生物燃料-氫能源燃料技術(shù)

生物、氫燃料技術(shù)一、生物燃料來源二、生物燃料開采技術(shù)1、生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣體燃料的技術(shù)途徑

2、生物質(zhì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣技術(shù)

3、生物質(zhì)熱化學(xué)氣化技術(shù)三、氫能源燃料一、生物燃料來源生物燃料生物燃料是指通過生物資源生產(chǎn)的燃料乙醇和生物柴油。生物燃料屬于生物能源。是太陽能以化學(xué)能形式儲存在生物中的一種能量。來源于植物的光合作用，以生物質(zhì)為載體。生物質(zhì)主要指農(nóng)林作物、農(nóng)作物秸稈、林業(yè)廢棄物、動物糞便和生活垃圾等。生物燃料生物燃料可以替代由石油制取的汽油和柴油，是可再生能源開發(fā)利用的重要方向。生物燃料甚至沒有難聞的氣味。據(jù)說，以大豆作原料的生物柴油，燃燒以后排出的廢氣有點像炸薯條的味道生物燃料汽車、飛機低碳、循環(huán)、減緩溫室效應(yīng)生物燃料工廠生物燃料的原料1、玉米、小麥等糧食2、草、樹木、甘蔗3、農(nóng)作物秸稈、林業(yè)廢棄物4、動物脂肪5、動物糞便6、植物油，豆油

7、海藻8、生活垃圾生物燃料的原料巴西玉米、小麥甜菜、甘蔗蝦殼、生活垃圾動物糞便秸稈、草木生物燃料的原料淀粉、糖類海藻生物燃料項目爭議一系列重大研究顯示，以糧食為原料的生物燃料，如玉米乙醇，并非如人們想象的那樣，是一種綠色燃料，正是它導(dǎo)致了世界糧食價格飛漲。而且，由于發(fā)展生物燃料可以獲得政府補貼，大片森林遭砍伐，由此產(chǎn)生的溫室效應(yīng)比燃燒汽油還嚴重。生物燃料是糧價上漲的罪魁禍首二、生物燃料開采技術(shù)1、生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣體燃料的技術(shù)途徑

2、生物質(zhì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣技術(shù)

3、生物質(zhì)熱化學(xué)氣化技術(shù)1、生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣體燃料的技術(shù)途徑

2、生物質(zhì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣技術(shù)1、沼氣技術(shù)概述

由CH4、CO2、H2和H2S組成的可燃性氣體

1.1沼氣的組成及熱值

屬于中熱值氣體，20MJ/m3

左右1.2沼氣技術(shù)的特點（1）原料來源具有廣泛性畜禽糞便：各種動物糞便農(nóng)作物秸稈：玉米秸稈、小麥秸稈等高濃度有機廢水：酒精廢水、啤酒廢水、味精廢水等水生生物：水葫蘆、藍藻等有機垃圾：垃圾填埋氣食品加工廢棄物：屠宰加工廢棄物等

