生物能和利用技术-课件

生物能和利用技术生物质能概述生物质能的定义：直接或间接通过绿色植物的光合作用，把太阳能转化为化学能后固定和储藏在生物体内的能量。生物质的分类：木质（木材，农业种植物）非木质（加工过程废弃物，农作物）动物粪便2生物质能概述用于能量转化的生物质：木材残余物：农业废弃物：秸秆，稻壳，动物粪便等能源庄稼:比如甘蔗、木薯、甜高粱等城市垃圾(MSW)3农作物秸秆的应用农作物秸秆的应用以棉为例直接燃烧生物质发电国能生物发电有限公司高唐项目国能生物发电有限公司高唐项目n 投资建设一台投资建设一台25MW25MW级的生物质直燃发电项目，按年运行级的生物质直燃发电项目，按年运行60006000小时计算，年消耗农林废弃物约小时计算，年消耗农林废弃物约2020万吨，年发电量约万吨，年发电量约1.61.6亿千瓦时；亿千瓦时；n 在秸秆收购方面，每年可为当地农民秸秆销售带来直接在秸秆收购方面，每年可为当地农民秸秆销售带来直接现金收入现金收入40004000万元左右；万元左右；生物质能概述4生物质能概述围绕燃料收、储、运等产业链条，能够直接吸纳当地农村劳动力1000多人。与同类型火电机组相比，每年可减排二氧化碳约10万吨。燃烧后产生的草木灰，每年可达8000吨左右，作为高品质的钾肥，可以还田使用，环保效益和社会效益突出。供发电使用的棉杆和树皮被堆成了小山 5生物质能概述生物质能的特点二氧化碳几乎零排放硫、氮和灰分含量少挥发分含量高，氧含量多，有利于燃烧水分含量高，影响着火和燃烧的稳定性单位质量生物质热量低分布分散，能量密度低，收集、运输和预处理繁琐具有可再生性，原料广泛6生物质能概述生物质能形成：地球上的生物：异养和自养光合作用：6CO2+12H20 C6H12O6+6O2 光合作用的发现：1771年，英国科学家普利斯特利 光合作用对生物进化的作用：原始大气、有氧生物的出现，7生物质能概述利用光合作用吸收发电厂排放出的废气可以利用光合作用吸收发电厂排放出的废气可以减少火力发电厂的废气排放量减少火力发电厂的废气排放量 想法：在发电厂的废气排放管道上种植单细胞藻类是再循环的根本途径。l俄亥俄大学煤炭研究中心：生物反应器l马萨诸塞州剑桥市：反应器由一系列透明管子组成 l麻省理工学院的校园电厂:该反应器能够回收一个电厂75%的二氧化碳排放量 8大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点9生物质能直接燃烧技术农业废弃物燃烧木炭城市固体废弃物的燃烧燃用生物质锅炉11生物质能直接燃烧技术1木炭方法：将木料在300-500窑炉中闷烧（还原条件下）得到。成分基本上就是碳。能量密度是原始木材的2倍。缺点：要获得1t的木炭要消耗4-10t的木材如果没有对挥发分收集，3/4的能量都损失掉了制取木炭会排放大量污染物，增加温室效应12生物质能直接燃烧技术2城市固体废弃物的燃烧垃圾燃烧供暖、发电欧洲国家垃圾发电的装机容量占世界总量的一半13二恶英危害:二恶英一旦进入人体，就会长久驻留，因为其本身具有化学稳定性并易于被脂肪组织吸收，并从此长期积蓄在体内。来源:常以微小的颗粒存在于大气、土壤和水中，主要的污染源是化工冶金工业、垃圾焚烧、造纸以及生产杀虫剂等产业。污染载体:这些化合物聚积最严重的地方是在土壤、沉淀物和食品，特别是乳制品、肉类、鱼类和贝壳类食品中。其在植物、水和空气中的含量非常低。.14形成条件:含氯化学品的制造 有氯存在条件下，200400时易产生二恶英 含氯化合物的燃烧 在焚烧状态：200400条件下易产生二恶英，8001200时也有少量二恶英产生。自然形成条件 森林大火；污泥自然蒸发过程；堆肥化处理；树叶的自然腐化等过程也会自然形成二恶英。