主题：【原创】生物质 十二 燃烧 -- 橡树村
家园 【原创】生物质 十二 燃烧 好啦，啰嗦完了生物质都有啥，现在开始讲讲怎么利用。怎么把生物质变成能量呢？
外链图片需谨慎，可能会被源头改人类最古老的使用生物质的方法，就是燃烧。燃烧木头，柴草得到的热量，可以取暖，可以加工食物，有了这些，人类才可以在残酷的大自然中生存下来，最终发展成了现在的样子。后来，除了很偏远贫困的地方，大家都不怎么再去燃烧生物质得到能量了，煤炭，石油，天然气提供了更加廉价的能源。工业规模的燃烧生物质，更多的目的是要处理那些不方便处理的废弃生物质，环保意义大于能量利用的意义。不过呢，现在能源越来越贵，燃烧生物质就又开始具有能量意义了。
风水轮流转么。
燃烧本身指的是自己可以持续激烈的进行的，伴随着发光发热的化学反应，一般来讲，燃烧都需要氧，实际上还有情况，没有氧也可以燃烧。可燃物质和氧化剂混合以后，达到了必要的温度，也就是燃点，就会产生火焰，燃烧就开始了。燃烧发出的热量叫发热量，前面介绍过了，发热量包括低位发热量和高位发热量。发热量的计算一般是在理论的条件下测量的或者计算的，实际过程中，实际燃烧所提供的热量要少一些。实际热量与低位发热量的比值，就是燃烧效率。
生物质本身比较复杂，成份很多，所以整个的燃烧过程也就比较复杂。比如木材的燃烧，过程是这样子的。木材加热升温之后，在200摄氏度以下，半纤维素先开始分解，随后随着温度的升高，木质素，纤维素也逐渐分解，半纤维素在300度基本分解完毕，木质素的分解要持续到500度，纤维素的分解很剧烈，300度开始，350度就结束。分解之后，会产生大量的可燃性气体，这些气体与氧气混合后，就可以形成火焰，燃烧就开始了。这个时候放出的热量很大，占木材总发热量的70%。火焰燃烧结束后，就还是表面燃烧，没有火焰了，也没有烟，这个时候主要是分解缓慢的木质素在燃烧。水含量的不同会影响这个过程，木材本身的各种成分的含量也会影响这个过程，整个过程的控制还是比较复杂的。燃烧结束以后，剩下的就是灰，生物质的灰分一般都不高。生物质本身含硫量很低，特别是木质的生物质，几乎就不含硫，所以这个燃烧造成的污染最少。
主要的木材，按照干物质计算，高位发热量一般在19-21MJ/kg之间，变化不大。差别大的是用体积衡量的发热量。不同的树种密度不同，单位体积的发热量差别就很大了。
目前生物质的燃烧装置，主要有固定床炉，移动床炉，流动床炉和回转窑炉等。一般来讲，固定床炉是与小型的简易焚烧，大一些的，就需要使用移动床炉，再大的，需要迅速燃烧的，使用流动床炉，需要慢速燃烧的，使用回转窑炉。
外链图片需谨慎，可能会被源头改KSM锅炉
锅炉的燃烧效率除了炉子本身的设计，还受到生物质本身的性质的影响。含水量30%的木质原料，一般的锅炉效率是65-70%，经过改造的锅炉可以达到80%以上，再经过工艺优化，将干燥在内的过程综合，效率可以进一步提高。含水量对这个整体效率的影响最大。对于木材，含水量20%就会把发热量降到原来的三分之二，含水量40%发热量就只有三分之一了。生物质的干燥消耗很多的能量，如果利用工艺特点降低这部分能量消耗，就可以从整体上提高能量利用效率。
燃烧的过程释放能量，把这个热量加以利用，是目前生物质利用最普遍的方法，特别是取暖是一个主要用途。特别是在发展中国家，基本上这是唯一的生物质利用方法。目前利用这个热量发电业在很多国家开始流行，大多数国家还专门制定了补贴政策发展这个产业。发电的事情后面会讲。
本帖一共被 3 帖 引用 (帖内工具实现)家园 下面的又换地方了 家园 【原创】生物质 十八 固体燃料化 固体燃料化就是把生物制作成固体，用于替代煤和油的燃烧。这方面的研究主要是日本人干的，开发的背景是1970年代末期。
