生物质能及其利用

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§7.4 生物质能发电简介
§7.4.1 生物质发电的基本原理
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生物质发电是利用生物质直接燃烧或转化为某种燃料后燃烧 所产生的热量发电。 生物质发电的流程，大致分两个阶段： 一般先把各种可利用的生物原料收集起来，通过一定程 序的加工处理，转变为可以高效燃烧的燃料； 再把燃料送入锅炉中燃烧，产生高温高压蒸汽，驱动汽 轮发电机组发出电能。 生物质能发电的发电环节与常规火力发电是一样的，所用的 设备也没有本质区别。
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自原始农业社会，秸秆和薪柴就一直是主要的燃料，这就是 传统生物质能，有时统称薪炭。 1860年，薪炭在世界能源消耗中所占比例仍高达73.8%。 随着化石燃料的大量开发利用，薪炭能源的比例逐渐下降。 1973年能源危机的爆发及矿物能源的严重污染，使可再生能 源，得到了国际上的广泛重视和发展。 更为广泛的生物质来源，更多的生物质能利用方式，逐渐被 人类发现并普及应用。 专家估计，到21世纪中叶采用新技术生产的各种生物质替代 燃料将占全球总能耗的很大比重。
（3）有机废水 工业有机废水和生活污水，往往也含有丰富的有机物。
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§7.1.3 生物质能及其特点
生物质能，指蕴藏在生物质中的能量，
是直接或间接地通过光合作用，把太阳能转化为化学能后固定 和贮藏在生物体内。
每年生成的生物质总量达1400～1800亿吨，所蕴含的生物质能 相当于目前世界耗能总量的10倍左右。
（1）燃料乙醇
每千克乙醇完全燃烧时能产生30MJ左右的热量，是一种优质 的液体燃料。 燃料乙醇的生产成本与汽油和柴油大致相当，产生的环境污 染却少得多。 经过适当加工，还可再制成乙醇汽油等用途广泛的工业燃料。
世界之最：最大的生物质燃料乙醇生产系统（详见教材） 利用植物原料生产乙醇产品最早的国家（俄）。 乙醇燃料开发利用最有特色的国家（巴西） 。 美国汽车用油添加乙醇的也很高。
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§7.1.4 我国的生物质资源
中国拥有丰富的生物质资源，理论总量有50 亿吨左右。 （1）秸秆等农业生物质 每年农作物秸秆产量达7亿吨，可作为能源的约有3亿吨。此 外，一些大型米厂每年可收集2000万吨左右的稻壳。(分布情 况，详见教材)
（2）林木生物质 林木生物质资源大多分布在我国的主要林区，其中西藏、四 川、云南三省区的蕴藏量越占全国总量的一半。
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§7.3.1 固体生物质燃料
（2）固体成型燃料
其能源密度相当于中等烟煤，热值显著提高来自百度文库便于储运。
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§7.3.2 气体生物质燃料
气体燃料的优点包括： ① 既可直接燃烧，又能用来驱动发动机和涡轮机； ② 能量转化效率比生物质直接燃烧高； ③ 便于运输；等等。 （1）木煤气 可燃的生物质在高温条件下经过干燥、干馏热解、氧化还原 等过程后，能产生可燃性混合气体，称为生物质燃气，俗称 “木煤气” 。 主要成分有CO、H2、CH4、CmHn等可燃气体和CO2、O2、N2 等不可燃气体及少量水蒸气。另外，还有由多种碳氧化合物 组成的大量煤焦油。
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§7.1 生物质和生物质能
§7.1.1 生物质的概念
生物质，是指有机物中除化石燃料外所有来源于动、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。 小知识：光合作用
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§7.1.2 生物质的来源
获取生物质的途径大体上有两种情况： 一有机废弃物的回收利用，
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§7.4.1 生物质发电的基本原理
生物质能发电的特殊性在于燃料的准备。一般要对生物质进 行一定的预处理，如烘干、压缩、成型等。 不采用直接燃烧方式的，还需要通过特殊的工艺流程，实现 生物质原料到气态或液态燃料的转换。 生物质发电涉及原料的收集、打包、运输、贮存、预处理、 燃料制备、燃烧过程的控制、灰渣利用等诸多环节。
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§7.2.2 生物质能利用的形式
