生物质能加热多少度热解

生物质燃烧后，主要产物就是一氧化碳和二氧化碳。

一氧化碳分子是不饱和的亚稳态分子，在化学上就分解而言是稳定的。常温下，一氧化碳不与酸、碱等反应，但与空气混合能形成爆炸性混合物，遇明火、高温能引起燃烧、爆炸，属于易燃、易爆气体。因一氧化碳分子中碳元素的化合价是+2，能被氧化成+4价，具有还原性；且能被还原为低价态，具有氧化性。在一定条件下，一氧化碳和水蒸气等摩尔反应生成氢气和二氧化碳：CO + H2O → H2+ CO2。在工业装置中，早期的一氧化碳变换反应通常分两段进行，即高（中）温变换和低温变换。高（中）温变换用铁系作催化剂，典型水蒸汽和一氧化碳比为3左右，在温度为300～500℃、空速为2000～4000 h-1的条件下，高温变换炉出口一氧化碳含量为2%～5%；低温变换用高活性铜锌催化剂，在温度为180～280℃、空速为2000～4000 h-1的条件下，低温变换炉出口一氧化碳含量为0.2%～0.5%、二氧化碳（carbon dioxide），一种碳氧化合物，化学式为CO2，化学式量为44.0095、常温常压下是一种无色无味[2]或无色无嗅而其水溶液略有酸味的气体，也是一种常见的温室气体、还是空气的组分之一（占大气总体积的0.03%-0.04%[5]）。在物理性质方面，二氧化碳的熔点为-56.6℃，沸点为-78.5℃，密度比空气密度大（标准条件下），溶于水。在化学性质方面，二氧化碳的化学性质不活泼，热稳定性很高（2000℃时仅有1.8%分解），不能燃烧，通常也不支持燃烧，属于酸性氧化物，具有酸性氧化物的通性，因与水反应生成的是碳酸，所以是碳酸的酸酐。

二氧化碳一般可由高温煅烧石灰石或由石灰石和稀盐酸反应制得，主要应用于冷藏易腐败的食品（固态）、作致冷剂（液态）、制造碳化软饮料（气态）和作均相反应的溶剂（超临界状态）等。

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。

生物质热裂解（又称热解或裂解），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。

原理

根据反应温度和加热速度的不同，生物质热解工艺可分为慢速、常规、快速或闪速集中。慢速裂解工艺具有几千年的历史，是一种以以生成木炭为目的的炭化过程，低温和长期的慢速裂解可以得到30%的焦炭产量；低于600℃的中等温度及中等反应速率（0.1～1℃/s）的常规热裂解可制成相同比例的气体、掩体和固体产品；快速热裂解大致在10～200℃/s的升温速率，小于5s的气体停留时间；闪速热裂解相比于快速热裂解的反应条件更为严格，气体停留时间通常小于1s，升温速率要求大于103℃/s，并以102～103℃/s的冷却速率对产物进行快速冷却。

生物质快速热解过程中，生物质原料在缺氧的条件下，被快速加热到较高反应温度，从而引发了大分子的分解，产生了小分子气体和可凝性挥发分以及少量焦炭产物。可凝性挥发分被快速冷却成可流动的液体，称之为生物油或焦油。生物油为深棕色或深黑色，并具有刺激性的焦味。通过快速或闪速热裂解方式制得的生物油具有下列共同的物理特征：高密度（约1200Kg/m^3）；酸性（pH值为2.8～3.8）；高水分含量（15%～30%）以及较低的发热量（14～18.5MJ/Kg）。

应用

生物质热裂解技术是世界上生物质能研究的前沿技术之一。该技术能以连续的工艺和工厂化的生产方式将以木屑等废弃物为主的生物质转化为高品质的易储存、易运输、能量密度高

且使用方便的代用液体燃料（生物油），其不仅可以直接用于现有锅炉和燃气透平等设备的燃烧，而且可通过进一步改进加工使液体燃料的品质接近于柴油或汽油等常规动力燃料的品质，此外还可以从中提取具有商业价值的化工产品。相比于常规的化石燃料，生物油因其所含的硫、氮等有害成分极其微小，可视为21世纪的绿色燃料。

