第二章-新能源材料--生物质能材料

第二章生物质能材料本章学习的主要任务：（1）了解生物质、生物质能、生物质材料的基本概念（2）了解生物质材料的分类（3）掌握将生物质能材料转换成能量的技术及原理包括：气化、固化、燃烧、厌氧发酵等（重点）生物质是指直接或间接利用大气、水、土地等通过光合作用而产生的各种有机体。广义而言生物质包括所有的植物、微生物以及以植物、微生物为食物的动物及其生产的废弃物。狭义上主要是指农林业生产过程中除粮食、果实以外的秸秆、树木、加工废料、农林废弃物及动物的废弃物等物质（无生命、废弃物）。特点：可再生性、天然性、广泛性。2.1基本概念—生物质、生物质能、生物质能材料2.1基本概念—生物质、生物质能、生物质能材料生物质能是直接或间接地通过绿色植物的光合作用，把太阳能转化为化学能后固定和贮藏在生物质体内的能源。特点：大量，广泛，可再生，可持续。通过复杂的光合作用，每年贮存在植物的枝、茎、叶、根中的太阳能相当于全世界每年耗能量的几倍；它还是唯一的可再生碳源，具有可持续性，是减排CO2的最重要的途径；可转换成常规的固态、液态和气态燃料，使用方便。生物质能材料：主要指以绿色植物及其加工剩余物和动植物废弃物为原材料，通过直接利用或物理、化学和生物学等技术手段进行加工，以有效获取生物质能的材料。2.1基本概念—生物质、生物质能、生物质能材料特点：生物质材料由C、H、O、N、S、P等元素组成，还包括少量的K、Na、Ca、Mg、Fe、Zn、Cu、Co、Se等元素，是空气中CO2、水和太阳光通过光合作用产生的生物质，成本低廉；其挥发性高，炭活性高；N、S含量低，灰分低。生物质能材料种类繁多，有多种利用技术。燃料的工业分析：燃料=水分+挥发分+灰分+固定碳燃料的工业分析：燃料=水分+挥发分+灰分+固定碳水分：挥发分：实验中将煤样在隔绝空气条件下高温（900.C）加热，从煤中有机质分解出来的液体和气体的总量中减去水分，就得出挥发分。灰分：灰分是指煤完全燃烧后剩下来的残渣。这些残渣几乎全部来自煤中的矿物质。固定碳：是指除去水分、灰分、挥发分后的残留物，从100%减去煤的水分、灰分和挥发分后的差值即为煤的固定碳含量。固定碳的化学组分，主要是为碳元素，另外还有一定数量的氢、氧、氮、硫等其它元素。2.2生物质能材料种类生物质材料非常广泛用于生产能量的生物质材料包括范围非常广泛，来自农场和天然林地的薪柴，为获取能量而种植的农林作物、农业、工业的废弃物、城市固体废物、水生植物、微藻等都可以利用作为生物质能材料。1.木材燃料：由人工森林、天然森林和天然林地提供的薪柴、木炭等各种形式的燃料。受国家林木保护政策的限制，这种形式的利用目前较少了。2.2生物质能材料种类2、农业废弃物：农业方面每年都产生大量的废弃物，但其中大部分都没有得到充分利用。一般说来，干的农产品中25%的物质是废弃物。2.2生物质能材料种类农业废弃物的利用生物质原料破碎干燥成型后处理综合而言，把农业废弃物用作能源是非常有前景的，在我国，每年大量的农业废弃物不能有效利用，农民进行焚烧，导致雾霾天气等诸多问题，因地制宜，因材施技，是一个具有挑战性的课题。2.2生物质能材料种类3.能源作物2.2生物质能材料种类高糖类草本作物高粱、玉米、木薯、甘蔗等草本作物可用作生产糖和酒精的原料。短轮伐期林木能源造林与造纸用林没有实质上太大的区别，二者的目标都是既要产量高又要使生长期短。植物性油料作物植物油本身（或与柴油混用）可用作内燃机的燃料。可提取植物油材料包括：大豆、花生、葵花子、棉籽、蓖麻子等。2.2生物质能材料种类作物生物质材料可以带来很多好处，如一旦需要便可迅速增加生产，常常只需一个生长季度的准备时间，守护18亿亩耕地红线，阳光、空气、土地是生物质材料的原料。习总书记“金山银山”理论…….4.城市废物、废液：城市固体废物城市固体废料是指家庭、商业活动、机关和工业部门所产生的固体废料。城市固体废料必须进行处置，可以通过焚烧的方式使其发电和供热，也可用于发酵生产副产品—甲烷气。