新能源技術(shù)研究與應(yīng)用-方旭

1、Ocean University of China Ocean University of China新能源新能源生物質(zhì)發(fā)電和污泥制氫綜述生物質(zhì)發(fā)電和污泥制氫綜述機(jī)械工程方旭Ocean University of China研究背景 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，常規(guī)能源(煤、石油和天然氣)的消費(fèi)量持續(xù)增加，能源供需矛盾日益突出。我國(guó)的常規(guī)能源短缺，尤其是石油和天然氣資源嚴(yán)重不足，成為影響經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要因素。 以石油為例，我國(guó)1993年成為石油凈進(jìn)口國(guó)，2011年我國(guó)石油的對(duì)外依存度已超過(guò) 55，預(yù)計(jì)到2020年中國(guó)石油對(duì)外依存度將達(dá)到67。常規(guī)能源的使用，尤其是煤的開發(fā)和利用引發(fā)的各種環(huán)境問(wèn)題

2、已嚴(yán)重影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和人民的生命健康。因此尋找新的替代能源持續(xù)發(fā)展成為亟待解決的問(wèn)題。Ocean University of ChinaOcean University of China生物質(zhì)發(fā)電生物質(zhì)發(fā)電 生物質(zhì)能是一種重要的可再生能源，它是太陽(yáng)能以化學(xué)能形式儲(chǔ)存在生物質(zhì)中的能量，被認(rèn)為是最有發(fā)展前景的可再生能源之一。在眾多的生物質(zhì)利用方式中，生物質(zhì)發(fā)電是我國(guó)目前對(duì)生物質(zhì)能源應(yīng)用的最為廣泛。 Ocean University of China生物質(zhì)的定義 以生物質(zhì)為載體的能量。生物界一切有生命的可以生長(zhǎng)的有機(jī)物質(zhì)，包括動(dòng)植物和微生物。所有生物質(zhì)都有一定的能量，而作為能源利用的主要是

3、農(nóng)林業(yè)的副產(chǎn)品及其加工殘余物，也包括人畜分糞便和有機(jī)廢棄物。生物質(zhì)能為人類提供了基本燃料。Ocean University of China生物質(zhì)的分類Ocean University of China生物質(zhì)發(fā)電方式 生物質(zhì)燃料具有松散性、密度低、高揮發(fā)分及低熱值等特點(diǎn)，因此在收集、貯存和使用過(guò)程中存在一定的困難和不經(jīng)濟(jì)性。傳統(tǒng)的生物質(zhì)資源利用主要是爐灶直接燃燒方式，其能源利用率只有1015，而且在燃燒過(guò)程中排放出大量的煙塵。新的生物質(zhì)能源利用方式，如生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)能夠克服上述的缺點(diǎn)，已經(jīng)成為生物質(zhì)能現(xiàn)代化利用的重要方式之一。生物質(zhì)現(xiàn)代化燃燒系統(tǒng)Ocean University of Chin

4、a 生物質(zhì)直燃發(fā)電 生物質(zhì)直燃發(fā)電是指在特定的生物質(zhì)蒸汽鍋爐中通人足夠的氧氣使生物質(zhì)原料氧化燃燒，產(chǎn)生蒸汽，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的過(guò)程。生物質(zhì)直燃發(fā)電技術(shù)中的生物質(zhì)燃燒方式包括固定床燃燒和流化床燃燒等方式。前者只需將生物質(zhì)原料經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理甚至無(wú)須處理就可投入爐排爐內(nèi)燃燒，而后者則要求將生物質(zhì)原料進(jìn)行破碎、分選等預(yù)處理再燃燒，其燃燒效率和強(qiáng)度都比固定床高 。Ocean University of China 生物質(zhì)混燃發(fā)電 生物質(zhì)混燃發(fā)電是指在傳統(tǒng)的燃煤發(fā)電鍋爐中將生物質(zhì)和煤以一定的比例進(jìn)行混合燃燒發(fā)電的過(guò)程。生物質(zhì)與煤混合燃燒的方式有兩種。 (1)生物質(zhì)直接與煤混合燃燒，產(chǎn)生蒸汽，

