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生物质发电技术
发布时间:2009/10/11  阅读次数:4799  字体大小: 【】 【】【
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1国外生物质发电技术的发展现状

生物质发电技术在发达国家已受到广泛重视。奥地利、丹麦、芬兰、法国、挪威、瑞典和美国等国家的生物质能在总能源消耗中所占的比例增加相当迅速。

美国在利用生物质能发电方面处于领先地位,1992年利用生物质发电的电站约有1000家,发电装机容量已达650万千瓦,年发电42亿kWh,消耗4500万吨生物质燃料。纽约斯塔藤垃圾处理站投资2000万美元,采用湿法处理垃圾,日产26万立方米沼气,用于发电、回收肥料,效益可观,预计10年可收回全部投资。根据有关科学家预测,美国政府制定的生物质能发展规划,到2010年生物质能在美国总能耗中所占比例达到l2%,生物质发电将达到13000MW装机容量,美国能源部(DOE)生物质发电计划的目标是到2020年实现生物质发电的装机容量为45000MW,年发电2250~3000亿kWh。 \PU|<Ru.   
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欧洲是生物质能开发利用非常活跃的地区,新技术不断出现,并且在较多的国家得以应用,1991年,在瑞典瓦那茂兴建了世界上第一座生物质气化燃气轮机/发电机一汽轮机/发电机联合发电厂,净发电量6MWh,净供热量9MW,系统总效率达到80%以上;芬兰福斯特威勒公司是制造具有世界先进水平的燃烧生物质的循环流化床锅炉公司,最大发电量为30万千瓦。该公司利用木材加工业、造纸业的废弃物为燃料,废弃物的最高含水量可达60%,排烟温度为140oC,热电效率达88%;奥地利成功地推行了建立燃烧木材剩余物的区域供电站计划,生物质能在总能耗中的比例由原来2%~3%激增到1999年的l0%,到20世纪末已增加到20%以上。到目前为止,该国已拥有装机容量为1~2MW的区域供热站及供电站80~90座;瑞典和丹麦正在实施利用生物质的热电联产计划,使生物质在转换为高品位电能的同时满足供热的需求,以大大提高其转换效率。

2国内生物质发电技术的发展现状

中国有着良好的生物质气化发电基础,在20世纪60年代就开发了60kW的谷壳气化发电系统,目前160~200kW的生物质气化发电设备在我国已得到小规模应用,显示出一定的经济效益。    
中国林业科学研究院林产化学工业研究所从20世纪80年代初期开始研究开发木质原料和农业剩余物的气化技术。先后承担了国家、部、省级重点项目和国际合作项目近l0项,研究开发了以林业剩余物为原料的上吸式气化炉,进行了气化发电试验研究,电的转化率为l3%左右。2001年开展国家“十五”攻关课题“160kW流化床生物质气化发电机组技术产业化研究”,并在安徽友勇米业有限公司粮食加工厂建成示范装置,原料可用稻草、麦草等软秸秆和稻壳等农业剩余物,燃气热值稳定输出5.2MJ/m以上,最高达5.8MJ/m3,焦油含量小于20mg/m3,已经投入运行,通过经济计算,有明显的直接经济收益。在安徽望江联河米业建立了一套400kW生物质气化发电机组,已经连续稳定运行l2个月。    
20世纪90年代,中国科学院广州能源所进行循环流化床的研究,在生物质气化发电技术研究、开发和商业化方面取得了不少成果和经验。“九五”期间进行了“1MW生物质气化发电系统”的研究,旨在开发适合中国国情的中型生物质气化发电技术。1998年第一台循环流化床气化装置与内燃机发电机组配套,出力1MW的稻壳气化发电机组,在福建莆田华港米业公司的碾米厂成功运行。“十五”期间,“国家863计划”在1MW的生物质气化发电系统的基础上,研制开发出4~6MW的生物质气化燃气——蒸汽联合循环发电系统,在江苏兴化建成了示范工程,燃气发电机单机功率为500kW,系统效率也提高到28%,为生物质气化发电技术的产业化奠定了很好的基础。    
国能生物发电有限公司是国家电网公司旗下从事生物质能综合开发利用的专业化公司。公司在国内独家引进国际先进的生物质能直燃发电技术,积极投资开发中国丰富的生物质能资源,加快推进中国可再生能源产业发展。2004年11月8日,单县龙基生物发电工程项目奠基仪式在山东省菏泽市单县举行。这一项目是国家发改委首批核准的生物质能发电项目,年消耗生物质(主要是秸秆)约20万吨,年发电量达1.56亿千瓦时。目的是将国际上最先进的生物发电技术引进中国内地,更好地利用我国丰富的秸秆等生物质资源,缓解能源紧张,改善生态环境,促进农民增收,建成中国第一个环保新型清洁能源生物发电示范项目。    
植物纤维素原料由纤维素、半纤维素和木质素三大部分组成。木质素的网状结构和纤维素的结晶度等对纤维素的水解糖化均会产生很大的影响,在利用纤维素制乙醇的过程中,为使纤维素充分反应,必须对基质进行预处理,以降解木质素的网状结构,提高对纤维素的利用效率,由于木质素及其衍生物对微生物具有抑制作用,降低基质中木质素的含量有利于微生物及纤维素酶对纤维素的利用。

