新能源应用技术

新能源应用技术 第一章 绪 论 (1)太阳能 太阳能是自然界赐给人类的巨大能源之一。地球上的风能、水能、海洋温差能、生物智能以及化石燃料(如煤、石油、天然气等)都源于太阳能。目前人类已经迈出了利用太阳能的步伐，太阳能热水器、太阳能电池等太阳能利用技术日臻成熟，对太阳能的进一步开发和利用技术已经越来越得到深入研究。 (2)风能 是利用风力机将风能转化为电能、热能、机械能等各种形式的能量，用于发电、提水、助航、制冷和制热等。风力发电是主要的开发利用方式。根据最新风能资源，全国陆地可利用风能资源3亿千瓦，加上近岸海域可利用风能资源，共计约10亿千瓦。主要分布在两大风带:一是“三北地区”(东北、华北北部和西北地区);二是东部沿海陆地、岛屿及近岸海域。另外， 水能资源是我国重要的可再生能源资源，是清洁能源，是指水体的动能、势能和压力能等能量资源。广义的水能资源包括河流水能、潮汐水能、波浪能、海流能等能量资源;狭义的水能资源指河流的水能资源，是常规能源，一次能源。水不仅可以直接人类直接利用，它还是能量的载体。太阳能驱动地球上的水循环，并使之持续进行，地表水的流动是重要的一环。在落差大、流量大的地区，水能资源丰富。随着矿物燃料的日渐减少，水能是非常重要且前景广阔的替代资源。 (4)氢能 氢能是一种二次能源，一种理想的新的含能体能源。在人类生存的地球上，虽然氢是最丰富的元素，但自然氢的存在极少，因此必须在含氢物质加工后方能得到氢气。最丰富的含氢物质是水，其次就是各种矿物质燃料(煤、石油、天然气)及各种生物质等。氢不但是一种优质燃料，还有石油、化工、化肥和冶金工业中的重要原料和物料。石油和其他化石燃料的精炼需要氢，如烃的增氢、煤的气化、重油的精炼等;化工中制氨、制甲醇也需要氢。氢还用还原铁矿石。用氢制成燃料电池壳直接发电。采用燃料电池和氢气-蒸汽联合循环发电，其能量转换效率将远高于现有的火电厂。随着制氢技术的进步和储氢手段的完善，氢能在21世纪的能源舞台上大展风采。 (5)地热 是指来自地下的热能资源。地球是一个巨大的地热库，仅地下10km 2615厚的一层，储热量就达1.05 10j，相当于9.95 10t煤所释放的热量。地 热能在世界很多地方都应用相当广泛。老的技术现在依然富有生命力，新技术业已成熟，并且在不断的完善。在能源的开发和技术转让方面，未来的发展潜力相当大。地热能是天生就储存在地下的，不受天气状况的影响，既可作为基本负荷能使用，也可根据需要提供使用。据初步勘探，我国地热资源以中低温为主，适用于工业加热、建筑采暖、保健疗养和种植养殖等，资源遍布全国各地。初步估算，全国可采地热资源量约相当于33亿吨标准煤。 (6)海洋能 通常指蕴藏于海洋中的可再生能源，主要包括潮汐能、波浪能、海流能、海水温差能、海水盐差能等。海洋能蕴藏丰富，分布广，清洁无污染，但能量密度低，地域性强，因而开发困难并有一定的局限。开发利用的方式主要是发电，其中潮汐能和小型波浪发电技术已经实用化。波浪能发电利用的是海洋波浪上下运动的能量。1910年，法国的普莱西克发明了利用海水波浪垂直运动 压缩空气，推动风力发电机组的装置，把1kW的电力送到岸上，开创了人类把海洋能转变为电能的先河。 目前已开发出60,450kW的多种类型波浪发动装置。 (7)生物质能 是指植物叶绿素将太阳能转化为化学能储存在生物质太 阳 能 【学习目标】 1( 了解太阳能的概念和我国太阳能资源概况 2( 了解太阳能利用技术的应用原理、种类及在都是农业中的应用。 【学习太阳能概述 人类利用太阳能的历史悠久，利用方式也多种多样，最古老而又最简单的利用方式是晒太阳取暖、晒衣服、晒粮食，即将太阳辐射能转变为其他形式的能加以利用，即采用某些装置或系统将太阳的辐射能收集、转换和储藏及利用。辐射能转换形式可分为三种:光化学转换、光热转换与光电转换。太阳能最常见的光化学转换就是植物的光合作用，即二氧化碳和水在阳光照射下，借助植物的叶绿素，吸收光能转化为碳水化合物，储存于植物或其果实中。