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生物质气化的特点范文1
关键词：生物质发电；直燃发电；气化发电；混合燃烧发电；技术趋势
引言
生物质能是我国“十二五”期间重点发展的新兴能源产业之一，按我国提出的2020年非化石能源占能源消费总量15%的目标初步估算，到2020年我国生物质能装机总量将达3000万千瓦，沼气年利用量440亿立方米，生物燃料和生物柴油年产量达到1200万吨。
截止2013年底，中国生物质能并网发电装机量779万千瓦，预计2014年底，生物质发电装机将有望达到1100万千瓦，上网电量有望达到500亿千瓦时[1]。从产业整体状况分析，生物质发电及生物质燃料目前仍处在政策引导扶持期。
1.生物质发电技术分类
1.1 生物质直燃发电
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，用于发电或者热电联产。国内生物质直接燃烧发电的锅炉主要有两种：炉排炉、循环流化床锅炉。采用生物质燃烧设备可以快速度实现各种生物质资源的大规模减量化、无害化、资源化利用，而且成本较低，因而生物质直接燃烧技术具有良好的经济性和开发潜力。
1.2 生物质气化发电
生物质气化发电是指生物质在气化炉中气化生成可燃气体，经过净化后驱动内燃机或小型燃气轮机发电。气化炉对不同种类的生物质原料有较强的适应性。内燃机一般由柴油机或天然气机改造而成，以适应生物质燃气热值较低的要求；燃气轮机要求容量小，适于燃烧高杂质、低热值的生物质燃气。
1.3 生物质混合燃烧发电
生物质混合燃烧发电是指将生物质原料应用于燃煤电厂中，和煤一起作为燃料发电。生物质与煤有两种混合燃烧方式： 一种是生物质直接与煤混合燃烧，生物质预先与煤混合后再经磨煤机粉碎或生物质与煤分别计量、粉碎。生物质直接与煤混合燃烧要求较高，并非适用于所有燃煤发电厂，而且生物质与煤直接混合燃烧可能会降低原发电厂的效率。第二种是将生物质在气化炉中气化产生的燃气与煤混合燃烧，即在小型燃煤电厂的基础上增加一套生物质气化设备，将生物质燃气直接通到锅炉中燃烧，这种混合燃烧方式通用性较好，对原燃煤系统影响较小。
2.生物质发电技术比较
生物质与煤混合燃烧发电技术投资少，发电效率决定于原燃煤电站的效率.其中生物质气化混烧发电对原有电站的影响比直接混烧发电对原有电站的影响小，通用性较强[2]。由于气化发电技术关键设备―小型低热值燃气轮机技术尚未成熟，对10 MW以上的生物质发电系统而言，比较有优势的技术是直接燃烧发电[3]。对10 MW以下的生物质发电系统而言，气化一余热发电系统效率远高于直接燃烧发电系统，具有更大的优势。另外，生物质直接燃烧发电技术比较成熟，但在小规模发电系统中蒸汽参数难以提高，只有在大规模利用时才具有较好的经济性，比较适合于10 MW以上的发电系统。生物质混烧发电技术在已有燃煤电站的基础上将生物质与煤混烧发电，混烧发电对原有电站的影响比直接混烧发电对原有电站的影响小，通用性较强，投资成本是三类技术中最少的，但可能降低原燃煤电站效率。
表2-1 三种生物质发电技术比较表
分类 直燃发电 气化发电 混合燃烧发电
规模 10MW以上 10MW以下 10MW以上
通用性 强 低 强
热电连供 可以 可以 不可以
并网独立性 可以 可以 不可以
投资成本 中 高 低
效率变化 中 高 不确定
3.生物质发电技术趋势
3.1直燃技术
自2006年以来，我国生物质直燃发电开始进行商业化运行，国产循环流化床燃烧技术已成为生物质直燃发电市场的主导技术。循环流化床内可采用SNCR脱销，脱硝率可达50%以上。虽然生物质燃料含硫量较低，但实际SO2排放浓度在200mg/m3以上，炉内可以加石灰石脱硫，在脱硫效率达到70%时，即可满足国家标准的要求。对灰熔点较低的生物质，如油菜秆、棉花杆等，燃烧此类生物质的锅炉，蒸汽温度不宜提的过高，除非有很好的防积灰、腐蚀的措施作为保障。此外，生物质水分很高，着火推迟，导致不完全燃烧，炉排上未燃尽的生物质含碳量很高，需要增加炉排长度，提高燃烧效果。
3.2气化技术
生物质气化发电中含焦油废水无害化处理是制约气化发电的瓶颈，国内外研究结果均提出采用有机溶剂作为燃气净化介质，避免二次水污染。循环流化床气化技术已有较好的基础，在循环流化床中进行生物质气化，气化温度控制在950～1000度，可以获得中值热燃气，同时彻底解决焦油问题，燃气净化后实现燃气内燃机-蒸汽联合循环，发电效率可达30%以上，在此基础上研发加压（30atm）循环流化床生物质气化技术，采用燃气内燃机-蒸汽联合循环，发电效率可达40%。
双床气化技术是采用循环流化床与鼓泡床双床组合技术技术，将生物质燃料送入鼓泡床内，气化热源为循环流化床分离下的高温灰，流化介质为高温水蒸气或气化气。循环流化床燃烧气化室送来的半焦，产生高温烟气，烟气经分离后进入鼓泡床作为气化室热源，分离后的高温烟气进入余热锅炉，加热蒸汽进行发电。气化室反应温度控制在650～850度，产生的燃气经气固分离、净化后送内燃机发电，内燃机尾气经余热锅炉吸热后产蒸汽送蒸汽轮机发电。燃气中焦油通过闭式循环水水洗系统，经有机溶剂萃取后回收焦油，废水采用膜技术处理后达标排放。
4.结论
在各类生物质发电技术中，直燃生物质开发利用已经初步产业化，混烧发电技术的投资经济性最好，其发电经济性决定于原电厂的效率，而且会对原电厂有一定的影响。生物质气化发电技术的发电规模比较灵活，投资较少，适于我国生物质的特点，但是技术还不成熟。从产业整体状况分析，生物质发电及生物质燃料目前仍处在政策引导扶持期。
参考文献：
[1]水电水利规划设计总院和国家可再生能源信息管理中心.2013中国生物质发电建设统计报告[R].北京：国家可再生能源中心，2014.
