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    新能源系统之:生物质转化手艺与使用研究进展

      【国外环保在线 学术论文】今朝生物质已成为仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源,约占全球总能耗的14%。充分利用当代新技术,将生物质能停止转换,关于成立可持续发展的能源系统,增进社会和经济的开展以及改进生态环境具有重大意义。本文阐述了操纵热化学转化和生物化学转化将生物质停止转化操纵的手艺,引见了操纵这些新技术在生物质发电、制取乙醇、甲醇、氢气、沼气等燃料方面的使用远景。

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      新能源系统之:生物质转化手艺与使用研究进展
      
      跟着人类对能源需求的不竭扩大,次要为人类供给能量的化石燃料资本正在疾速地削减,化石能源的过分开发利用带来环境污染和全球气候异常的成绩也日趋凸起。因而,寻觅和开辟新型可再生能源火烧眉毛。生物质能恰好能满意这些要求,由于它具有不竭的可再生性、对情况的友爱性和可以抑止全球气候异常。生物质资本非常丰硕,据估计,全球每一年水、陆生物资产量约为今朝全球总能耗量的6~10倍阁下。
      
      今朝生物质已成为仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源,约占全球总能耗的14%。在发展中国家则更加凸起,生物质能占总能耗的35%。据猜测,到2050年,生物质能用量将占全球燃料间接用量的38%,发电量占全球总电量的17%。因而,很多发达国家和一些发展中国家将生物质看做是对情况和社会无益的能源资本,放慢了生物质能源的产物化历程。生物质转化新技术次要是热化学转化和生物化学转化。今朝,国外的大部分农业废弃物当场燃烧,招致资本华侈和环境污染。因而,充分利用当代新技术,将生物质能停止转换,关于成立可持续发展的能源系统,增进社会和经济的开展以及改进生态环境具有重大意义。
      
      1生物质转化手艺
      
      1.1生物质热化学转化手艺
      
      1.1.1生物质气化手艺
      
      生物质气化手艺是经由过程热化学反应,将固态生物质转化为气体燃料的历程。生物质气化手艺已有100多年的汗青。最后的气化反应器产生于1883年,它以柴炭为质料,气化后的燃气驱动内燃机,鞭策晚期的汽车或农业排灌机器。生物质气化手艺的昌盛期间呈现在第2次世界大战时期,其时险些所有的燃油都被用于战役,民用燃料匮乏。因而,德国大力发展了用于民用汽车的车载气化器,并构成了与汽车发动机配套的完好手艺。
      
      二战后跟着便宜优良的石油普遍被利用,生物质气化手艺在较长期间内陷于平息形态。但第二次石油危机后,使得西方发达国家从头开端审阅通例能源的不成再生性和散布不均匀性,出于对能源和情况计谋的思索,纷繁投入大量人力物力,停止可再生能源的研讨。作为一种主要的新能源手艺,生物质气化的研讨从头活泼起来,各学科手艺的浸透,使这一手艺发展到新的高度。
      
      根据利用介质的温度差别,将生物质气化分为常温气体气化和高温氛围气化。常温气体气化是气化介质温度相对较低的气化反响,包罗氛围气化、氧气气化、水蒸气气化、水蒸气—氧气混和气化和氢气气化。
      
      凡是常温气体气化反响产气热值不高,热效率较低,要发生高热值的气体,气化条件将相对刻薄。高温氛围气化手艺则克制了传统的生物质气化手艺凡是存在的气化服从及燃气热值低,燃料操纵范畴小,灰渣难于处置,易构成焦油苯酚等化合物的缺陷。因而,外洋很多国度开辟了这类高温氛围气化手艺。
      
      高温氛围气化工艺流程为其气化剂为1000℃以上的高温氛围,氛围里伴以10%~20%的水蒸气,氛围过剩系数掌握在0.3~0.5之间。高温氛围气化体系由气化器、集渣器、余热汽锅、燃气净化安装等构成。
      
