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第1章 緒論

1.1 本書撰寫背景

生物質(zhì)能一直是人類賴以生存的重要能源，是僅次于煤炭、石油和天然氣居世界能源消費(fèi)總量第四位的能源，在能源系統(tǒng)中占有重要地位。據(jù)預(yù)測(cè)，到21世紀(jì)中葉，采用新技術(shù)生產(chǎn)的各類生物質(zhì)替代燃料將占全球總能耗的40%以上。

生物質(zhì)能源技術(shù)的研究與開發(fā)已成為國(guó)際熱門課題之一，受到各國(guó)政府與科學(xué)家、工業(yè)界的關(guān)注。許多國(guó)家和地區(qū)都制訂了相應(yīng)的開發(fā)研究計(jì)劃，如日本的陽光計(jì)劃、印度的綠色能源工程、美國(guó)的能源農(nóng)場(chǎng)、巴西的酒精能源計(jì)劃和歐盟的生物質(zhì)燃料替代行動(dòng)計(jì)劃等，其中生物質(zhì)能源的開發(fā)利用占有相當(dāng)大的比重。歐盟確定了2020年可再生能源消費(fèi)占?xì)W盟總能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)至少20%的能源戰(zhàn)略目標(biāo)，歐盟第二代生物質(zhì)能源消費(fèi)預(yù)計(jì)到2020年將達(dá)到1.32 億噸石油當(dāng)量。目前，國(guó)外的生物質(zhì)能技術(shù)和裝置已多數(shù)達(dá)到商業(yè)化應(yīng)用程度，實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)業(yè)經(jīng)營(yíng)。以美國(guó)、瑞典和奧地利為例，生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高品位能源利用已具有相當(dāng)可觀的規(guī)模，分別占該國(guó)一次能源消耗量的4%、16%和10%。在美國(guó)，生物質(zhì)能發(fā)電的總裝機(jī)容量已超過10000MW ，單機(jī)容量達(dá)10～25MW ；美國(guó)紐約的斯塔藤垃圾處理站投資2000 萬美元，采用濕法處理垃圾，回收沼氣，用于發(fā)電，同時(shí)生產(chǎn)肥料。巴西是燃料乙醇開發(fā)應(yīng)用有特色的國(guó)家，實(shí)施了世界上規(guī)模的乙醇開發(fā)計(jì)劃，目前燃料乙醇已占該國(guó)汽車燃料消費(fèi)量的50%以上。美國(guó)開發(fā)出利用纖維素廢料生產(chǎn)酒精的技術(shù)，示范工廠年產(chǎn)酒精2500 噸。

我國(guó)既是典型的人口大國(guó)，又是經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的國(guó)家，面臨著經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和環(huán)境保護(hù)的雙重壓力。因此改變能源生產(chǎn)和消費(fèi)方式，開發(fā)利用生物質(zhì)能等可再生的清潔能源對(duì)建立可持續(xù)的能源系統(tǒng)，促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)具有重大意義。

開發(fā)利用生物質(zhì)能對(duì)我國(guó)農(nóng)村和村鎮(zhèn)建設(shè)更具特殊意義。我國(guó)40%人口生活在農(nóng)村，秸稈和薪柴等生物質(zhì)能是農(nóng)村的主要生活燃料。盡管煤炭等商品能源在農(nóng)村的使用迅速增加，但生物質(zhì)能仍占有重要地位。我國(guó)每年產(chǎn)生農(nóng)作物秸稈約7 億噸，約40%可用于能源開發(fā)。發(fā)展生物質(zhì)能源技術(shù)，為農(nóng)村和鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)提供生活和生產(chǎn)用能，是幫助這些地區(qū)改善生活質(zhì)量、提高生活水平的一項(xiàng)重要任務(wù)，也是城鎮(zhèn)化建設(shè)的一個(gè)重要措施。

