生物能與利用技術

1、 2009-4-20 王王 華華生物質能生生 物物 質質 能能高溫裂解技術高溫裂解技術生物質氣化技術生物質氣化技術沼氣沼氣生物質壓縮成型技術生物質壓縮成型技術 2009-4-20 王王 華華生物質能概述生物質能的定義：直接或間接通過綠色植物的光合作用，把太陽能轉化為化學能后固定和儲藏在生物體內的能量。生物質的分類：木質（木材，農業(yè)種植物） 非木質（加工過程廢棄物，農作物） 動物糞便 2009-4-20 王王 華華生物質能概述用于能量轉化的生物質：木材殘余物：農業(yè)廢棄物：秸稈，稻殼，動物糞便等能源莊稼:比如甘蔗、木薯、甜高粱等城市垃圾(MSW) 2009-4-20 王王 華華農作物秸稈的應用農作

2、物秸稈的應用以棉為例直接燃燒生物質發(fā)電國能生物發(fā)電有限公司高唐項目國能生物發(fā)電有限公司高唐項目n 投資建設一臺投資建設一臺25MW25MW級的生物質直燃發(fā)電項目，按年運行級的生物質直燃發(fā)電項目，按年運行60006000小時計算，年消耗農林廢棄物約小時計算，年消耗農林廢棄物約2020萬噸，年發(fā)電量約萬噸，年發(fā)電量約1.61.6億千瓦時；億千瓦時；n 在秸稈收購方面，每年可為當地農民秸稈銷售帶來直接在秸稈收購方面，每年可為當地農民秸稈銷售帶來直接現(xiàn)金收入現(xiàn)金收入40004000萬元左右；萬元左右； 生物質能概述 2009-4-20 王王 華華生物質能概述 圍繞燃料收、儲、運等產業(yè)鏈條，能夠直接吸納

3、當地農村勞動力1000多人。 與同類型火電機組相比，每年可減排二氧化碳約10萬噸。 燃燒后產生的草木灰，每年可達8000噸左右，作為高品質的鉀肥，可以還田使用，環(huán)保效益和社會效益突出。 供發(fā)電使用的棉桿和樹皮被堆成了小山 2009-4-20 王王 華華生物質能概述生物質能的特點 二氧化碳幾乎零排放 硫、氮和灰分含量少 揮發(fā)分含量高，氧含量多，有利于燃燒 水分含量高，影響著火和燃燒的穩(wěn)定性 單位質量生物質熱量低 分布分散，能量密度低，收集、運輸和預處理繁瑣 具有可再生性，原料廣泛 2009-4-20 王王 華華生物質能概述生物質能形成：地球上的生物：異養(yǎng)和自養(yǎng)光合作用：6CO2 + 12H20

4、C6H12O6 + 6O2 光合作用的發(fā)現(xiàn)：1771年，英國科學家普利斯特利 光合作用對生物進化的作用：原始大氣、有氧生物的出現(xiàn)， 2009-4-20 王王 華華生物質能概述利用光合作用吸收發(fā)電廠排放出的廢氣可以利用光合作用吸收發(fā)電廠排放出的廢氣可以減少火力發(fā)電廠的廢氣排放量減少火力發(fā)電廠的廢氣排放量 想法：在發(fā)電廠的廢氣排放管道上種植單細胞藻類是再循環(huán)的根本途徑。 l 俄亥俄大學煤炭研究中心：生物反應器l 馬薩諸塞州劍橋市 ：反應器由一系列透明管子組成 l 麻省理工學院的校園電廠:該反應器能夠回收一個電廠75%的二氧化碳排放量 2009-4-20 王王 華華生物質能概述Science：MIT

5、成功模擬光合作用 白天，用通常方法獲得的太陽能一部分可用于日常所需要，一部分用來將水分解成氫氣和氧氣并將氫氣儲存起來。晚上，氫和氧轉化成燃料用來發(fā)電。 做法：將銦和錫放在鈷離子和磷酸鉀水溶液中，然后通入太陽能電池電流。諾塞拉正專注地做實驗 2009-4-20 王王 華華生物質能直接燃燒技術 農業(yè)廢棄物燃燒 木炭 城市固體廢棄物的燃燒 燃用生物質鍋爐 2009-4-20 王王 華華生物質能直接燃燒技術1木炭 方法：將木料在300-500窯爐中悶燒（還原條件下）得到。成分基本上就是碳。能量密度是原始木材的2倍。 缺點： 要獲得1t的木炭要消耗4-10t的木材 如果沒有對揮發(fā)分收集，3/4的能量都損