[2]李利文.生物质能发电模式探讨[J].内蒙古科技与经济，2009（19）：71-75.
生物质气化的特点范文2
生物质气化过程的本质是生物质碳与气体之间的非均相反应和气体之间的均相反应。该过程十分复杂，随着气化设备的不同、气化工艺过程的差异及反应条件(如气化反应剂的种类、气化反应温度、反应时间、有无催化剂的添加、气化原料种类、原料的含水率等)的不同，其反应过程也大不相同;但一般会经历干燥、热解、氧化、还原4个过程。在上述反应过程中，只有氧化反应是放热反应，释放出的热量为生物质干燥、热解和还原阶段提供热量。在实际气化过程中，上述4个过程并没有明确的边界，是相互渗透和交错的。气化炉是进行生物质气化过程的技术设备。在气化炉中，生物质完成了气化反应过程并转化为生物质燃气。气化炉能量转化效率的高低是整个气化系统的关键所在，故气化炉型式的选择及其控制运行参数是气化系统非常重要的制约条件。针对其运行方式的不同，可将气化炉分为固定床式和流化床式两大类型。其中，固定床式气化炉主要有上吸式、下吸式、横吸式及开心式4种;流化床式气化炉主要有鼓泡床式、循环流化式、双床式及携带床式4种。据统计，目前商业运行的生物质气化设备中，75%采用下吸式固定床，20%采用流化床，2．5%采用上吸式气化炉，另外2．5%采用其他形式气化系统。本文以使用最为广泛的下吸式固定床作为研究对象，分析生物质气化炉的结构和工作过程，如图1所示。下吸式固定床气化炉的工作过程为:首先，粉碎处理后的生物质物料由炉子顶部混合空气后，经由上料口投入下吸式固定床气化炉;其次，气化炉底部燃气出口处设置有引风机，正常工作时，引风机输出抽力，在炉内形成负压，使反应产生的气体在炉内流动，同时设置在喉管区的鼓风机，负责向氧化层输入一次风，为气化过程提供充分的氧气，实现对生物质物料的充分氧化;最后经过还原反应区，生成可燃气体。物料和空气在炉内由上至下、随着温度的变化按照干燥、热解、氧化、还原4个反应层依次地进行气化反应，形成有少量杂质的可燃气体，该气体经过净化工艺处理，最终形成可以直接使用的可燃气体。气化过程是一个复杂的物理化学过程，其处理的植物燃料来源众多，物理、化学特性差异较大;同时，气化过程中炉温受到一次风量、物料含水量等诸多因素的共同影响。这些因素对于气化过程的影响相对较小，气化过程主要受到空气当量比和气化反应温度的影响。生物质气化炉的控制目标是将生物质能的转换效率最大化，提高并保证可燃气体的质量。影响气化炉转换效率的因素有很多，但主要取决于气化炉4个处理过程的温度区间;气化炉生成的可燃气体质量主要反映在其含氧量高低。因此，生物质气化炉系统控制所要解决的问题主要在于如何将炉内温度稳定在最佳区间及怎样降低最终可燃气体的含氧量。为稳定气化炉炉顶温度和降低出口处可燃气体的含氧量，本文选取双闭环控制结构，对生物质燃料与一次风的投放量分别进行控制，如图2所示。
1．1温度控制环温度控制环采用主、副控制结构。根据工艺分析，生物质气化炉炉温主要虽然受到多种因素影响，但主要取决于物料物理、化学反应的放热和吸热。由于该过程的非线性、大滞后特性，无法用准确的数学模型来描述，因此采用BP预测方法建立物料和温度的BP神经网络模型。主控制器根据当前温度和温度设定值，预测最优的生物质物料添加量;副控制PID根据该添加量，对上料机构的送料速度进行跟随控制，达到精确上料和稳定炉温的目的。
1．2含氧量控制环为达到稳定炉顶温度、降低可燃气体含氧量的目的，本文以一次风进风量作为主要调节手段。因为一次风不仅影响着可燃气体含氧量，还影响着气化炉温度，所以本文引入温度和含氧量两个反馈。主控制器采用免疫PID控制，它能根据炉内含氧量偏差和炉温偏差推算出鼓风机的最优转速;副控制PID则根据推算出的最优转速对鼓风机速度进行跟随控制，确保鼓风机转速。
2基于BP算法的温度控制
气化过程的温度变化具有大滞后的特点，给控制带来了很大的困难。通过对温度变化的预估，能够有效地抑制滞后，提升控制效果。生物质气化过程是一个复杂的、非线性工业生产过程。由于气化炉温度受到一次风量、物料分布及物料含水量等因素的影响，气化炉温度变化毫无规律而言。神经网络是由大量简单的神经元纵横交错而形成的复杂网络系统。它能以实验数据为基础，经过有限次迭带计算，获得实验数据的内在规律，并且无需预先给定公式，非常适合于研究非线性系统。因此，气化炉的温度可以采用BP人工神经网络对其进行预测［9］。BP网络是一种多层网络，其基本理念是将W－H学习规则一般化，对非线性的可微分函数训练权值。目前，BP网络主要用在函数逼近、模式识别、分类和数据压缩方面。BP算法由两部分构成:信息的正向传递和偏差的反向传播。在其正向传播过程中，输入的数据信息会被逐步运算，从输入层经隐含层直到传给输出层;输出的信息又会影响下一层神经元。如果在输出层没有获得期望的输出，则会在计算输出层的偏差变化值后进行转向传播，通过网络将偏差信号沿原来的连接通路进行反向传回，之后各层神经元的权值会被修改直至达到期望目标。设P为输入变量，r为输入神经元，s1为隐含层内的神经元个数，f1为其对应的激活函数，s2为输出层的神经元个数，f2为对应的激活函数，A为输出，T为目标矢量，b1i表示第i个隐层神经元的阈值，w1ij表示第j个输入变量到第i个隐层神经元的权值，b2k为隐层中第k个神经元的阈值，w2ki为隐层中第i个神经元到输出层第k个神经元的权值，则BP算法的正向传递信息。
