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生物質鍋爐及生物質燃料的介紹
發布者: 發布時間:2015/1/11 閱讀:535

生物質鍋爐是以生物質為原料,采用氣化、固化等方式將生物質轉化為燃料的一種鍋爐。
生物質鍋爐的原料非常廣泛,只要是經過光合作用的木質閑置材料均可,比如稻殼、葵花子殼、高粱稈、玉米稈、豆稈等等,高溫、高壓、經過特殊成型機構壓制成柱狀顆粒燃料后,放進專門制造的鍋爐內,便可產生充足的熱量,其產生的爐渣仍可以作為鉀肥補給農作物。

一、生物質能簡介
1.植物
水+二氧化碳----->有機體+氧
2.太陽能
生物能是太陽能以化學能形式貯存在生物中的一種能量形式,一種以生物質為載體的能量,它直接或間接地來源于植物的光合作用,在各種可再生能源中,生物質是獨特的,它是貯存的太陽能,更是一種唯一可再生的碳源,可轉化成常規的固態、液態和氣態燃料。生物質所含能量的多少與下列諸因素有密切的關系:品種、生長周期、繁殖與種值方法、收獲方法、抗病抗災性能、日照的時間與強度、[wiki]環境[/wiki]的溫度與濕度、雨量、土壤條件等,在太陽能直接轉換的各種過程中,光合作用是效率最低的,光合作用的轉化率約為0.5%-5%,據估計溫帶地區植物光合作用的轉化率按全年平均計算約為太陽全部輻射能的0.5%-2.5%,整個生物圈的平均轉化率可達3%-5%。生物質能潛力很大,世界上約有250000種生物,在提供理想的環境與條件下,光合作用的最高效率可達8~15%,一般情況下平均效率為0.5%左右。
據估計地球上每年植物光合作用固定的碳達2x1011t,含能量達3x1021J,因此每年通過光合作用貯存在植物的枝、莖、葉中的太陽能,相當于全世界每年耗能量的10倍。生物質遍布世界各地,其蘊藏量極大,僅地球上的植物,每年生產量就像當于目前人類消耗礦物能的20倍,或相當于世界現有人口食物能量的160倍。雖然不同國家單位面積生物質的產量差異很大,但地球上每個國家都有某種形式的生物質,生物質能是熱能的來源,為人類提供了基本燃料。生物能具備下列優點:
*提供低硫燃料;
*提供廉價能源(於某些條件下);
*將有機物轉化成燃料可減少環境公害(例如,垃圾燃料);
*與其他非傳統性能源相比較,技術上的難題較少。
生物能大致可以分為兩類——傳統的和現代的。
現代生物能是指那些可以大規模用于代替常規能源亦即礦物類固體、液體和氣體燃料的各種生物能。巴西、瑞典、美國的生物能計劃便是這類生物能的例子。現代生物質包括:
1、木質廢棄物(工業性的);
2、甘蔗渣(工業性的);
3、城市廢物;
4、生物燃料(包括沼氣和能源型作物)。
傳統生物能主要限于發展中國家、廣義來說它包括所有小規模使用的生物能,但它們也并不總是置于市場之外。第三世界農村燒飯用的薪柴便是其中的典型例子。
傳統生物質包括:1、家庭使用的薪柴和木炭;2、稻草,也包括稻殼;3、其他的植物性廢棄物;4、動物的糞便。
世界上生物質資源數量龐大,形式繁多,其中包括薪柴,農林作物,尤其是為了生產能源而種植的能源作物,農業和林業殘剩物,食品加工和林產品加工的下腳料,城市固體廢棄物,生活污水和水生植物等等(中國生物質資源主要是農業廢棄物及農林產品加工業廢棄物、薪柴、人畜糞便、城鎮生活垃圾等四個方面),下面舉一些例子說明:
薪柴:至今仍為許多發展中國家的重要能源,仍需依賴柴薪來滿足大部分能量需求.不過由于日益增加薪柴的需求,將導致林地日減,需適當規劃與植林方可解決這一問題。