热解是指在还原性气体氛围下加热有机物质，破坏有机物质的高分子键合状态，

将其分解成低分子物质的反应，反应的生成物是气体、油和焦炭。斯坦福研究所(Stan

ford Research Institute，SRI)的J.Jones提出了一个严格的定义。他定义热解为“在

不向反应器内通入氧、水蒸汽或高温一氧化碳的条件下，通过间接加热使含碳有机物发

生热化学分解，生成燃料(气体、液体和碳黑)的过程”。他认为通过部分燃烧热解产物

来直接提供热解所需热量的情况，严格地讲不应该称为热解，而应该称为部分燃烧(Par

tial-combustion)或缺氧燃烧(starved-air-combustion).

热裂解制程为间接加热将碳氢化合物分解后重组，将高沸点、巨大分子的有机物质裂解或分解为较低分子的物质如轻油及柴油等高价物质。传统的热裂解方式必须将废弃物加热至少达550℃~600℃才能裂解完成，因为有机废弃物热导性非常低，加热升温时间很长，处理量不易扩大，相对很不经济。新式的热裂解技术采用较低的操作温度、负压(under pressure)并使用触媒以加速裂解反应，因为温度低、反应快，相对节省不少操作成本。

热裂解反应为在缺氧的环境及中、低温(300-600℃)状态下，固体或液体有机废弃物如废塑胶、废轮胎、废机油等物质之巨大分子链被切断、裂解成低分子链的油气，油气再经过冷凝及分离过程，得到高附加价值的轻质油、重质燃油等资源化物质。应用热裂解技术处理有机废弃物并回收有用资源，在美国、欧洲及日本已有多年的经验。有别於在高温下通入过量空气直接将可燃性废弃物燃烧之焚化(incineration)方式，焚化过程产生大量的二氧化碳、水蒸气，最终产物为不可燃的灰渣及飞灰。现代的大型焚化炉均设有锅炉及蒸气发电机，虽然可回收部分能源产生蒸汽、发电，惟比较整体经济效益，热裂解仍是当前处理有机废弃物最环保也最具经济效益的处理方式。

综上所述，热解和热裂解条件有相似之处，但是具体来说是不同的两种技术

在无氧或者缺氧的条件下，对固体废物中的有机物进行加热，使其发生不可逆的化学变化，主要是使高分子的化合物分解为低分子化合物的处理技术，称为热分解技术，简称热解。热解处理的主要产物包括气体部分(如氢气、甲烷、一氧化碳、二氧化碳等)、液体部分(如甲醇、丙酮、醋酸、焦油、溶剂油、水溶液等)和固体部分(主要是炭黑)。不同于仅有热能可以回收的焚烧处理，热解技术可产生便于贮存运输的燃气、燃油等。适合于热解技术应用的固体废物主要包括废塑料(含氯废物除外)、废橡胶、废轮胎、废油和油泥、有机污泥等。城市生活垃圾、农林废弃物(如纤维素类物质)的热解技术也在蓬勃发展之中 。

1. 生物质是植物光合作用直接或间接转化的产物。生物质能是指利用生物质生产的能源。目前，作为能源的生物质主要是农林废弃物、城市和工业有机废弃物以及动物粪便等。本文所指的生物质具体指农林废弃物，即农林作物收获和加工过程中所产生的废弃物质和垃圾，如秸秆(玉米秆、花生秆、棉花秆、高梁秆、豆类秆等)、糠皮、山茅草、灌木枝、枯树叶、藤蔓、木屑、皮壳、刨花、锯末等，以及食品加工业排出的残渣，如饼粕、酒糟、甜菜渣、废糖蜜、蔗渣、食品工业下脚料等。

