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发布时间:2012-01-08   来源:文档文库   
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毕业设计(论文)英文文献翻译


译文题目 生物质能利用技术及其未来发展趋势研究 热能与动力工程 0814 2008720111 指导教师 丁晓映

机械工程学院



美国潜在生物质能利用的碳补偿系统
L . L .莱特
美国 田纳西州37831橡树岭 橡树岭国家实验室环境科学划分
E . E .休斯
美国 国航94303帕洛阿尔托电力研究所一代和可再生能源发电项目

摘要:在上一次的分析假设了技术在将来的某个时候,大约20%的美国1990 C的排放可有效地避免的生物质能源技术替代化石能源。被发现的短轮伐期木本作物(土壤相对含水量)林专用原料供应系统(六西格玛)能提供最大的碳减排潜力。高效生物质发电系统的转换技术提供了最大的碳排放还原电位,本文评估所需的速度技术的实现及时间达到减少20%的目标。在原料供应方面,新种植的植物必须安装在一个平均速度1×106公顷每年,而每35年平均率将增加1.5%随着政府研究的支持,高价值农作物的已经有了这样大的增产。在发电方面,它要求直接采用有用的技术,以净效率达33%或更高(如整棵树能源技术,安装大约有5000兆瓦每年的新能力,快速开发和部署的更高效率的技术,使得在2030年的平均水平效率达到42%如果这些技术可以达到改变一个线性速率,在接下来的35年美国C减排速度才能达到大约0.6%每年。
1.简介
生物质能源系统是由一个范围广泛的技术变化和在原料和转换系统的使用,有效率生物质转化为有用的能源,并获得成本和他们效益。大规模利用生物质能在能源领域的两个主要选择,发电和交通运输的液体燃料。发电替代燃煤电力木本DFSS被发现大约两倍,在抵消碳排放的有效转换的木本作物,以乙醇汽油替代(Graham等,1992年,Wright等,1991)。为了满足为C减排目标所建议的框架公约气候变化在19926举行的联合国环境与发展会议和发展,必须制定C失调的最佳战略。由于生物质能源系统需要使用土地资源,是非常重要的selectand开发的系统,获得土地的最低使用最大的能源输出和C减排。
土地用途之间的冲突是一定要发生,越来越多的人搜索地方居住,工作,种植农作物,生产禽畜,生产纤维素资源,康乐及生物多样性保护的野生地区,并指定领域封存C。寻找方法以满足所有这些需求,将不断增加挑战。马兰和马兰(1992)的分析,2


建议50年的时间跨度,木本DFSS的耕地结果建立在一个较大的C将造林土地产生更大的潜力比抵销比4.0 MGC每公顷每年生物质能系统,能量转换效率能达到33%或更高。 我们前面的分析的C排放量减少生物质能系统的潜力建议低于1990年水平20%,可以实现“未来”通过使用木本DFSS的燃料高效生物质电力系统。这一分析目标时间定为2030年和评估所需要的变化率SRWC和生物质发电系统,以满足到2030年,20的减排目标。因素考虑的内容包括开发和建设新的,高效率的可能性发电能力,实现快SRWC产量的可能性增加同时扩大原料生产基地的土地,SRWC系统土壤碳封存可以使会议的贡献目标。
2.碳的估计偏移电位
抵消美国潜在的C预算要求的若干假设原料产量,可用土地面积,转换效率高,料替代的因素,C输入生产原料(Graham等,1992年)。计算C抵消潜在的信息需求,可以分解成以下四个类别:
作为功能原料的金额:(生物产量/公顷,收获和储存损失,数公顷); 作为函数产生的能源量:(原料,转换效率量);
化石燃料的函数流失:(产生的能源,替代燃料的因素,化石燃料的C级); 碳网的功能失调:(化石燃料流离失所,C输入到原料,C封存)。
所有这些假设应该锻炼环境方面的考虑。虽然六西格玛和空气所提供的土壤和水质的环境效益质量效益先进的转换系统所提供的可能是非常积极的,那些
属性将得到证实。当前和未来的法规和有关污染的潜在的社会关注,最初缓慢的生物能源系统的实施。延迟实施先进的生物量能源系统,也可能对环境的负面风险。技术的开发人员必须敏感和响应当地的环境问题,同时追求实施的技术保证,全球环境目标的实现。
2.1 原料的潜力
土地数量可能在美国经济提供能源作物的生产估计为1428× 106公顷(赖特等,1991)。较高金额的28× 106公顷,相当于约17.5%(1993年,格雷厄姆在美国被认为是能够不断增长的能源作物的农田)。土地保护储备计划(CRP)目前已假设是最有可能被用于能源作物生产的土地。不过,大部分土地位于大平原,这是不是非常有成果3