農作物殘渣:農作物殘渣遺留於耕地上也有水土保持與土壤肥力固化的功能,因此,農作物殘渣不可毫無限制地供作能源轉換。
牲畜糞便:牲畜的糞便,經干燥可直接燃燒供應熱能。若將糞便經過厭氧處理,會產生甲烷和可供肥料使用之淤渣。若用小型厭氧消化糟,僅需三至四頭牲畜之的糞便即能滿足發展中國家中小家庭每天能量的需要。
制糖作物:對具有廣大未利用土地的國家而言,如將制糖作物轉化成乙醇將可成為一種極富潛力的生物能。制糖作物最大的優點,在於可直接發酵變成乙醇。
水生植物:如一些水生藻類,主要包括海洋生的馬尾藻、巨藻、海帶等,淡水生的布袋草、浮萍、小球藻等。利用水生植物化成燃料也為增加能源供應方法之一。
光合成微生物:如硫細菌、非硫細菌等等。
城市垃圾:將城市垃圾直接燃燒可產生熱能,或是經過熱解體處理而制成燃料使用。
城市污水:一般城市污水約含有0.02~0.03%固體與99%以上的水分。下水道污泥有望成為厭氧消化槽的主要原料。
生物質不同的用途使生物質有不同的價值,因此如要統一確定生物質的經濟性是十分困難,大規模商業化應用生物質會對其他市場,如食品市場和造紙市場產生重大影響。在評價生物質的經濟性時,必須考慮生產生物質的成本和能源投資,所需的水和肥料以及開發利用生物質對土地利用和人口分布形式的總體影響等。生物質常常最適于分散應用,如在人口密度低的地區使用。典型的生物質能開發利用[wiki]設備[/wiki]均比較小。生物質是到2020年唯一能極大地影響運輸行業(不包括電車)燃料利用狀況的可再生能源,然而,若大規模開發利用生物質資源,必須注意保護生物多樣性,保護自然風景區和環境敏感區,同時還要注意控制廢水和廢氣。
生物能的開發和利用具有巨大的潛力。下面的技術手段目前看來是最有前途:
直接燃燒生物質來產生熱能、蒸汽或電能。
利用能源作物生產液體燃料。目前具有發展潛力的能源作物,包括:快速成長作物樹木、糖與淀粉作物(供制造乙醇)、含有碳氧化的合作物、草本作物、水生植物。
生產木炭和炭
生物質(熱解)氣化后用于電力生產,如集成式生物質氣化器和噴氣式蒸汽燃氣輪機(BIG/STIG)聯合發電裝置。
對農業廢棄物、糞便、污水或城市固體廢物等進行厭氧消化,以生產沼氣和避免用錯誤的方法處置這些物質,以免引起環境危害。
而根據生物質能的作用和我國的現狀,目前重點發展的項目如下:
(1)近期優先發展項目
生物質氣化供氣
生物質氣化發電
大型沼氣工程
生物質直接燃燒供熱
(2)中長期化發展項目
生物質高度氣化發電項目(BIG/CC)
生物質制[wiki]氫[/wiki]等優質燃氣
生物質熱解液化制油
二、生物質能資源
1.森林能源
森林能源是森林生長和林業生產過程提供的生物質能源,主要是薪材,也包括森林工業的一些殘留物等。森林能源在我國農村能源中占有重要地位,1980年前后全國農村消費森林能源約1億噸標煤,占農村能源總消費量的30%以上,而在丘陵、山區、林區,農村生活用能的50%以上靠森林能源。
薪材來源于樹木生長過程中修剪的枝杈,木材加工的邊角余料,以及專門提供薪材的薪炭林。1979年全國合理提供薪材量8885萬噸,實際消耗量18100萬噸,薪材過樵1倍以上;1995年合理可提供森林能源14322.9萬噸,其中薪炭林可供薪材2000萬噸以上,全國農村消耗21339萬噸,供需缺口約7000萬噸。
2.農作物秸稈