15生物质能直接燃烧技术城市固体废弃物燃烧发电的现状迫于公众的压力，得不到发展环保组织鼓励循环利用减少污染总之，优于垃圾填埋的方式苏州市生活垃圾焚烧发电垃圾焚烧发电 日本东京垃圾焚烧发电垃圾焚烧发电 16厌氧消化制取气体燃料沼气技术沼气：主要成分：甲烷50-70%,CO230-40%，少量H2，N2，CO，H2S和NH3广泛分布于大自然中：沼泽、积水粪坑、池塘、江河底部 气泡17厌氧消化制取气体燃料沼气发酵微生物学原理：发酵细菌产氢产乙酸菌耗氢产乙酸菌水解酸化阶段产甲烷阶段嗜氢产甲烷菌嗜乙酸产甲烷菌18 动物粪便动物粪便 富氮性原料其CN251。粪便类原料颗粒较细，合有较多低分子化和物，原料分解产气速度快，不必进行预处理。原料中的原料中的C/NC/N比比 C-甲烷的主要成分 N-微生物细胞 若原料C/N大于30：1，就难以启动，产气效果也不好。消化器中原料：C/N20-3020-30：1 1为宜。19影响产气速度的条件影响产气速度的条件A）原料：人畜粪便、稻草、麦草、玉米秸秆、青杂草比较：秸秆原料木质素含量高，C/N比高，分解速度慢，粪便类原料C/N比低，分解快。B）温度8-65度都可以产气，温度越高，速度越快，20接种物接种物常温发酵下水道污泥中温发酵常温接种物培养驯化如：酒糟和猪粪高温发酵中温接种物培养驯化如：酒糟和猪粪21酸碱度酸碱度：最适宜pH范围6.8-7.58发酵受到抑制，甚至停止产气。压力压力：双重影响，可以影响成分和总产气量 CO2可溶于水，而甲烷不能，所以压力增加 ，CO2含量减少，相当于甲烷含量增加了。搅拌搅拌：适当搅拌可以增加产气量15%-35%添加剂和抑制剂添加剂和抑制剂：纤维素酶，尿素，碳酸钙；农药，金属离子等22厌氧消化制取气体燃料沼气池的结构：家用沼气池：23厌氧消化制取气体燃料几种新型发酵消化器1 厌氧过滤器(AF)2 纤维填料生物膜消化器3 上流式厌氧污泥床消化器4 UBF型消化器24厌氧消化制取气体燃料1 厌氧过滤器(AF)惰性填充料：卵石，炉渣，瓷环，塑料等生物膜：用于：处理高浓度有机污水，也用于处理城市下水道污水。缺点：由于填料存在，污水中悬浮物太多，容易堵塞短路。25厌氧消化制取气体燃料纤维填料生物膜消化器 AF的一种，维纶制成纤维填充料26厌氧消化制取气体燃料27厌氧消化制取气体燃料四位一体北方生态农业模式（能源生态模式）组成组成：沼气池温室（塑料蔬菜大棚）猪舍厕所原理原理28厌氧消化制取气体燃料西北农业五配套西北农业五配套北方四位一体北方四位一体29厌氧消化制取气体燃料沼气工程的作用沼气工程的作用生产清洁能源生产清洁能源高效、可再生能源高效、可再生能源治理环境污染治理环境污染处理粪便、垃圾、有机废水、废处理粪便、垃圾、有机废水、废渣渣提高企业经济效益提高企业经济效益综合利用、改善生产条件综合利用、改善生产条件形成新的产业形成新的产业设计、施工、副产品生产销售、设计、施工、副产品生产销售、配套设备加工配套设备加工30厌氧消化制取气体燃料我国沼气发展集约化禽畜场沼气工程万头育肥猪场，日产粪水603，设计池容500m3，产气率为0.39m3/m3d，总投资为175万元年产沼气年产沼气10万立方米，固体有机肥540吨收益收益=沼气+有机肥+避免排污罚款+畜禽发病率减少避免的损失COD、BOD去除率分别70%、75%以上31厌氧消化制取气体燃料技术成熟，具备了规模化发展条件技术成熟，具备了规模化发展条件 20012001年工业沼气年工业沼气600600多座，池容多座，池容150150万万m m3 3，年，年 处理处理废水废水1.51.5亿亿m3m3，年产沼气，年产沼气10.010.0亿亿m3m3 2000 2000年农业沼气年农业沼气853853座，池容座，池容2222万万m m3 3，年处理粪便，年处理粪便15001500万万t