生物质能源转化技术的应用探讨
时间：2023-06-13 08:20:33 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
文/王雪芬
当今世界经济的快速发展，导致煤、石油、天然气等传统不可再生能源正面临枯竭，人们亟需开发多种新型的可再生能源，以面对传统能源枯竭的危机。目前，新能源异军突起，包括太阳能、海洋能、风能、生物质能、核聚变能等等，极大地满足了人们对能源的需求。生物质能是新能源中的一种，来源于生物质，也是太阳能以化学能形式贮存于生物中的一种能量形式，具有清洁、可再生等特性，逐渐收到人们的重视，成为解决能源危机和环境污染的重要途径。
生物质(Biomass) 指通过光合作用将CO2和H2转化为能量并能够生长的各种有机体，包括所有的动物、植物和微生物。生物质能(Bioenergy)指绿色植物通过直接或间接的光合作用，将太阳能转化为化学能贮存在植物体内的能量形式。因此，生物质能源本质上是太阳能的一种表现形式，是一种可再生能源，也是唯一的一种可再生碳源，生物质能利用过程如下:
6CO2+12H2O + 太阳能→C6H12O6+ H2O +6O2
2.1 生物质能源的分类
总体而言，生物质能源主要分为3大类：植物类、非植物类和微生物类。其中，能源植物是生物质能源中的主要组成部分，主要包括林业资源、秸秆等植物；
非植物类主要指畜禽粪便和生活环境中的有机成分等；
微生物类主要指利用微生物发酵而生产的能源，如沼气、燃料乙醇、生物质油等。
2.2 生物质能源的特点
（1）可再生性。我国拥有丰富的自然资源和可利用资源,生物质能源是通过植物的光合作用实现再生, 是可再生能源，可以维持能源的永久利用。
（2）能源总量丰富，分布广泛。地球上生物质能源储量丰富，根据生物学家估算，地球每年能生产1 500～1 750亿吨生物质，远远超过全球的能源需求总量，是目前全世界总能耗的10倍左右。目前，生物质能源仅次于煤炭、石油和天然气，是世界第四大能源。另外，生物质资源的分布也非常广泛，只要有绿色植物生长的地方就能够获得生物质资源，可以满足各地发展生物质能源的需要。
（3）清洁性。
硫化物和氮化物是环境污染的首要因素，而生物质中的硫含量和氮含量较低，因此，在生物质能源的转化利用过程中，生成的硫化物和氮化物含量非常少，几乎不会对环境造成不良影响。生物质的利用是一个可逆循环利用的过程，是一个二氧化碳固定和释放的循环过程，在此过程中，二氧化碳的净排放量接近于零，可以极大地缓解地球日益严重的“温室效应”。
（4）应用广泛。
生物质能的应用形式多样，可以直接燃烧、发电、生产沼气、制备燃料酒精、热裂解生产生物质油等，广泛应用于社会经济的各个行业。
生物质的转化利用方式主要包括燃烧、热化学转化、生物转化和物理化学等。
3.1 燃烧法
生物质燃料特性与化石燃料不同，生物质是通过进行光合作用，利用太阳能和空气中的二氧化碳而生成的，在燃烧过程释放的二氧化碳，因此，在生成和燃烧两个过程中吸收和释放的碳含量基本相等，可以被认为是二氧化碳的零排放。另外，生物质的组成中，含有的氮和硫元素极少，燃烧不会对环境造成不良影响。但是生物质的密度小，组织结构松散，体积较大，需要对其采取一定的措施，进行物理转化才能被高效利用。固化成型技术是生物质物理转化最常见的方法之一。固化成型技术主要指利用高压将体积大、组织结构松散的生物质原料压缩成组织结构致密的成型燃料，可以进行直接燃烧，解决了生物质原料运输和储存成本高、热效率低等问题。但是固化成型技术也存在成本较高、容易受季节影响等弊端，使其大规模应用受到制约。
3.2 热化学转化
热化学转化方式是生物质能转化常用的方法之一。热化学转化法主要是利用热化学相关技术将生物质转化为流体形式的燃料，主要包括生物质气化和液化两大类。
3.2.1 生物质气化
生物质气化是指借助一定的热力学条件，利用氧气、水蒸气的作用，使生物质发生热解、氧化还原反应，最终转化为氢气、一氧化碳和低分子烃类等可燃气体的过程。生物质的气化产物在发电、供热、合成化学品等领域被广泛使用。生物质制氢是典型的热化学转化技术之一。生物质制氢是一种热裂解技术，如今发展已较为成熟。生物质制氢主要是将生物质原料压制成型，置于汽化炉或裂解炉中进行裂解反应，使生物质分解为可燃气体和烃类，然后再进行二次催化裂解和一系列的化学反应，制得氢含量高的燃料气。生物制氢由于具有工艺条件简单、成本相对较低、有宽广的原料适应性等优点，而具有广阔的应用前景。
3.2.2 生物质液化
生物质液化是指在一定条件下，将生物质与溶剂混合并相互作用，使部分或全部生物质转化为液体的过程。目前，生物质液化技术常见于制取燃料乙醇和生物质油。燃料乙醇的原材料主要是雅津甜高粱、玉米、木薯、海藻、雅津糖芋、苦配巴树等。主要是先将生物质原材料破碎，然后再利用生物酶催化或者化学水解等方法将原材料转化为多糖，再经过TCA等途径生成乙醇。得到的乙醇再经过提纯、脱水制得燃料乙醇。利用生物质生产的生物质油具有高粘度、不稳定性等理化性质，其生产方法主要有闪速裂解、真空裂解和微博裂解等。
3.3 生物转化
沼气发酵是指在一定温度、湿度和酸碱度的条件下，动物粪便、生活有机垃圾、工业有机废水等生物质经过多种微生物的厌氧发酵，最后由甲烷古菌参与，从而在严格的无氧环境中产生一种以甲烷为主要成分的混合可燃气体。与传统的煤炭等燃料相比，使用沼气每年可减少碳排放量5 000多万吨，这既是一种重要的环保技术，也是一种有效的能源供应技术。另外，在生产沼气的同时会产生大量的有机肥料，每年可为农民节约肥料费用400多亿元，具有可观的经济效益。但是沼气发酵容易受到季节性和地域性影响，农村会具备相应的生产条件，但是不适用于城市。
3.4 生物质发电
利用生物质发电的主要方式是直接燃烧发电和气化发电。直接燃烧发电是利用生物质代替煤炭等传统能源，直接燃烧产生热量，通过加热生物质进行发电。生物质气化发电是指缺氧条件下，生物质在气化炉中转化为可燃气体，可燃气体燃料经净化后直接进入锅炉或者原动机中燃烧发电。目前可采用秸秆气化发电、秸秆直接燃烧发电、煤和秸秆混合燃烧发电等几种技术路线。2022年前三季度，我国生物质发电量为1 129亿千瓦时，累计装机达4 060万千瓦。随着生物质能发电技术的提高和国家在新能源领域的投入加大以及社会可持续发展的需要，生物质能发电装机容量会继续增大，为实现负碳排放（BECCS）、碳中和贡献力量。
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