生物质节能减排

生物质化工节能减排技术

摘要：今年来，随着经济的快速发展，化工行业也取得巨大的发展，与此同时，由于化工行业的高污染性、高能耗性，严重违背了当今资源节约型和环境友好型社会的要求。为了积极配合社会的发展，化工行业正在积极研究节能减排技术，落实节能减排政策方针中的各项经济指标。根据查阅的相关文献，本文主要将阐述多种化工行业的节能减排技术，将重点阐述众多节能减排技术中的生物质化工节能减排技术。 关键字：化工行业；节能减排；生物质化工

21世纪，越来越多的人意识到节约资源和保护环境的重要性。而化工行业在得到经济持续发展的同时，所带来的能源高消费和污染问题，给我国社会经济的可持续发展，社会主义和谐社会的构建带来极大的制约，节能减排已成为化工企业建设发展的首要任务。节能减排可以分为两个发面，一是节能，开发新能源，替代传统的化石能源；二是减排，减少化工企业中的三废的排放或者对其进行处理达标后再排放。目前为止，我国已利用多种新能源，也在减排方面得到了较大发展，根据查阅的相关文献，本文在介绍多种节能减排技术的同时，着重介绍节能减排技术中的生物质化工节能减排技术和其发展现状。

一、化工行业的多种节能减排技术简介

（一）流化床节能减排技术

当前化工行业乃至多种行业都会用到提供热量或烟气的锅炉，一般情况下，提供热量锅炉的燃烧原料为不可再生的化石能源，且由于的锅炉设置的缺陷，对燃料的利用率偏低，排放了大量的残渣，污染了环境造成PM2.5的同时，还浪费了资源。因此针对该缺陷，化工行业开发出一种对于锅炉中燃料燃烧的新技术，即将常规使用的上排气循环流化床技术改为下排气循环流化床燃烧技术，即采用了下排气中温旋风分离技术，阻力降低，能耗减少，同时节煤效果显著，明显提高了效率，降低了污染物排放[1]。

提供高温烟气的锅炉，在化工行业中采用的重油燃烧和喷煤粉燃烧，但是该燃油方法成本较高，经济性较差，喷煤粉燃烧中的直接喷燃也会产生大量的可吸入颗粒物，带来较严重的环境污染。因此，针对此技术，改进的节能减排技术为根据流化床干燥原理开发的流化床高温烟气发生技术，即采用分段配风、大过量空气系数、大孔径、变节距风帽等先进技术措施，提高了燃烧效率，降低了烟尘的排放[2]。

（二）捕集和分离烟道气中二氧化碳的新型微孔金属有机框架材料

美国罗格斯大学教授李静开发的新型微孔金属有机框架材料，用于烟道气中二氧化塔的捕集和分离，具有低成本、高选择性，高容量的优势，减少化工行业中二氧化碳的排放量。

1

（三）以空冷代替水冷的空气冷却器的节能减排技术

空气冷却器已广泛应用于石油行业，在节能环保方面取得了一定的成果，但在化工行业还在小范围使用，普及不广。空气冷却器可以节省大量的工业用水，减少了冷却后水的污染，降低了基建费用。特别是在缺水的地方，以空冷代替水冷，在缓解水源不足的同时，也减少了化工行业对当地水资源的污染，起到了节能的效果，可以推广使用[3]。

除了上述说列举出的化工行业的节能减排技术之外，还有很对的节能减排新技术。例如，在物质的循环、再生、利用的基础上发展循环经济；选择节能型生产工艺；余能资源再利用技术；开发新能源，例如太阳能源和生物质能源等等。

二、生物质化工节能减排技术

在化工行业节能减排的号召下，节能方面由于化石燃料资源性枯竭问题和环境污染问题，人们更寄希望于可再生、清洁的生物质加工转化成可替代化石燃料的生物燃料和化学产品[4]。生物质则是指可再生和循环利用的生物有机物质，主要包括种植、养殖、林业、农业产品加工和生活等有机废弃物，以及利用边际性土地种植的能源植物生产的纤维资源、油脂或其他次生代谢产物等[5]。并且生物质是唯一可转化成固态、液态和气态能源的可再生资源、蕴藏量巨大，生物质已成为国际上可再生能源发展和节能减排的重点方向。

作为可再生资源和节能减排技术的生物质能化利用的主要方向包括：生物质燃气、生物质液体燃料、生物质成型燃料、生物质发电、微藻能源等。

（一）生物质气化制燃气

生物质气化技术是指以生物质为原料，以氧气（空气、富氧性气体或纯氧等）、水蒸气或氢气等为气化剂，在高温条件下通过热化学反应将生物质转化为可燃性气体的过程。生物质气化过程还会产生生物质炭、生物质提取液（活性有机物、焦油）等副产物。