5、帶動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電。 (2)將生物質(zhì)在氣化爐中氣化產(chǎn)生的燃?xì)馀c煤混合燃燒，產(chǎn)生蒸汽，帶動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電。前者的燃燒要求很高，并不適用于所有燃煤發(fā)電廠，而后者的通用性較好，對(duì)原燃煤系統(tǒng)的影響也比較小 ?；旌先紵纳镔|(zhì)可以是林業(yè)生物質(zhì)(木片和鋸末)或者農(nóng)業(yè)生物質(zhì)(如稻殼、麥草和玉米稈等)。生物質(zhì)混燃發(fā)電被認(rèn)為是一種近期可以實(shí)現(xiàn)的、相對(duì)低成本的生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)。Ocean University of China生物質(zhì)氣化發(fā)電 生物質(zhì)氣化發(fā)電是指生物質(zhì)原料(廢木料、秸稈和稻草等)氣化后，產(chǎn)生可燃?xì)怏w(CO、H2和CH等)，經(jīng)過(guò)除焦凈化后燃燒，推動(dòng)內(nèi)燃機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電設(shè)備進(jìn)行發(fā)電。Ocean Univers

6、ity of China國(guó)內(nèi)外發(fā)展 生物質(zhì)發(fā)電在北歐國(guó)家經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，技術(shù)上已經(jīng)比較成熟，并得到了廣泛的應(yīng)用 。特別是2002年可持續(xù)發(fā)展世界峰會(huì)之后，生物質(zhì)能的開發(fā)利用在全球加快推進(jìn)。Ocean University of China基于農(nóng)業(yè)資源的生物質(zhì)發(fā)電西安周至秸稈發(fā)電廠基于林業(yè)資源的生物質(zhì)發(fā)電流化床鍋爐Ocean University of China【日經(jīng)【日經(jīng)BP社報(bào)道】社報(bào)道】日本國(guó)土交通省將從日本國(guó)土交通省將從2013年度起，實(shí)年度起，實(shí)施燃燒下水污泥進(jìn)行發(fā)電的生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)實(shí)證實(shí)驗(yàn)。在施燃燒下水污泥進(jìn)行發(fā)電的生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)實(shí)證實(shí)驗(yàn)。在13年度預(yù)算案概算申請(qǐng)中，包括特別重

7、點(diǎn)申請(qǐng)金額在內(nèi)，年度預(yù)算案概算申請(qǐng)中，包括特別重點(diǎn)申請(qǐng)金額在內(nèi)，列入了列入了20多億日元。多億日元。 國(guó)交省將于國(guó)交省將于2012年年底公開征集企業(yè)進(jìn)行實(shí)證實(shí)驗(yàn)。作年年底公開征集企業(yè)進(jìn)行實(shí)證實(shí)驗(yàn)。作為應(yīng)征條件，需要與管理作為實(shí)證場(chǎng)所的污水處理廠的地為應(yīng)征條件，需要與管理作為實(shí)證場(chǎng)所的污水處理廠的地方政府進(jìn)行合作。將把實(shí)證實(shí)驗(yàn)的結(jié)果歸納總結(jié)成指導(dǎo)方方政府進(jìn)行合作。將把實(shí)證實(shí)驗(yàn)的結(jié)果歸納總結(jié)成指導(dǎo)方針予以公布，力爭(zhēng)在日本全國(guó)的污水處理廠等應(yīng)用該技術(shù)。針予以公布，力爭(zhēng)在日本全國(guó)的污水處理廠等應(yīng)用該技術(shù)。 國(guó)交省為了促進(jìn)可再生能源的普及，從國(guó)交省為了促進(jìn)可再生能源的普及，從2011年度起著手年度起著手

8、開發(fā)利用下水污泥的發(fā)電技術(shù)。開發(fā)利用下水污泥的發(fā)電技術(shù)。2011年度開始實(shí)施使下年度開始實(shí)施使下水污泥發(fā)酵產(chǎn)生甲烷，以進(jìn)行發(fā)電的生物燃?xì)獍l(fā)電技術(shù)實(shí)水污泥發(fā)酵產(chǎn)生甲烷，以進(jìn)行發(fā)電的生物燃?xì)獍l(fā)電技術(shù)實(shí)證實(shí)驗(yàn)；證實(shí)驗(yàn)；12年度開始實(shí)施將下水污泥制成固體燃料，在年度開始實(shí)施將下水污泥制成固體燃料，在火力發(fā)電站與煤炭混燃發(fā)電的固體燃料化技術(shù)實(shí)證實(shí)驗(yàn)?；鹆Πl(fā)電站與煤炭混燃發(fā)電的固體燃料化技術(shù)實(shí)證實(shí)驗(yàn)。 Ocean University of China氫能氫是宇宙中最豐富的元素之一，但是在地球上單質(zhì)氫的含量微乎其微。氫能屬于二次能源，只能由其他能源進(jìn)行轉(zhuǎn)化而得到。其主要優(yōu)點(diǎn)有：燃燒熱值高，每千克氫燃燒后的