光化反应是另一种光化学转换，它是指某些物质在阳光照射下吸热分解，当其在低温时可释放吸收 的太阳能。地球陆地上的植物通过光合作用利用的太阳能，约为到达地球上太阳能的0.4%,0.5%,但其利用效率却仅为0.5%左右。太阳能的光热转换是指通过反射、吸收或其他方式吸收太阳辐射能，使之转换为热能并加以利用。太阳能热利用设备主要有太阳能热水器、太阳房、太阳能烹调器(如太阳灶)、太阳能干燥装置、太阳能温室、太阳能热泵与制冷装置、太阳能热机(提供动力)、太阳能炉(可冶炼金属)等。光电转换是把太阳辐射能转换为电能，可通过光电元件(太阳电池)将太阳能直接转换为电能，也可先把太阳能转换成热能，再通过热能发电设备转换为电能。 太阳能是太阳 每年地球陆地上接收到的太阳能相当于全球一年一年因为阳光普照全球，无论在陆地或海洋、高山或平原、沙漠或草地，部分国家与地区都可以就地开发利用，无需开采和运输。 (3)太阳能是一种清洁的能源 在开发和利用过程中没有废渣、废料、废水、废气排出，没有噪声，不产生对人体有害的物质，不会给环境造成污染和生态平衡的破坏，且无论如何利用，对人类都是安全的。 2.太阳能的缺点 首先，太阳辐射的能量密度较低。一般在北回归线附近夏季阳光较好时，正午时地面上接收的太阳福照度约为1000W/?左右;全年日平均约500W/?左右;而在冬季只有年日平均辐照度的一半。因此，在开发利用太阳能时，需要较大的采光面积。 其次，由于夜晚得不到太阳的辐射，需要考虑配备储能设备，供夜晚使用，或增设辅助热源，才能全天候应用。 最后，太阳能随天气的变化而变化，再加上季节的变异及其他因素，都会影响太阳能利用的稳定性。 二、太阳能的储存 太阳能储能技术主要包括机械能、电能和热能的储存。热能是最普通的能量形式。所谓热能储存，就是把一个时期 以小时或更短的时间为周期，其目的是随时调整热能供需之间的不平衡。例如，利用太阳热水系统进行地板辐射采暖时，其储热水箱的作 用在于储热和放热，使房屋采暖维持供需之间的平衡。 (2)短期储存 以天或周为储热周期，其目的就是为了维持一天(或一周)的热能供需平衡。例如，太阳能集热器只能在阳光好的天气吸收太阳的辐射热，因此集热器除了满足阳光好的天气供应热水的需要外，还能将部分热能储存起来，供夜晚或阴天使用。 (3)长期储存 以季节或年为储存周期，其目的就是为了调节季节(或年)的热量供需关系。例如把夏季的太阳能或工业余热长期储存下来，供冬季使用;或者冬季将天然冰储存起来，供来年夏季使用。 三、太阳能利用 1.太阳能热利用技术 (1)太阳能热水器 热水器是太阳能热利用中商业化程度最高应用最普通的技术。太阳能热水器在我国得到了快速发展和广泛应用，成为太阳能利用的主流产业。从20世纪80年代开始，我国先后研制成功全玻璃和热管式真空管集热器，并实现了产业化。控制技术已由简单地仪表控制发展到电脑控制。 (2)太阳能建筑 太阳房概念与建筑相结合，形成了太阳能建筑技术领域。实验表明，太阳能建筑节能率在75%左右，以成为最有发展前景的领域之一。我国太阳房开发利用自20世纪80年代初开始，至今已建成约1000万平方米的太阳房，主要分布在山东、河北、辽林、风能资源与风能利用概况 一、 我国的风能资源 风能资源的主要参数是当地的年平均风速和年平均风能密度，当然，有效风能时间(h)也很重要。 1981年，在为世界气象组织(WMO)所进行的一项研究中，太平洋西北实验室(PNL)绘制了一份世界范围的风能资源图，该图给出了不同区域的平均风速和平均风能密度。但由于风速会随季节、高度、地形等因素的不同而变化，因此风的资源量只是一个推算估评。根据世界范围的风能资源图估计，地球陆地表面27%的地方年平均风速高于5m/s(距地面10m处)。 我国幅员辽阔，海岸线长，风能资源比较丰富。中国10m高度层的风能总储量为32.26亿千瓦，这个储量称作“理论可开发总量”。