我国每年产生的各种农林废弃物有15亿，其中农业废物资源分布广泛，仅农作物秸杆年产量就7亿吨，可作为能源用途的秸杆约3．5亿吨，折合标准煤1．8亿吨；薪炭林和林业及木材加工废物的资源量约折合3亿吨标准煤，相当于我国石化能源消耗量的1／10还要多。另外，一些油料作物还是制取液体燃料的优质原料，如麻疯树、油菜籽、蓖麻、漆树、黄连木和甜高粱等。预计到2020年，农林废弃物约合11．65亿吨标准煤，可开发量约合8．3亿吨标准煤。另外，目前全国还有5700~公顷宜林地和荒沙荒地，l亿公顷不适宜发展农业的边际土地资源，发展林木生物质能源潜力巨大。

虽然目前新开发的生物质资源的综合利用途径相当多，并且有些途径生物质资源利用率和经济效益都很高，但消耗量小，不能从根本上解决农林废弃物资源的处理和利用问题。生物质作为能源能够最大量地回收利用农林废弃物资源，其产物不但不存在销路问题，还能替代传统燃料，缓解日趋严重的能源危机，能够产生良好的社会经济效益和环境效益。

2生物质能转化机理和技术途径

生物质均由纤维素、半纤维素和木质素等高聚物组成，其基本液化反应分别如下：根据热重分析，纤维素在325 K时，开始降解，随着温度升高，降解加剧，到623～643 K时，降解为低分子碎片。其降解过程如下：

而半纤维素结构上带有支链，比纤维素更易降解，其降解机制与纤维素相似。木质素结构单元通过醚键和c—c键相联，结构比纤维素、半纤维素要复杂得多，木质素的热化学液化反应首先是烷基醚键的断裂反应。木质素大分子在高温、供氢溶剂存在下，通过自由基反应，首先断裂成低分子碎片，其基本反应如下：

通过以上过程，形成小分子碎片，这些碎片进一步通过侧链C—O键、C—C键及芳环C—O键断裂形成低分子量化合物。以上是生物质降解为低分子的基本断裂反应。

快速热解是一个加热速率极快，而滞留时间极短且快速冷却的过程，是一个瞬间完成的过程。上述过程对生物质的降解仍然适用，然而时间极短，可近似等温过程。从反应物与生成物来看有如下过程：

Larfldt J等进行大量研究后，根据反应动力学提出4种热解模式：

模式2、3中炭的馏分通过计算预测，模式 l、4中有竞争反应，因而炭产量有变化。生产过程中，即使用最佳工艺参数，也不能生成单一产物，但通过调整参数可使反应尽可能向所需产物方向发展。如模式1中温度在500℃左右时，极高的加热速率、很短的滞留时间和快速冷却，能提高其K2值，主要产物为焦油，故模式1更适合快速热解。

目前生物质能的转化技术主要有3种：(1)生物质经生物化学处理转化为富含能量的燃料。如将生物质(农作物秸秆、粪便、有机废水等)发酵制得沼气，糖和淀粉原料发酵制酒精。我国在这方面的技术比较成熟，但在大规模处理生物质中将会受到生物质种类和生物技术的限制。(2)生物质经化学处理转化为高价值的化工产品。如利用生物质中的半纤维素在酸性介质下加热获得糠醛，利用稻壳生产白炭黑等。(3)生物质经热化学处理，即生物质在隔绝或少量氧气的条件下，热解反应获得可燃气体、固体木炭和液体生物油3类产品，又称生物质热裂解(生物质热解)。一般地说，生物质热解分低温慢速热解(<400℃)，产物以木炭为主；高温闪速热解(700～1000℃)，产物以可燃气体为主；中温快速热解(400～650℃)，产物以生物油为主。快速热解技术，即生物质瞬间热解制取液体燃料油，是20世纪70年代末国外研究人员研究开发的。其收率高达70％以上，并有文献报道液体生物油的产率最高可达85％，是一种很有开发前景的生物质应用技术。