2.2生物质能材料种类垃圾分类回收有利于利用城市固废作为生物质能材料。需要指出，燃烧固体废料会可能导致大气污染，所产生的污染物应特别予以注意。可能会产生二恶英、含氮、硫氧化物以及重金属等，必须加以控制。废液（污水）人类日常生活中产生的污水具有可观的能源潜力。污水经过厌氧发酵可产生甲烷气。在污水厌氧处理方面已有多年的实践经验。厌氧生物发酵时，要注意材料的营养成分调配。生物质能材料分类5、还有一些有潜在价值的水生植物，繁殖蔓延相当快，在有污水和工业废水的地方，或从肥沃田地里排出的水里，这种植物的密度最高。它们繁殖迅速和易于收获的特点，使其成为一种适合进行厌氧发酵的碳原料。过度繁殖的水葫芦2.3生物质材料转化为能源的技术通常把生物质材料能通过一定方法或手段转变为燃料物质的技术称为生物质能转换技术。生物质能材料转化为能源可根据利用方式分为两类——传统的和现代的。现代生物质能是指那些可以大规模用于代替常规能源即矿物性固体、液体和气体燃料的各种生物质能。传统生物质能它包括所有小规模使用的生物质能，主要限于发展中国家。2.3生物质能化学转换技术—直接燃烧1、直接燃烧：生物质直接燃烧是最普通的生物质能转换技术。把生物质的化学能转化为热能。生物质能化学转换技术：直接燃烧直接燃烧可以表示为如下反应：有机物质+O2CO2+H2O+能量此过程是光合作用的逆反应过程。在燃烧过程中，将贮存的化学能转变成热能释放出来。除了碳的氧化外，此过程中还有硫、磷等微量元素的氧化。直接燃烧的主要目的是取得能量。燃烧过程中所产生的热可用于发电，也供热给需要热量的地方。生物质能化学转换技术：直接燃烧燃烧过程产生热量的多少，除因有机物质种类不同而不同外，还与氧气（空气）的供给量有关。可以进行直接燃烧的设备形式很多，有普通的炉灶，也有各种锅炉，复杂的内燃机（用于燃烧植物油）等。生物质的燃烧过程是强烈的放热化学反应。燃烧的进行除了有燃料本身之外，还必须有足够的温生物质能化学转换技术：直接燃烧度和适当的空气供应，燃烧过程可以分为预热、水分蒸发、析出挥发物和焦炭燃烧等几个阶段。几个阶段是连续进行的，当挥发物着火燃烧后，气体便不断向上流动，边流动边反应形成扩散火焰。扩散火焰中，由于空气与可燃气体混合比例不同，因而形成温度不同的火焰。比例适当，燃烧好，温度高；比例不恰当的燃烧不好，温度低，生物质能化学转换技术：直接燃烧进入炉膛的空气过多或过少时都会造成扩散火焰的熄灭。C的燃烧，理论上可按下列二式进行：C+O2CO2；2C+O22CO而实际上在高温下，氧与炽热的焦炭表面接触时，CO与CO2同时产生，基本上按下列方式进行：生物质能化学转换技术：直接燃烧4C+3O22CO2+2CO；3C+2O2CO2+2COCO2与CO的多少由温度和空气的供给量决定，900-1200℃主要按照前式进行，1450℃以上主要按后式反应。温度更高，则CO2在扩散过程中与炽热的焦炭发生C的气化反应，这是一种会促进固定碳的燃烧的还原反应。生物质能化学转换技术：直接燃烧由于炉膛中有水蒸汽存在，它也会向焦炭表面扩散，当它与炽热焦炭相遇时，同样会发生碳的气化，产生H2或甲烷气体，反应式如下：C+2H2OCO2+2H；C+H2OCO+H2；C+2H2CH4水蒸汽对碳的气化比二氧化碳的作用快，所以炉膛中有适量的水蒸汽，可促进固定碳的燃烧。生物质能化学转换技术：热化学过程2、生物质气化及热解（热化学过程）：利用空气中的氧气或水蒸汽将固体燃料中的碳和氢转换成更有价值或是更方便的产品的基本热化学过程是高温分解。在此过程中，还伴随有碳与氢的反应。分解后通常形成混合气体、油状液体和纯焦炭。这些产品的比例取决于原料、反应温度和压力、在反应区停留的时间和加热速度等。生物质能化学转换技术：气化热化学过程主要有三大类：气化、低温分解（生产木炭），直接催化液化法（利用生物质生产液体燃料和化学物质的方法）。气化气化技术是一种常规技术。它的首次商业化可追溯到1830年。