生物质能源考试复习题

一、名词解释1、生物质能：是蕴藏在生物质中的能量，是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内部的能量。煤、石油和天然气等化石能源也是由生物质能转变而来的。2、能源植物：广义：几乎可以包括所有植物。狭义：是指那些利用光能效率高、可合成类似石油或柴油成分的植物以及富含油脂或者碳水化合物或者产氢的植物。3、沼气：沼气是各种有机物质在一定的温度、水分、酸碱度和隔绝空气的条件下，经过嫌气性细菌的发酵作用，产生的一种可燃气体4、生物柴油：指以各种油脂(包括植物油、动物油脂、废餐饮油等)为原料，经一系列加工处理过程而生产出的一种液体燃料。属于长链脂肪酸的单烷基酯5、燃料乙醇：一般是指体积浓度达到99.5%以上的无水乙醇。燃料乙醇是燃烧清洁的高辛烷值燃料，是可再生能源。主要是以雅津甜高粱加工而成6、生物质发电：利用生物质资源进行的发电。一般分直接燃烧发电和气化发电两种类型，主要包括农林废弃物直接燃烧发电、农林废弃物气化发电、垃圾焚烧发电、垃圾填埋气发电、沼气发电二、简答题1、生物质能的开发利用是在怎样的背景下提出来的?有何重要意义?答：背景:1.能源的开发和利用一直以来见证着人类文明的进步，能源的更新替换，成为人类适应环境、利用环境、改造环境的重要标志之一。当今的新型替代能源，如风能、太阳能、生物能、地热能等纷纷涌现，各具优势，且利用技术不断成熟和发展，其中生物能在实用性、可行性、广泛性方面，显现出独有的优势，被认为是未来30～50年里，最具大规模产业化开发前景的新型能源。2.能源危机与生态危机：煤炭、石油只能开采100年；天然气只能开采50~60年；空气污染、水污染、土壤污染、温室效应、物种绝灭。发展意义(自由扩展):1.传统能源有限、不可再生及环境危害性2.生物质能源丰富、可再生及环境友好性2、汽车使用乙醇汽油的好处。第一，乙醇汽油增加汽油中的含氧量，使燃烧更充分，有效地降低了尾气中有害物质的排放；第二，有效提高汽油的标号，使发动机运行更平稳；第三，可有效消除火花塞、气门、活塞顶部及排气管、消声器部位的积炭，延长主要部件的使用寿命。3、概述世界主要国家生物质能开发利用现状。目前，生物质能技术的研究与开发已成为世界重大热门课题之一，受到世界各国政府与科学家的关注。许多国家都制定了相应的开发研究计划，如美国的能源农场计划、日本的阳光计划（是日本政府为对付能源危机和建设无公害社会制定并推行的新能源开发计划）、巴西的酒精能源计划（以甘蔗为原料生产酒精，将使用的所有汽油都添加20％到25％的酒精）等，其中生物质能源的开发利用占有相当的比重。4、我国能源植物开发利用现状。P475、(P26)列举十个生物质能研究热点问题。1、合成生物学与生物质能的生产用化学物质造出合成DNA，由DNA组成基因，再由基因形成基因组，最终在实验室造出全新生物体的分子系统2、斯坦福大学有一个国际研究机构正在开展土壤微生物吸收光能分解水制氢的研究3、美国一家绿色燃料科技公司研究将海藻作为生物反应器(bioreator)，它吸收光能、水与CO2之后，再转变为生物质燃料。4、光合作用的模拟5、遗传工程改变生物质以遗传工程改良技术，提高纤維素利用效率6藻类产柴油部份藻类含油量高，生长快速，因此成为制造生物质柴油的理想物种。7.利用光能效率高、可合成类似石油或柴油成分的植物以及富含油脂或者碳水化合物或者产氢的植物8.生物质能直燃发电是以农作物秸秆和林木废弃物为原料，进行简单加工，然后输送至生物质发电锅炉，经充分燃烧后产生蒸汽推动汽轮发电机发电9沼气的产生，发酵原料来源于人畜粪便及废弃有机物(如秸杆、污水等)6、简述能源植物的优点。（1）环保性。不含硫化物，因此不会形成酸雨。还可以通过生物降解，从而避免对土壤和地下水的污染。（2）低成本。能源植物的分布广，若能因地制宜地进行种植，便能就地取材生产燃料酒精或者生物柴油，不需要进行勘探、钻井、采矿和提炼等过程，也减少了长途运输、管道输送等成本。