液体产物收率相对较高的快速热解技术，最大的优点在于其产物生物油易存贮、运输，为工农业大宗消耗品，不存在产品规模和消费的地域限制问题。生物油不但可以简单替代传统燃料，而且还可以从中提取出许多较高附加值的化学品。通过分散热解、集中发电的方式，热解生物油通过内燃机、燃气涡轮机、蒸汽涡轮机完成发电，这些系统可产生热和能，能够达到更高的系统效率，一般为35％～45％，从而解决了发电要求的规模效益，并大大降低了农林废弃物的运输和贮存费用高、占用场地大的问题。

3国内外生物质快速热解技术的研究现状

该技术始于20世纪70年代末，迄今为止，为降低快速热解法的生产成本(按等热值粗略折算，2 t生物原油可折合1 t石化燃料，则目前生产l石油当量吨的生物原油的成本远比生产1 t石化燃料的成本要高)，各国已经对多种反应器和工艺进行了研究，特别是欧、美等发达国家，在进行全面的理论研究的基础上，已建立了相应的实验装置。快速热解法生产的液体燃料可以替代许多锅炉、发动机及透平机所用的燃油，而且还可以从中萃取或衍生出一系列化学物质，如食品添加剂、树脂、药剂等。正因为这些优势，快速热解技术越来越受到关注，工艺发展有了长足的进步。

在美国，采用循环流化床反应器和输送床反应器生产食品添加剂已投入商业运营，生产能力达l～2 t／h。欧洲各国多采用鼓泡流化床反应器，现在西班牙、英国分别建成了200 kg／h的试验厂，意大利建成了500 kg／h的示范装置。为了方便热解液化方面的学术交流和技术合作，欧洲在1995年专门成立了一个PyNE组织(Pyrolysis Net． work for Europe)，拥有18个成员国；2001年成立了GasNet(Europe Biomass Gasification Network)，现已拥有20个成员国以及8家工业单位成员。这些组织成立以来，在快速热解液化技术的开发以及生物油的利用方面做了大量富有成效的工作。

我国关于生物质快速热解研究较为薄弱，但近几年也有不少科研院所在这方面开展了工作。沈阳农业大学开展了国家科委“八五”重点攻关项目“生物质热裂解液化技术”的研究工作，他们在生物质热裂解过程的实验和理论分析方面做了很有成效的工作。浙江大学、中科院化工冶金研究所和广州能源所、河北省环境科学院等单位近年来也进行了生物质流化床或循环流化床液化实验。山东工程学院开发了等离子体快速加热生物质液化技术，利用实验室设备液化玉米秸粉，制出了生物油，并进行了成分分析。

国外的生物质能工作者偏重于不同类型的快速热解反应器的开发，以期提高生物油的产率。因为反应器能极大地影响化学反应体系的热量、动量、质量传递过程，设计合理的反应器可改善物料和温度在反应体系中的分布，从而提高化学反应的速度和进行程度。从实践中看，国外研制的某些反应器具有非常高的生物油产率。国内工作者着眼于通过控制温度、使用催化剂、寻找适宜的物料来探索提高生物油产量和质量的途径。

在生物质快速热解生产液体燃料的工艺中，反应器都是其核心部分，反应器的类型及加热方式的选择在很大程度上决定了产物的最终分布。因此，反应器类型和加热方式的选择是各种技术路线的关键环节。作为一种只有30多年发展历史的新工艺，在技术、产品和应用方面还存在许多不足，至今未实现大规模工业化应用。目前，亟待解决的问题有：(1)鼓励开发、改进工艺和设备；(2)工业放大；(3)降低成本；(4)改善生物油使用性能；(5)开发有价值的生物油副产品；(6)处理输送和使用过程的环境卫生与安全。