日本人开发的这个东西叫生物砖，最开始使用75%的煤，25%的生物质不加粘结剂直接高压成型，得到符合固体燃料。1980年代曾经有工业化运行，后来油价下跌，这条工艺就没有经济性了。
目前这个工艺的方向，是利用不能直接燃烧的低品质炭，加上农林废弃物按照一定的配比，有的需要加上脱硫剂，得到可以燃烧的固体。这样呢，固体燃料化就又有了清洁能源的味道。这样的工艺应用就很广泛了，煤可以采用各种品质的煤，生物质的种类也没有什么严格要求，脱硫剂一般就是熟石灰和石灰按照含硫量的比例添加。
粉煤成型的时候一般使用粘结剂，包括各种沥青，淀粉，粘土等等。沥青在燃烧的时候容易产生焦油，煤烟多；使用粘土有会降低燃烧性能，增加灰分，所以生物砖料就选用了生物质作为粘结剂解决这个问题。生物质呢，发热量低，含水量高，但是燃烧的时候烟少，灰少，点火性和燃烧性也比煤好，两者结合起来，应该是不错的。得到的生物砖料发热量介于煤炭和生物质的发热量之间，比如80%的煤炭的话，砖料的发热量可以有23MJ/kg，损失不大。所以也算是一项节煤技术。
目前这个技术在中国有应用，所谓的替代蜂窝煤就是这个技术的衍生，还有用于工业供暖的绿色煤炭技术也是这个技术的变种。这个技术大约在2000年前后进入中国，不大清楚目前推广的情况。用于民用，成本应该是个麻烦事。
砖块太复杂了，木质颗粒就简单多了。木质颗粒也是固体，这个优点比较多。
木质颗粒是把锯粉，树皮压缩成颗粒状，形成木质类的固体燃料。一般的形状是6-12毫米直径，10-25毫米长的圆柱。木质颗粒的相对密度大约是1.0-1.4，表观相对密度0.6-0.7，低位发热量17-19MJ/kg，含水10-15%，不用粘结剂也可以成型。木质颗粒的处理很方面，存储，运输，供给都很省事，可以精密控制，燃烧也可控，简化燃烧装置的结构。和化石燃料比较，木质颗粒的密度比较低，所以单位体积的热值就不大够了。
木质颗粒的技术最早在美国开发，不过目的不是能源，而是饲料。1970年代中期开始推广，因为能源危机，木质颗粒推广迅速。在1999年，瑞典的木质颗粒生产能力就已经达到了78万吨，美国超过60万吨。随着能源价格提高，木质颗粒的生产量还在增加，特别是欠发达地区生物质资源利用，这是一个比较方便的途径。
家园 【原创】生物质 十七 生物柴油 这个话题以前讲过了，这里就不多说了。可以看
2002年的时候，用于生物柴油生产的主要是菜籽油（84%），葵花籽油（13%），大豆油，棕榈油的比例还比较低，也有利用废油的。优于美国生物柴油的推广，马来西亚要把自己建成生物柴油基地，现在棕榈油和大豆油的比例应该提高了不少。
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家园 【原创】生物质 十六 水热反应 利用生物质的能量，一个让人头疼的问题，就是生物质普遍含水量比较高。前面讲过的诸多方法，为了避免加热水蒸发水造成的能量损失，以及原料水含量过高对工艺本身带来的影响，就需要把生物质尽可能的干燥，然后使用。但是生物质干燥本身就很消耗能量。用太阳晾干当然是最省能源的方法，但是大规模处理，这个方法也很麻烦，在很多地方也不实际。
所以就需要有不需要除水就直接利用生物质的方法。制造沼气算是一种，以后会介绍。这里面介绍的，是把生物质在高温高压的水里面进行分解。这种方法也分成三种，产物以气体为主呢，叫做水热气化，产物以液体为主呢，叫做水热液化，产物以固体为主的，叫做水热碳化。具体只是一些工艺条件的不同，这里一起介绍了。
水在高温高压的状态下，比如300度，100个大气压，活性就比较高了。达到超过373度，221个大气压的临界点，进入超临界状态，水的活性就更高了。超临界状态，以及接近临界状态的水，通称叫做水热状态的水。水热状态的水活性高，可以把生物质迅速水解，当然，温度足够高了，生物制本身也有热分解反应。