气化是为了增加气体产量而在高温状态下进行的热解过程。生物质能化学转换技术：气化生物质气化的装置称为气化器。气化器有多种形式的，常见的是底座固定型的立式气化器。理论上讲，气化和燃烧都是有机物与氧反应，但燃烧的主要产物是二氧化碳和水，并放出大量的热，所以燃烧是将原料的化学能转换成热能；气化反应放出的热量要少得多，气化主要是将化学能的载体由固体变为气体，气化后的气体燃烧时再释放生物质能化学转换技术：气化出大量的热量。使用中，气态燃料比固态燃料具有许多优良性能：燃烧容易控制，不需要大的过量空气，燃烧炉具比较简单，燃烧过程中没有颗粒物排放且气体污染较小。气化过程主要由高温氧化和还原反应构成，还有固体燃料的干燥与干馏过程。固体燃料气化时所应用的设备称为气化炉。生物质气化炉与煤气气化炉类似，下面以煤气发生炉为例，说明气化的基本过程。煤气发生炉是一个钢板作成的直立圆桶，内用耐火砖或耐火泥。通过上面料斗加料，燃料支在炉栅上，炉栅下鼓风，得到的燃气从燃料层上面的出气口引出，渣和灰结集在炉栅上，经隙缝落下去。生物质能化学转换技术：气化发生炉工作时，在炉栅附近的燃料遇到炉栅下通过的空气而全部燃烧。在炉栅上形成灰渣。空气经过灰渣层略为加热后，进入燃烧层（氧化层），这里氧气与碳反应，生产二氧化碳，也有一小部分一氧化碳。氧化层上方是还原层，在这里，由于遇到炽热的燃料，二氧化碳被还原成一氧化碳，水被还原成氢气。炽热的气体再向上走把燃料中的挥发生物质能化学转换技术：气化物蒸馏出来，形成干馏层（热解）。这里加入炉子的燃料逐渐由半焦变为全焦，干馏产物也混合在煤气中，这里出来的煤气还有很高的温度，再把上面的燃料加以干燥。发生炉可分为四层，从下向上依次是：1）氧化层氧气在这里烧完生成大量的二氧化碳，温度达到1200-1500℃，甚至更高。生物质能化学转换技术：气化同时，有一部分碳，由于氧气（空气）的供应量不足，便生成一氧化碳，放出一部分热量。2C+O22CO在此层中主要是产生二氧化碳，一氧化碳的生成量不多，水分也很少分解。2）还原层此时没有氧气存在，二氧化碳和水蒸汽被还原成一氧化碳和氢气，进行吸热反应，生物质能化学转换技术：气化温度开始降低，一般在700-900℃。CO2+C2CO；C+H2OCO+H2；C+2H2OCO2+2H2；CO+H2OCO2+H2；3）干馏层燃料中挥发物质进行蒸馏，温度保持在450℃左右，蒸馏出的挥发物混入煤气中。生物质能化学转换技术：气化4）干燥层燃料中的水分蒸发，吸收热量，使煤气温度降到100-300℃。氧化层与还原层总称为有效层，气化过程主要是在这里进行的。干馏层和干燥层合称为准备层。需要指出的是，实际上是观察不到清楚划分的燃料层的，层与层之间是参差不齐的。上述燃料层的划分只是为了指明气化过程中几个大的区段。生物质能化学转换技术：气化煤气中一氧化碳和氢气的含量越多越好，而它们主要产生在还原层内，因此还原层是影响煤气品质和产量的最重要的地区。实验证明，温度越高，则二氧化碳还原成一氧化碳的过程进行得越顺利，还原层的温度应保持在700-900℃。另外，使二氧化碳与炽热的碳接触的时间越长，则还原作用进行得越完全，得到的一氧化碳量也越多。生物质能化学转换技术：气化煤气发生炉由于原料不同而气化产物有差异外，气化时吹入的气体不同，所得到的可燃性气体成分也不同。与煤原料气化相比较，生物质作为气化原料有如下优点：生物质挥发成分高，70-80%为挥发物。在较低的温度（约400℃）时大部分挥发物被释放，煤在800℃左右时才释放30%的挥发物；生物质能化学转换技术：气化生物质炭反应活性高。生物质炭在较低的温度下，以较快的速度与二氧化碳及水蒸汽进行气化反应；生物质炭灰分少（一般不超过3%），而且灰分不易粘结，简化了除灰设备；生物质含硫量低，不必设气体脱硫装置，降低了成本，也有利于保护环境。生物质能化学转换技术：气化煤气发生炉可按照鼓风方法不同和煤气相对于燃料流动方向不同分为逆流式、顺流式、横流式（也称为上吸