      1000℃以上的氛围和10%~30%100℃的蒸气混淆。1000℃以上的混合气体输人气化器。气化器由泡化床区和厚而有间隙的卵石床区构成。经由过程掌握低热值燃料流量,使气化器内氛围过剩系数连结在0.3~0.5之间。低过剩氛围系数使得泡化床区发作高温氛围不完全熄灭,天生的燃气和熔渣穿过卵石床进入集渣器。分解燃气先经余热汽锅开释显热以发生气化体系所需的蒸气,再经净化处置去除硫化氢、氯化氢和烟尘,终极的纯洁燃气供应热效能或电能发作体系。
      
      1.1.2生物质热裂解手艺
      
      生物质热裂解是操纵热效能割断大分子量的有机物、碳氢化合物,使之转变成为含碳数更少的低分子量物资的历程,包罗大分子的键断裂、异构化合小份子的聚合等反响。最初天生各类较小的份子。此中主要产品可经由过程掌握反响参数,如温度、反应时间、加热速率、活性气体等加以掌握。高温慢速裂解普通在400℃以下,次要获得焦炭(30%);快速热裂解是在500℃,高加热速率(1000℃·s-1),短停止工夫的瞬时裂解,次要获得气体产品(80%以上)。
      
      在生物质热裂解的各类工艺中,差别研究者接纳了多种差别的试验装置,但是在所有热裂解体系中,反应器都是其次要装备,由于反应器的范例及其加热方法的挑选在很大程度上决议了产品的终极散布,以是反应器范例的挑选和加热方法的挑选是各类手艺路线的关键环节。反应器可分为机器打仗式反应器、直接式反应器、混合式反应器和真空热裂解反应器4类。
      
      1.1.3生物质液化手艺
      
      生物质液化是在高温(250~400℃)及高的反响气体压力(15MPa)下将生物质转化为不变的液态碳氢化合物,可分为间接液化和直接液化。间接液化是在高温、高压和催化剂的配合感化下,在H,CO或其混合物存在的条件下,将生物质直接液化天生液体燃料。直接液化普通是先将生物质转化为合适化工生产工艺的分解燃料气,再经由过程催化反响分解碳氢液体燃料。生物质液化手艺是最具有发展潜力的生物质能操纵手艺之一。外洋已有多家机构展开了生物质液化的研讨,并取得了阶段性成果。


      
      1.2生物质生物化学转化手艺
      
      1.2.1生物质厌氧发酵手艺
      
      厌氧发酵是指在隔断氧气的状况下,经由过程细菌感化停止生物质的合成。将有机废水(如制药厂废水、人畜粪便等)置于厌氧发酵罐(反应器、沼气池)内,先由厌氧发酵细菌将庞大的有机物水解并发酵为有机酸、醇、H2,CO2等产品,然后由产氢产乙酸菌将有机酸和醇类代谢为乙酸和氢,最初由产CH4菌操纵已发生的乙酸和H2,CO2等构成CH4。可发生CH4(体积分数为55%~65%)和CO2(体积分数为30%~40%)气体混合物。埋在填埋场的都会废弃物的厌氧发酵发生的沼气,若不停止收受接管操纵,渣滓填埋场发生的沼气最终将进入大气。若将开有小孔的管道插入到填埋场,能够将填埋场发生的沼气抽出作为能源利用,还可制止沼气逸入大气而加剧大气温室效应。渣滓填埋场颠末特别设想,可有利于厌氧发酵。在填埋渣滓之前,可预先铺设搜集气体的管道,使气体产量得以优化。
      
      很多专性厌氧和兼性厌氧微生物,如丁酸梭状芽孢杆菌、拜式梭状芽孢杆菌、大肠埃希式杆菌、产气肠杆菌、褐球固氮菌等,能操纵多种底物在氮化酶或氢化酶的感化下将底物合成制取氢气。底物包罗:甲酸、丙酮酸、CO和各类短链脂肪酸等有机物、硫化物、淀粉纤维素等糖类。这些物资普遍存在于工农业生产的污水和废弃物中。厌氧发酵有机物产氢的情势次要有2种:一是丙酮酸脱氢体系,在丙酮酸脱羧脱氢天生乙酰的历程中,脱下的氢经铁氧复原卵白的通报感化而开释出份子氢;二是NADH/NAD均衡调理产氢,当有过量的复原力构成时,以质子作为电子沉池而构成氢气。
      
