Recopilación de datos detallados sobre combustible de biomasa
2065 438 07 La lista de carcinógenos publicada por la Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer de la Organización Mundial de la Salud el 27 de octubre de 17 se compiló inicialmente como referencia. Las emisiones interiores procedentes de la quema de combustibles de biomasa (principalmente madera) y de combustibles domésticos son carcinógenos de clase 2A.
Introducción básica Nombre chino: Combustible de biomasa mbth: Combustible moldeado de biomasa Explicación: Los materiales de biomasa se queman para convertirlos en combustible Proceso: trituración, mezcla, extrusión, secado y otros procesos Diferencias principales: Combustible fósil Combustible económico: Formación de material de biomasa fuentes de combustible: desechos agrícolas, estiércol de ganado y aves de corral, etc. Introducción, biocombustión, bioconversión para generar energía, biogás, etanol, biodiesel, hidrógeno, bioelectricidad, ventajas Introducción La energía de biomasa se refiere a la energía producida a partir de plantas naturales. , estiércol y materia orgánica urbana y rural Energía convertida a partir de residuos. Además de su valor estético en el entorno ecológico de la Tierra, la biomasa es una fuente de energía renovable conveniente y económica para los humanos. La biomasa combina CO2 y agua para formar hidrocarburos (azúcar) a través de la fotosíntesis para construir el esqueleto de la biomasa, y en este proceso, la energía solar se almacena en los enlaces químicos de los compuestos estructurales del organismo. En este proceso, con la proliferación de grandes cantidades de vegetación, se proporcionan materiales energéticos que pueden utilizarse durante mucho tiempo para el desarrollo humano y la construcción. Cuando se utilizan, los elementos básicos (carbono, oxígeno, hidrógeno, nitrógeno, etc.) que componen los seres vivos son utilizados por nuevos organismos y la energía almacenada en sus enlaces químicos se libera o se convierte en otras formas de energía. Los humanos mediante la fotosíntesis descubrieron el carbón y el petróleo: biomasa fosilizada, producto de la lenta conversión de biomasa (principalmente polímeros de azúcar) en fragmentos similares a la lignina. Este proceso ha tardado cientos de millones de años, por lo que generalmente se consideran fuentes de energía no renovables. En el proceso de utilización de la biomasa y los recursos petroquímicos, la diferencia más destacada entre los enlaces químicos es el impacto en el medio ambiente: cuando se produce la biodegradación, la mayoría de las sustancias químicas liberadas regresan al medio ambiente y son reutilizadas por los organismos, mientras que los recursos petroquímicos quedan enterrados a gran profundidad; durante mucho tiempo, puede existir de manera estable antes del desarrollo y utilización y tiene poco impacto en el medio ambiente. Pero cuando se quema, se libera una gran cantidad de azufre, metales pesados y otras sustancias depositadas durante el proceso petroquímico, lo que dificulta su utilización por los organismos, provocando así una grave contaminación ambiental, como la lluvia ácida. Por tanto, los combustibles de biomasa tienen muchos valores medioambientales únicos en comparación con la energía petroquímica. Puede reducir la presión del cambio climático, la erosión del suelo, la contaminación del agua y la acumulación de basura, proporcionar un entorno de vida para la vida silvestre y ayudar a mantener una mejor salud ecológica. En el ciclo de bioutilización y regeneración del carbono, la biocombustión no produce liberación neta de CO2, por lo que tiene un impacto relativamente pequeño en el efecto invernadero, produce menos bioresiduos después del combustible y también puede usarse como biofertilizante; La Tabla 1 enumera algunos datos básicos sobre los recursos biológicos. Mejorar la utilización de los recursos existentes y aumentar la productividad de las plantas puede conducir al desarrollo de un enorme potencial biológico. Especialmente el primero, debido a la baja tasa de utilización de energía de los motores térmicos actuales, se desperdicia una gran cantidad de potencial biológico. Para solucionar este problema, los biocombustibles originales se convierten en otras formas de energía que satisfagan las necesidades modernas, sean eficientes, fáciles de usar, transportar y almacenar, como la electricidad, los combustibles líquidos o gaseosos, o los combustibles sólidos procesados. De esta manera, se extrae más energía de la biomasa, mejorando así significativamente la vida física y económica en las zonas urbanas y rurales. Esto también se ha convertido en el núcleo de la investigación bioenergética actual. Entre la utilización simple de combustible de biomasa (quemar madera para generar calor), el combustible de briquetas de biomasa es más económico, principalmente cultivos de paja, cáscaras de maní, corteza, aserrín y desechos sólidos (residuos de furfural, residuos de hongos comestibles, etc.) como combustible en trozos producido durante el procesamiento.
