生物能

生物能

　　生物能是以生物為載體將太陽能以化學(xué)能形式貯存的一種能量，它直接或間接地來源于植物的光合作用，其蘊藏量極大，僅地球上的植物，每年生產(chǎn)量就像當(dāng)于目前人類消耗礦物能的20倍。在各種可再生能源中，生物質(zhì)是貯存的太陽能，更是一種唯一可再生的碳源，可轉(zhuǎn)化成常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料。據(jù)估計地球上每年植物光合作用固定的碳達2x1011t，含能量達3x1021j。

優(yōu)點

　?、盘峁┑土蛉剂希?/p>

　?、铺峁┝畠r能源（于某些條件下），

　?、菍⒂袡C物轉(zhuǎn)化成燃料可減少環(huán)境公害（例如，垃圾燃料），

　　⑷與其他非傳統(tǒng)性能源相比較，技術(shù)上的難題較少。

　　至于其缺點有：

　　⑴植物僅能將極少量的太陽能轉(zhuǎn)化成有機物，

　?、茊挝煌恋孛娴挠袡C物能量偏低，

　?、侨狈m合栽種植物的土地，

　　⑷有機物的水分偏多（50%～95%)

　　生物能直接或間接地來源于植物的光合作用，其蘊藏量極大，僅地球上的植物，每年生產(chǎn)量就像當(dāng)于目前人類消耗礦物能的20倍，或相當(dāng)于世界現(xiàn)有人口食物能量的160倍。

研究開發(fā)

　　生物能的開發(fā)和利用具有巨大的潛力。目前主要從三個方面：

　　一是建立以沼氣為中心的農(nóng)村新的能量，物質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)，使秸稈中的生物能以沼氣的形式緩慢地釋放出來，解決燃料問題；

　　二是建立“能量林場”，“能量農(nóng)場”，“海洋能量農(nóng)場”。建立以植物為能源的發(fā)電廠。變“能源植物”為“能源作物”，如“石油樹”，綠玉樹，續(xù)隨子；

　　三是種植柑蔗，木薯，海草，玉米，甜菜，甜高粱等，既有利于食品工業(yè)的發(fā)展，植物殘渣又可以制造酒精以代替石油。

能源產(chǎn)業(yè)

　　發(fā)展生物能源產(chǎn)業(yè)必須具備資源條件、技術(shù)條件和體制條件。中國發(fā)展生物能源產(chǎn)業(yè)有著巨大的資源潛力。中國人口多，雖然可作為生物能源的糧食、油料資源很少，但是可作為生物能源的生物質(zhì)資源有著巨大的潛力。如農(nóng)作物秸稈尚有60%可用于能源用途，約合2.1億噸標(biāo)煤，有約40%的森林開采剩余物未加工利用，現(xiàn)有可供開發(fā)的生物質(zhì)能源至少能達4.5億噸標(biāo)煤，同時還有約1.33億公頃宜農(nóng)宜林荒山荒地，可以用于發(fā)展能源農(nóng)業(yè)和能源林業(yè)。發(fā)展生物能源產(chǎn)業(yè)，利用農(nóng)林廢棄物，開發(fā)宜林荒地，培育與生產(chǎn)生物能源資源，增加了農(nóng)民的就業(yè)機會。