2．1样本的批处理对于一般的BP算法，各连接权的调整量分别正比于各个学习样本的代价函数E，而全局偏差意义上的梯度算法就是调整全局偏差函数E的连接权。在逐个训练样本时对权值的修正可能会出现振荡，为了避免这一问题，应该在m个学习模式全部提供给网络之后对它统一进行调整;而成批训练的方法就是将一批样本生成的修正值累计后统一进行一次批处理。因此，修改权值的增量为。减少每个连接权及阈值的校正次数，从而改进了学习速度。应用该方法时，稳定网络的训练过程及限制每次迭代网络偏差增量是学习率增长的前提。
2．2基于变学习率的BP算法在基本的BP算法中，学习率必须是一个固定的常数。通过分析基本的BP算法的偏差曲面得知:在其平坦区域，学习率太小会造成迭代次数增加;而在变化剧烈区域，学习率太大又可能修正过头，引起振荡及发散，进一步影响学习收敛的速度。所以，合理调节学习率从而加快收敛速度是基本BP算法的常用改进方法之一。
2．3气化炉温度的BP神经网络预测基于生物质气化过程的机理分析及实际经验，为降低神经网络的输入，影响焦炉集气管压力的可测量因素初步确定为一次风量、物料分布及物料含水量，将其作为BP神经网络的输入，气化炉温度的预测值为输出，此时BP神经网络就变成为一个4输入单输出的模型。其中，启停次数为BP神经网络的输入节点，特征参数值为输出节点，建立一个隐含层有5个神经元的3层神经网络。理论上已经证明:如果一个网络具有偏差和至少一个S型隐含层加上一个线性输出层，那它就能够逼近任意有理函数。训练算法采用梯度下降法，学习速率为0．15，网络的初始权值为0～1中的随机数。
3基于模糊免疫PID的含氧量控制
可燃气体含氧量是生物质气化炉生产质量的重要指标之一，也关系到气化产物的安全使用问题。在本文设计的生物质气化炉控制系统中，采用温度和可燃气体含氧量双闭环结构，对气化过程进行自动控制。可燃气体含氧量控制需要利用对一次风的控制，解决含氧量控制和炉温控制之间的矛盾，在稳定炉温的同时降低可燃气体含氧。
3．1生物免疫机理生物免疫机理是抗击病源入侵的首要防御系统，它通过对病原物质的特殊提取、识别、刺激响应、自适应调节、学习和记忆等功能杀死抗原。B细胞和T细胞是生物免疫机理主要构成部分;而在免疫系统中，除了淋巴细胞外，还有一些其它种类的免疫细胞拥有着不可忽视的作用。T细胞和B细胞从不活跃、未成熟经自体耐受发展为成熟的免疫细胞，一旦人体受到有关攻击时，迅速产生免疫应答。所谓的免疫应答就是一个识别、效应和记忆的过程。抗原是一类能被胸腺中的T细胞及骨髓中的B细胞识别并刺激T细胞及B细胞进行特异性应答的病原体。巨噬细胞等将特异抗原递呈细胞吸取消化病原体，分解后展示在细胞表面，形成MHC分子。成熟的T细胞会被MHC分子激活，然后接受并识别病原体抗原。T细胞识别特异抗原后会复制并激活杀伤T细胞，令其杀死任何受到特异抗原感染的细胞，并通过辅助T细胞将B细胞激活，使其识别特异抗原，并进一步扩增分化产生抗体。这些抗体会与抗原结合，通过与补体系统形成复合物或直接被吞噬细胞吞噬来杀死抗原。B细胞、T细胞在走向成熟过程中会经历自体耐受，在接受、识别、杀死抗原后会形成免疫记忆，产生免疫反馈。免疫反馈原理为:抗原进入机体后，将信息传递给TH细胞和抑制TH细胞产生的TS细胞，接受到信息的TH、TS细胞会共同刺激B细胞使其增殖分化产生抗体消除抗原。为使免疫反馈系统趋于平衡［10］，当抗原较多时，机体中TH细胞会较多于TS细胞，产生较多B细胞;反之，抗原被消灭减少后，TS细胞又会增多并抑制TH细胞的产生，从而导致B细胞也随之减少。
3．2模糊免疫PID算法为满足不同的控制要求，让被控对象有良好的性能，温度模糊免疫PID控制器采用模糊控制原理对PID参数模型中的kp、ki、kd进行在线修改。其中，温度偏差e(e=T0－T1，T0代表检测的实际温度，T1代表设定温度)和加热能级u1作替换:u1S，Δu1ΔS，分别为控制器的输入/输出。
4仿真
在保证生物质气化炉运行状况基本相同的条件下，采用基于灰色遗传的组合预测算法，对从某厂气化炉现场采集到的2000组干燥层温度数据中选取的连续1500组训练样本数据，以及剩余500组与样本数据时间相近的实验样本数据进行学习，建立预测模型，对试验样本进行拟合。为了验证基于BP神经网络的生物质气化炉温度组合预测算法方法的有效性，采用神经网络算法对实验数据进行学习和拟合，结果如图3所示。从仿真结果可以看出:采用BP神经网络可以较好地预测气化炉温度实时值，平均误差为4．3%，且能良好地跟踪实际温度的相位变化，为气化炉温度控制和可燃气体含氧量控制奠定良好了基础。
5应用