1、制氢[6]

氢能的制取一般由电解水和煤炭转化等制氢工艺而来，这些传统制氢工艺能耗大，且伴随大量的二氧化碳的释放，违背了节能减排的要求。而生物质以其二氧化碳零排放与资源可再生的特点，制氢技术备受关注。生物质制氢应用较成熟的是热化学转化法制氢，分别有气化、热解和超临界转化制氢。

气化是指在气化介质存在的条件下，组成生物质的碳氢化合物转化为可燃气体的过程，主要包括三个过程：生物质气化、合成气催化重整、氢气分离与净化。

热解则是生物质在隔绝氧气的条件下，受热分解的过程，主要包括两个过程：一是通过生物质热解得到气、液、固3种产物，二是利用热裂解产生的合成气或者通过催化重整热裂解所得到的生

2

物油制取氢气。

超临界转化法则是利用超临界状态下的水作为反映介质，生物质在其中进行热解、氧化、还原等一系列热化学反应，适于处理湿度较大的生物质[7]。

2、制沼气

对化工企业中的高浓度有机废水和废渣，可以采用就近的原则，合理布局，建设工业大中型沼气。通过高温全混厌氧发酵、中温上流式厌氧污泥床，膨胀颗粒污泥床相结合的工艺提高厌氧发酵COD去除率，扩大沼气消化液资源化利用规模，降低有机废水好氧处理的负荷。是一项减排的新应用。

同时，对于城市垃圾，农村剩余农作物等等也可以建设沼气池，通过菌种的发酵提供燃气，取代化石能源的利用。

（二）生物质液体燃料[8]

不同的生物质原料种类和转化方式也可生产出性能各异的多种液体燃料，从生物质资源出发，可以采用物理、化学和生物加工工艺（发酵、热解、气化和萃取），将生物质转化为一些中间产品（生物油、合成气、脂类和脂肪酸），这些中间产物可以进一步提质加工（合成、加氢、费托合成和酯交换），得到性能优良、用途广泛的生物质液体燃料，主要包括醇类燃料、烃类燃料和生物柴油等等。

1、醇类燃料

醇类燃料在生物质液体燃料中占比最大，其中生物乙醇是当前发展力度最强的液体燃料之一。醇类燃料的生物质转化途径主要有三种。

一是生物质直接发酵途径，在该途径中纤维素生物质原料直接发酵途径是生物质转化生产生物乙醇的典型途径。该途径主要包括纤维素原料预处理、纤维素水解、糖发酵、产品回收和精制等工艺过程，如何将生物质中的纤维素和半纤维素转化为微生物利用的糖，是该工艺过程的核心技术问题；

二是生物质合成气发酵途径，该途径采用了生物与热化学相结合，即生物质首先经气化生成富含CO和H2可燃气体，再经微生物厌氧发酵将CO和H2转化为乙醇，该工艺过程的核心技术问题是菌种性能较差，筛选乙醇产率高、耐氧性好的菌种是该技术的关键；

三是生物质合成气化学合成，该途径是制备生物质基低碳醇的重要转化途径。该途径中生物质首先经气化得到原料气，原料气经净化去除杂质、灰分及一些硫化物，通过补碳或脱去多余的碳来调节原料气的组成，原料气经压缩进一步同过催化合成低碳醇。

上海奉贤则建立了以硫酸水解工艺为主，年产燃料乙醇600t的示范工厂。 2、烃类燃料

烃类燃料的生物质转化途径主要有生物质液化加氢、微藻热化学途径、生物质合成气费托合成、

3

生物质发酵脂肪酸加氢及油脂类加氢途径等。

生物质液化加氢途径中生物质液化的方式较多，其中生物质快速热解制取生物油被认为是最有前途的生物质能源转化途径之一[9]。生物质热解液化是指生物质在缺氧状态下迅速受热分解，从而得到液体产物生物油的热化学过程，热解反应器是热解工艺的核心设备。

微藻热化学途径则是微藻生物质转化生成液体燃料的全新方式。微藻热解主要有催化热解和直接液化法热解，其中催化热解是以干燥的藻粉为原料，通过采用催化剂来提高热解油的产量和质量，并且可以得到芳烃含量高、辛烷值高的汽油[10]。