      研讨发明,在产氢历程中反应器的pH值在4.7~5.7之间时生物质产氢率最高,其体积含量约60%阁下。另外,合成底物的浓度对氢气的产量也有很大的影响。厌氧发酵制氢的历程是在厌氧条件下停止的,因而氧气的存在会抑止产氢微生物催化剂的分解与活性。因为转化细菌的高度专一性,差别菌种所能合成的底物也有所不同。因而,要实现底物的完全合成并制取大量的氢气,应思索差别菌种的配合培育。厌氧发酵细菌生物制氢的产率较低,能量的转化率普通只要33%阁下。为提高氢气的产率,除选育优秀的耐氧菌种外,还必需开辟先辈的培育手艺才气够使厌氧发酵有机物制氢实现大规模消费。
      
      1.2.2生物质水解发酵手艺
      
      乙醇能够从含有糖、淀粉和纤维素的生物质制取。乙醇最主要的质料是甘蔗、小麦、谷类、甜菜、洋姜、木料。生物质质料的挑选很重要,由于质料价钱组成了终极产物乙醇贩卖价的55%~80%。乙醇的生产过程(发酵流程)为先将生物质碾碎,经由过程催化酶感化将淀粉转化为糖,再用发酵剂将糖转化为乙醇,获得的乙醇体积分数较低(10%~15%)的产物,蒸馏撤除水份和其他一些杂质,最初稀释的乙醇(一步蒸馏历程可得到体积分数为95%的乙醇)冷凝获得液体。
      
      经由过程蒸馏可将乙醇提纯,1t干玉米能够消费450L乙醇。乙醇可用于汽车燃料。发酵历程中发生的固体残留物可为发酵历程供给热量,由于在蒸馏阶段需求许多热效能,特别是关于消费乙醇体积分数为99%以上的庞大蒸馏历程。残留物也可作为植物饲料。关于蔗糖,其残留物可作为汽锅燃料大概是气化质料。淀粉类生物质凡是比含糖生物质自制,但需求停止分外的处置。因为存在长链的多聚糖份子以及将其经由过程发酵转化为乙醇之前需求酸化大概是酶化水解,木质纤维素生物质(木料和草)的转化较为庞大,其预处理用度高贵,需将纤维素颠末几种酸的水解才气转化为糖,然后再颠末发酵消费乙醇。这类水解转化手艺今朝正处于尝试研讨阶段。
      
      1.2.3生物质生物制氢手艺
      
      光合微生物制氢次要集合于光合细菌和藻类,它们经由过程光合作用将底物合成发生氢气。1949年,GEST等初次报导了光合细菌深红红螺菌(Rhodospirillumrubrum)在厌氧光照下能操纵有机质作为供氢体发生份子态的氢,尔后人们停止了一系列的相干研讨。今朝的研讨表白,有关光合细菌产氢的微生物次要集合于红假单胞菌属、红螺菌属、梭状芽孢杆菌属、红硫细菌属、外硫红螺菌属、丁酸芽孢杆菌属、红微菌属等7个属的20余个菌株。
      
      光合细菌产氢的机制,普通以为是光子被捕得到光合作用单位,其能量被送到光合反响中心,停止电荷别离,发生高能电子并形成质子梯度,从而构成腺苷三磷酸(ATP)。另外,经电荷别离后的高能电子产生还原型铁氧复原卵白(Fdred),固氮酶操纵ATP和Fdred停止氢离子复原天生氢气。微藻光制氢的历程能够分为2个步调:起首微藻经由过程光合作用合成水,发生质子和电子,并开释氧气;然后微藻经由过程特有的产氢酶系(蓝藻经由过程固氮酶系和绿藻经由过程可逆产氢酶系)的电子复原质子开释氢气。
      