如果使用镍/碳催化剂或者碳酸钠等，气体就成了为反应的主要成分，这个过程就是水热气化。生成的气体大部分溶解在水里面，冷却以后很容易与水分离，所以工艺就比较方便。在水热条件下，纤维素很容易被水解，从而抑制木炭生成。与快速热分解比较，节省了原料脱水的过程，与甲烷发酵比较，甲烷发酵两周才能分解的量，水热气化一分钟就可以分解好，并且没有发酵残渣。不过水热气化目前基本上都在实验阶段，还没有大规模的工业装置。因为是在高温高压的条件，所以这个装置比较昂贵，也许要复杂的热回收系统，因此真正工业化还有待进一步的技术进步。另外能量效率优势并不很大。毕竟加热水是最耗能的事情。估计水热气化冷气效率可以达到65%。
水热气化得到的气体主要是氢气，甲烷，二氧化碳，不含焦油，利用方便，除掉二氧化碳以后，发热量可以达到20MJ/cum，作为锅炉燃气足够了。得到的气体也有可能用于化学合成，因为本身是高压气体，可以为高压合成提供不少方便，不过目前还没有这方面的研究。
以生产油为目的，就叫水热液化。使用的催化剂包括碱，镍。水热液化还有很多的名字，比如直接液化，高压液化，油化等等，要是以生产溶解在水相的有机物为主，也叫水热萃取。这方面的研究也是在中式水平，没有工业化。液化的产物实际上还是气液固的混合物，油可以占到50%，固体气体各15%，另外有20%溶解在水里面的有机物。
水热液化的能量效率大约有70%。对于含水量高的物质，这个效率是很好的了。比如蒸发一公斤25度的水，需要2.57MJ的能量，而把这一公斤水加热到300度，压缩到100个大气压，消耗的能量是1.24MJ，节约了不少呢。
水热方法得到的固体比较容易制成浆状物，可以用于管道输送，然后去进行甲烷发酵或者水热气化等。
家园 【原创】生物质 十五 碳化 碳化，其实就是烧炭拉，不对不对，不是香港人嘴里面说的那个。碳化其实有两类，有以生产炭为目的的，有以生产气体和液体为目的的，工艺有些区别，不过基本上是一回事，放在一起讲。
碳化是要隔绝或者限制空气（氧气）的情况下，把木材啦，树皮，竹子，麸皮之类的，在400-600度加热，得到气体（木气，对比的概念是煤气），液体（木醋，焦油）还有固体（炭）的过程。传统碳化工艺和快速热分解不一样的地方，在于碳化的速度比较慢。不过快速热分解也可以放到广义的碳化概念里面，我这里分开讲就是了。
缺氧的情况下呢，生物质燃烧就比较困难，所以到了一定温度，生物质就不能燃烧，而是要分解。对于木材，到了250摄氏度，就开始冒烟了，这些烟，冷却了以后会有一些液体，这个东西叫木醋，还有气体，叫木气。温度再上升，到了500度，就开始有木焦油出来了，这个过程也叫干馏。最终呢，剩下的就是炭。碳化这个技术，非常古老，人类使用这个技术少说也有几千年了，属于生物质能量利用里面第二古老的技术，历史悠久仅次于燃烧了。到现在，这个方法仍然是不少发展中国家制炭的方法。在发达国家，这个方法基本上被快速热分解替代了。
碳化本身工艺简单，操作简单，拿来处理低品质的生物质，比如城市垃圾，可降解垃圾，杂草之类的，应该是不错的。同时呢，碳化能够把大量的炭固定下来，避免炭以二氧化碳或者甲烷的形式向大气排放，也算是减排二氧化碳的一个不错的手段。
碳化的装置也有很多种。历史悠久的工艺么，人们改进的东西就多。基本上呢，碳化炉有适合分批处理的简易装置，平炉，封闭的炭窑，搅拌窑，连续生产的有回转窑，直立窑，横卧窑等等。目前工业上一般使用连续碳化，温度大约在700摄氏度，在炉体的结构和加热方式等方面有很大的改进，用来提高能量效率。
