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生物质锅炉设计制造技术及关键性指标参数计算方法

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swz 发表于 2013-6-11 00:41:27 | 显示全部楼层 |阅读模式
    第一章绪论
1.1生物质能源的研究背景
   煤炭,石油,天然气和其他化石燃料是工业社会的核心能源,但它们是不可再生的,储量是很有限的。据国际能源机构统计,开采煤炭,石油,天然气供人类使用的年限最多只有240年,40年和50年。人类经济和社会的快速发展使消耗能源速率越来越快,尤其是化石燃料的消耗不断增加,导致对它们开采过度,使得价格上涨并趋于用尽;同时,高强度的利用,从而使多余的能量和碳大量释放,打破了能源和碳平衡的性质,导致臭氧层遭到破坏,带来了全球变暖和酸雨等灾难,引起国际社会的极大关注。如果没有新能源来替代常规能源,21世纪将会有一个严重的,灾难性的能源和环境危机。
   在一体化的国际环境下,中国的能源形势十分严峻。由于改革开放,中国的经济快速发展,经济的增长方式由粗放型转向集约型,但仍在增长化石能源的需求量,而中国的常规能源储量潜力和发展不被看好,每年都将从国外进口大量的石油,潜在的能源危机将逐步威胁到中国经济的快速发展。与此同时,中国的环境压力也越来越大。生态循环能源的开发利用已被提出在重要的发展议程上,环境友好型经济也已被纳入国家发展战略。
   为了缓解双重危机,目光被聚焦到可再生能源上。虽然太阳能,风能,小水电和其他可再生能源,但不能进行物质生产,而生物质能不仅可以提供能量,也可像煤炭和石油一样生产千百种化工产品。如燃料乙醇和普通汽油相比,一氧化碳的排放可以降低7%,碳氢化合物可以减少48%,生物柴油富含氧,与普通柴油混合,燃烧将会更充分,由检测得出,生物柴油无毒,可生物降解,如果添加20%的生物柴油,可以减少二氧化硫排放量70%,空气毒性90%,使用生物塑料,白色污染的问题就可以得到解决。生物质能源以畜禽粪便,作物秸秆,农业和林业废弃物,城市有机垃圾为原料,使其无害和资源化,将植物蓄存的光能与物质资源深度开发和回收利用,符合可持续发展和循环经济的理念。因此,生物质能源不仅能缓解能源危机,而且还保护环境,实现可持续发展,是中国可再生能源开发利用的必然选择。
   生物质能是由植物通过光合作用固定在地球上的太阳能。生物通过光合作用,吸收太阳能、土壤里的水和空气中的二氧化碳,产生氧气和碳水化合物。煤、石油和天然气等化石燃料也由生物质变化而来。生物质与化石燃料相比较,具有以下特点:
   
   1)生物质的生产和分布范围广,使用方法多。
   2)生物质里的氮、硫含量和灰分含量少,所以在燃烧过程中,粉尘排放比化石燃料低,是一种清洁的燃料。
   3)生物质能利用过程中零排放二氧化碳是最突出的特点,由于生物质在生长过程中吸收的量相当于生物质在利用过程中排放的量,因此在大气中接近零排放,可以有效地减少温室效应。
   4)生物质的热值低,生物质含水量高,从而使其热解和燃烧特性较差。
   5)由于生物质的分布比较分散,对其收集,运输工作和预处理的成本会比较高。
   6)可再生能源。生物质通过光合作用可以再生,属于可再生能源,它的资源丰富,可以保证能源的可持续利用。
   
   在世界能源消费中,生物质能源约占14%左右,而在欠发达地区则占60%以上。全球大概有25亿人生活所用的能源90%以上都是生物质能源。中国是人口最多的国家,同时又处在一个经济的快速发展的时期,能源的需求和消费尤为巨大。日益短缺的化石燃料资源,以及燃烧化石燃料造成大气污染,已成为人们关注和忧虑的焦点。21世纪,中国将会面对环境保护和经济增长的双重压力。因此,转变能源生产和消费结构的模式,开发和利用生物质能和其他可再生能源和清洁能源,建立新的可持续发展的能源生产和开发利用体系,为保障和促进可持续发展和环境保护有着显著和深远的意义。
