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[中图分类号] TK6 [文献标识码] A [文章编号] 1003-1650(2016)10-0206-01
引言
党的十报告中提出了关于提高能源使用效率的问题,即要支持新能源的开发,提高可再生能源的利用率。至此,河南驻马店市农业大区对生物质燃料的综合应用技术得到了高度重视。生物质能作为碳源具有可再生性,可以转化为固态燃料、液态燃料、气态燃料。
1 固体生物质燃料的综合应用技术
制备固体生物质燃料所采用的技术是固化成型技术,即将品位相对较低的生物质转化为品位相对较高的生物质燃料,而且由于燃料已经固化成型的,所以方便与存储和运输,在燃料的利用上也非常便利。固体生物质燃料的资料来源于农业和林业生产中所产生的玉米芯、秸秆等等各种废弃物。
1.1 固体生物质燃料的成型技术
首先,要收集生物原材料,将这些材料经过筛选之后,确保材料干燥,灰分符合要求,污染性低而且热值高、容易燃烧。对于这些材料进行干燥处理后,进行成型处理以方便运输[1]。其次,将所有筛选出来的材料粉碎处理,并将黏结剂和助燃剂加入其中进行压缩,使固体生物质燃料不仅方便存储,而且容易燃烧。
1.2 固体生物质燃料的生产技术
根据不同的生产条件,固体生物质燃料所采用的生产技术也会有所不同。其一,常温湿压成型技术,具体而言,是将纤维素原料进行水解处理而使得原料的纤维经过湿润时候软化,使其皱裂,之后进行压缩处理。这种技术的操作简单,但是会提高部件的磨损度,而且所生产的燃料的燃烧值比较低。所以,成本相对较高。其二、炭化成型技术,即对生物质原料进行炭化处理后成为粉末状,将粘结剂加入其中,压缩成木炭。比如,河南驻马店市农业大区,秸秆多综合利用,利用炭化技术工艺生产出来的秸秆炭粉可制成炭球、活性炭等炭产品。在秸秆炭化的过程中所排放的烟雾收集起来提取可燃气体、木焦油、木醋酸。但目前综合利用率还比较低,所以,还国家对秸秆综合利用予以补贴和政策上的倾斜。
2 液态生物质燃料的综合应用技术
2.1 燃料乙醇
燃料乙醇成本低而且具有可再生性。生产技术上,是对非粮食原料乙醇回收后,经过净化并发酵处理。其中,对脱水处理技术具有很高的要求,主要采用了萃取精馏法、吸附分离法以及共沸精馏法等等[2]。所生产的燃料乙醇中所含有的乙醇可以达到99.7%,比无水乙醇中的乙醇含量要高。
2.2 生物柴油
动植物油脂经过加工处理后,可以生产出与柴油的化学性质比较接近的长链脂肪酸单烷基酯,即为“生物柴油”。这种材料具有良好的性,没有毒,而且生物降解,是用于替代柴油的最好的材料。生产技术上,物理方式进行技术处理即为直接混合法、酯交换法和酶催化法;化学方式进行技术处理即为采用了微乳化法高温热裂解法。由于所使用的材料不同,生产出来的生物柴油存在着有点和不足。目前广泛使用的生物柴油制备方法为酯交换法。这种方法的原料来源广泛,加工工艺简单,所生产出来的生物柴油性能稳定,但是在生产的过程中会有碱性废水产生,而且生产设备会遭到严重的腐蚀。
3 气态生物质燃料的综合应用技术
生物质发酵技术,就是将生物质采用厌氧微生物分解技术,经过代谢处理之后生成了气体,这种气体的主要成分是甲烷,其中还包括二氧化碳、氢气以及硫化氢等等,即为“沼气” [3]。沼气的发酵划分为水解液化、酸化、产甲烷三个阶段。生物技术的快速发展,挖掘高效厌氧微生物并使用的效率也会有所提高,对沼气的利用起到了促进作用。
按照生物质气化原理,生物质气化制氢技术需要将生物质进行气化处理后,可燃性的气体与水蒸汽不断地重整,从中可以提取氢气。研究的介质是催化剂、气化炉,使用白云石制作二氧化碳,吸收蒸汽,经过气化后产生二氧化碳气体。经过试验表明,气体中的氢气产量是非常高的,可以达到66.9%;二氧化碳气体为3.3%;一氧化碳气体为0.3%。
总结
综上所述,中国在近年来环境污染日趋严重。要保护好生态环境,就要加大清洁能源的使用力度,同时还要提高能源的重复使用效率。特别是发展新能源,能够对不可再生能源的利用以缓解,一方面可以对能源使用的安全予以维护,而且还可以推进新农村建设。
参考文献
[1]王永征,姜磊,岳茂振,等.生物质混煤燃烧过程中受热面金属氯腐蚀特性试验研究[J].中国电机工程学报,2013,33(20):88―95.
