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生物燃料的優點范文1
[作者簡介] 劉毅,中國能源建設集團廣東省電力設計研究院工程師,研究方向:熱能與動力,廣東 廣州,510663
[中圖分類號] S216 [文獻標識碼] A [文章編號] 1007-7723(2013)06-0019-0003
生物質發電主要利用在農林業生產中產生的廢棄物作為發電燃料,是一項具有廣闊發展前景的可再生能源產業。根據2005年國家頒布實施的《中華人民共和國可再生能源法》,可再生能源被列為能源發展的優先領域,是國家大力推動的能源產業。同時,在《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006~2020年)》中,生物質發電也被列為能源領域中重點開發利用的技術,并作為國家能源戰略的重要組成部分。隨著石油、煤、天然氣等資源日益枯竭,生物質發電將越來越受到重視,在未來的應用將越來越廣泛。
從目前國內已建成的生物質電廠運行情況來看,多數電廠在燃料的收集、運輸和儲存過程中均存在難題。特別是50MW的大型機組,燃料組織環節的問題已成為制約電廠生存與發展的關鍵因素。針對這種情況,本文提出一種新型的燃料組織模式:種植皇竹草作為原料。通過對這種新型燃料組織模式的探討,筆者希望能為以后的生物質電廠燃料系統的設計提供一種新思路。
一、傳統的燃料組織模式
生物質電廠的燃料一般采用在農林業生產中產生的廢棄物,如秸稈、鋸末等。這些燃料具有密度小、熱值低、分布范圍廣等特點,且具有季節性。一個容量為2×50MW的生物質電廠每年所需燃料量大約為60×104t,燃料收集半徑大約為30~60km,根據各地資源分布情況不同而有所差異。
目前最常見的燃料組織模式大致分為以下幾個步驟:a)從農戶處收集燃料;b)在廠外收儲站對收集到的燃料進行切碎、打包等再處理;c)將處理好的燃料運輸至場內儲料場儲存。
而為了降低電廠的初始投資及管理難度,減少電廠的人員,并兼顧燃料供應安全性,降低風險,大多數電廠的燃料組織都是采用電廠自主組織完成和由當地的農戶或經紀人組織完成相結合的方式,只是在各自完成的比例上有所差異。
二、燃料組織過程中的常見問題
(一)燃料收集困難
首先,農林業生產具有很強的季節性,在農林作物未收獲的時段,將會產生燃料供應不足的問題。其次,生產過程中產生的廢棄物的所有權分屬千家萬戶,在收集過程中電廠要與收集半徑內的多個農戶個體或經紀人打交道,工作量非常大。再次,電廠作為需方,缺乏對供方的約束力,有時甚至還會出現農戶單方面漲價或突然停止提供燃料的情況。最后,農戶對燃料的收集主要是以人力為主,效率低下,導致其積極性不高。上述因素都會導致燃料收集困難。
(二)燃料運輸成本高
我國農村地區實行土地承包責任制,少有機械化集中生產,人均耕地面積少,導致燃料分布零散,運輸工作量大,成本高。無論是電廠挨家挨戶去收取,還是由農戶各自送貨上門,運輸成本最終都會反映到燃料成本上。即使設置廠外收儲站,也只能使運輸成本高的問題有所緩解,而無法得到根本改觀。
(三)燃料質量難以保證
目前生物質電廠普遍采用爐排爐和循環流化床鍋爐。鍋爐對燃料含水率的設計值一般在20~30%。但農戶均采用自然風干的辦法對燃料進行處理,最終含水率一般在30%以上。有時由于風干時間不夠長,含水率甚至會遠超30%。同時,在燃料收集過程中,由于不可能做到每戶每次都詳細檢測,農戶往燃料中摻水摻石塊的事情時有發生。
含水率過高會導致燃料在儲存時易發酵、自燃,從而產生安全隱患,而且在進入爐膛燃燒時會增加鍋爐排煙損失,使鍋爐效率下降。往燃料中摻石塊則可能會損壞解包機、給料機等上料設備。
(四)燃料供應的安全性難以保證
生物質燃料具有密度小、體積大的特點,因此儲存設施占地大,儲量卻很少。而出于成本控制方面考慮,儲存設施的容積也會受到一定的限制。
但是在燃料的組織過程中,存在諸多經常遇到且難以回避的困難。例如,燃料供應的季節性影響、燃料收購的價格上漲、電廠與農戶之間產生糾紛、惡劣的氣候因素影響等。當這些因素的影響超過廠內和廠外儲存設施的緩沖承受能力時,電廠將不可避免地遭遇“無米下鍋”的尷尬情景。
據筆者了解,國內的生物質電廠曾出現過多例因燃料供應緊張,燃料收購價格在短時內大幅上漲的事件,甚至還曾有電廠因為缺少燃料而被迫停機。
三、新型燃料組織模式
為了電廠長期安全穩定運行,避免出現以上問題,國內某生物質電廠工程正在嘗試采用一種新型的燃料組織模式。該電廠主要采用在電廠周邊50km范圍內種植的皇竹草作為燃料,同時也可以收集該半徑內的各類農林業廢棄物作為燃料。
電廠規模為2×50MW機組,年利用小時按6000h計,年消耗燃料量折合成含水率10%的皇竹草約為48×104t。
(一)皇竹草的特性
皇竹草是我國從南美洲哥倫比亞引進的高產量優質牧草,其植株高大,根系發達,為多年生植物,主要繁殖方式為無性繁殖,適宜種值于各種類型的土壤,并具有很強的耐酸性和抗干旱能力。皇竹草性狀介于荻葦與高粱之間,其外形和生長形態類似甘蔗,但中空,節間較脆嫩,屬于軟質秸稈。
皇竹草最適宜在熱帶和亞熱帶氣候條件下生長,而且對氣溫條件的適應性較強,在靠近北方的地區也可以種植,但是溫度較低會抑制其生長。在我國南方地區種植皇竹草生長周期短,收獲期長,春季栽植后2~3個月即可收割,每年可收割4~6次,栽植一次可連續收割6~7年,每畝每年可產鮮草達25t。
皇竹草鮮草含水量為75%左右,除去水分,主要成分為纖維素、木質素和半纖維素,占固體物料總重量的80%以上。除此之外,還含有蛋白質、脂類、灰分、果膠、低分子的碳水化合物等。對含水率10%的皇竹草進行元素分析,結果表明,在同等含水率基礎上,其熱值低于樹枝、鋸末的熱值,而與水稻、玉米秸稈等大多數生物質的熱值相當。
(二)種植模式及規模
該電廠所在地區為經濟欠發達的山區,有大量山坡地可用來種植皇竹草。項目公司計劃利用山坡荒地共約15×104畝,由當地政府引導農戶種植,項目公司負責技術支持和技術服務,并回購收獲的皇竹草作為電廠的燃料。
