生物质能源利用技术-复习资料

《生物质能源利用技术》复习提纲For：11材料科学与工程1、生物质能是可再生的。虽然生物质能是人类应用很久的一种古老的能源，但在能源分类中将其划为新能源。2、生物质：是自然界中有生命的、可以生长的各种有机物质，包括动植物和微生物及其代谢产物；或者广义上讲，生物质是各种生命体产生或构成生命体的有机质的总称。3、生物质能：是由太阳能转化而来的以化学能形式储藏在生物质中的能量，或者说生物质所蕴含的能量。4、2006年1月1日起施行的《中华人民共和国可再生能源法》将生物质能的含义解释为：生物质能，是指利用自然界的植物、粪便以及城乡有机废弃物转化成的能源。5、百度百科关于生物质及生物质能的定义：生物质是指通过光合作用而形成的各种有机体，包括所有的动植物和微生物。而所谓生物质能（BiomassEnergy），就是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，取之不尽、用之不竭，是一种可再生能源，同时也是唯一一种可再生的碳源。生物质能的原始能量来源于太阳，所以从广义上讲，生物质能是太阳能的一种表现形式。6、生物质能利用技术分类：生物质能利用技术直接燃烧技术生物转换技术热化学转换技术液化技术有机垃圾处理技术户用炉灶燃烧技术锅炉燃烧技术压缩成型、炭化技术气化技术干馏技术快速热解液化技术堆肥技术填埋技术焚烧技术小型户用沼气池大中型沼气工程植物油技术制取乙醇、甲醇技术木材剩余物农业副产物固定床式流化床式按原料类别分按气化炉类型分有机废水厌氧消化粪污厌氧消化7、生物质原料类型（1）按分布分：水生和陆生生物，及其代谢产物；（2）按原料化学性质分：糖类、淀粉、纤维素、脂类、烃类；（3）按原料来源分：农业生产废弃物、薪柴、农林加工废弃物、人畜粪污、工业有机废弃物、能源植物。8、生物质资源的特点（1）环境污染小；（灰分、N、S含量低，C闭合循环。）（2）生物质能蕴藏量巨大、分布广；（3）可再生；（4）能量密度低；（5）重量轻、体积大，运输不便；（6）易受风雨雪火等外界因素影响，贮存不便；9、生物质的化学组成糖类和淀粉主要由葡萄糖单糖或多糖组成。农作物秸秆的主要化学元素组成：C：40~46%；H：5~6%；O：43~50%；N：0.6~1.1%；S：0.1~0.2%；灰分：3~5%；P：1.5~2.5%；K：11~20%；薪柴的化学元素组成：C：49.5%；H：6.5%；O：43%；N：1%；灰分：﹤1%此外，生物质中还含有一定量的水分以及Si、Ca、Fe、Al等矿物元素。10、生物质燃料的热值高位热值：1kg生物质完全燃烧所放出的热量；气化潜热：水分在燃烧过程中变为蒸汽（燃料中H燃烧时也生成水蒸汽），吸收的热量；低位热值：高位热值－气化潜热计算生物质发热量，一般取低位热值。11、农作物资源估算：是在农作物产量的基础上，以草谷比计算。12、人畜粪便资源：以人口数、畜禽存栏数、年平均排泄量为基础进行估算，并考虑成幼系数。13、纤维素类生物质资源纤维素类生物质资源主要由：纤维素、半纤维素、木质素构成；植物细胞壁中的纤维素和木质素通过共价键连接成网络结构，纤维素束镶嵌在其中，其结构如下图：14、农作物秸秆：每年7亿吨，秸秆焚烧存在的问题：效率低、环境污染、浪费资源、影响交通；15、禽畜粪污我国主要禽畜粪污源为猪、牛、鸡等规模化养殖。河北、山东、河南、四川等地资源量最多。近年来，畜禽养殖业逐步向规模化、集约化发展。全国60%以上的养殖场粪污未经处理直接排放，造成水体、土壤、空气等严重污染，畜禽养殖粪污污染已成为我国第一大污染源！16、城市有机垃圾2001年我国生活垃圾清运量1.18亿吨，2002年为1.37亿吨；2010年，达到2.3亿吨，2020年将达到3.1亿吨。城市生活垃圾的处理途径：堆肥、填埋、焚烧、厌氧发酵、发电、养蚯蚓。17、工业有机废弃物：分为工业有机固废和有机废水两类。主要来自木材加工、造纸、制糖、粮食加工等，包括木屑、树皮、蔗渣、谷壳等。