生物质能是怎么发电的

C 截至2006年底，巴西共有638个水电站，总装机容量为7401.7万千瓦，水电占全国发电总量的75.9%。其它的电力分别来自生物质能(4.2%)、天然气(4%)、核能(3%)、石油(2.5%)、煤炭(1.6%)、风力(0.05%)和进口(8.75%)。

巴西拥有丰富的风能资源,主要分布在东北、东南和南部地区。 优越的自然条件使得巴西成为拉美最大的风能市场,风电装机容量在全球排名第八。 全球风能理事会最近的数据显示,去年美洲地区新增风电装机容量占全球新增风电装机容量的25%。 根据巴西风电协会的数据,截至2018年年底,巴西全国已有583个风电场,风电装机容量达1470万千瓦。 该协会执行主席艾尔比娅·甘纳姆预计,今年年内,风电就将超过生物质能发电,成为巴西第二大电力来源。 “这对于一个发展时间不到10年的行业来说是一项历史性成就。 2011年巴西风电行业刚起步时,装机容量还不到100万千瓦。 ”甘纳姆说。 传统上,巴西主要依靠水力发电。 但近年来受气候变化影响,一些依靠水电的地区不时发生旱灾,降低了水力发电的稳定性,也增加了发电成本。 而风电和水电的季节性变化相辅相成,当巴西降雨减少时,风力往往更为强劲,发电量更大。 根据巴西的国家替代能源激励计划,政府通过向风电场、生物质能发电厂和小型水电站提供高发电价格的长期合同,鼓励可再生能源的开发。 该计划帮助巴西建立起风电的供需市场,为风电产业的发展打下了基础。 巴西还引入可再生能源项目拍卖机制,并从2009年起举行了一系列专门针对风电项目的招标,已获得批准的项目都可以参与竞标。 这一拍卖机制吸引了众多参与者,极大推动了巴西风电行业的发展,也促使风电价格不断下降。 为保证风电发展的资金来源,巴西国家发展银行针对风电项目提供了专门的低息贷款。 作为获得贷款的条件,厂商须使用一定比例的巴西国产设备。 这在一定程度上增加了当地就业,并促进了整个产业链的发展。

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生物质能的利用主要有直接燃烧(热能.光能)、热化学转换（热能.化学能）和生物化学(热能.化学能）转换等3种途径。生物质的直接燃烧在今后相当长的时间内仍将是我国生物质能利用的主要方式。当前改造热效率仅为10%左右的传统烧柴灶，推广效率可达20%-30%的节柴灶这种技术简单、易于推广、效益明显的节能措施，被国家列为农村新能源建设的重点任务之一。生物质的热化学转换是指在一定的温度和条件下，使生物质汽化、炭化、热解和催化液化，以生产气态燃料、液态燃料和化学物质的技术。生物质的生物化学转换包括有生物质-沼气转换和生物质-乙醇转换等。沼气转化是有机物质在厌氧环境中，通过微生物发酵产生一种以甲烷为主要成分的可燃性混合气体即沼气、乙醇转换是利用糖质、淀粉和纤维素等原料经发酵制成乙醇。

其实能量是能相互转换的，经过处理生物质能能产生其他形式的能量！

世界上生物质能源的开发利用技术，长期以来主要是采用直接燃烧，尽管经过不断的技术改造，利用效率仍很低。为了提高效率、方便运输、贮存如多功能使用生物质能源，减少直接燃烧造成的环境污染，近几十年来，不少国家，尤其是经济发达国家，大力研究、开发利用生物质转型优化的能源技术，也就是将低品位的生物质能源转变成液体、气体、固化、电力等形式的优质新能源的技术以及高效节能技术，并开发种植“石油”植物，增加生物质能源的资源储备。