1.1动力学与放大问题
乙醇发酵过程前期主要的活动内容是乙醇原料的液化、糖化等,在初期阶段结束以后进入到乙醇的应用特性控制阶段。这一阶段解决的主要问题是其发酵反应的动力学问题,也就是发酵反应能否继续下去的关键问题,主要包括有两个层次,一是本征动力学,主要是指从一种物质形式的本质属性出发对发酵生物反应固有速率的研究;二是宏观动力学,主要是从乙醇制备的反应器整体角度出发,充分考虑反应器中原料物质之间的能量传递情况的动力学研究。其中酶催化反应是应用最广泛的一种动力学模型。
1.2发酵罐多场问题
在具体的乙醇发酵过程中发酵罐是发酵功能实现的主要设备,而乙醇的发酵过程是一个复杂的过程,发酵过程中受各种因素的影响,温度、浓度等各种反应特性的传递会受到限制,从而在罐内形成不同的反应场,这种不规则分布的反应场会对反应的正常进行产生影响,例如对氧在发酵液中的传递速度、固定化酶传播等反应应有的过程产生影响,进而影响发酵反应的质量。但是正是发酵罐中的这种多场现象,为研究人员提供了干预发酵罐中发酵反应的契机,通过对反应罐中多场化现象的研究和有效利用,可以实现对乙醇发酵过程的人工干预,为乙醇质量的提升奠定了基础。
2提纯过程中的化学工程问题
使用发酵方法制作乙醇制得的发酵液中,乙醇的含量较低,通常情况下只有5%到12%之间,这种浓度的乙醇是无法用作燃料的,所以在乙醇发酵工作完成后对乙醇溶液进行提纯是一个必要的环节。当前应用最广泛的乙醇提纯技术是蒸馏技术,通过精蒸馏的方法将乙醇中的水分有效排出,通常情况下使用这种提纯技术只能将乙醇的含量提升到90%左右,在这种纯度基础上再使用蒸馏技术进行提纯,其提纯效率已经极低。所以为了保证乙醇溶液实现有效的工业应用,应该使用综合提纯方法对其进行提纯,提纯活动中首先以精蒸技术对乙醇溶液进行粗提纯,在提纯形成的90%乙醇溶液基础上再应用萃取、共沸和吸附等精提纯工艺做进一步提纯,形成工业应用需求的相应浓度乙醇产品。
3生物发酵反应与分离过程的耦合
从乙醇发酵工艺角度来看,现代乙醇制作工艺研究的内容还是一些基础性的内容,涉及到乙醇制作的具体工艺步骤,而生物发酵反应与分离的耦合并不是一种单纯的乙醇发酵制作工艺的完善,而是从乙醇制造整体角度出发对乙醇制造过程中的能量传递和化学反应的优化。从当前的乙醇制备角度来看乙醇制造存在着一个乙醇分离和提纯的过程,这两个过程的分离导致了整个制备过程制备资源和能量的浪费,如果能够将乙醇的分离过程和提纯过程结合在一起,也就是说提升发酵分离过程产生的乙醇溶液浓度,就能够减少乙醇提纯过程的负担,甚至可以实现化学反应结束以后直接制得符合浓度要求乙醇的目标。这种生物发酵反应与分离过程的耦合极大的提升了乙醇制备的效率,是乙醇制备工艺发展的未来技术。
Emerging Environmental
Technologies
2009
Hardback
ISBN 9781402087851
Shah著
地球环境的恶化引起了人们的广泛关注,环境保护工作的好坏,直接与国家的安定有关,对保障社会劳动力再生产免遭破坏有着重要的意义。随着人类对环境认识的深入,环境是资源的观点越来越为人们所接受。于是,环境保护日渐得到了各国的重视。但是,由于环境保护在一定程度上可能与经济发展、社会问题有着比较难协调的冲突。因此,近年来,对于环境保护概念的理解也日趋新颖和合理。环境保护就是通过采取行政的、法律的、经济的、科学技术等多方面的措施,保护人类生存的环境不受污染和破坏;还要依据人类的意愿,保护和改善环境,使它更好地适合于人类劳动和生活以及自然界中生物的生存,消除那些破坏环境并危及人类生活和生存的不利因素。随着人们对环境变化及影响其变化的主要原因的不断关注,科学家们不断的加快研究步伐,通过发展新型环保技术以便减小环境变化带来的负面影响。