依靠種植,這些荒地年產皇竹草鮮草最高可達375×104t,折合含水率10%的干草約為105×104t,作為電廠的主要燃料。同時在周邊地區收集當地的農林廢棄物,每年約26×104t,可作為補充,滿足電廠需要。
(三)燃料組織模式
該電廠的燃料組織模式策劃為:項目公司+政府+燃料公司+經紀人+農戶。首先,項目公司和當地政府簽訂項目合作協議書,政府在政策上給予大力支持,對當地農戶的種植予以科學引導。然后,由項目公司組建燃料公司,同時發動并培育一批當地的經紀人,并在每一個種植鄉鎮為電廠配套建設燃料收儲站(約20個)。
農戶種植皇竹草可以采用兩種模式,一種是自己承包土地種植,將收獲的產品賣給燃料公司;另一種則由經紀人承包土地,農戶受其雇傭進行種植。
皇竹草收獲后,就地進行晾曬,然后由農戶自行送至電廠或廠外收儲站,或者由燃料公司或經紀人上門收取。收集到燃料后,合格的直接入庫儲存,需要再處理的則經過切碎、脫水等處理之后再入庫儲存。
電廠設置20個廠外收儲站和1個廠內儲料場,共可滿足2臺機組65天的燃料量。
(四)優點及缺點
這種新型的燃料組織模式有自己獨特的優點:a)農戶或經紀人可以承包大面積的土地進行種植,燃料的分布變得比較集中,收集工作比較容易;b)燃料產地集中,使運輸工作量和成本大大降低;c)電廠收購燃料需面對的對象較少,可以建立起規模較大的長期、穩定的合作關系,而且可以在收購時進行抽檢,都有助于保證燃料的質量;d)皇竹草的種植有當地政府和項目公司組織和引導,有利于維持燃料市場的穩定、有序?;手癫莸纳L受季節的影響要比其它農作物小得多,通過合理調配收割時間,燃料供應可以做到全年無間斷。這些都是電廠燃料供應安全性的有力保障。
以上是新型燃料組織模式的優點,但任何事物都具有兩面性,這種模式也有一些缺點:a)皇竹草的種植需要大面積的土地,同時農戶的利益也需要擔保,這些都需要政府部門的積極參與和大力支持,而且項目實施的初始階段難度較大;b)該模式具有一定的地域性限制,較適合在南方地區進行。因為皇竹草雖然對氣溫條件的適應性較強,但是越靠近北方其產量越低,該模式的經濟性越差;c)該模式尚未經過工程實際檢驗,擬采用該模式的生物質電廠尚處于可行性研究報告審查通過的階段,在以后的項目實施階段是否會遇到新的困難尚未可知。
四、結 語
因為篇幅的關系,本文僅在技術層面對新型燃料組織模式和傳統燃料組織模式進行對比分析,未再在經濟性方面進行探討。
本文提出的這種新型的生物質電廠燃料組織模式從技術上來說完全可行,而且可以明顯改善甚至解決一些在傳統的燃料組織過程中無法回避的難題。但是它也有自己不可忽視的缺點,希望能有后來者繼續這個課題,找到能夠改善的辦法。
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生物燃料的優點范文2
電池在我們的生活中發揮著非常重要的作用,但在使用過程中卻帶來了嚴重的環境問題。一節一號電池腐爛在地里,能使一平方米土壤永久失去利用價值;一粒紐扣電池可使600噸水受到污染,相當于一個人一生的飲水量。嚴峻的現實迫使我們尋找電池發展的新出路,生物燃料電池的問世讓我們看到了曙光。本文初步介紹了生物燃料電池的基本情況,以期能開闊視野,對中學化學教學有所裨益。
1穿越歷史,生物燃料電池向我們走來
早在19世紀初,英國化學家戴維就提出了燃料電池的設想,1839年英國人格拉夫發明了最早的氫燃料電池[1]??梢哉f發展到今天,氫燃料電池已成為了最成熟的燃料電池,但在氫氣的制備、輸送、電池的能量轉化率、使用安全性等方面存在許多問題,陷入了尷尬的發展處境[2]。生物燃料電池的出現又讓我們充滿了新的期待。
生物燃料電池的發展可追溯到20世紀初,1910年英國杜漢姆大學植物學教授Michael Cresse Potter用酵母和大腸桿菌進行試驗時,發現了微生物也可以產生電流,從而拉開了生物燃料電池研究的序幕。六十年代,為了將長途太空飛行中的有機廢物轉化成電能,美國航空航天管理局投入了大量的人力和物力進行研究,真正掀起了生物燃料電池研究的。后來盡管由于技術原因,生物燃料電池曾一度陷入停滯狀態,但七、八十年代出現的石油危機又讓電池家族的新成員成為人們矚目的中心,自此之后迎來了更加廣闊的發展前景[3]。
簡言之,生物燃料電池就是以微生物、酶為催化劑,將有機物(如糖類等)中的化學能直接轉化成電能的一種電化學裝置。根據電池中使用的催化劑種類,可將生物燃料電池分為微生物燃料電池和酶燃料電池兩種類型。
2兩種典型的生物燃料電池
2.1 微生物燃料電池
典型的微生物燃料電池如上圖所示,它由陽極室和陰極室組成,質子交換膜將兩室分隔開。它的基本工作原理可分為四步來描述:(1)在微生物的作用下,燃料發生氧化反應,同時釋放出電子;(2)介體捕獲電子并將其運送至陽極;(3)電子經外電路抵達陰極,質子通過質子交換膜由陽極室進入陰極室;(4)氧氣在陰極接收電子,發生還原反應。我們以葡萄糖為例來具體地說明這個過程[1]:
陽極半反應:
C6H12O6+6H2O6CO2+24H++24e-E0=0.014V
氧化態介體 + e-還原態介體
陰極半反應:
6O2+24H++24e-12H2O E0=1.23V
2.2 酶燃料電池
如下圖,葡萄糖在葡萄糖氧化酶(GOx)和輔酶的作用下失去電子被氧化成葡萄糖酸,電子由介體運送至陽極,再經外電路到陰極。雙氧水得到電子,并在微過氧化酶的作用下還原成水。
陽極半反應:葡萄糖葡萄糖酸+2H++2e
陰極半反應:H2O2+2H++2e2H2O[3]
2.3生物燃料電池中的介體及其作用
2.3.1介體的作用
在生物電池的設計中一個最大的技術瓶頸就是如何有效地將電子從底物運送至電池的陽極??茖W家設想在陽極室加入一種或幾種化學物質,作為運輸電子的介體。介體的作用如圖3所示。
2.3.2 介體需滿足的條件[1][3]