農作物秸稈是農業生產的副產品,也是我國農村的傳統燃料。秸稈資源與農業主要是種植業生產關系十分密切。根據1995年的統計數據計算,我國農作物秸稈年產出量為6.04億噸,其中造肥還田及其收集損失約占15%,剩余5.134億噸。可獲得的農作物秸稈5.134億噸除了作為飼料、工業原料之外,其余大部分還可作為農戶炊事、取暖燃料,目前全國農村作為能源的秸稈消費量約2.862億噸,但大多處于低效利用方式即直接在柴灶上燃燒,其轉換效率僅為10%一20%左右。隨著農村經濟的發展,農民收入的增加,地區差異正在逐步擴大,農村生活用能中商品能源的比例正以較快的速度增加。事實上,農民收入的增加與商品能源獲得的難易程度都能成為他們轉向使用商品能源的契機與動力。在較為接近商品能源產區的農村地區或富裕的農村地區,商品能源(如煤、液化[wiki]石油[/wiki]氣等)已成為其主要的炊事用能。以傳統方式利用的秸稈首先成為被替代的對象,致使被棄于地頭田間直接燃燒的秸稈量逐年增大,許多地區廢棄秸稈量已占總秸稈量的60%以上,既危害環境,又浪費資源。因此,加快秸稈的優質化轉換利用勢在必行。
3.禽畜糞便
禽畜糞便也是一種重要的生物質能源。除在牧區有少量的直接燃燒外,禽畜糞便主要是作為沼氣的發酵原料。中國主要的禽畜是雞、豬和牛,根據這些禽畜品種、體重、糞便排泄量等因素,可以估算出糞便資源量。根據計算,目前我國禽畜糞便資源總量約8.5億噸,折合7840多萬噸標煤,其中牛糞5.78億噸,4890萬噸標煤,豬糞2.59億噸,2230萬噸標煤,雞糞0.14億噸,717萬噸標煤。
在糞便資源中,大中型養殖場的糞便是更便于集中開發、規模化利用的。我國目前大中型牛、豬、雞場約6000多家,每天排出糞尿及沖洗污水80多萬噸,全國每年糞便污水資源量1.6億噸,折合1157.5萬噸標煤。
4.生活垃圾
隨著城市規模的擴大和城市化進程的加速,中國城鎮垃圾的產生量和堆積量逐年增加。1991和1995年,全國工業固體廢物產生量分別為5.88億噸和6.45億噸,同期城鎮生活垃圾量以每年10%左右的速度遞增。1995年中國城市總數達640座,垃圾清運量10750萬噸。
城鎮生活垃圾主要是由居民生活垃圾,商業、服務業垃圾和少量建筑垃圾等廢棄物所構成的混合物,成分比較復雜,其構成主要受居民生活水平、能源結構、城市建設、綠化面積以及季節變化的影響。中國大城市的垃圾構成已呈現向現代化城市過渡的趨勢,有以下特點:一是垃圾中有機物含量接近1/3甚至更高;二是食品類廢棄物是有機物的主要組成部分;三是易降解有機物含量高。目前中國城鎮垃圾熱值在4.18兆焦/千克(1000千卡/千克)左右。
三、生物質能發展現狀
1.沼氣
90年代以來,我國沼氣建設一直處于穩步發展的態勢。到1998年底,全國戶用沼氣池發展到688萬戶,比上年增長7.8%,利用率達到91.7%。全國大中型沼氣工程累計建成748處,城市污水凈化沼氣池累計49300處。以沼氣及沼氣發酵液在農業生產中的直接利用為主的沼氣綜合利用有了長足發展,達到339萬戶,其中北方“四位一體”能源生態模式21萬戶,南方“豬沼果”能源生態模式81萬戶。
以沼氣利用技術為核心的綜合利用技術模式由于其明顯的經濟和社會效益而得到快速發展,這也成為中國生物質能利用的特色,如“四位一體”模式,“能源環境工程”等。所謂“四位一體”就是一種綜合利用太陽能和生物質能發展農村經濟的模式,其內容是在溫室的一端建地下沼氣池,池上建豬舍、廁所。在一個系統內既提供能源,又生產優質農產品。“能源環境工程”技術是在原大中型沼氣工程基礎上發展起來的多功能、多效益的綜合工程技術,既能有效解決規模化養殖場的糞便污染問題,又有良好的能源、經濟和社會效益。其特點是糞便經固液分離后液體部分進行厭氧發酵產生沼氣,厭氧消化液和渣經處理后成為商品化的肥料和飼料。
