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1、第7章 生物质能发电,生物质能的形式及其利用,1、生物质的概念 生物质：指有机物中除化石燃料外的所有来源于动物、植物和微生物的物质，包括动物、植物、微生物以及由这些生命体排泄和代谢的所有有机物。 生物质是地球上存在最广泛的物质，而且可以随着生物的繁衍生长而不断再生。,2、生物质的来源,（1）农林作业和加工的废弃物（秸秆、谷壳等） （2）专门培养的农林作物 （3）动物粪便 （4）城市垃圾 （5）有机废水,3、生物质能及其特点,生物质能：蕴藏在生物质中的能量，是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而固定和贮存在生物质内部的能量。,生物质能产生和利用过程构成了一个CO2的闭路循环。即,是生物质生长
2、过程中吸收的碳水化合物的总称。,当上述两个反应的CO2达到平衡时，将对缓解日趋严重的温室气体效应产生重要影响。,（1）可循环再生 （2）可存储和运输 （3）资源分散 （4）大多来自废物,作为一种能源资源，生物质能具有如下特点：,生物质能转换技术,燃烧,电力,高压蒸汽,热裂解,油 气 碳,气 化,低 中热值,加氢气化,甲烷 乙烷 碳,干化学转化,化学降解,酒精发酵,厌氧消化,油,乙醇,甲烷,液化转化,压缩成型,成型燃料,4、,生物质燃烧技术 直接燃烧生物质是人类最早利用能源的形式，至今仍在大量应用，特别在发展中国家，仍是主要一次能源，最高比例可以占到全部能源量的90%以上。今天在生物质资源丰富地
3、区利用生物质燃烧技术发电电仍是利用生物质的一种简单有效方式。利用现代锅炉燃烧技术，可以大规模地处理生物质，产生的蒸汽可以发电、供暖等。产生的污染物和大气排放也远低于传统的生物质燃烧方式，热效率与传统化石燃料技术相当。主要缺点是未能充分利用生物质中化学物质资源，目前大规模直接燃烧也仅限于农业和林业废弃物。,热解是指在隔绝空气或通入少量空气的条件下，利用热能切断生物质大分子中的化学键，使之转变为低分子物质的热化学反应。热解产物包括醋酸、甲醇、木焦油抗聚剂、木馏油和木炭等。 气化 是用气化剂（空气、水蒸汽或氧）在高温条件下通过热化学反应将生物质中可燃部分转化为可燃气体（一氧化碳、氢气、甲烷），转化产
4、物可以直接燃烧，也可以作为化工原料。 液化 经过一系列的化学加工过程，使生物质转化成液体燃料（主要是汽油、柴油等）。 酯化 将植物油与甲醇或乙醇在催化剂作用下转化成生物柴油和甘油。,生物法气化 依靠微生物或酶的作用，在沼气池内将生物质转化成沼气（主要成分为甲烷）和其他有用的有机质。可以处理大量的农业废弃物，牲畜粪便，生活污水，工业有机废水，垃圾等。沼气可以用于发电和生活用气，是目前最理想的生物质能利用形式之一。既处理了废弃物又获得了宝贵的能源，具有很好的环境综合效应。 生物法液化 依靠微生物或酶的作用，在发酵池内从生物质内生产出乙醇（酒精），乙醇可以与汽油参混，形成汽油醇，部分代替汽油，同时改
5、善汽车的排放指标。生产乙醇的生物质可以是一些能源作物，甘蔗渣、陈化粮等。,5、生物质燃料,生物质直接燃烧过程包括预热、干燥、析出挥发分和焦炭燃烧等阶段。生物质表面的可燃物被引燃之后，温度逐渐升高，生物质中的水分逐渐被蒸发。干燥的生物质继续吸热增温，发生分解，析出的挥发分和空气混合，形成具有一定浓度的挥发分与氧气的混合物。若温度和浓度都满足特定条件，挥发分也起火燃烧。表面燃烧所放出的热能逐渐积聚，通过传导和辐射向生物质内层扩散，从而使内层挥发分析出，继续与氧气混合燃烧，并放出大量的热量。此时，生物质中剩下的焦炭被挥发分包围，其表面不易与氧气接触，难以燃烧，因而不断产生灰分，把剩余的焦炭包裹，妨碍
