生物质能中制备沼气时使用的方法是什么

1、高校直接燃烧技术和设备；

2、薪材集约化综合开发利用；

3、生物质能的液化、气化等新技术开发利用；

4、城市生活垃圾的开发利用；

5、能源植物的开发。

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生物质能是自然界中有生命的植物提供的能量。这些植物以生物质作为媒介储存太阳能。属再生能源。据计算，生物质储存的能量为270亿千瓦，比目前世界能源消费总量大2倍。人类历史上最早使用的能源是生物质能。19世纪后半期以前，人类利用的能源以薪柴为主。当前较为有效地利用生物质能的方式有： (1) 制取沼气。主要是利用城乡有机垃圾、秸杆、水、人畜粪便，通过厌氧消化产生可燃气体甲烷，供生活、生产之用。(2) 利用生物质制取酒精。当前的世界能源结构中，生物质能所占比重微乎其微。

1．我国的生物质能资源情况

我国拥有丰富的生物质能资源，据测算，我国理论生物质能资源50×108t左右，是我国目前总能耗的4倍。生物质能资源按原料的化学性质分，主要为糖类、淀粉和木质纤维素类。按原料来源分，则主要包括以下几类：（1）农业生产废弃物，主要为作物秸秆。（2）薪柴、枝丫柴和柴草。（3）农林加工废弃物，木屑、谷壳和果壳。（4）人畜粪便和生活有机垃圾等。（5）工业有机废弃物、有机废水和废渣等。（6）能源植物，包括所有可作为能源用途的农作物、林木和水生植物资源等。其中来源最广、储量最大、利用前景最可观的是农业生物质和林业生物质这两大类。

1）农业生物质

农业生物质资源包括农产品加工废弃物和农作物秸秆，如图7.13所示。农产品加工废弃物有花生壳、玉米芯、稻壳和甘蔗渣等；农作物秸秆包括水稻秸秆、小麦秸秆和玉米秸秆等。据统计，我国各地区主要农业生物质的可利用总量约为5.6×108t，排名前三的地区分别是山东、河南、河北，而秸秆类农业生物质资源利用的主要方向为24%用于饲用，15%用于还田，2.3%用于工业，剩余的约60%用于露地燃烧或薪柴。因此，我国的农业生物质资源的应用潜力非常大。

图7.13　农业生物质

2）林业生物质

我国现有森林面积约1.95×108hm2，林业生物质总量超过180×108t，其中可利用的林业生物质资源有以下三类：一类是木本淀粉类资源，如栎类、果实、橡子等；二类是木本油料资源，如油桐、油茶、黄连木、文冠果、麻疯树等；三类是木质燃料资源，如灌木林、薪炭林、林业“三剩物”等。而且，我国还有近4000×104hm2的宜林荒山、荒地可用于种植能源林，还有近600×104hm2疏林地和5000×104hm2郁闭度（指森林中乔木树冠遮蔽地面的程度）低于0.4的低产林地可用于改造。

目前世界上已有20多个国家在种植“柴油树”。我国河北省武安市马家庄乡连绵起伏的青山上，满山遍野生长着枝繁叶茂的黄连木树，这种树木的果实可以提炼柴油，当地群众将它称为“柴油树”。现在武安市共有这样的“柴油树”10万亩，年提炼柴油产量可达1000×104kg。据介绍，到2012年，武安市计划将“柴油树”发展到20万亩，年产柴油量达到2000×104kg。

2．生物质能资源的利用

主要应用在生物乙醇、生物柴油、生物质固体成型燃料和生物质能发电行业。

1）生物乙醇的应用

生物乙醇是指通过微生物的发酵将各种生物质转化为燃料酒精。它可以单独或与汽油混配制成乙醇汽油作为汽车燃料。我国生产生物乙醇的原料有甘蔗、甜高粱、木薯等高能品种，并建立了年产能力达5000t的甜高粱茎秆生产乙醇的工业示范装置。因传统粮食生产乙醇价格昂贵，为降低生产成本，我国已转向对微生物混合发酵法的研发。国家发展和改革委员会称，到2020年，我国15%生物质燃料将应用在汽车、轮船等行业。

2）生物柴油的应用

可从动植物油，如大豆、油菜、动物油脂以及餐饮垃圾中提炼生物柴油，因其环保性、润滑性、安全性能良好，可与石化柴油混合作为燃料。2005年6月，我国使用自主研发的生物酶法生产生物柴油，技术指标达到欧美生物柴油标准，标志着我国生物柴油研究取得了突破性进展。2010年生物柴油产能达300×104t/年，主要用于交通运输行业。我国提出了在2020年，生物柴油产能达200×104t的目标，已在海南建立了6×104t/年装置，产量居我国首位。

