低碳经济背景下的生物质能源应用技术_徐永霞.pdf

2023 年 第 7 期 化学工程与装备 2023 年 7 月 Chemical Engineering&Equipment 217 低碳经济背景下的生物质能源应用技术 低碳经济背景下的生物质能源应用技术 徐永霞（甘肃建筑职业技术学院，甘肃 兰州 730050）摘 要：摘 要：能源是人类赖以生存的基础资源，也是社会发展的动力。在全球变暖和化石能源总量逐步下降的压力下，发展可再生能源成了国家的当务之急。生物质能源以生物质为载体，可转化为固体、液体和气体等形式的燃料，是一种清洁且可再生的绿色能源。当前提倡绿色低碳循环发展的时代背景下，优化生物质能源应用技术，对于能源可持续发展具有重要意义。为此，通过阐述生物质能源的本质、主要来源途径和当前利用现状等方面，重点分析当前生物质能源应用技术，以期为生物质能源的进一步开发利用提供参考。关键词：关键词：低碳经济；生物质；能源；技术 引 言 引 言 以石油、煤炭等为代表的传统化石燃料使用会向大气中排放大量的二氧化碳及其他有害气体，造成空气污染。当前我国转向低碳经济发展，这就促使我们要用低碳的能源替代高碳的化石燃料，以解决传统化石能源带来的污染问题。相关研究表明1,2，可再生能源的使用有助于缓解二氧化碳等温室气体的排放。生物质能源是当前重要的可再生能源，其储量仅次于石油、煤炭和天然气等传统能源3，可作为今后我国重要的能源来源。与其他传统能源相比，生物质能源的优点在于其可再生性、可获取性和可替代性。就发展中国家而言，生物质能源使用量占总能源使用量的 35%，占全球使用量的 13%4。可见，生物质能源可以替代传统能源，并有效地降低碳排放和大气污染。基于能源的可持续性和安全性考虑，发展中国家和发达国家均寻找可再生能源以替代传统能源，进行实现可持续发展。生物质能源具有原料种类丰富、获取成本小和低碳排放的特点，受到广泛关注。习近平总书记向世界作出重大宣示“力争在 2030 年前碳排放达峰、努力争取 2060 年前实现碳中和”，结合当前我国的基本国情和实际需要，开发和利用生物质能源对于缓解国家能源问题势在必行。为此，基于低碳经济背景下，开展生物质能源应用技术是实现可持续发展的必由之路。1 生物质能源概述 1 生物质能源概述 1.1 生物质能源的本质 生物质能源是地球上普遍存在的重要可再生能源，其本质是通过植物的光合作用将二氧化碳和水生产碳水化合物，以化学能的形式存在于生物体，也被称之为绿色能源。为此，狭义的生物质能源指的是在植物生长过程中，将太阳能转化为化学能，并将化学能储存在植物体各器官的一种能源物质5,6。广义上的生物质能源指的是植物体作为能源来源供给动物及微生物的物质，同时也包含有基于现代生产加工的生物体。为此，生物质主要以碳氢化合物为主，包含有少量的氮、硫、钠和钾等元素。1.2 生物质能源的主要来源途径 当前生物质能源的主要来源一是植物的营养器官，如秸秆等，据统计7,8，我国当前秸秆产量的能量相当于 3.5 亿吨标准煤的能量。二是禽畜粪便。禽畜粪便量巨大，且呈逐年上升趋势，同时也是沼气的重要来源。三是园林废弃物。当前我国园林废弃物每年约产生 2 万亿吨，主要有木材和枝条等。四是生活垃圾和城市有机废弃物等。当前对于固体生物质资源的处理技术一般为焚烧、堆肥和填埋等。但是对于焚烧和填埋的方法而言，由于其固体生物质资源分解周期长，容易对环境造成二次污染，造成一定程度的环境污染，为此，对于生物质资源的高效利用要基于环境保护的原则进行处理，避免造成环境污染。2 生物质能源利用现状 2 生物质能源利用现状 我国地缘广阔，物产丰富，具有丰富的生物质资源，当前我国生物质资源约有 50 亿吨左右，可供使用的生物质资源主要有四大类，其中农作物秸秆等利用多样，农作系统、城市有机废弃物利用复杂，且缺乏相关的统计指标，当前难以统计生物质资源的有效利用率。当前我国提出到 2060 年，绿色低碳循环发展的经济体系和清洁低碳安全高效的能源体系全面建立，能源利用效率达到国际先进水平，非化石能源消费比重达到 80%以上。