消息

1. 生物质能源的形式

生物质能源分为两个基本级别：

• 主要：生物质能是通过绿色植物的自然光合作用过程积累太阳能而产生的。
• 二次：生物质能是人类日常活动和生物体自然活动中所有有机废物分解转化而产生的。

生物质能以三种形式存在：固体、液体和气体。

- 固体生物质（生物质原料）：这些是固体、粉末或压缩颗粒形式的有机材料，通过燃烧释放能量。

• 例如：秸秆、甘蔗渣、木片、木颗粒、压缩秸秆颗粒。

- 液体生物质（生物燃料）：这是一种生物质形式，在水或其他溶剂中加工并转化为液体混合物，用于生产生物燃料或用于其他工业化学品生产过程。

• 例如：植物油、甲醇燃料、乙醇、生物柴油。

- 气态生物质（沼气）：此类气体是在垃圾填埋场、生活垃圾、动物粪便、粪肥污泥中自然形成的，或通过有机材料气化方法产生的，可以回收并用作燃料。

• 例如：甲烷气、沼气、氢气。

2. 将生物质转化为能源的目的

生物质可以通过几种不同的过程转化为各种有用形式的能量。 影响转化技术选择的因素包括生物质原料的类型和数量、产品的技术要求、经济条件以及每个项目具体的其他因素。 生物质可转化为三种主要产品，其中两种与能源相关：电力、热力和生物燃料，而另一种是化学原料。

生物燃料分为三代：

- 第一代生物燃料是从粮食作物中提取的燃料：甘蔗、小麦、大麦、玉米、土豆、大豆、向日葵、椰子等。

- 第二代生物燃料由含有木质纤维素的材料以及来自农业、林业、工业生产和城市固体废物（MSW）的残留生物质废物生产。 这一有前景的解决方案旨在通过将废物转化为有用的生物能源，最大限度地减少与排放相关的环境问题。

- 另一种称为藻类的生物质被用作第三代生物燃料的原料。 这种快速增长的原材料来源具有生产大量合适脂肪以生产生物柴油和各种其他生物燃料的巨大潜力。

将生物质转化为能源是通过两种主要技术进行的：热化学和生物化学。 热化学方法的转化涉及利用热量分解生物质中的有机成分，而生化方法利用微生物或酶将生物质转化为有用的能量。

3. 生物质能源转化方法

3.1 热化学转化

通过热化学技术进行的转化涉及高温化学转化过程，需要将有机物分解和重组为固体生物炭、合成气和富氧液体生物油。

• 燃烧

燃烧是通过燃烧有机材料转化生物质能的常见方法。 它广泛用于将生物质中储存的化学能转化为热能、蒸汽、机械能或电能。 虽然所有生物质都可以直接燃烧，但实际上，含水量低于 50% 的生物质燃烧最有效。 含水量较高的生物质更适合其他生化转化方法。 在燃烧过程中，生物质被加热至约 200 - 320°C，使其完全干燥，损失约 20% 的初始重量，同时保留 90% 的能量。 生物质燃烧利用范围从小型住宅供暖到容量为 100-3000 MW 的工业工厂。

• 气化

生物质气化技术涉及高温（500 - 1,400°C）、缺氧条件下的热化学反应（一次燃烧），产生气体混合物（CO、H2、CH4）。 这种气体混合物在足够高的温度下与氧气接触后在二级阶段燃烧（二次燃烧），产生两种产品：合成气和生物炭。 合成气燃烧产生热量供工业应用和家庭使用，并用于生产合成化合物，如氨、甲醇和二甲醚。 生物炭可用作土壤改良剂、肥料、水过滤介质和其他环境修复应用。 气化被认为是一种能源独立、能量平衡的过程，是将各种生物质原料从农业和工业废物转化为食品废物和农场废物的理想选择。