碳化的一个发展方向是制备高性能的木炭，这个重点就不在于能量利用了。功能性木炭也是比较好玩的东西，比如可以与塑料复合，制备高强度多孔木质陶瓷，可以有吸油性木炭，有高表面积木炭，还可以做催化剂载体，甚至可以做成可以屏蔽电磁波的高结晶木炭等。这些产品增值较高，对木炭的品质要求也较高。
家园 【原创】生物质 十四 快速热分解 快速热分解，是通过提高加热速度，在几百摄氏度的温度下瞬间热分解，或者通过快速升温进行热分解，得到焦油。要达到快速热分解的目的，就先需要干燥，否则会影响加热速度，同时为了保证传热的稳定，也需要把生物质颗粒粉碎。通过快速热分解，可以把浓缩的，易于固化的，不稳定的热分解油快速地移出高温的反应区域，用来生产热分解油还有提取其他有用的成分。
快速热分解得到的产物，按照形状和用途不同，可以分成热分解液，热分解油，生物油，生物燃料油，木焦油，木醋，木材蒸馏物等。这些产物各有不同的用途。
木焦油等的高位发热量与木材相当，还算是个不错的燃料，并且在-15摄氏度的条件下也不冻结，所以可以直接作为燃料使用。热分解液的含水量很高，热值就比较低，性质也不稳定，利用的时候就比较困难。
木醋是水，醛，醇，酮，醋酸，酚，呋喃等的混合物。不同的树种和工艺得到的木醋成分各有不同。木醋可以制成熏制液，本身有抗菌的特性，可以用作杀虫剂，农药等等。经过精馏处理以后，也用于洗浴液。
快速热分解之后剩下的，叫做快速碳化物，木材的碳化物的发热量是木材的两倍。快速热分解得到的炭，和传统木炭相比，焦油分解的碳较烧，污染少，密度也较低，活性较大，也可以作为燃料使用，不过更好的用途可能是作为吸附剂，活性炭之类的高增值产品。
快速分解时候会产生脱水糖，这些脱水糖存在在焦油内。脱水糖可是好东西，它是精细化学合成的重要中间体，还有很多其他的精细化工原料，比如用于生产可降解塑料，生物体高分子，医药品，纤维等等，属于新型材料的一个研究热点。
快速热分解的过程目前的能量效率大约是50%，也就是原料本身的能量，加上提供的电量，有一半可以被产物回收。
实验室使用的传统方法，就是把木屑瞬间浸入流化状态的高温沙浴中，达到快速升温的目的。类似的原理也在工业装置中使用。除此之外，还可以使用红外，微波，离心力辅助等装置进行快速热分解，得到的产物也各有不同。
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家园 【原创】生物质 十三 气化 把生物制气化以后再利用的方法，叫做气化，是一种非常重要的方法。
气化本身，在化工上说的是把含有碳的资源，固体的，液体的，广义上还包括气体的，经过转化形成合成气的过程，这个气体是很好的化学原料，也是燃料。
气化的历史很悠久，几百年了，所以方法也非常多，总共有两百多种。方法多了就要分类，常压气化就是一个大类。常压气化，就是说这个气化过程是在常压进行的，一般来讲是1-1.2个大气压的压力下，与加压气化相对应的。
除了按照工艺的压力分类，还可以按照气化温度分类，比如低温气化（700度以下），高温气化（700度以上），高温熔融气化（一般1200以上，超过固体的灰熔点）。按照气化剂的不同，有空气气化，氧气气化，水蒸气气化，甚至二氧化碳气化，以及这些方法的组合。按照加热方式呢，又可以分成直接气化，间接气化。按照气化炉本身的形式呢，又有固定床，流化床，循环流化床，喷流床，移动床，搅拌床，扶轮窑，二塔式，熔融炉等等。所谓的两百多种气化方法，就是上面这些方法排列组合起来的。
气化本身的东西够写几本书的，这里只是个简单介绍，就不深入了。
生物质气化的过程，有这么几个阶段。生物质进入到气化炉内，首先表面的水分开始蒸发，随着温度升高，超过沸点10-20度的时候，生物质内部的水也开始蒸发，然后，温度达到200-300度，就是容易挥发的组分气化，生物质就开始热分解了。分解得到的是气体小分子，这些小分子性质还不稳定，如果能够及时与气化剂反应，就可以得到小分子物质，生成小分子的地方如果缺乏气化剂，小分子之间就会有反应，得到焦油之类的物质。由于焦油不方便利用，也比较脏，目前的工艺要求得到的焦油要尽可能的少。