一、生物质热解综合技术

该项技术是生物质在反应器中完全缺氧或只提供有限氧和不加催化剂条件下，高温分解为生物炭、生物油和可燃气的热化学反应过程。可热解的生物质非常广泛，农业、林业和加工时废弃的有机物，都可以作为热解的原料。生物质热解后，其能量的80%-90%转化为较高品位的燃料，有很高的商业价值。农业、林业废弃生物质热解产生的固体和液体燃料燃烧时不冒黑烟，废气中含硫量低，燃烧残余物很少，减少了对环境的污染。分选后的城市垃圾和废水处理生成的污泥经热解后，体积大为缩小，臭味、化学污染和病原菌被除去在消除公害的同时，获得了能源。

热裂解工艺有以下3种类型。

1、慢速热解（烧炭法）：主要用于烧木炭业。将木材放在种型式的窑内，在隔绝空气的情况下，加热烧成木炭。一个操作期一般要几天，可得到原料重量30%-35%的木炭，烧木炭法也称木材干馏或碳化。低温干馏的加热温度为50 0-580℃，中温干馏温度为660-750℃，高温干馏温度为900-1100℃。

2、常规热解：是将生物质原料通过常规热解的装置，一般要经过几个小时的热解，可得到原料重量20%-25%的生物炭、10%-20%的生物油。

3、快速热解：是将磨细的生物质原料在快速热解装置中进行，过程经历的时间很短，只有几秒钟，热解产物中生物油的比率明显提高，一般可以达到原料重量的40%-60%，快速热解过程需要的热量以热解产生的部分气体为热源供应。

另外，国内外正在研究“闪激加热”热解气化技术，加热速率越高，热解所获得的气态和液态的燃料产品率越高。

热解所用原料和工艺不同，所得生物炭、生物油和燃料气3种产品的比率及其热值也有差异。

二、生物质液化技术

该技术是以生物质为原料，制取液体燃料的工艺。将生物质转化为液体燃料使用，是有效利用生物质能的最佳途径。其转换方法可分为热化法、生化法、机械法和化学法。生物质液化的主要产品是醇类和生物柴油。

醇类是含氧的碳氢化合物，其分子式为R-OH，其中R表示烷基。常用是甲醇和乙醇。甲醇可用木质纤维素经蒸馏获得，亦可将生物质气化产物一氧化碳与氢经催化反应合成。生产甲醇的原料比较便宜，但设备投资较大。乙醇可由生物质热解产物乙炔与乙烯合成制取，但能耗太高，采用生物质经糖化发酵制取方法较经济可行。一般情况下，乙醇生产成本的60%以上为原料所占。因此选用廉价原料对降低乙醇成本很重要。制取乙醇的原料主要有两类，一类是本质纤维原料，另一类是含糖丰富的植物原料，也可选用农业废弃物，如高梁秸、玉米秸、制糖废渣等。

乙醇作为燃料使用已有很久的历史，1900年英国就出现了以乙醇为燃料的内燃机。70年代以来的能源危机使乙醇燃料又得到发展，据统计，世界上有上千万辆汽车用汽油混合乙醇为燃料。

生物柴油是动植物油脂加定量的醇，在催化剂作用下经化学反应，生成性质近似柴油的酯化燃料。生物柴油可代替柴油直接用于柴油发动机上，也可与柴油掺混使用。生物质液体燃料的可再生性和低污染性使期成为良好的替代能源，作为动力燃料和发电能源有持久的生命力，但目前仍受到石油市场的左右。

巴西利用甘蔗大规模生产乙醇作汽车燃料，以替代进口石油，节约外汇。僵已建有480多家加工厂，年产乙醇127亿升，乙醇汽车累计量达530多万辆。美国利用玉米、马铃薯等生产乙醇，以1：10的比例渗入汽油作汽车燃料，1993年有39个工厂，年产11亿加仑乙醇，每吨玉米可产40加仑乙醇。

