新能源与分布式发电技术07生物质能及其利用.pptx

,2020/3/2,#,新能源与分布式发电,生物质能,2,7,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。,3,7.1,生物质和生物质能,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。,7.1.1,生物质的概念,小知识：,光合作用,4,7.1.2,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,，,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。,5,7.1.2.1,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,。,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。,6,7.1.2.2,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？,（,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。,7,7.1.3,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,。,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,”,。,8,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,7.1.3,生物质能及其特点,9,7.1.4,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。,10,（,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。,7.1.4,我国的生物质资源,（,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,。,11,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。,7.1.4,我国的生物质资源,12,7.2,生物质能利用概述,7.2.1,生物质能利用的历史,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,。,13,7.2.2,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。,14,7.2.2,生物质能利用的形式,15,7.3,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。,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,。,16,（,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。,7.3.1,固体生物质燃料,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。,17,其能源密度,相当于中等烟煤,，热值显著提高，便于储运。,7.3.1,固体生物质燃料,（,2,）固体成型燃料,18,气体燃料的优点包括：,既可,直接燃烧,，又能,用来驱动,发动机和涡轮机；,能量,转化效率,比生物质直接燃烧,高,；,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。,7.3.2,气体生物质燃料,19,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。,7.3.2,气体生物质燃料,（,1,）木煤气,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,。,20,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,CO,2,和,H,2,O,，并释放热能，是一种清洁燃料。,1m,3,沼气,的含热量相当于,0,.,8kg,标准煤,。,7.3.2,气体生物质燃料,（,2,）沼气,21,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。,7.3.2,气体生物质燃料,（,2,）沼气,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,。,22,7.3.2,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。,23,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。,7.3.3,液体生物质燃料,24,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。,7.3.3,液体生物质燃料,（,1,）燃料乙醇,25,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。,7.3.3,液体生物质燃料,（,1,）燃料乙醇,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。,26,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,3739MJ/,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。,7.3.3,液体生物质燃料,（,2,）植物油,27,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。,7.3.3,液体生物质燃料,（,3,）生物柴油,28,7.4,生物质,能发电简介,7.4.1,生物质发电的基本原理,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。,29,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。,7.4.1,生物质发电的基本原理,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。