本书主要讨论当前环境问题、最新的技术方法以及未来的发展方向等。作者为Vishal Shah,目前在美国道林大学生物学院担任助教。他2001年毕业于印度萨达尔帕特尔大学,获得工学博士学位。其研究方向为环境微生物学和生物技术应用。
本书从形式上看是一本论文集,具体内容包括以下方面:微生物燃料电池、混合太阳光照明、细菌环境整治、新型清洁技术、用于污水处理的纳米技术、表面催化技术以及蛋白质类天然气水合物抑制剂等。第一部分介绍了微生物燃料电池技术,该技术利用了微生物的催化作用,在微生物处理特定的垃圾时,可以释放出能量,这种能量会被微生物燃料电池转化为电能。该技术是一种清洁能源,完全无污染。第二部分介绍了一种蛋白质制备方法,这种蛋白质可以通过微生物制备,它应用于天然气的传输过程中,防止天然气在高压低温的情况下发生水合,与传统的水合作用抑制剂相比无毒,无污染。第三部分介绍了一种基于微生物催化作用的新型自组装膜表面改性技术,传统的表面改性技术需要用到有毒的试剂或者需要在恶劣的条件下(如高温)才能完成,这些会对膜产生影响,并造成环境污染,采用微生物催化作用,可以做到无污染并有利于环境保护。在第四部分中,介绍了燃料的低温燃烧可以提高燃料利用效率,降低NOx和CO2的排放量,基于此作者介绍了一种低温燃烧的模型建立方法及其控制措施。第五部分介绍了一种新型太阳能的利用方法,该方法可以应用于多种现代化的建筑物内,为室内提供照明,节省能源。第六部分介绍了一种新型的工业污水处理技术,采用纳米粒子,采用磁分离技术将污水中的重金属物去除,起到了污水处理作用。第七部分介绍了一种新型的环境污染处理技术,采用某些微生物的移动及携带作用可以减小和治理某些地区的污染。
本书内容新颖,知识性强,可供环境保护、资源能源、新能源开发等领域读者参考,也适合一般读者了解该领域最新动态或学习相关背景知识时阅读。
刘军涛,博士生
(中国科学院电子学研究所)
关键词 高含水率;生物质;成浆;气化
中图分类号:TQ511 文献标识码:A 文章编号:1671-7597(2013)17-0143-01
工业进程的加快和水环境的污染,导致高含水率生物质不断增加。如果酿酒业产生的酒糟废液、水体富营养化滋生的藻类,以及污水处理厂产生的生物污泥。这些高含水率有机生物质具有共同的特点:1)高水率高,甚至达到95%以上;2)含有一定的热值;3)难处理,处理不当引起不同程度的二次污染;4)脱水能耗高,而且需要专门的设备。如何对这些高含水率生物质,引起了越来越多学者的关注。
水煤浆是20世纪70年代石油危机中发展起来的一种新型低污染代油燃料。它既保持了煤炭原有的物理特性,又具有石油一样的流动性和稳定性,可以泵送、雾化、贮存与稳定着火燃烧。高含水率生物质一方面含水率高,多数为高浓度悬浮体系,另一方面含有一定热值,作为能源时与水煤浆具有相似性。将高含水率生物质与煤混合,通过一定的处理工艺制备生物质水煤浆,依托成熟的气流床气化技术,实现其与煤的共气化,不仅能很好地解决高含水率生物质的资源化难题,又能简化它们的处理与处置流程。生物质水煤浆气化使企业、工业园区或城镇社区变污染负效益为资源正效益,充分体现了其在能源结构调整,资源合理利用及清洁生产等方面的综合作用。本文以蓝藻、水葫芦和污泥等高含水率生物质为例,探讨其与煤共气化的工艺的可行性。