經過研究發現充當介體的分子必須具備嚴格的條件:①介體的氧化還原電極電勢應與代謝物的電勢相一致;②介體的氧化態和還原態都應易溶于電解質溶液;③在溶液中有足夠的穩定性且不能吸附在細菌細胞或電極的表面;④介體的電極反應快;⑤微生物燃料電池中的介體應易于穿透細胞膜且對微生物無毒害作用;⑥微生物燃料電池中的介體在得到電子后應易于從細胞膜中出來;⑦介體的任一種氧化態都不會對微生物的代謝過程造成干擾。
生物燃料電池中常用的介體有硫堇、EDTA-Fe(Ⅲ)、亞甲基藍、中性紅等。
3 生物燃料電池的優點
與傳統的化學電池技術相比,生物燃料電池具有操作上和功能上的優勢(表1)。首先它將底物直接轉化為電能,保證了具有高的能量轉化效率。其次,不同于現有的生物能處理,生物燃料電池能在常溫、常壓甚至是低溫的環境條件下都能夠有效運作,電池維護成本低、安全性強。第三,生物燃料電池不需要進行廢氣處理,因為它所產生的廢氣的主要組分是二氧化碳,不會產生污染環境的副產物。第四,生物燃料電池具有生物相容性,利用人體內的葡萄糖和氧為原料的生物燃料電池可以直接植入人體。第五,在缺乏電力基礎設施的局部地區,生物燃料電池具有廣泛應用的潛力。
表1化學燃料電池與生物燃料電池比較[3]
4生物燃料電池的用途[1][5]
4.1改善汽車的燃料結構
使用生物燃料電池,1L糖類物質的濃溶液氧化產生的電能可供一輛中型汽車行駛25-30 Km,如果汽車的油箱為50L的話,裝滿糖后可連續行駛1000Km而不需要再補充能源。使用生物燃料電池,一方面可控制因化石燃料燃燒導致的空氣污染問題,另一方面還可避免因發生交通事故而引發的汽油起火燃燒甚至是爆炸。
4.2污水處理
2005年,由美國賓夕法尼亞州立大學的科學家洛根率領的一個研發小組宣布,他們研制出一種新型的微生物燃料電池,可以把未經處理的污水轉變成干凈用水和電能。
4.3為可植入人體內的設備提供能量支持
2005年日本東北大學教授西澤松彥領導的研究小組新開發出了一種利用血液中的糖分發電的燃料電池。這樣的生物電池可為植入糖尿病患者體內的測定血糖值的裝置提供充足電量、為心臟起搏器提供能量。
4.4 在機器人設計中的作用
2001年英國西英格蘭大學的科學家們研制出了一種名為“Slugbot”的機器人(如圖5),專門用于搜捕危害種植業的鼻涕蟲?!癝lugbot”將抓獲的鼻涕蟲放在一容器里,在酶的作用下將其轉化成電能。
2000年美國南佛羅里達大學科學家斯圖亞特.威爾金森(Stuart Wilkinson)宣稱,他們已經研制出了一種需要吃肉以給體內補充電能的機器人Chew Chew。 這種機器人體內裝有一塊微生物燃料電池,為機器人運動和工作提供動力。這種微生物燃料電池可以通過細菌產生酶,消化肉類食物,然后把獲取的能量再轉化為電能,供給機器人使用。
4.5在航空航天上的使用
為處理密閉的宇宙飛船里宇航員排出的尿液,美國宇航局設計了一種巧妙的方案:用微生物中的芽孢桿菌來處理尿液,產生氨氣,以氨氣作為微生物電池的電極活性物質,這樣既處理了尿液,又得到了電能。一般在宇航條件下,每人每天排出22克尿,能得到47瓦電力。
5 生物燃料電池發展展望
在化石燃料日趨緊張、環境污染越來越嚴重的今天,生物燃料電池以其良好的性能向我們展示了一個美好的發展前景。但不可否認的是,由于技術條件的制約,目前生物燃料電池的研究和使用還處于不成熟階段:電池的輸出功率小、使用壽命短。例如美國得克薩斯大學亞當?海勒博士研制的葡萄生物電池能提供的功率僅為2.4微瓦,這說明要點燃一個小燈泡需要100萬株葡萄,并且產電能每天都在衰減。由此導致生物燃料電池的使用范圍非常狹小,遠沒有達到全面推廣的時期。研究人員正在積極研究,努力克服這一瓶頸。
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5.1開發無介體生物燃料電池[5]
有一類鐵還原性微生物,由于其細胞膜上有豐富的細胞色素,表現出較強的電化學活性,在生物電池中能直接將電子轉移至陽極而不需要借助任何介體。研究表明Rhodoferax ferrireduler和Geobacteraceae種群的微生物都具有這種功能,它們在電池內發生的反應可表示為:
C6H12O6+6H2O+24Fe(Ⅲ) 6CO2+24Fe(Ⅱ)+24H+
+24e-。
無介體生物燃料電池的優點主要表現為有充足的空間,有利于提高電子轉移的效率和速率。
5.2加強對電極的修飾[4]
學者Derek R. Lovley等用石墨氈和石墨泡沫代替碳棒作為電池的陽極,研究發現電池的電能輸出大大增加,約為原來的三倍。說明增大電極的表面積可以增大吸附在電極表面的微生物和酶的密度,從而增加電量的輸出。
Zhen He等在微生物燃料電池中用微生物來修飾陰極,加快了氧氣的還原反應速率,極大地提高了電池輸出的電流密度。
5.3 選擇合適的質子交換膜[4][6]
質子交換膜能有效地維持電池兩極室內酸堿度的平衡,保證電池反應的正常進行。Liu和Logan在電池的設計中取消了質子交換膜,結果發現電池的庫侖輸出效率由55%降到了12%;Min et al.研究發現如果氧氣由陰極室進入陽極室,電池的庫侖輸出效率會從55%降至19%。這說明質子交換膜的質量好壞關系到生物燃料電池的性能,選擇合適的質子交換膜,增強質子的穿透性而降低氧氣的擴散成為了生物燃料電池開發中的一個重要環節。
5.4 開發光化學生物燃料電池[5]
利用光合細菌或藻類吸收太陽光,并將其轉化成電能的裝置稱為光化學生物燃料電池??茖W家曾設計出這樣的一種電池:用石墨作陽極,陽極室內有項圈藻和可溶性奎寧介體;陰極也為石墨電極,電解質溶液為鐵氰化鉀。把這種電池先放在陽光下光照10小時,然后在黑暗的環境中放置10小時,發現可產生1mA的電流(外電路電阻為500歐),只不過光子轉化成電子的效率只有0.2%。后來人們又用Synechococcus細菌來代替項圈藻,發現轉化率可提高到3.3%。
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致謝:本文在寫作過程中,得到化學系樂翠娣老師的指導和幫助,謹致以誠摯的謝意!