2.薪炭林
1981年我國開始有計劃的薪炭林建設,至1995年10年間,全國累計營造薪炭林494.8萬公頃,其中“六五”完成205萬公頃,“七五”186.3萬公頃,“八五”103.5萬公頃。根據這些年全國造林成效調查,薪炭林成林面積和單位面積年生物量測算,薪炭林年增加薪材量2000-2500萬噸,對緩解農村能源短缺起到了重要作用。
3.生物質氣化
生物質氣化即通過化學方法將固體的生物質能轉化為氣體燃料。由于氣體燃料高效、清潔、方便。因此生物質氣化技術的研究和開發得到了國內外廣泛重視,并取得了可喜的進展。在我國,將農林固體廢棄物轉化為可燃氣的技術也已初見成效,應用于集中供氣、供熱、發電方面。中國林科院林產化學工業研究所,從八十年代開始研究開發了集中供熱、供氣的上吸式氣化爐,并且先后在黑龍江、福建得到工業化應用,氣化爐的最大生產能力達6.3×106kJ/h。建成了用枝椏材削片處理,氣化制取民用煤氣,供居民使用的氣化系統。最近在江蘇省又研究開發以稻草、麥草為原料,應用內循環流化床氣化系統,產生接近中熱值的煤氣,供鄉鎮居民使用的集中供氣系統,氣體熱值約8000kJ/Nm3,氣化熱效率達70%以上。山東省能源研究所研究開發了下吸式氣化爐,主要用于秸稈等農業廢棄物的氣化,在農村居民集中居住地區得到較好的推廣應用,并已形成產業化規模,到1998年底,已建成秸稈氣化集中供氣站164處,供氣4572萬立方米,用戶7700戶。廣州能源所開發的以木屑和木粉為原料,應用外循環流化床氣化技術,制取木煤氣作為干燥熱源和發電,并已完成發電能力為180KW的氣化發電系統。另外大連環科院、遼寧能源所、北京農機院、浙江大學等單位也先后開展了生物質氣化技術的研究開發工作。
4.生物質固化及其它
具有一定粒度的生物質原料,在一定壓力作用下(加熱或不加熱),可以制成棒狀、粒狀、塊狀等各種成型燃料。原料經擠壓成型后,密度可達1.1、1.4噸/立方米,能量密度與中質煤相當,燃燒特性明顯改善,火力持久黑煙小,爐膛溫度高,而且便于運輸和貯存。
用于生物質成型的設備主要有螺旋擠壓式、活塞沖壓式和環模滾壓式等幾種主要類型。目前,國內生產的生物質成型機一般為螺旋擠壓式,生產能力多在100-200千克/B寸之間,電機功率7.5一18千瓦,電加熱功率2-4千瓦,生產的成型燃料為棒狀,直徑50-70毫米,單位產品電耗70一120千瓦時/噸。曲柄活塞沖壓機通常不用電加熱,成型物密度稍低,容易松散。
環模滾壓成型方式生產的為顆粒燃料,直徑5一12毫米,長度12-30毫米,也不用電加熱。物料水分可放寬至22%,產量可達4噸/小時,產品電耗約為40千瓦時/噸,原料粒徑要求小于l毫米;該機型主要用于大型木材加工廠木屑加工或造紙廠秸稈碎屑的加工,粒狀成型燃料主要用作鍋爐燃料。
利用生物質炭化爐可以將成型生物質塊進一步炭化,生產生物炭。由于在隔絕空氣條件下,生物質被高溫分解,生成燃氣、焦油和炭,其中的燃氣和焦油又從炭化爐釋放出去,所以最后得到的生物炭燃燒效果顯著改善,煙氣中的污染物含量明顯降低,是一種高品位的民用燃料。優質的生物炭還可以用于冶金工業。

 
 

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