| 单词 | 生物质转化 |
| 释义 | 【生物质转化】 拼译：biomass conversion 生物质是由各种植物组成的可再生资源。世界上生物能的资源非常丰富。美国康奈尔大学学者估计，全世界陆地和海洋所有生态系统中，每年干有机物的净产量为1660亿吨，其中陆地上的为1100亿吨，占70%，这个数字相当于1985年世界全年总能耗量的5倍多。1979年英国《自然杂志》指出：地球上的植物，每年靠光合作用固碳2×1011t，相当于生产3×1021焦耳的能量。中国生物质的生产量约为50亿吨干物质，其中农业生产量7亿多吨，如把这7亿多吨干物质都气化，则生产的气体可相当5000多万吨石油。 直接燃烧：生物质作为燃料直接使用，存在着体积庞大、含水量高，即使干燥后其热值也不高的问题。就可燃物而言，生物质远远不及煤炭。当生物质的含水量多于2／3时，不能直接燃烧，必须采取自然的或人工的干燥方法，使其含水量少于30%。农村大多数的柴灶热效率很低，有的不到10%，高的也才百分之十几，因此，每年要浪费大量的生物质，毁坏大量林木、植被，造成水土流失，破坏生态平衡，直接影响农、林、牧、副的发展。如果把生物质气化，不仅可以提高燃料的热利用率，使热利用效率由原来的10%提高到30%至45%，而且可以提高燃料的品位，用于多种用途，如可作为内燃机的代用燃料。生物化学转化 生物化学转化包括气化和液化。以下只介绍沼气和酒精制取技术。(1)厌氧发酵。在厌氧条件下，原料经过多种厌氧的和兼性厌氧的微生物的协同作用，分解成简单而稳定的物质，产生的气体最终产物主要是甲烷(约占55%～65%)和二氧化碳(约占30%～40%)，还有微量的氢、硫化氢和氨等。发酵液中还有一类环状化合物的聚合物——腐植酸和未消化的残渣。沼气利用特别是户用小型沼气池在中国农村得到迅速推广，它可以节约能源，促进了农业生产的发展，改变了农业循环体系，有利于保护环境、改善卫生条件。由于沼气含甲烷量高，其热值可高达20．9MJ／N·m3以上，因此，它作为内燃机的燃料已在中国应用。但是，由于生物质厌氧发酵转化成沼气的效率较低，只有30%左右(户用池)，而且转化过程较长，因此，单纯从能源方面考虑，使用沼气是不经济的。同时，树木和含木质素较高的植物难以被微生物发酵产生为沼气。另一方面，沼气池的可靠性、寿命以及过冬(尤其是在北方)等都存在一定的问题。大型化、提高转化温度和反应速度(中、高温发酵)是其亟待解决的问题。(2)发酵制酒精。对生物质通过发酵生产酒精还存在争议，即酒精所含的能量是否大于生产它所消耗的能量。许多国家如巴西正在减少酒精的生产而增加工业甲醇的生产。酒精的热值为26．7MJ／kg。由于它的物理及化学特性，可以与汽油混烧或直接用于酒精发动机。但是，由于酒精的生产存在以下问题，进行大量的生产是不可能的。一般而言，生物化学转化技术存在以下问题：反应速度过慢，要求从稀释的液态中回收产品(酒精生产)，反应条件复杂，消毒要求严格，进料操作困难等；同时，它的原料和运行成本是热化学转化的3倍；高成本产生的部分原因是生产率低、对反应器需要采取防腐蚀和非毒性措施、生物反应对物理条件的敏感性以及反应过程存在大量的水等。因此，生物转化更适宜生产高价值的化学产品或人类消费必需的食物，如酒和醋酸等；同时它还有利于生态农业的发展。生物转化具有良好的综合效益而不能单纯从能源方面考虑。热化学转化 热化学转化技术优于生化转化技术表现在：首先，其原料包括所有的生物质和有机垃圾甚至煤，这样它可应用农村地区大量存在的含木质素高的生物质，从而节约可用以还田、作饲料和轻工原料的秸杆；其次，转化速度快，点火几分钟后就可产气；第三，转化效率可高达70%以上(发生炉煤气)。(1)气化。根据煤气热值的不同，分为低热值煤气气化(煤气热值在7．5MJ／N·m3以下)、中热值煤气气化(7．5～15．1MJ／N·m3)和高热值煤气气化(37．3MJ／N·m3左右)。低热值煤气中的空气煤气是发生炉煤气最简单的生产工艺，但产品中有一半以上是氮气，热值只有4．