). Su diámetro es generalmente de 6 a 8 mm, su longitud es de 4 a 5 veces el diámetro y su tasa de rotura es inferior a 1,5 a 2,0. El contenido de agua en base seca es inferior a 10~15, el contenido de cenizas es inferior a 1,5, el contenido de azufre y cloro es inferior a 0,07 y el contenido de nitrógeno es inferior a 0,5. Si se utilizan aditivos, deberán ser productos agrícolas y forestales, debiéndose indicar el tipo y cantidad utilizados. Biocombustión La combustión directa es la forma más común, directa y comercialmente viable de extraer energía de la biomasa. Casi todas las formas de biocombustibles se utilizan en sistemas de combustión, desde plantas de suministro de energía hasta residuos y desechos agrícolas. Sus procesos de combustión son bastante similares y generalmente se dividen en cuatro procesos: biocombustible (1) proceso de evaporación del agua en la biomasa Incluso después de varios años de secado, la estructura celular de la madera todavía contiene entre un 15 y un 20% de agua; La liberación de gas/componentes de vaporización en la biomasa no es solo el gas liberado por la chimenea, sino también una mezcla de vapor inflamable y alquitrán vaporizado. (3) El gas liberado y el oxígeno en el aire se queman a alta temperatura y se descomponen a alta temperatura; se expulsan productos (4) Residuos de la quema de madera (principalmente carbón). En el caso de una combustión completa, la energía de la madera se libera por completo y la madera se reduce completamente a cenizas. El principal problema de este proceso es su ineficiencia. Como se mencionó anteriormente, las llamas derramadas y los gases inflamables hacen que la mayor parte del calor sea inútil y se desperdicie. En el proceso de quemar madera para hervir agua, 1 m3 de madera seca contiene 10 G J de energía, y calentar 1 litro de agua a 1 °C requiere 412 K J de energía térmica, por lo que hervir 1 litro de agua requiere menos de 400 K J de energía. Numéricamente sólo equivale a 40cm3 de madera. Pero en realidad, en una estufa pequeña probablemente necesitemos al menos 50 veces más leña, lo que significa que la eficiencia no supera 2. Los principales métodos para mejorar la eficiencia de la combustión son: (1) Temperatura suficientemente alta; (2) Oxígeno suficiente (3) Tiempo de combustión suficiente (4) Menos escapes de energía; Diseñar un horno o caldera eficiente lo garantiza. El diseño de calderas ha avanzado mucho durante la última década para satisfacer la necesidad de una mayor eficiencia y menos emisiones (polvo y monóxido de carbono). En particular, se han logrado grandes avances en el diseño de la cámara de combustión, el suministro de aire de combustión y el proceso de control automático de la combustión. Para las calderas manuales, la eficiencia de la turbina de gas aumenta de 50 a 75 ~ 90, mientras que para las calderas automáticas aumenta de 60 a 85 ~ 92. Sin embargo, las calderas no se utilizan fácilmente para el almacenamiento a largo plazo porque varios biocombustibles crudos son propensos a degradarse. Y debido a su densidad energética relativamente baja, su transporte a largas distancias también resulta muy antieconómico. Además, aunque las calderas han avanzado en la utilización de la energía térmica, la utilización general de energía sigue siendo muy baja. Por lo tanto, la obtención de energía a partir de biomasa en otras formas para mejorar la utilización de la energía y satisfacer el suministro y la reserva de energía a larga distancia se ha convertido en un foco de investigación desde la década de 1980. La producción y uso de biogás mediante bioconversión es el proceso más temprano para proporcionar energía mediante bioconversión. El biogás es el principal componente del metano (CH 4), que se forma por la descomposición y transformación de la materia orgánica por bacterias