三、生物质气化技术

世界上研究应用生物质气化技术发展较快，主要有热解气化技术和厌氧发酵生产沼气技术等。

1、热解气化技术。国外以不同种类的生物质为原料，大都采用压力燃烧气化技术以驱动燃气轮机，还有发生炉煤气甲烷化，流化床气化炉或固定床气化炉热解气化等技术。美国、日本、加拿大、瑞典等国的气化技术已能大规模生产水煤气。

2、厌氧发酵生产沼气，是有机物在厌氧条件下被微生物分解发酵生成一种可燃性气体——沼气，又称生物气。其主要成分是甲烷，含量占60%左右。每立方米沼气的热值相当于1公斤煤的热量。

沼气是1776年由意大利物理学家A??沃尔塔在沼泽发现的。1781年法国人L?穆拉根据沼气产生的原理，将简易沉淀池改造成世界上第一个沼气发生器。但是，资本主义国家在发展工业化、城市化过程中，走了一条“先污染后治理”的路子，对沼气并未引起重视，直至20世纪七八十年代，才越来越引起世界各国的重视。不论是研究、开发、利用厌氧消化技术和大型沼气工程处理城市、工业污泥和垃圾，既治理了污染，又获得了能源。

四、生物质发电技术

1、生物质发电。对于以生物质资源为原料进行发电，工业发达国家已有成熟的技术设备，并形成一定的生产规模。美国采用这种生物质能转型优化方式有三种技术的支持：一是能源林生产技术，包括种子选型、培育和种植。美国利用退耕或轮作的土地种植能源作物，包括树和草，因为这类土地种树或草只需要很少的化肥、农药和管理费用，有利于改良土壤结构，保护水土资源，改善生态环境。二是有专用的加工设备，包括秸秆打捆机、粉碎机、木材削片、整树粉碎等设备和专用的运输工具等。三是生产设备，主要是燃烧炉、蒸汽发电装置等。而毛里求斯、哥斯达黎加等国则大量使用蔗渣发电。

1998年12月英国首座利用特殊培育的柳树为燃料的发电厂在西约克郡奠基。这座新型发电厂使用的主要燃料是生长速度很快的矮柳。该柳树3-4年便可成材。柳树的种植和采伐将使用轮作方式，采伐后立即种植，保证电厂能获得持续的燃料供应。除了柳树外，电厂还可使用农业和渔业废物作为燃料。

2、垃圾发电。随着城市化和食品、医药等工业的发展，城市垃圾迅速增加，许多城市面临着垃圾围城的困扰，大量垃圾堆放占用土地、污染环境。而卫生掩埋、焚化、就也燃烧、堆肥、填低洼地及任意倾弃，衍生出二次污染，危害生态环境和人们的健忘。随着科学技术进步，现代垃圾中被认定为可回收的成分越来越多，因而发达国家，加强了利用垃圾发电的技术研究、开发与应用。

生物质是地球上最广泛存在的物质，也是迄今已知在宇宙行星表面生存的特有的一种生命现象，它包括所有的动物、植物和微生物，以及由这些有生命物质派生、排泄和代谢的许多有机质。随着科学技术的发展，人们已经知道，各种生物质都有一定的能量，所以由生物质产生的能量就叫生物质能。例如，人们肉眼看不到的微生物，其能量却很惊人，它能够引起有机质发酵，进而酿成酒，提炼出乙醇，成为可以燃烧的液体燃料，这比薪柴燃烧时发出的热能要大得多。因此，世界上究竟蕴藏着多少生物质能?恐怕谁也说不清楚。科学家们从研究中发现，尽管生物质千变万化，形态不一，然而其产生都离不开太阳的辐射能。这就找到了能源之本。据气象学家分析，进入大气层的太阳辐射能，起码有万分之二是被植物吸收进行了光合作用。这万分之几，其实折算起来就有400多亿千瓦的能量。据生物学家估算，现在地球上每年生长的植物总量约为1400亿～1800亿吨(干重)，把它换算成燃料，大约相当于目前世界总能耗的10倍。然而，人类自从发明火以来，至今仍在大量消耗薪柴等生物质，特别是发展中国家的农村，由于技术落后，生物质能的利用率极低，所以每年白白浪费了不知多少生物质，从目前世界总能耗的比重来看，生物质能按能量计算仅占15%左右。但是生物质资源巨大，技术潜力更大，这是生生不息的可再生能源，足够人类很好地开发利用。

