生质能技术-再生能源

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1、生质能技术生质能技术- -再生能源再生能源本文由 ygdlcj 贡献doc 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。再生能源生质能技术 生质能技术 再生能源 生质能暨生质燃料技术 生质能（biomass energy 或 bio-energy） ，系指利用生质物（biomass） ，经转换所获得之可用能源，如电与热。根据国际能源总署 （International Energy Agency）的统计资料（IEA,2003）显示，目前生质能为全球第四大能源，仅次于石油、煤及天然气，供应了全球约 11%的初级能源需求，同时也是目前最广泛使用的一种再生能源，

2、约占世界所有再生能源应用的 80%。截至 2001 年止，生质能供应约占世界所 有再生能源利用的 80%，依地区而分，其中亚洲（不含中国大陆）占 34.2%，非洲占 23.9%，中国大陆占 20.5%，经济合作发展组织（OECD）会 员国（含欧美澳日等 30 国）则占 13%（IEA,2003） 。估计至 2050 年时，生质能将提供全世界将近 38%的燃料需求及 17%的电力供给，约为 206EJ （Hall,1997） 。 。 依据行政院再生能源发展条例(草案)（2002） ，我国生质能定义为国内农林植物、沼气、一般废弃物与一般事业废弃物等直接利用 或经处理所产生之能源 ，因此生质物可泛指

3、由生物产生的有机物质，例如木材与林业废弃物如木屑等；农作物与农业废弃物如黄豆、玉米、 稻壳、蔗渣等；畜牧业废弃物如动物尸体、废水处理所产生的沼气；都市垃圾与垃圾掩埋场与下水道污泥处理厂所产生的沼气；工业有机废弃 物如有机污泥、废塑橡胶、废纸、黑液等。 由于广义的生质物的种类非常多，因此依据各种生质物的物理与化学性质、密集度、经济性的不同，在技术的分类上可依料源制备、转换 与应用方式作区分如下： 1.料源技术：泛指料源的制备技术，如固态衍生燃料技术、富油脂藻类养殖/采收技术及陆生能源作物耕收技术等。 2.转换技术： (1)生物/化学转换（bio-/chemical conversion）：如经发

4、酵（fermentation） 、酯化（esterification）等程序产生酒精汽油（gasohol） 、 沼气（biogas）或生质柴油；或利用生物菌种等方法产生氢气、甲醇等燃料。 (2)热转换（thermal conversion）：如以气化（gasification） 、裂解（pyrolysis）方式产生合成燃气（syngas）或燃油等。 3.应用技术：如生质燃料用于车/船用引擎、发电内燃机、锅炉、燃料电池等，或进行合成燃料精炼技术，以生产精密化学品等。 一、国内外技术发展现况 (一)固态衍生燃料技术 固态废弃物衍生燃料（RDF-5）系将生质物废弃物经破碎、分选、干燥、混合添加剂及成

5、型等过程而制成锭型燃料，其主要特性为大小、 热值均匀（约为煤的三分之二） 、易于运输及储存，在常温下可储存六至十二个月而不会腐化，因此十分便于利用，可将其直接应用于机械床 式锅炉，流体化床锅炉及发电锅炉等作为主要燃料或与煤炭混烧，目前已成为全球生质能技术的主要发展趋势之一。目前国外发展以日本最为发达， 已有十年以上之时间， 主要以处理都市废弃物为主， 1988 年第一座 RDF-5 厂落成后， 自 每年皆有新的 RDF-5 厂完工运转，截至 2002 年底，已有 53 座 RDF-5 厂在运转中，预计在 2005 年将达 62 座，以处理都市废弃物为主，至于各厂之处理能力，由每 日 5t 至

6、300t 不等，以处理量每日 11t 至 30t 所占之比例最高，其所产出之 RDF-5 可供作为水泥窑燃料，燃煤电厂辅助燃料，生产蒸汽或热水 事业之燃料，集中发电利用等。 RDF-5 技术的发展，在欧洲也获相当之重视。目前欧联各国由都市垃圾所产生的 RDF-5 总量，至 2001 年时已达 3,000kt(Gendebienetal,2003)，其中奥地利、芬兰、德国、意大利、荷兰及瑞典等国之 RDF-5 生产系统已建置完成；比利时及英国则处于发展 中； 丹麦及法国在过去曾生产 RDF-5， 但因经济因素而中断。 欧洲现行或未来对由都市垃圾所制成 RDF-5 的主要应用方式包括用于现场 （o

