生物质能

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生物质能(Biomass energy)

目录

什么是生物质能[1]

  生物质能是指植物叶绿素将太阳能转化为化学能储存在生物质内部的能量,通过热化学转换技术将固体生物质转换成可燃气体、焦油等,通过生物化学转换技术将生物质在微生物的发酵作用下转换成沼气、酒精等,通过压块细密成型技术将生物质压缩成高密度固体燃料等。生物质能源包括:能源林木、能源作物、水生植物、各种有机的废弃物等,它们是通过植物的光合作用转化而成的可再生资源

  生物质能由太阳能转换而来,它蕴藏在植物、动物和微生物等有机体中,是人类赖以生存的物质基础。生物质作为能源利用,在转换系统的每一个环节都可为人类造福,它具有全程良性循环的特征。生物质能既可直接利用,也可以通过转化成氢气、乙醇、沼气等含能物质间接使用。

生物质能的特点

  1、可再生性

  生物质属可再生资源,生物质能由于通过植物的光合作用可以再生,与风能、太阳能等同属可再生能源,资源丰富,可保证能源的永续利用;

  2、低污染性

  生物质的硫含量、氮含量低、燃烧过程中生成的SOX、NOX较少;生物质作为燃料时,由于它在生长时需要的二氧化碳相当于它排放的二氧化碳的量,因而对大气的二氧化碳净排放量近似于零,可有效地减轻温室效应;

  3、广泛分布性

  缺乏煤炭的地域,可充分利用生物质能;

  4、生物质燃料总量十分丰富

  生物质能是世界第四大能源,仅次于煤炭、石油天然气。根据生物学家估算,地球陆地每年生产1000~1250亿吨生物质;海洋年生产500亿吨生物质。生物质能源的年生产量远远超过全世界总能源需求量,相当于目前世界总能耗的10倍。我国可开发为能源的生物质资源到2010年可达3亿吨。随着农林业的发展,特别是炭薪林的推广,生物质资源还将越来越多。

生物质能的分类

  依据来源的不同,可将适合于能源利用的生物质分为林业资源、农业资源、生活污水和工业有机废水、城市固体废物及畜禽粪便等五大类。

  1、林业资源

  林业生物质资源是指森林生长和林业生产过程提供的生物质能源,包括薪炭林、在森林抚育和间伐作业中的零散木材、残留的树枝、树叶和木屑等;木材采运和加工过程中的枝丫、锯末、木屑、梢头、板皮和截头等;林业副产品的废弃物,如果壳和果核等。根据2000年完成的第5次国家森林资源调查(1994~1998年),至1998年有森林土地2.63亿公顷,森林面积1.59亿公顷,其中,木材存量为124.9亿立方米,森林存量超过112.7亿立方米。

  2、农业资源

  农业生物质能资源是指农业作物(包括能源作物);农业生产过程中的废弃物,如农作物收获时残留在农田内的农作物秸秆(玉米秸、高粱秸、麦秸、稻草、豆秸和棉秆等);农业加工业的废弃物,如农业生产过程中剩余的稻壳等。根据1995年的统计数据计算,我国农作物秸秆年产出量为6.04亿吨,其中造肥还田及其收集损失约占15%,剩余5.134亿吨。可获得的农作物秸秆5.134亿吨除了作为饲料、工业原料之外,其余大部分还可作为农户炊事、取暖燃料,目前全国农村作为能源的秸秆消费量约2.862亿吨,但大多处于低效利用方式即直接在柴灶上燃烧,其转换效率仅为10%一20%左右。

  3、生活污水和工业有机废水

  生活污水主要由城镇居民生活、商业服务业的各种排水组成,如冷却水、洗浴排水、盥洗排水、洗衣排水、厨房排水、粪便污水等。工业有机废水主要是酒精、酿酒、制糖、食品、制药、造纸及屠宰等行业生产过程中排出的废水等,其中都富含有机物。2002年,我国工业和城镇生活废水排放总量为439.5亿吨,其中工业废水排放量207.2亿吨;城镇生活污水排放量232.3亿吨。废水中COD排放总量1366.9万吨,其中,工业废水中COD排放量584.0万吨,城镇生活污水中COD排放量782.9万吨。