6、失掉了 制取木炭會排放大量污染物，增加溫室效應 2009-4-20 王王 華華生物質能直接燃燒技術2城市固體廢棄物的燃燒 垃圾燃燒供暖、發(fā)電 歐洲國家垃圾發(fā)電的裝機容量占世界總量的一半 2009-4-20 王王 華華二惡英危害:二惡英一旦進入人體，就會長久駐留，因為其本身具有化學穩(wěn)定性并易于被脂肪組織吸收，并從此長期積蓄在體內。 來源:常以微小的顆粒存在于大氣、土壤和水中，主要的污染源是化工冶金工業(yè)、垃圾焚燒、造紙以及生產殺蟲劑等產業(yè)。污染載體:這些化合物聚積最嚴重的地方是在土壤、沉淀物和食品，特別是乳制品、肉類、魚類和貝殼類食品中。其在植物、水和空氣中的含量非常低。. 2009-4-20 王

7、王 華華形成條件:含氯化學品的制造 有氯存在條件下，200400時易產生二惡英 含氯化合物的燃燒 在焚燒狀態(tài)：200400條件下易產生二惡英，8001200時也有少量二惡英產生。自然形成條件 森林大火；污泥自然蒸發(fā)過程；堆肥化處理；樹葉的自然腐化等過程也會自然形成二惡英。 2009-4-20 王王 華華生物質能直接燃燒技術城市固體廢棄物燃燒發(fā)電的現(xiàn)狀 迫于公眾的壓力，得不到發(fā)展 環(huán)保組織鼓勵循環(huán)利用減少污染 總之，優(yōu)于垃圾填埋的方式蘇州市生活垃圾焚燒發(fā)電垃圾焚燒發(fā)電 日本東京垃圾焚燒發(fā)電垃圾焚燒發(fā)電 2009-4-20 王王 華華厭氧消化制取氣體燃料 沼氣技術沼氣：主要成分：甲烷50-70%,

8、 CO230-40%，少量H2，N2，CO，H2S和NH3廣泛分布于大自然中：沼澤、積水糞坑、池塘、江河底部 氣泡 2009-4-20 王王 華華厭氧消化制取氣體燃料 沼氣發(fā)酵微生物學原理：發(fā)酵細菌產氫產乙酸菌耗氫產乙酸菌水解酸化階段產甲烷階段嗜氫產甲烷菌嗜乙酸產甲烷菌 2009-4-20 王王 華華 動物糞便動物糞便 富氮性原料其CN251。糞便類原料顆粒較細，合有較多低分子化和物，原料分解產氣速度快，不必進行預處理。原料中的原料中的C/NC/N比比 C-甲烷的主要成分 N-微生物細胞 若原料C/N大于30：1，就難以啟動，產氣效果也不好。 消化器中原料：C/N20-3020-30：1 1為

9、宜。 2009-4-20 王王 華華影響產氣速度的條件影響產氣速度的條件A）原料：人畜糞便、稻草、麥草、玉米秸稈、青雜草比較：秸稈原料木質素含量高，C/N比高，分解速度慢，糞便類原料C/N比低，分解快。B）溫度8-65度都可以產氣，溫度越高，速度越快， 2009-4-20 王王 華華接種物接種物常溫發(fā)酵下水道污泥中溫發(fā)酵常溫接種物培養(yǎng)馴化如：酒糟和豬糞高溫發(fā)酵中溫接種物培養(yǎng)馴化如：酒糟和豬糞 2009-4-20 王王 華華酸堿度酸堿度：最適宜pH范圍6.8-7.58發(fā)酵受到抑制，甚至停止產氣。壓力壓力：雙重影響，可以影響成分和總產氣量 CO2可溶于水，而甲烷不能，所以壓力增加 ， CO2含量減