现在已知世界上的生物多达25万多种，生物质能的种类也很繁多，目前人们可以利用的大致分为六大类：木质素，主要包括木块、木屑、树枝和根、叶等；农业废弃物，主要是秸秆、果核、玉米芯、蔗渣等；水生植物，如藻类、水葫芦等；油料作物，如棉籽、麻籽、乌桕、油桐等；加工废弃物，包括食品、屠宰、酒厂、纸厂的排泄物和垃圾等；粪便。这些东西看来都是很不起眼的，甚至是无用的废物，对环境也有污染，但从能源角度看，却能变废为宝。

生物质是讨论能源时常用的一个术语，是指由光合作用而产生的各种有机体。光合作用即利用空气中的二氧化碳和土壤中的水，将吸收的太阳能转换为碳水化合物和氧气的过程，光合作用是生命活动中的关键过程，植物光合作用的简单过程如下： 植物 水 + 二氧化碳 ----->有机体 + 氧

太阳能

生物能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式，一种以生物质为载体的能量，它直接或间接地来源于植物的光合作用，在各种可再生能源中，生物质是独特的，它是贮存的太阳能，更是一种唯一可再生的碳源，可转化成常规的固态、液态和气态燃料。生物质所含能量的多少与下列诸因素有密切的关系：品种、生长周期、繁殖与种值方法、收获方法、抗病抗灾性能、日照的时间与强度、环境的温度与湿度、雨量、土壤条件等，在太阳能直接转换的各种过程中，光合作用是效率最低的，光合作用的转化率约为0.5％-5％，据估计温带地区植物光合作用的转化率按全年平均计算约为太阳全部辐射能的0.5％-2.5％，整个生物圈的平均转化率可达3％-5％。生物质能潜力很大，世界上约有250000种生物，在提供理想的环境与条件下，光合作用的最高效率可达8～15%，一般情况下平均效率为0.5%左右。

据估计地球上每年植物光合作用固定的碳达2x1011t，含能量达3x1021J，因此每年通过光合作用贮存在植物的枝、茎、叶中的太阳能，相当于全世界每年耗能量的10倍。生物质遍布世界各地，其蕴藏量极大，仅地球上的植物，每年生产量就像当于目前人类消耗矿物能的20倍，或相当于世界现有人口食物能量的160倍。虽然不同国家单位面积生物质的产量差异很大，但地球上每个国家都有某种形式的生物质，生物质能是热能的来源，为人类提供了基本燃料。

生物能具备下列优点:

* 提供低硫燃料；

* 提供廉价能源(於某些条件下)；

* 将有机物转化成燃料可减少环境公害(例如，垃圾燃料)；

* 与其他非传统性能源相比较，技术上的难题较少。

至於其缺点有:

