什么是生物质制氢

生物质资源丰富，是重要的可再生能源。生物质可通过气化和微生物催化脱氢方法制氢。在生理代谢过程中产生分子氢，可分为两个主要类群：

l、包括藻类和光合细菌在内的光合生物；

Rhodbacter8604，R.monas2613，R.capsulatusZ1，R.sphaeroides等光合生物的研究已经开展并取得了一定的成果。

2、诸如兼性厌氧和专性厌氧的发酵产氢细菌。

目前以葡萄糖，污水，纤维素为底物并不断改进操作条件和工艺流程的研究较多。中国在此方面研究也取得了一些进展，任南形琪等1990年就开始开展生物制氢技术的研究，并于 1994年提出了以厌氧活性污泥为氢气原料的有机废水发酵法制氢技术，利用碳水化合物为原料的发酵法生物制氢技术。该技术突破了生物制氢技术必须采用纯菌种和固定技术的局限，开创了利用非固定化菌种生产氢气的新途径，并首次实现了中试规模连续流长期生产持续产氢。在此基础上，他们又先后发现了产氢能力很高的乙醇发酵类型发明了连续流生物制氢技术反应器，初步建立了生物产氢发酵理论，提出了最佳工程控制对策。该项技术和理论成果在中试研究中得到了充分的验证：中试产氢能力达5.7m3H2/m3.d，制氢规模可达500－1000m3/m3，且生产成本明显低于目前广泛采用的水电解法制氢成本。

生物制氢过程可以分为5类：（1）利用藻类或者青蓝菌的生物光解水法；（2）有机化合物的光合细菌（PSB）光分解法；（3）有机化合物的发酵制氢；（4）光合细菌和发酵细菌的耦合法制氢；（5）酶催化法制氢。

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生物质能的主要利用形式包括直接燃烧、热化学转换和生物化学转换等3种途径。

1、直接燃烧

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。生物质的直接燃烧和固化成型技术的研究开发主要着重于专用燃烧设备的设计和生物质成型物的应用。

现已成功开发的成型技术按成型物形状主要分为大三类：以日本为代表开发的螺旋挤压生产棒状成型物技术，欧洲各国开发的活塞式挤压制的圆柱块状成型技术，以及美国开发研究的内压滚筒颗粒状成型技术和设备。

2、热化学转换

是指在一定的温度和条件下，使生物质气化、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。

①生物质气化：生物质气化技术是将固体生物质置于气化炉内加热，同时通入空气、氧气或水蒸气，来产生品位较高的可燃气体。它的特点是气化率可达70%以上，热效率也可达85%。生物质气化生成的可燃气经过处理可用于合成、取暖、发电等不同用途，这对于生物质原料丰富的偏远山区意义十分重大，不仅能改变他们的生活质量，而且也能够提高用能效率，节约能源。

②生物质碳化

生物质颗粒碳化燃料是各种生物质经过干燥、转性、混料、成型、碳化等复杂过程连续生产出来的一种新型燃料，其与煤性质相同，是可供各种燃烧机、生物质锅炉、熔解炉、生物质发电等的高效、可再生、环保生物质燃料，此种燃料在国际认证为零污染燃料。

③生物质热解

通常是指在无氧或低氧环境下，生物质被加热升温引起分子分解产生焦炭、可冷凝液体和气体产物的过程，是生物质能的一种重要利用形式。

3、生物质化学转换

通过生物质的厌氧发酵制取甲烷，用热解法生成燃料气、生物油和生物炭，用生物质制造乙醇和甲醇燃料，包括有机物质-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。生物制氢，生物质通过气化和微生物催化脱氢方法制氢。

生物质汽化制氢。生物质汽化制氢就是将生物质原料如薪柴、锯末、麦秸、稻草等压制成型，在汽化炉或裂解炉中进行汽化或裂解反应，制得含氢的燃料气。我国在生物质汽化技术领域的研究已取得一定成果，中科院广州能源所多年来进行了生物质汽化的研究，其汽化产物中氢气约占10%。虽然可以作为农村的生活燃料，但氢含量比较低。在国外，由于转化技术的提高，生物质汽化已能大规模生产水煤气，其氢气含量大大提高。