的,也不是一个高电力需求方面。此外,即使在相当适合能源作物生产的国家的地区,CRP的土地往往是最少的生产力和盈利能力的农田。最好的情况下,可能存在CRP土地和木材能源作物需求之间的比赛将在农田与温和湿润。木本作物,如杨树,sycamores银槭树,高水分的要求,这些土地可能会执行非常好,如果杂草控制问题可以解决。 15年的研究,由美国能源部在经济上可行的发展,木本六西格玛已表现出相对较好的优质土地的需要,达到高产量。由现行的农业政策的制约,供应成本分析表明,最有可能被转换为专用原料生产的土地将质量较好的耕地,特别是当它靠近能量转换设施Graham等,1993)。可以种植的原料量取决于土地的位置,类型和可转换为原料生产以及选择的植物材料。在图1所示的产量范围主要是一个网站的质量和植物的基因构成的功能。在西北太平洋地区的产量高的实验和商业都可以归结到选定的克隆植物材料,良好的气候,建立和肥沃的土壤实验和商业栽培的可用性。该国其他地区没有西北太平洋的有利气候条件,也没有选择克隆植物材料的商业可用性。商业收益是不可能永远等于在图1中显示的记录产量因气候变异,不完美的管理技术、环境方面的考虑。如果提高植物材料和技术转让方案被广泛使用,在商业基础上成就更大的阴谋收益率应该是完全可能的。
作为代表目前DFSS选择的净收益11.2毫克11公顷水平技术假定土地类型和物种或品种之间的精心匹配,最佳杂草控制技术的成功使用,并没有意外的疾病或虫害问题。实现大多数木本作物等产量出现需要水,树木是一年中之最。以前出现低洼地受洪水每年一次或两次可能是非常适合的树木,但限制为一年一度的作物,有超过40×106公顷的比较好的田在这个类别在美国。土地中,有将近一半是在美国北中部地区,但美国的所有部分包含这些土地,这似乎是一个相当不错的潜力,也将在经济上提供合适的土地木本DFSS
图二显示之间存在关系的平均产率假设和可利用土地基地总额的计算(正义或我×1018 J原料可生产,对EJ计算得到乘以总净镁的原料生产原料的平均能量含量,总净镁等1公顷每年产量减去收获和处理损失)X公顷数)收获和处理损失之间有很大的不同原料和处理系统。他们可能是小如5%或更少的收获和拖拉在整个形式的掩护下干的树木,但高达1720%的树木在现场插话和储存6个月或以上的开放条件下的大。2中的曲线(最初是为另一个文件)假定平均能量含量18.5毫克1源自内平均较高的加热能量值木本和草本作物。曲线的设置,允许生产的初级能源需要公顷,平均净产量近似参考。这些曲线清楚地表明实现DFSS的平均产量高,根据有关土地供应的的任4


