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    行業動態

    生物質能源如何實現高值化利用?

    文字:[大][中][小] 2018-7-6    瀏覽次數:1482    

      提到再生能源,人們總會先想到太陽能、風能,但有這么一種物質,它隨處可見被隨意丟棄,但只要加以利用,就會變廢為寶。如今,我國大力推進生態文明建設,生物質的利用迎來了新的發展機遇。生物質能源低碳環保,可從根基上改變目前能源使用的現狀,創造出巨大的財富。

      一、生物質資源總量估算

      生物質資源主要分為5大類,見表1。


    表1、我國生物質資源總量估算

      第一類是農作物秸稈(玉米秸、稻草、麥稈、高粱秸、豆桿、棉花桿、谷殼等),這類生物質資源雖然較多(7-9億t),但還考慮到農作物秸稈在回田、飼料以及作為工業原料等方面的應用,余下可用于生物質能和生物基化學品的有3.1億t,折合1.5億噸標煤。

      第二類是林業廢棄物,約占4000萬t/a;

      第三類畜禽糞便,這類生物質資源豐富,達到干中5億t,可產沼氣2200億m3;

      第四類是生活污水和工業有機廢水,其中含固體廢渣2500萬t;

      第五類是城市固體廢物,可利用的量約為1億t。

      這五類合起來,構成了中國目前主要生物質資源的分布,總量達到了8-10億噸標準煤。

      生物質的重要成分是碳水化合物,其中含氧量過高是生物質的最大特點之一(表2)。


    表2、BiomassCompositions(干基)

      從表2中看出,光合作用的產物——碳水化合物中氧占的比重高達40%,因此天然狀態下的碳水化合物的能量密度很低,凈熱效率(LHV)只有16%左右。為此,在設計高效利用生物質資源時,必須要優先考慮以下2個問題:

      1、生物質資源要轉化為能量密度更高(叫做碳氫富集或脫氧過程)、方便攜帶和運輸的物質形式;

      2、在生物質從天然狀態轉變為能量密度較高的物質形式中時,盡量減少轉化步驟、減少損失。

      二、生物質能源高值化利用的可行途徑

      當前,人類開發利用生物質資源的技術有6大類,它們分別是:直接燃燒、厭氧消化(沼氣)、糖發酵(產生物乙醇)、油料提取及生物柴油、熱解(產生物油)、氣化(產合成氣)。目前來說,比較可行的生物質能源高值化開發利用的途徑有三個。

      1、生物甲烷的生產生物甲烷(沼氣)的生產是通過沼氣發酵過程來實現,這個實質上是微生物的物質代謝和能量轉換過程。在分解代謝過程中沼氣微生物獲得能量和物質,以滿足自身生長繁殖,同時大部分物質轉化為甲烷和二氧化碳。

      科學測定分析表明:有機物約有90%被轉化為沼氣。10%被沼氣微生物用于自身的消耗。發酵原料生成沼氣實際上是通過一系列復雜的生物化學反應來實現的。

      從能源產生的角度來理解,可以這樣認為:沼氣發酵過程的本質,是利用微生物群落的代謝功能,通過分子和原子的重排,將含氧量高達40%左右的生物質(通過分子式為:CH1.4O0.6)去氧,實現碳、氫兩元素的富集化的過程,產物是能量密度比出發原料(生物質)高得多的碳氫化合物——甲烷。

      由于有機物有近90%可以轉化為沼氣,因此這是少有的很高效的轉化過程。沼氣發酵的能量轉換效率其理論值可達65%以上。這也是為什么最近國際上極力推崇此技術的重要原因之一。

      2、生物質發電

      生物質發電是指利用生物質原料來代替煤碳,燃燒后推動火電廠的汽輪機組進行發電。生物質發電之所以較為可行,主要是它能夠利用現有火電廠的基礎設施,使總投資大幅度降低。生物質發電在我國主要是指生物質(例如秸稈、林廢資源)直接燃燒發電。在國外,生物質發電的原料來源分為三塊:

      1)生物質像燒柴火一樣直接燃燒;

      2)生物質“熱解”所得的生物油,可以運輸到別處,也可以就地燃燒推動汽輪機發電;

      3)生物質“氣化”所得的合成氣(氫氣和一氧化碳),可以燃燒推動汽輪機發電。

      3、纖維素乙醇的低成本生產

      今后幾十年在找到高效的替代化學品之前,乙醇依然是生物液體燃料的首選之一,任何想在當前的形勢下拋棄乙醇作為液體燃料的想法都是幼稚的,或者至少是不現實的。燃料乙醇分為第一代和第二代。

      第一代主要以淀粉質(谷物、薯類等人類糧食)為原料。由于糧食安全原因,各國現在都轉到第二代燃料乙醇,即以纖維素為原料的燃料乙醇。纖維素乙醇當前最大問題是成本過高,國內每t成本在9000-12000元之間。造成成本過高的原因有三個(除去原料的價格波動、原料運輸成本):

      1)纖維素原料的前處理成本高;

      2)纖維素酶的成本高,可達2000-3500元;

      3)纖維素水解液的糖度低,發酵醪液的酒度低,導致蒸餾成本增加。

      三、生物質能源高值化利用要解決的問題

      1、能源轉化效率的控制

      任何能源的形式和使用均需要從一種形式轉化為另一種形式,而部分能量恰恰就損失于各個轉化步驟中。生物質能源更是如此。生物質能源的根本來源是生物體對光能的捕獲。因此,生物質能源的基本問題之一就是轉化效率。

      生物質可以轉化能源,也可以轉化為化學品。而轉化的基本方法無非就是兩種:化學法和生物法。不管是化學法還是生物法,核心都在于催化劑。催化劑是節能降耗、提高效率的關鍵。

      例如在生物甲烷的生產中,甲烷細菌群眾有關酶的活力越高,所用的酶量就越少。在纖維素乙醇的生產中,纖維素氣化過程產生合成氣(即氫氣和一氧化碳的混合物)欲轉化為液體燃料,也必須依賴高效專一的催化劑。

      2、植物木質纖維素結構與組分組成的改造

      改造植物的木質纖維素的結構與組分組成的核心問題是如何提高纖維素含量,同時減少木質素含量。這樣對纖維素乙醇的生產極為有利。相對含量改變之后,不管是對前處理還是酒精產率都會產生正面影響。

      結語

      生物質能源的開發利用是個多學科交叉、融合的新興研究領域。生物質能源產業作為我國戰略性新興產業,受到國家的大力推行,有技術密集、資本密集、勞動密集、產業鏈條廠、帶動力度強的特點。

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