生物燃料的優點范文3
1 生物質固體成型燃料
農作物秸稈通常松散地分散在大面積范圍內,且堆積密度較低,這給收集、運輸、儲藏和應用帶來了一定的困難。在一定溫度和壓力作用下,將秸稈壓縮成棒狀、塊狀或顆粒狀等成型燃料,提高其運輸和貯存能力,改善秸稈燃燒性能,提高利用效率,不僅可以用于家庭炊事、取暖,也可以作為工業鍋爐和電廠的燃料替代煤、天然氣、燃料油等化石能源。
2 不同類型的生物質固體成型燃料
3 生物固體成型燃料的特點
生物質固體成型燃料是生物質能開發利用技術的發展方向之一,可為農村居民和城鎮用戶提供優質能源,近年來越來越受到人們的廣泛關注。其體積縮小6~8倍,密度約為1.1~1.4噸/m3;能源密度相當于中質煙煤:使用時火力持久,爐膛溫度高,燃燒特性明顯得到了改善。
二 國外生物質固體成型燃料發展現狀
1 國內外發展現狀
目前,國外生物質能固體成型燃料技術及設備的研發已經趨于成熟,相關標準體系也比較完善,形成了從原料收集、預處理到生物質固體成型燃料生產、配送、應用整個產業鏈的成熟體系和模式。
2 生物質固體成型設備
3 熱利用設備
4 發展現狀
2005年,世界生物質固體成型燃料產量已經超過了420萬噸,其中美洲地區110萬噸,歐洲地區300萬噸。預計2007年將總產量超過500萬t。歐洲現有生物質固體燃料成型廠70余個。僅瑞典就有生物質顆粒加工廠10余
家,單個企業的年生產能力達到了20多萬噸。國外生物質固體成型燃料技術及設備的研發已經趨于成熟,相關標準體系也比較完善,形成了從原料收集、預處理到生物質固體成型燃料生產、配送、應用的產業鏈成熟體系和模式。
5 歐盟標準-CEN/TC335固體生物質燃料
歐盟固體生物質燃料標準化工作始于2000年。按照歐盟的要求,由歐盟標準化委員會(cEN)組織生物質固體燃料研討會,識別并挑選了一系列需要建立的固體生物質燃料技術規范。歐盟標準化委員會準備了30個技術規范,分為術語;規格、分類和質量保證;取樣和樣品準備,物理(或機械)試驗;化學試驗等5個方面。技術規范的初始有效期限制為3年,在2年以后CEN成員國需要提交對標準的意見,特別是可否轉成歐盟標準。(表2)
三 我國發展生物質固體成型燃料的有力條件
1 國內發展現狀
我國生物質固體成型技術的研究開發已有二十多年的歷史,20世紀90年代主要集中在螺旋擠壓成型機上,但存在著成型筒及螺旋軸磨損嚴重、壽命較短、電耗大、成型工藝過于簡單等缺點,導致綜合生產成本較高,發展停滯不前。進入2000年以來,生物質固體成型技術得到明顯的進展,成型設備的生產和應用已初步形成了一定的規模。
2 形成了良好的政策法規環境
國務院辦公廳《關于加快推進農作物秸稈綜合利用意見的通知》中指出“結合鄉村環境整治,積極利用
秸稈生物氣化(沼氣)、熱解氣化、固化成型及炭化等發展生物質能,逐步改善農村能源結構?!必斦砍雠_了《秸稈能源化利用補助資金管理暫行辦法》,采取綜合性補助方式,支持從事秸稈成型燃料、秸稈氣化、秸稈干餾等秸稈能源化生產的企業收集秸稈、生產秸稈能源產品并向市場推廣。
3 核心技術趨于成熟
目前,我國秸稈固體成型的關鍵技術已取得突破,特別是模輥擠壓式顆粒成型技術,已經達到國際同類產品先進水平,有效地解決了功率大、生產效率低、成型部件磨損嚴重、壽命短等問題,并已實行商業化。全國秸稈固體成型設備的生產和應用已初步形成了一定的規模,固體成型燃料的年產量約20萬噸,主要以鋸末和秸稈為原料,用于農村居民生活用能、鍋爐燃料和發電等。生物質爐具的開發也取得一定的進展,開放了秸稈固體成型燃料炊事爐、炊事取暖兩用爐、工業鍋爐等專用爐具。
(1)不同的成型技術(圖5、6、7)
(3)生物質固體成型燃料示范工程案例
示范地點:北京大興區:建設規模:年產20000噸固體成型燃料,包括:顆粒燃料生產線1條,年產10000噸:壓塊燃料生產線1條,年產10000噸;原料類型:各種農作物秸稈、木屑、花生殼等。
工藝技術路線:(如8所示)
執行情況:已完成秸稈固體成型設備的研究設計,形成了具有自主知識產權的成型機,產品如圖9、10、11、12所示。
2008年5月通過農業部科教司組織的鑒定,鑒定結論:技術為國內領先,主要技術經濟指標居國際先進水平。
(4)生物質固體成型燃料爐
根據用途的不同,生物質固體成型燃料爐具可分為炊事爐、采暖爐和炊事采暖兩用爐;根據使用燃料的規格不同,可分為顆粒爐(圖13)和棒狀爐;根據進料方式的不同,可分為自動進料爐和手動爐;根據燃燒方式的不同,可分為燃燒爐、半氣化爐(圖14)和氣化爐。
(5)擬引進國外先進技術
引進了瑞典Gordic Environment AB公司的pellx生物質固體成型燃料高效燃燒器。(圖15)
熱輸出:10~25kW;
燃燒效率:大約90%;
功率消耗:大約40W
(6)我國生物質固體成型燃料標準體系(圖16)
(7)近期擬(已)制訂計劃(表4)