实际可开发的量按上述总量的1/10估计，并开率风能转换装置风轮的实际扫掠面积，再乘以面积系数0.785(即1m直径的圆面积是边长1m的正方形面积的0.785倍)，得到中国陆地10m高度层实际可开发的风能储量为2.53亿千瓦。 二、 风能资源的特点 (一)风能资源的优点 ?风能是可再生能源，取之不尽，用之不竭。 ?一般来说，在偏远山区、海滨、居民分散的无电或少电地区，风能资源比较丰富，值得开发利用。 ?开发利用风能，不污染环境，不影响生态平衡。 ?把风能转化成机械能，办法比较简单，容易实现。 (二)风能资源的缺点 ?不稳定。风能长随季节、昼夜变化，当小风或无风时还想利用它，则涉及能量储存问题，需要储能设备。 ?密度低。风能密度比较低，空气的密度约为水的1/800,因此，要获得较大的功率，势必得把风能机的风轮做的很大。 ?地区差异大。风能受地形地貌的影响较大，即使在同一个区域，有利地形处的风力往往是不利地形处的几倍乃至更多。 (三)国 瑞典、荷兰、英国、丹麦、德国、日本、西班牙等国也根据各自的情况制定了相应的风力发电。中国是世界上利用风能最早的国家之一。据考证我国用帆式风车提水已有1700多年的历史，这种传统的风车一直用到20世纪，在农用灌溉和农用提水中提到过重要的作用。 我国风力提水虽有悠久的历史，但直至20世纪70年代后，在风力提水机组的研制和应用方面才得以成熟的发展，并用于农田灌溉、海水制盐、海水养殖、 滩涂改造、人畜饮水、草场改良等提水作业，取得了较好的经济效益和社会效应。我国已研制的风力提水机组大致可以分为两大类:一类是低扬尘(小于5m)大流量(大于20t/h) 型，用于南方提地表水;另一类是高扬尘(大于10m)小流量(小于8.5t/h)型，用于北方抽提地下水。另外，与风力提水机配套的泵，国生物质能应用 【学习目标】 1. 了解生物质能在都市农业产品与设备中的应用领域。 2(了解固体燃料成型技术、生物质燃烧技术、生物质热体技术、生物质气化技术、生物质直接液化技术、及生物质生物转化技术原理与利用。 【学习内容】 1. 固体燃料成型技术。 2. 生物质燃烧技术。 3. 生物质气化技术。 4. 生物质热解技术。 5. 生物质直接液化技术。 6. 生物质生物转化技术。 7. 生物柴油。 第一节 生物质概述 生物质能是可再生能源，由于低排放、永不枯竭的特性得到了广泛的重视。太阳能、风能、小水电等可再生能源自身不产生物质，不能进行物质生产，而生物质能既能贡献能源，又能像煤炭和石油那样生产出成百上千种化工产品，且由于其主要成分为碳水化合物，在生产和使用过程中与环境友好，又胜出化石能源一筹。农村常规的生物质能利用除作为牲畜饲料、秸秆还田、直接燃烧外，大量的有机生物质能(特别是禽畜粪便与其他有机废弃物)一般用于沼气。 一、 生物质能的概念 生物质(biomass)是自然界中有生命的、可以生长的各种有机物质，包括动植物和微生物。生物质能是由太阳能转化而来的化学能形式储藏在生物质中的能量。与传统的矿物质燃料相比，生物质资源具有明显的特点，即可再生性和无污染性。时至今日，以寻找石油替代物为主要目的的生物质资源和化工原料的研究，在世界上的许多国家掀起高潮，并取得了一系列重大进展。随着资源和环境问题的突出以及生物质生物质资源利用技术的日趋成熟，生物质资源作为能源和 化工原料的作用越来越重要，最终必将成为社会长期持续发展的基本支柱之一。 生物质的基本来源是绿色植物通过光合作用把水和二氧化碳转化成碳水化合物，可以通过各种生物质能转换技术把生物质能加以利用。 二、 光合作用与生物质能 光合作用是绿色植物吸收太阳能还原二氧化碳并释放氧气的过程。在这个过程中把光能转变为化学能积蓄在有机物中，其基本反应式为: 光 CO2,H2O CH2O,O2 (4-1) 式中，CH2O代表糖类。 由于光合作用所利用的是自然界取之不尽、用之不竭的太阳能，大气中的二氧化碳与地球上十分丰富的水作为燃料，故而绿色植物在地球上得到了优势的发展，成为规模最大的一类植物。