生物質(zhì)能高效轉(zhuǎn)換技術(shù)不僅能夠大大加快村鎮(zhèn)居民實(shí)現(xiàn)能源現(xiàn)代化進(jìn)程，滿足農(nóng)民富裕后對(duì)品質(zhì)能源的迫切需求，同時(shí)也可在鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)等生產(chǎn)領(lǐng)域中得到應(yīng)用。由于我國(guó)地廣人多，常規(guī)能源不可能滿足廣大村鎮(zhèn)日益增長(zhǎng)的需求，而且由于國(guó)際上正在制定各種有關(guān)環(huán)境問題的公約，限制CO2等溫室氣體排放，這對(duì)我國(guó)以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)是很不利的。因此，立足于村鎮(zhèn)現(xiàn)有的生物質(zhì)資源，研究新型轉(zhuǎn)換技術(shù)，開發(fā)新型裝備，既是村鎮(zhèn)發(fā)展的迫切需要，又是減少排放、保護(hù)環(huán)境、實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要。

綜上所述，作為新興產(chǎn)業(yè)，生物質(zhì)能源的發(fā)展關(guān)乎著未來國(guó)家經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略，是未來替代能源極其重要的組成部分。生物質(zhì)能的合理利用將為國(guó)家能源和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型帶來革命性變化，但是生物質(zhì)能源開發(fā)利用與農(nóng)業(yè)農(nóng)村、環(huán)境生態(tài)高度相關(guān)，因此適度有序開發(fā)生物質(zhì)能源技術(shù)至關(guān)重要。遺憾的是，至今為止，缺乏一本系統(tǒng)、詳盡闡述生物質(zhì)能源利用技術(shù)及相關(guān)關(guān)注點(diǎn)的專著。本書對(duì)各種生物質(zhì)能源利用技術(shù)做了詳細(xì)分析，對(duì)生物質(zhì)能源的發(fā)展方向提出了明確的思路。

1.2 本書框架思路與主要內(nèi)容

本書按以下框架展開(圖1-1)。

圖1-1 本書內(nèi)容框架

本書第2章至第6章地介紹了生物質(zhì)能源利用技術(shù)(圖1-2)，闡述了生物質(zhì)能源利用技術(shù)的基礎(chǔ)理論，介紹了各種工藝、技術(shù)的機(jī)理。本書涵蓋了當(dāng)前主流的生物質(zhì)能源利用技術(shù)，包括直接燃燒、混合燃燒、氣化、發(fā)電供熱、熱解制油、沼氣發(fā)酵、生物質(zhì)制氫、酒精發(fā)酵、生物柴油與航空生物燃油制備。第7章重點(diǎn)介紹了前沿技術(shù)，包括能源植物與作物、微藻、微生物電池等。第8章圍繞生物質(zhì)煉制與高值化，重點(diǎn)介紹了生物基平臺(tái)化學(xué)品合成與應(yīng)用、生物基高值聚合物制備與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展、木塑復(fù)合材料、生物基碳材料的發(fā)展前景。第9章闡述了生物質(zhì)能源利用的環(huán)境生態(tài)社會(huì)效應(yīng)。第10章介紹了生物質(zhì)能利用的管理制度、政策法規(guī)以及公眾參與等過程。第11章提出生物質(zhì)能源技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用挑戰(zhàn)，合理展望未來，為將來的生物質(zhì)能的利用與發(fā)展提出了美好藍(lán)圖和建議。

圖1-2 生物質(zhì)能源技術(shù)路線

1.3 編寫本書的重要性和必要性

我國(guó)政府及有關(guān)部門對(duì)生物質(zhì)能源的利用一直很重視，國(guó)家科技部已連續(xù)在五年計(jì)劃中將生物質(zhì)能源技術(shù)的研究與應(yīng)用列為重點(diǎn)內(nèi)容。在此背景下，涌現(xiàn)出了一批的科研成果和成功的應(yīng)用范例，如戶用沼氣池、禽畜糞便沼氣技術(shù)、生物質(zhì)氣化發(fā)電和集中供氣、生物質(zhì)壓塊燃料等，取得了較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，我國(guó)已組建了一支高水平的科研隊(duì)伍，擁有一批致力于生物質(zhì)能源技術(shù)研究與開發(fā)的專家學(xué)者，具備一定的產(chǎn)業(yè)和技術(shù)基礎(chǔ)。雖然我國(guó)在生物質(zhì)能源開發(fā)方面取得了巨大成績(jī)，但應(yīng)該清醒地認(rèn)識(shí)到，我國(guó)的生物質(zhì)能源發(fā)展整體水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍存在一定差距。