,30,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,7.4.2,生物质发电的特点,发展生物质能发电，也有一些问题,需要注意,：,（,1,）转化设备必须安全可靠。,（,2,）能源作物需要占用大量土地,31,生物质发电,起源于,1970s,年代。,1988,年,，,诞生世界上,第一座秸秆生物燃烧发电厂,。,1992,年，,英国第一家,利用动物,粪便,的电厂建成。,7.4.3,生物质发电的发展状况,2000,年，欧盟,15,国,电力的,1.5%,来自生物质能。,生物质发电产业保持持续稳定的增长，主要集中在发达国家，但,印度、巴西,和,东南亚,等发展中国家也积极研发或者引进技术建设生物质直燃发电项目。,32,2004,年,，世界生物质发电,装机已达,3900,万千瓦,，是风电、光电、地热等可再生能源发电量的总和。,7.4.3,生物质发电的发展状况,欧盟及美国等众多国家已将其列入重点发展及扶植项目。,欧盟,计划到,2010,年底，生物质能利用量比,2003,年翻一番。,33,作为农业大国，我国对生物质能发电也极为重视。,2003,年以来，国家先后核准了若干,秸秆发电示范项目,。,截至,2007,年底，国家和各省发改委已核准生物质发电项目,87,个，总装机规模,220,万千瓦，到,2008,年增加为,万千瓦,。,可再生能源中长期发展规划,确定的发展目标，到,2020,年生物质发电装机,万千瓦,。,总的说来，生物质能发电行业有着广阔的发展前景。,7.4.3,生物质发电的发展状况,34,直接燃烧发电,，即直接利用处理过的生物质为燃料,(,而不转换,),，燃烧所释放的热量在锅炉中生产高压过热蒸汽，通过汽轮机膨胀做功,。,直接燃烧发电,原理和发电过程与常规火电一样，所用的设备也没本质区别。,常见,原料,是秸秆、薪炭木材和其它农林废弃物。,设备,投资较高,，效率较低，将来也很难有明显改善。,为提高热效率，可以考虑采取各种回热、再热措施和联合循环方式。,7.5,生物质,能发电技术,7.5.1,直接燃烧发电,35,美国,在直接燃烧发电方面处于,世界领先,地位。,巴西,有,独特的生物质燃烧技术,，已有,近百年的历史,。,世界之最：,最早发展秸秆燃烧发电的国家；,最大的秸秆发电厂。,7.5.1,直接燃烧发电,36,我国,每年废弃的农作物秸秆约有,1,亿吨。,如将这些秸秆用于发电，相当于一个,“,三峡,”,的发电量。,截至,2007,年底,，建成投产的生物质直燃发电项目超过,15,个,，在建项目,多个,。,7.5.1,直接燃烧发电,中国之最：,第一个具有自主知识产权的秸秆发电项目；,最大的生物质直燃发电机组。,37,沼气发电,就是,以沼气为燃料,实现的,热动力发电,。,7.5.2,沼气发电,发动机排出的余热,约占燃烧热量的,1/4,，由废气热交换器回收用于消化池升温或采暖，,能量利用率,可达,60,以上,。,沼气发电的,规模,，,50kW,以下小型，,50,500kW,中型，,500kW,以上大型。,38,沼气发电,始于,1970s,年代初期,。,美国,有许多成熟的技术和工程，处于,世界领先水平,。,欧洲,单机容量可,2MW,，每方填埋沼气的发电量接近,2,度。,沼气发电在,我国,也受到重视。目前,0.8kW5MW,的沼气发电机组均已投产。,7.5.2,沼气发电,世界之最,和,中国之最：,世界最大的垃圾沼气发电厂；,中国第一个垃圾沼气发电厂；,世界最大的禽畜沼气发电厂；,全球大型沼气发电示范工程。,39,垃圾发电,主要是,从有机物废物中获取热量,用于发电。,从垃圾中获取热量主要有两种方式：,一是垃圾经分类处理后，直接在特制,焚烧炉内燃烧,；,一是填埋垃圾在密闭环境中发酵产生沼气，再,燃烧沼气,。,垃圾沼气发电的效率非常低，但发电成本低廉，仍然很有开发价值。,小知识：,垃圾的成分和发热量,7.5.3,垃圾发电,40,垃圾焚烧,，可使其,体积和重量大幅度减小,（减多少,?,）,，并,转换为无害物质,。,垃圾焚烧发电,，是处理垃圾,最快捷,和,最有效,的技术方法，近年来在国内外得到了广泛应用。,这种方式从原理上看似容易，实际生产流程并不简单。,首先要对垃圾进行,质量控制,，这是,垃圾焚烧的关键,。一般都要经过较为严格的分选。,7.5.3,垃圾发电,需要利用特殊的,垃圾焚烧设备,，也可以,焚烧与发酵并用,。,41,从,1970s,起，一些发达国家便着手运用焚烧垃圾产生的热量进行发电。,7.5.3,垃圾发电,我国生活垃圾处理技术起步较晚，近年来也迅速发展。,自,1985,年,以来，先后在深圳、珠海、杭州、上海、绍兴等多个城市建成了垃圾焚烧发电厂。,截至,2007,年底,，已建成,50,座垃圾焚烧电厂，还有,25,座在建。,世界之最,和,中国之最：,世界最大的垃圾发电厂；,中国第一个垃圾焚烧发电厂；,中国第一个国产化的垃圾焚烧发电厂。,42,生物质燃气发电,，就是将,生物质,先转换为,可燃气体,，再利用这些可燃,气体燃烧,所释放的,热量发电,。,关键设备是,气化炉（或热裂解装置），,生物质燃气产生后，发电过程和常规火电以及沼气发电就没有本质区别了。,7.5.4,生物质燃气发电,43,7.6,典型的能源植物,7.6.1,薪炭树种,为了集中地获取大量生物质，还可,专门培植经济价值较高的能源作物,。,比较优良的薪炭树种,，例如：,原产中美洲的,新银合欢树,；,印、缅、泰，云南等地的,铁刀木,；,美、澳常见的,桉树,；,典型薪炭树种的介绍，,详见教材,。,44,某些绿色植物能通过光合作用在体内形成,类似石油成分,的烷烃类物质。从中可提取,代替石油产品,的燃料。,全球已发现有上千种可生产,“,绿色石油,”,的植物。,7.6.2,石油树,生于巴西的热带西林的,苦配巴,，称为,“,柴油树,”,。,东南亚热带森林的,油楠树,，,还有我国引种的,麻疯树,等，,都能产生类似柴油的液体。,此外，还有美国的,金花鼠草,、澳大利亚的,桉叶藤,和,牛角瓜,等草本植物，也有类似的功能。,典型石油植物的介绍，,详见教材,。,趣闻：,石油草与诺贝尔奖,45,大陆架海域或湖泊沼泽中的巨藻，生长速度惊人，含有丰富的,甲烷,成分，可以用来制取,煤气,。,7.6.3,巨藻,近几年，,又在,淡水藻类,中提取出了石油。,46,不论是生物质转换的生物质燃料，还是直接提炼的生物质燃料，都具有非常广阔的应用前景。,基于生物质燃料的生物质发电，可能是未来的主要发展方向之一。,展望,47,朱永强，,zyq,华北电力大学,电气与电子工程学院,本课程的配套教材：,新能源与分布式发电技术,，朱永强 主编，北京大学出版社，,21,世纪创新型人才培养规划教材,