1 物性分析
按照国家煤质分析标准(GB/T 212-2001)对神府煤进行工业、元素及热值分析。由于污泥、蓝藻和水葫芦是作为能源物质与煤成浆共气化,所以采用与煤相同的处理方法,也按国家煤质分析标准对污泥、蓝藻和水葫芦进行相关分析,分析结果列于表1。
从表1可以看出,污泥的含水率超过80%,蓝藻和水葫芦达到94%以上,因此把他们定义为高含水率生物质。将高含水率生物质直接与煤制备水煤浆,用生物质所含的水代替部分制浆用水,省去了高能耗的干燥过程。这3种生物质中都具有高含水率、高灰分、高挥发分、高氮含量和低碳含量的特点。高含水率生物质单独气化需要干燥,且能量密度低,与煤制浆共气化可以有效地克服这些缺点。蓝藻中氮含量接近煤的10倍,水煤浆气化炉内部是弱还原的气氛,燃料中的氮以还原态的形式存在,不会生成氮氧化物,消除了引起二次污染的隐患。另一方面,污泥、蓝藻和水葫芦的高位热值都在10 MJ·kg-1以上,蓝藻甚至接近20 MJ·kg-1。这些生物质与煤一起作为燃料进入气化炉,对所含热值进行了充分利用,变废为宝。
2 成浆性
高含水率生物质制备浆体,是实现高含水率生物质与煤气流床共气化的关键。笔者以污泥、蓝藻、水葫芦为例,研究了其与煤的成浆性。
1)当萘磺酸钠作为分散剂时,煤的单独成浆浓度为62.5%。污泥加入降低了水煤浆的成浆浓度,污泥在浆体中的质量百分比越高,污泥煤浆的成浆浓度越低。通过对污泥进行预处理,能有效地提高污泥煤浆的成浆浓度,当污泥占神府煤质量的10%时,污泥煤浆的成浆浓度为60%。
2)蓝藻自身粘度的大小对蓝藻煤浆的成浆浓度有着重要的影响。添加药剂、高速搅拌、加热和厌氧消化等方法能降低含水蓝藻的粘度,有利于蓝藻煤浆成浆浓度的提高。当蓝藻与添加水的质量比为1:1时,蓝藻煤浆的成浆浓度可以达到62.5%。
3)通过粉碎、球磨使水葫芦变成浆状体,粘度降低。水葫芦粘度降低有利于水葫芦煤浆成浆浓度的提高。当水葫芦与煤的质量比为23.9/100时,水葫芦煤浆的成浆浓度为60%。
高含水率生物质本身粘度的大小对生物质煤浆的成浆浓度有着重要的影响,有效的降粘处理对提高成浆浓度有利。当高含水率生物质添加合适的比例时,能制备出满足工业要求的高含水率生物质煤浆。
3 气化活性
采用高温热天平分别对污泥、蓝藻和水葫芦与神府煤CO2气化反应速度进行了实验,并采用动力学模型进行了活化能的计算。污泥加入后降低了煤与CO2气化反应时的活化能,起到了催化作用。随着污泥添加量的增大,混合物的活化能降低。神府煤与CO2气化时的活化能为178 kJ/mol,污泥的加入使煤气化活化能降低了50 kJ/mol,有利于气化反应。蓝藻中含有大量的K、Ca、Fe和Mg等金属离子,这些金属离子对煤的气化具有催化作用。水葫芦能提高煤的反应速率,添加的Fe3+离子对煤的CO2气化具有催化作用。
依托成熟的气流床气化技术,实现高含水率生物质与煤的共气化具有可行性。高含水率生物质与煤制浆共气化时,一个显著的优势是“大规模”,此工艺具有其他工艺无法比拟的处理量,一旦实现工业化,将对高含水率生物质的处理作出巨大贡献。
参考文献
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[6]龚欣,刘海峰,等.新型(多喷嘴对置式)水煤浆气化炉[J].节能与环保,2001(6):15-17.
