生物质能利用原理与技术---第二章生物质能资源与植物

生物质能利用原理与技术刘灿西南林业大学目录•第一章总论•第二章生物质能资源与能源植物•第三章生物质直接燃烧技术•第四章厌氧过程与沼气技术•第五章生物质压缩成型燃料技术•第六章生物质气化技术•第七章生物质燃料乙醇技术•第八章生物质热裂解技术•第九章生物质制氢与间接液化技术•第十章植物油与生物柴油技术•第十一章城市有机垃圾能源第二章生物质能资源与能源植物•第一节生物质能的物质基础•第二节生物质资源量的估算方法•第三节我国生物质能资源•第四节能源植物第一节生物质能的物质基础•生物质：广义上是各种生命体产生或构成生命体的有机质的总称。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。•生物质的特点：可再生性、低污染性、广泛分布性。•生物质能：生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式，直接或间接来源于植物的光合作用。能够作为能源而利用的统称为生物质能源。一、生物质资源原料类型•按原料的化学性质分：糖类、淀粉、木质纤维素物质农业生产废弃物薪柴、枝杈柴、柴草农林加工废弃物谷壳、果壳按原料来源分：人畜粪便和生活有机垃圾工业有机废弃物能源植物二、生物质能资源的特点与矿物质比环境污染小煤的含氮、含硫量一般为0.5%-1.5%，而生物质一般为0.2%一下。生物质能蕴藏量巨大，可再生。生物质能具有普遍性，容易获取。可再生能源在，生物质能是唯一可储存于运输的能源。生物质碳活性高、易燃，400℃时能量可完全释放，而煤是800℃时释放30%。质量密度低，运输成本高。能量密度低。受环境影响大。三、生物质化学组成1、碳：燃料中的主要元素，其含量多少决定燃料发热值的高低。2、氢：常以碳氢化合物存在，量越多，越容易燃烧。四、生物质燃料的热值•热值（calorificvalue），又称卡值或发热量。在燃料化学中，表示燃料质量的一种重要指标。单位质量（或体积）的燃料完全燃烧时所放出的热量。•1kg生物质完全燃烧所放出的热量，称为为高位热值。•高位热值减去气化潜热值得到的热量，即为1kg生物质的低位热值国内计算燃烧值常取低位热值（不注明的情况下）常见生物质热值常用燃料的热值含水量与热值的关系第二节生物质资源量估算方法•农作物资源的估算•薪材资源和面积有关•人畜粪便资源，以人口数、禽畜存栏数、年平均排泄量为基础计算。•草资源和面积湿度有关。S：产量D：产率第三节我国的生物质能资源三北地区，农业林业剩余物，边际土地的木质林能源植物东部沿海地区，作物秸秆、畜禽粪便、生活和工业垃圾西南地区，油料作物、薯类作物一、农作物秸秆农作物秸秆与畜争饲问题在局部地区或今后更为突出：黑龙江：据专家推算，全省秸秆利用情况如下：燃料占40%，饲料占30%，还田10%，工业原料及其它占20%左右。但近年来，畜牧业发展迅速。新疆：小麦、玉米秸秆基本用于饲料，对这些秸秆用途的预测结果是，今后这类秸秆将全部用作饲料，无法进行能源的规模化利用。二、林木生物质按照能源利用方式可分为木质生物质能资源和油料生物质能资源两大类。木质生物质能资源主要包括：薪炭林、林业剩余物、灌木林平茬复壮以及经济林修剪、造林苗木截干、城市绿化树和绿篱修剪产生的枝条等。油料生物质能资源主要包括：木本油料树种，其种实可以用来生产生物柴油。•黑龙江调研显示，当地林业剩余物资源供应比较分散，以人工为收集主，尤其是对于林业剩余物的收集方面更为突出。对于采伐过程中的剩余物，枝桠有一部分回土，一部分被群众自己收集用于烧柴，树根一般都留在山上。对于林产加工过程中的剩余物，例如锯末和边角碎料，一般用作烧柴或废弃了。②油料生物质能资源木本油料林的主要树种包括麻风树、黄连木、油桐、乌桕等方省区，在南方和北方地区都有分布。据估算，全国主要油料树种果实产量为224.5万吨，但目前加工利用量仅为54.7万吨。