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生物質能(biomass energy ),是太陽能以化學能形式貯存在生物質中的能量形式,即以生物質為載體的能量。生物質能蘊藏在植物、動物和微生物等可以生長的有機物中,它是由太陽能轉化而來的。有機物中除礦物燃料以外的所有來源於動植物的能源物質均屬於生物質能。21世紀初,開發利用生物質能是世界各國的能源發展趨勢。

1 生物質能 -簡介

生物質能生物質能

生物質是指通過光合作用而形成的各種有機體,包括所有的動植物和微生物。而所謂生物質能,就是太陽能以化學能形式貯存在生物質中的能量形式,即以生物質為載體的能量。它直接或間接地來源於綠色植物的光合作用,可轉化為常規的固態、液態和氣態燃料,取之不盡、用之不竭,是一種可再生能源,同時也是唯一一種可再生的碳源。生物質能的原始能量來源於太陽,所以從廣義上講,生物質能是太陽能的一種表現形式。

生物質能一直是人類賴以生存的重要能源,它是僅次於煤炭、石油和天然氣而居於世界能源消費總量第四位的能源,在整個能源系統中佔有重要地位。有關專家估計,生物質能極有可能成為未來可持續能源系統的組成部分,到22世紀中葉,採用新技術生產的各種生物質替代燃料將佔全球總能耗的40%以上。

2 生物質能 -分類

依據來源的不同,可以將適合於能源利用的生物質分為林業資源、農業資源、生活污水和工業有機廢水、城市固體廢物和畜禽糞便等五大類。

林業資源
生物質種類生物質種類

林業生物質資源是指森林生長和林業生產過程提供的生物質能源,包括薪炭林、在森林撫育和間伐作業中的零散木材、殘留的樹枝、樹葉和木屑等;木材採運和加工過程中的枝丫、鋸末、木屑、梢頭、板皮和截頭等;林業副產品的廢棄物,如果殼和果核等。

農業資源

農業生物質能資源是指農業作物(包括能源作物);農業生產過程中的廢棄物,如農作物收穫時殘留在農田內的農作物秸稈(玉米秸、高粱秸、麥秸、稻草、豆秸和棉稈等);農業加工業的廢棄物,如農業生產過程中剩餘的稻殼等。能源植物泛指各種用以提供能源的植物,通常包括草本能源作物、油料作物、製取碳氫化合物植物和水生植物等幾類。

生活污水和工業有機廢水

生活污水主要由城鎮居民生活、商業和服務業的各種排水組成,如冷卻水、洗浴排水、盥洗排水、洗衣排水、廚房排水、糞便污水等。工業有機廢水主要是酒精、釀酒、製糖、食品、製藥、造紙及屠宰等行業生產過程中排出的廢水等,其中都富含有機物。

城市固體廢物

城市固體廢物主要是由城鎮居民生活垃圾,商業、服務業垃圾和少量建築業垃圾等固體廢物構成。其組成成分比較複雜,受當地居民的平均生活水平、能源消費結構、城鎮建設、自然條件、傳統習慣以及季節變化等因素影響。

畜禽糞便

畜禽糞便是畜禽排泄物的總稱,它是其他形態生物質(主要是糧食、農作物秸稈和牧草等)的轉化形式,包括畜禽排出的糞便、尿及其與墊草的混合物。

3 生物質能 -特點

生物質能氣化燃燒鍋爐
可再生性

生物質能屬可再生資源,生物質能由於通過植物的光合作用可以再生,與風能、太陽能等同屬可再生能源,資源豐富,可保證能源的永續利用。

低污染性

生物質能的硫含量、氮含量低、燃燒過程中生成的SOX、NOX較少;生物質作為燃料時,由於它在生長時需要的二氧化碳相當於它排放的二氧化碳的量,因而對大氣的二氧化碳凈排放量近似於零,可有效地減輕溫室效應。

廣泛分佈性

缺乏煤炭的地域,可充分利用生物質能;

總量豐富

生物質能是世界第四大能源,僅次於煤炭、石油和天然氣。根據生物學家估算,地球陸地每年生產1000~1250億t干生物質;海洋年生產500億t干生物質。生物質能源的年生產量遠遠超過2007年全世界總能源需求量,相當於2007年世界總能耗的10倍。中國可開發為能源的生物質資源到2010年可達3億噸。隨著農林業的發展,特別是炭薪林的推廣,生物質資源還將越來越多。