18、糖类原料资源：主要用来生产燃料乙醇。研究及应用最多的为甘蔗等。（巴西）我国甘蔗主要分布在云南、广西、广东，占全国产量90%以上。甜高粱（广西）、甜菜、糖蜜废水也是重要资源。19、能源植物的内容广义上讲：光和效率高、生物量大，直接用于提供能源为目的的植物。通常包括：速生薪炭林、含糖或淀粉类植物、产油植物，可供发酵或产油的藻类及其他植物等。20、按植物中主要物质化学类别分：（1）糖类能源植物；（2）淀粉类能源植物；（3）纤维素类能源植物；（4）油料能源植物；（5）烃类能源植物；（续随子、绿玉树等）21、光合作用光合作用的初产物为葡萄糖，生物质是初产物及其各类衍生物的总称，包括：糖类、淀粉、纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质、脂肪等；（1）光合作用机理6CO2+3H2O+太阳能→→C6H6O5+O2→→n（C6H6O5）（生物质）（2）生物质能原理用则是其逆过程：n（C6H6O5）（生物质）→→→CO2+H2O+能量（3）光合效率最终净光能利用效率不到5%。22、重要能源植物（1）甜高粱；（2）能源甘蔗、能源玉米；（3）油料植物草本油料：大豆、油菜、花生、棉籽、向日葵、芝麻；木本：油棕榈、黄连木、油桐、麻风树（小桐子）、桉树、光皮树、油茶、橄榄等；产油藻类。（4）石油植物桉树、大戟科乔木、苏木科油楠属、霍霍巴、马尾松、苦配巴、香槐、黄鼠草等；（5）草本植物芒属作物。（芒草、皇竹草等）23、生物质燃料的特点：（1）含碳量较少；（2）含氢量稍多；（3）含氧量多；（4）密度小。24、生物质燃料的燃烧过程：强烈的放热化学反应；必要条件：燃料、热量和空气供给；连锁反应过程。燃烧的基本类型：表面燃烧、分解燃烧、蒸发燃烧；生物质的燃烧过程可以分作：预热与干燥（水分蒸发）、挥发分析出燃烧（木炭形成）和木炭（固定碳）燃烧等阶段；C的燃烧，根据O2量的不同，会产生下列2种反应：C+O2==CO2+408.86kJ2C+O2==2CO+246.45kJ当温度较高（超过700℃）时，生成的CO向外扩散，遇O2再燃烧：2CO+O2==2CO2+570.87kJ水煤气（生物质气化）反应：C+2H2O==CO2+2H2C+2H2O==CO+H2C+2H2==CH425、产生火焰的燃烧分为两个阶段：挥发分析出燃烧和固定碳燃烧，前者约占燃烧时间10%，后者占90%；生物质燃料在燃烧过程种的特点：（1）温度较低时挥发分分解即非常活跃，空气供应不足易造成黑烟或黄烟；（2）焦炭燃烧时，强通风会造成黑絮，降低燃烧效率；（3）焦炭燃烧受到灰分包裹，易有残碳遗留。（4）燃烧过程空气供给量变化较大，在炉灶中不易解决。高密度的压缩成型生物质燃料，由于其压缩密实，限制了挥发分逸出速度，加之空气流通有一定的通道而且比较均匀，燃烧过程较为稳定，可以改善燃烧状态。26、省柴灶，与传统柴灶相比的改进：a、设有灶箅与灰室；b、设有可关的灶门；c、燃料离锅底近，吊火高度小（12~16cm）；d、有拦火圈与回烟道；e、增加灶体保温措施。27、生物质成型定义：将分布散、形体轻、储运困难、使用不便的纤维素生物质，经压缩成型和炭化工艺，加工成燃料，能提高容重和热值，改善燃烧性能，成为商品能源。这种技术称作“生物质压缩成型燃料技术”，也称作“压缩致密成型技术”或“致密固化成型技术”28、生物质成型原料主要有：锯末、木屑、稻壳、秸秆等纤维素类原料；纤维素类生物质包含：纤维素、半纤维素、木质素（占植物体成分2/3以上）。纯纤维素程白色，密度1.5~1.56g/cm3，比热0.32~0.33kJ/（kg·K）；半纤维素，穿插于纤维素和木质素之间，结构复杂，酸性、加热条件下能发生水解，产物为单糖；木质素，是一类以苯基丙烷为骨架，具有网状结构的无定形高分子化合物，不同植物木质素含量、组成不尽相同。木质素不易溶于水及任何有机溶剂，非晶体，没有熔点，70~110℃左右软化，黏合力增加，此；200~300℃时软化程度加剧，施加一定压力，无需黏结剂，即可得到与挤压模具形状一致的成型燃料。