【关键词】垃圾焚烧;垃圾衍生燃料技术
垃圾是人类日常生活和生产中产生的固体废弃物,由于城市垃圾排出量大,成分复杂多样,给处理和利用带来困难,如不能及时处理或处理不当,就会污染环境,影响环境卫生。垃圾处理就是要把垃圾迅速清除,并进行无害化处理,最后加以合理的利用。即实现无害化、资源化和减量化的目标。
垃圾的处理目前主要的方法有:填埋法、堆肥法、焚烧法。另外,还有资源返还、综合利用等。
一、主要垃圾处理方法
填埋法:卫生填埋是清洁工人每天将收集垃圾压紧后,送往填埋场当晚填埋场用土将当天运来的垃圾覆盖上.再压紧,以免鼠、虫鸟等前来吃垃圾,传播病菌。
堆肥法:堆肥是把垃圾经过前处理后,将有机垃圾送入发酵反应器中,通过微生物的作用,变成有机肥。
焚烧法:焚烧法是将垃圾放在特殊设计的封闭炉内,在高温下烧成灰,然后把将灰填埋。此法可将垃圾体积缩小掉50%~95%,但烧掉了纸、塑料等可回收资源,垃圾在焚烧时会产生二恶英等有毒气体。
相比之下,垃圾焚烧处理的优点为:厂房占地少,有利于节约土地资源;垃圾的减容减量化程度高;减容90%,减量80%;垃圾处理彻底,二次污染危害小;设备运行全封闭全天候,文明程度高;焚烧炉的适用范围很广,能处理多种垃圾,且大多数焚烧技术不需对垃圾进行预处理;垃圾焚烧的余热可产生蒸汽用于发电、供热,节约能源。
另外,资源回收利用效益相当可观,按发热值比较,我国城市每年产生的1.5亿吨垃圾约相当于3000万吨标准煤,约为目前全国标煤年产量的2%。有分析认为,一座城市的垃圾,就像一座低品位的“露天煤矿“,可以进行无限期的开发,而开发使用最经济有效的办法,就是垃圾焚烧发电。
总之,垃圾焚烧发电是最贴近垃圾处置的三化要求。发达国家垃圾焚烧发电占垃圾无害化处理的比例已普遍超过80%,垃圾发电在这些国家已是成熟的产业并进入了产业化、市场化的成熟期。
二、垃圾焚烧技术
焚烧法是一种高温热解处理技术,即以一定量的过量空气与被处理的有机废物在焚烧炉内进行氧化燃烧反应,废物中的有害有毒物质在800-1200℃的高温下氧化、热解而被破坏,是一种可同时实现废物无害化、减量化、资源化的处理技术。
焚烧法不但可以处理固体废物,还可以处理液体废物;不但可以处理城市垃圾和一般工业废物,而且可以用于处理危险废物。在焚烧处理城市生活垃圾时,也常常将垃圾焚烧处理前暂时储存过程中产生的渗滤液和臭气引入焚烧炉焚烧处理。焚烧法事宜处理有机成分多、热值高的废物;当处理可燃有机物组分很少的废物时,需要补加燃料,这回使运行费用增高。但如果有条件辅以适当的废热回收装置,则可弥补上述缺点,降低废物焚烧成本,从而获得较好的经济效率。
三、垃圾衍生燃料RDF技术
垃圾衍生燃料RDF(Refuse Derived Fuel),即先将生活垃圾在进炉前进行有效的预处理和成型加工,然后作为固体燃料被焚烧利用,从而为解决上述问题提供了新的思路。目前已应用于城市生活垃圾焚烧处理及资源化利用的工程实践中。