我國目前禽畜糞便總排放量約為21億噸，這些糞便每年可產(chǎn)沼氣400多億立方米，發(fā)電約800億度，裝機容量可達1000萬千瓦。根據(jù)畜牧業(yè)發(fā)展規(guī)劃，2020年，中國畜禽糞便量將達到40億噸。中國沼氣資源潛力將進一步增加，預(yù)計裝機容量可達2000萬千瓦以上。1.2沼氣技術(shù)的特點（2）能量轉(zhuǎn)化具有高效性同樣的土地面積生產(chǎn)的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物乙醇、生物柴油、生物質(zhì)液體燃料和沼氣這些不同形式的燃料相比，轉(zhuǎn)化為沼氣獲取的能量最多。1.2沼氣技術(shù)的特點（3）能源、環(huán)境與生態(tài)友好性沼氣發(fā)酵強化了自然界中物質(zhì)的循環(huán)利用。發(fā)酵過程不僅產(chǎn)出了能量，而且發(fā)酵剩余物還具有很好的肥料價值，此外，沼氣利用過程能夠?qū)崿F(xiàn)二氧化碳零排放。因此，沼氣技術(shù)的應(yīng)用可以促進環(huán)境保護和生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。1.2沼氣技術(shù)的特點（4）與現(xiàn)有天然氣利用設(shè)施之間易于銜接性沼氣的主要可燃成分和天然氣一樣都是甲烷。因此，通過物理或化學(xué)吸附方法脫除沼氣所含的二氧化碳后就可制成生物天然氣，生物天然氣完全可替代天然氣進行使用，因此天然氣的一些成熟的使用設(shè)施，如儲氣罐、燃燒器、輸氣管網(wǎng)等均可被生物天然氣使用。這一特性使降低了該技術(shù)推廣的成本。1.2沼氣技術(shù)的特點（5）與生物質(zhì)適度規(guī)模化利用的匹配性生物質(zhì)資源的分散性決定了其能源化開發(fā)應(yīng)該走“適度規(guī)?；敝?。沼氣技術(shù)以其規(guī)模適度、能實現(xiàn)物質(zhì)和能量的梯級開發(fā)利用而成為生物質(zhì)開發(fā)利用的一個重要發(fā)展方向。2、沼氣發(fā)酵原理與工藝2.1沼氣發(fā)酵原理（1）水解（2）產(chǎn)酸發(fā)酵(3)產(chǎn)甲烷發(fā)酵復(fù)雜有機化合物（碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂類等）簡單有機化合物（單糖和雙糖、氨基酸、肽等）揮發(fā)性脂肪酸和醇（丙酸、丁酸和乙醇等）H2+CO2乙酸CH4+CO22、沼氣發(fā)酵原理與工藝2.2沼氣發(fā)酵工藝（1）工藝流程2、沼氣發(fā)酵原理與工藝2.2沼氣發(fā)酵工藝工藝類型溫度中溫發(fā)酵常溫發(fā)酵高溫發(fā)酵進出料方式批量發(fā)酵連續(xù)發(fā)酵半連續(xù)發(fā)酵料液濃度濕發(fā)酵干發(fā)酵反應(yīng)器類型CSTRUASBASBR……（2）工藝類型2.3影響沼氣發(fā)酵的工藝因素1）

溫度（1）常溫發(fā)酵，指在自然氣溫或水溫條件下的沼氣發(fā)酵工藝，適宜的溫度范圍為10～30℃。（2）中溫發(fā)酵，指發(fā)酵溫度在30～40℃條件下的沼氣發(fā)酵工藝，適宜溫度為35～38℃。（3）高溫發(fā)酵，指發(fā)酵溫度在50～60℃條件下的沼氣發(fā)酵工藝，適宜溫度為52～55℃。2）C/N厭氧發(fā)酵微生物適宜的C/N范圍為20～30:13）pH值厭氧處理過程中，水解菌和產(chǎn)酸菌對pH的適應(yīng)范圍相對較廣，大多數(shù)該類細菌可以在5.0～8.5的pH范圍內(nèi)正常生長繁殖。但對于產(chǎn)甲烷菌，適宜其生長的pH范圍相對較窄，在6.5～7.8之間，這也是通常情況下厭氧處理過程所應(yīng)采用的pH值范圍。4）接種污泥活性污泥對厭氧發(fā)酵過程的影響突出表現(xiàn)在兩個方面，其一是它的活性，常用污泥比產(chǎn)甲烷活性表示，其二是其沉淀性能，它是影響反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度的最為重要的因素。5）容積負荷反應(yīng)器單位有效容積在單位時間內(nèi)接納的有機物量，稱為容積負荷率，單位常用kgCOD/m3·d或kgBOD/m3·d表示。6）攪拌攪拌的主要作用：增加微生物與有機物的接觸，消除反應(yīng)器內(nèi)存在的濃度梯度和溫度梯度，從而加快發(fā)酵速度，提高產(chǎn)氣量。此外還可起到破壞浮渣層，便于氣體排出的目的。攪拌強度要根據(jù)反應(yīng)器的實際運行效果來確定，適度的攪拌有利于提高反應(yīng)器運行效率和沼氣產(chǎn)率，而劇烈的攪拌則會產(chǎn)生相反的效果。3、厭氧反應(yīng)器三個廢油桶做成的沼氣池3.1全混厭氧反應(yīng)器(CSTR)3、厭氧反應(yīng)器600m3一體化氣柜進料裝置攪拌裝置能很好的適應(yīng)固含率原料發(fā)酵的需要