生物資源

　　有機物的來源牲畜糞便：牲畜的糞便，經(jīng)干燥可直接燃燒供應(yīng)熱能。若將糞便經(jīng)過厭氧處理（anaerobictreatment），會產(chǎn)生甲烷和可供肥料使用之淤渣（slurry）。若用小型厭氧消化糟（anaerobicdigestor），僅需三至四頭牲畜之的糞便即能滿足發(fā)展中國家中小家庭每天能量的需要。農(nóng)作物殘渣：農(nóng)作物殘渣遺留於耕地上也有水土保持與土壤肥力固化的功能，因此，農(nóng)作物殘渣不可毫無限制地供作能源轉(zhuǎn)換。柴薪：至今仍為許多發(fā)展中國家的重要能源，仍需依賴柴薪來滿足大部分能量需求。不過由于日益增加薪柴的需求，將導(dǎo)致林地日減，需適當(dāng)規(guī)劃與植林方可解決這一問題。制糖作物：對具有廣大未利用土地的國家而言，如將制糖作物轉(zhuǎn)化成乙醇將可成為一種極富潛力的生物能。制糖作物最大的優(yōu)點，在於可直接發(fā)酵（fermentation)變成乙醇。城市垃圾：一般城市垃圾主要成分紙屑（占40%）、紡織費料（占20%）和廢棄食物（占20%）。將城市垃圾直接燃燒可產(chǎn)生熱能，或是經(jīng)過熱解體（Pyrolysis）處理而制成燃料使用。城市污水：一般城市污水約含有0.02～0.03%固體與99%以上的水分。下水道污泥（sewagesludge）有望成為厭氧消化槽的主要原料。水生植物：利用水生植物化成燃料也為增加能源供應(yīng)方法之一。種植能源作物增加生物能，目前具有發(fā)展?jié)摿Φ哪茉醋魑?，包括：快速成長作物樹木糖與淀粉作物（供制造乙醇）含有碳氧化的合作物草本作物水生植物農(nóng)林廢料供應(yīng)的能量是十分可觀的。據(jù)Putnam氏的看法，將近全世界總消費量的20%，或約為木材貢獻的四倍。在美國這些費料的熱含量約為木材消費量的3.5倍。但此等費料的收集、運輸、及轉(zhuǎn)變?yōu)榭勺魃唐返娜剂弦痊F(xiàn)在石油產(chǎn)品的價格要高幾倍呢。

生物轉(zhuǎn)化

　　一、生化轉(zhuǎn)化過程：

　　1.厭氧消化厭氧消化為一生化轉(zhuǎn)化過程，依靠不需氧微生物將固體有機物轉(zhuǎn)化成甲烷、二氧化碳、氫及其他產(chǎn)物，整個轉(zhuǎn)化過程可分成三個步驟。首先將不可溶復(fù)合有機物轉(zhuǎn)化成可溶化合物；然后可溶化合物再轉(zhuǎn)化成短鏈（Shortchain）酸與乙醇；最后，二步驟的產(chǎn)物再經(jīng)各種厭氧菌（不需氧生物）轉(zhuǎn)化成氣體，一般最后的產(chǎn)物含有50～80%的甲烷，最典型產(chǎn)物為含65%的甲烷與35%的二氧化碳。其主要優(yōu)點為可利用水分含量達90%的有機物，可小規(guī)模利用，淤渣能充當(dāng)農(nóng)作物的肥料。至于主要缺點為大量廢水需適當(dāng)處理，氣體產(chǎn)品儲藏費用高。

　　2.乙醇發(fā)酵糖類作物發(fā)酵可制成乙醇。一般所謂的乙醇整批制程（batchprocess），先將發(fā)酵物（糖類作物）稀釋至糖分約為20%（重量），且酸化至Ph4～5，再加入酵母菌（約5%，），再將液體施以分留和精煉。一般2.5加倫糖或5.85公斤糖（約2184Kcal）可制造1加倫的乙醇（3.79升，21257Kcal），因此在整個發(fā)酵過程中幾無能量損失。若使用淀粉作物（例如，玉米、大麥）做發(fā)酵物，必須先將淀粉轉(zhuǎn)化成可發(fā)酵糖分，然后再進行發(fā)酵?？晒┌l(fā)酵制造乙醇的作物，包括甘蔗、番薯，甜菜等。，由作物發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的費用約為每公升0.34美元，其高生產(chǎn)成本是由于制程為整批式而非連續(xù)的，最終產(chǎn)物（乙醇）含有酵母需再精煉處理。這種產(chǎn)量不足以克服高度工業(yè)化的需求?，F(xiàn)在美國的消費量將近30億桶，以能含量計約為四十億桶的酒精（酒精的熱能約為汽油的70%）。在美國木材地區(qū)此等數(shù)字作比較，總計約為70萬平方里（=1.8百萬平方公里），其三分之一－即約16億畝－是有的賣的，且實際可用的約為35億畝，我們認(rèn)為，像美國這樣的國家的燃料需求還不能由發(fā)酵酒精來克服。