后来发现某些光合细菌也能进行光合作用。 地球上的植物通过光合作用每年约吸收7 1011t二氧化碳，合成5 1011t有机物，光合作用是地球上制造有机物的重要途径。从能量利用方面看，光合作用是一个巨型能量转换过程，它是地球上唯一大规模的将太阳能转化为可储存的化学能的生物学过程。虽然通过光合作用固定的太阳能只约占到达地球表面太阳能的1/1000，但其每年合成有机物的能量还是非 常巨大，约为世界每年耗能量的10倍。 光合作用能把太阳能转变为化学能储存起来，是因为的能量实际上可以看做是由形成化合物的原子之间的化学键所储藏着的。从上述光合作用总反应式可以看出，反应前和反应后的碳原子、氢原子和氧原子的数目都没有变化，只是这三种元素作了从新排列，即原子的结合不同了。不同原子之间的化学键所储藏着的能量也不同，经测定，氢原子和氧原子之间的化学键(H-O)的能量为460kj/mol，氧原子和氢原子之间的化学键(O-O)的能量没摩尔为485kj/mol;而氧原子与碳原子之间化学键(O=C)的能量没摩尔为795kj/mol，碳原子与氢原子之间化学键(C-H)的能量为没摩尔为385kj/mol。这样就可以算出光合反应前二氧化碳和水的总键能是2510kj/mol，而光合反应后氧气和碳水化合物的总键能是2050kj/mol,即: 因此，反应后的氧气的碳水化合物里的键能，比反应前二氧化碳和水里的键能要小。键能小，就是所处的化学势位高，容易向键能大、化学势位低的方向转化。这样转化趋势就是化学能。光合作用在这里所得到的化学能是460kj/mol。利用有机物时，例如将有机物燃烧时，只要把1mol的碳水化合物和1mol的氧气结合起来，变成为更稳定的1mol的二氧化碳和1mol的水，同时就可以获得460kj的能量。 绿色植物光合作用过程实际上只由植物的叶和茎在进行。叶绿素细胞上有许多叶绿体，叶绿体上分布着许多叶绿素分子。它吸收光能后相互传递并引发一系列化学反应，即发生光化分解，生成氧气和氢;发生光化磷酸化反应，生成腺 苷三磷酸;发生二氧化碳同化反应，生成碳水化合物。 植物的种类繁多，光合作用的方式也各有差异，光合作用的效率也高低不同。按植物光合作用中碳同化过程来区分，可把植物分成三碳(C3)植物和四碳(C4)植物。 大多数植物同化二氧化碳的途径都一样，即二氧化碳进入叶子以后，首先与腺苷三磷酸生成一种叫磷酸甘油酸的中间化合物，然后再经几次反应生成碳水化合物。由于磷酸甘油酸是一种具有三个碳原子的化合物，所以凡属于这一类型的，都叫做三碳(C3)植物。 有一些起源于热带地区的植物，它们的碳同化过程，在开头还要先生成一个比较稳定的叫做草酰乙酸的中间的化合物。这个中间化合物经过一些变化后，再放出二氧化碳，然后再像三碳植物一样，通过磷酸甘油酸而发生一系列同化反应，生成碳水化合物。在整个过程中，由于先生成的中间化合物是有四个草酰乙酸，所以这一类植物就叫做四碳(C4)植物。高粱、玉米、甘蔗等都是四碳植物。四碳植物比三碳植物多了一个二氧化碳吸收和放出的过程，所以四碳植物比三碳植物具有更高的二氧化碳吸收能力，从而使得光合作用效果更好。四氧化碳是高光效植物，其产量一般比三碳植物高。除太阳光外，植物的产量还受温度、二氧化碳、氧气水分及营养条件等多种因素的影响。由于气候差异，世界上有的地区的作物光能利用率比一般植物高得多，可达4%以上。这里的光能利用率是指作物光合产物中储存的能量占照射到地面能量的百分数。 三、 生物质的种类和资源 通常提供作为能源的生物质资源种类很多，主要是农作物、油料作物和农业有机剩余物、林木、森林、工业残余物。此外，动物的排泄物、江河湖泊的沉积物、农副产品加工后的有机废物和废水、城市生活的有机废水和垃圾等，都是重要的生物质资源。生物质资源既包括 陆生植物，也包括水生植物。水生生物质资源比陆生的更为广泛，这是因为地球上有广大的水域，而且不存在与陆生资源那样与住宅、粮食等争地的问题。