针对某生物能源公司以生物质气化炉生产过程具有高度非线性、时变特性、强耦合性、扰动变化激烈且幅度大的特点，结合气化炉现场工艺状况，设计了一种新的控制系统应用于该公司生物质气化炉生产过程。该系统基于Honeywell集散控制系统运行环境和操作平台，可用于采集过程数据、实时监视及分析历史数据等;采用高级编程语言VisualC++6．0编写智能解耦与优化控制应用软件，通过OPC通信技术将应用软件和集散系统进行无缝连接，以确保所编写的应用软件能够通过集散系统对现场的执行设备进行控制，从而保证了多座气化炉生产过程的实时稳定优化控制。本文所研究的生物质气化炉生产过程控制系统在某生物能源公司入生产后，得到了有效应用，起到了稳定气化炉温度、降低可燃气体含氧量的作用，满足了生产过程的需要。将本文提出的控制方法应用于现场实际后，运行情况表明:生物质气化炉生产过程控制系统保证了化炉干燥层温度稳定在优化设定值±45℃范围内;当压力变化、投放物料、气温变化造成系统扰动时，该系统能在短时间内通过调节上料速度和一次风机转速，将炉温和可燃气体含氧量动态调整到正常波动范围内，满足了生产的要求。
6结论
生物质气化的特点范文3
关键词 密集烤房；生物质；气化炉
中图分类号 S572 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2013）04-0197-01
近年来，我国密集烤房发展较快，2004年全国有各类密集烤房逾1.3万座，2006年已达12.59万座。就目前全国的烤烟生产状况来看，烤房热效率依然很低，烤烟节能潜力接近10亿元/年，十分浪费。山东、贵州、云南等省积极研发生物质替代煤炭烘烤烟叶设备及技术，但在气化炉研发方面无法突破高焦油难题。2011―2012年，山东临沂烟草有限公司研发的第一、二、三代密集烤房生物质高效环保炉，应用于烟叶烘烤，以煤炭、生物质等为燃料，重点解决生物质燃料产生焦油问题，实现了节能、低排放、低污染、低消耗、降本增效、秸秆新型能源综合利用和提高烟叶烘烤质量等目标[1-3]。
1 材料与方法
1.1 试验材料
第一代密集烤房生物质高效环保炉由山东临沂烟草有限公司组织设计，山东百特机械设备有限公司生产。炉体高度为1 400 mm，直径1 000 mm，容量为0.73 m3，重量1.2 t左右，炉膛燃烧室分为上、下2室，上室为二次燃烧室，下室为热分解室。二次燃烧室进风管为含镍耐高温不锈钢，在上、下室连接位置横穿炉体。
第一代密集烤房生物质高效环保炉工作原理：燃料在热解室内热解气化，热量和未燃尽烟气进入二次燃烧室，二次进风对二次燃烧室起助燃作用，提高二次燃烧室温度，未燃尽烟气和焦油在二次燃烧室高温下能够充分燃烧，达到节能、高效、低污染、低排放的目的[4-6]。
1.2 试验方法
2011年6月17日、8月10日在山东省蒙阴县联城镇塘子村分别进行了空炉燃烧试验和中部烟叶烘烤试验。
1.2.1 空炉燃烧试验。在密集烤房条件相同的前提下，隧道式加热设备以煤球为燃料，第一代密集烤房生物质高效环保炉以烟草秸秆为燃料进行空炉试验，烤房内起始温度是18 ℃，电机2.2 kW高速运转，风机5.88 kW，将密集烤房进风门和排湿窗全部关闭，仅保持内循环。
1.2.2 中部烟叶烘烤试验。在密集烤房相同条件下，分别使用第一代密集烤房生物质高效环保炉与隧道式加热设备2种烘烤设备，对鲜烟素质相同的NC89中部烟叶，在每竿绑烟量、装烟量相同的情况下，起始温、湿度相同，温、湿度变化同步进行，烘烤时间一致情况下，按照8点式烘烤工艺进行。烟叶外观质量和内在化学成分分析烟样采集选用烤后有代表性的烟叶[7]。
2 结果与分析
2.1 空炉燃烧试验
从表1可以看出，第一代密集烤房生物质高效环保炉炉膛最高温度比隧道式加热设备最高温度高出198 ℃（煤球热值为20.9 MJ/kg），空炉试验2种烘烤设备温度同步进行，燃烧到80 ℃，生物质高效环保炉燃料成本比隧道式加热设备成本节省207.66元，降低成本可达44.7%。
2.2 中部烟叶烘烤试验
2.2.1 烘烤烘烤成本分析。从表2可以看出，第一代密集烤房生物质高效环保炉烘烤成本比密集烤房隧道式加热设备节省0.83元/kg，降幅达40.9%。
2.2.2 外观质量分析。从表3可以看出，以烟草秸秆为燃料的第一代密集烤房生物质高效环保炉与以煤球为燃料的隧道式加热设备相比较，烤后烟叶外观质量无明显差异。
2.2.3 化学成分分析。从表4可以看出，2种烘烤设备烤后（下转第206页）
烟叶C3F烟叶化学成分无明显差异。
2.2.4 经济效益分析。从表5可以看出，第一代密集烤房生物质高效环保炉烤后烟叶在上等烟比例和均价方面略高于密集烤房隧道式加热设备。
3 结论
试验结果表明：第一代密集烤房生物质高效环保炉与隧道式加热设备相比较，烤后烟叶在烟叶烘烤外观质量、内在化学成分、经济效益无明显差异，中部烟叶烘烤成本节省0.83元/kg，降幅达40.9%。
4 参考文献
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[2] 宫长荣，潘建斌，宋朝鹏.我国烟叶烘烤设备的演变与研究进展[J].烟草科技，2005（11）：35-38.
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[4] 李志民，罗会龙，钟浩，等.烟叶密集烤房供热设备分析比较及发展方向[J].煤气与热力，2011，31（7）：12-14.
[5] 徐秀红，孙福山，王永，等.我国密集烤房研究应用现状及发展方向探讨[J].中国烟草科学，2008（29）：54-56，61.