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§7.3 生物质燃料
§7.3.1 固体生物质燃料
（1）生物质直接燃烧 直接燃烧是最古老、最广泛的生物质利用方式。
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得到的热量，可直接利用，也可进行后续转换（如发电）。 不过，直接燃烧的转换效率往往很低。 与煤炭相比，生物质燃料的特点为： －碳氢化合物受热分解挥发分多，释放的能量过半； －含氧量多，易点燃，而不需太多氧气供应； －密度小，容易充分烧尽，灰渣中残留的碳量小； －含碳量少，能量密度低，燃烧时间短； －松散，体积大，不便运输。
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§7.3.1 固体生物质燃料
（2）固体成型燃料 以木质素为黏合剂，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，即压缩成型。 压缩成型可以解决天然生物质分布散、密度低、松散蓬松造 成的储运困难、使用不便等问题。 原料主要是锯末、木屑、稻壳、秸秆等，其中含有纤维素、 半纤维素和木质素，占植物成分的2/3以上。 一般将原料粉碎到一定细度后，在一定压力、温度和湿度条 件下，挤压成棒状、球状、颗粒状的固体燃料。
造酒精的甜高粱，产糖的甘蔗，及向日葵等油料作物。 此外，海洋和湖泊也提供大量生物质。
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§7.1.2.2 其它形式的生物质
（1）动物粪便 动物粪便是从植物体转化而来的，富含有机物，数量也很大。 发酵释放大量温室气体；若处理不善，还会对水体造成污染。 （2）城市垃圾 城市垃圾成分比较复杂，居民生活垃圾，办公、服务业垃圾， 部分建筑业垃圾和工业有机废弃物都含有大量有机物。 猜一猜：平均每个家庭每年会产生多少垃圾？
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§7.1.4 我国的生物质资源
（3）禽畜粪便 主要来源是大牲畜和大型畜禽养殖场，集约化养殖所产生的 畜禽粪便就有4亿吨左右。 主要分布在河南、山东、四川、河北等养殖业和畜牧业较为 发达的地区。
（4）城市垃圾和废水 工业有机废水排放量高达20多亿吨(不含乡镇工业)。每年城 市垃圾产量不少于1.5亿吨，有机物的含量约为37.5％。
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§7.1.4 我国的生物质资源
生物质能的主要分布区在西南、东北、河南、山东等地。
分布情况，详见教材。 我国生物质能的分布与常规能源有一定程度的互补，在一次 能源蕴藏量较低的地区往往有开发生物质能的巨大潜力。
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§7.2 生物质能利用概述
§7.2.1 生物质能利用的历史
生物质长期以来为人类提供了最基本的燃料。 在不发达地区，生物质能在能源结构中的比例较高，例如在 非洲有些国家高达60%以上。 在当今世界能源消费结构中，仅次于煤炭、石油和天然气， 被称为“第四能源”。
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§7.1.3 生物质能及其特点
作为一种能源资源，生物质能具有如下特点： （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
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§7.3.2 气体生物质燃料
（1）木煤气
原料多为原木生产及木材加工的残余物、薪柴、农副产物。 不同的生物质气化所产生的混合气体成分可能稍有差异。
目前常用的生物质燃气发生器，有热裂解装置和气化炉。 热裂解是指在隔绝空气或空气不足的不完全燃烧条件下，将 生物质原料加热，将生物质大分子中的化学键切断，使其分 解为分子量较低的CO2、H2、CH4等可燃气体。 气化炉原理：将原料送入炉内，加燃料后点燃，同时通过进 气口向炉内鼓风，通过一系列氧化还原反应形成煤气。 生物煤气中可燃气体所占比例较低，热值较低。
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§7.3.2 气体生物质燃料
（2）沼气 中国农村推广的沼气池多为水压式沼气池，详见教材。 截至2006年底，全国农村约有2200多万户农村家庭已经利用 上了沼气能源。 尤其是在西部地区，发展更快。 沼气发酵技术对工厂废水、城市生活垃圾、农业废弃物等有 非常好的处理效果，有积极的环保意义。
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§7.3.3 液体生物质燃料
（3）生物柴油