  4、城市固体废物

  城市固体废物主要是由城镇居民生活垃圾,商业、服务业垃圾和少量建筑业垃圾等固体废物构成。其组成成分比较复杂,受当地居民的平均生活水平、能源消费结构、城镇建设、自然条件、传统习惯以及季节变化等因素影响。中国大城市的垃圾构成已呈现向现代化城市过渡的趋势,有以下特点:

  一是垃圾中有机物含量接近1/3甚至更高;

  二是食品类废弃物是有机物的主要组成部分;

  三是易降解有机物含量高。目前中国城镇垃圾热值在4.18兆焦/千克(1000千卡/千克)左右。

  随着城市规模的扩大和城市化进程的加速,中国城镇垃圾的产生量和堆积量逐年增加。1991和1995年,全国工业固体废物产生量分别为5.88亿吨和6.45亿吨,同期城镇生活垃圾量以每年10%左右的速度递增。1995年中国城市总数达640座,垃圾清运量10750万吨。

生物质能的优势[2]

  1.生物能源是唯一能大规模替代石油的能源

  随着石油价格的攀升趋势,以及石油资源的有限,寻找一种可以替代石油能源的新能源已经迫在眉睫。生物能是唯一可以替代石油能源的无污染能源,而水能、风能、太阳能、核能及其他新能源只适用于发电和供热。

  2.生物能源产品的多样性优势

  生物能源产品有液态的生物乙醇和柴油、固态的原型和成型燃料、气态的沼气等多种能源产品。生物能源既可以替代石油、煤炭和天然气,也可以用于供热和发电。

  3.生物能源的“可循环性”和“环保性”

  生物能源是在农林和城乡有机废弃物的无害化和资源化过程中生产出来的产品生物燃料的全部生命物质均能进入地球的生物学循环,即使是释放的二氧化碳也会重新被植物吸收而参与地球的循环,做到无污染、零排放。物质上的环保性、永续性,资源上的可循环性是现代新能源发展中所迫切需要的,而且生物能源的生产模式也是极其现代化的。

  4.生物能源有利于创造就业机会和建立内需市场

  巴西的经验表明,在石化行业创造1个就业岗位,可以在乙醇行业创造152个就业岗位;石化行业产生1个就业岗位的投资是22万美元,燃料行业仅为1.1万美元。联合国环境计划署发布的“绿色职业”报告中指出,“到2030年可再生能源产业将创造2040万个就业机会,其中生物燃料将贡献1200万个”。

  5.生物燃料具有对原油价格的“抑制性”

  生物能源的使用,使原油生产国大量增加,它通过自主生产燃料,可以抑制进口石油价格,并减少进口石油费用,使更多的资金能用于改善人民生活和经济的持续发展,从根本上解决能源危机粮食危机

生物质能的主要利用技术[3]

  (1)化学转换技术

  生物质化学转换技术包括直接燃烧、液化、气化、热解等方法,其中最常用的是直接燃烧。但直接燃烧烟尘大,热效率低,能源浪费大。除农村外,一般在城镇不提倡直接燃烧的方法。同时,应禁止农村在田间焚烧秸秆。

  生物质热解技术是生物质受高温加热后,其分子破裂而产生可燃气体(一般为一氧化碳CO、氢气H:和甲烷CH。等混合气体)、液体(焦油)及固体(木炭)的热加工过程。目前在湖北省已使用或正在兴建的秸秆集中供气即属于炭气联产热解技术

  采用直接热解液化方法可将生物质转变为生物燃油。据估计,生物燃油的能源利用效率约为直接燃烧物质的4倍,且辛烷值较高,若将生物燃油作为汽油添加剂,其经济效益更加显著。

  生物质气化是将固体或液体燃料转化为气体燃料的热化学过程。生物质与煤相比,挥发分含量高,灰分含量少,固定碳含量少但活性比煤高许多。因此,生物质通过气化之后加以利用,比煤气化后再利用的效果要好。