生物质气化的特点范文4
生物质是自然界中广泛存在的、数量最丰富的有机原料，是一种可再生资源，从农林资源到水生植物，甚至包括一些特定的工农业废弃物和城市垃圾。生物质能是蕴藏在生物质中的能量，是消耗量仅次于石油、煤和天然气等传统矿物能源的第四大能源，是人类赖以生存的、可再生的绿色能源。生物精炼(biorefinery)可最大化地利用生物质资源以满足人们对生物质产品和能源需求的，符合人类可持续发展的要求，目前主要包括生物发酵、提取分离、绿色制浆、热解、气化等技术。人类对生物质资源的利用已有几千年的历史，但往往效率低下、污染严重，随着石油化学工业的迅速发展，生物质资源的利用也趋于缓慢。然而，20世纪70年生中东战争引发的全球性能源短缺，以及人类对石油等资源的无节制开发利用所导致的传统矿物资源的日益枯竭，使人们开始重新重视包括生物质能源在内的可再生能源的开发利用研究，同时，由石油化工产业所带来的环境问题也使得我们开发利用环境友好的生物质产业有较好的前景［1］。生物精炼技术可以将生物质资源转化为各种生物质燃料、生物质材料、生物质化学品和生物质能源等，使生物质资源和能源得到充分、高效的开发和利用，同时又不造成对环境的污染;既满足人们当前对化学品、材料和能源等各方面的需求，又符合可持续发展的要求。图1是生物质精炼产业所生产的多样性产品数量的一种保守估计。如图2所示，生物精炼技术可实现生物质能源、生物质材料、生物质化学品、生物质燃料与生物质之间的可持续循环，是一项高效率、低成本、绿色无污染的技术［。20世纪70年代开始，生物质资源的开发利用已成为世界性的热点问题，其研究主要集中在生物质能源、生物质化学品和生物质材料的开发利用方面。许多国家都制定了相应的开发研究计划:美国国会于2000年6月通过了《生物质研发法案》，2002年提出了《生物质技术路线图》，计划到2020年使生物质能源和生物质产品较2000年增加20倍，达到能源总消费量的25%(2050年达到50%)，每年减少碳排放量1亿t和增加农民收入200亿美元的目标;欧盟于1997年发表了白皮书《能源的未来:可再生能源》，2002年发表了绿皮书《欧盟能源供应安全战略》，计划到2020年欧盟的生物质燃料替代20%的化学燃料;其他国家，如中国、日本、印度、巴西等国也纷纷投入大量的人力和资金从事生物质资源的研究开发。美国现有100多个生物质乙醇工厂，2006年美国燃料乙醇产量已达约50亿加仑;欧盟是全世界目前生物柴油发展最好的地区，2005年欧盟生物柴油总产量已达320万t。2000年我国开始了燃料乙醇试点工作，目前年生产能力已达102万t，现已在东北三省、河南、安徽、河北、山东、江苏、湖北等省的27个地区完成乙醇汽油试点工作;中国林科院林化所在北京、安徽芜湖等地建立了年处理能力达几千吨的木材热解系统。这些都表明了生物精炼具有重要的经济价值和战略意义，是现实可行、环境友好的可持续发展之路。尽管如此，目前生物精炼仍主要处于研究和发展阶段，其大规模的工业化应用仍面临一些困难。
2生物精炼在传统制浆造纸工业中的应用
2．1传统制浆造纸工业模式所面临的问题
传统制浆造纸企业就是一些以大量生产传统产品，如纸浆、纸板或其他纤维素产品的企业，它们的主要特点是输入的原料量和化学品很多，所消耗的能源巨大。然而，它们唯一的产出物只是纤维素类产品，原料的利用率低，能源的使用效率也较低，同时还产生大量的污染物和废弃物，如不加以处理，将会对生态环境造成巨大的负面影响。由于优良制浆造纸原料的短缺、石油等传统资源价格的持续上涨，劳动力成本的上升，以及全球化竞争所带来的巨大压力，传统制浆造纸企业面临着前所未有的困难。一些企业纷纷采取了各种措施，如发展高得率的制浆造纸技术、促进林纸一体化、国外建造工厂降低生产成本以及开拓新的市场空间来摆脱这种困境，并收到了一定的成效。然而，这些并不能从根本上改变传统制浆造纸企业对原料、资源和能源的严重依赖性，也不能彻底改变对生态环境造成的负面影响。工厂将原木转变成基于纤维素的制浆造纸产品的这种老的商业模式已不适用。目前，欧洲、北美的一些企业，如UPM、IP、Georgia－Pa-cific等，都已经制定了从传统制浆造纸厂转型为生物质精炼厂的战略。在未来，几乎每个北美的制浆造纸厂都将生产生物质汽油、生物质酒精等高附加值产品。
2．2未来的生物精炼制浆造纸厂
随着生物精炼技术的提出和发展，传统制浆造纸企业有机会利用这项新兴技术转型为集约化的生物精炼厂以生产生物质燃料和生物质化学品，并且能够继续生产出传统的制浆造纸产品，在减少环境污染和提高能源使用效率的同时从林业生物质资源中获得最大收益。它们的主要特点是消耗的能源较少，不需要化石能源，而产出物多，原料资源的价值最大化地被利用，同时污染物和废弃物的排放量也显著减少，基本不会对生态环境造成较大的负面影响。是一家典型的现代化生物精炼制浆造纸厂的模式［4］。一些公司，如Potlach和AlabamaRiver将首先利用生物质气化技术来发热发电并最终生产出液体运输燃料和化学品，这也将取代工厂对天然气和化石燃料的需求。接下来，工厂会将气化技术用于制浆黒液的处理上。其它一些公司也正积极地将已倒闭的工厂转型为现代化的生物精炼制浆造纸厂，如Georgia－Pacific公司将把在缅因州的工厂转变为一个基于纤维素的生物质燃料厂。在制浆造纸领域中应用生物质精炼，可以将传统的化学浆厂变成集约化的生物质精炼厂，除了生产浆料，还可以生产高附加值的产品，如乙醇、碳纤维、聚合物、煤油和生物柴油等，这些产品都来自于半纤维素和木质素，而不是来自于纤维素。这些生物质原料主要包括禾本原料、木质原料和农林作物，而聚糖和木质素又广泛存在于这类可再生的原料中，这使得现代化的生物精炼厂可以与传统的石油精炼厂相当。在石油工业中，通过传统精炼所得到的化学品的量只占总产出量的5%左右，而其他的都被用于生产运输燃料和能源。同石油精炼一样，日用化学品需求和运输燃料间的平衡也是生物精炼的一个重要方面，有些观点认为，生物精炼厂不应该改变这种比例。市场对生物质燃料和能源的巨大需求，将使制浆造纸工业有潜力成为最主要的生物质燃料供应商。
