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生物質(zhì)能應(yīng)用技術(shù)的展望論文
1、前言
生物質(zhì)能是人類用火以來，最早直接應(yīng)用的能源。隨著人類文明的發(fā)展，生物質(zhì)能的應(yīng)用研究開發(fā)幾經(jīng)波折，最終人們深刻認(rèn)識到，石油、煤、天然氣等化石能源的有限性，同時無節(jié)制地使用化石能源，大量增加CO2、粉塵、SO2等廢棄物的排放，污染了環(huán)境，給人類賴以生存的星球，造成十分嚴(yán)重的后果。而使用大自然饋贈的生物質(zhì)能源，幾乎不產(chǎn)生污染，資源可再生而不會枯竭，同時起著保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境的重要作用，是理想的可再生能源之一。生物質(zhì)能的應(yīng)用技術(shù)開發(fā)，旨在把森林砍伐和木材加工剩余物以及農(nóng)林剩余物如秸桿、麥草等原料通過物理或化學(xué)化工的加工方法，使之成為高品位的能源，提高使用熱效率，減少化石能源使用量，保護(hù)環(huán)境，走可持續(xù)發(fā)展的道路。
七十年代，由于中東戰(zhàn)爭引發(fā)的能源危機(jī)以來，生物質(zhì)的開發(fā)利用研究，進(jìn)一步引起了人們的重視。美國、瑞典、奧地利、加拿大、日本、英國、新西蘭等發(fā)達(dá)國家，以及印度、菲律賓巴西等發(fā)展國家都分別修定了各自的能源，投入大量的人力和資金從事生物質(zhì)能的研究開發(fā)。
我國生物質(zhì)能研究開發(fā)工作，起步較晚。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，開始重視生物質(zhì)能利用研究工作，從八十年代起，將生物質(zhì)能研究開發(fā)列入國家攻關(guān)計劃，并投入大量的財力和人力。已經(jīng)建立起一支專業(yè)研究開發(fā)隊伍，并取得了一批高水平的研究成果，初步形成了我國的生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)。
2、生物質(zhì)能應(yīng)用技術(shù)的研究開發(fā)現(xiàn)狀
2.1國外研究開發(fā)簡介
在發(fā)達(dá)國家中，生物質(zhì)能研究開發(fā)工作主要集中于氣化、液化、熱解、固化和直接燃燒等方面。
生物質(zhì)能氣化是在高溫條件下，利用部份氧化法，使有機(jī)物轉(zhuǎn)化成可燃?xì)怏w的過程。產(chǎn)生的氣體可直接作為燃料，用于發(fā)動機(jī)、鍋爐、民用爐灶等場合。氣化技術(shù)應(yīng)用在二戰(zhàn)期間達(dá)到高峰。隨著人們對生物質(zhì)能源開發(fā)利用的關(guān)注，對氣化技術(shù)應(yīng)用研究重又引起人們的重視。目前研究主要用途是利用氣化發(fā)電和合成甲醇以及產(chǎn)生蒸汽。奧地利成功地推行建立燃燒木材剩余物的區(qū)域供電計劃，目前已有容量為1000~2000kw的80~90個區(qū)域供熱站，年供應(yīng)10×109MJ能量。加拿大有12個實驗室和大學(xué)開展了生物質(zhì)的氣化技術(shù)研究。1998年8月發(fā)布了由Freel,BarryA.申請的生物質(zhì)循環(huán)流化床快速熱解技術(shù)和設(shè)備。瑞典和丹麥正在實行利用生物質(zhì)進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)的計劃，使生物質(zhì)能在提供高品位電能的同時滿足供熱的要求。1999年，瑞典地區(qū)供熱和熱電聯(lián)產(chǎn)所消耗的能源中，26是生物質(zhì)。
美國在利用生物質(zhì)能方面，處于世界領(lǐng)先地位，據(jù)報道，目前美國有350多座生物質(zhì)發(fā)電站，主要分布在紙漿、紙產(chǎn)品加工廠和其它林產(chǎn)品加工廠，這些工廠大都位于郊區(qū)。裝機(jī)容量達(dá)7000MW，提供了大約66000個工作崗位，根據(jù)有關(guān)科學(xué)家預(yù)測，到2010年，生物質(zhì)發(fā)電將達(dá)到13000MW裝機(jī)容量，屆時有4000000英畝的能源農(nóng)作物和生物質(zhì)剩余物用作氣化發(fā)電的原料，同時，可按排170000個以上的就業(yè)人員，對繁榮鄉(xiāng)村經(jīng)濟(jì)起到積極的推動作用。