metanogénicas en condiciones anaeróbicas. Las bacterias metanogénicas son estrictamente anaerobias porque sus células no contienen catalasa ni superóxido dismutasa; el oxígeno tiene un efecto letal sobre ellas. Además, tienen requisitos especiales para el tipo de fuente de carbono y los sustratos disponibles se pueden dividir en tres categorías: biogás (1) ácidos grasos de cadena corta que contienen de 1 a 6 átomos de carbono (2) biogás que contiene de 1 a 5 carbonos; átomos de n-butanol o isobutanol; (3) tres gases: hidrógeno, monóxido de carbono y dióxido de carbono. Debido a este requisito especial de sustrato, la producción de metano a gran escala plantea problemas técnicos y económicos. Etanol El etanol es el combustible alcohólico más importante. Como fuente de energía, el etanol tiene muchas características excelentes, como una amplia gama de sustratos de fermentación, incluidos casi todos los tipos de materiales biológicos originales; el combustible no tiene residuos y no contamina; combustible que es beneficioso para el medio ambiente, especialmente libre de plomo, dióxido de carbono, monóxido de carbono, dióxido de azufre, partículas y otros hidrocarburos, puede mezclarse directamente con petróleo y gas natural (el etanol representa del 20 al 30 % en condiciones óptimas); Combustible líquido para motores de combustión interna, mejorando así el rendimiento del combustible y reduciendo tres emisiones de residuos.
El proceso de fermentación del etanol es muy similar a la elaboración de cerveza y generalmente implica los siguientes cuatro pasos: (1) crecimiento, cosecha y transporte de plantas productoras de etanol (2) pretratamiento, que convierte las materias biológicas primas en sustratos adecuados para el proceso de fermentación; (3) ) Durante el proceso de fermentación, el sustrato se convierte en etanol, que se separa y extrae (4) los residuos de la fermentación se procesan para reducir la contaminación y recuperar subproductos; Puede utilizarse como materia prima para la fermentación de etanol y tiene una amplia gama de usos. En los últimos años, el uso de lignocelulosa como fuente de carbono y sistema de fermentación se ha convertido en un foco de investigación [7]. La lignocelulosa es un recurso natural renovable de bajo costo que se encuentra ampliamente en la naturaleza. Sus principales componentes son los polisacáridos (principalmente celulosa y hemicelulosa) y la lignina. Los polisacáridos se pueden utilizar como materia prima para la producción de alcohol, pero deben hidrolizarse mediante ácidos y enzimas y convertirse en azúcares antes de que las células puedan utilizarlos directamente. Este proceso es un paso clave para reducir el costo industrial de la fabricación de alcohol. La lignina no se puede bioconvertir en etanol, pero se puede utilizar como combustible para calderas o biofertilizante con otros residuos de fermentación. Fermentación de etanol El proceso tradicional de fermentación de etanol utiliza levadura, especialmente Saccharomyces cerevisiae, para degradar la glucosa en piruvato a través de la vía EMP y luego descarboxilar la piruvato descarboxilasa y reducir la etanol deshidrogenasa para producir etanol. En la actualidad, es común utilizar tecnología de ingeniería genética para integrar los genes de piruvato descarboxilasa y alcohol deshidrogenasa de Zymomonas mobilis en Escherichia coli para la fermentación y producción de etanol. En las últimas décadas, la tecnología y la eficiencia de la fermentación de etanol han mejorado rápidamente, han seguido surgiendo nuevas tecnologías y procesos y la escala de producción se ha vuelto cada vez mayor. Hoy en día, en los Estados Unidos se produce un promedio de 20 mil millones de galones de etanol anualmente a través de la fermentación, y proporciona más del 1 por ciento del