   生物质能是人类利用最早的能源在20世纪70年代开始对生物质进行大规模的研究。中东战争所造成的世界能源危机使人们开始关注和重视开发和利用可再生能源,其中包括生物质能源。人们清醒的认识到石油,天然气和煤等化石燃料不可再生和所造成的环境等一系列问题使人类的可持续发展受到了阻碍。使用化石燃料会产生“酸雨”,“臭氧耗破坏”,“温室效应”和其他环境问题,人类的生存和可持续发展正面临着巨大的挑战。而为了解决因为使用化石能源所造成的一系列环境问题,人类正积极探索和研究可再生清洁能源以替代化石燃料。
   据统计,现在生物质能消费占世界总能耗的14%左右,位于煤,石油,天然气之后,位居第四。其中,发展中国家占总生物质能的生物能源的使用量的75%,发达国家占25%左右。发展中国家的主要利用方式是直接燃烧,为居民提供生活上的能源需求,能源利用低,会造成严重的资源浪费。据可靠预测,全世界供应的生物质能源依赖于农业生产和土地利用水平等不确定性,二十一世纪中叶大概会达到至。
   在世界许多国家,包括发展中国家和发达国家都在促进和发展生物质能利用技术,而且还制定了相关的发展目标,实施激励政策。苏丹是农业国家,且拥有非常有限的石油和天然气资源,生物质能源作为最重要的利用能源,占该国总能源消费的87%,所以苏丹十分重视生物质能源的研究开发技术,研究发展,并且认为生物质是解决可持续发展问题的关键。印度非常重视生物质气化和液化技术,生物质的能源消费占总消费的36.2%-46.5%,大规模利用生物质能,促进农村经济发展,创造大量的就业机会,逐步实现生物质能,生物质燃料发电替代化石燃料发电。芬兰在1994年年初,总能耗为MJ,其中生物质(包括泥煤)为MJ,大概占到20%。芬兰政府曾鉴于生物质能的重要地位发布一份关于能源政策的白皮书。芬兰的目标是到2005年,利用生物质能的比例达到25%以上。德国提供了一系列的法律措施和政府的补贴和支持,以支持生物燃料的使用。德国2000年4月颁布了一项法律,有关于可再生能源方面的发电。它规定根据各类可再生能源和装机容量的不同,要求电网运营商都要购买固定价格的绿色电力;。规定到2010年,在德国生物能源消费要翻一番。土耳其的石油,天然气非常稀缺,主要的利用能源是水电,可是其生物质资源非常丰富,最近土耳其不断地增加生物质能使用情况,生物质能已经占到家庭能源消费的52%。
   世界各国政府与科学家已经非常注重生物质能技术的研究与开发,它已成为世界非常热门的课题之一。很多国家都制定了相应的研究和发展计划,例如印度的绿色能源项目,巴西的酒精能源计划,美国的能源农场和日本的阳光计划,他们当中生物质能源的开发和利用已经有了相当大的比例。直到2007年,国外的生物质能技术和设备以实现商业应用,可以达到大规模的产业化经营程度,比如瑞典、美国和奥地利,高品位能源利用量已经有了相当的规模,分别占各国一次能源消费的16%、4%和10%。在美国,生物质能发电单机容量有10至25MW,装机总容量超过10000MW;美国史泰登垃圾处理站投资了2000万美元,使用湿式处理废弃物垃圾,回收利用沼气,以此来发电和生产化肥;美国还开发了从纤维素废料中生产酒精的技术,建立了年产酒精2500吨的1MW的利用稻壳发电的示范基地。燃料乙醇在巴西的发展和应用是最有特色的,拥有世界上最大的乙醇开发计划,到2007年的执行情况是燃料乙醇占该国汽车燃料消耗量的50%。