• 热解

热解是生物质在无氧条件下的热分解，温度范围为350至550°C，最高可达700°C。 热解将有机物分解成固体、液体和气体的混合物。 气化和热解之间的区别在于，气化产生可燃气体，而热解产生称为生物油（生物燃料）的液体燃料，可以替代化石燃料用于供暖或发电。 生产的生物油可直接储存，运输方便。 目前，热解工艺液体生产因其能源效率高、燃料产量高达75%（重量）、成本优化和环境友好而受到越来越多的关注。

• 液化

液化是利用低温高压水力条件将生物质转化为稳定的液态烃。 液化和生物质热解是生产生物油或粗生物油等液体产品的两种技术。 液化方法有两种：

- 热化学液化涉及在氢气存在下（有或没有催化剂）在低温和高压下生产生物油。

- 水热液化（加氢热解）使用 250 - 374°C 的中等温度和 40 - 220 bar 的操作压力将生物质转化为生物油。 该方法通常应用于高水分生物质，以最大限度地降低干燥或水分离的成本。 各种原料，例如木质生物质、废物和藻类生物质，都适合通过水热液化生产生物油。

3.2 生化转化

生化转化涉及使用专门的酶/微生物将生物质转化为有用的能量。

• 厌氧消化

厌氧消化直接将有机物转化为沼气。 它主要是甲烷 (CH4) 和二氧化碳 (CO2) 以及少量硫化氢 (H2S) 的混合物。 沼气的能量含量为 20 - 40%，与生物质相比，热值较低。 厌氧消化可以处理含水量高达 90% 的湿生物质。 它广泛用于有机物含量较高的牲畜粪便处理。 产生的沼气用于烹饪、发电和供暖，已成为全球许多农业国家的有效解决方案。 沼气还可以直接用于发动机和燃气轮机。 然而，为了使其质量更接近天然气，需要去除二氧化碳。

• 发酵

发酵广泛用于使用酵母或细菌从甘蔗、甜菜等高糖作物或玉米、小麦和大麦等淀粉作物生产生物乙醇。 生物质中的纤维素、半纤维素和淀粉成分被酶转化为糖，然后发酵成乙醇。 据估计，每吨干玉米可生产约450升乙醇。 发酵过程中的副产品用作动物饲料。 在转化甘蔗的情况下，甘蔗渣可用作锅炉或后续气化过程的燃料。 由于多糖链分子较长，木材和草等生物质的发酵更加复杂，并且在发酵前可能需要酸或酶水解。 然而，这种水解技术仍处于实验阶段。 最常见的水解方法使用酸/碱和酶。 酸处理既便宜又快速，但可能会将糖转化为不需要的形式。 相比之下，酶处理效率高且不会产生不需要的副产物，但酶价格昂贵且速度较慢。 生产出来的粗酒精（10-15%乙醇）需要经过蒸馏浓缩。 剩余的固体残渣仍然可以在微波辅助下使用液化、气化或热解方法加工成有价值的产品。

• 酯交换反应

使用潜在的生物质（例如含有大量纤维素的生物质）来生产生物燃料更为复杂，因为需要调整提取的油的性质和效率以匹配碳氢化合物燃料的性质。 源自生物质（例如木质纤维素材料）的生物燃料经常面临高粘度、低稳定性和不饱和度的问题。 这些问题可以通过各种预处理方法来解决，其中酯化是最可行的方法。 酯交换是醇和酯之间的交换反应，其中脂肪和油在催化剂存在下转化形成酯和甘油。 此后生产的脂肪酸甲酯（FAME）的物理性能将与商业石油柴油相当，副产品甘油也具有商业价值。

结论

生物质转化技术有多种，技术的选择取决于原料和所需的最终产品。 进一步的研究表明，虽然所有技术上可行的工艺都可以生产合适的燃料，但气化是唯一商业上可行的工艺。 这一发现基于考虑气化过程中气体生产的整体转化效率，并已使用气化产品用于生物质燃料开发得到了证明。 热解是一项快速发展的技术，具有巨大的潜力，但它更适合生产柴油发动机和燃气轮机的原料。 厌氧消化也有其作为提供气体燃料的转化过程的地位，并且是高水分工业有机废物的处理方法，例如湿生物质废物或污泥......