3、生物柴油

目前生物柴油生产的主要技术是化学酯交换法，主要使用液体催化剂。其中，应用液体碱催化法必须严格脱除原料油中的游离酸和水分，避免催化剂失活而影响酯交换效率；应用液体酸催化法，虽可使少量水分和游离酸不影响产率，但甲醇和副产物丙三醇成乳化相很难分离，且酸易腐蚀设备

[11]

。

（三）生物质固化成型燃料

固化是指将生物质原料或生物质原料和煤等其它含碳物质的混合物，在添加或不添加粘结剂的

情况下，经过粉碎、压制成型等制得生物质成型燃料，其主要属于物理转化的过程。生物质型煤技术则是其中一种，该技术将中国有限的煤炭资源和农村大量的可再生秸秆林木废弃物结合起来，不仅可以实现煤炭尤其是低阶煤的高效清洁利用，而且可以实现农林废弃生物质的资源化和能源化利用。

生物质型煤成型工艺主要有烘干、粉碎、混合、高压成型四部分组成。其中成型可分为冷压成型、混合成型和热压成型3类。不同成型方式制得的煤的物理性能和燃烧特性有较大的不同。冷压成型制得型煤燃烧性能和强度较高，且设备及工艺研究成熟，但型煤不具防水性；热压成型时，可不用任何添加剂即可制出高强度的生物质复合型煤，降低了加工成本；而利用生物质制备黏结剂混合成型可制得强度高，燃烧性能好的工业型煤，但处理过程中需用到强碱，在实际工业生产中需要控制强碱使用量来减少对设备的腐蚀。

（四）直燃发电

生物质直燃技术可以有效解决农林剩余物堆放、燃烧带来的污染和安全问题，也可以通过其供电减少化工界对化石能源的消耗，符合节能减排的要求。有学者通过利用林间剩余物直接燃烧来加热蒸汽炉内的水，并产生蒸汽推动汽轮机转动进而带动发电机发电，并发现汽轮机转速与锅炉压力、充电电压与汽轮机转速、充电电流与汽轮机转速都呈线性关系[12]。

4

三、生物质技术发展现状

生物质技术的应用广泛，有的技术已得到规模应用，有的技术正在发展中，有的技术主要是引进国外技术及设备。根据查阅的相关文献，本章主要根据上述阐述的部分生物质能化利用方向的国内的发展现状。

（一）生物质气化制燃气现状

生物质常规化学转化制氢技术，尤其是气化制氢及热解制氢技术发展较为成熟，已经可以实现以实际生物质为原料进行的规模化生产，但是产氢率不高，仍需要加大研究力度与技术开发。

对于沼气工程，近年来，我国沼气工程得到了全面发展，全国大中型沼气工程4700多处，形成了产业雏形，几乎所有常规的和高效的厌氧发酵工艺在我国都有示范应用，但是由于大部分沼气工程未实施热电联产，工程运行效果受环境温度影响较大，常年运行稳定性较差，有待于进一步提高

[13]

。

（二）生物质液体燃料现状

众多的生物质转化制备液体燃料途径中，只有生物质发酵制乙醇途径和化学酯交换法基本实现

了商业化应用，其他大部分转化途径仍处于开发阶段，大规模利用生物质生产液体燃料的工业化进程中仍存在许多技术和经济问题，有待于进一步研究。我国燃料乙醇发展较快，如吉林燃料乙醇公司扩建成为国内最大的乙醇生产企业。上海奉贤建立了以烯酸水解工艺为主，年产燃料乙醇600吨的示范工厂等等。

（三）生物质固化成型燃料发展现状

生物质型煤具有优良的燃烧性能和环保节能效应，具有极大的开发潜力，我国生物质成型燃料生产厂约200家，总产量达200吨，但目前中国生物质型煤技术总体水平较低，还未形成规模产业。而目前中国正处于发展的关键时期，生物质煤作为高校、洁净的固体燃料，有价值开发[14]。

（四）生物直燃发电

我国目前已建和在建的生物质直燃电厂主要靠引进国外技术，缺乏自主知识产权的先进技术和设备，导致投资成本高。鉴于此，我国也开展了生物质直燃发电设备的自主研发，并取得了明显进展，江苏宿迁市建成投产的秸秆直燃发电项目为我国首台采用完全自主知识产权技术设备的生物质直燃发电项目。

四、总结

响应现在节能减排的要求，化工界已经开发出多种节能减排技术，在节约资源保护环境的同时，也优化了生产工艺。其中生物质化工节能减排技术，是一个综合性应用很强的节能减排技术，利用生物质产出的各种燃气、液体燃料、固体成型燃料以及电，不仅可以降低化工界对于化石资源的利

5