（3）可再生性：只要有光、水和土壤，它就能生长，取之不尽，用之不竭。（4）安全性：使用起来比核能安全，不发生爆炸、泄漏。7、简述世界燃料酒精生产现状及发展趋势。答：国外应用现状及发展趋势：世界酒精的66%用于燃料，14%用于食用，11%用于工业溶剂，9%用于其它化学工业。发酵酒精作车用燃料有两种方式:其一是配制汽油和无水酒精的混合物——汽油醇.其二是直接利用酒精作为汽车燃料，这时必需使用专门设计的，具有更高压缩比的发动机。国内现状：生物乙醇汽油的消费量已占到全国汽油消费总量的20％。2006年，我国燃料乙醇的生产达到130万吨。我国生物乙醇汽油在生产、混配、储运及销售等方面已拥有较成熟的技术。目前我国发展非粮乙醇的可行之路，在于发展用甜高粱、甘薯、木薯等原料来替代粮食。8、（P187）简述世界生物柴油生产现状及发展趋势。答：世界各国，尤其是发达国家，都在致力于开发高效、无污染的生物质能利用技术。欧洲已成为全球生化柴油的主要生产地。美国、意大利、法国已相继建成生物柴油生产装置数百座。截止2007年，中国有大小生物柴油生产厂2000多家。生物柴油的需求量在不断增加，预计到2012年，中国生物柴油的需求量将达到2000万吨/年，按国家再生能源中长期规划，那时的产能是20万吨/年。需求与产量的反差，将会是形成产品供不应求的局面。向基地化和规模化方向发展，实行集约经营，形成产业化.目前，原料短缺是制约生物柴油产业化发展的重要瓶颈。9、沼气工程的意义。答：1.生产清洁能源—高效、可再生能源2.治理环境污染—处理粪便、垃圾、有机废水、废渣3.提高企业经济效益—综合利用、改善生产条件4.形成新的产业—设计、施工、副产品生产销售、配套设备加工5.发展农村户式沼气具有极高的经济性和实用性。10、简述沼气发酵的基本原理。答：在沼气发酵过程中，主要有：“发酵性细菌、产氢产乙酸菌、耗氧产乙酸菌、食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌”等五大菌群参与活动。①.发酵性细菌：一些不溶性物质被发酵性细菌所分泌的胞外酶水解为可溶性的糖、肽、氨基酸和脂酸，再将吸入细胞，发酵为乙酸、丙酸、丁酸等和醇类及一定量的H2及CO2以纤维素为例，反应过程如下：（C6H10O5）+nH2O→n(C6H12O6)C6H12O6→CH3COOH+CH3CH2COOH+CH3CH2CH2COOH+3CO2+3H2②.产氢产乙酸菌：除甲酸、乙酸和甲醇外的物质均不能被产甲烷菌所利用，所以必须由产氢产乙酸菌将其分解转化为乙酸、氢和二氧化碳反应过程如下：CH3CH2COOH+2H2O→CH3COOH+CO2+3H2CH3CH2CH2COOH+2H2O→2CH3COOH+2H2③.耗氢产乙酸菌：它们既能利用H2+CO2生成乙酸，也能代谢糖类生成乙酸。2CO2+4H2→CH3COOH+2H2OC6H12O6→3CH3COOH④.产甲烷菌（食氢、食乙酸）：它们在厌氧条件下将前三群细菌代谢的终产物，在没有外源受氢体的情况下，把乙酸和H2/CO2转化成CH4/CO2。产甲烷菌广泛存在于水底沉积物和动物消化道等极端厌氧的环境中。生成CH4的主要反应如下：CH3COOH→CH4+CO24H2+CO2→CH4+2H2O4HCOOH→CH4+3CO2+2H2O4CH3OH→3CH4+CO2+2H2O11、简述沼气发酵过程。（一）液化（水解）阶段在沼气发酵中首先是发酵性细菌群利用它所分泌的胞外酶(淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶)等，对有机物进行体外酶解，也就是把畜禽粪便、作物秸秆、豆制品加工后的废水等大分子有机物分解成能溶于水的单糖、氨基酸、甘油和脂肪酸等小分子化合物。这个阶段叫液化阶段。(二）产酸阶段这个阶段是三个细菌群体的联合作用，先由发酵性细菌将液化阶段产生的小分子化合物吸收进细胞内，并将其分解为乙酸、丙酸、丁酸、氢和二氧化碳等，再由产氢产乙酸菌把发酵性细菌产生的丙酸、丁酸转化为产甲烷菌可利用的乙酸、氢和二氧化碳。