何假设的重要性。

2.2能源生产潜力
从生物质发电是一种转换技术,这一点已经用在商业用途,这些技术的使用固体燃料,液体或气体燃料。几乎所有这种现有的发电原料是木材,大多是木材废料已经在木制品行业的手中的残留物,尤其是纸浆和造纸行业。(液体的中间产物,即“黑液”是一个相当大一部分实际上美联储在纸浆和造纸工业锅炉的燃料,即使在这种情况下,原来在纸浆/造纸过程中的原料是木材的固体形式,通常芯片的2.55.0厘米,顶部的大小。)该技术目前用于商业发电从木材或其他生物燃料是链条炉排锅炉,锅炉hydrograte商标和流化床燃烧锅炉(循环)。所有三个接受燃料形式的刨花(或其他固体生物质残渣)和燃烧的燃料主要是在床上或在锅炉的底部,产生蒸汽,在汽轮机/电机装置被转化成电能。所有这三个锅炉技术不断移动的未燃尽的燃料(即,灰)的锅炉链条炉排通过持续缓慢移动的地板,该hydrograte商标通过振动水冷管炉排构成,并通过分离循环流化床灰渣沙形式的大多数群众的床,床流化床空气吹从在下面。
现有生物质燃料发电的一般特点是相对小单元的大小(在10 - 50万千瓦的范围,大多少于30万千瓦)和低效率(为了对热值的基础上提出了更高的净效率20%,或17,000 BTU或每年17918 J的热量率千瓦时)。低效率的原因是经济的决定反映了小单元尺寸和燃料成本低,往往是现成的废料。(约5060万千瓦)最大和最有效的有效率接近25%。这些植物柴禾燃料,经常被大约50%水分,重量在潮湿的基础。水分含量高,有助于锅炉效率低,在65%至70%的范围内,8489%,锅炉效率,预计200兆瓦燃煤锅炉相比。 Johnston等,1991)。
未来的柴火,和其他生物质为燃料的发电厂,预计要高效率。更高的效率将造成1市场的力量,假设生物质废弃物和残留物,不那么容易和成本更在未来;(2)成功的研究和开发工作;3选择规模较大的单位(在100兆瓦或更大,甚至到400兆瓦)非常先进的技术,如燃料电池过程,净热效率可达到50%或更高(热值较高的基础上)在未来两到四十年。高温,修改的朗肯循环(与直接燃烧的蒸汽涡轮机)提供一个机会,实现比较高的效率,使用生物燃料。目前正在采取步骤,以优化效率,生物量转换(1利用现有的高效蒸汽循环eofire煤炭木材和(2)规划为一个示范工厂采用全树能源技术。
电力研究所EPRI共同主办的共烧的案例研究选项和赞助评估Johnston等,19915


和现场测试(Ostlie等,1993),整个树能源以旧换新选项。这些选项都能净热效率,对较高热值的基础之上,30%[事实上,两者都是预期将木材电功率与热率约1000010540连接)/千瓦时,即,约34%的净热效率。]木材与煤混烧已经在美国一些商业运营几十年(ostlie,个人通信)和最近的一些实验条件。在这些操作或只是一个小的试验条件一部分热量的输入,对锅炉的,通常是5%或更少,是由木头制成的。因为燃烧环境是由初级燃料(煤炭,并不是一个高含水量燃料,燃烧中,发生在一个相对小的热量损失速度(大约10%。大尺寸的燃煤机组(200年至500MWe允许蒸汽循环来实现规模经济,因此在接受更高的性能成本,给网络效率,34%的范围内典型的大型、高效燃煤机组。由电力科学研究院共同主办的个案研究(与田纳西河流域管理局和美国能源部)调查百分比较高的共燃木材贡献的热量在10%至15%的范围内。通过从常规煤粉锅炉(微小颗粒悬浮燃烧锅炉)或cyclone-fired(大颗粒煤燃烧中的渣煤灰旋转流动的墙壁圆柱桶)到新的流化床锅炉燃烧(燃烧),公用事业可以cofire木在更高的比例,称为50%。然而,目前还很少有流化床锅炉实用服务。
联合发射提供了一个市电引入木材烧制的低资本成本的选项系统。锅炉,汽轮机/发电机和植物的平衡已经存在。从市民的角度寻找一种低成本的方式来实现二氧化碳中性的好处,而不是使用化石燃料的一种可再生的燃料,共燃看起来可能是一个显而易见的选择。然而,从已经对煤炭经营现有能力的效用的角度,木材共燃不添加任何新的能力(即,没有额外的兆瓦)。此外,汽车相伴的经济效益额外费用增加木材处理、木材干燥(需要的情况下4 ~ 7%中的以上热源在煤粉单位和木材射击的好处是避免污染控制(很可能是这么两句控制,避免了CO2排放,并可能会找到足够的柴火效益成本低于煤炭。在税收或限制二氧化碳排放量的情况下的收益可能很小,而且,因此,合作柴火的经济诱因,也可能很小甚至为负。
whole-tree-energy商标专利技术是一项专门的木材燃烧(100%木材燃料)在新的或改装锅炉。电力科学研究院主办的评价(Johnston等,1991)指出这种技术可能是一个低成本的方式,从木材生产的电力0.046/kWh美元相比,新0.062/kWh状态估计的电力成本先进的燃烧50%的水分木片和0.057/kWh美元用于新的燃煤二氧化硫去除烟气洗涤器的植物。(本厂规模用于评价100兆瓦的树和木片案件和200千瓦的煤。)Whole-Tree电厂的成本优势,预计来自该技术的以下几个特点:(1不切削成本和收获操作,自由的延误或时间限制可能强加于切削操作; 2)搬运和堆积木的自然形态的干燥;(3)提高锅炉效率,燃烧速度和燃烧的完整性因使用了干燥的木材; (4类似于燃6


