便等遗体及粪便等遗体及粪便等微生物微生物呼吸作用消耗呼吸作用消耗2222H OC OC H OO 太 阳 能植 物1 1、生物质能概念、生物质能概念光合作用 生物质：生物质：由光合作用而产生的各种有机体，包括所有动物、植物、微生物，以及由这些生命体
2、排泄和代谢的所有有机物质。是地球上存在最广泛的物质。生物质能：生物质能：蕴藏在生物质中的能量。是把太阳能转化为化学能后固定和贮藏在生物体内的能量。它是一种唯一可再生的碳源，可转化成常规的固态、液态和气态燃料。从根本上说，生物质能来源于太阳能，是取之不尽的可再生能源和最有希望的“绿色能源”。可再生 低污染 普遍易取 可储存运输 气化较容易 能量密度低 重量轻、体积大，给运输带来难度 风雨雪火等外界因素为保存带来不利条件优点缺点2 2、生物质能特点、生物质能特点传统 家庭使用的薪柴和木炭 稻草、稻壳 其他的植物性废弃物 动物的粪便3 3、生物质能分类、生物质能分类 现代 木质废弃物（工业性的）甘蔗
3、渣（工业性的）城市废物 生物燃料（沼气和能源型作物）农作物类：包括产生淀粉可发酵生产酒精的薯类、玉米、甜高梁等，产生糖类的甘蔗、甜菜、果实等。林作物类：包括白杨、悬铃木、赤杨等速生林种，芦苇等草木类及森林工业产生的废弃物。水生藻类：包括海洋生的马尾藻、巨藻、石莼、海带等；微藻类的螺旋藻、小球藻等以及蓝藻、绿藻等。可以提炼石油的植物类：包括橡胶树、蓝珊瑚、核树、葡萄牙草等。农作物废弃物(如桔秆、谷壳)、林业废弃物(如枝叶、树皮、锯末等)、畜牧业废弃物(如骨头、皮毛等)及城市垃圾等。光合成微生物：如硫细菌、非硫细菌等。远古时代远古时代：简单的直接燃烧 1919世纪以后世纪以后：矿物燃料大量勘探开采
4、，生物质能退居次要位置 第二次世界大战期间第二次世界大战期间：液体燃料缺乏，揭开生物质能现代利用技术的序幕 二战之后二战之后：石油供应状况好转，研究开发工作暂时搁置 2020世纪世纪7070年代后年代后：各种生物质能利用技术广泛开发，并开始大规模工业应用。4 4、生物质能发展简史、生物质能发展简史5 5、生物质能利用技术、生物质能利用技术燃 料 种 类：木 材 炉、颗 粒 燃 烧 炉、薪 柴 炉、秸 秆 炉燃 烧 方 式：流 化 床 锅 炉、层 燃 炉72%废 木 材、18%城 市 垃 圾、4%煤 气 和 1%沼 气农 用 炉 灶 10%15%省 柴 灶 30%炉 灶 燃 烧 技 术：锅 炉
5、燃 烧 技 术生 物 材 发 电：222OC OH O 直 接 燃 烧有 机 物 质+热 量5.1 5.1 直接燃烧和发电直接燃烧和发电烧木材的锅炉热效率低于热效率低于20%20%lossloss炕：热效率炕：热效率20-30%20-30%5.2 5.2 热化学转换技术热化学转换技术24C OHC H 高 温供 氧 不 足隔 绝 空 气高 压低 温、水 蒸 气 及 其 它 少 量 碳 氢 化 合 物固 体、气 体、液 体 燃 料液 体 产 品气 化 法热 分 解 法液 化 法用 作 燃 料提 炼、净 化，合 成 为 其 它 产 品燃 烧 或 气 化吸 附 剂、代 替 焦 炭液 体、气 体产 品
6、固 体（炭、木 炭）原料：木材、稻壳、农作物秸秆5.3 5.3 生物转换技术生物转换技术糖 类(发 酵、蒸 馏）淀 粉 类（蒸 煮、糖 化、发 酵、蒸 馏）秸 秆、杂 草、水 生 植 物、人 畜 粪 便、各 种 有 机 废 水酒 精沼 气蔗糖渣、淀粉、纤维素畜牧废弃物、农业废弃物、工业有机废水、生活污水、垃圾填埋原料：6 6、生物质技术的研究与推广、生物质技术的研究与推广宜 林 山 地、沙 地、低 效 益 畜 牧 区：技 术 演 示规 模 种 植海 上 藻 类 种 植 试 验 和 技 术 示 范垃 圾 变 废 为 宝四 位 一 体、猪-沼-果生 活 燃 料、干 燥 热 源、发 电沼 气：生 物