3）生物质固体成型燃料的应用

生物质固体成型燃料是将城市垃圾或农林废弃物，通过外力作用，压缩成型来增加其密度的可燃物质，具有高效、清洁、无污染等优点。图7.14为生物质捆装压缩示意图。我国的生物质成型燃料生产设备有螺旋挤压式、活塞冲压式、模辊碾压式，燃料形状主要有块状、棒状、颗粒状三种。北京奥科瑞丰公司生物质固体成型燃料年产量为60×104t，居全国首位，主要应用在直接燃烧取暖与工业锅炉等方面。

图7.14　生物质捆装压缩

4）生物质能发电的应用

生物质能发电是利用生物质所具有的生物质能进行的发电，是可再生能源发电的一种，包括农林废弃物直接燃烧发电、农林废弃物气化发电、垃圾焚烧发电、垃圾填埋气发电、沼气发电。为推动生物质能发电技术的发展，2003年以来，国家先后核准批复了河北晋州、山东单县和江苏如东三个秸秆发电示范项目，颁布了《中华人民共和国可再生能源法》，并实施了生物质能发电优惠上网电价等有关配套政策，从而使生物质能发电，特别是秸秆发电迅速发展。

2008年，蒙牛建成全球最大的生物质能沼气发电厂，得到联合国开发计划署环保基金的大力支持。图7.15为蒙牛生物质能沼气发电厂。

图7.15　蒙牛的全球最大生物质能沼气发电厂

3．生物质能开发利用的主要技术

生物质能开发利用在目前阶段的主要技术有三大类：物理转化、化学转化和生物转化。涉及压缩成型、气化、液化、热解、发酵、水解等具体技术，具体情况如图7.16所示。

1）物理转化

生物质的物理转化是将农林废弃物，如秸秆、锯屑、稻壳、蔗渣等，干燥后在一定压力的作用下，压制成棒状、粒状、块状的成型燃料或饲料。农林废弃物主要由纤维素、半纤维素和木质素构成，生物质压缩成型主要是靠木质素的胶结作用。木质素为光合作用形成的天然聚合体，具有复杂的三维结构，是高分子物质，在植物中含量约为15%～30%。当温度达到70～100℃时，木质素开始软化并具有一定的黏度，当温度达到200～300℃时，木质素呈熔融状态，黏度变高，此时施加一定压力就能使木质素与纤维素黏结，使植物体积大量减少，密度显著增加，取消外力后，由于非弹性的纤维分子间的相互缠绕，其仍能保持给定形状，冷却后强度进一步增加，大大降低农林废弃物的体积，便于运输和储存。

图7.16　生物质能开发利用的主要技术

2）化学转化

生物质的化学转化涉及气化、液化和热解等三个方面。

（1）气化：

生物质气化是指在一定的温度条件下，借助氧气或水蒸气的作用，使高聚合的生物质发生热解、氧化、还原等反应，最终转化为CO，H2和低分子烃类等可燃气体的过程。在我国，应用生物质气化技术最广的领域是生物质气化发电（BGPG）。生物质气化发电的成本约为0.2～0.3元/（kW·h），已经接近或优于常规发电，其单位投资约为3500～4000元/kW，仅为煤电的60%～70%，具备进入市场竞争的条件，发展前景非常广阔。

（2）液化：

生物质液化技术是指在高温高压的条件下，进行生物质热化学转化的过程。通过液化，可将生物质转化成高热值的液体产物，即将固态的大分子有机聚合物转化成液态的小分子有机物，生物柴油就是利用生物质液化技术生产出的可再生燃料。油料作物如大豆、油菜、棕榈等在酸性或碱性催化剂和高温的作用下发生酯交换反应，生产相应脂肪酸甲酯或乙酯，再经过洗涤干燥后得到生物柴油。与传统的石化能源相比，其硫和芳烃含量低，十六烷值高，闪点高，具有良好的润滑性，可添加到化石柴油中。

（3）热解：

生物质热解是指利用热能将生物质的大分子打断，从而转化为含碳原子数目较少的低分子化合物的过程，即生物质在完全缺氧条件下，经加热或不完全燃烧后，最终转化成高能量密度的气体、液体和固体产物的过程，而木炭就是利用生物质热解技术生产出的重要产物。木炭产品包括白炭、黑炭、活性炭、机制炭四大类，其中应用范围最广的是活性炭。活性炭是具有发达孔隙结构、强吸附力、比表面积巨大等一系列优点的木炭。在我国，活性炭广泛应用于葡萄糖、味精和医药等产业的生产。

3）生物转化

生物转化技术是指依靠微生物发酵或者酶法水解作用，对生物质进行生物转化，生产出乙醇、氢、甲烷等液体或气体燃料的技术。生物转化的生物质原料包括淀粉和木质纤维素两大类。玉米、木薯、小麦等淀粉类粮食作物是生物转化的主体，但是以农作物为原料转化的产品成本较高，且易受土地和人口的因素限制，产量无法大幅度增加。因此以廉价的农作物废料等木质纤维素为原料的生物转化技术才是解决能源危机的有效途径。然而，木质纤维素的结构和组分与淀粉类原料有很大的不同，解决高效、低成本降解木质纤维素原料的问题是木质纤维素转化产物取代化石燃料的根本途径。