气锅炉燃烧,上面床的整体树木产生燃气,因为他们被加热、挥发; (5有效的蒸汽循环采用高压、高温过热和再热汽; 6)烟道气清洗和冷却冷凝换热器传热的(7)用空气干燥的树木,也从烟气中的磨砂微粒;消除了许多项目,新增燃煤电厂的成本,如SO 2的,洗涤器,煤仓,磨煤机和相关起动,控制和电气布线,结构钢和基础。
如上所述,有几个特点,Whole-Tree是不同于当前存在的生物质发电系统。木材处理其自然树的形式,直到只在燃烧前。收获后运输到发电厂厂址,Whole-Tree是堆积在一个高烟囱(如一些直径120米的圆形图案3050米高)在帐篷结构。树木干的典型4050%水分下降到低于25%的水分温暖的空气(余热,否则上烟雾堆栈)。干燥后,树是从堆栈中删除和随机下降到一个开放的输送通道的移动在间歇性的步骤,锅炉。靠近锅炉,树木一批起伏负荷部分的长度接近,锅炉壁(可能约810米)。木推到2级密封门和内存系统,扔进锅炉,燃烧在一个三级燃烧过程。燃烧过程中利用在较低的水分含量干燥木材进行完全燃烧与较低的总过量空气(10- 15%)。这带来了高温空气燃烧与低水平的排放。在深床整个树木,很像一个锅炉燃用天然气的建。大部分的释放能量的燃料是热在床的上方,当气体燃料释放的挥发的木材燃烧在高(2535米)以上的空间,燃料床(床深度约45米)。全面实施,Whloe-Tree的概念还包括创新的种植,收获,和运输的原料。虽然该系统可以用木材林超龄,下降和残留的伐木作业,优化环境系统的好处是来自使用DFSS 2.3 化石碳排量
如果转换效率是相同的,少量的原始能量水平的生物量和煤炭生产所需的千瓦小时的电力,煤或生物量也是相同的。一个简化假设我们的分析是,转换效率的新的生物质能源系统将类似于那些煤炭系统被淘汰。最现代的燃煤设施转换效率平均大约33%,但可以更高。将来工艺转换效率转换煤炭能源预计将大大改善(斯塔尔等人。,1992)。改善煤炭转化技术将适用于生物质。
另一个经常被提出的木材取代煤作为原料时比较,是相对吨位所需的木材和煤炭。由于木材是与交付远高于煤炭含水量和每稍低的能量含量单位干重(分烟煤相比),更大的吨位交付原料,将要产生相同数量的电力。交货和储存的原料,社会和环境的影响可能有助于限制使用生物质能量设施,特别是那些位于城市中心附近。从积极的一面,然而,更大数量较小的能源生产设施遍布美国的农村部分可能有非常积极的经济影响和积极的环境属性。

