什么是生物质?了解优点和缺点

了解如何将有机废物转化为电能,即所谓的生物质能

生物质

生物质是用于生产能源的所有植物或动物来源的有机物质,例如木炭、木柴、甘蔗渣等。由于它是一种分散且低效的能源,传统上用于欠发达国家,因此缺乏有关该能源在全球能源矩阵中的代表性的数据。然而,根据 ANEEL 的一份报告,世界上大约 14% 的能源消耗来自这个来源,根据巴西肺病学杂志的另一项研究,贫穷国家农村地区 90% 的家庭使用来自生物质的能源燃烧(木材、木炭、动物粪便或农业废弃物),特别是在撒哈拉以南非洲和亚洲。

生物质在热电厂中的使用一直在增加,并被用于供电网络未覆盖的地区,例如偏远的农村社区。热电联产系统的使用,将生物质发电与热能生产相结合,提高了生产系统的能源效率,也变得越来越普遍。

什么是热电联产?

生物质,如木炭或木柴,是驱动大部分热电发电机的动力。无论燃料和发动机的类型如何,这些发电机都会以热量的形式损失燃料中包含的大部分能量。平均而言,以热量形式损失到环境中的生物质能源占总燃料能源的 60% 至 70%。因此,发电机效率约为 30% 至 40%。

由于许多建筑物和工业需要供暖(用于室内环境或加热水),因此开发了热电联产系统,通过该系统将发电产生的热量以蒸汽的形式纳入生产过程。该系统的主要优点是加热过程的燃料经济性。这样,系统的能效提高,达到燃料生物质能的85%。

巴西的生物质

目前,该国最有潜力用作生物质发电的资源是甘蔗渣。糖醇行业产生大量废物,可用作生物质,主要用于热电联产系统。其他具有巨大发电潜力的蔬菜品种是棕榈油(棕榈油),其每公顷的平均年生产力是甘蔗、buriti、babassu 和 andiroba 的四倍。它们似乎是偏远社区(尤其是亚马逊地区)电力供应的替代方案。

用甘蔗生产乙醇时,大约 28% 的甘蔗会转化为甘蔗渣。这种甘蔗渣是工厂中常用的一种生物质,用于生产低压蒸汽,用于提取设备中的背压涡轮机 (63%) 和发电 (37%)。离开磨机的大部分低压蒸汽用于果汁的加工和加热 (24%) 以及蒸馏设备。平均而言,每台设备需要大约 12 千瓦时的电能,这个值可以由生物质残留物本身提供。稻壳、腰果壳和椰子壳等具有很高潜力可用作生物质发电的其他农业残留物。

生物质转化路线

生物质来源可分为:木本蔬菜(木材)、非木本蔬菜(糖类、纤维素类、淀粉类和水生类)、有机废物(农业、工业、城市)和生物流体(植物油)。生物质转化途径多种多样,正是由于这些转化技术,才有可能获得不同种类的生物燃料,如乙醇、甲醇、生物柴油和沼气。主要的生物质转化过程是:

直接燃烧

木材和各种有机废物(农业、工业和城市)等材料可以燃烧以产生能量。燃烧过程包括将这些生物质源中存在的化学能转化为热量。出于能源目的,生物质的直接燃烧是在烤箱和炉灶中进行的。尽管它很实用,但直接燃烧过程往往效率很低。此外,该过程中可使用的燃料通常湿度高(柴火为20%或更高),能量密度低,储存和运输困难。

气化

它是一种应用于城市和工业有机废物和木材的技术。气化包括通过热化学反应将固体生物质源转化为气态生物质源,涉及热蒸汽和空气或氧气,其数量低于燃烧发生的最小值。所得气体的组成是一氧化碳、氢气、甲烷、二氧化碳和氮气的混合物,因此这些比例随工艺条件而变化,特别是与用于氧化的空气或氧气有关。与固体燃料相比,这种生物质燃烧产生的燃料更通用(可用于内燃机和燃气轮机)和清洁(可在此过程中去除硫等化合物)。此外,可以通过气化生产合成气,可用于任何烃类的合成。