熱學(xué)轉(zhuǎn)化

　　熱解

　?、睙峤猓簾峤庖卜Q為干餾（destructivedistillation），指在缺氧條件下的加熱作用。將有機物熱解會產(chǎn)生氣體、液體與固產(chǎn)物，大多數(shù)熱解氣體（pyrogas）的主要成分為H2、CO2、CO、CH4與少量碳?xì)浠衔铮ɡ纾彝椋?；熱解液體一般含有乙醇、醋酸、水或焦油（tars）等；至于熱解固體殘余物含有炭（例如，木炭）于灰分等。熱解過程包括下列處理程序：原料粗碎，烘干粗碎原料，去除雜質(zhì)，原料細(xì)碎，熱解，冷產(chǎn)物，儲存與分配產(chǎn)物。熱解加熱過程中，固態(tài)有機物一般于300℃以上開始進行熱解，某些催化劑熱解作用一般指在大氣壓和200℃～600℃溫度之間進行，在此狀況下典型的產(chǎn)物包括：木炭30～35%有機液體18～20%氣體20%（產(chǎn)品重量相對與干燥源料的重量）如果將薪材加熱至1100℃，熱解作用依然存在。在此狀況下，大部分液體與固體分餾物將進一步分解，故有較多氣體產(chǎn)物產(chǎn)生.。氣化：有機物的氣化是熱化學(xué)反應(yīng)將固體燃料轉(zhuǎn)化成可燃?xì)怏w。完全燃燒必須發(fā)生在有充分氧氣的狀況下，而有機物氧化作用則必須在氧氣不足的狀況下進行。氧化過程的主要反應(yīng)為：C+02CO放熱C+H2OCO+H2吸熱CO+H2OCO2+H2放熱C+2H2CH4放熱最簡單的氧化作用方式為空氣氧化（airgasification），有機物在有限量空氣之下進行不完全燃燒反應(yīng)?？諝庋趸癄t構(gòu)造簡單、價格便宜并且可靠性高，主要缺點在於所產(chǎn)生氣體被空氣中氮氣所稀釋，因此氣體產(chǎn)物的熱值低，經(jīng)濟效益不高。

　　液體燃料制造

　　直接液化使用CO或H2作為還原劑，於高溫高壓下將有機物直接氧化，且均產(chǎn)生油狀液體產(chǎn)物，其可再分餾而充當(dāng)燃料使用。間接液化將有機物間接液化的主要方法，采用合成氣體制成原料。而最先發(fā)展的間接液化法是處理煤氣液化。

　　A.合成氣體制成乙醇：此過程在石化工業(yè)上應(yīng)用極廣，多用作乙醇制造。目前可行方法很多，其中最易的方法是將H2與CO在高溫（約300℃）與高壓（約100Atm）下結(jié)合，并使用催化劑。反應(yīng)方程式為：催化劑CO+2H2──CH3OH（合成氣體）（乙醇）此法自薪材提煉乙醇，產(chǎn)率約為360公斤/噸薪材，能量轉(zhuǎn)換效率約在30～40%之間。顯然乙醇熱含量（19.8GJ/噸）低于石油燃料（43.7GL/噸汽油），但其仍可用于發(fā)動汽、柴油機。

　　B.Mobil法：若利用Mobil法可將乙醇轉(zhuǎn)化成高辛烷值汽油，因此可免修改引擎。此方法在試驗室內(nèi)己獲證實，轉(zhuǎn)換效率可達90%。新西蘭目前正籌建一座日產(chǎn)量12500噸合成石油工廠，可將天然氣轉(zhuǎn)化為乙醇。

