生物质气化技术及其应用

本书从生物质的基本特性入手，全面系统地阐述了生物质的基本概念、特征，气化技术的基本原理，气化设备、净化设备的基本工作原理及使用条件，以及生物质气化技术的具体应用情况，还对典型案例进行了介绍和分析。另外又重点分析了生物质气化技术的经济性。全书内容翔实、丰富，将理论联系研究成果，突出实践性，具有较强的实用性。

生物质能源是人类利用最早、最多、最直接的能源，在18世纪大规模地利用煤燃料以前，人类主要依靠木材做燃料。至今，世界上仍有15 亿以上的人口以生物质作为生活能源。生物质能包括植物、动物排泄物、垃圾及有机废水等。从广义上讲，生物质能是植物通过光合作用生成的有机物，它的最初来源是太阳能，所以它是太阳能的一种，同时也是可再生的。由于生物质能的载体是有机物，所以这种能源是以实物的形式存在的，是惟一一种可储存和可运输的可再生能源。同时，从化学角度来看，生物质的组成是C—H化合物，它与常规的矿物能源如石油、煤等是同类（煤和石油都是生物质经过长期转换而来的），所以它的特性和利用方式与矿物燃料有很大的相似性，可以充分利用已经发展起来的常规能源技术来开发利用生物质能。
生物质所蕴藏的能量是相当惊人的，根据生物学家估算，地球上每年生长的生物质能总量约1400～1800亿吨（干重），相当于目前世界总能耗的10倍。我国的生物质能也极为丰富，例如现在每年的秸秆量约65亿吨，到2010年将达到726亿吨，相当于5亿吨标煤。柴薪和林业废弃物数量也很大，林业废弃物（不包括炭薪林），每年约达3700m3，相当于2000万吨标煤。如果考虑日益增多的城市垃圾和生活污水，禽畜粪便等其他生物质资源，我国每年的生物质资源达6亿吨标煤以上，扣除了一部分做饲料和其他原料，可开发为能源的生物质资源达3亿多吨标煤，而随着农业和林业的发展，特别是随着速生炭薪林的开发推广，我国的生物质资源将越来越多，有非常大的开发和利用潜力。
从环境效益上看，利用生物质可以实现CO2的零排放，从根本上解决能源消耗带来的温室效应问题。随着全球环境问题的日益严重，发达国家主要关心的是生物质能对减少CO2排放上的作用，加上发展速生能源作物有利于改善生态环境，不会遗留有害物质或改变自然界的生态平衡，对今后人类的长远发展和生存环境有重要意义，所以国际上先进国家大都把生物质能利用技术作为一种重要的能源技术来发展，对生物质能的研究越来越重视。
生物质燃烧是传统的利用方式，但是热效率低下，而且劳动强度大，污染严重。通过生物质能转换技术可以高效地利用生物质能源，生产各种清洁燃料，替代煤炭、石油和天然气等燃料；还可用来生产电力，减少对矿物能源的依赖，保护国家能源资源，减轻能源消费给环境造成的污染。专家认为，生物质能源将成为未来持续能源的重要组成部分，到2015年，全球总能耗将有40%来自生物质能源。目前，世界各国在调整本国能源发展战略中，已把高效利用生物质能摆在技术开发的一个重要地位，作为能源利用中的重要课题。目前欧洲生物质能约占总能源消费量的2%，预计15年后将达到15%。现在制定的计划要求到2020年，生物质燃料将代替20%的化石燃料。美国在此方面发展较快，目前已装机9000MW，2002年可再生能源研究投入占其能源领域R&D总投入的1/3，预计2015年生物质乙醇产量为44亿加仑，2020年发电将达30000MW。同时，其他许多国家也制定了相应的生物质能开发研究计划，如日本的新阳光计划、巴西的乙醇能源计划等。
我国基本上是一个农业国家， 农村人口占总人口的70%以上，生物质一直是农村的主要能源之一，在国家能源构成中也占有重要地位。我国拥有丰富的生物质能资源，一般说，实际可开发的生物质能资源主要指各种农业废弃物(秸秆和谷壳等)、森林能源(薪柴和林业废弃物)、有机废水(生活和工业)、有机垃圾(生活和工业)和人畜粪便等。据统计，我国秸秆、薪柴、粪便和垃圾四项资源的年产量分别为308亿吨、13亿吨、077亿吨和143亿吨标煤，总计约656亿吨标煤【1】。但是长期以来，这些生物质并未得到充分合理的利用，目前利用率估计只有30％左右，而且其能源利用方式极为原始，大多生物质以直接燃烧为主，燃烧效率低于10％。如此，对社会、经济、环境和生态等都造成了严重的不良影响。今后我国必须调整能源结构，大力发展可再生能源和其他非常规能源，以减少能源消耗给环境造成的压力，同时提高能源的稳定性和安全性。
生物质气化技术是通过热化学反应将固态生物质转换为气体燃料的过程。生物质气化技术已有一百多年的历史。最初的气化反应器产生于1883年，它以木炭为原料，气化后的燃气驱动内燃机，推动早期的汽车或农业排灌机械。在20世纪20年代大规模开发使用石油以前，气化器与内燃机的结合一直是人们获取动力的有效方法。生物质气化技术的鼎盛时期出现在第二次世界大战期间，当时几乎所有的燃油都被用于战争，民用燃料匮乏，因此德国大力发展了用于民用汽车的车载气化器，并形成了与汽车发动机配套的完整技术。以Imbert型及其改进型为代表的车载气化器装备了至少一百万部汽车，主要的燃料是木炭，当木炭缺乏时也可使用优质的硬木。我国在能源困难的20世纪50年代，也曾使用这种方法驱动汽车和农村排灌设备。当时固定床气化反应器的技术水平达到相当完善的程度。
第二次世界大战后，中东地区油田的大规模开发使世界经济的发展获得了廉价优质的能源。几乎所有发达国家的能源结构都转向以石油为主，生物质气化技术在较长时期内陷于停顿状态。1973年秋季发生的石油危机深刻地影响了世界经济乃至政治的格局，使发达国家正在高速增长的经济急转直下。西方各主要工业国家认识到常规能源的不可再生性和分布不均匀性，出于能源和环境战略的考虑，纷纷投入大量人力物力，进行可再生能源的研究。作为一种重要的新能源技术，生物质气化的研究重新活跃起来，各学科技术的渗透使这一技术发展到新的高度。主要的技术为固定床气化器和流化床气化器，一般情况已不再使用木炭，而是使用各种木材、林业残余物和稻壳，产生出主要用于发电的可燃气体。小型系统采用固定床气化器和内燃机，大型系统采用流化床气化器和燃气轮机组成联合循环气化发电系统，已经出现了18MW的实验电站。
国内生物质气化技术也在20世纪80年代以后得到了较快发展。20世纪80年代初期，我国研制了由固定床气化器和内燃机组成的稻壳发电机组，形成了200kW稻壳气化发电机组的产品并得到推广。同期中国农业机械研究院、中国林业科学院进行了用固定床木材气化器烘干茶叶、为采暖锅炉供应燃气等尝试，中国农业机械研究院研制了用固定床气化器进行木材烘干技术并得到一定程度的推广。20世纪90年代中期，中国科学院广州能源所进行了流化床气化器的研制，并与内燃机结合组成了流化床气化发电系统，使用木屑的1MW流化床发电系统已经投入商业运行，并取得了较好的效益。在借鉴国外生物质气化技术的基础上，山东省科学院能源研究所在“七五”期间提出了生物质气化集中供气技术的设想，通过“七五”、“八五”期间的研究和改进，研制成功了秸秆气化机组和集中供气系统中的关键设备，在燃气发生、输配及使用方面形成了配套完整的技术。1994年建成第一个实际运行的集中供气的试点工程以后，迅速在全国推广，目前全国已经建设了约500个左右的生物质气化集中供气工程。生物质气化集中供气技术在高效利用农村剩余秸秆，减轻由于秸秆大量过剩引起的环境问题，为农村居民供应清洁的生活燃料方面已经开始发挥作用，逐渐成为以低品位生物质原料供应农村现代生活燃气的新事业。
因为生物质气化技术是一个崭新的学科，国内在该方面的出版物还很少，本书通过对生物质气化技术的介绍，可使读者较系统地了解该技术，在科研和应用中有所借鉴，从而能更有效地为经济建设服务。
本书从生物质的基本特性入手，阐述了生物质气化技术的基本原理和特点，描述了气化设备及净化设备的基本工作原理及使用条件，介绍了生物质气化技术的基本应用方式和条件，评估了该技术不同应用方式的经济性，并对典型应用案例进行了介绍和分析。
在本书撰写过程中，得到了中国科学院广州能源研究所领导的关心和支持，得到了袁振宏、肖艳京、顾树华、王孟杰、焦庆余、陈晓夫、孔晓英等同志的大力帮助。在此，我们深表谢意。
由于作者的水平有限，本书可能存在这样或那样的问题，敬请读者批评指正。