9、熱量，約為汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。燃燒的產(chǎn)物是水，是世界上最干凈的能源。 Ocean University of China氫能的開發(fā) 氫能屬于二次能源，在人類生存的地球上，很少有集中的自然氫存在。氫元素的主要資源有水、化石燃料和生物質(zhì)。從化石燃料制氫，即以煤、石油及天然氣為原料制取氫氣是當(dāng)今制氫的主要方法。生物氫氣的生產(chǎn)可有效利用生物能源，并可減少有機(jī)廢棄物對(duì)環(huán)境的污染以及對(duì)化石燃料的使用，具有高效、節(jié)能、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。生物制氫已成為近年來(lái)日本、美國(guó)等一些發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)關(guān)注的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域之一。 但正在開發(fā)和研究的各種生物制氫技術(shù)，仍停留在實(shí)驗(yàn)階段。污泥作為有機(jī)廢

10、物產(chǎn)氫近年來(lái)備受青睞，污泥產(chǎn)氫，包括直接作為基質(zhì)產(chǎn)氫以及作為接種物產(chǎn)氫。Ocean University of China微生物轉(zhuǎn)化制氫 生物制氫的想法最早是由Lewis于1966年提出的,該方法是利用微生物將生物質(zhì)降解得到氫氣，此過(guò)程既可以充分利用資源,又可以起到污染整治的目的,因而受到世界各國(guó)的重視。 目前關(guān)于生物法制氫的研究主要集中在厭氧微生物發(fā)酵制氫、光合微生物制氫和厭氧-光合微生物聯(lián)合制氫.光合生物法制氫是以太陽(yáng)能為能源,水為原料，通過(guò)光合微生物分解水產(chǎn)生氫氣，主要研究集中于光合細(xì)菌和藻類,然而,該方法氫生產(chǎn)率和對(duì)太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化效率仍然較低，并且氫產(chǎn)率低，產(chǎn)氫代謝過(guò)程的穩(wěn)定性較差,這些

11、問(wèn)題始終是制約光合生物制氫技術(shù)發(fā)展的主要障礙。Ocean University of China熱化學(xué)轉(zhuǎn)化法制氫 生物質(zhì)熱化學(xué)制氫可分為直接制氫和間接制氫兩大類，主要包括快速熱解液化間接制氫以及催化氣化、超臨界水制氫、等離子體熱解氣化制氫和生物質(zhì)裂解油水蒸汽重整制氫等。雖然目前生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化制氫在技術(shù)上是最具有規(guī)?；熬暗墓に嚪椒ǎ沁€有一些難以解決的問(wèn)題。關(guān)鍵之處在于:其一，由于生物質(zhì)的種類繁多,結(jié)構(gòu)不同，不能簡(jiǎn)單地采用單一的進(jìn)料方式。其二，生物質(zhì)氣化相比煤氣化來(lái)說(shuō)雖然氣體中粉塵、S、N的量要少，但是焦油的含量卻高得多。此外，生物質(zhì)的體積龐大，能量密度低，在儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)确矫娑加胁槐阒帯?/p>

12、Ocean University of China純污泥產(chǎn)氫研究現(xiàn)狀 培養(yǎng)產(chǎn)氫污泥是進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。污泥是多種微生物的混合體，既有產(chǎn)氫微生物又有嗜氫微生物。在厭氧發(fā)酵過(guò)程中，產(chǎn)氫微生物所產(chǎn)生的氫氣會(huì)迅速為嗜氫微生物所利用。但是一些產(chǎn)氫微生物能形成芽孢，其耐受不利環(huán)境條件的能力比普通的微生物強(qiáng)。利用這兩類微生物生存條件的差異，通過(guò)預(yù)處理（如熱處理、酸處理和堿處理等）抑制污泥中的耗氫微生物，達(dá)到篩選產(chǎn)氫微生物的目的。Ocean University of China 制氫設(shè)備三維圖制氫設(shè)備三維圖 國(guó)外污泥制氫規(guī)劃圖國(guó)外污泥制氫規(guī)劃圖Ocean University of Ch