combustible automotriz total del país. América Latina, especialmente Brasil, es la región de fermentación de etanol más grande del mundo. En Brasil, desde el Plan Nacional del Alcohol (ProAlcool) en 1975, Brasil ha producido casi 90 mil millones de litros de etanol a través de la fermentación de la caña de azúcar. Una gran cantidad de energía petroquímica ha sido reemplazada por etanol, ahorrando enormes gastos en importaciones de energía petroquímica. Biodiesel Biodiesel se refiere al éster metílico de ácidos grasos producido por la reacción de transesterificación de aceite vegetal y metanol. Es un biocombustible limpio. Debido a las deficiencias de la aplicación del etanol en los motores diésel (es incompatible con el diésel y no puede encenderse directamente, etc.) y las excelentes características de combustión del propio biodiésel, el biodiésel también es un punto caliente en la investigación de biocombustibles en la actualidad. Los métodos para producir biodiesel generalmente incluyen los siguientes: Biodiesel (1) Método enzimático de aceite vegetal, es decir, la reacción de transesterificación de aceite de cocina usado y lipasa para producir biodiesel. Recientemente, se ha informado que al utilizar la tecnología de enzimas inmovilizadas y agregar metanol en etapas durante el proceso de reacción, la eficiencia de producción mejora considerablemente y la vida útil de la enzima también se extiende considerablemente. (2) Fermentación de bagazo para producir diesel. (3) Controlar el nivel de acumulación de aceite para que el gen de la acetil-CoA carboxilasa pueda expresarse eficientemente en células de microalgas, produciendo así combustible diesel mediante el cultivo de microalgas. Hidrógeno El hidrógeno es otra fuente de energía importante en el siglo XXI. En la actualidad, el hidrógeno se produce principalmente en la industria petroquímica, pero debido a su alto consumo de energía, alto costo y contaminación ambiental, el proceso de producción biológica de hidrógeno se ha convertido en un foco de investigación. La producción biológica de hidrógeno se basa principalmente en la fotólisis del agua por parte de cianobacterias y algas verdes, o en la fermentación anaeróbica. Sin embargo, el alto coste de estos procesos y la dificultad de almacenar y transportar hidrógeno como fuente de energía hacen que su uso práctico sea demasiado pronto. Producción biológica de hidrógeno Además, en la industria petroquímica tradicional, hay informes frecuentes sobre la aplicación de fermentación microbiana a la tecnología moderna de extracción de petróleo para mejorar la recuperación de petróleo crudo, y se ha utilizado ampliamente en algunos yacimientos petrolíferos, como el campo petrolífero de Shengli. Esto también muestra que incluso en la energía petroquímica tradicional hay una sombra de producción de bioenergía. La bioelectricidad es el proceso de convertir la energía química de la biomasa en energía eléctrica y se divide principalmente en dos tipos: generación de energía por combustión tradicional y biobatería. La generación de energía de combustión tradicional, como se mencionó anteriormente, se puede subdividir en dos formas: biomasa (1) quemar biomasa en una caldera para generar vapor y luego usar el vapor para generar electricidad (2) quemar productos de gasificación de biomasa para generar electricidad; A diferencia de las biobaterías, el proceso de producción de electricidad es un proceso de conversión directa de energía química en energía eléctrica mediante biocatálisis en condiciones suaves. La generación de bioenergía tradicional implica quemar biomasa en una caldera para producir vapor de alta densidad, que luego impulsa una turbina para generar electricidad. Hoy en día, la tecnología está muy avanzada y se puede utilizar una amplia gama de materiales combustibles.