t，年产沼气，年产沼气0.50.5亿亿m m3 332厌氧消化制取气体燃料主要发展障碍：主要发展障碍：初始投资大，自我融资能力不够初始投资大，自我融资能力不够万头猪场沼气工程初始投入万头猪场沼气工程初始投入150-200150-200万元万元工业工业25002500池容沼气工程池容沼气工程400-500400-500万元万元治理成本和沼气产品成本高治理成本和沼气产品成本高工业废水工业废水 2.502.50元元/m/m3 3废水，发电废水，发电 0.350.35元元/kWh/kWh养殖场养殖场 7.57.5元元/m/m3 3粪水，发电粪水，发电0.70.7元元/kWh/kWh市场风险大市场风险大禽畜产品和食品产品不确定因素大，风险大禽畜产品和食品产品不确定因素大，风险大难以吸引各方投资者难以吸引各方投资者33厌氧消化制取气体燃料国外沼气发展印度是继中国之后户用沼气数量最多的国家。牛电项目美国蓝衫农庄34厌氧消化制取气体燃料德国蒙斯特利用生活垃圾制取沼气的装置1999年德国有850家沼气电站，2000年就有2000多家。35生物质热化学转化三种：热干馏（炭、燃气）热裂解气化（可燃气）不足供氧情况下，“焖”出煤气(CO)热裂解液化 中温闪速热裂解，“生物油”36生物质热化学转化生物质热裂解气化原理原理：在一定热力学条件下，在只提供有限氧的情况下，生物质不完全燃烧，生成一氧化碳、氢气和低分子烃气体等可燃气的过程。工艺过程工艺过程：进料气化反应器净化系统后处理系统37生物质热化学转化1上吸式气化炉工作过程：工作过程：物料自炉顶加料口投入炉内，气化剂由炉体底部进气口进入炉内参与气化反应，反应产生的气化气自下而上流动，由可燃气出口排出。优点优点：可燃气在经过热分解层和干馏层时，将其携带的热量传递给物料，用于物料的热分解和干燥，同时降低其自身温度，使气化炉热效率大大提高;热分解层和干馏层对可燃气有一定的过滤作用。所以出炉的可燃气中只含有少量灰份。缺点缺点：添料不方便;可燃气中含挥发性物质 (如焦油蒸气)较多。38生物质热化学转化2、下吸式气化炉 工作过程工作过程：生物质原料由炉顶的加料口投入炉体，作为气化剂的空气也由进料口进入炉内，炉内的物料自上而下分为干燥层、热分解层、氧化层、还原层。优点优点：结构比较简单，工作稳定性好，可随时开盖添料;气体中的焦油在通过下部高温区时，一部分被分解成小分子永久性气体(再降温时不凝结成液体)，以出炉的可燃气中焦油含量较少。缺点缺点:由于炉内的气体流向是自上而的，而热流的方向是自下而上的，致使引风机从炉栅下抽出可燃气要耗费较的功率;出炉的可燃气中含有较多灰份;出炉的可燃气温度较高，须用水对其进行冷却。39生物质热化学转化工作过程工作过程：空气或空气与水蒸气的混合气从位于炉身一定高度处的喷嘴送入炉内，炉生产的燃气经炉栅处被吸到炉外，燃气呈水平流动，故称平吸式。优点优点：燃料层温度较高，可达到2000。炉子结构紧凑，启动时间短，负荷适应力强。缺点缺点：由于物料在炉内停留时间短，燃气质量不理想;由于炉体心温度高，容易造成结块;另外由于炉子的还原层容积很小，使CO2还原成O的机会减少，从而使燃气质量降低。40生物质热化学转化反应机理反应机理-以上吸式为例：以上吸式为例：生物质气化是指固体物质在高温条件下，与气化剂(空气、氧气和水蒸汽)应得到小分子可燃气体的过程。通常所说的气化，还包括生物质的热解。图7为其气化原理图。原料在上吸式气化炉内大体上分为四个区域(层)：氧化层，还原层，热分层和干燥层。炉内温度自氧化层向上递减。原料从炉顶落入炉内，大型气化原料是连续加入;而小小型气化炉原料是间歇性投入的。