4 秸稈收儲運模式初步建立
農作物秸稈通常松散地分散在大面積范圍內。收購組織面廣量大,涉及到千家萬戶,這給秸稈能源化利用帶來了困難。經過探索和嘗試,各地因地制宜,形成了“農戶+秸稈經紀人+企業”、“農戶+企業+政府”等各具特色的秸稈收儲運模式。(圖17)
需求分析:
生物質固體成型燃料適用于農村居民炊事和采暖用能,大中城市工業鍋爐、發電和熱電聯產等。生物質固體成型燃料可為農村家庭提供室內取暖燃料,未來發展潛力巨大;隨著國家節能減排政策的實施,大中城市取締燃煤的工業鍋爐將成為必然,將燃煤鍋爐改造為燃生物質固體成型燃料鍋爐則是一個可行的選擇;木質顆粒燃料具有燃燒效率高、自動化程度高、清潔衛生等優點,適合于別墅壁爐等高端人群的冬季采暖,也是未來一個應用方向。
四 發展前景與展望
《可再生能源中長期發展規劃》中明確提出“重點發展生物質固體成型燃料”到2010年,生物質固體成型燃料年利用量達到100萬噸;到2020年,生物質固體成型燃料年利用量達到5000萬噸。(圖18)
效益分析:
拉動內需。建設1處年產3000噸秸稈固體成型燃料的示范點,需投資180萬元,需要水泥100噸、磚30萬塊、沙子170噸、鋼材70噸。
增加就業。建設秸稈固體成型燃料示范點可引導農村勞動力就地就近就業,每條生產線需要操作工30人,均來自當地農民,按照1000元/月計算,年人均收入可達1.2萬元。同時,從秸稈的收集、儲存和運輸整個收購環節,可以間接帶動當地的一部分勞動力參與到這個行業中來。按照每年收購12000噸原料計,可以吸收至少200人參與該行業。
生物燃料的優點范文4
一、生物質能在能源系統中的地位
生物質能一直是人類賴以生存的重要能源,目前,全世界約有25億人的生活能源依靠生物質能,僅次于煤炭、石油和天然氣,居世界能源消費總量的第四位,在整個能源體系中占有重要地位。煤炭、石油、天然氣是化石能源,究其根源也是由生物質能轉變而來的。專家認為,生物質能極有可能成為未來可持續能源系統的組成部分。預計到本世紀中葉,采用新技術生產的各種生物質替代燃料將占全球總能耗的40%以上。因此,專家稱生物質能為21世紀的綠色能源。
目前,生物質能技術的研究與開發已成為國際重大熱門課題之一,受到世界各國政府與科學家的關注。許多國家都制定了相應的開發研究計劃。我國既是一個人口多的農業大國,又是一個經濟迅速發展的國家,面臨著經濟增長和環境保護的雙重壓力。改變能源生產和消費方式,開發利用生物質能等可再生的清潔能源資源,對建立可持續的能源系統,促進國民經濟發展和環境保護具有重大意義,尤其對我國的農村地區更具有特殊意義。因此,生物質能優質化轉換利用勢在必行。
二、生物質能與常規能源相比的三大優點
生物質能具有資源豐富、開發方便、含碳量低的特點。
第一,資源豐富。它是人類可以利用的最豐富的能源之一,我國是農業大國,農林廢棄物特別豐富,可以說取之不盡,用之不竭。
第二,開發方便。地球上,只要有農作物和樹林的地方,就可以就地開發利用,農村更具有利用的價值。
第三,清潔能源。在開發和利用生物質能時,原料易燃燒,污染少,灰分較低,廢渣、廢水、廢氣少,也沒有噪音。更重要的是,不會影響生態平衡。三、開發適合國情的生物質能燃料和設備
在加拿大、瑞典、芬蘭等歐美國家,生物質能鍋爐使用的燃料仍停留在木質顆粒燃料上,原因是農作物秸稈及野草質類的顆粒燃料含鉀等成分高,容易結渣,他們現有的生物能供熱設備和技術不能解決結渣問題,影響設備自動燃燒的正常運行,不得已摒棄秸稈燃料,使用木質燃料。國外專家的研究方向是用基因技術改良秸稈、野草類植物的成份含量,降低顆粒燃料的結渣成分,來保證生物質能鍋爐的燃燒過程正常運行。我國利用生物質能如果直接引用國外現有的設備和技術,顯然不符合國情,而基因改造秸稈的技術距離現實和大規模推廣還遠。
北京老萬生物質能科技公司對自己提出的要求是:既要利用國內現有的生物資源,又要解決自動燃燒的難題??蒲腥藛T從我國樹木少、農作物秸稈多的國情出發,確定了生物質能鍋爐以秸稈、樹木類等為生物質燃料的方向。他們與國外專家合作,經過潛心鉆研,克難攻堅,研制出了秸稈顆粒和塊狀燃料的科學加工技術,開發了采用這些燃料的自動燃燒生物質能鍋爐。經過清華大學熱能研究所和熱能工程系聯合檢測,老萬生物質能鍋爐的燃燒效率達到99%,熱效率達到86.07%,各項環保指標都達到了歐洲現行的排放標準。
老萬自動燃燒生物質能鍋爐系列產品隨后通過了國家農業部科教司主持、全國著名專家組成的鑒定委員會的鑒定。評價是設計獨特,結構新穎,造型美觀,自動供料,燃燒充分,屬高新技術產品。其技術國內領先,達到國家先進水平。該技術在解決生物質燃料燃燒結渣和焦油處理上實現了重大突破,填補了我國生物質能高效利用和燃燒的空白。
這正是:小企業擁有高技術,小企業干出大名堂。
四、實現“低消耗、低排放、高效率”,造福百姓