由于通過強制攪拌來實現(xiàn)發(fā)酵原料與微生物的混合，因此，CSTR可以很好的適應(yīng)秸稈、糞便類原料厭氧發(fā)酵的需要。抗負荷沖擊能力強，適應(yīng)半連續(xù)發(fā)酵的需要

攪拌作用可以將進入的原料很快與反應(yīng)器內(nèi)的發(fā)酵液進行均勻的混合，因此改工藝具有很強的抗沖擊負荷的能力。全混合降低了發(fā)酵效率

由于混合降低了發(fā)酵液的濃度，從而降低了厭氧發(fā)酵生化反應(yīng)的推動力。

CSTR反應(yīng)器的特點：3.2塞流式反應(yīng)器（HCPF)特點：進料TS濃度高

由于畜禽糞便與配兌污水不需“預(yù)處理”而分別直接加入沼氣池，可人為控制進料TS濃度的提高。沒有浮渣去除的難題

由于進料TS濃度高，懸浮物難以上浮形成浮渣；即使有少量浮渣也會被不斷旋轉(zhuǎn)的葉片將其破碎且壓入發(fā)酵液中而被消化去除。能量輸出率高

高濃度發(fā)酵節(jié)約了加熱能耗如果采用“熱電聯(lián)產(chǎn)”其工程能量輸出率η可達60％。由于進料總量減少一半以上，故沼液外運的能耗大為降低。

3.3升流式固體床反應(yīng)器（USR）特點：不需攪拌，節(jié)省了運行能耗

與CSTR相比，USR沒有攪拌裝置，因此不僅使反應(yīng)器結(jié)構(gòu)得以簡化，而且運行能耗也較低?？课勰嗟淖灾叵鲁?，增加了污泥滯留時間

未消化的生物質(zhì)固體顆粒和沼氣發(fā)酵微生物靠自然沉降滯留于消化器內(nèi)，上清液從消化器上部溢出，這樣可以得到比水力滯留期高得多的固體滯留期(SRT)和微生物滯留期(MRT)，從而提高了固體有機物的分解率和消化器的效率。