*小规模利用；

*植物仅能将极少量的太阳能转化成有机物；

*单位土地面的有机物能量偏低；

*缺乏适合栽种植物的土地；

*有机物的水分偏多(50%～95%)。

生物能大致可以分为两类——传统的和现代的。现代生物能是指那些可以大规模用于代替常规能源亦即矿物类固体、液体和气体燃料的各种生物能。巴西、瑞典、美国的生物能计划便是这类生物能的例子。现代生物质包括：1、木质废弃物（工业性的）；2、甘蔗渣（工业性的）；2、城市废物；3、生物燃料（包括沼气和能源型作物）。传统生物能主要限于发展中国家、广义来说它包括所有小规模使用的生物能，但它们也并不总是置于市场之外。第三世界农村烧饭用的薪柴便是其中的典型例子。传统生物质包括：1、家庭使用的薪柴和木炭；2、稻草，也包括稻壳；3、其他的植物性废弃物；4、动物的粪便。 世界上生物质资源数量庞大，形式繁多，其中包括薪柴，农林作物，尤其是为了生产能源而种植的能源作物，农业和林业残剩物，食品加工和林产品加工的下脚料，城市固体废弃物，生活污水和水生植物等等（中国生物质资源主要是农业废弃物及农林产品加工业废弃物、薪柴、人畜粪便、城镇生活垃圾等四个方面），下面举一些例子说明：

薪柴:至今仍为许多发展中国家的重要能源，仍需依赖柴薪来满足大部分能量需求.不过由于日益增加薪柴的需求，将导致林地日减，需适当规划与植林方可解决这一问题。

农作物残渣:农作物残渣遗留於耕地上也有水土保持与土壤肥力固化的功能，因此，农作物残渣不可毫无限制地供作能源转换。

牲畜粪便:牲畜的粪便，经干燥可直接燃烧供应热能。若将粪便经过厌氧处理，会产生甲烷和可供肥料使用之淤渣。若用小型厌氧消化糟，仅需三至四头牲畜之的粪便即能满足发展中国家中小家庭每天能量的需要。

制糖作物:对具有广大未利用土地的国家而言，如将制糖作物转化成乙醇将可成为一种极富潜力的生物能。制糖作物最大的优点，在於可直接发酵变成乙醇。

水生植物:如一些水生藻类，主要包括海洋生的马尾藻、巨藻、海带等，淡水生的布袋草、浮萍、小球藻等。利用水生植物化成燃料也为增加能源供应方法之一。

光合成微生物：如硫细菌、非硫细菌等等。 城市垃圾:将城市垃圾直接燃烧可产生热能,或是经过热解体处理而制成燃料使用。

城市污水:一般城市污水约含有0.02～0.03%固体与99%以上的水分。下水道污泥有望成为厌氧消化槽的主要原料。

生物质不同的用途使生物质有不同的价值，因此如要统一确定生物质的经济性是十分困难，大规模商业化应用生物质会对其他市场，如食品市场和造纸市场产生重大影响。在评价生物质的经济性时，必须考虑生产生物质的成本和能源投资，所需的水和肥料以及开发利用生物质对土地利用和人口分布形式的总体影响等。生物质常常最适于分散应用，如在人口密度低的地区使用。典型的生物质能开发利用设备均比较小。生物质是到2020年唯一能极大地影响运输行业（不包括电车）燃料利用状况的可再生能源，然而，若大规模开发利用生物质资源，必须注意保护生物多样性，保护自然风景区和环境敏感区，同时还要注意控制废水和废气。

生物能的开发和利用具有巨大的潜力。

下面的技术手段目前看来是最有前途：

*直接燃烧生物质来产生热能、蒸汽或电能。

*利用能源作物生产液体燃料。目前具有发展潜力的能源作物，包括：快速成长作物树木、糖与淀粉作物（供制造乙醇）、含有碳氧化的合作物、草本作物、水生植物。

*生产木炭和炭。

*生物质（热解）气化后用于电力生产，如集成式生物质气化器和喷气式蒸汽燃气轮机（BIG/STIG）联合发电装置。

*对农业废弃物、粪便、污水或城市固体废物等进行厌氧消化，以生产沼气和避免用错误的方法处置这些物质，以免引起环境危害。

而根据生物质能的作用和我国的现状，目前重点发展的项目如下：

（1）近期优先发展项目

*生物质气化供气

*生物质气化发电

*大型沼气工程

*生物质直接燃烧供热

（2）中长期化发展项目

*生物质高度气化发电项目（BIG/CC）

*生物质制氢等优质燃气

*生物质热解液化制油