7、 质 气 化：薪 炭 林生 物 质 压 缩 成 型 及 其 它 技 术 秸秆与薪柴 省柴灶 压缩成型技术农 村 主 要 燃 料肥 料、饲 料轻 工 业 原 料、建 筑 材 料秸 秆（作 物）1 1、秸秆与薪柴、秸秆与薪柴树 木 枝 杈木 材 加 工 的 边 角 余 料薪 炭 林薪 柴2 2、省柴灶、省柴灶3 3、压缩成型技术、压缩成型技术生物质原料生物质原料湿压成型湿压成型热压成型热压成型原料炭化原料炭化干燥低密度成型块不炭化炭化生物质成型块挤压成型成型炭块 概述 固体燃料的气化 生物质热解 生物质气化发电技术生物质热解气化技术生物质热解气化技术 将固态生物质原料以热解反应转换成方便可燃气体的
8、过程。1 1、概述、概述1.1 82.3.2 05 0 4.2 07 05.1 9 9 21 5 最 早 出 现 于世 纪 晚 期；第 二 次 世 界 大 战 期 间，气 化 技 术 应 用 达 到 高 峰；我 国 在世 纪年 代，由 于 能 源 匮 乏 也 采 用 气 化 方 法为 汽 车 提 供 能 量；世 纪年 代 世 界 能 源 危 机 后，重 新 开 始 重 视；年 世 界 第次 能 源 大 会，确 定 生 物 质 气 化 利 用作 为 优 先 开 发 的 新 能 源 技 术 之 一。发展历程发展历程：气化过程气化过程产物与组成产物与组成用途用途空气气化空气气化低热值气体锅炉燃料内燃
9、机燃料氧气气化氧气气化中热值气体1.区域性工业管道输送燃料2.合成燃料热分解热分解1.中热值气体(12.524%)2.焦油及液态有机物(5862%)3.固体炭(1725%)在需要气、液、固燃料的场合下使用慢速热分解气化慢速热分解气化中热值气体燃料与发电快速热分解气化快速热分解气化高热值气体（8099%）制造汽油与酒精的原料蒸气热分解蒸气热分解中热值气体（70%）合成燃料不同气化过程的产物及用途2 2、固体燃料气化、固体燃料气化2.1 2.1 概述概述 以生物质为原料，以氧气（空气、富氧或纯氧）、水蒸气或氢气等作为气化剂（或称气化介质），在高温条件下通过热化学反应将生物质中可燃的部分转化为可燃气
10、的过程。气化与燃烧的区别？u有机物与氧发生反应u完全燃烧获得热能u不完全燃烧将化学能的载体由固体转换为气体相同点燃烧气化下 吸 式固 定 床上 吸 式平 吸 式2.2 2.2 煤气发生炉煤气发生炉单 流 化 床双 流 化 床流 化 床携 带 流 化 床循 环 流 化 床 煤气发生炉的种类煤气发生炉的种类基本工作过程一致据原料选择炉型原料和气化剂不同，产物不同22240886022246447COC OJCOC OJ氧 化 层2222222222421662971187422275186435552CC OC OJH OCC OHJH OCC OHJH OC OC OHJCHC H还 原 层70