      2生物质转化手艺的使用
      
      2.1生物质发电
      
      2.1.1生物质气化发电
      
      生物质气化手艺是操纵生物质作为高档次能源的一种新技术,近年来欧洲许多研究人员对生物质气化发电手艺停止了大量的研讨,并取得了相称的功效。生物质气化发电手艺的基本原理是把生物质转化为可燃气,再利用可燃气鞭策燃气发电装备停止发电。它既能处理生物质难于燃用,并且散布分离的缺陷,又能够充分发挥燃气发电装备松散并且净化少的长处。以是,气化发电是生物质能最有用、最干净的操纵办法之一。
      
      气化发电历程次要包罗3个方面:一是生物质气化,在气化炉中把固体生物质转化为气体燃料;二是气体净化,气化出来的燃气都含有必然的杂质,包罗灰分、焦炭和焦油等,需颠末净化系统把杂质撤除,以包管燃气发电装备的一般运转;三是燃气发电,操纵燃气轮机或燃气内燃机停止发电,有的工艺为了提高发电服从,发电历程能够增长余热汽锅和蒸汽轮机。


      
      生物质气化发电手艺在发达国家已遭到普遍正视,如奥地利、丹麦、芬兰、法国、挪威、瑞典和美国等国度生物质能在总能源消耗中所占的比例增长相称疾速。奥地利胜利地履行了成立熄灭木料剩余物的地区供电站的方案,生物质能在总能耗中的比例由本来的3%增到今朝的25%,已具有装机容量为1~2MW的地区供热站90座。瑞典和丹麦正在施行操纵生物质停止热电联产的方案,使生物质能在转换为高档次电能的同时满意供热的需求,以大大提高其转换服从。一些发展中国家,跟着经济发展也逐渐正视生物质的开发利用,增长生物质能的消费,扩大其使用范畴,提高其操纵服从。菲律宾、马来西亚以及非洲的一些国度,都前后展开了生物质能的气化、成型固化、热解等手艺的研讨开辟,并构成了工业化消费。
      
      美国在操纵生物质气化发电方面处于世界领先地位。美国成立的Battelle生物质气化发电树模工程代表生物质能操纵的世界先进水平,可生产中热值气体。这类大型生物质气化轮回发电体系包罗质料预处理、轮回流化床气化、催化裂解净化、燃气轮机发电、蒸汽轮机发电等装备,适合于大规模处置农林废料。海内许多单元也停止了此方面的研讨,如中国科学院广州能源研究所,胜利地把流化床手艺应用到生物质气化发电方面,利用木屑或稻壳的1MW流化床发电体系曾经投入贸易运转,取得了优良的经济和社会效益。
      
      2.1.2沼气发电
      
      世界各发达国家都对操纵沼气发电十分重视。为了削减20%温室气体排放,德国充分利用渣滓填埋场的沼气发电。日本还经由过程食物废弃物再生法的施行,增进了食物废弃物发酵堆肥手艺的推行,并研讨从沼气中提取氢气供燃料电池热电联供作燃料。朝日、麒麟等几个大啤酒厂都配套建成了200kW的燃料电池发电机组;东芝公司与国外广东省番禺县猪场结合建立的200kW燃料电池项目已于2001年投产。
      
      日本政府已划定电力公司必需给用生物质能发的电优惠上彀,并在研讨其他鼓舞政策。沼气发电从1990年的5000GW·h增加到2000年的12048GW·h.固然在20世纪90年月晚期,险些所有的沼气发电都是由美国供给的,但是,如今最大的沼气发电国度曾经转移到了OECD(经济合作与开展构造)国度,它们占沼气发电总量的54.5%。英国在2000年的沼气发电量为2556GW·h,在OECD国度中位居第二。
      