3.4上流式厭氧污泥床反應(yīng)器（UASB）進料裝置三相分離器3.5內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器（IC)3.6膨脹顆粒污泥床反應(yīng)器（EGSB)BiobedEGSBBiothaneUASB分離器為三層折流板分離器專利技術(shù)分離器為二層折流板分離器專利技術(shù)布水系統(tǒng)采用直管布水布水系統(tǒng)采用蛛網(wǎng)狀管網(wǎng)布水氣體設(shè)計上升流速為10m3/m2·h氣體設(shè)計上升流速為1.5m3/m2·h液體設(shè)計上升流速為10m3/m2·h液體設(shè)計上升流速為1.5m3/m2·h平均設(shè)計COD容積負荷為30kg/m3·d平均設(shè)計COD容積負荷為15kg/m3·d液體回流比率為10:1液體回流比率為3:1有機負荷回流比率為10:1有機負荷回流比率為3:1Biothane公司的UASB和EGSB反應(yīng)器設(shè)計對比3.7厭氧濾器（AF)3.8厭氧塘（Lagoon)3.9厭氧干發(fā)酵設(shè)備DRANCO反應(yīng)器VALORGA發(fā)酵罐4戶用沼氣池池型圓筒型沼氣池4.1圓筒型沼氣池曲流布料沼氣池（B型）4.2曲流布料沼氣池特點：１、池底由進料口向出料口傾斜,把池底部最低點設(shè)在出料間底部,在傾斜池底作用下形成一定的流動推力,實現(xiàn)主發(fā)酵池進出料自流。２、原料進入池內(nèi)由分流板進行布料,形成多路曲流,增加新料擴散面,充分發(fā)揮池容負載能力,提高池容產(chǎn)氣率。３、擴大池墻出口,并在內(nèi)部設(shè)隔板,塞流固菌。４、天窗蓋下部設(shè)吊籠,利用內(nèi)部氣壓、氣流產(chǎn)生攪拌作用,緩解上部料液結(jié)殼。橢圓型沼氣池4.3卵圓形沼氣池強回流沼氣池設(shè)計特點是:(1)在池型結(jié)構(gòu)上,改長方形水壓箱為頂置式半環(huán)形水壓箱(草相酸化池),增設(shè)攪拌出料管、手動攪拌出料器和單向閥;(2)在發(fā)酵工藝上,改半連續(xù)發(fā)酵為連續(xù)發(fā)酵,改糞草混合發(fā)酵為糞草兩相分離發(fā)酵。優(yōu)點：(1)容積產(chǎn)氣率高。(2)解決了出料難的問題。(3)全年產(chǎn)氣均衡穩(wěn)定。(4)容積小,投資和占地少。點蓋槽式沼氣池4.4點蓋式沼氣池特點：1、改大蓋為小蓋，可以避免大活動蓋笨重安放不便，密封時要求技術(shù)較高的弱點，而且蓋口小不僅增強了池體的整體性，可延長使用時間，還可限制人入池，增強了安全性，導(dǎo)氣管從點蓋口嵌入，可避免積水并便于檢修；2、將原削球型池底改為槽式池底，以便于出料；3、擴大直徑，減少池子的深度，增加發(fā)酵菌種與原料的接觸面，以利于提高產(chǎn)氣量和減輕出料的勞動強度；4、增加出料間的長度，擴大寬度，并在出料間后增設(shè)臺梯；5、改平擋為“刀口”型擋墻，方便提取沉渣。自動排渣沼氣池4.5自排渣沼氣池分離浮罩沼氣池4.5分離浮罩式沼氣池商品化沼氣池

5、沼氣工程安全

6、沼氣工程案例介紹資料來源：德國WELTECBIOPOWERGmbH

德國大型農(nóng)場沼氣工程養(yǎng)雞場沼氣工程中丹生物能源大型車用沼氣工程——是由河南安陽貞元集團與丹麥（IFU基金/CSRCapital/NIRAS）聯(lián)合體合資興建的國內(nèi)首座大型商業(yè)化車用沼氣工程。該項目由青島天人環(huán)境股份有限公司以EPC方式總包建設(shè)，技術(shù)支持方為丹麥NIRAS公司。位于河南省安陽市西南郊，總投資5500萬元，占地50畝。

城市有機垃圾沼氣工程投加原料——公廁糞污原料預(yù)處理、調(diào)配系統(tǒng)其他原料——牛糞、餐廚垃圾、污水廠污泥、秸稈CSTR反應(yīng)器與二次發(fā)酵池、沼氣儲氣柜沼氣脫碳凈化單元車用燃氣壓縮、加氣單元CNG高壓壓縮、分子篩脫水技術(shù)儲氣柜與CNG撬裝車沼液利用利用方式：1、用于葡萄園施肥，200元/車；

2、周邊農(nóng)戶取用；

3、農(nóng)田做水肥灌溉。養(yǎng)豬場廢水處理沼氣工程食品廢棄物處理工程酒糟廢液沼氣工程三、氫能源燃料氫的制備以煤為原料制取氫氣焦爐煤氣PSA制氫裝置

煤氣化為合成氨后制取氫氣

煤氣化為合成氨后制取氫氣以天然氣制取氫氣電解水制氫

太陽能制氫混合能源制氫制氫方法優(yōu)缺點天然氣重整CO需分離或進一步轉(zhuǎn)化，氣體純凈，費用低煤氣化CO需分離或進一步轉(zhuǎn)化，可能含塵和硫，費用低烴水蒸氣重整轉(zhuǎn)化溫度高，催化劑易失活烴部分氧化轉(zhuǎn)化溫度高，催化劑易失活烴自熱重整原料供給方便可自行維持熱平衡，低CO，需高活性和高穩(wěn)定性的催化劑醇水蒸氣重整轉(zhuǎn)化溫度低，氫濃度高，低CO，需高活性和高穩(wěn)定性的催化劑醇分解轉(zhuǎn)化溫度低，CO濃度高，需高活性和高穩(wěn)定性的催化劑醇自熱重整可自動熱平衡，低CO，原料供給方便，需高活性和高穩(wěn)定性的催化劑氨分解轉(zhuǎn)化溫度高，毒性原料，無CO肼分解自熱平衡，有毒易爆高壓氫氣儲存