2．3生物精炼在制浆造纸过程中的应用现状
2．3．1生物精炼在制浆造纸原料上的应用通过对制浆造纸纤维原料基因改性可以获得不同纤维素、半纤维素和木质素含量组成、不同纤维形态结构的短周期速生原料，提高了制浆造纸原料的质量，缩短了制浆造纸原料成材的年限，可满足制浆造纸企业对优质原料的长期需求。如果将制浆造纸原料加工到纳米级，其原来的细胞结构被破坏，纤维组织结构发生变化，纤维素、半纤维素和木素可在加工过程中用机械方法分离，从而提高制浆得率，改善浆料质量，提高制浆造纸工业对环境的友好性。
2．3．2生物精炼在制浆过程中的应用在化学制浆前，利用相对温和的条件抽提出乙酸和部分水溶性半纤维素，可降低制浆过程中有效碱的用量，加快脱木素速率，降低残渣率，同时也减轻了黒液处理的压力。实验室研究表明，该工艺不会对纤维数量和质量产生负面影响。在制浆前，利用真菌或酶处理除去木片中树脂，可减少纸机断头、防止纸张强度下降以及工艺设备堵塞等问题，现已在工业上获得应用。在制浆前利用真菌或酶对木片进行预处理，既能降低制浆造纸过程中磨浆能耗和化学药品用量，还能提高纸浆抄造的强度，减轻对环境的污染。目前，研究重点主要为生物机械制浆和生物预处理化学制浆。利用微生物、木素水解酶或半纤维素酶处理纸浆，降解碳水化合物和残余木素，既能提高纸浆可漂性和白度，又可节省化学漂剂的用量，提高纸浆性能，并减少环境污染。废纸再利用的关键技术之一是脱墨技术。相对于传统脱墨技术，采用纤维素酶、半纤维素酶或脂肪酶来代替化学药品进行脱墨处理，可减少脱墨剂的用量，增强脱墨效果，提高白度和浆料强度，同时也可降低废水对环境的污染。
2．3．3生物精炼在制浆废液上的应用利用木质素沉积技术既可从制浆废液中分离回收木质素，又可减轻锅炉回收化学药品和能源的负荷。利用该技术能否获得大量木质素取决于制浆得率和沉积效率，如果制浆过程中溶出木质素少或沉积效率较低，则木质素获得量较少。黑液气化可替代传统的汤姆林森回收锅炉来回收化学药品和能源，既可生产电力，又可生产合成气，提高了黒液的日处理能力和能源的利用效率，减少了设备投入和占地面积。黒液气化技术主要分为压力气化和常压气化，ChemrecAB和ThermochemRecoveryInternational两家公司分别拥有这两项技术。固体燃料气化器可以替换传统的固体燃料锅炉，将任何可比较经济地运输和气化的材料运到工厂，包括农作物废料、锯木屑、城市有机垃圾等，气化后产生工厂所需的动力。应用生物技术处理制浆工业废水，不仅可从制浆造纸废液中发酵制取乙醇等高附加值产品，不仅能增加经济效益，还可使废水脱色、脱臭、解毒并降低废水中有机物BOD(生化需氧量)，甚至COD(化学需氧量)，解决废水污染问题效果显著。近年来，利用高级氧化处理技术、净化受污染水体的研究也获得了显著进展，多以应用紫外辐射为主，但往往效率较低，而提高太阳能去污效率的关键技术之一在于研制、改进催化剂，目前在光催化有机污染物领域被认为最有效的催化剂是纳米TiO2。
2．3．4生物精炼在制浆过程中副产品上的应用制浆前抽提所得的半纤维素是碳水化合物的混合物，通过酸水解或酶水解可以转化为单糖，再通过生物发酵可制得乙醇，而乙醇又可生产燃料、聚乙烯等高附加值产品，据估计从生物质碳水化合物中所获得化学品和材料的数量可以相当于目前从石油碳氢化合物中获得的量，多达30个。制浆过程中的两种副产品由于具有重要的经济价值将被回收:从蒸煮器释放的气体中可以回收松脂，从制浆黒液可以回收塔罗油。松脂中含有大量的香精油，分离后可以制得香料、聚合物添加剂和溶剂;而塔罗油主要含有皂化脂肪酸和树脂酸，可以用于生产生物质柴油、肥皂和油等，且从塔罗油通过氢化产生生物质柴油要比通过酯化生产生物质柴油经济的多。木质素沉积回收的木质素可生产酚型物、炭纤维、固体或液体燃料、胶粘剂和土壤改良剂等高附加值产品。黒液气化得到的合成气主要为为氢气、一氧化碳、二氧化碳和其他气体的混合物，可用来合成大量的化学品。
3生物精炼在造纸工业应用中所面临的问题和解决建议
集约化生物精炼是最大化利用生物质的一种途径，可以满足人们对生物质燃料、生物质能源以及生物质材料的短期需求和长期发展需要，有利于经济发展，有利于技术进步，也有利于环境保护。然而，生物精炼技术在制浆造纸工业中的大规模应用还面临着不少困难:
(1)人们急需转变固有的思维方式。将现有的制浆造纸厂转变为生物质精炼厂不仅是技术上的革新，更是思维方式上的革新，要让那些专注于生产传统纸和纸板产品的制浆造纸厂接受这种全新的生产模式可能还需要一段时间;
(2)需要先进的技术支持和大量的额外投资。目前，仅有少数国家和地区的制浆造纸厂掌握了这些新兴的技术，已成功转型的工厂也不多，而且需要投入大量的资金对现有工厂进行改造，这也限制了生物精炼技术的推广;
生物质气化的特点范文5
摘要：中国是一个农业大国，农作物秸秆资源非常丰富，秸秆是宝贵的可再生资源。本文介绍了秸秆综合利用的现状，包括还田技术、能源化技术、饲料化技术和工业应用技术等。这些技术在实际应用中仍存在一些不足。因此，进一步开发秸秆综合利用新技术，实现秸秆利用的资源化、高效化和产业化是发展的必然趋势。