流化床氣化技術(shù)由于具有床內(nèi)氣固接觸均勻、反應(yīng)面積大、反應(yīng)溫度均勻、單位截面積氣化強(qiáng)度大。反應(yīng)溫度較固定床低等優(yōu)點，從1975年以來一直是科學(xué)家們關(guān)注的熱點。包括循環(huán)流化床、加壓流化床和常規(guī)流化床。印度Anna大學(xué)新能源和可再生能源中心最近開發(fā)研究用流化床氣化農(nóng)業(yè)剩余物如稻殼、甘蔗渣等，建立了一個中試規(guī)模的流化床系統(tǒng)，氣體用于柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電。1995年美國Hawaii大學(xué)和Vermont大學(xué)在國家能源部的資助下開展了流化床氣化發(fā)電的工作。Hawaii大學(xué)建立了處理生物質(zhì)量為100T/d的工化壓力氣化系統(tǒng)，1997年已經(jīng)完成了設(shè)計，建造和試運行達(dá)到預(yù)定生產(chǎn)能力。Vermont大學(xué)建立了氣化工業(yè)裝置，其生產(chǎn)能力達(dá)200T/d，發(fā)電能力為50MW。目前已進(jìn)入正常運行階段。
生物質(zhì)的直接燃燒和固化成型技術(shù)的研究開發(fā)，主要著重于專用燃燒設(shè)備的設(shè)計和生物質(zhì)成型物的應(yīng)用。目前，已開發(fā)的技術(shù)有：林產(chǎn)品加工廠的廢料（如造紙廠的樹皮、家具廠的邊角料等）的專用燃燒蒸汽鍋爐，國外造紙廠幾乎都有專門的設(shè)備，用來處理廢棄物。由于生物質(zhì)形狀各異，堆積密度小較松散，給運輸和貯存以及使用帶來了較大困難，影響生物質(zhì)的使用。因此，從四十年代開始了生物質(zhì)的成型技術(shù)研究開發(fā)�，F(xiàn)已成功開發(fā)的成型技術(shù)按成型物形狀分主要有三大類：以日本為代表開發(fā)的螺旋擠壓生產(chǎn)棒狀成型物技術(shù)，歐洲各國開發(fā)的活塞式擠壓制得園柱塊狀成型技術(shù)，以及美國開發(fā)研究的內(nèi)壓滾筒顆粒狀成型技術(shù)和設(shè)備。美國顆粒成型燃料年產(chǎn)量達(dá)80萬噸。
成型燃料應(yīng)用于二個方面：其一：進(jìn)一步炭化加工制成木炭棒或木炭塊，作為民用燒栲木炭或工業(yè)用木炭原料；其次是作為燃料直接燃燒，用于家庭或曖房取曖用燃料。日本、美國、加拿大等國家，開發(fā)了專用爐灶。在北美有50萬戶以上家庭使用這種專用爐灶作為取曖爐。
將生物質(zhì)能進(jìn)行正�；瘜W(xué)加工，制取液體燃料如乙醇、甲醇、液化油等；是一個熱門的研究領(lǐng)域。利用生物發(fā)酵或酸水解技術(shù)，在一定條件下，將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化加工成乙醇，供汽車和其它工業(yè)使用。加拿大用木質(zhì)原料生產(chǎn)的乙醇上產(chǎn)量為17萬噸。比利時每年用甘蔗為原料，制取乙醇量達(dá)3.2萬噸以上，美國每年用農(nóng)林生物質(zhì)和玉米為原料大約生產(chǎn)450萬噸乙醇，計劃到2010年，可再生的生物質(zhì)可提供約5300萬噸乙醇。
生物質(zhì)能的另一種液化轉(zhuǎn)換技術(shù)，是將生物質(zhì)經(jīng)粉碎預(yù)處理后在反應(yīng)設(shè)備中，添加催化劑或無催化劑，經(jīng)化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化成液化油。美國、新西蘭、日本、德國、加拿大國家都先后開展了研究開發(fā)工作，液化油的發(fā)熱量達(dá)3.5×104KJ/kg左右，用木質(zhì)原料液化的得率為絕干原料的50以上。歐盟組織資助了三個項目，以生物質(zhì)為原料，利用快速熱解技術(shù)制取液化油，已經(jīng)完成100kg/hr的試驗規(guī)模，并擬進(jìn)一步擴(kuò)大至生產(chǎn)應(yīng)用。該技術(shù)制得的液化油得率達(dá)70，液化油低熱值為1.7×104KJ/kg。