今后，通过集约经营，还可以大幅度提高油料树种果实产量，其中一部分适宜发展生物柴油的油料林可以改造为油料能源林，还有大量荒山荒坡土地可以考虑种植油料植物。三、畜禽粪便•畜禽粪便主要来自牛、猪和鸡，可按其存栏数及不同月龄确定粪便产量。•中国农业以家庭为基础，户用沼气是对散养畜禽粪便收集和利用的最好方式。•畜禽粪便的规模化开发主要在大中型养殖场。四、城市生活垃圾•城市垃圾产生量随人口和城市化进程而快速增加，2005年全国垃圾生成量已经超过1.5亿吨。•目前垃圾无害化处理的比例仍然很小，2005年全国垃圾无害化处理量仅为8107.8万吨，约占垃圾生成量的54％。处理方法主要是卫生填埋、堆肥和焚烧发电三种方式•城市生活垃圾中含有大量有机物，可以作为一种能源资源，我国城市生活垃圾的热值约为900－1500kcal/kg。•全国每年垃圾生成量按15000万吨计，则垃圾资源量可折合标准煤2357万吨。五、工业有机垃圾•中国农副产品及食品加工业可产生大量有机废弃物，如粮食、食品、制糖、造纸、酿酒、淀粉等在生产中都会产生大量的有机废渣和废水。•工业废弃物的利用途径有堆肥、焚烧以及厌氧发酵等处理方式，有机废水的处理方式主要为厌氧发酵生产沼气。•据估计，中国农产品加工产生的有机废弃物可生产500亿立方米沼气，相当于3500万吨标煤的能量。•随着城市化进程和居民生活水平的提高，城市有机垃圾资源量可望快速增加。六、能源作物/植物•能源植物：是指直接用于提供能源为目的的植物。•能源植物分类广泛，按植物学分类、地域分类、化学分成分类等。按化学成分分类糖类淀粉类油料类纤维素类烃类能源植物甘蔗、甜高粱、甜菜玉米、甘薯、木薯大豆、油菜、向日葵、花生亚麻、速生林、芒草续随之、绿玉树、银胶菊、西谷椰子含烃汁液能源作物的改良•大部分能源植物是自然生长的，收集困难，产量稳定。为了满足对能源植物不断增加的需求量，需要对能源植物以下方面进行改进：•栽培方法•抗病抗灾性能•产量的稳定程度•繁殖，育种稳定、难易程度•光合效率•生长周期长短1.杂交育种2.物理诱变育种3.化学诱变育种4.细胞工程5.基因工程能源植物种子改良技术1.杂交育种2、物理诱变育种•是不同种类的射线（α射线是α离子，就是质子；β射线是电子；γ射线是电磁波；X射线，10~100nm的电离射线）对植物种子进行照射，引起：•自身不能修复的DNA断裂•修复时造成染色体缺失•染色体重复•染色体倒位•染色体易位•就会引起种子基因突变。1.离子注入诱变育种2.太空育种（1）离子注入诱变育种一束离子束射向一块材料时，离子束射到材料以后，受到固体材料的抵抗而速度慢慢减低下来，并最终停留在材料中，这一现象就叫做离子注入。①变异率高②变异谱宽③变异速度快④技术稳定可靠，易行。（2）太空育种3、化学诱变育种•化学诱变育种是用化学诱变剂处理植物材料，以诱发遗传物质的突变，从而引起形态特征的变异，然后根据育种目标，对这些变异进行鉴定、培育和选择，最终育成新品种•例如：秋水仙素特点：诱发突变率较高染色体畸形较少诱变范围广4、细胞工程•全能性原理：在多细胞生物中每个个体细胞的细胞核具有个体发育的全部基因，只要条件许可，都可发育成完整的个体。（1）植物组织培养（2）花药、花粉培育单倍体培养（小黑麦、水稻等）5、基因工程•基因工程（geneticengineering）又称基因拼接技术和DNA重组技术，是以分子遗传学为理论基础，以分子生物学和微生物学的现代方法为手段，将不同来源的基因按预先设计的蓝图，在体外构建杂种DNA分子，然后导入活细胞，以改变生物原有的遗传特性、获得新品种、生产新产品。1.优质丰产及综合性状改良：控制某项指标的基因（如控制淀粉合成——美国40—60%、脂肪合成、成熟时间、作物产量）2.抗性基因工程育种：抗病、抗虫（抵抗病毒、病菌、抗虫害）例如：苏云金杆菌（BT）3.抗逆基因育种：耐除草剂的基因、抗旱基因—仙人掌基因七、重要的能源植物•1、甜高粱甜高粱简介•雅津甜高粱，平均高度为5m左右，糖锤度平均在16—23%，耐旱、耐涝、耐盐碱、耐瘠薄，平均亩产籽粒250kg，秸秆5吨左右，成熟期95—160天不等，每亩需要种子1kg左右，平均高度3—5m。