      固然美国以4984GW·h的发电量连结着第一的位置,它的增长速度却仅为年均6.4%,较着低于很多欧盟国度的增长速度。德国的年均增长速度为23.4%(2000年到达1683GW·h),意大利增长速度为60.3%(566GW·h),法国为14.4%(346GW·h)。能够预感到在不久的未来,操纵沼气发电的较快增加将会呈现在欧盟成员国度。
      
      2.2生物质制取燃料
      
      2.2.1生物质制取液体燃料
      
      生物质是惟一能够直接转化为液体燃料的可再生能源。因为生物质的多样性和转化手艺的多样性,生物液体燃料品种也林林总总。今朝手艺较成熟、开发利用到达必然范围的生物液体燃料次要是燃料乙醇和生物油。燃料乙醇的使用由来已久,早在1908年,美国福特公司就研制出既能烧汽油,又能烧纯乙醇的汽车。但跟着便宜石油的大量开采和使用,这些车辆逐步消逝了。20世纪70年月石油危机后,许多国度从头增强了乙醇燃料的开辟和操纵。巴西是世界上最早施行乙醇燃料方案的国度。
      
      巴西乙醇燃料的消费以甘蔗、沙糖为质料。今朝巴西年产乙醇燃料近800万t,约占汽油总耗量的1/3,利用乙醇燃料的车辆达370多万辆,成为世界上最大的乙醇燃料消耗国。美国事世界上另一个大量生产利用乙醇燃料的国度。与巴西差别的是,美国次要用玉米为质料消费乙醇,所耗玉米占天下玉米总产量的7%~8%。1990年美国乙醇燃料销售量为265万t,到2000年到达559万t,年均减产率达8%。
      
      除此之外,欧共体和日本等国度也有开发利用乙醇燃料的方案。1993年欧共体倡议提高燃料级乙醇生产量,要求汽油掺混乙醇燃料不低于5%,并将生物乙醇燃料的税率低落到相称干矿物燃料税率的程度。日本从l983年开端施行燃料乙醇开辟方案,重点开辟以乡村废弃物为质料间接消费乙醇的手艺。20世纪90年月,用可再生资源替换石油资源,并用生物技术代替化工制备生物燃料已成为世界各大化学公司发展战略的热门。中国政府不断正视乙醇燃料的研讨与开辟,特别是操纵非食粮质料消费乙醇燃料的计谋
      
      储蓄性研讨与开辟,不断被科技部列为国家重点科技攻关课题和“863”方案。20世纪80年月以来,“甜高粱”的育种手艺和乙醇燃料的生产技术获得必然开展,到2001年其试产范围到达5000t·a-1。近几年,跟着石油进口压力的增长,以食粮(次要是玉米)为质料的乙醇燃料消费也提到了日程上。经国务院核准,投资29亿元在吉林省新建60万t燃料乙醇项目,河南年产20万t、黑龙江年产10万t2个变性燃料乙醇项目也接踵投产。
      
      生物柴油是一种干净的生物燃料。借助酶法即脂酶停止酯交流反响,可将废食用油转变为生物柴油,混在反应物中的游离脂肪酸和水对酶的催化效应无影响。反响液静置后,脂肪酸甲脂便可与甘油别离,从而可获得较为纯洁的柴油。为提高柴油消费服从,接纳酶牢固化手艺,并在反响历程平分段增加甲醇,更有利于提高柴油的消费服从。生物柴油于1988年降生,由德国聂尔公司创造。生物柴油次要是把动物和植物油脂与甲醇或乙醇等低碳醇用酸性或碱性催化剂在230~250℃下停止脂化反响,天生以脂肪酸甲脂或乙脂为主要成分的生物柴油。生物柴油有优良的环保性(含硫量低),较好的发动机高温启动性(无添加剂时冷凝点达-20℃),较好的安全性(闪点高),优良的燃料机能(十六烷值高,熄灭机能优于一般柴油),最重要的是它是一种可再生能源。基于以上长处。生物柴油具有宽广的发展前景。
      