水域费用一般比陆生费用低。水生生物质资源品种繁多，资源量大，领域广阔。 ?生物质是可再生的、资源丰富的，且只要开发利用合理，是一种环境友好的能源。生物质具有诸多的优点。 a(可再生且产量大。世界上生物质资源数量庞大，形式繁多，据统计，全世界每年农村生物质的产量为3000亿吨。 b(生物质本身的氮(N)、硫(S)含量较低，几乎不会产生像二氧化硫(SO2)之类的可形成酸雨的气体。矿物燃料在燃烧过程中，排出二氧化碳(CO2)气体，在大气层中不断积累，是导致气候变暖的原因之一。而生物质加工时产生的二氧化碳(CO2)可被植物或微生物通过光合作用再吸收利用，二氧化碳(CO2)的尽排放量为零，不会引起温室效应。 c(生物质分布广泛、来源丰富，不受世界范围能源价格波动的影响，也不 会受进口原料、供应量多少的影响。尤其在一些发展中国家，使用液态生物质燃料，如乙醇和柴油，可减轻进口石油所造成的经济和政治压力。 ?中国土地面积辽阔，生物质潜在的资源量非常巨大，但目前的利用率很低。生物质是由植物的光合作用固定于地球上的太阳能，本质是太阳能的储存形式，只要太阳辐射能存在，绿色植物的光合作用就不会停止，生物质就会将太阳能不断储存起来，周而复始的循环，使生物质资源取之不竭。但是，生物质能远远没有达到有效利用。据统计，每年经光合作用产生的生物质约1700亿吨，其能量约相当于世界主要燃料消耗的10倍，而作为能源的利用量还不到其总量的1%。据测算，中国理论生物质能资源约合50亿吨标准煤，是目前中国总耗能的4倍左右。在可收集的情况下，中国目前可利用的生物质能资源主要是传统生物质，包括农作物秸秆、薪柴、禽畜粪便、生活垃圾、工业有机废渣与废水等。农作物秸秆中有40%用于饲料、肥料和工业原料，上有60%可用于能源用途，约合 2.1亿吨标准煤;薪柴作为主要燃料，但有40%森林剩余物未加工利用，约合0.3亿吨标准煤;禽畜粪便除少部分作为肥料外，大部分成为农村的主要污染物，约合0.6亿吨标准煤;工业有机废渣至少有80%可以利用，约合0.7亿吨标准煤;至于生活有机垃圾，特别在农村、小城镇，至少可以从中获得约合0.8亿吨标准煤。联合国环境与发展委员会(UNCED)的研究报告指出，到2050年，生物质能的利用可望达到世界能源消耗的50%。 作为燃料和化学燃料资源，生物质资源也有不足之处:尽管产量巨大，但是分布十分分散;产量受季节和气候等条件影响很大，多半种类为季节性生长;一般的生物质比容较大，能量密度低，不利于运输;有些含水易腐、储藏困难等。 四、生物质能转换技术类型 (一)生物质能转换技术定义 通常把生物质能通过一定的方法和手段转变成燃料物质的技术、称为生物转换技术。 (二)生物质能转换技术类型 生物质能转换技术可分为直接燃烧技术、生物转换技术和热化学转换技术三种主要类型，如图4-1所示。此外，还有生物质压缩成型技术、生物柴油技术等。 1. 直接燃烧技术 生物质直接燃烧技术是最普通的生物质能转换技术。所谓直接燃烧就是燃料中的可燃成分和氧化剂(一般为空气中的氧气)进行化合的化学反应过程，在反应过程中强烈放出热量，并使燃烧产物的温度升高。直接燃烧的过程可以简单地表示为: 有机物质,O2 直接燃烧CO2,H2O,热量 可见，此过程实际上是光合作用的逆过程。在燃烧过程中，燃料将储存的化学能转变为热能释放出来。除碳的氧化外，在此过程中还有硫、磷等元素的氧化。 直接燃烧的主要目的是取得热量，而燃烧过程取得热量的多少，除因有机物质种类不同而不同外，还与氧气(空气)的供给量有关，即是否使有机物质达到完全氧化。 可以进行直接燃烧的设备形式很多，有普通的炉灶，也有锅中锅炉，还有复杂的内燃机(如燃用植物油)等。 2. 生物转换技术 生物转换技术是用微生物发酵方式将生物质能转变成燃料物质，其通式为: 通常产生的液体燃料为乙醇，气体燃料为沼气。 产生乙醇的有机物原料有两类: ?