4 生物質能 -利用技術

生物質能是世界上最為廣泛的可再生能源。據估計,每年地球上僅通過光合作用生成的生物質總量就達1440~1800億噸(乾重),其能量約相當於20世紀90年代初全世界總能耗的3~8倍。但是尚未被人們合理利用,多半直接當薪柴使用,效率低,影響生態環境。現代生物質能的利用是通過生物質的厭氧發酵製取甲烷,用熱解法生成燃料氣、生物油和生物炭,用生物質製造乙醇和甲醇燃料,以及利用生物工程技術培育能源植物,發展能源農場。 

1、直接燃燒

生物質能生物質能

生物質的直接燃燒和固化成型技術的研究開發主要著重於專用燃燒設備的設計和生物質成型物的應用。現已成功開發的成型技術按成型物形狀主要分為大三類:以日本為代表開發的螺旋擠壓生產棒狀成型物技術,歐洲各國開發的活塞式擠壓制的圓柱塊狀成型技術,以及美國開發研究的內壓滾筒顆粒狀成型技術和設備。

2、生物質氣化

生物質氣化技術是將固體生物質置於氣化爐內加熱,同時通入空氣、氧氣或水蒸氣,來產生品位較高的可燃氣體。它的特點是氣化率可達70%以上,熱效率也可達85%。生物質氣化生成的可燃氣經過處理可用於合成、取暖、發電等不同用途,這對於生物質原料豐富的偏遠山區意義十分重大,不僅能改變他們的生活質量,而且也能夠提高用能效率,節約能源。

3、液體生物燃料

由生物質製成的液體燃料叫做生物燃料。生物燃料主要包括生物乙醇、生物丁醇、生物柴油、生物甲醇等。雖然利用生物質製成液體燃料起步較早,但發展比較緩慢,由於受世界石油資源、價格、環保和全球氣候變化的影響,20世紀70年代以來,許多國家日益重視生物燃料的發展,並取得了顯著的成效。

4、沼氣

沼氣是各種有機物質在隔絕空氣(還原)並且在適宜的溫度、濕度條件下,經過微生物的發酵作用產生的一種可燃燒氣體。沼氣的主要成分甲烷類似於天然氣,是一種理想的氣體燃料,它無色無味,與適量空氣混合后即可燃燒。

1)、沼氣的傳統利用和綜合利用技術

中國是世界上開發沼氣較多的國家,最初主要是農村的戶用沼氣池,以解決秸稈焚燒和燃料供應不足的問題,後來的大中型沼氣工程始於1936年,此後,大中型廢水、養殖業污水、村鎮生物質廢棄物、城市垃圾沼氣的簡歷擴寬了沼氣的生產和使用範圍。

自20世紀80年代以來,建立起的沼氣發酵綜合利用技術,以沼氣為紐帶,將物質多層次利用、能量合理流動的高效農業模式,已逐漸成為中國農村地區利用沼氣技術促進可持續發展的有效方法。通過沼氣發酵綜合利用技術,沼氣用於農戶生活用能和農副產品生產加工,沼液用於飼料、生物農藥、培養料液的生產,沼渣用於肥料的生產。沼氣發酵綜合利用生態農業模式的建立使農村沼氣和農業生態緊密結合,是改善農村環境衛生的有效措施,也是發展綠色種植業、養殖業的有效途徑,已成為農村經濟新的增長點。

2)、沼氣發電技術

生物質能生物質能

沼氣燃燒發電時隨著大型沼氣池建設和沼氣綜合利用的不斷發展而出現的一項沼氣利用技術,它將厭氧發酵處理產生的沼氣用於發動機上,並裝有綜合發電裝置,以產生電能和熱能。沼氣發電具有高效、節能、安全和環保等特點,是一種分佈廣泛且價廉的分散式能源。沼氣發電在發達國家已收到廣泛重視和積極推廣。生物質能發電併網電量在西歐一些國家占能源總量的10%左右。

3)、沼氣燃料電池技術

燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學能直接轉化為電能的裝置。當源源不斷地從外部向燃料電池供給燃料和氧化劑時,它可以連續發電。依據電解質的不同,燃料電池分為鹼性燃料電池(AFC)、質子交換膜(PEMFC)、磷酸(PAFC)、溶融碳酸鹽(MCFC)及固態氧化物(SOFC)等。

燃料電池能量轉換效率高、潔凈、無污染、雜訊低,既可以集中供電,也適合分散供電,是21世紀最有競爭力的高效、清潔的發電方式之一,它在潔凈煤炭燃料電站、電動汽車、移動電源、不間斷電源、潛艇及空間電源等方面,有著廣泛的應用前景和巨大的潛在市場。

5、生物制氫

氫氣是一種清潔、高效的能源,有著廣泛的工業用途,潛力巨大,生物制氫的研究逐漸成為人們關注的熱點,但將其他物質轉化為氫並不容易。生物制氫過程可分為厭氧光合制氫和厭氧發酵制氫兩大類。