      生物柴油利用最多的是欧洲,份额已占到成品油市场的5%。德国现有8家生物柴油消费厂,生产能力为25万t·a-1,具有300多个生物柴油加油站,并订定了生物柴油尺度DINV51606,对生物柴油免税。法国有7家生物柴油消费厂。总生产能力为40万t·a-1。意大利有9个生物柴油消费厂,总生产能力为33万t·a-1。奥地利有3个生物柴油消费厂,总生产能力为5.5万t·a-1。比利时有2个生物柴油消费厂,总生产能力为24万t·a-1。欧盟肯定了较高的消费目的,2010年达830万t。美国从20世纪90年代初就开端将生物柴油投入商业性使用,生物柴油已成为其产量增加最快的替换燃油。另外,日本、巴西、泰国、韩国等国度也主动推行和利用生物柴油。今朝国外生物柴油研讨开辟尚处于起步阶段。前后由上海内燃机研究所、中国农业工程研讨设计院、辽宁省能源研究所、中国科技大学、云南师范大学等单元都对生物柴油作了差别水平的研讨。并取得了可喜的成就。生物柴油在此后几十年中会迅速发展起来,构成生物柴油财产。
      
      生物质快速裂解消费生物油被以为是最经济的生物质消费液体燃料的路线。快速裂解手艺自20世纪80年月提出以来,得到了疾速的开展。现已开展了多种工艺,加拿大Watedoo大学流化床反应器、荷兰Twente大学扭转锥反应器、瑞士自在下降反应器等均到达最大限度地增长液体产物收率的目标。生物质快速裂解液体产率可高达70%~80%。快速裂解条件比力难掌握,条件掌握不好。
      
      对产率影响较大。生物油是一种液体含氧混合物,次要包罗羧酸、酚和醛酮等含氧化合物。因为生物质油的共同性子,招致其不稳定。尤其是它的热不稳定性,限定了其间接使用的范畴。同时也正因为此,生物质油的精制比力艰难。不同于原油馏分及煤液化组分的精制。以是,为了提高其利用机能,生物质油精制办法的研讨开辟仍旧是一个亟待处理课题之一。王树荣等停止了快速热裂解制取生物油的实验,生物油产率高达60%。美国乔治亚技术研究所生物油的产率已到达70.6%,消费范围到达日产200t。加拿大CastleCapital公司消费的成套生物油装备已投放市场。近年来,国际上提出了生物油精制的能够处置办法包罗催化裂化和催化加氢。

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      催化裂化次要以HZSM-5为催化剂,天生芳烃含量较高的精制油。但催化剂易发生结焦反响而使催化剂失活。催化加氢是在高压参加氢,接纳过分型金属催化剂,在供氢溶剂存鄙人停止加氢处置,可使氧含量削减。
      
      另外,生物质还可制成甲醇,二甲醚等液体燃料。甲醇是能量密度较高的液体燃料,并且其熄灭要比乙醇洁净,熄灭时只开释二氧化碳和水蒸气。生物质制甲醇次要是气化法,起首是质料停止加氢气化反响,发生富含甲烷的气体。经热解天生含一氧化碳和氢的合成气,在催化剂的条件下天生甲醇。因为生物甲醇价钱相对较高。以是,一些国度只是为了保护环境动身,而将其在舰艇等方面停止了利用。
      
      由广州能源研究所生物质分解燃料实验室展开的生物质催化制氢及液体燃料分解新工艺研讨项目曾经获得新停顿,实现了在小型安装上由生物质一步法分解绿色燃料二甲醚的持续运转。今朝,由生物质合成气制备液体燃料二甲醚,利用固定床反应器,CO单程转化率曾经到达80%以上,在高压就具有比力高的产率,操纵浆态床分解二甲醚的事情也已睁开,将会进一步提高产率。二甲醚作为对石油资源的弥补,可作为汽车燃料。研讨表白,大规模消费二甲醚的本钱不会高于柴油,本钱和净化都低于丙烷。因而,二甲醚作为汽车燃料发展前景诱人。
      