　　CFisher-Tropseh法：Fisher-Tropsch法利用催化劑將合成氣體制成碳?xì)淙剂?。此法發(fā)明于1920年，而二次大戰(zhàn)時盛行于德國，以制造合成燃料，今日南非利用此法以轉(zhuǎn)換煤炭，但產(chǎn)物復(fù)雜，目前正研究尋求適當(dāng)催化劑以使產(chǎn)物化單純化。此法若改采用有機物做原料，則產(chǎn)物的硫含量較低。

　　有機物間接液化法

　　目前研究中之另一有機物間接液化法，是將熱解氣體制成合成石油，其未來發(fā)展?jié)摿Ρ豢春?。此技術(shù)稱為“Chinalakeprocess“，其采用先進的“快速熱解“步驟，它比標(biāo)準(zhǔn)熱解法可產(chǎn)制含較多幣屬烴（olefins）的氣體產(chǎn)品。此氣體產(chǎn)品再經(jīng)壓力聚合成高分子量碳?xì)浠衔铮?jīng)精煉后即可成為有用燃料。據(jù)估計總轉(zhuǎn)換率有22%。

沼氣利用

　　沼氣

　　沼氣：有機物在厭氧條件下被微生物分解發(fā)酵生成的一種可燃性氣體.有成生物氣其主要可染成分時甲烷，含量占60%左右，此外，二氧化碳占40%左右，以及其他微量成分.沼氣在農(nóng)村有廣泛的應(yīng)用，探索出多種沼氣利用技術(shù)：下面是幾個應(yīng)用例子：豬場糞便沼氣發(fā)酵處理技術(shù)背景與意義。隨著人們物質(zhì)生活的日益改善和外向型農(nóng)牧業(yè)的發(fā)展，中國畜禽養(yǎng)殖業(yè)集約化生產(chǎn)近十年來發(fā)展迅速，每個大中型畜禽場日排放糞水上百噸，嚴(yán)重危害城郊環(huán)境衛(wèi)生，同時成為阻礙養(yǎng)殖業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的重要因素。豬糞水是一優(yōu)質(zhì)有機肥源，早先融合于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，進入良性生態(tài)循環(huán)，它又是一種良好的生物質(zhì)能資源，通過沼氣池發(fā)酵回收生物質(zhì)能沼氣，已為人們熟識，而且回收沼氣的過程不僅能夠保持糞水的肥料成份，還可以增進肥質(zhì)的速效化和腐殖化。農(nóng)業(yè)的集約化生產(chǎn)在顯著提高效率和效益的同時，不幸伴隨著大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)良性生態(tài)循環(huán)體系的肢解。集約化畜禽業(yè)生產(chǎn)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)脫離，大量的糞水資源未經(jīng)妥善處理而任意排放，而成為社會注目的公害，因此對集約化豬場糞便污水進行處理意義重大。

　　技術(shù)描述

　　技術(shù)原理：通過對集約化豬場糞水進行包括固液分離段、制肥段、厭氧兩步消化段和好氧處理段在內(nèi)的處理過程，實現(xiàn)豬糞水的綜合處理，充分回收資源。技術(shù)關(guān)鍵：固液分離技術(shù)，厭氧消化過程，好氧物化處理。優(yōu)缺點評價：（l）從資源回收、綜合利用和產(chǎn)品商品化出發(fā)，優(yōu)化組合相關(guān)的科學(xué)技術(shù)，不僅能獲得較高的能源、生態(tài)和環(huán)境效益，而且可獲得可觀的經(jīng)濟效益。⑵因各工藝段的銜接點均設(shè)有緩沖環(huán)節(jié)，運行中能夠充分承受豬場糞水水質(zhì)、水量和pH等的沖擊，確保系統(tǒng)高產(chǎn)能運作和獲取穩(wěn)定的優(yōu)異效果。技術(shù)指標(biāo)及要求條件：日處理存欄6500-7000頭的豬場全部糞水100-200噸舊，日產(chǎn)沼氣約300立方米和商品化有機復(fù)合肥約1．5噸。