  (2)生物质物理转换技术

  生物质热解技术主要指生物质压制成型技术。将农林剩余物进行粉碎烘干分级处理,在一定的温度和压力下在成型机中形成较高密度的固体物料。

  (3)生物化学转换技术

  该技术主要是利用生物质厌氧发酵生成沼气和在微生物作用下生成酒精等能源产品。主要包括厌氧发酵制取沼气、微生物制取酒精、生物制氢、生物柴油等。

生物质能的开发前景[4]

  生物质能是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界资源总量第四位的资源。据估计,到本世纪中叶,采用新技术生产的各种生物质替代燃料将占全球总能耗的40%以上。根据生物学家估算,地球上每年的生物质能总量约达1400~1800亿吨,相当于目前世界总能耗的10倍。

  世界全部生物质存量约为1.9万亿吨,如果陆地与海洋合计平均最低更替率为11年,那么每年全球新产生的生物质约为1700亿吨,折算成标准煤850亿吨或油当量600亿吨,约相当于2007年全球一次能源供应总量的5倍。地球上每年生物体产生的生物质总量约在1700亿吨,目前为人类所利用的只有约60亿吨,仅占总量的3.5%。其中37亿吨作为人类的食物,20亿吨的木材用作材料和资源,37亿吨被用于满足人类其他需要。

  纤维素、半纤维素和淀粉是生物质中最主要的成分,它们约占生物质的65%至1J85%,也是地球上储量最大的物质。生物质能资源大致可分为传统生物质能和现代生物质能两种。传统生物质能的利用主要限于发展中国家,广义上包括所有小规模使用的生物质能。现代生物质能是可以大规模用于替代常规资源的各种生物质能,包括林产品废弃物、甘蔗渣、城市废弃物、生物燃料(包括沼气和资源型作物)等。总体而言,生物质能可以分为森林资源、农作物秸秆、禽畜粪便和生活垃圾四种。

  生物质能有着与其他可再生资源相类似的优点,开发利用前景巨大。首先,可再生性。生物质能是广义太阳能资源的一种,是光合作用的产物,具有永久的可再生性,取之不尽用之不竭。其次,清洁性。生物质的硫含量、氮含量低,作燃料时所排放的二氧化碳的量几乎全被生物质本身进行了光合作用,因而对大气的温室气体净排放量近似于零,可有效地减轻温室效应。第三,储量丰富,分布广泛。只要有光合作用的地方,就存有生物质能,且储量丰富,如前文所述,生物质能是世界第四大资源,仅次于煤炭、石油和天然气。第四,生物质能方便易取,价格低廉,运输使用便利。

  18世纪之前,生物质能一直是人类最主要的能量来源,但当时对生物质能的利用比较原始,现代意义上的开发与利用生物质能至今还处于初级阶段,生物质能在发达国家中资源结构中的比重相对较小,发展中国家生物质能在整个资源结构中的比重则可高达40%甚至以上。地球每年经光合作用产生的生物质有1730亿吨,自然界每年储存的生物质能相当于世界主要燃料的10倍,而现在全世界资源的利用量还不到其总量的1%,目前生物质资源占全球资源利用量的11%,但是部分来自不可持续的采伐。

  据预计,至2020年全世界生物质资源的商业化利用将达到1亿吨油当量,并形成千万吨级规模的生物液体燃料的生产能力。可持续的生物质能潜力巨大,如得到合理开发与利用,可满足当前全球资源需求量的65%以上。可见生物质能作为一种可再生资源的可开发前景和潜力之巨大。专家普遍预测,生物质能将成为21世纪主要的新资源之一。

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参考文献

  1. 张淑谦,童忠良编.化工与新能源材料及应用.化学工业出版社,2010.09.
  2. 孙飞,赵文锴著.中国经济大趋势 2 生死转型.中国经济出版社,2011.06.
  3. 张衍林主编.农村能源实用新技术.湖北科学技术出版社,2011.03.
  4. 关乐原著.中国资源安全战略思考.人民日报出版社,2010.12.
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