热解

热解,也称为碳化,是将生物质来源(通常是木柴)转化为能量密度是原始材料两倍的另一种燃料(木炭)的最古老过程。农业来源的有机残留物也经常受到热解 - 在这种情况下,残留物需要预先压实。该方法包括在“几乎没有”空气的环境中加热材料。热解还产生可燃气体、焦油和焦木,这些材料广泛用于工业部门。该过程的结果与原始材料的状况(数量和水分)有很大差异。生产一吨木炭,可能需要四到十吨木柴。

酯交换

它是一种将植物油生物质转化为中间产品的化学过程,通过两种醇(甲醇和乙醇)与碱(氢氧化钠或氢氧化钾)之间的反应。这种类型的生物质的酯交换产物是甘油和生物柴油,这种燃料的条件类似于柴油,可用于内燃机,用于车辆或固定用途。

厌氧消化

与热解一样,厌氧消化必须在“几乎没有”氧气的环境中进行。原始生物质在细菌的作用下会分解,就像它与几乎所有有机化合物自然发生一样。有机废物,如动物粪便和工业废物,可以通过生物消化器中的厌氧消化(在没有氧气的情况下发生)进行处理。细菌的作用导致分解发生所需的加热,但是,在寒冷地区或时间,可能需要施加额外的热量。厌氧消化的最终产品是沼气,它主要由甲烷(50% 到 75%)和二氧化碳组成。产生的污水可用作肥料。

发酵

它是通过微生物(通常是酵母)的作用进行的生物过程,该过程将存在于生物质来源(例如甘蔗、玉米、甜菜根和其他植物物种)中的糖转化为酒精。生物质发酵的最终结果是生产乙醇和甲醇。

生物质的适用性

生物质被认为是一种可再生能源,已被用来替代石油和煤炭等化石燃料,以在热电厂发电,因为与不可再生能源相比,生物质排放的污染气体量较少。然而,尽管不是化石燃料,但根据该研究,燃烧生物质是世界上最大的有毒气体、颗粒物和温室气体来源之一。

在大面积燃烧的情况下,无论是森林、稀树草原还是其他类型的植被,硫的排放都会导致雨水的pH值发生变化,从而导致酸雨的发生。甲烷和二氧化碳的排放会加剧温室效应,而汞的排放会导致水生生物受到污染并形成甲基汞,这是一种对人体健康有害的物质。

反复和长期接触室内环境(柴炉、壁炉等)中生物质燃烧过程产生的材料与儿童急性呼吸道感染的增加有关,这被认为是发育中儿童死亡的主要原因之一国家。此外,它还与慢性阻塞性肺疾病、尘肺病(吸入灰尘引起的疾病)、肺结核、白内障和失明的增加有关。在燃烧甘蔗秸秆的情况下,生活在甘蔗种植园周围地区的居民全年有大约六个月的时间暴露在燃烧的生物质产生的灰尘中。

出于这个原因,国家环境委员会 (Conama) 制定了甘蔗生物质外部燃烧产生的热量过程中大气污染物的排放限制,这使得调节排放和减轻与燃烧生物质相关的社会和环境影响成为可能。

与化石燃料(尤其是石油)不同,生物质还提供了由多种材料生产的可能性,为市场提供了灵活性和安全性。另一点是,通过使用农业、工业和城市有机废物发电,他们获得了比简单处置更“可持续”的目的地。根据一项研究,巴西的大部分农业残留物是玉米、大豆、大米和小麦,前两种是生产生物柴油常用的原料。

巴西具有利用生物质生产能源的有利条件,例如存在可用于生产生物质的大片耕地,并且全年接受强烈的太阳辐射。然而,人们对直接使用植物原料的第一代生物燃料的生产表示担忧。在这种情况下,生物燃料可以防止与农业部门争夺耕地的情况,从而危及人口的粮食安全。另一个与大片土地有关的问题是环境保护问题。除了与农业竞争之外,生物燃料最终可能会给专门用于环境保护的地区带来压力。



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