7、n-site） 或远距（remote）的热利用设备（如固定床或流体化床之燃烧、气化及裂解） 、用于燃煤锅炉、水泥旋窑中之混烧（co-firing） ，以及与燃煤 或生质物混合气化（co-gasification） 。 我国则自 1999 年起开始研发 RDF-5 技术，在 2001 年建立了先导型实验工厂，并藉以完成多项废弃物制成 RDF-5 可行性试验。 (二)富油脂藻类养殖/采收技术 油脂性微生物系指能够在微生物细胞内，蓄积油脂质超过 20%(w/w)生质体的微生物（Ratledge,1989） 。应用微细藻体中油脂作为液态燃 料的研究则首推美国能源部的燃料发展计画室自 1978 年至 1

8、996 年间长期资助由藻类衍生可再生性运输燃料的计划，即水生物种计划(Aquatic Species Program, ASP)，主要在进行含高脂质藻类经大量培养后再转制成生质柴油的研究，并探讨利用藻类固定火力发电厂排放的废二氧化碳 气体之效率。 在将近二十年的研究计划中， 发展许多操控藻类成长的因素及其生长系统工程技术， 可做为未来发展的参考(Sheehanetal.,1998)。 根据水产试验所生物饵藻的研究成果显示，不同的藻种所含的脂肪酸也大有不同，其中东港株等鞭金藻，含有丰富的多元不饱和脂肪酸族 之 22 碳 6 烯酸(4,7,10,13,16,19-docosahexaenoicac

9、id,DHA)；而骨藻，俗称硅藻，则含有大量的 20 碳 5 烯酸 (5,8,11,14,17-eicosapentaenoicacid,EPA)(苏素美，1999)。我国是一个海岛国家，地处亚热带，西部沿海地区气候适于藻类的养殖，除了再 生燃料的取得外，附加固定废二氧化碳或处理废水，值得加以研究开发，在系统开发时，可先将高附加价值物质，如 DHA、EPA 不饱和脂肪酸分 离出来，再将其余的油脂质作为生质柴油的原料，提高整体经济效益，促进产商投资意愿。(三)陆生能源作物(油酯类/醣类/淀粉类)耕收技术 能源作物并无明确之定义，一般而言系指能快速生长、易于栽培与采收、高单位面积产量、且容易转化为

10、发电燃料与运输用燃料之植物。 农作物中所含的许多成分都可以开发成为生物能源，其中用量最多、用途最广的有油脂、糖、淀粉、蛋白质、纤维等。目前国际间以农产品做 为可再生原料方面，最突出的领域当属能源作物（或称为生质作物） ，其范围广、数量大、效益显著。全世界对于种植能源作物作为能源燃料 的发展，已有相当长的时间，主要的能源作物包括下列三大类，即淀粉及糖类作物、油脂作物与生产类似石油脂碳氢化合物植物。 淀粉及糖类作物之生质可转换成酒精，发展最有名的国家如巴西及美国；油脂作物之油脂可用化学方法处理，制成生质柴油，如欧洲国家 以油菜籽油、美国以黄豆油及马来西亚以棕榈油制造生质柴油；此外，生产类似石油脂碳

11、氢化合物植物，可由其枝叶提炼出类似石油之碳氢化 合物汁液。 (四)木质纤维素衍生酒精燃料技术 为了降低温室气体排放，酒精被视为有潜力取代汽油的运输燃料，为求商业化，生产成本必须降低俾能和化石燃料竞争。利用含糖和淀粉 的原料(例如甘蔗和玉米)，原料成本约占酒精生产成本的 40-70%(Claassenetal.,2002)；木质纤维素(lignocellulose)是地球上数量最多最丰 富的生质物，若能将酒精酦酵技术扩展到利用木质纤维素做为原料，将能降低酒精生产成本和增加燃料酒精的使用。利用纤维素生产酒精主要 可分为成四个阶段，包括前处理(pretrementment)，即将纤维素和半纤维素从与