老萬生物質能產品是目前國內外高效利用生物質能的佼佼者。其技術特點和主要優勢有三點:
1 高效便利性
(1)生物質燃料的高效性:老萬公司研發的成型(顆粒、塊狀)燃料,是將農、林廢棄物如玉米秸稈、棉花稈和鋸末等,經過粉碎、烘干、篩選、高壓成型制成的高密度顆粒燃料和壓塊燃料,容積密度大,1000~1100公斤/立方米,具有較高的強度。這種燃料表面細致光滑,發熱量高達3700~4200大卡/公斤,起火速度快,燃燒效率達99%,熱效率達86%以上。它的燃燒性能已經相當于中質煙煤,而硫和灰分等有害物質的含量卻相當低,勝于煙煤。這種再生能源最清潔且廉價,國際公認是化石能源的最佳替代物之一。
(2)鍋爐的便利和安全舒適性:老萬生物質能鍋爐采用先進的自動控制清潔燃燒技術,核心技術在于燃燒器。燃燒器由主燃室和副燃室組成,采用二、三次風火焰擾動和獨特的火焰導流混合燃燼技術。以溫度為控制點,自動點火、自動進料、自動排灰,自動化程度較高,提高了燃料的燃燼率和鍋爐熱利用率。在運行中基本是每日加一次料和倒一次灰,不需要高深復雜的操作,非常便利。由于是常壓運行,強制排煙,又配備了泄壓閥、靜音風機、屏蔽水泵和超溫保護功能,安全性高,工作環境舒適。
2 環境保護性
(1)煙氣黑度和煙塵濃度低:燃料在燃燒中迅速釋放的揮發成份沒有得到充分燃燒時,未燃燼的含炭煙塵被煙氣帶出,就造成煙氣黑度高,煙塵濃度高。老萬生物質燃料的燃燒性能相當于中質煙煤,而二氧化硫和灰分等排放物卻大大低于煙煤。同時,生物質能鍋爐創造了先進的自動控制清潔燃燒技術和火焰導流混合燃燼技術,使燃料在爐內充分燃盡,減少煙塵的產生,消除了黑煙。2008年1月22日,北京京環科環境保護設備檢測中心檢驗結果表明,老萬鍋爐的S02、煙塵排放、氮氧化物等化學排放指標遠遠低于歐洲環保標準,煙氣黑度小于林格曼1級,二氧化碳排放減少100%!所有指標完全符合北京市《鍋爐大氣污染物排放標準》。
(2)燃燒后的灰渣不存在二次污染:由于燃料全部使用秸稈生物質原料,在成型燃料的加工過程中也不添加任何化學成分和添加劑,所以,燃料燃燒之后全部變成了草木灰,既可當做肥料,也可回收作為建筑材料,不帶來二次污染的問題。
3 經濟節能性
老萬生物質能鍋爐使用的燃料純粹是顆粒燃料或壓塊燃料,極大地提高了燃料的燃燼率和鍋爐的熱利用率,其熱能利用遠高于燃煤的利用率。這一綠色的能源無論是用于取暖、炊事、洗浴,都非常適宜。
以采暖為例,假設一家有150平米的房間面積,如果使用顆粒燃料,一個采暖期大約需要4~6噸,按850元/噸計算,每平米采暖費是23~34元。如果使用壓塊燃料,一個采暖期大約需要5~7噸,按500元/噸計算,每平米采暖費17~23元。如此看來,生物質鍋爐取暖費和集中供暖、燃煤取暖費用相當,遠遠低于使用燃油爐、燃氣爐和電采暖的費用。
生物燃料的優點范文5
近年來,生物質固體成型燃料作為可再生能源的重要組成部分,越來越受到人們重視。生物質固體成型燃料是指在一定溫度與壓力作用下,將原來分散、沒有一定形狀的經干燥和粉碎的秸稈壓制成具有一定形狀、密度較大的成型顆粒。生物質固體成型燃料可作為農村居民生活用燃料,也可作為取暖燃料,還可以充當發電燃料,節目中主要以顆粒生產系統和壓塊生產系統為例,介紹生物質固體成型燃料的主要生產環節。
《青飼青貯玉米高產栽培技術》
青飼青貯玉米一般是指用青綠鮮嫩植株作飼料的玉米。在不同生育階段收割青綠的玉米莖葉和果穗直接飼喂家畜:或在乳熟期至蠟熟期收獲包括玉米果穗在內的整株玉米經切碎加工貯藏發酵,調制成青綠飼料:或在蠟熟期,先收獲玉米果穗,然后再收獲青綠莖葉的植株,調制成青貯飼料,飼喂牛羊為主的家畜。
本節目主要從品種選擇、分期播種、加大播種量、增加密度、勤于肥水、掌握好收獲時間等方面介紹青飼青貯玉米高產栽培技術。
《解讀》
苗種是水產養殖生產第一物質基礎。近年來,隨著我國水產養殖生產的發展,水產養殖種類不斷增加,水產苗種生產能力迅速擴大,產量不斷提高,苗種對水產養殖業健康持續發展發揮的作用越來越重要。
為加強水產苗種管理工作,保護我國水產種質資源,提高苗種生產質量,農業部制定并修訂了《水產苗種管理辦法》。節目從種質資源保護和品種選育、生產經營管理、進出口管理等方面對《水產苗種管理辦法》進行了解讀。
《奶牛難產的原因及救治》
奶牛難產如處理不當,不僅會危及奶牛及胎兒的生命,且會引起奶牛生殖道疾病,影響以后的繁殖力,給奶農造成很大的經濟損失。因此,積極防止及正確處理奶牛難產,對于養牛戶來說是一項極為重要的工作。本節目詳細介紹了奶牛難產的原因及救治技術。
《食用菌仿野生栽培技術》
本節目介紹的食用菌仿野生栽培是人工栽培和仿野生出菇管理相結合的栽培新模式。由于在出菇期間模仿其原來的生態環境進行管理,使人工栽培的菇產品具有野生菇的色澤和風味,并克服了傳統袋栽后期缺水、補水的不足,如管理得好,產量更高。
生物燃料的優點范文6