挥发性的组分气化结束之后，生物质很多已经分解，剩下了很多的炭，这些炭在更高的温度与气化剂反应，得到一氧化碳，二氧化碳，如果条件适合，使用水蒸汽为气化剂，还会得到氢气。
能气化的都气化完了，最后剩下的是灰分，还有一些没反应的炭。好的气化炉，生物的灰份里面，要求碳含量尽可能的少。
与燃烧相比，气化的时候虽然有气化剂，但是氧的含量不足，所以虽然温度很高，但是不能完全燃烧，产物里面也就有大量的还原性的气体存在。气化所得到的气体也就还有除了温度之外的利用价值。这个气体一般含有大量的一氧化碳，氢气，二氧化碳，甲烷等等，可以用于化工，也可以作为煤气使用。
常压气化在生物质气化里面应用非常广泛，超过一半的生物质气化都使用常压气化。这个原因也不难理解。生物质原料基本上都是固体，固体进行加压进料比较麻烦，特别是生物质的固体颗粒小，密度低，加压进料装置就非常复杂。而且呢，生物质气化装置的规模普遍比较小，每天处理200-300吨就是很大的装置了，这个规模太小，上昂贵的加压气化不合适。不过在一些大规模利用生物质的场合，加压气化就有优势了。如果下游的工艺需要压力的话，那么就可以节省很多能量，并且反应的压力高，同等生产规模所需要的装置就要小，也能省一些钱。加压气化一般在5-25个大气压。
气化一般要求温度在800度以上，所以需要燃烧一部分的生物质来提供能量，这样就需要使用空气甚至氧气作为气化剂，同时根据气化目的的不同混入水蒸汽。不同的气化剂得到的气体的热值就不一样，分成低热值气体（每立方米4-12MJ），中热值气体(12-28MJ/cum)，高热值气体（每立方米28MJ以上）。不过对于生物质气化，得到的基本上都是低热值气体。不过这个热值和燃烧性质没有多大的关系，低热值的氢气含量在10%的话就可以同于汽轮机和气体引擎之类的装置了。
气化炉里面最简单的就是固定床，构造简单，费用低。固定床气化炉大部分使用木材碎片作为原料，从顶部供料，气化剂从底部进入。木料在下降的过程中逐渐升温，气化，最终燃烧来提供能量，灰分在底部排出。
流动床气化炉要复杂一些，气化剂从底部进入吹着上面的生物质，形成流化状态，同时搅拌，这样的热效率有很大的提高，床温一般在800-1000度，也有在600度运行的。灰分和没有完全气化的生物质会被气体夹带离开气化炉，然后经过旋风分离实现气固分离，再返回气化炉提高利用效率。灰分最终在流化床的底部分离。
喷流床使用的方法是气体夹带着固体细粉进入气化炉，立刻进入高温区气化。由于颗粒很小，气化速度就很快，效率高。气化温度高于灰熔点，灰融化以后最终会附在炉壁上，需要间歇清除。
常见的常压气化，加压气化，提供能量的燃烧过程与气化本身的气化过程是在一起的。把这两个过程分开，气化的能量不由自己提供，就是间接气化，比如气化通过外面的热源加热等等。这方面应用还比较少，不过由于可以得到比较高质量的气体，所以是个发展方向。
一个比较好的间接气化例子，是双流动床式，一个流动床进行燃烧，另外一个进行气化。生物质先在气化炉里面进行热分解，生成的气体热值比较高，然后仍然含有大量可燃物质的固体进入燃烧炉与空气混合燃烧，提供的能量供气化炉使用。
气化的能量效率一般使用冷煤气效率来评价，这个效率的定义，是得到的气体的高位发热量，与原料的高位发热量的比值。直接气化一般冷煤气效率在60-80%，间接气化的冷煤气效率可以在100%以上，达到125%。能超过100%，是因为有外部功能，不过一般来讲，间接气化的能量效率的确要好一些。