　　主要設(shè)備

　　主要設(shè)備：產(chǎn)酸池、調(diào)節(jié)池、物化濾池、接觸氧化池、腐化塔、曬道、干燥房。養(yǎng)豬、產(chǎn)氣、積肥多功能戶用沼氣池建設(shè)技術(shù)背景與意義。中國目前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式主要以戶為單位，大多數(shù)農(nóng)戶既經(jīng)營種植業(yè)也經(jīng)營養(yǎng)殖業(yè)，而戶用沼氣池以農(nóng)戶生產(chǎn)和生活中的廢棄物作為發(fā)酵原料，制取沼氣及多種厭氧消化產(chǎn)物，從而解決了農(nóng)戶生活用能，并滿足生產(chǎn)中的某些需求，所以建設(shè)戶用沼氣池在中國具有良好的發(fā)展前景。本項技術(shù)旨在設(shè)計一種實用性強、便于管理的飼、氣、肥多功能沼氣及相應(yīng)配套工藝。

　　技術(shù)描述

　　技術(shù)原理：針對水壓式沼氣池進出料難，冬季產(chǎn)氣率低和農(nóng)村能源、飼料、肥料缺乏等問題并結(jié)合庭院經(jīng)濟的發(fā)展和衛(wèi)生狀況設(shè)計，冬季利用塑膜溫室為沼氣池和豬舍增溫保溫，使沼氣池正常運轉(zhuǎn)，豬安全越冬。夏季利用棚架種植瓜豆、葡萄，為豬舍遮蔭，使豬舍冬暖夏涼。技術(shù)關(guān)鍵：池型結(jié)構(gòu)，塑膜溫室的建造，秸稈酸化和粗飼料預(yù)處理。

　　優(yōu)缺點評價

　　優(yōu)缺點評價：⑴投資少、見效快、實用性強，便于施工管理，綜合效益好；⑵秸稈不直接人池，解決了沼氣進出料難的問題；⑶除貯糞池外，其它設(shè)備均設(shè)在豬圈內(nèi)，豬舍冬暖夏涼，實現(xiàn)了能源、飼料、肥料種植、養(yǎng)殖、環(huán)保多位一體的良性循環(huán)。技術(shù)指標(biāo)及要求條件：（l）產(chǎn)氣率：0.3-O.5立方米/立方米·天；⑵用氣時間：10-12個月；⑶酸化池容積1立方米，粗飼料預(yù)處理池容積0.2立方米；⑷貯氣罩容積：接日產(chǎn)氣量的50%設(shè)計，其它參數(shù)接國標(biāo)池要求設(shè)計。

　　設(shè)計要求

　　每間豬舍長4米，寬3米，四面墻體中空8-10厘米，填充保溫材料（珍珠巖粉或蛭石），前墻高90-100厘米，下留出水孔，后墻高180-190厘米，上部留一小窗，下留通風(fēng)孔，中校高230厘米。圈后設(shè)走廊，寬70厘米，前墻拱架用竹木搭成，采光材料用普通白塑膜，夜間用草簾保溫。豬舍地面南高北低，斜度5‘，水泥混凝士澆注，厚3厘米。l1月底或12月初扣棚，4月初拆棚。夏秋為自然溫度發(fā)酵，冬季在豬圈上建溫室為沼氣池增溫保溫。啟動原料為牛馬糞，啟動后以豬糞為補料，配以人糞尿、秸稈酸化水、粗飼料浸泡酸液等，3-5年大換料一次。資金條件：全套設(shè)備一次投資1300元。