生物質(zhì)能催化氣化研究，旨在降低氣化反應(yīng)活化能，改變生物質(zhì)熱處理過程，分解氣化副產(chǎn)物焦油成為小分子的可燃?xì)怏w，增加煤氣產(chǎn)量，提高氣體熱解；同時降低氣化溫度，提高氣化速度和調(diào)整生物質(zhì)氣體組成，以便進(jìn)一步加工制取甲醇或合成氨。歐美等發(fā)達(dá)國家科研人員在催化氣化方面已經(jīng)作了大量的研究開發(fā)，研究范圍涉及到催化劑的選擇，氣化條件的優(yōu)化和氣化反應(yīng)裝置的適應(yīng)性等方面，并且已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)裝置中得到了應(yīng)用。
2.2國內(nèi)研究開發(fā)
我國生物質(zhì)能的應(yīng)用技術(shù)研究，從八十年代以來一直受到政府和科技人員的重視。主要在氣化、固化、熱解和液化開展研究開發(fā)工作。
生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究在我國發(fā)展較快，應(yīng)用于集中供氣、供熱、發(fā)電方面。中國林科院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所，從八十年代開始研究開發(fā)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(yè)化應(yīng)用，氣化爐的最大生產(chǎn)能力達(dá)6.3×106kJ/hr。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(tǒng)。最近在江蘇省又研究開發(fā)以稻草、麥草為原料，應(yīng)用內(nèi)循環(huán)流化床氣化系統(tǒng)，產(chǎn)生接近中熱值的煤氣，供鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民使用的集中供氣系統(tǒng)，氣體熱值約8000KJ/NM3。氣化熱效率達(dá)70/以上。山東省能源研究所研究開發(fā)了下吸式氣化爐。主要用于秸桿等農(nóng)業(yè)廢棄物的氣化。在農(nóng)村居民集中居住地區(qū)得到較好的推廣應(yīng)用，并已形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模。廣州能源所開發(fā)的以木屑和木粉為原料，應(yīng)用外循環(huán)流化床氣化技術(shù)，制取木煤氣作為干燥熱源和發(fā)電，并已完成發(fā)電能力為180KW的氣化發(fā)電系統(tǒng)。另外北京農(nóng)機(jī)院、浙江大學(xué)等單位也先后開展了生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究開發(fā)工作。
我國生物質(zhì)的固化技術(shù)在八十年代中期開始，現(xiàn)已達(dá)到工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。目前國內(nèi)有數(shù)十家工廠，用木屑為原料生產(chǎn)棒狀成型物木炭。螺旋擠壓成型機(jī)有單頭和雙頭二種，單頭機(jī)生產(chǎn)能力為120Kg/hr，雙頭機(jī)生產(chǎn)能力達(dá)200Kg/hr。1990年中國林科院林化所與江蘇省東海糧機(jī)廠合作，研究開發(fā)生產(chǎn)了單頭和雙頭二種型號的棒狀成型機(jī)，1998年又與江蘇正昌集團(tuán)合作，共同開發(fā)了內(nèi)壓滾筒式顆粒成型機(jī)，機(jī)器生產(chǎn)能力為250~300kg/hr，生產(chǎn)的顆粒成型燃料尤其適用于家庭或暖房取暖使用。南京市平亞取暖器材有限公司，從美國引進(jìn)適用于家庭使用的取暖爐，通過國內(nèi)消化吸收，現(xiàn)已形成生產(chǎn)規(guī)模。
生物發(fā)酵制氣技術(shù)，在我國已經(jīng)形成工業(yè)化，技術(shù)亦趨成熟，利用的原料主要是動物糞便和高濃度的有機(jī)廢水。在上海亦已建成沼氣集中供氣系統(tǒng)。
沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)從國外引進(jìn)一套流化床快速熱解試驗裝置，研究開發(fā)液化油的技術(shù)，和利用發(fā)酵技術(shù)制取乙醇試驗。另外，中國林科院林化所進(jìn)行了生物質(zhì)催化氣化技術(shù)研究。華東理工大學(xué)還開展了生物質(zhì)酸水解制取乙醇的試驗研究，但尚未達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)。