6、生物質發電技術

生物質發電技術是將生物質能源轉化為電能的一種技術,主要包括農林廢物發電、垃圾發電和沼氣發電等。作為一種可再生能源,生物質能發電在國際上越來越受到重視,在中國也越來越受到政府的關注和民間的擁護。

5 生物質能 -利用狀況

生物質能生物質能的應用

到2007年,生物質能技術的研究與開發已成為世界重大熱門課題之一,受到世界各國政府與科學家的關注。許多國家都制定了相應的開發研究計劃,如日本的陽光計劃、印度的綠色能源工程、美國的能源農場和巴西的酒精能源計劃等,其中生物質能源的開發利用佔有相當的比重。

到2007年,國外的生物質能技術和裝置多已達到商業化應用程度,實現了規模化產業經營,以美國、瑞典和奧地利三國為例,生物質轉化為高品位能源利用已具有相當可觀的規模,分別占該國一次能源消耗量的4%、16%和10%。

美國

生物質能發電的總裝機容量已超過10000兆瓦,單機容量達10~25兆瓦;美國紐約的斯塔藤垃圾處理站投資2000萬美元,採用濕法處理垃圾,回收沼氣,用於發電,同時生產肥料。美國開發出利用纖維素廢料生產酒精的技術,建立了1兆瓦的稻殼發電示範工程,年產酒精2500噸。

巴西

是乙醇燃料開發應用最有特色的國家,實施了世界上規模最大的乙醇開發計劃,到2007年乙醇燃料已佔該國汽車燃料消費量的50%以上。

瑞典

生物質供熱發電1030億度,佔全國能源消費總量的16.5%,占供熱能源消費總量的68.5%。瑞典首都斯德哥爾摩清潔能源轎車約10萬輛,包括使用乙醇的車、使用生物燃氣車和混合動力車,占轎車總量的11%。瑞典計劃到2020年在交通領域全部使用生物燃料,率先進入后石油時代。

歐盟

歐盟委員會於2010年5月表示,已採取積極步驟來改善歐盟的生物廢棄物管理,並以此取得大的環境和經濟效益。歐盟運輸業2020年可再生能源目標約1/3將可望通過使用來自生物廢棄物的生物氣體來得以滿足。

中國

中國已經開發出多種固定床和流化床氣化爐,以秸稈、木屑、稻殼、樹枝為原料生產燃氣。2006年用於木材和農副產品烘乾的有800多台,村鎮級秸稈氣化集中供氣系統近600處,年生產生物質燃氣2,000萬立方米。

中國政府及有關部門對生物質能源利用也極為重視,截至2010年,己連續在四個國家五年計劃將生物質能利用技術的研究與應用列為重點科技攻關項目,開展了生物質能利用技術的研究與開發。

6 生物質能 -利用意義

生物質能生物質能木質壓縮顆粒

1、在相當長一個時期內,人類面臨著經濟增長和環境保護的雙重壓力,因而改變能源的生產方式和消費方式,用現代技術開發利用包括生物質能在內的可再生能源資源,對於建立持續發展的能源系統,促進社會經濟的發展和生態環境的改善具有重大意義。

2、從環境效益上看,利用生物質可以實現CO2歸零的排放,從根本上解決能源消耗帶來的溫室效應問題。

隨著全球環境問題的日益嚴重,各國主要關心的是生物質能對減少CO2排放上的作用,加上發展速生能源作物有利於改善生態環境,不會遺留有害物質或改變自然界的生態平衡,對今後人類的長遠發展和生存環境有重要意義,所以國際上很多國家大都把生物質能利用技術作為一種重要的未來源技術來發展,有的國家,像瑞典等歐洲國家把生物質能作為替代核能的首要選擇,對生物質能的研究越來越重視。

3、生物質能屬於低碳能源,對於逐步改變以化石燃料為主的能源結構具有重要作用。

生物質資源量豐富且可以再生,其含硫量和灰分都比煤低,而含氫量較高,因此比煤清潔。若把它變成氣體或液體燃料,使用起來清潔、方便。此外,礦物燃料在燃燒過程中,排放出CO2氣體,在大氣層中不斷積累,溫室氣體在大氣中的濃度不斷增加,導致氣候變暖,而生物質既是低碳燃料,又由於其生產過程中吸收CO2成為溫室氣體的匯(Sink),因此,隨著國際社會對溫室氣體減排聯合行動付之實施,大力開發生物質能源資源,對於改善以化石燃料為主的能源結構,特別是為農村地區因地制宜地提供清潔方便能源,具有十分重要的意義。

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