关键词：农作物秸秆 利用技术 现状 发展对策
我国作为农业大国，生物质资源十分丰富，据估计，我国每年农作物秸秆产量达 7 亿多吨［1］。尽管现在已有大量秸秆用于还田、饲料和工业原料以及农民生活燃料等方面，但仍有很大一部分秸秆直接在田间焚烧，而且由于热利用率低［2］，造成了生物质能源的极大浪费，带来的大气污染和消防安全问题危害极大，甚至影响交通和人民群众的健康。因此，探讨农作物秸秆资源化及合理开发利用技术，具有重要的现实意义。
1、农作物秸秆的利用技术现状
1. 1 秸秆还田技术 目前秸秆还田有多种形式，主要可分为 4 大类: 秸秆粉碎翻压还田、秸秆覆盖还田、过腹还田和焚烧还田。秸秆粉碎翻压还田能把秸秆的营养物质充分保留在土壤里，不仅可以增加土壤速效养分含量，改善土壤中的养分状况、培肥土壤，缓解氮、磷、钾肥比例失调的矛盾，而且操作简单。但也应该注意到: 机械粉碎还田成本高，能耗大，会造成尘埃污染，在山区、丘陵地区机械使用受限;而且秸秆还田量过大或不均匀会与植物幼苗争夺养分、土壤孔隙变大，通常需要在秸秆还田时增施氮肥和磷肥，适时灌水，增加了农民的成本［3］。
秸秆覆盖还田是将秸秆粉碎后直接覆盖在地表，这样可以减少土壤水分的蒸发，达到保墒的目的，腐烂后可增加土壤有机质。但是这样会给灌溉带来不便，造成水资源的浪费，严重影响播种。这种方式比较适宜于在干旱地区，进行小面积的人工整株倒茬覆盖［4］。
1.2 能源化技术 生物质能是我国仅次于煤炭、石油和天然气的第 4 位能源资源，在能源系统中占有重要地位［5］，其能源化用量占农村生活用能的 30% ～ 35%［6］。生物质能源转换的方式有固化、直接燃烧、气化、液化、热解和生物转化等技术。
生物质的热解气化是热化学转化中最主要的一种方式［7］，主要用于集中供气。不仅价格低廉，经济实惠，而且能减少或防止秸秆污染，净化环境。但是此类秸秆燃气洁净度偏低，燃气组分不稳定，焦油等副产品不易去除，秸秆气化过程中产生焦油、废水，若随意倾倒易造成二次污染［8］。
秸秆的热解气化还可以用来发电，秸秆本身属于可再生能源，可有效地减少 CO2、SO2等气体的排放，是所有可再生能源技术中最经济的发电技术。然而，秸秆发电过程中，会产生约占秸秆量 15% 左右的灰渣［9］，灰渣中有大量的氮、磷养分，通常得不到合理的利用，排放到环境中反而会污染环境。
2、农作物秸秆利用技术的发展与对策建议
2. 1 农作物秸秆利用技术的发展趋势 目前气候变暖已经成为生态恶化的首要原因，气候变暖的罪魁祸首源于化石燃料的作用导致的人为温室气体排放; 建立在依靠化石能源基础上的高碳经济是 CO2等温室气体过量排放的根本原因，又是造成不可再生能源日益枯竭的根本原因。以低能耗、低排放、低污染为特征的低碳经济是目前人类应对全球气候变化、减缓温室气体排放的根本出路。在这样的背景下，农业的可持续发展必须实现由高碳农业经济向低碳农业经济的转变。低碳农业经济就是指在农业生产、经营中排放最少的温室气体，同时获得整个社会最大效益的技术［10］。生物质能是唯一可固定碳的可再生能源，目前在世界范围内发展生物质能源已成为调整能源结构、减排温室气体、实现低碳农业经济下可持续发展的重要措施［11］。秸秆作为主要的生物质资源，将其制成沼气或作为其他形式的生物质能源，将是一种必然的发展趋势。
目前秸秆利用技术有很多，对于秸秆的利用也不能是单一的，而应根据当地种植业、养殖业的现状和特点，秸秆资源的数量、品种和利用方式，合理选择适宜的秸秆综合利用技术，做到因地制宜，突出重点。考虑到成本等方面原因，应当将秸秆利用规模化、产业化，从而实现秸秆利用的资源化、高效化和产业化，是生态农业发展的必然趋势。因此，开发新技术，从高技术推进高精度、高效利用秸秆及加工秸秆产生的副产品将成为秸秆利用的发展趋势。
2.2 农作物秸秆利用技术的发展对策及建议 2009 年初国家发改委和农业部制定的《关于编制秸秆综合利用规划的指导意见》指出，秸秆综合利用仍然存在利用率低、产业链短和产业布局不合理等问题［12］。针对现在秸秆利用技术的不足，提出以下对策:
2. 2. 1 改进现有秸秆利用技术 建立秸秆收集和物流体系，推广农作物联合收获、粉碎、捡拾打捆全程机械化，对收获后留在田间的秸秆进行及时高效的处理。
对于温室大棚种植的瓜果、蔬菜等经济作物，可以采用秸秆生物反应堆。秸秆生物反应堆主要是将农作物秸秆加入一定比例的水和微生物菌种、催化剂等原料，发酵分解产生 CO2。构造简易的 CO2交换机对农作物进行气体施肥，满足农作物的需求; 同时可以有效增加土壤有机质和养分，提高地温，抑制病虫害、可减少化肥、农药用量。该技术方便简单，运行成本低廉，增产增收效果显著［13］。
秸秆在饲料化和发酵制沼气等利用技术中常需要对其进行堆腐处理，目前国内外有很多学者在研究利用微生物技术促进秸秆的降解过程。有研究表明添加微生物腐解菌剂可以激活有机物料堆腐生物降解过程，并改变堆腐的最终物质组成特性［14］。Tuomela等［15］研究认为添加微生物菌剂可以加快农业废弃物腐解过程，并且认为降解纤维素类微生物为最佳添加菌种。
2.2.2开发新技术 在对以上各项技术改进的基础上，还要依靠科技，大力开发操作简单、集约利用水平高的新技术，将工艺中产生的副产品加以利用，以达到综合高效利用资源的目标。现在已有专利产品气化炉及相关装置在秸秆、杂草等生物质气化( 炭化) 时能同时制取可燃气体、生物质炭、醋液、焦油和热水等 5 种产品，利用燃气发电机和气化炉的余热，经过热转化后，可在一定区域范围集中供暖、供冷。生物质炭热值大，用作固体燃料和保温材料等，是制作生物质成型燃料的最佳原料，燃烧时无污染，也是典型的清洁可再生能源; 生物质醋液可制作生物农药和有机肥料和土壤改良剂等; 生物质焦油用作粘合剂、防腐剂和燃料。这项技术把秸秆等生物质作为一种资源进行固、液、气三相的高效综合利用，真正做到高效、无公害、资源化综合利用。