雅津甜高粱种子优势•一、耐旱•二、耐涝：甜高粱遭洪水浸泡1周，大水退后能很快恢复生长•三、耐盐碱：甜高粱可忍受的盐浓度为0.5－0.9％，高于玉米(0.3－0.7％)、小麦(0.3－0.6％)和水稻(0.3－0.7％)等作物。•四、耐高温、耐严寒：甜高粱对土壤的适应能力很强，pH值从5.0－8.5，均能很好生长。适应栽培的区域广泛，10℃以上积温2600－4500℃的地区(从海南岛至黑龙江)，均可栽培。•五、耐瘠薄：有作物中的“骆驼”之谓•六、糖份含量高：茎秆富含糖份，汁液锤度15－23•七、高产：甜高粱植株高大（3－5m），一般茎秆产量75吨/公顷左右，高产记录为168吨／公顷，籽粒产量2.25－6吨／公顷。茎秆纤维含量14－18％，每公顷产纤维达9－15吨。雅津甜高粱秸秆、籽粒主要用途•用途之一：奶牛、肉牛、羊等最佳高能饲料•用途之二：乙醇（籽粒也可）用甜高粱生产乙醇的成本只有甘蔗的44%—80%•用途之三：纯高粱原酒（籽粒也可）•用途之四：制糖•用途之五：纤维板•用途之六：代理煤炭的颗粒燃料•用途之七：食用水果甜高粱杆•用途之八：制味精•用途之九：制醋•用途之十：造纸甜高粱同时具备经济、生态、社会效益•经济效益各国能源、食品、养殖等领域•生态效益充分利用边际非耕地土地资源•社会效益：带动地区产业结构，增加农民收入，增加国家、地区财政收入雅津甜高粱种子独有性•目前全球甜高粱种子适应性、抗逆性等表现最佳的品种只有中国的雅津甜高粱种子。•雅津专家在农业部、科技部领导的带领下，自1976年研究试验改良至1994年比较成型，1995年召开第一届全国甜高粱会议，1997年我们承办了“国际第一届甜高粱会议暨第二届全国甜高粱会议”，1999年后我们的种子开始销售美国、欧盟、东南亚、非洲等国家，1997年后美国、印度、巴西等国基本没有新的品种。2007年10月我们承办了“全国第三届甜高粱会议”。目前已经推广近40个国家和地区。•雅津甜高粱种子可以适应印尼到俄罗斯、巴西到美国、南非到摩洛哥、埃及、印度等各种气候的土地情况，抗倒伏、抗病、高产、高糖特性比较突出。•目前我们已经具备了甜高粱的近180个主要品种和配套的加工甜高粱秸秆饲料、秸秆原酒、秸秆乙醇等中小型设备生产能力。雅津与美国甜高粱种子比较特性•美国的甜高粱含糖量逐年降低，一般糖锤度在6-13%，虫害严重，而且容易倒伏，发芽率低于80%，适应范围很狭小。而且不能给予技术转让，也不能提供免费培训。•我们的甜高粱，一般糖锤度在16-22%，抗病虫害，抗倒伏，发芽率高于85%，适应区域广泛，关键技术无偿转让，而且提供免费的技术培训。生产乙醇的理想原料•近年来，能源危机和环境污染日益严重，越来越多的国家已经认识到可再生绿色能源的重要性。甜高粱就是这样的一种理想的替代资源。雅津甜高粱与其他作物的乙醇生产率的对比作物crop乙醇ethanol升/公顷年Liter/ha/year甜高粱sweetsorghum6106liters/ha甘蔗sugarcane4700liters/ha番薯yam1790liters/ha玉米maize1883liters/ha甜高粱与甘蔗的乙醇生产的对比作物crop年周期cyclesayear收获次数Timesofharvest总产量Total吨ton茎秆stem吨/公顷年Ton/ha/year乙醇ethanol升/公顷年Liter/ha/year甘蔗sugarcane43180-24045-604680210*52*甜高粱sweetsorghum茎秆stem1245-6046-60412652.5*52.5*籽粒seeds3.5-6.53.5-6.519805*5*合计total6106饲料的对比ComparisonoffeedFeedstuff饲料Totalareasin4years4年面积合计TotalProductionin4years4年产量合计