4生物质自混合下行循环流化床快速热解技术

山东科技大学化工学院清洁能源研究中心提出生物质自混合下行循环流化床快速热解技术，正处于实验研究阶段，并有一套处理量为200～300 kg／h的示范装置在建设中。

农林废弃物被锤片式粉碎机粉碎成合适的生物质颗粒，经烟气提升管干燥和提升，生物质颗粒被旋分器气固分离进入上部料仓。经螺旋进料器在专有热解反应器顶端，与通过蝶阀控制下落的高温循环热载体迅速实现自混合、升温、热解。在反应器立管下部油气与半焦和热载体快速分离。热解油气经冷凝器获得液体产品和煤气。半焦和循环热载体通过热空气输送的返料阀进入烧焦提升管燃烧加热，加热后的热载体经旋分器

与烟气分离后进入专有热解反应器顶部，实现热载体循环供热，烟气预热空气后被引到烟气提升管底部，提升和干燥生物质颗粒。

生物质自混合下行循环流化床快速热解工艺流程见图l。

其技术优点：

(1)专有热解反应器为静态混合结构，无机械运动部件，可解决机械设备存在的高温时焦渣磨损设备、设备的运动部件容易出现故障以及难以工业化放大的难题。

(2)专有热解反应器利用重力、无需载气即可实现生物质颗粒和高温循环热载体的快速混合、快速升温和热解，提高液体收率和系统热效率。

(3)利用烟气余热干燥生物质颗粒，降低了生物油的水含量，提高了系统热效率。

(4)反应器立管下部油气与半焦和热载体通过专有快速分离装置，减少了高温热解油气的二次反应，提高了液体收率。

生物质自混合下行循环流化床快速热解新技术是根据我国农村农林废弃物集散难度较大的国情，利用先进技术研制开发的一种热效率高、投资低、操作方便的快速热解工艺。

该热解工艺为彻底实现农林作物资源的最大化利用、实现农业循环经济、提高农民收入、改善农村产业结构、改善农村缺能现状，解决剩余秸秆就地焚烧或随意堆弃造成大气污染、土壤矿化势加剧、火灾和交通事故等大量的社会经济和生态问题提供了技术支撑和指导方向，对农业和农村发展以及化石能源危机的缓解，都有重要的现实意义。

