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主题:【原创】生物质 十二 燃烧 -- 橡树村

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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。

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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。

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家园 这个反应好像不怎么不普及

是工艺太复杂还是无利可图?

不知道农村是不是依旧靠烧柴草度日,能气化的话,岂不是大康了。

家园 投资太大了

中试阶段的东西,普及还要面临价格的问题。

能在农村普及的方法也就是燃烧和气化,沼气。

中国的沼气做得真得很不错的,燃烧和气化都需要有一定的生产规模才合算。不过现在国内已经有不少企业开始圈地了,据说一个地区只允许一家秸秆利用企业,于是就开始抢地盘了。

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

橡树村:【原创】生物柴油

橡树村:【原创】生物柴油的生产究竟合不合算?

橡树村:【原创】再谈生物柴油(1)

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。

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家园 下面的又换地方了

橡树村:【原创】生物质 物质能源与电动汽车

家园 !!

又到上限了

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家园 村长能源方面的写的好

花,收藏了

家园 我曾经在路边看到过大卡车拉稻壳

问司机这东西拉老远干什么,回答是搀煤烧锅炉,煤炭涨价之后这东西烧锅炉也有经济性了。

家园 是这样子

这个东西,运到厂里面,一吨100-150块。但是这个东西的堆密度太低,基本上每立方米只有100-120公斤,每辆卡车一次能运输的质量有限,所以运输成本非常高。国内好象一般只考虑10-20公里以内的运输,否则不合算。

变成固体之后,运输起来就合算多了。

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