垃圾衍生燃料RDF制作系统是由破碎分选子系统和加工成型子系统组成的。垃圾衍生燃料RDF加工生产技术是将生活垃圾首先进行破碎,分拣出可燃物,再加入添加剂干燥,最后将其挤压成型,制成颗粒状物质RDF燃料。RDF燃料的特点是大小均匀,所含热值均匀,成型工艺可使垃圾热值提高4倍左右,且易运输及储备,在常温下可储存6~10个月不会腐坏。因此可以临时将一部分垃圾储存起来,以解决在锅炉停运或垃圾产出高峰时期的处置能力问题;通过在成型过程中加入添加剂[5, 7]可以达到炉内脱除SO2,HCl和减少二恶英类物质排放的目的。
国外对RDF技术的研究起步较早,在美国、日本等国已得到广泛应用,并开始商业化发展。美国是世界上最早利用RDF发电的国家,已有发电站37座,占垃圾发电站的21%。如美国维吉尼亚州的RDF工厂,每天将约2000t的生活垃圾制成RDF用于电厂发电。日本政府于20世纪90年代开始支持该技术的引进和研发工作,近几年已有十几家大公司对RDF工艺投入大量资金进行RDF资源化研究和开发。2004年投运的上海宝山神工生活废物综合处理厂即安装了RDF生产线。
1、垃圾衍生燃料RDF技术与垃圾焚烧技术的比较
(1)垃圾衍生燃料RDF 的制备,不受场地和规模限制,适合中、小型垃圾处理厂分散制造后,再收集起来进行高效发电,有利于提高垃圾发电的规模和效益,比用原生垃圾焚烧发电,效率提高25%~35%,使大规模的热能循环利用成为可能;而垃圾焚烧受场地和规模限制,垃圾焚烧量在400t以下时,一般用于供热水或蒸汽,但受地理条件、季节变化和周边环境的限制,热能常常得不到充分利用。
(2)垃圾衍生燃料RDF经分选、脱氯、脱硫处理,可大大减轻烟气对设备的腐蚀,烟气和灰渣比原生垃圾焚烧时减少2/3,减少了相关处理设备的投资。
(3)由于RDF具有较好的防腐性,能在仓内保管1年以上,可作为储备能源按需使用;垃圾直接焚烧,受垃圾成分波动的影响,产生热能不稳定,且由于垃圾需连续消纳,热能在无需求时也必须产生,造成能源浪费。
垃圾衍生燃料(RDF-5)具有热值高、燃烧稳定、易于运输、易于储存、二次污染低和二恶英类物质排放量低等特点,广泛应用于干燥工程、水泥制造、供热工程和发电工程等领域。
2、垃圾衍生燃料的应用
在RDF的生产中,最重要的是城市生活垃圾和制备工艺,什么成分的垃圾,决定采用什么样的制备工艺。一般整套垃圾燃料处理制备工艺由垃圾接收破碎单元、垃圾含水率降低及热值提高单元、造粒烘干单元及配套工程单元组成。
相同质量的垃圾,应用RDF技术,可以增加一倍的发电量。衍生燃料(RDF-5),可在垃圾发电厂、一般热电厂(燃煤)及普通燃煤机械锅炉中使用,在大型锅炉上使用效率会更高。由于中小城镇垃圾产出量有限,地级以下城市采用垃圾分区处理加工RDF-5,再集中于中心城市发电,可实现最佳的综合效益。
生活垃圾衍生燃料RDF是一种新型再生能源物质。在热电行业是一种能够部分代替煤炭的环保燃料,主要适用于各种以焚烧垃圾配套发电厂的原料预处理工序。同时适用于通过锅炉改造,将现有的6 MW/h燃煤小火电发电机组,改造成同能量输出的垃圾发电机组的燃料供应。
有专家估计今后每年垃圾发电对垃圾衍生燃料的需求量达1 000 万t以上,并每年按5%~8%的速度增长。
四、结论
1、比较而言,垃圾焚烧发电是我国今后一段时间主要的垃圾处理方式。这方面,国外发达国家技术已经成熟,中国自主研发的技术和装备也已得到不少的应用,并且具有较强的适应性和明显的成本优势。