植物纤维原料生产乙醇主要流程为:预处理、水解糖化、发酵。而又以预处理和水解糖化最重要,直接影响乙醇的产率。      
预处理的目的主要是除去木质素和半纤维素,降低纤维素的结晶度以及提高基质的孔隙率。预处理必须满足以下几个必要条件:1)提高酶水解的结合率;2)避免碳水化合物的降解和损失;3)避免产生对水解及发酵过程起抑制作用的副产品;4)性价比高。预处理方法主要有物理法、化学法和生物法。      
而常见的水解糖化主要是酸水解。酸水解可以直接将纤维素水解产生单糖,也可以作为酶水解的预处理方法,而且具有较好的可操作性和经济可行性。常见的酸水解有浓酸水解和稀酸水解。    
1植物原料的预处理      
1.1物理法    
常用的物理方法有:机械粉碎、高温分解、微波处理、蒸汽爆破、高能辐射、液态热水预处理等。   
1.1.1机械粉碎      
机械粉碎包括干法粉碎、湿法粉碎、振动球磨碾磨以及压缩碾磨。机械微粒粉碎法是纤维素原料预处理的常用方法之一,它能使纤维素原料在破裂、碾磨等外力作用下使颗粒变小,结晶度降低。经粉碎的纤维素粉末有膨润性,体积小,有利于提高基质浓度,可得到较高糖化液浓度。随着粉碎程度加深,表面积也增大,裸露在表面的结合点增加,从而使植物原料充分反应,提高了水解糖得率。    
1.1.2高温分解      
当原料在300oC以上的高温条件下处理时,纤维素快速分解成为气体和残留固体。在合适的条件下,可除去植物原料中的木质素成分。高温分解后的纤维素经0.5mol/L H2SO4 97℃,2.5h水解可使80%一85%的纤维素转化成糖,其中葡萄糖占50%以上。在热解过程中加入氧会加快分解过程,当用氯化锌或碳酸钠作催化剂时,可以在较低温度下实现对纯纤维素的分解。    
1.1.3微波处理      
微波是指300MHz~300GHz范围的电磁波。微波处理后的粉末纤维素类物质没有胀润性,能提高纤维素的可及性和反应活性,可以提高基质浓度,得到较高浓度的糖化液,处理时间短,操作简单,但由于处理费用较高而难于得到工业化应用。熊犍等研究了微波对纤维素I超分子结构的影响,发现微波作用能引起纤维素化学结构和结晶形态的变化,但使得结晶度和晶区尺寸增大。李松晔等用超声波处理了棉浆粕纤维素,结果发现超声波能有效破坏纤维素分子中的氢键,降低其结晶程度和规整度。    
1.1.4蒸汽爆破    
蒸汽爆破预处理中,高温蒸汽与生物质混合一段时间后,蒸汽迅速从反应器中喷出。喷射出的蒸汽及其液化物质由于压力降低,闪速冷却。该预处理过程中,高压蒸汽渗入纤维内部,以气流的方式从封闭的孔隙中释放出来,使纤维发生一定的机械断裂;同时,高温高压加剧了纤维素内部氢键的破坏和有序结构的变化,游离出新的羟基,增加了纤维素的吸附能力,也促进了半纤维素的水解和木质素的转化。影响蒸汽爆破预处理的因素有混合时间、蒸汽温度、物料粒径以及物料湿度。      
蒸汽爆破技术还常常与一些化学试剂相结合,Sehell先用硫酸预浸原料,再用蒸汽爆破处理,最后用氢氧化钠去除木质素,结果表明酶解率升高。蒸汽爆破预处理技术已经应用于商业化水解半纤维素。      
    