29、生物质成型的原理（1）一般植物在10%左右以下含水率时，需施加较大的压力，使其非弹性或黏弹性的纤维分子之间相互缠绕、胶合，进而固化成型；（2）对于木质素等黏弹性组分含量较高的原料，若温度达到木质素的软化点，则可施加一定的压力，制备成型燃料；（3）被粉碎的生物质粒子，在外力和黏结剂的作用下，重新组合成具有一定形状的生物质成型块。30、1962年德国学者Rumpf针对不同材料的压缩成型，将成型物内部的黏合力类型和黏合方式分成5类：（1）固体颗粒桥接或架桥（solidbridge）；（2）非自由移动黏合剂作用的黏合力；（3）自由移动液体的表面张力和毛细压力；（4）粒子间的分子吸引力（范德华力）或静电引力；（5）固体粒子间的充填或嵌合。31、压缩成型的工艺类型根据主要工艺特征的差别，可划分为湿压成型、热压成型、炭化成型三种基本类型；（1）湿压成型生物质原料浸水或喷水加黏结剂、搅拌压缩成型烘干湿压成型燃料块密度较低，设备简单，易操作，但部件磨损较快，烘干费用高，且多数产品燃烧性能较差。（2）热压成型生物质原料干燥混合挤压成型冷却包装热压成型机械主要有：螺旋挤压成型机、机械（液压）驱动活塞式成型机，如图5-4、图5-5；（3）炭化成型工艺首先将生物质原料炭化或部分炭化，然后再加入一定量的黏结剂挤压成型；若不使用黏结剂，成型燃料容易破损、开裂；32、生物质成型常用黏结剂为了使成型块在运输储存和使用时不致破损、开裂，并具有良好的燃烧性能，理想的黏结剂必须能够保证成型块具有足够的强度和抗潮解性，并且在燃烧时不产生烟尘和异味，最好黏结剂本身也可以燃烧。常用的黏结剂分无机、有机和纤维类三种；无机的包括：水泥、黏土、水玻璃等（灰分增大，热值降低）；有机的包括：焦油、沥青、糖浆（30%）、树脂、淀粉（4%）等，有异味。纤维类包括：废纸浆、水解木纤维等工业废弃物。33、国内外常见的成型机技术主要包括三大类：螺旋挤压技术、活塞冲压技术、压辊式成型技术。34、成型生物质燃料的物理特性及燃烧性能（1）密度提高几倍乃至几十倍，至1.1~1.4t/m3，形状规则，便于储存运输（2）热值：16300~20900kJ/kg；（3）强度轴向压缩最大破坏载荷可达几吨至十几吨，横向压缩最大破坏载荷为0.26~0.98t，与生物质原料相比，强度大幅提高。（4）吸湿性无论哪种生物质成型燃料都不能直接和水接触，否则会很快膨胀、软化、松散。（5）燃烧性能a、成型燃料密度大，从而限制了挥发物的逸出速度，延长了挥发物的燃烧时间；b、成型燃料质地密实，炭燃烧更加完全充分；c、整个燃烧过程O2的供应趋于平衡，燃烧效率高，过程稳定；35、影响生物质成型燃料制备的主要因素（1）原料含水率过高则加热时产生大量水蒸气，造成表面开裂，严重时产生爆鸣；太低时因水分对木质素具有软化、塑化的作用，则生物质难以成型。原料含水率对成型的影响，一般在6~12%。（2）成型温度温度对不同物料成型的影响，木屑240~260℃，秸秆220~260℃；（3）原料种类（4）原料粒度粒径越小，形变越大，越有利于压缩，通常要求原料粒径小于5mm（5）成型压力与模具尺寸36、沼气和沼气工程的定义：沼气是有机物质在一定温度、湿度、酸碱度及厌氧环境下经过多种细菌群的分解代谢（发酵），最终生成的一种混合气体，它的主要成分为甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）；沼气工程是以农业废弃物和有机垃圾的厌氧消化为主要技术环节，集污水处理、沼气生产、资源化利用为一体的系统工程。37、沼气的产生在自然界中普遍存在，地球上每年由光合作用生成4000亿吨有机物，其中约有5%以不同形式在厌氧条件下被微生物分解生成沼气。38、“十一五”期间，国家已累计投资285亿元用于户用及大中型沼气工程建设，惠及1.55亿农村居民。据农业部农业生态与资源保护总站统计，至2012年底，全国户用沼气池保有量达4083万户，年产沼气达138亿m3，折合标准