1) 技術(shù)單一，開發(fā)力度不夠

我國(guó)早期的生物質(zhì)能利用主要集中在小型沼氣開發(fā)上，近年逐漸重視熱解氣化技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，也取得了一定突破，但其他技術(shù)進(jìn)展依然緩慢，包括木質(zhì)纖維素生產(chǎn)酒精、熱解液化、大規(guī)模生物質(zhì)燃?xì)獾墓I(yè)化技術(shù)和速生林能源的培育等，還沒有取得突破性進(jìn)展。

2) 標(biāo)準(zhǔn)欠缺，管理存在缺位

在秸桿氣化供氣與沼氣工程開發(fā)上，沒有明確的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與準(zhǔn)入機(jī)制以及嚴(yán)格的技術(shù)監(jiān)督，不具備優(yōu)勢(shì)技術(shù)力量的單位和個(gè)人參與了沼氣工程承包和秸桿氣化供氣設(shè)備的生產(chǎn)，造成項(xiàng)目技術(shù)不過關(guān)，運(yùn)行不穩(wěn)定，達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)，甚至帶來安全問題，給后續(xù)生物質(zhì)能源利用工程應(yīng)用的開展帶來了很大的負(fù)面影響，甚至影響到產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)。

3) 規(guī)模較小，效益較低

由于資源分散，收集手段相對(duì)落后，我國(guó)生物質(zhì)能源工程的規(guī)模較小，大部分工程采用簡(jiǎn)單工藝和設(shè)備，設(shè)備利用率及轉(zhuǎn)換效率較低，造成投資回報(bào)率低，難以形成規(guī)模效益。此外，環(huán)境生態(tài)效益缺乏研究，綜合效益沒有形成。

4) 投入較少，效果欠佳

相對(duì)生物質(zhì)能源的研究開發(fā)內(nèi)容的復(fù)雜性來說，投入偏少，使得研發(fā)的技術(shù)含量較低，低水平重復(fù)研究較多，未能有效解決一些關(guān)鍵技術(shù)，例如，厭氧消化產(chǎn)氣率低、輔助設(shè)備配套性差、設(shè)備與管理自動(dòng)化程度較差；氣化利用中焦油問題沒有徹底解決，給長(zhǎng)期應(yīng)用帶來隱患問題；沼氣發(fā)電與氣化發(fā)電效率較低，相應(yīng)的二次污染問題沒有解決，導(dǎo)致許多工程系統(tǒng)常處于維修或故障狀態(tài)，降低了系統(tǒng)運(yùn)行強(qiáng)度和效率；在生物質(zhì)液化方面雖然有一定研究，但技術(shù)離工程化仍有不少差距。

本書正是在此背景下展開的。相信本書的出版對(duì)于我國(guó)生物質(zhì)能源技術(shù)的發(fā)展能起到一定的指導(dǎo)作用，促進(jìn)社會(huì)更好地了解生物質(zhì)能源技術(shù)與應(yīng)用，形成支持生物質(zhì)能源發(fā)展的局面。

第2章 生物質(zhì)制氣

2.1 生物質(zhì)燃?xì)鉄峤鈿饣夹g(shù)制備

2.1.1 制備技術(shù)分類

生物質(zhì)燃?xì)鉄峤鈿饣苽浼夹g(shù)包括生物質(zhì)熱解、常規(guī)氣化、超臨界氣化技術(shù)，其有多種分類形式，常用有以下幾種：

1) 按設(shè)備運(yùn)行方式，可分為固定床(也稱移動(dòng)床)氣化、流化床氣化(包括循環(huán)流化床氣化)、氣流床氣化、旋風(fēng)床氣化、漿態(tài)床氣化、雙床氣化。

2) 按氣化爐操作壓力，可分為常壓氣化和加壓氣化。

3) 按供熱方式，可分為內(nèi)熱式氣化和外熱式氣化。

4) 按氣化介質(zhì)，可分為不使用氣化介質(zhì)和使用氣化介質(zhì)，如圖2-1 所示。①不使用氣化介質(zhì)時(shí)稱為熱解，熱解技術(shù)可分為慢速熱解、快速熱解和反應(yīng)性熱解。根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)物的不同，可選擇相應(yīng)的熱解技術(shù)。②使用氣化介質(zhì)則分為空氣氣化、O2氣化、水蒸氣氣化、水蒸氣-O2混合氣化、H2氣化、CO2氣化等。