将有机物质，如人畜粪便、动植物遗体等投入到沼气发酵池中，经过多种微生物——通常称为沼气细菌的作用，即可得到沼气。

制取沼气的主要设备是沼气发酵池，也称沼气池。目前，常用的发酵池的类型较多，其中主要有水压式沼气池、浮动气罩式沼气池和塑料薄膜气袋式沼气池等。

沼气不仅是一种干净的能源，而且在工业生产上可作为化工原料使用。它可用来制造氢气和炭黑，并能进一步制成乙炔、汽油、酒精、人造纤维和人造皮革等各种化工产品。

植物通过叶绿素，在太阳光的作用下将二氧化碳和水合成为碳水化合物，从而完成了将太阳能变成化学能，并将其储存在生物体内的转换过程。地球上每年通过植物的光合作用合成的储存在植物体内的化学能大约相当于全世界每年消耗的能源总量的10倍。植物体内储存的能量称为生物质能。生物质能可以通过燃烧转换为热能，燃烧产生的二氧化碳又可再次通过光合作用转换成生物质能，因此，生物质能是可再生的能源。现在普通植物对太阳能的利用效率仅约4%，如果使植物对太阳能的利用效率提高到5%，那么，全世界现有农田的1/10所增产的农作物所提供的能量就相当于每年全世界消耗的化石能源的能量。因此，生物质能是一种很有前途的可再生能源。

生物质能可以直接燃烧，我国农村还有一半以上居民用燃烧木柴、秸秆取暖和炊事。但植物的直接燃烧会污染空气而影响生态环境。如果通过生物化学和热化学作用将植物变成甲烷、酒精，则可以获得高效、低价的能源，而且这些新产生的能源对空气污染和生态环境的影响轻微。但是这类能源的转换效率低，而且往往受季节和地区的影响。

如果在汽油中掺入10%～20%的酒精，使之变成汽油醇，则在汽车发动机不做任何改造的条件下开动汽车，除了可节省汽油，还可减少汽车尾气中一氧化碳和碳氢化合物的排放量。但到目前为止，用糖或淀粉通过发酵来生产酒精的成本还较高，而且还要消耗粮食。因此如果能用农作物的副产品如植物纤维（秸秆、木屑、锯末等）生产廉价的酒精，则可大量节省汽油，并可减少汽车尾气对环境的污染。

另外，科学家也在寻找能直接产生烃类的植物，并将其变成农作物。除了大豆、油菜籽、油棕、油桐等作物外，已经发现了四十几种能产生烃类的植物。经过人工优选的油棕，每万平方米可收获14吨油料。海南的一种油楠大乔木的树芯内有一种黄色的油状树液，可直接用于照明，每棵大树可产生10～20千克这种可燃树液。另外，在海洋中还有某些海带或海藻类植物可以提炼合成天然气甚至可提炼汽车用的汽油和柴油。有研究认为，一公顷油菜田可生产1200升植物油和1060升氧气。其中植物油只有经过加工处理，可以变成生物柴油。种植各种能变成烃类的能源植物，可以实现将农田变成“油田”，而且是可再生的油田。在新世纪，各种能源植物的研究将成为发达国家开发可再生能源的新途径，而且还会使农业复兴。

生物质能的主要发展领域还包括：生物纤维发酵生产酒精；生物质热分解气化产生一氧化碳、氢气、甲烷等气体，经过净化可用于发电；在我国农村，将植物的秸秆等有机物封闭在窖中，在缺氧环境中使之发酵，产生沼气可用于取暖、炊事和照明。沼气还可用来发电，每立方米沼气可发电1.25～1.45千瓦时。由于我国还有8亿多居民生活在农村，因此发展沼气在我国有广阔的前景，而且发展沼气还可以将发酵后的秸秆等作为农肥使用，不仅增加土壤的肥力，还保护了环境。

生物质气化有多种形式。如果按气化介质分,可分为使用气化介质和不使用气化介质,其中使用气化介质的技术又分为干馏气化、空气气化、氧气气化等。目前应用最广泛的是空气气化。如果按产气的用途来分,可分为生物质气化供气技术、供热技术、发电技术和合成化学品技术等。目前各种技术的实际应用都在进行,生物质气化供气技术由于技术起点低,投资少适合我国农村大力发展。

空气气化技术直接以空气为气化剂,气化效率高,是目前应用最广,也是所有气化技术中最简单、最经济的一种。富氧气化使用富氧气体作为气化剂,反应温度高,反应速度快,可得到焦油含量低,但成本高。水蒸气气化是一水蒸气作为气化剂,燃气质量好,氢气含量高,产生的也是中热值气。氢气气化是由氢气同碳及水发生反应生成大量的甲烷的过程,其反应条件苛刻,需要在高温高压且具有氢源的条件下进行,可产生热值为22260-26040kjm³之间的高热值气。干馏气化不使用气化介质,产生固定碳、焦油与可燃气。

气化炉是生物质气化系统中的核心设备,生物质在气化炉内进行气化反应,生成可燃气。生物质气化炉可分为固定床气化炉和流化床气化炉两种类型,而固定床气化炉和流化床气化炉又都是多种不同形式的,如图所示。