化石燃料儲備的枯竭、全球氣候變暖、人口的持續增長、高成本的廢物回收及存在的其他問題,都促使了可再生能源或消費品的出現。作為石油能源的替代品,生物質的生產也將會得到發展。這就提供了一個生物煉制的概念,即剩余生物質中的成分可以提取出來并利用它們的功能來生產非食品和食品物質、工農業生產中間體和合成的中間體。其涉及到3個重要的工業領域:分子領域、材料領域、能源領域。以生物殘渣為原料不僅能合理利用資源,而且可以減少對環境的危害?;诠S化生產的生物煉制,可以發展的更普遍。廢料和副產品的減少不僅與工廠化生產有關,而且還和屬于不同公司的工廠、不同生產過程之間的互補有關。初級產生的廢料和副產品,可以作為二級生產的原料或是三級生產的能量來源。原材料、副產品流動的最佳化與不同生產之間能源的最佳化聯合在一起,使通過工業代謝實現的生物煉制更普遍化[1]。生物產物對石油產品的取代將會發展成新的生物經濟,也會產生新的可持續發展生物工業化過程。工業化的生物煉制,將和基于12個綠色化學產生的新過程有關(如清潔過程、原子經濟、可再生原料等)。生物技術,尤其是白色生物技術將會在生物轉化(酶和微生物)與發酵工程中占有很大比例。世界上每年都會產出大量的木質纖維素廢料,包括農業殘渣、食品農業廢棄物、綠色食品廢棄物、修剪樹木殘留物、城市有機和造紙部分的剩余固體廢料。目前,常用的處置方法對環境和經濟不利,包括填埋、焚化,甚至飼養動物。作為替代方案,應開發使廢物增值的高附加值產品,也就是廢物升級,這具有很大的經濟效益和生態優勢[2]??赏ㄟ^升級固體廢物來制得范圍廣泛的高附加值產品,如酶、生物燃料、有機酸、生物聚合物、生物電、食品和藥物等。
1廢物中的生物燃料
1.1生物乙醇
世界上乙醇生產量較大的國家是美國、巴西和中國。2009年,美國用玉米生產了39.5×109L乙醇,作為第二大乙醇生產國的巴西用甘蔗生產了30×109L乙醇[3]。2015年,生物乙醇市場達到100×109L。事實上,美國能源部已經設定了一個到2030年年產2.7×109L可再生燃料的目標,而歐盟也制定了一個強制性的目標,到2020年,可再生燃料的比例占到10%。然而,利用食物生產乙醇會造成食品供應的競爭,所以唯一可持續化的方法就是利用木質纖維素的剩余物來生產乙醇。其優勢在于地球上含量豐富、分布廣泛,而且不和食品供應競爭。木質纖維素轉換成乙醇主要涉及:①對木質素的預處理和使細胞壁多糖顯露出來;②利用酶分解纖維素酶的混合物;③用乙醇工業酵母發酵糖。現在已經有很多預處理方法得到了發展,如物理處理、化學處理(堿性或酸性)、生物處理和物理化學處理。其中,物理化學處理包括蒸汽爆炸、氨纖維膨脹、超臨界流體處理和熱化學處理[4]。預處理后,用酸或酶使纖維素和半纖維素水解成單糖(己糖和戊糖)。相比較而言,通過纖維素酶水解纖維素是一個首選的方法,因為它與酸水解比較,具有產量高、低腐蝕性、毒性小的優點[5]。然而,對于提高纖維素水解成乙醇的這一過程仍然面臨很大的挑戰,尤其是酶成本投入仍然是這一技術的關鍵,降低酶成本的努力還在進行中,這包括通過提高酶的專一性來提高酶的活性,或通過直接進化或定向位點誘變來使酶的劑量最小化,或者通過提高發酵過程中纖維素濃度,使用便宜的取代物生產酶來降低酶生產的成本等。酶水解可能分步發生,這叫做分步水解發酵(SHF),或是己糖的糖化和發酵同時發生(SSF),或是己糖和戊糖的糖化與共發酵同時發生(SSCF)。它們最終的目標是一步到位地將木質纖維素加工成生物乙醇[6],所有步驟都發生在一個單一的反應器里,在這個反應器中微生物可將預處理的生物量轉化為乙醇??紤]到當地的氣候條件,必須執行嚴格的木質纖維素廢棄物鑒定要求,要考慮到可行性的處理方法。例如,在法國、意大利、西班牙、土耳其和埃及等國,糧食作物、橄欖樹、西紅柿和葡萄加工的剩余物提供了豐富的木質纖維素來源,在這些國家,他們可以用這些來源作為生產乙醇的原料,這就使他們擁有了生產1.3×108t油當量的乙醇潛力。由于在其他的地中海國家缺少足夠的農作物剩余物供應,所以他們正打算用城市固態廢棄物作原料生產乙醇。地中海盆地每年生產18×108t廢棄物的一半最大程度上可以生產3000×108t油當量的乙醇,而其中的管理將成為最關注的問題[7]。很多水果生產中的廢棄物,像香蕉皮、芒果皮、菠蘿皮已經成功地作為取代物生產乙醇。非洲廣泛生產的木瓜廢棄物也已經成為最常見的替代品用于酵母發酵生產乙醇[8],而且通過黑曲霉和釀酒酵母同時糖化發酵24h后,能達到生產乙醇的最大產率5%。最近,葡萄廢棄物也被釀酒酵母發酵成乙醇[9]。小麥秸稈、水稻秸稈、燕麥和大麥秸稈用于生產生物乙醇的事例也被大量報道,玉米秸稈和大豆剩余物也被用于發酵生產乙醇[10]。Mutreja等人[11]對8種不同木質纖維素廢棄物的預處理進行了研究,并且在30℃下酸處理得到乙醇的最大產率為1.42g/L。