11、09001200450左右100300干 馏 层：燃 料 中 挥 发 份 析 出，混 入 燃 气 中干 燥 层：燃 料 中 水 分 蒸 发，吸 收 热 量。煤气发生炉的工作过程煤气发生炉的工作过程下吸式煤气发生炉上吸式煤气发生炉1234、结 构 简 单；、工 作 稳 定 性 好；、可 随 时 开 盖 添 料；、焦 油 在 高 温 下优 点：被 分 解。1、热 流 方 向 和 气 流 方 向 相 反，引 风 机 消 耗 功 率 大；2、出 炉 可 燃 气 中 含 有 较 多 灰 分；3、出 炉 燃 气 温 度 较 高，须 用 水缺 点：进 行 冷 却。下吸式煤气发生炉下吸式煤气发生炉1、热 流
12、与 气 流 方 向 相 同，引 风 机 消 耗 功 率 低，启 动 容 易；2、可 燃 气 将 热 量 传 递 给 热 分 解 层 和 干 燥 层，用 于 物 料 的 分 解 和干 燥，同 时 降 低 其 自 身 温 度，大 大 提 高 热 效 率；3、热 分 解 层 和 干 燥 层 对 可 燃 气 有 过 滤 作 用，因 而 含 灰 较 少；4、煤 气 中 混 有 干 馏 出 的 挥 发 物，发 热 量优 点：一 般 较 高。1、添 料 不 方 便；2、适 用 于 含 焦 油 较 少 的 燃 料；3、不 适 于 不 易 燃 烧缺 点：的 燃 料。上吸式煤气发生炉上吸式煤气发生炉特 点：反 应
13、 温 度 高，还 原 区 小适 用 于 含 焦 油 很 少 及 含 灰 分不 大 于 5%的 燃 料。如：无 烟 煤、焦 炭、木 炭 等。在 南 美 洲 得 到 广 泛 应 用。2000平吸式煤气发生炉平吸式煤气发生炉流化床式煤气发生炉流化床式煤气发生炉生物质原料来源广泛，价廉易取。气化所用的原料主要是原木生产及木材加工的残余物、薪柴、农业副产物等，包括板皮、木屑、枝杈、秸秆、稻壳、玉米芯等。生物质挥发组分高(7080%)，在较低的温度时大部分挥发份被释出（400），而煤在800时才释出30%的挥发组分；生物质炭反应活性高，在较低的温度下，以较快的速度与CO2及水蒸气进行气化反应；生物质炭灰分
14、少（3%)，且不易粘结，简化了除灰设备。生物质炭含硫量低(0.2%)，不必设气体脱硫装置，降低了成本，有利于环境保护。2.3 2.3 生物质原料与煤原料比较生物质原料与煤原料比较3 3、生物质热解、生物质热解 隔 绝 空 气固 体、气 体、液 体 燃 料生 物 质比较比较气化气化热解热解气化剂气化剂空气、氧气、氢气、水蒸汽不加产物产物可燃性气体液、气、炭三态加热加热靠自身氧化过程中产生热量需要加热工艺类型工艺类型滞留期升温速率最高温度主要产物慢速慢速炭化常规常规数小时数天530min非常低低低400600炭气、油、炭气、油、炭快速快速快速闪速l闪速g极快速真空0.55s1s1s0.5s230s
15、较高高高非常高中6506501000400油油气气油反应性反应性加氢甲烷10s0.510s高高5001050油化学品生物质热分解的主要工艺类型生物质热分解的主要工艺类型4 4、生物质气化发电技术、生物质气化发电技术 1、发生炉 2、冷却过滤装置 3、煤气发动机 4、发电机 5、配电盘 6、离心过滤器 7、灰分收集器 8、底座 9、燃料输送带 10、生物质燃料气化炉冷却过滤装置煤气发动机发电机生物质循环流化床气化发电装置主要由进料机构，燃气发生装置，燃气净化装置，燃气发电机组、控制装置及废水处理设备六部分组成，其流程如图1所示。生物质沼气转换 生物质乙醇转换1 1、沼气转换、沼气转换 微生物在厌