固定床气化炉分为下吸式气化炉、横吸式气化炉和开心式气化炉。

在下吸式气化炉中,气流是向下流动的,通过炉栅进入外腔。原料由上部加入,依靠重力下落。经过干燥区后水分蒸发,在裂解区分解出的二氧化碳、一氧化碳、氢气、焦油等热气流向下流经气化区。在气化区发生氧化还原反应。同时由于氧化区的温度高,焦油在通过该区时发生裂解,变为可燃气体。

炉内运行温度在400~1200℃左右,燃气从反应层下部吸出,灰渣从底部排出。下吸式固定床气化工作温度,生产的气体成分相对稳定可燃气中焦油含量较少。但可燃气中灰分含量较多,出炉可燃气温度高,炉内热效率低。

在上吸式气化炉的气流流动方向与物料运行方向相反。物料由气化炉顶部加入,气化剂由炉底进入气化炉,产出的燃气通过气化炉内的各个反应区,从气化炉上部排出。向下流动的生物质原料被向上流动的热气体烘干脱去水分,干生物质进去裂解区后得到更多的热量,发生裂解反应。

产生的炭进入还原区,与氧化区产生的热气体发生还原反应,生产一氧化碳和氢气等可燃气体。上吸式气化炉生产的可燃气直接作为锅炉或加热炉的燃料气或向系统提供工艺热源。该种炉型主要应用于欧洲和东南亚国家。上吸式气化炉有一个突出的缺点,就是在裂解区生成的焦油没有通过气化区而直接混入可燃气体排出,这样产出的气体中焦油含量高,且不易净化。

开心式固定床气化炉的结构与气化原理与下吸式固定床气化炉相类似,是下吸式气化炉的一种特别形式。开心式固定床气化炉时我国研制出的,主要用于稻壳气化,已投入商业运行多年。

生物质流化床气化的研究起步比较晚。

流化床气化在吹入的气化剂作用下,物料颗粒、砂子、气化介质充分接触,受热均匀,在炉内呈“沸腾”状态,因此又叫沸腾床,反应温度一般为750~850℃。流化床气化炉有一个热砂床,生物质的燃烧和气化反应都在热砂床上进行。

气化反应随度快,产气率高。与固定床相比,流化床没有炉栅,一个简单的流化床由燃烧室、布风板组成,气化剂通过布风板进入流化床反应器中。按气化器结构和气化过程,可将流化床分为鼓泡流化床和循环流化床。流化床气化反应速度快,产气量大,燃气热值高焦油含量低,是唯一在恒温床上反应的气化炉,原料适应性广,可大规模利用。

但可燃气中灰分含量较多,结构比较复杂。按气化炉结构和气化过程可将流化床气化炉分为单床气化炉、双床气化炉、循环流化床气化炉及携带床气化炉四种类型。

生物质气化技术的多样性决定了其应用类别的多样性不同的气化炉,不同的工艺最终的用途都不用同一气化设备选用不同的物料,不同的工艺最终用途也不同。因此不同地区,不同条件,选用不同的气化设备。生物质气化技术的基本应用方式主要有四个方面,即用于供热、用于发电、用于供气、用于化学品合成。

以上资料来自：http://www.thjq.net/html/2378505230.html

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。

利用现代技术，将生物质转化为能量可以通过直接燃烧的方法，也可用生化学和热化学法转化成气体、液体和固体燃烧，例如，木材、草类、农作物等。利用生物质能可进行乙醇、甲醇、甲烷、植物油、汽油、氢等的工业生产。目前使用的转换技术主要是生物质厌氧消化生产沼气；生产质发酵制造酒精；生物质热分解气化等。

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。

组成

生物质气化内燃发电系统主要由气化炉、燃气净化系统和内燃发电机等组成：

气化炉是将生物质能由固态转化为燃气的装置。生物质在气化炉内通过控制空气供应量，而进行不完全燃烧，实现低值生物质能由固体向气态的转化，生成包含氢气（H2）、一氧化碳（CO）、甲烷（CH4）、多碳烃（CnHm）等可燃成分的燃气，完成生物质的气化过程。

生物质气化发电机组

气化产生的燃气出口温度随气化炉型式的不同，在350℃～650℃之间，并且燃气中含有未完全裂解的焦油及灰尘等杂质，为满足内燃机长期可靠工作的要求，需要对燃气进行冷却和净化处理，使燃气温度降到40℃以下、焦油灰尘含量控制在50mg/Nm3以内，燃气经过净化后，再进入内燃机发电。

在内燃机内，燃气混合空气燃烧做功，驱动主轴高速转动，主轴再带动发电机进行发电。

生物质气化内燃发电就是通过以上过程，将各种废弃物化废为宝，转化为优质电能，解决废弃物的污染和能源的合理利用问题。