      2.2.2生物质制取气体燃料
      
      生物质热化学转化制氢是经由过程热化学方法将生物质转化为富含氢气的可燃气,然后经由过程气体别离获得纯氢。某些手艺路线与煤气化制氢类似,从化学构成角度思索,生物质的硫含量和灰分含量较低,氢含量较高,该当比煤更适合于热化学转化工艺。生物质质料质量密度和能流密度低等物理特性是施行生物质制氢手艺的难点。
      
      生物质催化气化制氢获得的产物气中主要成分有氢、一氧化碳和大批二氧化碳,然后再借助水蒸气与一氧化碳反响发生更多的氢气,最初别离提纯。因为生物质气化发生较多的焦油,很多研究人员在气化后接纳催化裂解的办法来低落焦油含量并提高燃气中氢的含量。
      
      意大利LAqulia大学的RAPAGNA等人操纵二阶反应器(一级为流化床反应器,一级为固定床催化变更反应器)停止了杏仁壳的镍基催化剂催化气化尝试,发生的燃气中氢气的体积含量可达60%.美国夏威夷大学和天然气能源研究所协作成立的一套流化床气化制氢安装,以水蒸气为气化介质,其产物气中氢含量可高达78%,再接纳变压吸附或膜别离手艺停止气体别离,终极获得纯氢气体。吕鹏梅等操纵流化床催化气化制氢,产氢率可达130.28g·kg-1。
      
      MCKINLEY等研讨了对生物质停止热化学处置以得富氢燃气;KINOSHIT等[在富氧条件下研讨了生物质的水蒸气气化反响,单元生物质产氢量达60g·kg-1。HAUSEMAN接纳木灰为催化剂研讨了生物质水蒸气气化制氢的结果,木灰为生物资气化后的产品,在650℃和0.24MPa压力条件下,得到含氢52%的富氢燃气。生物质热裂解制氢是对生物质停止直接加热,使其合成为可燃气体和烃类物资(焦油),然后对热解产品停止第二次催化裂解,使烃类物资持续裂解以增长气体中的氢含量,再颠末变更反响发生更多的氢气,然后停止气体的别离提纯。固然经由过程生物质气化及热裂解手艺制取富氢气体在近来10多年才被提出,并且各类手艺路线均处在理论研究和实验室阶段,可是开端的实验成果却显现了较好的手艺远景。
      
      发酵产氢是操纵厌氧活性污泥中的微生物,特别是产氢产酸菌在酸性介质(pH=4.0~6.5)中,发酵有机物而发生氢气。李白昆等以白糖为底物,对差别纯菌、混菌及厌氧活性污泥的产氢率、产氢稳定性停止研讨表白,因为菌种间的协同感化,纯菌的产氢才能不如混淆菌种,此中厌氧活性污泥具有最大的产氢才能,最大产氢率达76.4mL·g-1·h-1。
      
      除pH值外,温度、COD浓度及反响用具也对产氢率有影响。哈尔滨修建大学的任南琪传授等人前后研讨了有机废水制氢手艺,他们研讨了操纵活性污泥发酵产氢的手艺,其成果表白,活性污泥产氢的较佳条件为,COD浓度为43050mg·L-1,pH值为5.0,发酵温度为36℃。在处置有机废水时,与传统的上流厌氧污泥床反应器(UASB)比拟,任南琪等创造的连续流搅拌槽式反应器(CSTR)具有较高的产氢机能,是UASB产氢的2.7倍。
      
      研讨成果显现,操纵厌氧话性污泥发酵产氢,具有启动简单、操纵管理简朴、易于工业化的特性,为实现持续产氢和实践使用供给了主要科学根据。上海交通大学在南通发酵厂建成了日处置3×103kg范围的光合细菌处置中试装置,其COD去除率达94.4%,BOD去除率达97.3%,色度及总氮均去除80%以上,同时菌体自己具有较高的营养价值。光合细菌体蛋白质含量高达60%以上,并富含多种维生素,特别是叶酸、生物素的含量是酵母的几千倍。尤希凤等停止了红假单胞菌操纵猪粪产氢的研讨,猪粪污水COD为5687mg·L-1时,产氢率为23.7mL·L-1·d-1。
      