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。

生物能 生物能 Bio-energy 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、繁殖与种植方法、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。 以生物质为载体的能量.生物界一切有生命的可以生长的有机物质,包括动植物和微生物.所有生物质都有一定的能量,而作为能源利用的主要是农林业的副产品及其加工残余物,也包括人畜分粪便和有机废弃物.生物质能为人类提供了基本燃料。 [编辑本段]一、生化转化过程 ： 1.厌氧消化 厌氧消化为一生化转化过程，依靠不需氧微生物将固体有机物转化成甲烷、二氧化碳、氢及其他产物，整个转化过程可分成三个步骤。首先将不可溶复合有机物转化成可溶化合物；然后可溶化合物再转化成短链（Short chain）酸与乙醇；最后,二步骤的产物再经各种厌氧菌（不需氧生物）转化成气体，一般最后的产物含有50～80%的甲烷，最典型产物为含65%的甲烷与35%的二氧化碳。其主要优点为可利用水分含量达90%的有机物，可小规模利用，淤渣能充当农作物的肥料。至于主要缺点为大量废水需适当处理，气体产品储藏费用高。 2.乙醇发酵 糖类作物发酵可制成乙醇。一般所谓的乙醇整批制程（batch process），先将发酵物（糖类作物）稀释至糖分约为20%（重量），且酸化至Ph4～5，再加入酵母菌（约５％，），再将液体施以分留和精炼。一般2.5加伦糖或5.85 公斤糖（约 2184Kcal）可制造１加伦的乙醇（3.79升，21257Kcal），因此在整个发酵过程中几无能量损失。若使用淀粉作物（例如，玉米、大麦）做发酵物，必须先将淀粉转化成可发酵糖分，然后再进行发酵。可供发酵制造乙醇的作物，包括甘蔗、番薯,甜菜等。，由作物发酵生产乙醇的费用约为每公升0.34美元，其高生产成本是由于制程为整批式而非连续的，最终产物（乙醇）含有酵母需再精炼处理。这种产量不足以克服高度工业化的需求。现在美国的消费量将近30亿桶，以能含量计约为四十亿桶的酒精（酒精的热能约为汽油的70%）。在美国木材地区此等数字作比较，总计约为70万平方里（＝1.8百万平方公里），其三分之一－即约16亿亩－是有的卖的，且实际可用的约为35亿亩，我们认为，像美国这样的国家的燃料需求还不能由发酵酒精来克服。 二、热化学转化过程 1.热解： 热解也称为干馏（destructive distillation），指在缺氧条件下的加热作用。将有机物热解会产生气体、液体与固产物，大多数热解气体（pyrogas）的主要成分为H2、CO2、CO、CH4与少量碳氢化合物（例如，乙烷）；热解液体一般含有乙醇、醋酸、水或焦油（tars）等；至于热解固体残余物含有炭（例如，木炭）于灰分等。热解过程包括下列处理程序:原料粗碎，烘干粗碎原料，去除杂质，原料细碎，热解，冷产物，储存与分配产物。热解加热过程中，固态有机物一般于300℃以上开始进行热解，某些催化剂（例如，氯化洌┛山档腿冉夥从Φ钠鹗嘉露取４死嗳冉夥从Ψ浅８丛硬⑶也 锍煞殖Ｋ嫒冉庠 嫌敕从ψ刺 泻艽蟊浠 ǔ５臀掠刖徛 尤瓤刹 罅抗烫宀 铮 焖偌尤扔敫呶陆 隙嗥 宀铮 僮魑露纫不嵊跋炱 宀 锏钠分省＜偃粢 肟掌 晕 秩忌眨 宀 镂锖 写罅康牡 说 煞纸 嵝纬裳趸 铮蚨 档推 迦剂系娜群 俊?薪材热解作用一般指在大气压和200℃～600℃温度之间进行，在此状况下典型的产物包括：木炭 30～35% 有机液体 18～20% 气体 20% （产品重量相对与干燥源料的重量） 如果将薪材加热至1100℃ ，热解作用依然存在。在此状况下，大部分液体与固体分馏物将进一步分解，故有较多气体产物产生.。气化：有机物的气化是热化学反应将固体燃料转化成可燃气体。完全燃烧必须发生在有充分氧气的状况下，而有机物氧化作用则必须在氧气不足的状况下进行。