糖类原料，如甘蔗、甜菜、甜高粱等作物的汁液以及制糖工业的废糖蜜等，可直接发酵成含乙醇的发酵醪液，再经蒸馏，便得到高浓度的乙醇; ?淀粉类原料，如玉米、甘薯、马铃薯、木薯等，则需先经过蒸煮、糖化，然后再发酵、蒸馏，产生乙醇。 乙醇可作为燃料及作为汽油添加剂，生产车用乙醇汽油，也可制成饮料。 沼气是在生物质严格厌氧条件下经发酵微生物的作用而形成的气体燃料。可用于产生沼气的生物质非常广泛，包括各种秸秆、水生植物、人畜粪便、各种有机废水、污泥等。沼气可直接使用，或将二氧化碳除去，得到甲烷纯度较高的产品。 3. 热化学转换技术 用热化学手段将生物质能转换成燃料物质的技术，称为热化学转换技术。常用的方法有气化法、热裂解法和液化法。 (1)气化 是指将固体或液体燃料转化成气体燃料的热化学过程。生物质气化就是利用空气中的氧气或含氧物质作气化剂，将固体燃料中的碳氧化生成可燃气体的过程。 (2)生物质热裂解 是指生物质完全没有氧或缺氧条件下热降解，最终生成生物油、木炭和可燃气体的过程。三种产物的比例取决于热裂解工艺和反应条件。一般的说，低温慢速热裂解(小于500?)，产物以木炭为主;高温闪速热裂解(700,1100?)，产物以可燃气体为主;中温快速热裂解(500,650?)，产物以生物油为主。如果反应条件合适，可获得原生物质80%,85%的能量，生物油产率可达70%(质量分数)以上。 (3)生物质加压液化 是在较高压力下热化学转化过程，温度一般低于快速热裂解。该法始于20世纪60年代，当时美国的Appell等人将木片、木屑放入Na2Co3溶液中，用CO加压至28Mpa，使原料在350?下反应，结果得到40%,50%的液体产物，这就是著名的 PERC法。近年来，人们不断尝试采用H2加压，使用溶剂(如四氢萘、醇、酮等)及催化剂(如Co-Mo、Ni-Mo系加氢催化剂)等手段，使液体产率大幅度提高，甚至可达80%以上，液体产物的高位热值可达25,30MJ/kg，明显高于快速热裂解液化。 第三节 生物质气化技术 生物质气化技术现状 (一)生物质气化的定义 生物质气化是一种热化学转换技术，是指利用空气中的氧气、含氧物质或水蒸气作为气化剂，将生物质中的碳转化为可燃气体的过程。可燃气体中的主要成分有CO、H2、CH4、CO2、N2等，燃烧的成分是CO、H2、CH4。气态燃料比固态燃料在使用上具有许多优良性能:燃烧过程易于控制，不需要大的过量空气，燃烧器具比较简单，燃烧时没有颗粒物排放，仅有较小的气体污染。因此，生物质气化可将低品位的固态生物质转换成高品位的可燃气体，广泛应用于工农业生产的各个领域，如集中氧气、供热、发电等。 (二)国外气化技术的发展 以木炭为原料的气化反应器已有长期的应用，但因反映温度低，燃气质量差，焦油含量大等原因，使当时进一步推广受到限制。20世纪70年代初世界石油危机后，，又重新开始开发生物质气化技术和相应的装备产品。1992年召开的第15次世界能源大会上，把生物质气化利用作为优先开发的新能源技术之一，反映了国际上对气化技术的认同。在该领域具有领先水平的国家有瑞典、美国、意大利、德国等，森林覆盖率大58%以上，所以非常重视生物质能开发利用，鼓励采用先进的气化燃料技术，充分利用农林残留废弃物及城市垃圾等为原料进行气化发电和供热等，已生产出2.5MW的下吸式生物质气化炉。美国在生物质热解气化技术方面也有若干突破，近几年借助循环流化床气化原理，研制出生物质综合气化装置——燃气气轮机发电系统成套设备，为大规模发电提供了技术样板。加拿大已经投放市场若干型号的生物质气化炉产品，以锯末、木片、纸浆、果壳和粮食加工下脚料为原料，制取煤气，驱动内燃机发电，可降低50%的发电成本。此外，荷兰、德国、意大利、瑞士等国家也在生物质气化技术上开展大量研究工作，产品已经达到商业化推广阶段。 (三)国内气化技术现状 中国生物质气化技术的研究开发已有20多年历史，中国农业机械化科学研究院的ND系列生物质气化炉，以木屑、果壳、玉米芯、树枝等为原料，经气化用于烘干木材及烧锅炉等。