3、我國生物質(zhì)能應(yīng)用技術(shù)的展望
生物質(zhì)能是一個重要的能源，預(yù)計到下世紀(jì)，世界能源消費的40來自生物質(zhì)能，我國農(nóng)村能源的70是生物質(zhì)，我國有豐富的生物質(zhì)能資源，僅農(nóng)村秸桿每年總量達(dá)6億多噸。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活水平的提高，環(huán)境保護(hù)意識的加強(qiáng)，對生物質(zhì)能的合理、高效開發(fā)利用，必然愈來愈受到人們的重視。因此，科學(xué)地利用生物質(zhì)能，加強(qiáng)其應(yīng)用技術(shù)的研究，具有十分重要的意義。
目前，我國已有一批長期從事生物質(zhì)轉(zhuǎn)換技術(shù)研究開發(fā)的科技人員，已經(jīng)初步形成具有中國特色的生物質(zhì)能研究開發(fā)體系，對生物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用技術(shù)從理論上和實踐上進(jìn)行了廣泛的研究，完成一批具有較高水平的研究成果，部分技術(shù)已形成產(chǎn)業(yè)化，為今后進(jìn)一步研究開發(fā)，打下了良好的基礎(chǔ)。
從國外生物質(zhì)能利用技術(shù)的研究開發(fā)現(xiàn)狀結(jié)合我國現(xiàn)有技術(shù)水平和實際情況來看，本人認(rèn)為我國生物質(zhì)能應(yīng)用技術(shù)將主要在以下幾方面發(fā)展。
3.1高效直接燃燒技術(shù)和設(shè)備
我國有12億多人口，絕大多數(shù)居住在廣大的鄉(xiāng)村和小城鎮(zhèn)。其生活用能的主要方式仍然是直接燃燒。剩余物秸桿、稻草松散型物料，是農(nóng)村居民的主要能源，開發(fā)研究高效的燃燒爐，提高使用熱效率，仍將是應(yīng)予解決的重要問題。鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的快速興起，不僅帶動農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，而且加速化石能源，尤其是煤的消費，因此開發(fā)改造鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)用煤設(shè)備（如鍋爐等），用生物質(zhì)替代燃煤在今后的研究開發(fā)中應(yīng)占有一席之地。把松散的農(nóng)林剩余物進(jìn)行粉碎分級處理后，加工成型為定型的燃料，結(jié)合專用技術(shù)和設(shè)備的開發(fā)，在我國將會有較大的市場前景，家庭和曖房取曖用的顆粒成型燃料，推廣應(yīng)用工作，將會是生物質(zhì)成型燃料的研究開發(fā)之熱點。
3.2集約化綜合開發(fā)利用
生物質(zhì)能尤其是薪材不僅是很好的能源，而且可以用來制造出木炭、活性炭、木醋液等化工原料。大量速生薪炭材基地的建設(shè)，為工業(yè)化綜合開發(fā)利用木質(zhì)能源提供了豐富的原料。由于我國經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，促進(jìn)了農(nóng)村分散居民逐步向城鎮(zhèn)集中，為集中供氣，提高用能效率提供了現(xiàn)實的可能性。將來應(yīng)根據(jù)集中居住人口的多少，建立能源工廠，把生物質(zhì)能進(jìn)行化學(xué)轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生的氣體收集凈化后，輸送到居民家中作燃料，提高使用熱效率和居民生活水平。這種生物質(zhì)能的集約化綜合開發(fā)利用，既可以解決居民用能問題，又可通過工廠的化工產(chǎn)品生產(chǎn)創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益，也為農(nóng)村剩余勞動力提供就業(yè)機(jī)會。因此，從生態(tài)環(huán)境和能源利用角度出發(fā)，建立能源材基地，實施“林能”結(jié)合工程，是切實可行的發(fā)展方向。
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