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2.4净碳抵消
最大效益的生物质能源系统可以归因于所取得的成效留下化石碳燃料地。这个好处是累积时间。然而,六西格玛设计还提供了大量的固碳在土壤和平均常备库存生物质材料。平均产量增加,数额站荤公顷- 1估计从16.8增加至27.7毫克。这是最大下沉的树木,达到年底的第一旋转任何公顷。价值,接收器必须分成了数年而进行的分析是为了增加价值的累积碳抵消了化石能源的替代。如果一个值除以35年(19962030),年均值的碳螯合在树木的不同从0.480.80毫克荤公顷1-~
也可能发生在土壤中的C增量提供了一个额外的碳汇。但是,它不能被假设,土壤碳将永远是DFSS的用地上递增。其实牧场,湿润bottomlands,泥炭土,DFSS的可能转换结果在初始土壤C.以上及地下C损失会发生的损失如果林地转化为木本作物种植。这是不建议森林能源种植园被清除。最近发表的评估后
文学,兰尼等人,1991的结论是,在土壤C水平的变化可能范围之间达到平衡之前,获得了10毫克每公顷到15毫克的损失。
最近的一些实验资料(汉森,1993)表明,土壤碳的增加值年均约1.24毫克三年1的前1820年的收割杂交杨树站建立在以前的管理行作物的土地。这是由比较土壤碳含量的土壤中的立场和相邻的行作物。比较表明,土壤C增量发生低于30厘米的深度和土壤表面的C水平相似中耕土地。
实验数据是不够的,预测的时间内,这些将继续增加,以及在何种程度上收获6- 12间隔影响碳周转率。由于未知,我们的计算是在一个保守的假设,土壤碳可能增加约1毫克碳有1年在第一个12年的种植园后,一个平衡假定发生。为了简化计算,平均土壤碳增量的0.3毫克每公顷~1年被用来在35年期间我们的计算(1995-2030)。 如果假设是固碳添加到碳抵消所取得的化石燃料的替代,那么总碳抵销每公顷增加至6毫克荤公顷119.7毫克每公顷1”~2030应该指出的是,该偏移值已减少了碳排放导致木本经济作物种植管理活动(姆等人。,1992)。 2.5 转换潜力的现实
利用全球碳效益提供生物质能源系统将是复杂的,因为它需要改变态度,习惯,和机构在农业,能源,环境和社会阶层。然而,兴趣越来越强,新政策正在通过新技术启动,和公用事业是认真寻找在共烧和所提供的机会。讨论的优点和缺点的碳税和激励可以发现几乎每日的新闻。分析表明,生物质能源公用事业和植树造林将在成本较低的可供选择的会议减少排放要求的同时满足能源需求。
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一套假设,实现了理论的目标是减少化石燃料排放量的20%,包括美国;(1)土地基28×1062)平均交付生物质产量18.5公顷每年(3)平均转换效率为42%。表1显示,使这些假设的现实,2030,美国需要种植约106公顷每年建设或改造5000兆瓦的生物电容量每年。此外,六西格玛的商业收益率将提高1.5%左右,和转换设备将提高效率以每年0.7%。由于装机容量和建立种植园将难以改善,其含义是,由当时2030种方法,一些新的能力将作为50%或更高的转换效率和一些种植园将实现产量高于18.5毫克每公顷每年。重要的问题是,这些变化率的想象?
有几种煤和木材转换技术的发展,并在示范阶段,有可能实现的净效率3441%(斯塔尔等人。,1992)。现代商业煤站有效率为34%或更高,他们提供的机会,木材烧的效率。整个树能源技术提供了一个新的,wood-specificsteam-cycle技术,有3340%的潜力和目前正准备进行工业试验很少,如果有的话,额外的研究。技术开发者认为,高温蒸汽循环可以提高效率
50%ostlie,个人通信)。气化系统也将实现的效率,范围在50%(能源部,1992)。化石燃料的效率改善,超过50%的预期来自燃料电池的发展。熔融碳酸盐燃料电池,是目前的重点发展,可以直接取代燃气轮机集成在一个周期。所有这些先进的系统具有较高的资本成本,但持续的发展和外部环境的预期使他们竞争与使用煤作为原料(斯塔尔等人。,1992)。他们将可能是更具竞争力的木材是用来作为部分或全部原料。
为了完成过渡到高效生物质能源系统,所以提供专门的生物质原料必须得到保证。因此,除了产业转型,美国必须解决的挑战,引进新的农作物大量土地。大豆提供最近的类比所需能源作物。在二十世纪二十年代以前基本上是一个未知的作物大豆。之间的19241979,种植面积从0.18增加到28.58×106公顷(荷兰和威廉姆斯,1984)。增加种植面积和平均收益率是相当稳定的那段时间。改进的平均产量增加每年1.9%速度从192419805085%由于遗传改良和其他农艺措施。而大豆主要是的成功,其他一些作物的引进导致失败(jaycor1985)。理由为这些成功和失败,应仔细研究。
平均提高产量的变化顺序,每年1.5%在基础经验上是可能的,主要农业作物(表2)。在30年期间,已观察到增加高粱产量平均每年7%电流的增加幅度在1.52%年属两个杂交玉米和大豆表明商品产量增加近每年2%以上,50年以上的时间框架。所有这三种情况下,主要产量增加被视为所有在一次与介绍大大改进遗传材料。由农民通过也很快,平均产量能够迅速上升。棉花和小麦产量上升缓慢,可能已经达到了高原,9