10、少，相當于甲烷含量增加了。攪拌攪拌：適當攪拌可以增加產氣量15%-35%添加劑和抑制劑添加劑和抑制劑：纖維素酶，尿素，碳酸鈣； 農藥，金屬離子等 2009-4-20 王王 華華厭氧消化制取氣體燃料沼氣池的結構：家用沼氣池： 2009-4-20 王王 華華厭氧消化制取氣體燃料幾種新型發(fā)酵消化器1 厭氧過濾器(AF)2 纖維填料生物膜消化器3 上流式厭氧污泥床消化器4 UBF型消化器 2009-4-20 王王 華華厭氧消化制取氣體燃料1 厭氧過濾器(AF)惰性填充料：卵石，爐渣，瓷環(huán)，塑料等生物膜：用于：處理高濃度有機污水，也用于處理城市下水道污水。缺點：由于填料存在，污水中懸浮物太多，容易堵塞短

11、路。 2009-4-20 王王 華華厭氧消化制取氣體燃料 纖維填料生物膜消化器 AF的一種，維綸制成纖維填充料 2009-4-20 王王 華華厭氧消化制取氣體燃料 2009-4-20 王王 華華厭氧消化制取氣體燃料 四位一體北方生態(tài)農業(yè)模式（能源生態(tài)模式） 組成組成： 沼氣池 溫室（塑料蔬菜大棚） 豬舍 廁所 原理原理 2009-4-20 王王 華華厭氧消化制取氣體燃料西北農業(yè)五配套西北農業(yè)五配套北方四位一體北方四位一體 2009-4-20 王王 華華厭氧消化制取氣體燃料沼氣工程的作用沼氣工程的作用 生產清潔能源生產清潔能源高效、可再生能源高效、可再生能源 治理環(huán)境污染治理環(huán)境污染處理糞便、垃

12、圾、有機廢水、廢處理糞便、垃圾、有機廢水、廢渣渣 提高企業(yè)經濟效益提高企業(yè)經濟效益綜合利用、改善生產條件綜合利用、改善生產條件 形成新的產業(yè)形成新的產業(yè)設計、施工、副產品生產銷售、設計、施工、副產品生產銷售、配套設備加工配套設備加工 2009-4-20 王王 華華厭氧消化制取氣體燃料 我國沼氣發(fā)展集約化禽畜場沼氣工程萬頭育肥豬場，日產糞水603，設計池容500m3，產氣率為0.39m3/m3d，總投資為175萬元年產沼氣年產沼氣10萬立方米，固體有機肥540噸收益收益=沼氣+有機肥+避免排污罰款+畜禽發(fā)病率減少避免的損失COD、BOD去除率分別70 %、75%以上 2009-4-20 王王 華

13、華厭氧消化制取氣體燃料 技術成熟，具備了規(guī)?；l(fā)展條件技術成熟，具備了規(guī)模化發(fā)展條件 20012001年工業(yè)沼氣年工業(yè)沼氣600600多座，池容多座，池容150150萬萬m m3 3，年，年 處理處理廢水廢水1.51.5億億m3m3，年產沼氣，年產沼氣10.010.0億億m3m3 2000 2000年農業(yè)沼氣年農業(yè)沼氣853853座，池容座，池容2222萬萬m m3 3，年處理糞便，年處理糞便15001500萬萬t t，年產沼氣，年產沼氣0.50.5億億m m3 3 2009-4-20 王王 華華厭氧消化制取氣體燃料主要發(fā)展障礙：主要發(fā)展障礙：初始投資大，自我融資能力不夠初始投資大，自我融資能

14、力不夠萬頭豬場沼氣工程初始投入萬頭豬場沼氣工程初始投入150-200150-200萬元萬元工業(yè)工業(yè)25002500池容沼氣工程池容沼氣工程400-500400-500萬元萬元治理成本和沼氣產品成本高治理成本和沼氣產品成本高工業(yè)廢水工業(yè)廢水 2.502.50元元/m/m3 3廢水，發(fā)電廢水，發(fā)電 0.350.35元元/kWh/kWh養(yǎng)殖場養(yǎng)殖場 7.57.5元元/m/m3 3糞水，發(fā)電糞水，發(fā)電0.70.7元元/kWh/kWh市場風險大市場風險大禽畜產品和食品產品不確定因素大，風險大禽畜產品和食品產品不確定因素大，風險大難以吸引各方投資者難以吸引各方投資者 2009-4-20 王王 華華厭氧消化