6、它继续燃烧。可适当加以搅动或加强通风，促进剩余焦炭的燃烧，减少灰渣中残留的炭。,（1）固体生物质燃料,a.生物质直接燃烧, 含碳量少，能量密度低，燃烧时间短； 多为碳氢化合物，受热分解后挥发分多，需充分利用； 含氧量多，易点燃，不需太多氧气供应； 密度小，容易充分燃尽，灰渣中残留的碳量小； 松散、体积大、不便运输。,与煤炭相比，固态生物质燃料的特点：,将木质素充当粘合剂，将松散的秸秆、树枝和木屑等农林废弃物挤压成特定形状的固体燃料，可提高其能量密度，改善燃烧性能。 固体成形燃料能源密度相当于中等烟煤，热值显著提高，便于储存和运输，并保持了生物质挥发性高、易着火燃烧、灰分及含硫量低、燃烧产生污染
7、物较少等优点，是一种不可多得的清洁商业燃料。,b.固体成形燃料,可燃烧的生物质气化后产生可燃性混合气体，称为生物质燃气。生物质燃气主要成分有CO、H2、CH4等可燃气体，与“煤气”大致相同，俗称“木煤气”。,（2）气体生物质燃料,a.木煤气,沼气的主要成分是CH4、CO2等。甲烷的热值很高，完全燃烧时仅生成二氧化碳和水，是一种清洁燃料。沼液、沼渣是优质的有机绿色肥料。,b.沼气, 沼气池要密封（隔绝空气、不透气、不渗水）； 要维持20-40； 要有充足的养分，供给微生物用于生存和繁殖； 发酵原料要含适量水，一般要求含水80%左右； 沼气池的PH值一般控制在7-8.5。,沼气池必须符合多种条件：
8、,农村户用小型沼气技术已比较成熟。正常情况下，这种家用沼气池在中国南方可年产沼气250300m3，提供一个农户810个月的生活燃料。,图6-11 水压式沼气池结构 1进料口 20压水位 3输出阀门 4盖板 5溢流口 6贮留室 7水压箱 8渗井 9发酵室 10贮气室,乙醇通常由淀粉质原料、糖质原料、纤维素原料等经发酵、蒸馏后制成。乙醇进一步脱水（使乙醇含量达99.6%以上）再加上适量的变性剂即可制成燃料乙醇。 乙醇燃烧热值高，是一种优质的液体燃料。其生产成本与汽油、柴油大致相当，产生的环境污染却很少。生物燃料乙醇在燃烧过程中排放的二氧化碳和含硫气体均低于汽油燃料。,（3）液体生物质燃料,a.燃料
9、乙醇,植物油是指利用野生或人工种植的含油植物的果实、叶、茎，经过压榨、提取、萃取和精炼等处理得到的油料。 植物油的热值只比柴油的稍小。无论单独使用还是和柴油混合，植物油都可以在柴油机里面直接燃烧。,b.植物油,生物柴油是指来自生物质的原料油经过一系列加工处理过程制成的液体燃料。 制取生物柴油的原料，包括植物油脂、动物油脂、废弃食用油等。生物柴油生产技术以化学法为主，即原料油与甲醇或乙醇在酸、碱或生物酶等催化剂作用下进行酯交换反应，生成相应的脂肪酸甲酯或乙酯燃料油。 生物柴油是汽油、柴油的优质代用燃料，可替代柴油单独使用，又可以一定比例与柴油混合使用。生物柴油的燃点是柴油的两倍，使用、处理、运输
10、和储藏都更为安全。,c.生物柴油,生物质能发电技术,由于电能具有清洁、易传输、易使用等优良特性，只要提供电能，几乎所有的设备都可以满足各自的需要。因而生物质能除了直接转化成热能供消费外，最终消费形式还是以转化成电能为主。生物质能的发电包括生物质直接燃烧发电、生物质汽化发电、沼气发电、垃圾焚烧发电等。,1、生物质能发电产业的发展概况,1991年，在瑞典瓦那茂兴建了世界上第一座生物质汽化燃气轮机/发电机汽轮机/发电机联合发电厂，净发电量达6MW.h，净供热量达9MW，系统总效率达到80%以上。 截至2011年，全世界生物质能发电装机容量已达5000万kW，年发电量约为2500亿kW.h，可替代90
11、00万t标准煤，是风电、光电、地热等可再生能源发电量的总和。 芬兰是欧盟国家中利用生物质能发电最成功的国家之一，目前生物质能发电量占本国发电量的11%。,a.国外生物质能发电产业的发展状况,2003年，山东省十里泉热电厂部分引进丹麦生物质发电技术，投资约8000多万对该厂410t/h煤粉锅炉进行改造，掺烧约20的小麦秸秆并于次年年初成功投入运行。2004年8月，国家发改委分别批准了山东单县和河北晋州秸秆发电项目，该两个项目分别于2006年底和2007年初投入试运。水电水利规划设计总院和国家可再生能源信息管理中心发布了2013中国生物质发电建设统计报告，报告显示，截至2013年底，除青海省、宁夏