16、氧条件下对有机物质进行分解代谢的产物 甲烷 50%70%二氧化碳 30%40%一氧化碳、氢、硫化氢、氧、氮等CH4：气体燃料，浅蓝色火焰、对水的溶解度极小CO2：用石灰水吸收形成碳酸钙沉淀H2S：有毒、恶臭，直接燃烧可不去除，用于内燃机时为防腐蚀，应进行脱硫处理沼气利用技术沼气利用技术沼气做饭沼气照明沼液浸种将生活垃圾在垃圾贮坑中经过23d的贮存之后送入焚化炉中燃烧，利用垃圾焚烧放出的余热加热给水，产生一定温度和压力的过热蒸汽送往汽轮发电机发出电能。4、生物质原料与煤原料气化特性比较有哪些优点？2 秸秆、薪柴与省柴灶焦油及液态有机物(5862%)还可以养活一个垃圾处理产业。已开始通过基因工程方
17、法研究高油含量的植物。(4)生物柴油含氧量高于石油柴油，燃烧更完全；一氧化碳、氢、硫化氢、氧、氮等光合成微生物：如硫细菌、非硫细菌等。2、美国：2010年生物质能源达到总能源消耗的4，2020年达到5（现在已经达到3）。远古时代：简单的直接燃烧日本：工业废油和废煎炸油。空气、氧气、氢气、水蒸汽4、巴西：生物质能源已达到总能源消耗的1/3，近50汽油被乙醇替代，2020年生物油柴油参和比达到20。空气、氧气、氢气、水蒸汽微生物在厌氧条件下对有机物质进行分解代谢的产物乙醇汽油：汽油+燃料乙醇还可以养活一个垃圾处理产业。将固态生物质原料以热解反应转换成方便可燃气体的过程。沼液施肥沼液施肥沼液养殖沼渣
18、施肥沼渣种果沼渣养殖沼渣栽培沼气发电用含糖类、淀粉较多的农作物（如小麦、玉米、甜高粱、薯类或纤维等）为原料，通过发酵、蒸馏制得乙醇通过发酵、蒸馏制得乙醇。脱水后再添加变性剂得燃料乙醇。经适当加工，燃料乙醇可以制成乙醇汽油、乙醇柴油、乙醇润滑油等。乙醇汽油：乙醇汽油：汽油+燃料乙醇一、可增加汽油中的含氧量，使燃烧更充分，降低尾气中有害物质含量；二、提高汽油的标号，使发动机运行更平稳；三、能消除发动机内积炭，可延长发动机寿命。乙醇汽车乙醇汽车陈化粮 作为燃料乙醇生产原料木薯、红薯、甘蔗、甜高粱等非口粮（小麦、稻谷）农作物 纤维质：桔杆、农林废弃物、工业纤维废渣 原料发展趋势原料发展趋势最新进展 美
19、国马萨诸塞大学的化学工程师George Huber找到一种有效的方法，成功地让柳枝、白杨树等植物的木质纤维素（即固态生物质能）转化为“绿色汽油”。这是首次实现植物纤维素到汽油组分的直接转变。生物质气化合成化学品甲醇 生物质转酯反应生物柴油生物质原料预处理气化炉冷却器转换器调节器CO2转换器压缩器合成器甲醇生物质中热值气化合成甲醇技术工艺流程图1 1、生物质气化合成化学品、生物质气化合成化学品甲醇甲醇甲醇作为发电站燃料，是当前研究开发利用生物能源的重要课题。日本专家采用甲醇气化一水蒸气反应产生氢气的工艺流程，开发了以氢气作为燃料驱动燃气轮机带动发电机组发电的技术。日本建成1座1000kw级甲醇发
20、电实验站并于1990年6月正式发电。优点：低污染，成本低于石油和天然气发电。主要问题：燃烧甲醇时会产生大量的甲醛(比石油燃烧多5倍)，而有人认为甲醛是致癌物质，且有毒刺激眼睛，导致目前对甲醇的开发利用存在分歧，应对其危害性进一步进行研究观察.含油植物、动物油脂以及废食用油与甲醇或乙醇等低碳醇，在酸或者碱性催化剂和高温(230(230250)250)下进行转酯化反应，生成相应的脂肪酸甲酯或乙酯，再经洗涤干燥即得生物柴油。2 2、转酯反应、转酯反应 可替代普通石化柴油 世界上一般使用的生物柴油是B20，含意是用20%的生物柴油加上80%的石油柴油。特性特性：(1)发热量与普通柴油相近 (2)润滑性