另外还有耗氢产乙酸菌群，这种细菌群体利用氢和二氧化碳生成乙酸，还能代谢糖类产生乙酸，它们能转变多种有机物为乙酸。（三）产甲烷阶段在此阶段中，产甲烷细菌群，可以分为为食氢产甲烷菌和食乙酸菌两大类群，已研究过的就有70多种产甲烷菌。它们利用以上不产甲烷的三种菌群所分解转化的甲酸、乙酸等简单有机物分解成甲烷和二氧化碳，其中二氧化碳在氢气的作用下还原成甲烷。这一阶段叫产甲烷阶段，或叫产气阶段。12、沼气发酵的基本条件。一、适宜的发酵原料二、质优足量的菌种三、严格的厌氧环境四、适宜的发酵温度五、适度的发酵浓度六、适宜的酸碱度13、生物柴油的优点与缺点优点：1.具有优良的环保特性2.具有较好的低温发动机启动性能3.具有较好的润滑性能、安全性能、燃料性能、再生性能4.无须改动柴油机5.生物柴油以一定比例与石化柴油调和使用，可以降低油耗、提高动力性，并降低尾气污染缺点：1.以菜籽油为原料生产的生物柴油成本高2.用化学方法合成生物柴油有以下缺点3.低温启动性能不佳。4.燃烧排放物中NOx含量较高。5.含有微量甲醇与甘油，会使接触的橡胶零件，如橡胶膜、密封圈、燃油管等逐渐降解。6、油脂来源分散，品种复杂。14、目前利用生物酶法制备生物柴油存在哪些亟待解决的问题？答：（1）脂肪酶对长链脂肪醇的酯化或转酯化有效，而对短链脂肪醇(如甲醇或乙醇等)转化率低，一般仅为40%-60%；（2）甲醇和乙醇对酶有一定的毒性，容易使酶失活（3）副产物甘油和水难以回收，不但对产物形成一致，而且甘油也对酶有毒性；（4）短链脂肪醇和甘油的存在都影响酶的反应活性及稳定性，使固化酶的使用寿命大大缩短。15、生物柴油的制备方法有哪些？答：可分为两大类：物理法和化学法。一、物理法：通过物理机械的方法,改变原料油脂或脂肪的黏度和流动性等得到生物柴油，包括直接混合法和微乳液法。①直接混合法:将植物油与矿物柴油按一定的比例混合后作为发动机燃料使用。②微乳液法:将动植物油与溶剂混合制成微乳状液也是解决动植物油高黏度的办法之一。二、化学法：通过原料油脂或脂肪，与低碳醇在催化剂存在的情况下，进行化学反应生成相应酯的过程，分为高温裂解法和酯交换法。目前，酯交换法是生产生物柴油的主要研究方向，包括酶促合成法、固体酸碱法、离子液体法、离子交换树脂法和超临界甲醇法。16、酸碱催化酯交换的反应机理如何？一、酸性催化剂：质子先与甘油三酯的羰基结合，形成碳阳离子中间体。亲质子的甲醇与碳阳离子结合并形成四面体结构的中间体，然后这个中间体分解成甲酯和甘油二酯，并产生质子催化下一轮反应。甘油二酯及甘油单酯也按这个过程反应。二、碱性催化剂：催化的酯交换反应中，真正起活性作用的是甲氧阴离子，它攻击甘油三酯的羰基碳原子，形成一个四面体结构的中间体，然后这个中间体分解成一个脂肪酸甲酯和一个甘油二酯阴离子，这个阴离子与甲醇反应生成一个甲氧阴离子和一个甘油二酯分子，后者会进一步转化成甘油单酯，然后转化成甘油。所生成的甲氧阴离子又循环进行下一个的催化反应。17、微藻作为生物柴油生产的优势与应用前景分析。答：生产优势：1.占地球表面积71%的是水体，每年能提供非常丰富的藻类生物量；2.藻类容易繁殖，生长周期短，光合作用效率高；3.藻类的生长繁殖不依靠土壤，不占用农业用地，而且其养殖过程可以实现自动化控制；4.藻类是一种单细胞生物，它没有叶、茎、根。即没有无用生物量，整个藻体都可用于热转化。5.藻类含有较高的脂类、可溶性多糖和蛋白质等易热解的化学组分；藻类热解所获得的生物质燃油热值高，平均高达33MJ/kg,是木材或农作物秸秆的1.6倍。6.藻类不含纤维素等难分解成分，易被粉碎和干燥，所需热解条件相对较低，可使生产成本降低；7.藻类可塑性大，可以通过改变培养条件或诱导，提高其产油能力；8.从藻类获取的油是没有污染、可再生的能量资源，它的应用不需要改变汽车、飞机的发动机。前景分析：l)和现已初步实现产业化的玉米等粮食作物制取生物柴油的方式相比，海洋微藻产量高，单位面积产量是粮食的几十倍，生长周期短、繁殖快，并且培养时间短，在很短的时间内可获得大量产品。2)微藻