中科院广州能源研究所研制的上吸式生物质气化炉对气化原理、物料反应性能做了大量试验，对流化床气化炉、循环流化床气化炉也做了深入研究，开发出生物质循环流化床气化炉，已在广东湛江、海南三亚、广西南宁等地推广。山东省科学院能源研究所研制的XFL型生物质气化机组及集中供养系统的配套技术已先后在山东、河北、北京、黑龙江等地推广。辽宁省能源研究所从20世纪90年代初与意大利合 作研制开发了固定床生物气化装置，目前已在辽宁省大连市金州区投入运行。 二、生物质气化基本原理 为了更好地描述生物质的气化过程，以上吸式固定床气化炉为例，具体分析生物质的气化过程。 生物质在上吸式固定床气化炉中的气化过程可以用图4-2清楚地表示。生物质从上部加入，气化剂(空气)从底部吹入，气化炉中参与反应的生物质自上而下分成干燥层(区)、热分解层(区)(裂解层)、还原层(区)和氧化层(区)。 (一)生物质的干燥 在气化炉的最上层为干燥层，从上面加入的生物质物料直接进入到干燥层，湿物料在这里同下面三个反应层生成的热气体产物进行换热，使原料中的水分蒸发出去，生物质物料由含有一定水分的原料转变为干物料。干燥层的温度为100~250?。干燥层的产物为干物料和水蒸气，水蒸气随着下面三个反应层的产热排出气化炉，干物料则落入裂解层。 (二)裂解反应 在氧化层和还原层生成的热气体，在上行过程中经过热分解层，将生物质加热，生物质受热后发生裂解反应。在反应中，生物质中大部分的挥发成分从固体中分离出去。由于生物质的裂解需要大量的热量，热分解层温度已降到400~600?。裂解区的主要产物为炭、氢气、水蒸气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、焦油及其他氢类物质等，这些热气体继续上升，进入到干燥区，而炭则进入下面的还原区。 (三)还原反应 在还原层已没有氧气存在，在氧化反应中生成的二氧化碳在这里同炭及水蒸气发生还原反应，生成一氧化碳和氢气。由于还原反应是吸热反应，还原区的温度也相应降低，为700~900?。 还原区的主要产物为一氧化碳、二氧化碳和氢气，这些热气体同氧化层生成的部分热气体进入上部的裂解层，而没有反应完的炭则落入氧化层。 (四)氢化反应 气化剂(空气)由气化炉的底部进入，在经过灰渣层时与热灰渣进行换热，被加热的热气体进入气化炉底部的氧化层，在这里同炽热的炭发生燃烧反应，生成二氧化碳，同时放出热量。在氧化层，温度可达1000~1200?。 在氧化层进行的均匀燃烧反应，并放出热量，也正是这部分反应热为还原层的还原反应、物料的裂解和干燥提供了热源。在氧化层生成的热气体(一氧 化碳和二氧化碳)进入气化炉的还原层，灰则落入下部的灰室中。 通常把氧化层及还原层合起来称做气化区，气化反应主要在这里进行;而裂解层及干燥层则统称为燃料准备区或燃料预处理区，这里的反应是按照干馏的原理进行的，其载热体来自气化区的热气体。实际上，在气化炉内并不能将几个区截然分开，一个区可以局部地渗入另一个区，所述过程多多少少有一部分是可以互相交错进行的。气化过程实际上总是兼有燃料的干燥裂解过程。气体产物中总是参杂有燃料的干馏裂解产物，如焦油、醋酸、低温干馏气体，所以在气化炉出口，产出气体成分主要为一氧化碳、二氧化碳、氢气、甲烷、焦油及少量其他氢类，还有水蒸气及少量灰分。这也是为什么实际气化产生的可燃气的热值总是高于理论上纯气化过程产生可燃气的热值(标准状态下为4437KJ/m3)的原因。 第五章 地热能应用 【学习目标】 1.了解地热能的概念，来源以及分类特点。 2.理解地热能自愿的开发利用特点以及在都市农业中的应用。 【学习内容】 1.地热能的来源、分类以及特性。 2.地热源泵系统。 3.地热发电技术。 第一节 地热能的基本知识 地球本身就是一座巨大的天然储热库，蕴藏着巨大的热能。热能就是指这种来自地球深处的热能。 