21、能优于石油柴油；(3)开口闪点高达160（石油柴油为4555）,更安全 (4)生物柴油含氧量高于石油柴油，燃烧更完全；(5)生产成本更低，生产单位能量的生物柴油所消耗的能量只是石油柴油的25。原料来源原料来源欧洲：生物柴油使用最多，份额已占到成品油市场的5%；原料主要为菜籽油。美国：大豆油；已开始通过基因工程方法研究高油含量的植物。日本：工业废油和废煎炸油。我国：地沟油是目前主要原料，麻风树、黄连木等油料作物有望大面积种植。麻风树麻风树黄连木黄连木垃圾发电方式(三种):垃圾填埋气发电 垃圾焚烧发电 垃圾气化发电第六节第六节 城市垃圾发电技术城市垃圾发电技术1、垃圾填埋气发电2、垃圾焚烧发电 将
22、生活垃圾在垃圾贮坑中经过23d的贮存之后送入焚化炉中燃烧，利用垃圾焚烧放出的余热加热给水，产生一定温度和压力的过热蒸汽送往汽轮发电机发出电能。目前全球有垃圾电站近1000座，预计未来三年内，将超过3000座。截至2006年，我国已经建成有100多个日处理量在200吨以上的焚烧装置。浦东御桥工业区：国内第一座日处理千吨以上的大型现代化生活垃圾发电厂，每天可处理120150万城市居民产生的生活垃圾（约1000吨）。2011年11月8日，济南市第二生活垃圾综合处理厂(焚烧发电厂)验收合格，是全国一次性建设规模最大的垃圾焚烧发电项目。项目投产后，日处理垃圾2000吨，年处理量生活垃圾66.67万吨，年
23、发电量约2.7亿千瓦时。a、全量焚烧系统 专门设计用于不经预处理的混合垃圾焚烧。在发达国家垃圾大多采用无预处理焚烧系统并进行余热利用，利用率达85%以上。焚烧技术主要有三大类：u层状燃烧技术u流化床燃料技术u旋转燃烧技术b、RDF发电(Refuse Derived Fuel)燃料：从一般垃圾中分拣出废塑料、废料渣、木屑等，经过破碎、干燥、压形、固化，制造过程严防二氧化物的发生，制成无害固体燃料，即RDF燃料。RDF制造厂可因地分散建立，就地制成RDF燃料，它为粉笔形状，直径15mm，长度50mm，发热量为1459520016kJ/kg，在制造过程中灭菌，故可运到RDF燃料集中点进行RDF发电。
24、美国芝加哥郊外的伊利诺斯洲的Robbins是首次使用循环流化床锅炉的50000kW的大型RDF发电站，由世界水平的流化床锅炉厂家Foster Wheeler公司制造，在1997年开始运行；日本1995年在群马等四县及宇都兴产等地实施RDF发电，发电规模为1030MW，19961997年在其他各地相继实施。c、快装组合式焚烧系统 焚烧量较小，单台处理能力一般在50t/d左右 主要部件为两个标准化燃烧室，现场组合安装，适合就地焚烧。固体炭(1725%)(4)生物柴油含氧量高于石油柴油，燃烧更完全；第一节 生物质能概述将生活垃圾在垃圾贮坑中经过23d的贮存之后送入焚化炉中燃烧，利用垃圾焚烧放出的余热
25、加热给水，产生一定温度和压力的过热蒸汽送往汽轮发电机发出电能。还可以养活一个垃圾处理产业。畜牧废弃物、农业废弃物、工业有机废水、生活污水、垃圾填埋还可以养活一个垃圾处理产业。目前全球有垃圾电站近1000座，预计未来三年内，将超过3000座。水生藻类：包括海洋生的马尾藻、巨藻、石莼、海带等；远古时代：简单的直接燃烧陈化粮 作为燃料乙醇生产原料生物质挥发组分高(7080%)，在较低的温度时大部分挥发份被释出（400），而煤在800时才释出30%的挥发组分；生物质挥发组分高(7080%)，在较低的温度时大部分挥发份被释出（400），而煤在800时才释出30%的挥发组分；现代为了让这些垃圾的底灰和飞灰