13、ina【日經(jīng)【日經(jīng)BP社報(bào)道】社報(bào)道】日本大和房建集團(tuán)中從事建筑租賃及環(huán)境綠化業(yè)務(wù)等的日本大和房建集團(tuán)中從事建筑租賃及環(huán)境綠化業(yè)務(wù)等的大和租賃公司（大和租賃公司（Daiwa Lease），與豐田通商公司、三井化學(xué)公司及從事），與豐田通商公司、三井化學(xué)公司及從事氣化發(fā)電及氫回収設(shè)備相關(guān)業(yè)務(wù)的日本藍(lán)色能源公司（氣化發(fā)電及氫回収設(shè)備相關(guān)業(yè)務(wù)的日本藍(lán)色能源公司（Japan Blue Energy），日前成立了與氫相關(guān)的業(yè)務(wù)研究會(huì)，著手開展以下水道污泥為），日前成立了與氫相關(guān)的業(yè)務(wù)研究會(huì)，著手開展以下水道污泥為原料進(jìn)行生物制氫的實(shí)證試驗(yàn)。力爭(zhēng)針對(duì)燃料電池車及定置式燃料電池領(lǐng)原料進(jìn)行生物制氫的實(shí)證試驗(yàn)。力

14、爭(zhēng)針對(duì)燃料電池車及定置式燃料電池領(lǐng)域供貨。域供貨。 大和房建工業(yè)與豐田也作為觀察員參與其中。研究會(huì)名為大和房建工業(yè)與豐田也作為觀察員參與其中。研究會(huì)名為“HIT事業(yè)研究事業(yè)研究會(huì)會(huì)”，HIT表示氫（表示氫（Hydrogen）、技術(shù)革新（）、技術(shù)革新（Innovation）及城市）及城市（Town）。將集中利用各家公司所擁有的專業(yè)知識(shí)及網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)實(shí)證試）。將集中利用各家公司所擁有的專業(yè)知識(shí)及網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)實(shí)證試驗(yàn)，共同推進(jìn)與生物氫相關(guān)的技術(shù)授權(quán)、設(shè)備建設(shè)及所制造的氫的流通和驗(yàn)，共同推進(jìn)與生物氫相關(guān)的技術(shù)授權(quán)、設(shè)備建設(shè)及所制造的氫的流通和銷售等。銷售等。 實(shí)證試驗(yàn)將利用藍(lán)色能源在日本島根縣出云市的實(shí)證

15、設(shè)備實(shí)實(shí)證試驗(yàn)將利用藍(lán)色能源在日本島根縣出云市的實(shí)證設(shè)備實(shí)施。通過(guò)此前的試驗(yàn)已確認(rèn)，加熱下水道污泥使之氣化，能夠得到以氫為施。通過(guò)此前的試驗(yàn)已確認(rèn)，加熱下水道污泥使之氣化，能夠得到以氫為主要成分的氣體，下水道污泥作為生物氫原料具主要成分的氣體，下水道污泥作為生物氫原料具 研究會(huì)計(jì)劃將來(lái)在日本各地的污水處理廠引進(jìn)不使用普通化石燃料，而是研究會(huì)計(jì)劃將來(lái)在日本各地的污水處理廠引進(jìn)不使用普通化石燃料，而是利用目前大多進(jìn)行焚燒處理的下水道污泥制造氫的技術(shù)，將針對(duì)有望實(shí)現(xiàn)利用目前大多進(jìn)行焚燒處理的下水道污泥制造氫的技術(shù)，將針對(duì)有望實(shí)現(xiàn)普及的燃料電池車、燃料電池巴士、住宅及商用定置式燃料電池供應(yīng)氫。普及的燃

16、料電池車、燃料電池巴士、住宅及商用定置式燃料電池供應(yīng)氫。能夠利用住宅排放的污水重新制造氫，有助于構(gòu)筑實(shí)現(xiàn)氫地產(chǎn)地消的低碳能夠利用住宅排放的污水重新制造氫，有助于構(gòu)筑實(shí)現(xiàn)氫地產(chǎn)地消的低碳循環(huán)型城市。循環(huán)型城市。Ocean University of China 結(jié)語(yǔ) 在介紹3種應(yīng)用比較廣泛的生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)上，深刻剖析了國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)發(fā)電在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性上的研究進(jìn)展，并指出了我國(guó)在發(fā)展生物質(zhì)發(fā)電方面還存在的不足之處。國(guó)際市場(chǎng)上原油價(jià)格和供應(yīng)不穩(wěn)定、能源需求持續(xù)增加、常規(guī)能源的使用與氣候變化等可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題始終是國(guó)際上討論的熱點(diǎn)話題 。因此只有大力發(fā)展包括生物質(zhì)能源在內(nèi)的可再生能源才是解決我國(guó)能源