氧化过程的主要反应为： C+ 02 CO 放热 C+H2O CO+H2 吸热 CO+ H2OCO2+H2 放热 C+2 H2 CH4 放热 最简单的氧化作用方式为空气氧化（air gasification），有机物在有限量空气之下进行不完全燃烧反应。空气氧化炉构造简单、价格便宜并且可靠性高，主要缺点在於所产生气体被空气中氮气所稀释，因此气体产物的热值低，经济效益不高。 2.液体燃料制造 直接液化 使用CO或H2作为还原剂，於高温高压下将有机物直接氧化，且均产生油状液体产物，其可再分馏而充当燃料使用。间接液化 将有机物间接液化的主要方法，采用合成气体制成原料。而最先发展的间接液化法是处理煤气液化。A.合成气体制成乙醇: 此过程在石化工业上应用极广，多用作乙醇制造。目前可行方法很多，其中最易的方法是将H2与CO在高温（约300℃）与高压（约 100Atm）下结合，并使用催化剂。反应方程式为：催化剂 CO+2 H2 ──CH3OH （合成气体） （乙醇） 此法自薪材提炼乙醇，产率约为360公斤／吨薪材，能量转换效率约在30～40%之间。显然乙醇热含量（ 19.8GJ／吨）低于石油燃料（43.7GL／吨汽油），但其仍可用于发动汽、柴油机。B.Mobil法: 若利用Mobil法可将乙醇转化成高辛烷值汽油，因此可免修改引擎。此方法在试验室内己获证实，转换效率可达90% 。纽西兰目前正筹建一座日产量12500吨合成石油工厂，可将天然气转化为乙醇。C Fisher-Tropseh法: Fisher-Tropsch法利用催化剂将合成气体制成碳氢燃料。此法发明于1920年，而二次大战时盛行于德国，以制造合成燃料，今日南非利用此法以转换煤碳，但产物复杂,目前正研究寻求适当催化剂以使产物化单纯化。此法若改采用有机物做原料，则产物的硫含量较低。目前研究中之另一有机物间接液化法，是将热解气体制成合成石油，其未来发展潜力被看好。此技术称为「China lake process」，其采用先进的「快速热解」步骤，它比标准热解法可产制含较多币属烃（olefins）的气体产品。此气体产品再经压力聚合成高分子量碳氢化合物，经精炼后即可成为有用燃料。据估计总转换率有22%。 沼气利用 沼气:有机物在厌氧条件下被微生物分解发酵生成的一种可燃性气体.有成生物气其主要可染成分时甲烷,含量占60%左右,此外,二氧化碳占40%左右,以及其他微量成分.沼气在农村有广泛的应用,探索出多种沼气利用技术:下面是几个应用例子:猪场粪便沼气发酵处理技术背景与意义。随着人们物质生活的日益改善和外向型农牧业的发展，我国畜禽养殖业集约化生产近十年来发展迅速，每个大中型畜禽场日排放粪水上百吨，严重危害城郊环境卫生，同时成为阻碍养殖业持续稳定发展的重要因素。猪粪水是一优质有机肥源，早先融合于传统农业生产中，进入良性生态循环，它又是一种良好的生物质能资源，通过沼气池发酵回收生物质能沼气，已为人们熟识，而且回收沼气的过程不仅能够保持粪水的肥料成份，还可以增进肥质的速效化和腐殖化。农业的集约化生产在显著提高效率和效益的同时，不幸伴随着大农业生产良性生态循环体系的肢解。集约化畜禽业生产与农业生产脱离，大量的粪水资源未经妥善处理而任意排放，而成为社会注目的公害，因此对集约化猪场粪便污水进行处理意义重大。技术猫述 技术原理：通过对集约化猪场粪水进行包括固液分离段、制肥段、厌氧两步消化段和好氧处理段在内的处理过程，实现猪粪水的综合处理，充分回收资源。技术关键：固液分离技术，厌氧消化过程，好氧物化处理。优缺点评价：(l)从资源回收、综合利用和产品商品化出发，优化组合相关的科学技术，不仅能获得较高的能源、生态和环境效益，而且可获得可观的经济效益。(2)因各工艺段的衔接点均设有缓冲环节，运行中能够充分承受猪场粪水水质、水量和 pH等的冲击，确保系统高产能运作和获取稳定的优异效果。技术指标及要求条件：日处理存栏6500-7000头的猪场全部粪水100-200吨旧，日产沼气约300立方米和商品化有机复合肥约1．5吨。主要设备：产酸池、调节池、物化滤池、接触氧化池、腐化塔、晒道、干燥房。养猪、产气、积肥多功能户用沼气池建设技术背景与意义。