一、地球是一个巨大的热库 地球大体是一个半径平均为6370km的实心球体。按照其构造可分为三层:地壳、地幔和地核，如图5-1所示。地壳的厚度很不均匀，大陆地壳平均厚度约35km，海洋地壳平均厚度仅10km，最薄的地方只有7km，地幔是地球的中间层，大部分是熔融状态的岩浆，厚度约为2800km，并分为上地幔与下地幔。地核处于液态，总厚3473km。地球内部的温度:100km深为1000~1500?;300km深为1500~3000?;2900km深为2300~4000?;地核4500?。地球内部的放射性物质在不停地蜕变并放出大量的热能，因此，地球内部蕴藏着巨大的能量，是一个巨大的热能库。地球通过频繁爆发的火山，地震，以及喷泉、温泉等途径，不断地把内部的能量散发出来。如果以地球上煤的储量为100，石油的储量仅是3，核能储量是15，而地球总储能量，则为1.7×108，可见地球上储藏的能量是多么的巨大。地球内部可以用来开发利用的的热能成为地热能资源。目前开发与利用的仅是地下的天然蒸汽与地热水。 二、地热能的储存形式以及分布 地下热能的储存形式有蒸汽型、热水型、地压型、干热岩型和岩浆型等5类。 1) 蒸汽型 特点是排放蒸汽。蒸汽来源区的压力基本不随着深度而改变。蒸汽排放的初始阶段可能是湿蒸汽、干饱和蒸汽或过热蒸汽，但随着开采的进行，蒸汽逐渐变干，或过热度在逐渐增大。之气温度高于150?，且焓值高。生产层的压力约3.3MPa。世界上正在开发的意大利拉德瑞罗、美国盖瑟尔斯、印度尼西亚的卡瓦卡马江，以及我国的西藏羊八井、云南热海、台湾大屯等地热田都属于这种类型。这种地热田的形成一般都与火山或者岩浆活动有关，有强大热源补给，而地下水的补给适中。其天然状态下含有的不流动或微流动的水，就是热储蒸汽的补给源，即在天然的状态下有上升的蒸汽流和下降的水流(蒸汽凝结成水)。 2) 热水型 即单相的热水。通常即包括温度低于当地气压下饱和的温度和温度的热水和温度高于沸点的有压力的热水，又包括湿蒸汽。按其温度范围分为高温(150?以上)、中温(90~150?)和低温(25~90?)。这类的地热田分布极广，如美国加利福尼亚州的希伯、新西兰的怀拉基和布罗德兰兹、墨西哥的塞罗普列托、冰岛首都雷克雅未克地热田的呢过，中国的地热田大都属于这一类。 3) 地压型 是以地压水的形式，在地表以下4000~5000m深处，被不透水层(页岩等)封闭在深部，沉积盆地中储存，地压可达几百个大气压。地压地热能资源中的能量，实际由机械能(压力差)、地热能(高温)和化学能(溶于水 中以甲烷为主的天然气)三部分组成。如美国的克萨斯州和路易斯安那州的近海地区(墨西哥湾)宽160~320km、长约1290km、深3000~6000m、顶盖厚1200~4850m的地热田，地压水温随深度增加而增高，在3048处为150?,6096m处为260?，压力梯度为2.187×104Pa/m，甲烷含量0.0036,0.0107m3/L。每口井每日流量为15000m3，一个地压水井〖地表水压大于140atm(latm=101325Pa)，温度127?〗可提供动力1.05×106KW。 4) 干热岩型 是泛指地下普遍存在的没有水或水蒸气的热岩体，是一种比蒸汽、热水和地压地热资源更为巨大的资源。具有开采价值的是埋藏较浅(10km以 是利用地球深部高温的岩浆，火山喷发时才把这种岩浆带至地面。这种类型的潜力相当大。岩浆资源据估计约占已探明地热资源的40%左右，但直接利用的技术难度大，目前无一开发。 上述五类地热资源中，目前应用最广的是热水型和蒸汽型。 如前述，地热能资源与地质构造运动有关，而组成地球地壳的六大板块和一些小板块的边缘是地震活动、构造活动、火山爆发的主要发源地，也是高温地热的分布地带。世界四个大的地热带都是沿着板块边缘分布的，其中有两个大地热带分别经过我国台湾的大屯和西藏的阿里地区(包括羊八井、羊易乡)至云南腾冲的热海，使我国地热能资源非常丰富。