   中国拥有着丰富的生物质资源,我国目前使用的生物质资源在可收集利用的条件下主要是常规的生物质,其中包括作物秸秆、薪柴、禽畜粪便、生活垃圾、工业中的有机废水和废渣等。秸秆年产约6亿吨,约3亿吨可作为燃料使用,相当于2亿吨标准煤,它占农业总的产出物的51%;农林废弃物年产约8.9亿吨,约2.8亿吨可作为燃料使用,相当于2亿吨标准煤。麻疯树、黄连木、甜高粱、油桐等能源作物种植面积超过2000多万公顷,可以满足年产量大概有5000万吨的生物液体燃料的原料需求量。畜禽业和工业有机废水理论上可以产生沼气约800亿立方米每年。据估计,在中国理论的生物质能源约为50亿吨左右的标准煤,大概为目前中国能源消耗总量的4倍。生物燃料不仅有利于促进能源来源的多样化,以帮助我们摆脱对传统化石能源的严重依赖,还能减少温室气体排放量,减轻对环境的压力。因此,它被看成替代化石燃料之一,对于加强能源安全具有积极意义。
    生物质能源的开发和利用在中国的广大农村地区,具有更为显着。中国人口80%生活在农村地区,秸秆,薪柴和其他生物质是在农村地区最重要的燃料。虽然煤炭,石油和其他商品的能源使用是在生物能源在农村的迅速增加,仍然占有重要地位。 1998年农村生活的总额为207万吨标准煤万吨标准煤,秸秆和薪柴365万吨,占56.7%。开发和利用生物质能技术,提高生物质能源的利用效率,以帮助农村摆脱贫困,以实现建立社会主义小康社会的一项重要战略任务。
    可再生能源和新能源开发框架的基础上,中国将建立生物质能源产业基地,并提高生物质能源产业体系,使生物质发挥更重要的角色,在整个能源供应系统的变化,以促进生物质能先进技术在农村的能源结构,优化农村能源,农村经济和社会的可持续发展;到二十一世纪二十年代,中国的农业和林业生物质发电的发电容量24000MW,2000MW总发电量的垃圾焚烧,填埋气体的总发电能力1000MW,总发电量达到3000MW。生物质固体成型燃料便利金额在2020年达到50吨。因此,生物量不仅是解决我国能源问题,而且还保护生态环境,以确保中国的可持续发展战略的实施。
   在生物质能源开发方面中国也取得了很大的成绩,但也应该清醒地认识到,生物质能在中国的发展水平与发达国家相比仍有一定的差距。
1)开发不到位且技术比较单一
    中国早期重点发展沼气,近年来,越来越重视对热解气化技术的发展和应用,也取得了一些突破,但由于其他方面的技术的进步非常缓慢,比如酒精生产、直燃技术、热解和速生林的种植方面,没有特别大的突破。
2)企业生产规模小,经济效益低
   我国生物质能源项目不仅资源分散,开发手段落后从而使规模比较小,大多数的项目使用简单的技术工艺且操作设备落后,利用率很低,转换效率不好,导致效益非常低,很难有相当大的规模。
3)缺乏标准,管理较为混乱
   秸秆气化集中供气和沼气工程的发展,没有严格明确的技术标准和监督,很多单位和个人参与沼气工程承包和秸秆气化集中供气设备的生产,但他们根本不具备相关的技术,从而导致设备技术不过关,甚至会带来许多的安全问题,为生物质能利用的后期发展工作带来许多不好的影响。
4)技术落后投入产出少
   在研究方面,投资太少,重复研究多,一些关键技术得不到突破,从而使研究的技术含量低下。例如:辅助技术设备不配套,厌氧消化导致天然气产量低,设备和管理自动化程度较低;气化焦油无法彻底地解决,使得在以后很多技术研究方面带来更多严重的影响;生物质液化中,虽然有关人员在做一些研究,但该技术的关键方面还没有得到很好的突破;气化发电的效率还是很低的,并且它的二次污染问题没有得到解决,导致许多工程系统中往往处在维修或故障条件下,造成很多的经济损失。


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