圖2-1 生物質(zhì)燃?xì)鉄峤鈿饣苽浼夹g(shù)分類

1) 熱解

熱解，又稱干餾氣化，是在無氧或嚴(yán)重缺氧(只提供極有限的氧)的熱作用下，生物質(zhì)中有機(jī)物質(zhì)發(fā)生的熱分解反應(yīng)。生物質(zhì)熱解工藝是以熱解為主要反應(yīng)的工藝，目的是通過有機(jī)物質(zhì)的裂解得到期望的目標(biāo)產(chǎn)物。為了盡量減少氧化造成的物質(zhì)損失，熱解工藝通常需要隔絕空氣，有時(shí)為減少提升溫度的能源消耗，也供應(yīng)少量空氣，但整個(gè)過程仍以熱解為主。熱解反應(yīng)是一個(gè)吸熱過程，但由于生物質(zhì)原料中含氧量較高，當(dāng)溫度升高到一定程度后，這些氧將參加反應(yīng)從而使溫度迅速提高，進(jìn)而加速完成熱解反應(yīng)，減少外部熱源的輸入。按熱解溫度可分為低溫?zé)峤?600℃以下)，中溫?zé)峤?600～900℃)和高溫?zé)峤?900℃以上)。熱解產(chǎn)物成分比例大致為木焦油5%～l0%，木醋液30%～35%，木炭28%～30%，可燃?xì)?5%～30%[1]，其中熱解氣熱值為12～15MJ/Nm3(Nm3 為標(biāo)準(zhǔn)立方米)，為中熱值氣體。該燃?xì)饧瓤捎米魅細(xì)?，也可用作化工合成氣的原料。由于熱解氣化是吸熱反?yīng)，應(yīng)在工藝中提供外部熱源使反應(yīng)連續(xù)進(jìn)行。

2) 空氣氣化

空氣氣化是以空氣為氣化介質(zhì)的氣化反應(yīng)。氣化過程中，空氣為燃燒過程提供O2，即與生物質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)，氧化反應(yīng)為氣化反應(yīng)的其他過程如熱分解和還原過程提供所需熱量和反應(yīng)物，整個(gè)氣化過程是一個(gè)自供熱系統(tǒng)。但由于空氣中含有79%的N2，不參加氣化反應(yīng)，卻稀釋了燃?xì)庵锌扇冀M分的含量，使氣化氣中N2含量可高達(dá)50%左右，因而降低了燃?xì)獾臒嶂?。一般氣化氣熱值?MJ/Nm3 左右。該氣化氣用作燃?xì)馐褂脮r(shí)輸送效率較低，作為化工合成氣原料使用時(shí)需要進(jìn)行合成處理。由于空氣可以任意取得，空氣氣化過程又不需外供熱源，因而空氣氣化是所有氣化過程中簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、也易實(shí)現(xiàn)的形式，故此種氣化技術(shù)的應(yīng)用較普遍。

3) O2氣化

O2氣化是以O(shè)2為氣化劑的氣化過程，其氣化過程與空氣氣化相同，但沒有惰性氣體N2，因此在與空氣氣化相同的當(dāng)量比下，反應(yīng)溫度提高，反應(yīng)速率加快，反應(yīng)器容積減小，熱效率提高，氣化氣熱值提高一倍以上。在與空氣氣化相同反應(yīng)溫度下，耗氧量減少，當(dāng)量比降低，因而也提高了燃?xì)赓|(zhì)量。O2氣化所產(chǎn)氣體熱值與城市煤氣相當(dāng)。在該反應(yīng)中應(yīng)控制O2供給量，既保障生物質(zhì)全部反應(yīng)所需要的熱量，又不能使生物質(zhì)同過量的氧反應(yīng)生成過多的CO2。O2氣化生成的可燃?xì)怏w的主要成分為CO、H2及CH4等，其熱值為13～15MJ/ Nm3，為中熱值氣體，既可用作燃?xì)?，也可用作化工合成氣的原料?/p>

4) 水蒸氣氣化

水蒸氣氣化是指水蒸氣在高溫下與生物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，它不僅包括水蒸氣和碳的還原反應(yīng)，也包括CO 與水蒸氣的變換反應(yīng)、甲烷化反應(yīng)以及生物質(zhì)在氣化爐內(nèi)的