高壓儲氫的問題容量小：以普通鋼材制成的壓力容器，儲氫壓力為15MPa時，氫的重量僅占總重量的1％，體積容量約0．008kgH2/L。使用特種高強度奧氏體鋼材料制成的容器時，儲氫重量可達總重量的2％－6％。安全性差：高壓容器本身就需要特殊的照顧與維護，況且容器中裝的是易燃易爆又易滲漏的氫氣。車禍時可能有嚴重的后果。實施問題：容器壓力愈高，充氫站的建設(shè)、壓縮運行所化的代價愈高。而且充裝1立方米氫氣要耗電0．5度左右、而1立方米氫氣經(jīng)燃料電池發(fā)電僅得2度電。

液態(tài)氫儲存液態(tài)氫儲存液態(tài)儲氫的問題氣態(tài)氫降溫到-253℃變?yōu)橐后w進行貯存；各種儲氫方式中，液態(tài)儲存氫能達到最高的儲存體積密度和重量密度；液氫存儲的重量比約5％－7.5％，體積容量約0．04kgH2/L；氫氣液化的費用昂貴，幾乎相當(dāng)于三分之一液氫的成本；液氫的貯存容器龐大；需要極好的絕熱裝置來隔熱，避免沸騰汽化。金屬氫化物儲氫首先使氫與金屬形成金屬氫化物加熱后，金屬氫化物分解脫氫而得氫氣。儲氫合金鈦系儲氫合金、鋯系儲氫合金、鐵系儲氫合金及稀土系儲氫合金

金屬氫化物儲氫的問題單位重量的儲氧量不高，儲氫材料加上容器后，單位重量的儲氫量低于高性能材料的壓力容器，儲氫重量為總重量的1．5％以下；單位體積的儲氫容量有所提高，為0．05kgH2/L。儲氫壓力為1－2MPa，遠低于壓力容器，提高了安全性，充氫能耗皆降低；金屬氫化物對氫氣中的少量雜質(zhì)如O2，H2O，CO等有較高的敏感度，高于燃料電池電極催化劑的敏感度，因而提高了對原料氫的質(zhì)量要求；存在金屬氫化物的機械強度、反復(fù)充放后的粉碎等問題，金屬氫化物可反復(fù)充放的次數(shù)不多且價格昂貴；儲氧化物的容器要能夠耐高壓，還要有足夠的換熱面積，能夠迅速的傳遞吸氧和放氫反應(yīng)過程中釋放或者需要的熱量?；钚蕴课劫A氫

活性炭低溫吸附具有相當(dāng)好的儲氫能力，在

-196℃，4.2MPa時，活性炭的儲氫量約總重的5％；但是-196℃的低溫、4.2MPa的壓力，兼有高壓容器法和液氫法的弱點，在車上也不是可行的方法。碳納米材料貯氫

碳納米管是一種納米尺度的、具有完整分子結(jié)構(gòu)的新型碳納米材料，是由石墨的一層碳原子卷曲而成的無縫、中空的管體。碳納米管具有優(yōu)良的貯氫性能.碳納米材料貯氫的問題納米碳管的價格昂貴，目前還未解決其規(guī)模制備的方法；納米碳放氫難，放氫的容量低，放氫速率低；氫能的利用氫能的利用

氫能的利用氫能的利用航天飛機的高壓補燃氫/氧發(fā)動機氫氣發(fā)動機寶馬氫能源12缸發(fā)動機

氫氣發(fā)動機寶馬氫能源12缸發(fā)動機

氫氣發(fā)動機氫能的利用氫氣同樣可以用來直接驅(qū)動改進的內(nèi)燃機；轉(zhuǎn)子發(fā)動機