12、回族自治区、西藏自治区以外，全国已经有28个省（市、区）开发了生物质能发电项目。,b.我国生物质能发电产业的发展状况,全国累计核准容量达到12226.21兆瓦，其中并网容量7790.01兆瓦，占核准容量的63.72%。江苏省、山东省生物质发电累计核准容量分别为1395兆瓦、1376兆瓦，分别占全国累计核准容量的11.42%、11.27%，居全国前两位。核准容量排在三至六位的是湖北省、浙江省、黑龙江省、吉林省，六省累计核准容量占全国总核准容量的50.08%。 从生物质发电技术类型看，农林生物质直接燃烧发电总并网容量为4195.3兆瓦，占比53.85%；垃圾焚烧发电总并网容量3400.29兆瓦，占
13、比43.65%；沼气发电并网容量194.42兆瓦，占比2.5%。,2013年全国农林生物质发电单位千瓦动态投资额约为8000-10000元，平均9160元。全国垃圾焚烧发电平均单位千瓦投资额约为15000-20000元，平均17763元。沼气发电单位千瓦投资额约为10000-17000元，平均13015元。 据不完全统计，截至2013年底，生物质发电累计并网容量排在前十位的企业依次是武汉凯迪、国网国能、国电集团、光大国际、上海城投、中节能、深圳市能源环保、广东粤电、河北建设、厦门创冠 。,2013年全国农林生物质发电单位千瓦动态投资额约为8000-10000元，平均9160元。全国垃圾焚烧发电
14、平均单位千瓦投资额约为15000-20000元，平均17763元。沼气发电单位千瓦投资额约为10000-17000元，平均13015元。 据不完全统计，截至2013年底，生物质发电累计并网容量排在前十位的企业依次是武汉凯迪、国网国能、国电集团、光大国际、上海城投、中节能、深圳市能源环保、广东粤电、河北建设、厦门创冠 。,山东生物质发电项目一览表,2、生物质直接燃烧发电技术,生物质直接燃烧发电是指把生物质原料送入适合生物质燃烧的特定锅炉中直接燃烧，产生蒸汽带动蒸汽轮机及发电机发电。,生物质直接燃烧发电的关键技术包括原料预处理，生物质锅炉防腐，提高生物质锅炉的多种原料适用性及燃烧效率、蒸汽轮机效率
15、等技术。,a.单燃生物直燃技术 秸秆等生物质与常规燃料的区别：秸秆的含水量较大，约为20%，是常规燃料的810倍；秸秆的堆积密度小；燃尽时间较长。 b.生物质与煤混合直燃技术 两种混合燃烧方式。技术优势：廉价、低风险；煤粉发电效率高，可达35%以上；可降低电厂的SO2和NO2及CO2的排放。,3、生物质汽化发电技术,生物质在汽化炉中气化生成含氢、一氧化碳和低分子烃类的可燃气体，经过净化后驱动内燃机或小型燃气轮机发电。,根据燃气发电设备的不同，生物质汽化发电有以下几种发电方式。,生物质汽化发电方式,内燃机工作原理,燃气轮机工作原理,生物质发电-规模与发电机选择,生物质,Direct Combus
16、tion,内燃机,电能,生物质,IGCC,燃气轮机,电能,生物质,蒸汽轮机,电能,IGCC,=10-15,=25-35,=35-45,规模200KW,200KW规模1MW,1MW规模,4、沼气发电技术与控制策略,a.沼气燃烧发电,沼气燃烧发电类型,沼气燃烧发电类型,从图中可见，在4000 kW 以下的功率范围内，采用内燃机具有较高的利用效率。相对燃煤、燃油发电来说，沼气发电的特点是功率小，对于这种类型的发电动力设备，国际上普遍采用内燃机发电机组进行发电，否则在经济性上不可行。,不同动力设备的能量利用率,在沼气可以满足锅炉燃烧要求时，采用由沼气供气的方式；当沼气不能满足锅炉燃烧要求时，切换至天然气供气方式。这种方式是共用了一个燃烧器，即采用一拖二的方式使两种气源合用一个燃烧控制器。,沼气与天然气双气源锅炉,b.沼气燃料电池发电,沼气燃料电池是将沼气化学能转换为电能的一种装置，它所用的“燃料”并