为此，国家在十三五和十四五期间支持了较多的生物质资源利用技术研究，展现出我国在生物质能源利用方面的重视，开发除了生物质液体燃料、户用沼气池、气化与气化发电等技术，取得了多项应用成果。随着世界人口的不断增加和经济社会发展，人类对能源的需求越来越多，当前日益严峻的能源问题成了人们普遍关注的焦点。目前世界上的化石能源，如天然气、石油和煤炭等仅仅能够维持开发 300 年左右，可见化石能源储量有限，有必要充分利用生物质能源，以缓解能源危机9,10。3 生物质能源的主要应用技术 3 生物质能源的主要应用技术 3.1 生物质气化技术 生物质原料气化技术主要有生物发酵法和高温热解法。DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.07.006218 徐永霞：低碳经济背景下的生物质能源应用技术 生物发酵法指的是生物质原料在少氧或厌氧情况下，在生物质原料中添加酶或是菌类，进而产生甲烷等气体，俗称沼气。沼气的形成是微生物在生物质原料上进行新陈代谢的结果，原理是微生物分解生物质原料，产生可燃性气体，其主要原料是农作物秸秆和禽类粪便等。生物质高温热解气化技术指的是生物质在不充分燃烧的条件下将空气中的氧气和氧化物质作为气化剂，将生物质转变为一氧化碳、氢气和甲烷等可燃烧气体的过程，其反应温度在 700以上。就生物质资源利用技术而言，气化技术是当前生物质热量转化技术中最经济实用的方式，其过程包括固体燃料的干燥、热分解化学反应以及氧化还原反应等，我国使用的生物质热解气化技术主要固定床、流化床和直接干馏热解 3 种工艺形式。我国的生物质气化技术研究开始于 20 世纪 80 年代，研究主要集中在生物质能源转换技术和装置的开发利用，主要应用在集中供气、燃气锅炉供热以及内燃机发电等方面，将第一和第二产业废弃物等的生物质转换为叫较高效能的煤气、电能和蒸汽等，进而提升生物质资源的利用效率，进而代替传统的煤、气、油等。就目前研究现状分析，当前生物质气化技术主要研究方向是新的气化方法和气化工艺研究、生物质气净化技术和洗焦废水的处理、超临界水生物质催化气化制氢技术等。开发的主要产品有 Q 型气化炉、XFL 系列秸秆气化炉、Lz 系列生物质馏热解气化装置、ND 系列生物质气化炉等。当前我国生物质气化技术不仅仅局限于集中供气方面，还将生物质气化技术应用到发电，具体包括生物质气化、气体净化和燃气发电的流程，创造了良好的经济效益和社会效益。当前生物质气化产业的应用主要集中在农村气化供气，原因在沼气生产工艺简单，原料来源广泛，生产成本低。当前我国多地农村建立了沼气反应池，用于产生沼气，再者，生物质原料在产生沼气后会形成沼渣，可作为农田肥料，是一种良好的有机肥料。可见生物质原料气化后形成的沼气产业对于农业农村发展具有重要意义。3.2 生物质固化成型技术 生物质原料具有能量密度小、不便于运输且占有空间大等缺点，成了制约生物质原料进一步利用的瓶颈。生物质固化成型技术指的是将各类生物质原料经过粉碎、干燥至一定的粒度，在给定的温度和压力条件下，经过高压成型将原来分散的、无固定形状原料压缩为具备一定密度和形状的成型燃料。固化成型的生物质燃料因密度高、便于运输且燃烧效率高的优点成了规模化利用生物质原料的有效方法。当前生物质原料固化成型技术主要研究集中在：一是固化成型工艺优化。当前生物质原料固化成型工艺有湿压成型、热压成型和碳化成型三类。生产上应用最为广泛的是热压成型技术，其工艺原理是将生物质原料粉碎后进行干燥混合，进而施加 压力挤压成型，最后进行冷却包装。热压成型技术受生物质原料类型和含水率等因素影响，针对不同原料采取不同的压缩工艺。如玉米秸秆采取改良的生物质秸秆压缩机。相关研究表明，生物质原料含水率在 8%-15%时，成型效果较高。二是生物质原料压缩机械研究。当前生物质原料压缩机械主要有螺旋式，螺旋式压缩机是最早开发的，但缺点是成型部件容易损耗，压缩耗能高。