Singh和Jain[12]報道了蔗糖作為替代物分批生產乙醇的事例。使用城市固體廢棄物生產乙醇這一做法是一個較有前途的戰略,可以滿足世界能源的需求和減少溫室氣體排放。尤其是用可降解的城市固體垃圾對廢物進行管理,減少二氧化碳排放量,對改善水的質量、增加土地利用率和生物多樣性帶來很多好處[13]。之前的一項研究表明,約52%的發酵用葡萄糖來源于可降解城市固體垃圾。最近,可降解廢棄物,像廚房垃圾、花園垃圾和廢紙都很適合于替代乙醇的生產,在優化條件下可產生約90%的葡萄糖。所以,可降解的城市固體廢棄物作為生物乙醇生產的原料擁有很大的優點,既可以減少垃圾填埋與焚燒,還可以減少溫室氣體的排放。作為通過一步發酵直接得到乙醇的例子,利用梭狀芽孢桿菌植物發酵柳枝得到乙醇已經成為現實。梭狀芽胞桿菌被選來用于一步發酵,是因為可以在不同的底物上生長,而且產出的乙醇中有很少的醋酸鹽副產物[14]。研究顯示,固體發酵中,乙醇的最大體積分數在第12天測出來,醋酸鹽和乙醇的體積分數在開始的前6d接近,從第6天到第14天乙醇體積分數顯著增加并且超過了醋酸鹽的最大體積分數。不同的是,在淹沒狀態下發酵,醋酸鹽和乙醇的體積分數增加到第6天后就不再增加了。Kamei等人[15]報道了只用單一微生物而不用額外的化學物質或酶將木本植物發酵成乙醇的事例。他們利用白腐病真菌將好氧條件下的脫木質化和厭氧條件下的糖化發酵聯合在一起,這種真菌能夠在有氧固態發酵條件下選擇性地降解木質素,從而直接從好氧培養液中生產乙醇。經過56d的有氧發酵后,40.7%的木質素和葡萄糖被降解,并且在有氧無額外添加纖維素的條件下,20d后會生成乙醇最大理論值43.9%。
1.2生物丁醇
丁醇是ABE(丙酮、丁醇、乙醇)發酵的一種產品[16],它是一種非常好的化學原料(在塑料工業中)。更重要的是,相比乙醇而言,它是一種更好的燃料,它腐蝕性弱、吸濕性弱、污水溶解性好。由于蒸汽壓低,因此蒸汽爆炸可能性小,同樣的丁醇和乙醇,丁醇的能量比乙醇高30%,與目前未經改裝的車使用的汽油相比,它擁有更大的混合比例[17]。丁醇可以通過一系列微生物發酵制得,其中最常用的是丙酮丁醇梭菌和拜式梭菌來進行發酵制得。
1.3生物氫
氫氣正在變成良好的新型能源,因為它清潔、可循環,而且可以用于燃料電池來直接提供電能[18]。發酵得到的氫氣來源于有機底物的發酵轉化,而這是由不同細菌使用多元酶體系體現出來的,這個體系涉及到3個相似的無氧轉化。暗發酵反應不需要光源,所以它可以24h持續發酵[18]。光發酵不同于暗發酵,因為它只在有光的條件下才反應,可以通過綠藻進行直接的光發酵或是藍藻進行間接的光發酵得到。光發酵需要厭氧喜光細菌,而暗發酵需要厭氧發酵細菌。最近的研究工作中發現,光發酵細菌能利用幾種不同的廢棄物材料作為碳源來進行生產氫氣產物的發酵。利用發酵技術將木質纖維素轉化成氫氣產物,包括纖維素水解和氫氣產生兩步,而這兩步發生在一個反應器中,或者說是兩步過程,纖維素水解是第1步,緊接著是無光條件下產生氫氣,這是第2步。
1.4生物高聚物
潛在的可以生物降解的聚合物,尤其是可以從農業資源中得到的聚合物逐漸被認識到??山到馑芰蠌目稍偕Y源中制得,它不僅可以降低石油消耗速率,還可以減少塑料垃圾的處理問題,因為它可以在土壤、堆肥甚至海洋環境中得到降解。這個所謂的農業聚合物,可以取代傳統的塑料材料用于食品包裝業。聚羥基丁酸酯和聚羥基脂肪酸酯是通過生物技術得到的主要可降解聚合物;聚乳酸也是一個可降解聚合物,它是由木質纖維素得到的乳酸單體聚合而成。
1.5生物電
在生物廢棄物處理方面微生物燃料電池(MFCs)是一個新想法,通過微生物新陳代謝的途徑將廢棄物轉變成生物電[19]。MFC(微生物燃料電池)是一種混合型的生物電化學裝置,可直接通過微生物介導的生物電化學反應,用化學鍵的聚集實現能量轉換,從得失電子的氧化還原反應中得到所需能量,用于同化作用,這個生物媒介在細菌的新陳代謝活動中得到發展[20]。微生物燃料電池有很多技術之外的優點。首先,可以直接并高效地將底物能量轉化成電能,大約轉化為氫能源的8倍[21];其次,室溫下就可以進行高效操作;第三,不需要氣體處理,因為排出的氣體中富含二氧化碳;第四,用氣體提供陰極時不需要能量輸入,因為這是被動充氣,具體的轉化效率和經濟效益取決于廢棄物材料的化學組成和特征。
1.6微生物固體發酵得到的附加值產品
固體發酵(SSF)在缺水或接近缺水的條件下實現,具有能源消耗低、定容生產能力大、附加值產品濃度高、廢物產生少、異化作用抑制低等特點[22]。很多不同的廢棄物都被報道,成功地作為固體發酵底物而得到了高經濟價值的一系列產品。固體廢料的簡單預處理包括研磨和按不同粒徑分類,這樣就實現了材料同質化并且確保對下步反應有較小的影響,通過這些預處理就可以使細菌活下來。這種固體發酵方法在深層發酵工藝中引人注目。
2結論