马隆龙吴创之孙立
2003年4月

第一章生物质资源1
第一节生物质的基本概念1
第二节生物质物理化学特性27
第三节生物质能的利用状况33
第二章生物质气化基本原理38
第一节生物质气化的基本定义38
第二节生物质的燃烧38
第三节生物质气化基本原理44
第四节气化过程的热量平衡47
第五节气化反应的化学平衡49
第六节气化过程的反应动力学53
第七节气化过程的几个基本参数62
第八节气化过程中的综合影响因素63
第九节气化技术分类65
第十节生物质气化燃气的特点68
第三章生物质气化设备及工作原理76
第一节概述76
第二节固定床气化炉78
第三节流化床气化炉95
第四章生物质燃气的净化108
第一节燃气净化的目的意义108
第二节燃气净化方法和净化设备110
第五章生物质气化技术的应用153
第一节生物质气化供热技术153
第二节生物质气化供气技术156
第三节生物质气化发电技术177
第四节生物质气化合成化学品技术195
第五节生物质气化技术应用特点198
第六章生物质气化技术的经济性分析202
第一节生物质气化项目的技术经济评价模型202
第二节生物质气化集中供气系统的经济性分析206
第三节生物质气化发电系统的经济性分析210
第四节生物质气化技术的经济竞争力221
第七章生物质气化技术的典型应用实例224
第一节生物质气化集中供气系统224
第二节生物质气化发电系统229
第三节生物质气化供热系统237
参考文献243