15、制取氣體燃料 國外沼氣發(fā)展 印度是繼中國之后戶用沼氣數量最多的國家。 牛電項目 美國藍衫農莊 2009-4-20 王王 華華厭氧消化制取氣體燃料 德國蒙斯特利用生活垃圾制取沼氣的裝置 1999年德國有850家沼氣電站，2000年就有2000多家。 2009-4-20 王王 華華生物質熱化學轉化 三種： 熱干餾（炭、燃氣） 熱裂解氣化（可燃氣） 不足供氧情況下，“燜”出煤氣(CO) 熱裂解液化 中溫閃速熱裂解，“生物油” 2009-4-20 王王 華華生物質熱化學轉化 生物質熱裂解氣化原理原理：在一定熱力學條件下，在只提供有限氧的情況下，生物質不完全燃燒，生成一氧化碳、氫氣和低分子烴氣體等可燃氣

16、的過程。工藝過程工藝過程：進料氣化反應器凈化系統(tǒng)后處理系統(tǒng) 2009-4-20 王王 華華生物質熱化學轉化1上吸式氣化爐工作過程：工作過程：物料自爐頂加料口投入爐內，氣化劑由爐體底部進氣口進入爐內參與氣化反應，反應產生的氣化氣自下而上流動，由可燃氣出口排出。優(yōu)點優(yōu)點：可燃氣在經過熱分解層和干餾層時，將其攜帶的熱量傳遞給物料，用于物料的熱分解和干燥，同時降低其自身溫度，使氣化爐熱效率大大提高;熱分解層和干餾層對可燃氣有一定的過濾作用。所以出爐的可燃氣中只含有少量灰份。 缺點缺點：添料不方便; 可燃氣中含揮發(fā)性物質 (如焦油蒸氣)較多。 2009-4-20 王王 華華生物質熱化學轉化2、下吸式氣化

17、爐 工作過程工作過程：生物質原料由爐頂的加料口投入爐體，作為氣化劑的空氣也由進料口進入爐內，爐內的物料自上而下分為干燥層、熱分解層、氧化層、還原層。 優(yōu)點優(yōu)點：結構比較簡單，工作穩(wěn)定性好，可隨時開蓋添料;氣體中的焦油在通過下部高溫區(qū)時，一部分被分解成小分子永久性氣體(再降溫時不凝結成液體)，以出爐的可燃氣中焦油含量較少。 缺點缺點:由于爐內的氣體流向是自上而的，而熱流的方向是自下而上的，致使引風機從爐柵下抽出可燃氣要耗費較的功率;出爐的可燃氣中含有較多灰份;出爐的可燃氣溫度較高，須用水對其進行冷卻。 2009-4-20 王王 華華生物質熱化學轉化工作過程工作過程：空氣或空氣與水蒸氣的混合氣從位

18、于爐身一定高度處的噴嘴送入爐內，爐生產的燃氣經爐柵處被吸到爐外，燃氣呈水平流動，故稱平吸式。優(yōu)點優(yōu)點：燃料層溫度較高，可達到2000。爐子結構緊湊，啟動時間短，負荷適應力強。缺點缺點：由于物料在爐內停留時間短，燃氣質量不理想;由于爐體心溫度高，容易造成結塊;另外由于爐子的還原層容積很小，使CO2還原成O的機會減少，從而使燃氣質量降低。 2009-4-20 王王 華華生物質熱化學轉化反應機理反應機理- -以上吸式為例：以上吸式為例： 生物質氣化是指固體物質在高溫條件下，與氣化劑(空氣、氧氣和水蒸汽)應得到小分子可燃氣體的過程。通常所說的氣化，還包括生物質的熱解。圖7為其氣化原理圖。原料在上吸式氣