生物质能的转换技术具体说，大致可分为以下三类：直接燃烧；生物转换技术；化学转换技术。此外，生物质还可通过多种煤气发生炉转化为可燃煤气。从长远看，绿色能源的开发利用，必将是跨世纪的大趋势，而且可以预见，21世纪生物质能技术的发展，必将取得令人鼓舞的进步。

生物质能是世界上最丰富的可再生能源资源，目前人们仅用其产量的1％～3％作为能源，却提供了大约世界能耗的15％，尤其对发展中国家更重要。目前世界上大约有15亿人靠烧柴生活，我国约占一半。生物质能源是从太阳能转化而来，通过植物的光合作用将太阳能转化为化学能，储存在生物质内部的能量，与风能、太阳能等同属可再生能源，可实现能源的永续利用。从技术上说，生物质能的核心问题是汽化和液化。目前比较成熟的技术是生物质厌氧发酵制取沼气。2006年中央1号文件提出了加大对沼气的推广普及。利用现代技术可以将生物质能源转化成可替代化石燃料的生物质成型燃料、生物质可燃气、生物质液体燃料等。在热转化方面，生物质能源可以直接燃烧或经过转换，形成便于储存和运输的固体、气体和液体燃料，可运用于大部分使用石油、煤炭及天然气的工业锅炉和窑炉中。国际自然基金会2011年2月发布的《能源报告》认为，到2050年，将有60％的工业燃料和工业供热都采用生物质能源。

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。

所谓生物质能是指从生物质转化产生的能。常用的生物质包括植物——农作物、薪材、草、木、人畜粪便、工农业有机废物、有机废水等。这些生物质能都直接或间接地（经过人和动物的消化或工农业加工）来源于绿色植物，来源于太阳能，因此，它又称“绿色能源”，实质上它是物化的太阳能。据计算，每年全球靠光合作用可产生生物质能1200亿吨，其所含能量是当前全球能耗总量的5倍。

由于生物质能的数量巨大，同时转化过程中很少或不产生污染物，世界各国都正在开发深度利用高效生物能的转换技术，使生物质成为具有广泛用途的热能、电能和动力用燃料，转化技术有下面两种：

通过液化将生物质转化为酒精。燃烧1千克酒精，可以放出29726千焦的热量，比普通煤的发热量高。而且酒精是液体能源，便于使用、贮存、运输。普通汽油发电机稍加改装，就可以用纯酒精作燃料。如果用汽油和酒精的混合物来开汽车，汽车发电机甚至不需改装就可以使用。1升酒精可以驱动汽车在公路上行使16千米。

酒精是用淀粉、糖等有机物经过微生物发酵作用生产出来的。含有淀粉和糖的生物质很多，包括甘蔗、甜菜、玉米、高粱、木薯、马铃薯以及水草、藻类等，它们都可以是生产酒精的原料。

巴西在这方面获得了巨大的成就，早在1975年，巴西就制定了“酒精计划”，逐步用酒精或酒精和汽油的混合物部分替代了石油，解决了交通用能供应的问题，目前巴西有90％的小汽车用酒精做燃料。美国目前有30％的汽油掺有酒精，酒精的掺入量约为10％左右。

通过发酵过程制作以甲烷为主的沼气。我国每年作为农家燃料烧掉的柴草合标准煤2亿吨，占全国总能耗的15％。但能量的利用效率比较低。

利用人畜粪便和秸秆为主要原料发展沼气池，既解决了家用燃料问题，又保持了农田肥力，减少化肥对水的污染。1990年，我国就有400多万户使用小沼气池，年产沼气10多亿立方米，沼气电站装机2000多千瓦，我国目前是户用沼气池最多的国家。

目前，我国很多的大型城市污水处理厂，利用处理厂中的固体废物进行沼气发酵，产生的沼气用来发电。在英国的5000多个污水处理厂中，有1／3是用通过发酵所产生的沼气作为动力的。法国在南部利摩日地区建造了两座垃圾发酵处理站，每年处理垃圾8.45万吨，每小时生产沼气800立方米，这些沼气已供一些工厂和煤气公司使用。

如过去的10多年中，美国已建成生物发电的容量达400多万千瓦，主要是采用木材及木制品工业废料气化后的气体燃料发电。国外结合治理城市环境污染，开始进行垃圾发电，技术已经成熟。仅日本就运行约100座垃圾电站，并计划把垃圾电站的装机容量发展到400万千瓦。因此，利用生物质能发电是当今新能源发电的新趋势之一。

我国是一个农业国，物质能资源非常丰富，年资源量是薪材3000万吨，秸秆4.5亿吨，稻壳0.15亿吨，另外还产生大量的城市排放的生活污水、垃圾、工业废水等。

利用生物质能发电在我国目前还是小规模、小范围的利用，稻壳转化发电容量只有5000瓦，沼气发电装置140个左右，总容量也只有2000千瓦。另外，我国还引进发电容量为4000千瓦的垃圾发电站。