26、有个去处，垃圾焚烧炉边还得建焦油及液态有机物(5862%)只要用心分类，混杂无序的垃圾就都会化身为身价百倍的资源，还可以养活一个垃圾处理产业。中国的垃圾是烧不了的分类不清导致阻燃物太多、湿度太大，热值极低，烧尽率也极低。为了让垃圾烧着，需要加80%以上的助燃物，比如煤或者重油。为了让这些垃圾的底灰和飞灰有个去处，垃圾焚烧炉边还得建一个巨大的垃圾填埋场。中国的垃圾是不该烧的3、垃圾气化发电 直接将垃圾制成可燃气体作为燃料进行发电。熔融气化热解气化反火气化等1 1、欧盟：欧盟：20102010年生物质能源达到总能源消耗的年生物质能源达到总能源消耗的7 7 （现在已经达到（现在已经达到2 2）。2
27、2、美国：美国：20102010年生物质能源达到总能源消耗的年生物质能源达到总能源消耗的4 4，20202020年达到年达到5 5（现在已（现在已经达到经达到3 3）。）。3 3、澳大利亚：澳大利亚：20102010年生物质能源达到总能源消耗的年生物质能源达到总能源消耗的5 5。4 4、巴西：巴西：生物质能源已达到总能源消耗的生物质能源已达到总能源消耗的1/31/3，近，近5050汽油被乙醇替代，汽油被乙醇替代，20202020年生物油柴油参和比达到年生物油柴油参和比达到2020。课堂作业1、生物能资源通常分为哪几大类？2、生物质能转化技术有哪几类？各有什么特点？3、固体燃料的气化与燃烧有什么
28、区别？4、生物质原料与煤原料气化特性比较有哪些优点？5、生物质热解技术的主要产物有哪些？6、沼气的主要成分是什么？7、介绍垃圾发电的三种方式。农作物类：包括产生淀粉可发酵生产酒精的薯类、玉米、甜高梁等，产生糖类的甘蔗、甜菜、果实等。林作物类：包括白杨、悬铃木、赤杨等速生林种，芦苇等草木类及森林工业产生的废弃物。水生藻类：包括海洋生的马尾藻、巨藻、石莼、海带等；微藻类的螺旋藻、小球藻等以及蓝藻、绿藻等。可以提炼石油的植物类：包括橡胶树、蓝珊瑚、核树、葡萄牙草等。农作物废弃物(如桔秆、谷壳)、林业废弃物(如枝叶、树皮、锯末等)、畜牧业废弃物(如骨头、皮毛等)及城市垃圾等。光合成微生物：如硫细菌、非
29、硫细菌等。燃 料 种 类：木 材 炉、颗 粒 燃 烧 炉、薪 柴 炉、秸 秆 炉燃 烧 方 式：流 化 床 锅 炉、层 燃 炉72%废 木 材、18%城 市 垃 圾、4%煤 气 和 1%沼 气农 用 炉 灶 10%15%省 柴 灶 30%炉 灶 燃 烧 技 术：锅 炉 燃 烧 技 术生 物 材 发 电：222OC OH O 直 接 燃 烧有 机 物 质+热 量5.1 5.1 直接燃烧和发电直接燃烧和发电烧木材的锅炉4 4、生物质气化发电技术、生物质气化发电技术 1、发生炉 2、冷却过滤装置 3、煤气发动机 4、发电机 5、配电盘 6、离心过滤器 7、灰分收集器 8、底座 9、燃料输送带 10、
30、生物质燃料气化炉冷却过滤装置煤气发动机发电机沼气利用技术沼气利用技术沼液施肥沼液施肥沼渣施肥沼渣种果原料来源原料来源欧洲：生物柴油使用最多，份额已占到成品油市场的5%；原料主要为菜籽油。美国：大豆油；已开始通过基因工程方法研究高油含量的植物。日本：工业废油和废煎炸油。我国：地沟油是目前主要原料，麻风树、黄连木等油料作物有望大面积种植。只要用心分类，混杂无序的垃圾就都会化身为身价百倍的资源，还可以养活一个垃圾处理产业。中国的垃圾是烧不了的分类不清导致阻燃物太多、湿度太大，热值极低，烧尽率也极低。为了让垃圾烧着，需要加80%以上的助燃物，比如煤或者重油。为了让这些垃圾的底灰和飞灰有个去处，垃圾焚烧炉边还得建一个巨大的垃圾填埋场。中国的垃圾是不该烧的