19MJ／N·m3左右。为了提高煤气热值，一般在空气气化剂中加入适当量的水蒸汽，以空气、水蒸汽两种混合介质作为气化剂，与热碳发生化学反应，就可生产混合发生炉煤气，其生产的煤气热值比空气煤气的略有提高，可达5．9MJ／N·m3。通过部分氧化气化生物质已有150多年的历史。在中国，这种类型的发生炉煤气于50年代曾广泛地应用于内燃机，后来，随着大油田的发现和开发而逐渐被淘汰。中国仍有一些单位从事这方面的研究工作。中国农机院生产的ND－600型下吸式生物质气化炉已通过部级鉴定。江苏省试制利用稻壳制取的煤气驱动发电机组。1985年，南京林化所对小型上吸式气化炉进行了试验研究。我国所研制和使用的生物质气化炉大多为小型的、简单的固定床气化炉，存在着煤气热值过低、焦油过多、操作困难等问题。第二次世界大战期间，由于液体燃料缺乏，有些国家曾大量地生产低热值煤气以用于内燃机。苏联也曾广泛地使用燃用木柴和木炭的煤气发生炉汽车。1970年，由于世界性的石油危机，发达国家为了减少对石油的依赖，又积极进行生物质气化技术的研究。目前，生产低热值煤气的固定床气化炉(每小时生物质消耗量为50～500kg)已进入商业化实用阶段。在发达国家，此类型炉的实用化速度已放慢。但是，在一些发展中国家如菲律宾、巴西则特别加强对小型的、便宜的气化炉的研制和推广。在北美，低热值流化床气化炉(每小时生物质消耗量为几吨)也已进入商业化实用阶段，目前只是用煤气加热。低热值煤气气化炉的发展方向是上吸式发生炉正向现代煤炭气化炉如鲁奇炉方向发展下吸式发生炉在一定程度上仍需改进，如不适用于小颗粒或含灰量高的生物质；平吸式发生炉只适用于燃用炭和小规模生产，现在正向减低成本和减轻重量方向发展；流化床气化炉的原料适应性广，反应速度快，气化效率高，但是难以控制和操作，其小型化和气化理论仍有待发展。国外现在也出现了反应速度更快的气旋床和气流床气化炉，不过还没有商业化。国外的低热值煤气除了用于内燃机和加热炉外，还用于汽轮机和斯特林发动机以及作为化工原料气(CO、H2)。如果把气化剂改为氧气或水蒸汽则可生产中热值煤气。氧气气化反应方程式与空气煤气的相同，不过其煤气的热值可提高一倍，可生产质量较高的中热值煤气。但是，它要增加一个氧气供应站，大大提高了生产成本；水煤气的气化反应还必须另外提供热源，使工艺复杂，由于煤气中氢含量增加，使煤气热值较高，可超过10．5MJ／N·m3；但是，氢气含量的增加使煤气用于内燃机时极易产生爆燃。中热值煤气也可由空气煤气通过去除其中氮气获得，但是这种工艺过程根本无法与氧气气化相竞争。目前，在欧共体、美国、瑞典和巴西大约有10个中热值煤气试验站(每天每个试验站生物质消耗量为1060吨)正在运行或建设中。它们在各种不同的气化炉和不同的供热方式下(水煤气生产)，对氧气、空气、水和水蒸汽气化进行了试验。这些气化炉几乎都是为甲醇生产服务的，现在进行推广所遇到的问题是小型化是否经济。现在，国外尤其是美国把注意力集中在催化气化上来，其目的是在低温下生产特殊组分的煤气以便合成甲醇、甲烷和氨，但遇到的问题是催化剂的稳定性不佳和失去活化性。低中热值煤气气化炉的总煤气效率大致为70%～75%之间。从这些气化炉出来的煤气还可进一步加工成只含一氧化碳和氢气的化工合成原料气。合成原料气可通过甲烷化反应合成热值为35．5MJ／N·m3左右的高热值煤气。高热值煤气也可以在生物质中直接加氢合成甲烷获得，但要增加制氢设备。合成原料气在低温、适当压力和催化剂共同作用下，可以合成甲醇，甲醇还可在催化剂的作用下，用Mobil过程进一步转化成辛烷值很高的汽油。原料气也可用Fischer-Tropsch法合成液态烃。美国亚利桑那州立大学已成功地将氢气、一氧化碳和烯烃(从生物质气化蒸汽中分离)通过催化在适度的条件下合成柴油、航空汽油和煤油等。(2)液化。分直接液化和间接液化。直接液化不需经过气化而直接转化为液态燃料。但是这种产品含大量的氧化物，其质量和稳定性都有问题，必须去除其中的氧原子，才可成为优质的液体燃料，然而其处理过程是比较困难的。