Sin embargo, debido a su utilización de energía relativamente baja y su baja eficiencia operativa (y su potencial de mejora a largo plazo es extremadamente limitado) y la alta presión de vapor (>:1200 atm, para aumentar la temperatura del vapor y aumentar la utilización de energía), un mayor desarrollo de la tecnología es limitado. La gasificación de biogás es un nuevo método de obtención de energía eléctrica a partir de biomasa. En lugar de quemar la biomasa directamente, aproximadamente entre el 65 y el 70 % de la energía contenida en la biomasa se utiliza en un proceso que primero se convierte en vapor combustible. El gas producido, al igual que el gas natural, puede utilizarse para la generación de energía, la conducción de automóviles y se utiliza ampliamente en la industria. Se puede decir que esta nueva tecnología tiene un gran potencial de desarrollo. Hay dos mecanismos principales de generación de energía de las biobaterías: (1) En el reactor, las materias primas se convierten en productos combustibles, como H 2, que se oxidan para generar electricidad en equipos de generación de energía en serie, como se muestra en la Figura 1A o microbiana; Se combinan la fermentación y la producción de electricidad, los metabolitos de los microorganismos transfieren directamente electrones con óxidos (O_2 o H_2O_2) a través del medio de transferencia de electrones en el electrodo para generar electricidad, como se muestra en la Figura 1B. (2) Utilice oxidorreductasa inmovilizada en el electrodo para oxidar y reducir sustancias combustibles específicas y sustratos oxidados para generar electricidad. El principio básico de este proceso se muestra en la Figura 2. Dado que la mayoría de las oxidorreductasas no pueden transferir electrones directamente utilizando portadores conductores, se han desarrollado una serie de mediadores de transferencia de electrones. Recientemente, se han informado sobre algunos electrodos funcionales novedosos que cubren biocatalizadores de una o varias capas. La combinación de un único electrodo de membrana bioactiva no solo garantiza la tasa biocatalítica, sino que también acelera en gran medida la tasa de transferencia de electrones de la interfaz y reduce la resistencia interna de la batería, asegurando así el desarrollo de la miniaturización y la estabilidad de la biobatería. Pequeñas, portátiles, eficientes, estables y de larga duración son las direcciones de desarrollo de las biobaterías. Idealmente, las baterías enchufables pueden utilizar sustancias combustibles naturales (como glucosa, etc.) para generar energía eléctrica de manera eficiente y continua para diagnóstico médico y otros fines, como respaldar el funcionamiento normal a largo plazo de marcapasos y sondas en el cuerpo. Ventajas de la oxidorreductasa de electrodos A medida que aumenta el precio de la energía fósil, el valor de utilización de la energía de la biomasa se vuelve cada vez mayor. Además de la tradicional leña, paja y bagazo de caña de azúcar, también se han cultivado con éxito plantas de alto rendimiento utilizadas específicamente como combustible. Como combustible para calderas, el uso de desechos de madera o combustible vegetal para reemplazar el carbón o el petróleo no solo ahorra energía fósil no renovable y costos de consumo de energía de las empresas, sino que también causa menos contaminación ambiental porque los desechos de madera casi no contienen azufre. Tiene las siguientes ventajas: Combustible de biomasa (1) El combustible de biomasa tiene un gran poder calorífico, alrededor de 3900~4800 kcal/kg, y el poder calorífico después de la carbonización llega a 7000~8000 kcal/kg. (2) El combustible de biomasa tiene una alta pureza y no contiene otras impurezas que no sean de calefacción. Su contenido de carbono es 75-85, el contenido de cenizas es 3-6 y el contenido de humedad es 1-3. (3) No contiene en absoluto impurezas como ganga y piedra que no generan calor pero lo consumen, lo que reducirá directamente los costos para las empresas. (4) El combustible de biomasa no contiene azufre ni fósforo y no corroe las calderas. Puede prolongar la vida útil de las calderas y las empresas se beneficiarán enormemente. (5) Dado que el combustible de biomasa no contiene azufre ni fósforo, no produce dióxido de azufre ni pentóxido de fósforo cuando se quema, por lo que no provocará lluvia ácida ni contaminará la atmósfera y el medio ambiente. (6) El combustible de biomasa es limpio y fácil de alimentar, lo que reduce la intensidad laboral de los trabajadores y mejora enormemente el entorno laboral. Las empresas reducirán los costes laborales. (7) Después de quemar el combustible de biomasa, quedan muy pocas cenizas y escoria, lo que reduce en gran medida el espacio de almacenamiento de cenizas y reduce el costo de eliminación de escoria. (8) El residuo de ceniza después de quemar combustible de biomasa es un fertilizante de potasio orgánico de alta calidad que puede reciclarse para generar ganancias. (9) El combustible de biomasa es una energía renovable dotada por la naturaleza y una bomba de profundidad que responde al llamado del gobierno central para construir una sociedad orientada a la conservación y para que la industria apoye la agricultura.