来自生物质的原料油经一系列加工处理制成的液体燃料。 原料包括植物油脂、动物油酯、废弃食用油等。 生产主要以化学法为主，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。 性质与常规柴油相近，是汽油、柴油的优质代用燃料。也可 按一定比例与柴油混合使用。
一专门培植作为生物质来源的农林作物。
此外，某些光合成微生物也可以形成有用的生物质。
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§7.1.2.1 农林作物形成的生物质
（1）农林作业和加工的废弃物 例如：农作物的秸秆，残渣和谷壳； 林木的残枝、树叶、锯末、果核、果壳等。 （2）专门培植的农林作物 例如：
白杨等薪炭林树种，桉树等能源作物，苜蓿等草本植物。
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§7.3.3 液体生物质燃料
（1）燃料乙醇
乙醇俗称酒精，进一步脱水（含量高于99.6%）再加适量的 变性剂即可制成燃料乙醇。 主要原料： 淀粉质原料，甘薯、土豆等； 糖质原料，如甜菜等； 纤维素原料，例如农作物秸秆、林木加工残余等。
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§7.3.3 液体生物质燃料
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§7.3.3 液体生物质燃料
主要包括燃料乙醇、植物油、生物柴油等，都可以直接代替 柴油、汽油等由常规液体燃料。 生成途径有热裂解 (已介绍)和直接液化法等。 固态生物质经一系列化学加工过程，转化成液体燃料，称为 生物质的直接液化。 直接液化得到的产品，物理稳定性和化学稳定性都更好。
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§7.3.2 气体生物质燃料
（2）沼气 利用微生物代谢作用来生产产品的工艺过程称为发酵。 沼气发酵又称为厌氧消化，有机物质在一定的水分、温度和 厌氧条件下，通过多种微生物的分解代谢，最终形成甲烷和 二氧化碳等混合性气体。 沼气池必须符合多种条件（微生物生存、繁殖）： －沼气池要密闭。 －维持20～40℃。 －要有充足的养分。 －发酵原料要含适量水。 －pH值一般控制在7～8.5。
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§7.3.2 气体生物质燃料
（2）沼气 人畜粪便、农林废弃物、有机废水等，在密封装置中利用特 定微生物分解代谢，能产生可燃的混合气体，称为沼气。 主要成分是甲烷(CH4)，通常体积占60%～70%。 甲烷的发热值很高，完全燃烧时仅生成CO2和H2O，并释放热能， 是一种清洁燃料。 1m3 沼气的含热量相当于0.8kg标准煤。
生物质能发电的同时，常常还可实现资源的综合利用。如余 热、灰渣，等等。
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§7.4.2 生物质发电的特点
生物质能发电具有如下特点： （1）适于分散建设、就地利用 （2）技术基础较好、建设容易 （3）碳排放比化石燃料少 （4）变废为宝，更加环保
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§7.3.3 液体生物质燃料
（2）植物油 利用含油植物的果实、叶、茎，经压榨、提取、萃取和精炼等 处理得到的油料。 发热量一般可达37~39MJ/kg，比柴油稍小。 单独使用或与柴油混合，植物油都可在柴油机里直接燃烧。不 过直接燃烧会在汽缸中留下未烧完的碳。
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新能源与分布式发电技术
制作人：朱永强, 丁泽俊, 许 郁
华北电力大学
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§7 生物质能及其利用
关注的问题 生物质是怎么形成的，怎样获得？ 生物质资源有何特点？ 我国的生物质资源情况如何？ 沼气是如何形成的？ 垃圾能否被利用？ 生物质燃料的类型和特点？ 生物质发电有哪些方式？ 石油树是什么树？海藻和燃料有什么关系？ 教学目标 了解生物质的概念和资源情况，理解其特点和重要性； 掌握生物质燃料的类型并了解其生成方式； 掌握生物质能发电的原理和主要方式。
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§7.2.2 生物质能利用的形式
生物质能利用，主要是将生物质转变为可直接利用的热能、 电能和可存储的燃料。 生物质的组成与化石燃料大体相同，利用方式也类似。常规 能源的利用技术无需大改，即可应用于生物质能。 但生物质的种类繁多，各有不同的属性和特点，应用方式也 趋于多样，可能远比化石燃料的利用更复杂。