其次是活塞式压缩机，活塞式压缩机依靠活塞做功进行生物质原料的压缩。最后是和压辊式压缩机，该种类型压缩机主要用于生产颗粒状燃料。三是生物质燃料的燃烧特性研究。生物质燃料由于其密度、成型形状等的差异，导致燃烧特性不同。当前对于生物质燃料的燃烧特性研究处于起步阶段，对此类研究较少。3.3 生物质原料液化技术 由于液体燃料便于储存运输和利用，生物质原料液化工艺简单易行，生产过程能耗小，其产品便于包装和运输，成了国际上较为重视的一种生物质原料加工技术。且生物质作为唯一可转化为液体燃料的可再生资源，正日益受到重视。当前生物质液化能源的制备主要有热化学法、生化法、酯化法和化学合成法等生物、化学方法将生物质转化为液体燃料。热化学法是将生物质原料液化的技术，指的是将生物质在 200-400（1000/s），气压 5-25Mpa 条件下加热裂解，产生气体，气体经短暂冷却后产生液体生物油，该工艺仍处于试验验证阶段，未大规模应用到实践中。生物化学法是将生物质原料在微生物或是酶的作用下，生产乙醇或丁醇等物质的过程。此项技术近年来得到了快速发展，其生产工艺类似于白酒生产。该技术是当前生物质原料转化的热点，也是未来生物质原料液化技术的发展方向。酯化法是指以油料作物或植物和工程微藻等水生植物油脂以及动物油脂、餐厨垃圾油等为原料，在 230250高温下进行催化酯化反应，生成生物柴油的技术。生物柴油是全球公认的洁净车用柴油替代品，具有良好的发展前景。化学合成技术是指将由生物质气化得到的粗合成气，主要成分是 CO 和 H2，通过催化合成为汽油、柴油等液体燃料，目前仍处于研究阶段。4 结 语 4 结 语 综上所述，随着经济社会的发展，加剧了化石能源的消耗，势必要寻找和开发新型环保能源以替代化石能源，改善当前日益严峻的环境污染问题。生物质能源具有绿色性和可持续性，其应用技术得到了快速发展。当前生物质原料转化为生物质能源主要有物理、化学和生物方法，具体代表的技术有生物质固化技术、生物质液化技术和生物质气化技术，三者应用场景不同，各有优缺点。此外，在当前低碳经济背景下，要充分利用生物质能源的可再生性，持续优化生物质原料转化技术，降低能耗，推动生物质能源可持续发展。（下转第 238 页）（下转第 238 页）238 史兴隆：反渗透铝污染的判断及应对措施 2#一级RO仅经过2h的酸洗后其进水压力就有了大幅降低，产水量也升高至额定产水量，短时间的酸洗恢复效果相较于之前的碱洗+酸洗获得几乎相同的清洗效果，但却大大缩短了清洗时间，提高了工作效率，为客户提供了更便捷的解决办法。经过一段时间的观察之后，发现酸洗之后的稳定运行周期可以达到一个月以上与“碱洗+酸洗”后运行周期没有明显差异，证明了短时间酸洗的有效及可靠性。“碱洗+酸洗”及仅“酸洗”后反渗透（2#RO）稳定周期及运行压力与产水量变化如下图 5 所示：图 5 2#RO 化学清洗前后进水压力与产水量 图 5 2#RO 化学清洗前后进水压力与产水量 4 结论及建议 4 结论及建议（1）RO 进水铝超标，在运行过程中由于受到 PH 变化、浓差极化等因素的影响，导致铝的浓度大幅度升高并在膜表面析出并形成密实的污染层，进而导致反渗透进水压力升高通量下降。（2）针对铝盐的污染最行之有效的方法就是酸洗，酸洗可采用 0.2%浓度的 HCl 或 2.0%柠檬酸，温度 30，在接触清洗2h 的情况下可以有效地溶解膜面铝盐污染层，使单套反渗透出力恢复到 206t/h 的额定产水量，同时操作压力也有 10%以上的下降。（3）加强与自来水厂沟通了解水厂 PAC 投加量及随季节、来水变化而调整的情况，可以对比水源地和自来水厂出水中铝离子浓度，来定性判断因加药所带来的水中铝增加情况，如能通过调整来水加药来控制出水铝离子处于相对比较低的水平那将是非常经济且可行的办法。（4）在几个酸洗周期后或者酸洗之后一段压差2.0bar 情况下，化学清洗可采用“碱洗+酸洗”的形式，碱洗采用 0.1%NaOH+1.0%Na4-EDTA+0.025%Na-SDS 控