我国目前的农业生产形式主要以户为单位，大多数农户既经营种植业也经营养殖业，而户用沼气池以农户生产和生活中的废弃物作为发酵原料，制取沼气及多种厌氧消化产物，从而解决了农户生活用能，并满足生产中的某些需求，所以建设户用沼气池在我国具有良好的发展前景。本项技术旨在设计一种实用性强、便于管理的饲、气、肥多功能沼气及相应配套工艺。技术描述 技术原理：针对水压式沼气池进出料难，冬季产气率低和农村能源、饲料、肥料缺乏等问题并结合庭院经济的发展和卫生状况设计，冬季利用塑膜温室为沼气池和猪舍增温保温，使沼气池正常运转，猪安全越冬。夏季利用棚架种植瓜豆、葡萄，为猪舍遮荫，使猪舍冬暖夏凉。技术关键：池型结构，塑膜温室的建造，秸秆酸化和粗饲料预处理。优缺点评价：(1)投资少、见效快、实用性强，便于施工管理，综合效益好；(2)秸秆不直接人池，解决了沼气进出料难的问题；(3)除贮粪池外，其它设备均设在猪圈内，猪舍冬暖夏凉，实现了能源、饲料、肥料种植、养殖、环保多位一体的良性循环。技术指标及要求条件：(l)产气率： 0.3-O.5立方米／立方米·天；(2)用气时间：10-12个月；(3)酸化池容积 1立方米，粗饲料预处理池容积0.2立方米；(4)贮气罩容积：接日产气量的50％设计，其它参数接国标池要求设计。每间猪舍长4米，宽3米，四面墙体中空8-10厘米，填充保温材料(珍珠岩粉或蛭石)，前墙高90-100厘米，下留出水孔，后墙高180-190厘米，上部留一小窗，下留通风孔，中校高230厘米。圈后设走廊，宽70厘米，前墙拱架用竹木搭成，采光材料用普通白塑膜，夜间用草帘保温。猪舍地面南高北低，斜度5'，水泥混凝士浇注，厚3厘米。l1月底或12月初扣棚，4月初拆棚。夏秋为自然温度发酵，冬季在猪圈上建温室为沼气池增温保温。启动原料为牛马粪，启动后以猪粪为补料，配以人粪尿、秸秆酸化水、粗饲料浸泡酸液等，3-5年大换料一次。资金条件：全套设备一次投资1300元。主要设备：主池、秸秆酸化池、粗饲料预处理池、溢流管、进料口、贮气罩、厕所。使用沼气应注意哪能些安全问题：沼气是广大农村目前正大力推广使用折一种新能源，但由于沼气池是密封的，空气不流通，缺氧气，所以应严禁轻易入池，以防止中毒窒息。进料时，只能从进料口和活动盖口进料。确需下池换料、出料或维修沼气池时，须打开进出料口和活动盖，三天后方可下池。下池前，为防万一，可选取放一只鸡或鸭入内。观察数分钟，如发现池中鸡鸭出现窒息反应，则说明池内沼气多氧气少，千万不能入池。下池时，池上要有专人看护，下池的人可腰系绳子，如发生中毒窒息征兆，可及时拉出池外。另外，应特别注意不要放含磷高的原料（如菜籽饼、棉饼、磷肥等）入池，因这些原料在池内易产生剧毒气体，会导致人中毒死亡。二、防止池体爆炸。沼气如在沼气池内遇火燃烧，极易引起池体爆炸，因此，严禁在活动盖口和导气管口点火，否则易将火引入池内，使池内气体燃烧，引起爆炸。新建的沼气要在水泥达到强度以后才能进水试验。进水速度要慢，特别当水已封门时，不能用抽水机进水，以免进水速度过快，池内压力急速上升而胀破池体。另外，还应定期检查并排除输气管内的积水，否则积水过多，会使池内气压被积水阻隔，不能正常反应在压力表上，就有胀破池身的危险。 三、防止火灾烧伤。在用沼气煮饭炒菜时，要先擦燃火柴，再扭开沼气开关。如先扭开关后点火，沼气充满灶内，遇火易烧焦头发、眉毛，烧伤皮肤。在出料或维修沼气池时，千万不能点蜡烛、油灯等明火进池，只能用手电，池内切忌吸烟。在沼气池、导气管、输气管周围严禁烧火，特别不能让小孩在进出料间附近玩火，以免发生火灾。当闻到室内有臭鸡蛋味时，说明有沼气泄漏，应立即打开门窗，让室内空气流通。此时，绝不能在室内点火，要尽快关掉总开关，找到漏气设备的管理，如输气管因鼠咬或老化破裂，要及时进行更换。 参考资料 http://baike.baidu.com/view/178812.htm?fr=ala0_1

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