2.2.3政策引导和扶持 《关于编制秸秆综合利用规划的指导意见》指出要坚持“政策扶持，公众参与”的原则。统筹考虑国家对秸秆综合利用的扶持政策情况，进一步加大政策引导和扶持力度，充分发挥市场配置资源的作用，鼓励社会力量积极参与，形成以市场为基础、政策为导向、企业为主体、农民广泛参与的长效机制。
生物质气化的特点范文6
关键词：煤气化；废水；处理；研究
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.06.029
0 引言
煤炭是我国的主要能源来源，在我国的整体能源结构中占据很大的一部分，随着我国经济水平的提高、工业化的发展、家用汽车的普及，我们对于石油的依赖也不断扩大，我国本身就是一个石油资源匮乏的国家，加上近年来世界范围的石油能源紧缺等因素，都使得我们需要重视对于煤炭的进一步开发和深度利用。新型煤化工产业的兴起使得我们对于煤炭的进一步利用取得了很大的发展，我国对于煤化工产业也十分重视，对于减少我国对于石油资源的依赖，促进国家工业经济发展具有十分重要的意义。煤气化技术是新型煤化工产业的重要技术，利用煤气化技术不仅可以生产天然气这种清洁能源，还可以进一步加工生产得到甲醇、烯烃、化肥等工业产品。然而煤气化技术对于水资源的利用较大，我国的煤气化项目大多分布于水资源匮乏地区，除此之外，煤气化产生的废水也给环境污染带来及极大挑战。为实现环境友好型社会及实现煤气化工业的进一步发展，我们需要加大对于煤气化废水处理的研究，提高废水排放标准，这样不仅能够实现环境保护，也能够促进企业创新及提升核心竞争力。
1 煤气化废水的成分特点
煤气化废水是在工业生产加工过程中对于煤气的生产和洗涤过程中产生的，煤气化过程中产生的废弃物多溶解于洗涤水、蒸汽分流等分离水中，这些都是煤气化废水的形成来源。煤气化废水是一种很难在自然界中通过生物降解的废水，其中含有较多的固体颗粒物和有毒有害物质，其成分一般较为复杂，不仅含有稠环芳烃、萘、呋喃等酚类有机化合物，还含有硫化物、各种无机盐等无机化合物。成分的复杂性也给废水的加工处理带来了很大的难度，且不同煤气化工艺产生的废水都具有较大的差异性，因此对于煤气化废水的处理和利用情况较为复杂。
2 煤气化废水的处理技术
国内外现阶段主要的煤气化废水处理技术是生物化学法，这种方法具有废水的处理量大、去除的污染成分范围较广等优点，处理后的废水符合一般的废水排放要求。但是随着人们对于环境保护意识的加强，对于废水的排放标准也不断提高。现阶段对于煤气化废水的研究主要集中在三个阶段，预处理、生化处理、深度处理。
2.1 预处理技术
由于煤气化废水成分的复杂性，含有酚类、氨类等物质，所以需要经过预处理和生化处理来消除高污染物质，减轻深度处理的难度，提高废水排放的质量。
预处理主要针对废水中的酚类、氨、油类等污染物，预处理过程中对于废水中不同成分会采用不同的方法。对于酚类污染物的处理常采用水蒸汽脱酚法、溶剂萃取脱酚法这两种。水蒸汽脱酚法较为简单，将废水中挥发性酚类经过蒸汽直接分离成含酚蒸汽再利用钠碱溶液吸收形成酚钠盐溶液后，通过酸中和进行提纯回收。而溶剂萃取法则是利用萃取剂的高分配系数使酚转移到萃取剂中，实现酚的分离。由于废水中氨浓度一般较高，目前常用的技术是水蒸汽提纯对废水中的氨进行分离，可溶性的含氨蒸汽通过含有磷酸铵溶液的吸收器与其他气体进行分离回收。对于废水中的油类物质常采用隔油池分离法和气浮法进行分离。
2.2 生化处理技术
现阶段对于煤气化废水的生化处理常用的工艺有厌氧-缺氧-好氧组合工艺（A-A/O）和序批式活性污泥法（SBR）。A-A/O这一工艺脱氮效率较高，既能起到生物选择器的作用，改善污泥的沉降性能，也能通过产生的碱度对硝化过程中的碱消耗进行一定的补偿。但是A-A/O工艺也具有一定的局限性，如需要分别设置混合液回流系统和污泥回流系统，对于动力的消耗较大。SBR是一种通过间歇曝气方式来运行的活性污泥污水处理技术，主要是利用时间分割的操作方式来替代空间分割的操作方式，实现稳态生化反应。主要的特点是运行的有序性和间歇性。这一工艺通过净化池内厌氧好氧的交替式变换来达到较好的净化效果；且净化池内的处理水还能够对煤气化废水有一定的缓冲稀释作用，有较好的耐冲击负荷；整个工艺操作简单成本较低。
2.3 深度处理技术
深度处理是煤气化废水的最后处理阶段，主要针对废水中难降解的有机物及悬浮物以达到排放标准。常用的方法有吸附法和臭氧氧化深度处理法。吸附法主要是利用多孔性固态相的物质对废水中污染物进行吸附分离。常用的吸附剂有活性炭、焦炭等，经过催化氧化后可以实现对废水中重金属离子等处理。臭氧氧化法可以对煤气化废水中的有机胺、杂环化合物、烷基苯磺酸钠等化合物进行分解。这一工艺的优点是操作简单，反应过程较快，但是处理需要消耗较多的电能。
3 总结
随着新型煤化工产业的发展，煤气化技术的推广使用，我们对于煤气化废水的处理方式也会不断的进步和深入。当前的处理技术大多存在一定的限制性，我们仍需要进行研究来提高废水的处理技术，以实现保护环境、促进经济及工业发展、减少进口能源依赖的目的。
参考文献：
[1]张军.煤气化废水深度处理技术的试验研究[J].华北电力大学，2012.
[2]蒋芹.煤气化废水处理技术现状及发展趋势[J].能源环境保护，2014.