19、化爐內大體上分為四個區(qū)域(層)：氧化層，還原層，熱分層和干燥層。爐內溫度自氧化層向上遞減。原料從爐頂落入爐內，大型氣化原料是連續(xù)加入;而小小型氣化爐原料是間歇性投入的。空氣由下方供給，出的燃氣經上方管道輸走 2009-4-20 王王 華華生物質熱化學轉化循環(huán)流化床循環(huán)流化床適合大型的應用比如生物質氣化發(fā)電 2009-4-20 王王 華華太陽能生物質氣化技術傳統(tǒng)方法存在的問題：1）耗能大，外部加熱的方式耗化石燃料；內部加熱的方法，消耗近40%的生物質原料。 2009-4-20 王王 華華2）需要高溫高加熱速率，耗能強度大3）采用空氣作為氣化劑，產出燃氣中含有大量氮氣，稀釋了可燃氣，使熱值降低。太

20、陽能聚光生物質氣化太陽能聚光生物質氣化 2009-4-20 王王 華華家用小型氣化爐 原理：實際上是半氣化爐 2009-4-20 王王 華華 2009-4-20 王王 華華生物質氣化技術1.氣化技術原理：氣化技術原理：CO,COCO,CO2 2,H,H2 2,CH,CH4 4, ,焦油焦油少量烴類。少量烴類。燃燒準備區(qū)燃燒準備區(qū)氣化區(qū)氣化區(qū) 2009-4-20 王王 華華2.氣化過程能量平衡：氣化過程能量平衡：氣化劑氣化劑工況條件工況條件產物產物耗用最低的熱量耗用最低的熱量,將原料物質的化學能最大限度地轉化為氣體燃料將原料物質的化學能最大限度地轉化為氣體燃料的化學能的化學能. 2009-4-2

21、0 王王 華華植物質壓縮成型1壓縮成型的意義壓縮成型的意義單位容積的熱值和密度增加，一般的農林廢棄物壓縮后，密度單位容積的熱值和密度增加，一般的農林廢棄物壓縮后，密度可達可達1.2-1.4t/m1.2-1.4t/m3 3，熱值達到，熱值達到16744kJ/kg16744kJ/kg，體積縮小，體積縮小6-86-8倍。熱倍。熱性能優(yōu)于木材，相當于中值煙煤。性能優(yōu)于木材，相當于中值煙煤。 2009-4-20 王王 華華2主要工藝方法主要工藝方法加粘結劑成型加粘結劑成型加熱壓縮加熱壓縮黃泥，蘑菇渣，廢蜜渣，硅酸鈉黃泥，蘑菇渣，廢蜜渣，硅酸鈉成本增加，熱值降低成本增加，熱值降低纖維軟化粘結成型，纖維軟化

22、粘結成型，110110度左右度左右對干濕度要求高，摩擦生熱，產物熱值高對干濕度要求高，摩擦生熱，產物熱值高預處理發(fā)酵預處理發(fā)酵纖維軟化纖維軟化 2009-4-20 王王 華華1 1）部分有機質軟化為粘結劑）部分有機質軟化為粘結劑2 2）外表面形成光滑碳化層，不至于粘結在模具內）外表面形成光滑碳化層，不至于粘結在模具內1 1）破壞原有物相結構，組成新物相）破壞原有物相結構，組成新物相2 2）提高成型強度和剛度）提高成型強度和剛度3 3）提供成型動力）提供成型動力提供加熱的目的提供加熱的目的提供壓力的目的提供壓力的目的 2009-4-20 王王 華華3 壓縮成型設備壓縮成型設備電機，壓縮系統(tǒng)、加熱

23、系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，進料系統(tǒng)電機，壓縮系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，進料系統(tǒng)螺桿式擠壓螺桿式擠壓 2009-4-20 王王 華華活塞式（液壓或機械力驅動）活塞式（液壓或機械力驅動）滾筒式滾筒式 2009-4-20 王王 華華 2009-4-20 王王 華華壓縮成型材料的應用壓縮成型材料的應用顆粒飼料顆粒飼料煤的替代燃料煤的替代燃料 2009-4-20 王王 華華英國在建生物質發(fā)電廠英國在建生物質發(fā)電廠高高8585米，以棕櫚殼為原料。供十萬多戶家庭熱量和能源使用。米，以棕櫚殼為原料。供十萬多戶家庭熱量和能源使用。 2009-4-20 王王 華華生物質塑料 生物質塑料，就是利用玉米粉、土豆粉、木薯粉，甚至