空气由下方供给，出的燃气经上方管道输走 41生物质热化学转化循环流化床循环流化床适合大型的应用比如生物质气化发电42太阳能生物质气化技术传统方法存在的问题：1）耗能大，外部加热的方式耗化石燃料；内部加热的方法，消耗近40%的生物质原料。432）需要高温高加热速率，耗能强度大3）采用空气作为气化剂，产出燃气中含有大量氮气，稀释了可燃气，使热值降低。太阳能聚光生物质气化太阳能聚光生物质气化44家用小型气化炉原理：实际上是半气化炉4546生物质气化技术1.气化技术原理：气化技术原理：CO,COCO,CO2 2,H,H2 2,CH,CH4 4,焦油焦油少量烃类。少量烃类。燃烧准备区燃烧准备区气化区气化区472.气化过程能量平衡：气化过程能量平衡：气化剂气化剂工况条件工况条件产物产物耗用最低的热量耗用最低的热量,将原料物质的化学能最大限度地转化为气体燃料将原料物质的化学能最大限度地转化为气体燃料的化学能的化学能.48植物质压缩成型1压缩成型的意义压缩成型的意义单位容积的热值和密度增加，一般的农林废弃物压缩后，密度单位容积的热值和密度增加，一般的农林废弃物压缩后，密度可达可达1.2-1.4t/m1.2-1.4t/m3 3，热值达到，热值达到16744kJ/kg16744kJ/kg，体积缩小，体积缩小6-86-8倍。热倍。热性能优于木材，相当于中值烟煤。性能优于木材，相当于中值烟煤。492主要工艺方法主要工艺方法加粘结剂成型加粘结剂成型加热压缩加热压缩黄泥，蘑菇渣，废蜜渣，硅酸钠黄泥，蘑菇渣，废蜜渣，硅酸钠成本增加，热值降低成本增加，热值降低纤维软化粘结成型，纤维软化粘结成型，110110度左右度左右对干湿度要求高，摩擦生热，产物热值高对干湿度要求高，摩擦生热，产物热值高预处理发酵预处理发酵纤维软化纤维软化501 1）部分有机质软化为粘结剂）部分有机质软化为粘结剂2 2）外表面形成光滑碳化层，不至于粘结在模具内）外表面形成光滑碳化层，不至于粘结在模具内1 1）破坏原有物相结构，组成新物相）破坏原有物相结构，组成新物相2 2）提高成型强度和刚度）提高成型强度和刚度3 3）提供成型动力）提供成型动力提供加热的目的提供加热的目的提供压力的目的提供压力的目的513 压缩成型设备压缩成型设备电机，压缩系统、加热系统，控制系统，进料系统电机，压缩系统、加热系统，控制系统，进料系统螺杆式挤压螺杆式挤压52活塞式（液压或机械力驱动）活塞式（液压或机械力驱动）滚筒式滚筒式5354压缩成型材料的应用压缩成型材料的应用颗粒饲料颗粒饲料煤的替代燃料煤的替代燃料55英国在建生物质发电厂英国在建生物质发电厂高高8585米，以棕榈壳为原料。供十万多户家庭热量和能源使用。米，以棕榈壳为原料。供十万多户家庭热量和能源使用。56生物质塑料生物质塑料，就是利用玉米粉、土豆粉、木薯粉，甚至橘皮等生物淀粉类农业产品与聚乙烯、聚丙烯、偶连剂、添加剂等化工基产品混合，通过电子、化工、生物工程和机械加工等多学科交叉工艺生产的生物质塑料合成树脂。其生物质含量可达到30%70%，具有化工塑料树脂的全部功能，可制造成薄膜类、发泡填充类和硬片等上百种生物质塑料环保制品，这些生物质塑料制品还可以通过环境微生物的作用降解。57生物质塑料”生物自毁塑料“美国密茨根大学生物学家提出了“种植”可分解塑料的设想，他们用土豆和玉米为原料，植入塑料的遗传基因，使它们能在人工控制下生长出不含有害成分的生物塑料。荷兰科学家发明一种塑料，植入体内大约两年便自行分解，变成二氧化碳和水。还有一种线状生物自毁塑料，可以代替传统的医用外科手术线缝合伤口。这种塑料手术线，可被身体逐渐吸收，免除拆线之苦恼。此外，用生物自毁塑料制成的药用胶囊，在体内会慢慢溶解，并且可控制药物进入血管的速度。582008年三星手机E200 ECO是完全基于环保技术的要素而设计的，利用生物塑料作为材料制造，该生物塑料35%的原材料由非石油加工的天然材质构成，因而减少了工厂在制作过程中燃料的消耗和碳排放量。