1.1.5高能辐射    
用高能射线如电子射线、Y射线来对纤维素原料进行预处理,可获得所期望的纤维素聚合度和增加纤维素的活性,以减少溶解用或反应用化学药品造成的废水对环境的污染。电离辐射的作用:一方面是使纤维素聚合度下降,分子质量的分布特性改变,使其分子质量分布比普通纤维素更集中;另一方面是使纤维素的结构松散,破坏纤维素的晶体结构,从而使纤维素的活性增加。辐射后的植物原料,水解糖得率可接近100%,但是辐射处理的成本较高,目前还很难用于大规模的生产。    
1、1.6液态热水预处理  
液态热水预处理又称为水压热解、非催化溶剂分解或者水溶解。200~230℃      
的高压水和生物质混合15min后,40%~60%的生物质被溶解,其中包括4%~22%的纤维素、35%~60%的木质素以及所有的半纤维素。该方法有3种类型的反应器:顺流式、逆流式和流通式。      
在高温作用下,水起到了酸的作用,使半纤维素全部溶解。预处理时间同样为2min,蔗渣的热水预处理温度从200℃上升到220℃,木糖的溶解程度从34%提高到88%,糖化率从43%提高到61%。在220℃的温度下,把阔叶材和农作物剩余物用液态热水法处理2min,67%的木质素也能被溶解掉。      
预处理时间对液态热水法预处理效果的影响非常显著,随着预处理时间的延长,半纤维素的溶解程度相应增加,且增加幅度相当显著。在200℃下,当把甘蔗渣的预处理时间从2min增加到10min,则木糖的溶解程度从34%提高到84%,糖化率从43%提高到84%。    
由于液态热水法不使用酸,所以不需使用化学药品进行缓冲与中和处理,降低了成本,对环境无污染。在热水中蒸煮时,物料颗粒会发生破裂,不需对物料进行降低颗粒大小的粉碎处理,能耗较少,半纤维素的水解率与回收率高,并且水解产物中中性残余物数量少。   
1.2化学法      
化学法主要是指以化学品作为预处理剂,破坏纤维素的结晶结构,打破木质素与纤维素的连接,同时使半纤维素溶解。      
1.2.1碱处理    
碱预处理效果取决于原料中木质素的特性。对于木质素低于18%的草类原料,碱法预处理效果显著。    
该方法可以在常温常压下进行,但是反应的时间长达几小时甚至几天。碱预处理的主要作用是去除生物质中的木质素,以提高剩余多聚糖的反应性。使用较多的碱有NaOH、KOH、Ca(OH)2和氨水。关于碱法预处理木质纤维素的报道有很多。Margareta等对纤维素在碱性条件下的降解作了比较详细的综述,并对纤维素降解速率等方面进行了介绍。碱处理的机制是通过碱的作用来削弱纤维素和半纤维素之间的氢键及皂化半纤维素和木质素之间的酯键。碱处理过后的纤维素更具多孔性。      
NaOH有较强的脱木质素和降低纤维素结晶度的作用,Szczodrak等用等体积的质量分数96%乙醇和8%NaOH混合溶液在170℃处理稻草30min,可使其酶解糖化率从未处理时的不足10%提高到65%。用稀NaOH溶液对木质纤维素进行处理,可使原料得到润胀,从而增加其内部表面积,降低聚合度和结晶度,同时可将木质素与碳水化合物分离。石灰预处理过程中,先把石灰浆化,然后把石灰浆喷洒到生物质上,最后将原料放置几个小时或几个星期。Karr等一对玉米秸秆进行了石灰预处理,每克生物质配0.075gCa(OH)2和5g水,在120℃温度下加热4h后,玉米秸秆的酶水解能力比预处理前提高了9倍。把氧气(空气)通入到石灰和生物质的混合物中,可以大大提高去除生物质中木质素的能力。除此之外,也可以将高能辐射与碱处理相结合对纤维素进行处理。

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