　　主要設(shè)備

　　主要設(shè)備：主池、秸稈酸化池、粗飼料預(yù)處理池、溢流管、進料口、貯氣罩、廁所。

　　安全問題

　　使用沼氣應(yīng)注意哪能些：沼氣是廣大農(nóng)村目前正大力推廣使用折一種新能源，但由于沼氣池是密封的，空氣不流通，缺氧氣，所以應(yīng)嚴(yán)禁輕易入池，以防止中毒窒息。進料時，只能從進料口和活動蓋口進料。確需下池?fù)Q料、出料或維修沼氣池時，須打開進出料口和活動蓋，三天后方可下池。下池前，為防萬一，可選取放一只雞或鴨入內(nèi)。觀察數(shù)分鐘，如發(fā)現(xiàn)池中雞鴨出現(xiàn)窒息反應(yīng)，則說明池內(nèi)沼氣多氧氣少，千萬不能入池。下池時，池上要有專人看護，下池的人可腰系繩子，如發(fā)生中毒窒息征兆，可及時拉出池外。另外，應(yīng)特別注意不要放含磷高的原料（如菜籽餅、棉餅、磷肥等）入池，因這些原料在池內(nèi)易產(chǎn)生劇毒氣體，會導(dǎo)致人中毒死亡。二、防止池體爆炸。沼氣如在沼氣池內(nèi)遇火燃燒，極易引起池體爆炸，因此，嚴(yán)禁在活動蓋口和導(dǎo)氣管口點火，否則易將火引入池內(nèi)，使池內(nèi)氣體燃燒，引起爆炸。新建的沼氣要在水泥達到強度以后才能進水試驗。進水速度要慢，特別當(dāng)水已封門時，不能用抽水機進水，以免進水速度過快，池內(nèi)壓力急速上升而脹破池體。另外，還應(yīng)定期檢查并排除輸氣管內(nèi)的積水，否則積水過多，會使池內(nèi)氣壓被積水阻隔，不能正常反應(yīng)在壓力表上，就有脹破池身的危險。三、防止火災(zāi)燒傷。在用沼氣煮飯炒菜時，要先擦燃火柴，再扭開沼氣開關(guān)。如先扭開關(guān)后點火，沼氣充滿灶內(nèi)，遇火易燒焦頭發(fā)、眉毛，燒傷皮膚。在出料或維修沼氣池時，千萬不能點蠟燭、油燈等明火進池，只能用手電，池內(nèi)切忌吸煙。在沼氣池、導(dǎo)氣管、輸氣管周圍嚴(yán)禁燒火，特別不能讓小孩在進出料間附近玩火，以免發(fā)生火災(zāi)。當(dāng)聞到室內(nèi)有臭雞蛋味時，說明有沼氣泄漏，應(yīng)立即打開門窗，讓室內(nèi)空氣流通。此時，絕不能在室內(nèi)點火，要盡快關(guān)掉總開關(guān)，找到漏氣設(shè)備的管理，如輸氣管因鼠咬或老化破裂，要及時進行更換。

　　生物能-簡介位于芬蘭境內(nèi)的OyAlholmensKraft生物能電廠

　　由于生物質(zhì)的存在很稀散，能量密度又比較低，而且不是濕的就是潮的，如果當(dāng)作商業(yè)能利用，要收集起大量的生物質(zhì)，其費用是十分高的。因此，目前生物質(zhì)能的商業(yè)應(yīng)用大多是利用那些因其他原因已被收集起來的現(xiàn)成材料，例如木材加工和食品加工的廢棄物及城市的有機廢物。目前生物質(zhì)能的開發(fā)應(yīng)用主要在三個方面：一是在一些農(nóng)村建立以沼氣為中心的能量，物質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)，使秸桿中的生物能以沼氣的形式緩慢地釋放出來，解決燃料問題；二是建立以植物為能源的發(fā)電廠。變“能源植物”為“能源作物”，如“石油樹”，綠玉樹，續(xù)隨子；三是種植柑蔗，木薯，海草，玉米，甜菜，甜高粱等，既有利于食品工業(yè)的發(fā)展，植物殘渣又可以制造酒精以代替石油。

芬蘭生物能電廠