此次采用的这种材料取自玉米等谷物，具有水溶性，同时又不含有如铅、汞和镉等重金属元素，更容易在自然环境中分解，不会造成污染。生物质塑料59生物质热裂解液化技术生物质快速热裂解液化：原理原理：生物质快速热解液化是在传统裂解基础上发展起来的一种技术，相对与传统裂解，它采用超高加热速率（102104K/s），超短产物停留时间（0.23s）及适中的裂解温度，使生物质中的有机高聚物分子在隔绝空气的条件下迅速断裂为短链分子，使焦炭和产物气降到最低限度，从而最大限度获得液体产品。生物油生物油：这种液体产品被称为生物质油(bio-oil)，为棕黑色黏性液体，热值达2022 MJ/kg，可直接作为燃料使用，也可经精制成为化石燃料的替代物。60生物质热裂解液化技术生物油的特性：高密度（约1200Kg/m3）；酸性（pH值为2.83.8）；高水分含量（15%30%）；较低的发热量（1418.5MJ/Kg）。61专题:污水厂污泥处理问题一、污水处理厂污泥来源污泥与泥巴不同污水处理厂污泥作用：“污泥”在氧气作用下吃掉水中的污物自身不断生长、繁殖、死亡。微生物的集合微生物的集合土土 壤壤62二、污泥问题成为困扰污水处理厂的主要问题1、污泥为什么难处理？1）产生量大我国污水处理厂每年排放污泥干重140万吨，而且每年以10%以上的速度增长。2）为什么不能直接入田？原始污泥 大分子（“抱团”，易于沉淀去水，果冻状）絮凝剂直接回田，与植物争夺氧气，导致植物枯死植物好似“婴儿”，污泥好似“馒头”经过长期的摸索，科学今日已经知道肥效最高的肥料就是人肥。中国人，说来令人惭愧，比我们知道得早。没有一个中国农民这是埃格勃说的进城不用竹子扁担挑两桶满满的我们称之为污物的东西回去。多亏人肥，中国的土地仍和亚伯拉罕时代那样富于活力。中国小麦的收成，一粒种子能收获一百二十倍的麦子。-雨果 悲惨世界63城市污泥处理的难度与污泥产生的途径有关.除了前述的聚合物,由于污水处理的脱氮除磷要求,污水处理的生物污泥中含有大量的胞外聚合物,其具有很强的结合水分的能力,导致污泥的脱水性能很差.脱水性能差使污泥的处理处置难度增加.642）污泥的处理现状失踪排放到河流，池塘排放到野外65二、主要的污泥处理方法污泥含水率99%，浓缩后也在70-80%，近似糊状。1、填埋单独填埋与生活垃圾和工业废物一起填埋优点：方法简单、易行、成本低，污泥又不需要高度脱水，适应性强 缺点：液体就会进入地下水层，污染地下水环境。填埋场产生的气体主要是甲烷，若不采取适当措施会引起爆炸和燃烧。适合污泥填埋的场所也因城市污泥的大量产出而越来越有限 662、污泥的焚烧湿污泥干化后再直接焚烧应用得较为普遍但没有经过干化的污泥直接进行焚烧不仅十分困难，而且在能耗上也是极不经济的。干化 焚烧优点：能使有机物全部碳化，杀死病原体，可最大限度地减少污泥体积；缺点：处理设施投资大，处理费用高。673、土地利用林地和市政绿化的利用因不易造成食物链的污染而成为污泥土地利用的有效方式。污泥农用的比例很大程度上取决于各国政府有关的法律、法规和污染控制情况，同时也与国家的领土的大小和农业发展情况有关。如英、美、法等许多国家城市污泥的农用率可达70%，有的高达80%以上。但是如前所述，污泥不适合直接农用，大分子的存在，将有机制包裹起来，不容易被吸收。那么如何使该结构破坏，使大分子链破坏，其中的有机制肥料裸露出来，易于植物吸收？68三、污泥发酵工艺1、传统发酵的方法传统厌氧消化的效率受到多方面的限制,污泥的水解是其中重要的限制性步骤在寒冷的冬季保持消化罐的温度也是非常重要的限制条件.所以，传统的消化工艺运行的稳定性和沼气生产的能力受到极大的影响,从而降低了厌氧消化的经济性和应用前景.69