      沼气的开辟使用次要有4类:农业沼气、产业沼气、都会下水道污水沼气和都会渣滓沼气。国外在沼气使用方面比力普遍,大型沼气工程成套手艺的研讨,胜利地用于发电和处置猪厂等高浓度有机废水,农村居民用气“四位一体”及综合利用达12万户,户均年收入在4000元以上。2000年中国户用沼气池764万多个,年产沼气25.9亿m3,兴修大中型沼气工程1000多处(含产业有机废水处理),年产沼气10亿m3。
      
      浙江浮山养殖场操纵UASB型厌氧消化安装处置鸡、猪粪便,日产沼气500m3,上海长江农场操纵上流式厌氧污泥床处置猪粪便,日产沼气5350m3。据统计,天下每一年约有255万t干粪物资用于乡村户用沼气池和大中型沼气站的质料,发生13亿m3沼气用作民用燃料。德国沼气操纵也比力抢先,德国FEL公司已开端研制开发出了沼气燃料电池的生产技术,但今朝这类电池本钱很高,德国EBC公司停止了沼气液化的研讨,Bekon公司在有机渣滓干发酵方面获得胜利。
      
      3结语
      
      1)传统的热解气化办法,燃气被焦油和颗粒物所净化,而且燃气热值相对较低,这将极大的影响燃气的后续操纵。另外,不能灵敏的利用多样化的生物质燃料,而且大规模的生物质使用,在经济和情况上也是不可行的。招致这些手艺大部分难以提高。HZSM-5喷流床热解、高温氛围气化和轮回流化床、多级轮回流化床热解和气化的结合手艺。这些手艺的配合长处是发生中高热值的燃气、产气干净、可实现规模化而且经济效益好。这些手艺的进一步研讨和理论,将为生物资操纵的提高推行摊平门路。
      
      2)操纵便宜的生物质产氢,是处理能源危机,实现废物利用,改进情况的有用手腕。跟着对能源需求量的日趋增长,对氢气的需求量也不竭加大,改良旧的和开辟新的制氢工艺势在必行。操纵人畜粪便等有机烧毁物产氢,既可获得氢气,又处置了废料,现已惹起人们极大的正视。固然从实验研讨到使用开辟,尚有很长的路,可是,将来的时期势必是氢能的时期,而以生物质为质料发酵产氢是此中最重要的构成。基因工程的开展和使用为生物制氢手艺开拓了新途径,经由过程对产氢菌停止基因革新,提高其耐氧才能和底物转化率,能够提高产氢量。就产氢的质料而言,从长远来看,操纵生物质制氢将会是制氢产业新的发展方向。
      
      3)因为液体产物便于储存、运输,能够代替化石能源产物,因而从生物质中经济高效地制取乙醇、甲醇、合成氨、生物油等液体产物,势必是此后研讨的热门。如水解、生物发酵、快速热解、高压液化等工艺技术研究,以及催化剂的研制、新型装备的开辟等等都是科学家们存眷的核心,一旦研讨得到突破性停顿,将会大大增进生物质能的开发利用。
      
      4)生物质能作为一种可再生能源,在能源构造体系中的职位愈来愈主要。因为化石燃料的不成再生性和利用历程中对情况的影响,生物质能将成为21世纪的次要能源之一,生物质转化操纵手艺将成为这一改变的枢纽。今朝有关生物质转化操纵的成套手艺曾经呈现,可是因为实用性和经济性无法统一,招致这些手艺大部分难以提高。跟着研讨的不竭深化,这类情况肯定会得以处理。同时也会呈现更多的生物质转化操纵新技术。(蒋国良,袁超,史景钊,褚伟,王淮东河南农业大学,河南郑州450002)
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