12、木质素结合的复合物中释放，使其容易进行下一步骤的化学或 生物处理；第二阶段系将纤维素和半纤维素降解(degeneration)或水解(hydrolysis)以获得各类单糖(freesugars)；第三阶段则是将六碳糖和 五碳糖的混合物酦酵产生酒精；最后为产品的回收与蒸馏。 加拿大 IogenCo.投入四千万美元以 25 年时间研究酵素法分解纤维素，目前已具有商业化规模(徐敬衡，2005)。澳大利亚研究使用甘蔗、 小麦及玉米等作物生产，或由木材加工副产品等原料酿制酒精，预期可酿制酒精约 4,400 万加仑。我国对木质纤维素衍生酒精燃料技术则尚待 开发。 (五)厌氧酦酵光合作用产氢技术 生物产氢法

13、使用的微生物包括藻类和光合细菌在内的光合微生物，以及兼性厌氧和绝对厌氧的酦酵产氢细菌。目前生物法产氢技术主要分 为三类，包括暗酦酵法、光酦酵法与光合作用法(Dasand Veziroglu,2001)。光合作用产氢是以藻类或蓝绿藻藉由光能进行之生物光解作用而产 生氢气，因此不具有降解环境中有机物的功能。光酦酵与暗酦酵则是以有机物为电子提供者，经由酦酵作用将有机质分解，伴随产生的部份电 子则藉由特定之电子传递系统与产氢酵素，将电子传递给水体中的质子(H+)而产生氢气。光合作用产氢之效率较差，且需要较大的操作面积， 故不适用于地狭人稠的地区；酦酵产氢法可分解污染物同时产生氢气，因此较适合发展。暗酦

14、酵产氢比光合作用和光酦酵产氢之代谢速率快， 操作条件要求也较低；光合产氢研究虽多并已取得一定成果，但暗酦酵产氢是生物法中最具潜能技术者。 美国产氢计划源自于 1990 年所通过的 Mastsunaga Hydrogen Research, Development and Demonstration Act，1996 年美国国会通过 Hydrogen Future Act (HFA)，逐年提供 14,000 万美元给美国能源部专供氢能源开发的相关研究，而下一个五年度的 HFA 延长计划，申请经费 更逐年扩增到 46,000 万美元(郑幸雄等，2001)。美国能源部部长并于 2004 年 4 月宣

15、布，联邦政府将提供 35,000 万美元计划赠款，加上民间 基金款项 22,000 万美元，将在五年内由加州州政府推动建造一条氢气高速公路，并辟建氢气加气站。日本国际贸易与工业部于 1990 年提供约 30 亿新台币的经费，进行光合菌产氢、产氢酵素及厌氧酦酵产氢等研究(郑幸雄等，2001)。目前欧盟第六架构计划中，亦有将近一亿欧元的经 费支持 16 个氢能源利用及燃料电池的相关研究计划。中国自 1990 年开始，由国家自然科学基金支持进行生物产氢技术研究，其成果被评选为 中国大陆 2000 年十大科技进展新闻。综观上述，足见国际上已大力推动氢气能源的研究与发展。 (六)生质柴油制造技术 依我国

16、石油管理法规定，生质柴油（bio-diesel）系指以动植物油或废食用油脂，经转化技术后所产生之酯类，直接使用或混合市售柴油 使用作为燃料者。100%纯生质柴油称之为 B100，20vol%生质柴油混合 80vol%市售柴油的燃料称之为 B20，其制作的方式主要有四种，分别为直 接混合使用（direstuse and blending） 、微细乳化（microemulsions） 、热分解（thermal cracking）和转酯化反应（transesterification） ， 目前一般所使用的生产方式为利用转酯化反应。 转酯化反应为醇与三酸甘油酯(triglycerides)间之化学反应，其原理为利用加入的醇类，将植物油中的成分(三酸甘油酯)中的醇类取代， 故与酯类的水解反应相似，仅是醇类取代了水。转酯化反应依使用触媒种类可区分为化学触媒(chemical catalyst)与生物触媒(biocatalyst) 两种。利用化学触媒生产生质柴油有流程复杂、需有醇类回收装置、酯化产物难回收、所产生之废碱液排放、耗能较高等问题，因此近年来逐 渐发展以生物触媒催化转酯