24、橘皮等生物淀粉類農業(yè)產品與聚乙烯、聚丙烯、偶連劑、添加劑等化工基產品混合，通過電子、化工、生物工程和機械加工等多學科交叉工藝生產的生物質塑料合成樹脂。其生物質含量可達到30%70%，具有化工塑料樹脂的全部功能，可制造成薄膜類、發(fā)泡填充類和硬片等上百種生物質塑料環(huán)保制品，這些生物質塑料制品還可以通過環(huán)境微生物的作用降解。 2009-4-20 王王 華華生物質塑料 ”生物自毀塑料“ 美國密茨根大學生物學家提出了“種植”可分解塑料的設想，他們用土豆和玉米為原料，植入塑料的遺傳基因，使它們能在人工控制下生長出不含有害成分的生物塑料。 荷蘭科學家發(fā)明一種塑料，植入體內大約兩年便自行分解，變成二氧化碳和水

25、。還有一種線狀生物自毀塑料，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的醫(yī)用外科手術線縫合傷口。這種塑料手術線，可被身體逐漸吸收，免除拆線之苦惱。此外，用生物自毀塑料制成的藥用膠囊，在體內會慢慢溶解，并且可控制藥物進入血管的速度。 2009-4-20 王王 華華 2008年三星手機E200 ECO是完全基于環(huán)保技術的要素而設計的，利用生物塑料作為材料制造，該生物塑料35%的原材料由非石油加工的天然材質構成，因而減少了工廠在制作過程中燃料的消耗和碳排放量。此次采用的這種材料取自玉米等谷物，具有水溶性，同時又不含有如鉛、汞和鎘等重金屬元素，更容易在自然環(huán)境中分解，不會造成污染。 生物質塑料 2009-4-20 王王 華華生物質

26、熱裂解液化技術生物質快速熱裂解液化：原理原理：生物質快速熱解液化是在傳統(tǒng)裂解基礎上發(fā)展起來的一種技術，相對與傳統(tǒng)裂解，它采用超高加熱速率（102104K/s），超短產物停留時間（0.23s）及適中的裂解溫度，使生物質中的有機高聚物分子在隔絕空氣的條件下迅速斷裂為短鏈分子，使焦炭和產物氣降到最低限度，從而最大限度獲得液體產品。生物油生物油：這種液體產品被稱為生物質油(bio-oil)，為棕黑色黏性液體，熱值達2022 MJ/kg，可直接作為燃料使用，也可經精制成為化石燃料的替代物。 2009-4-20 王王 華華生物質熱裂解液化技術 生物油的特性： 高密度（約1200Kg/m3）； 酸性（pH值

27、為2.83.8）； 高水分含量（15%30%）； 較低的發(fā)熱量（1418.5MJ/Kg）。 2009-4-20 王王 華華專題:污水廠污泥處理問題一、污水處理廠污泥來源污泥與泥巴不同污水處理廠污泥作用：“污泥”在氧氣作用下吃掉水中的污物自身不斷生長、繁殖、死亡。微生物的集合微生物的集合土土 壤壤 2009-4-20 王王 華華二、污泥問題成為困擾污水處理廠的主要問題1、污泥為什么難處理？1）產生量大我國污水處理廠每年排放污泥干重140萬噸，而且每年以10%以上的速度增長。2）為什么不能直接入田？原始污泥 大分子（“抱團”，易于沉淀去水，果凍狀）絮凝劑直接回田，與植物爭奪氧氣，導致植物枯死植物好似“嬰兒”，污泥好似“饅頭”經過長期的摸索，科學今日已經知道肥效最高的肥料就是人肥。中國人，說來令人慚愧，比我們知道得早。沒有一個中國農民這是埃格勃說的進城不用竹子扁擔挑兩桶滿滿的我們稱之為污物的東西回去。多虧人肥，中國的土地仍和亞伯拉罕時代那樣富于活力。中國小麥的收成