直接液化可在高温高压和催化剂的共同作用下，在生物质中加入氢气或一氧化碳或氢气和一氧化碳混合气获得液态燃料；也可直接采用热解的方法获得。间接液化就是将生物质先转化成化工合成原料气(H2、CO)，然后再转化成不含氧的碳氢燃料。另一种间接液化的方法是把在厌氧发酵条件下产生的高分子酸，采用Kolbe电解法转化成碳氢液态燃料。(3)热解。在隔绝空气的条件下，对生物质加热分解为气体、液体和炭的过程。热解气为中热值气体，可用于驱动内燃机。目前，生物质热解技术研究工作在我国才刚刚开始，有待于进一步发展。生物质热解是能源转化过程中效率最高的一种。根据加热方式的不同热解可分为3种：第1种是间接加热，所需要的热解能量通过反应器壁从外传入。此种方式热效率较低，加热时间也过长，但产生的热值较高。第2种是直接加热，热解反应所需的热量是通过在容器中的生物质自身燃烧获得。此种方式热效率及反应速度都可提高，同时技术上也较成熟，但是由于要通入空气燃烧一部分生物质，使热解气中的CO2和N2增加，气体热值降低。第3种是热载体加热，热解所需的热量由循环热载体获得。此种方式具有以上两种方式的优点，但结构较复杂，只能是将来的发展方向。根据加热速率的不同，热解又可分为4类：(1)慢速加热，小于5K／s；(2)中速加热，5～100K／s；(3)快速加热，100～106K／s；(4)闪激加热，大于106K／s。加热速率越高，热解获得的气态的和液态的产品产率越高。因此，液态产品可以采取快速加热、短的滞留时间、适当热解温度(540℃)和立即冷却所产生的气体和可凝结蒸汽的方法获得。这也是目前欧美等国液化生物质的一种方法。如果要提高气态产品的产量，除了采取快速加热外，还要延长滞留时间和提高温度以利于焦油的裂解。目前，国内外正在研究的热解方式如下：(1)管式炉热解：原料从加料斗落下，通过电加热的炉腔在温度1700～1900K下热解。加热速率可达104K／s。(2)电弧炉热解：原料放在坩锅中，生物质与坩锅为正极，电压60V，电流400A。电弧放电后，电流流往阴极并将生物质急剧加热，燃料表面温度达1200K，加热速率可达105K／s。(3)等离子体热解：等离子是离子化的分子或原子。燃料借助载气进入等离子体射线束中，等离子射线内部温度高达8000～10000K，只需几毫秒即可将原料加热到1000度以上，其加热速率可达106K／s。(4)加热速率大于106K／s的热解方法：目前，只有火箭引擎技术和冲击波热解技术。德国亚琛工业大学已成功地进行了冲击波管道快速高温热解试验。生物质热解炉今后的发展方向是将流化床和传送床实用化。【参考文献】：1 A V Bridgwater，Thermochemical Processing of Biomass，Butterworth，Co．Publishers Ltd，19842 David Boyles，Bio-Energy Technology，Thermodynamics and Costs， D T Boyles．Ellis Horwood Limited，19843 方真，等．北京市农村能源发展战略研究技术报告．北京能源学会，1987，124 徐曾符．沼气工艺学．北京：农业出版社，19815 中国农机院能源动力所，ND－600型生物质气化炉．1989．116 中国科协学会工作部编，能源前景与节能技术：全国能源管理与节能新技术交流会文集．北京：学习期刊出版社，1988．97 “Symposium papers”，Energy from Biomass and WastesД，P44，Lake Bueua Vista，Florida，Sponsored by Institute of Gas Technology，Chicago，Illinois，1988(国家科委农村技术发展中心方真博士撰) |
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