进一步增加产量预计将非常缓慢。伊万斯(1980)表明,平均增加产量潜力在0.51%的有许多不同的作物。
有了无性繁殖技术的可用性,大木本作物的增产潜力是完全可能的,可以实现初步的进展。取得的成果通过育种和基因改造,可以迅速捕获基因型的副本的大量繁殖。这种潜在的进步已经混合杨树工作上的刀片证明(海尔曼和Stettler1990年)。从环境和减少风险的角度来看,这将是非常重要的木本作物不仅限于少数基因型。因此,遗传进展将需要同时在几个品种。在遗传一旦最初的进步改善是通过克隆技术来实现,它可能是非常困难的看到在每年的农作物提高产量保持率。 “树木的繁殖周期慢得多,每个养殖周期的产量提高一般不会很高。年的平均产量增加1.5%,商业代表乐观,但不是不可能的,想法可以实现的。
如果双方的木本作物增产和转换技术的改进发生作为推测,大约10×10~中生质能源可以产生2030个不发光的额外的碳到大气中(表3)。如果取代煤基发电,约272×106毫克会被抵消。如果实用的排放量的增加2%-~在未来35内将增加一倍,目前的水平。因此1989排放478×106毫克碳将增加到956×106毫克的水平的减排实现生物质能源,因此到2030年只有约三分之一的碳排放抵消。
技术进步率的需求都很乐观也是可实现。然而,利率的遗传改良所需的木本作物只有实现农业作物接收大量的研究和技术转让的支持。同样,技术的进步,生产所需的转换系统与大于40%的转换效率将需要重要的研究工作。它可能需要水平的支持,现在致力于发展“清洁煤”技术。这是一个很庄重的承诺,政府和企业一起工作明确要求。

3.认证
本文制备的能源作物生产的研究报道了生物燃料已经资助系统事业部,美国能源部在合同《AC05- - 84 - OR21400能量系统》和马丁。马芮娜公司的股份有限公司。
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本文来源:https://www.2haoxitong.net/k/doc/d3d3101355270722192ef7de.html

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