生物质能及新材料

第三章生物质能及材料什么是生物质能生物质是指由光合作用而产生的各种有机体，光合作用利用空气中的二氧化碳和土壤中的水，将吸收的太阳能转换为碳水化合物和氧气。xCO2+yH2OCx(H2O)y+xO2定义1：生物质能是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而储存在生物中的一种能量形式。定义2：以生物质为载体、通过光合作用，将太阳能转化为化学能形式。是一种唯一可再生的碳源，可转化常规的固态、液态和气态燃料。英文名称：biomassenergy,bioenergy植物光合作用光合作用与呼吸作用的比较光合作用呼吸作用释放能量储藏能量吸收二氧化碳,释放氧气吸收氧气,释放二氧化碳在有光的地方才能进行有光、无光都能进行有叶绿体的细胞所有生活细胞合成有机物分解有机物绿色植物制造的有机物除了自己利用外，还有什么作用呢？绿色植物制造的有机物还通过食物链，进入其他生物体内，参与构建其他生物体，并为其他生物体的生命活动提供能量。组成纤维素半纤维素木质素淀粉蛋白质脂质生物质农业废弃物木材及森林工业废弃物禽畜粪便城镇生活垃圾能源作物我国生物质能农作物秸秆薪柴禽畜粪便生活垃圾工业有机废渣和废水目前利用未来能源农业能源林业占50%以上我国生物质能农作物秸秆薪柴禽畜粪便生活垃圾工业有机废渣和废水目前利用未来能源农业能源林业40%作为饲料、肥料和工业原料我国生物质能农作物秸秆薪柴禽畜粪便生活垃圾工业有机废渣和废水目前利用未来能源农业能源林业60%可用于能源用途，约2.1亿吨标煤主要为燃料，40%的森林剩余物未利用，约0.3亿吨标煤少部分作为肥料，大部分成为农村的主要污染源，约0.6亿吨标煤我国生物质能农作物秸秆薪柴禽畜粪便生活垃圾工业有机废渣和废水目前利用未来能源农业能源林业60%可用于能源用途，约2.1亿吨标煤主要为燃料，40%的森林剩余物未利用，约0.3亿吨标煤至少可以获得0.8亿吨标煤的能源至少有80%约0.7亿吨标煤的资源量我国生物质能农作物秸秆薪柴禽畜粪便生活垃圾工业有机废渣和废水目前利用未来能源农业能源林业主要发展能源用途的甘蔗、甜高粱、木薯、芒草等高能品种，通过转基因的方法可获得光合效率很高的能源作物品种我国生物质能农作物秸秆薪柴禽畜粪便生活垃圾工业有机废渣和废水目前利用未来能源农业能源林业可持续发展的问题，森工产业的关闭和天然林的停止采伐农业废弃物主要包括农业生产过程中的废弃物和农业加工业的废弃物，如农作物收获时残留在农田内的农作物秸秆、农业生产过程中剩余的稻壳等。四大特点：数量大、品质差、价格低、危害多。稻壳8：稻米加工过程中数量最大的副产品，约占稻谷重量的20%以上。稻壳可燃物达70%以上，热值为12560-14650kJ/kg.玉米芯8：将玉米穗剥去玉米粒的轴穗，约占玉米穗重量的75-85%。我国玉米主要产区是辽宁、吉林、黑龙江、河北、山东和四川等地，平均热值为14400kJ/kg.花生壳：花生初加工的剩余物，不同种类花生的花生壳含量是不同的，一般情况下占总重量的35%。平均热值是19200kJ/kg.甘蔗渣：蔗糖加工业的主要废弃物之一，甘蔗渣与蔗糖的比例为1:1.平均热值为8039kJ/kg木材及森林工业废弃物森林生长和林业生产过程提供的生物质能源，主要包括薪材、在森林抚育和间伐作业中的零散木材，残留的树枝、树叶和木屑等；木材采运和加工过程中的枝丫、锯末、木屑、梢头、板皮和截头等；林业副产品的废弃物，如果壳和果核等。禽畜粪便规模化养殖通常指年存栏500头以上的养猪场、3万只以上的养鸡场和100头以上的养牛场等达到规定规模的禽养殖场和养殖小区。禽畜养殖业是人类动物蛋白、皮革、羽绒等禽畜产品的重要来源。随着需求的不断增大，传统的分户散养的方式逐渐转向专业化、规模化和集约化的生产方式。禽畜粪便以及残杂等废弃物开发和推广集约化养殖畜禽粪便的资源化利用技术，通过收集、转化、干燥、粉碎、脱臭、包涂等工序，将之转变为工业规模的高效生物肥料，可有效减少环境污染，同时提高相当数量的化肥，同时还可以缓解我国高效有机肥料供应不足的矛盾。城镇生活垃圾9主要由居民生活垃圾，商业、服务业垃圾和少量建筑垃圾等废弃物所组成的混合物，成分比较复杂，其构成主要受居民生活水平、能源结构、城市建设、绿化面积以及季节变化的影响。城镇生活垃圾垃圾构成的特点：一，垃圾中有机物含量接近1/3甚至更高；二，食品类废弃物是有机物的主要组成部分；三，已降级有机物含量高。生活污水主要有城镇居民生活、商业和服务业的各种排水组成，如冷却水、洗浴排水、涮洗排水、洗衣排水、厨房排水等。工业有机废水主要是酒精、酿酒、制糖、食品、制药、造纸及屠宰等行业生产过程中排出的废水，其中都富含有机物。能源作物指以提供制取燃料原料或提供燃料油为目的的栽培植物总称。能源作物作原料制取的燃料油有很多优点：燃烧后比化石能源对环境污染少，是一种低硫燃料，而且不增加二氧化碳排放量；比核能使用安全；比风能、地热使用广泛；可进行降解等。因而被称为绿色能源。种类：一，以制酒精为目的的一年生或多年生作物，如玉米、甘蔗、甜高粱、甘薯、木薯等；二是以生产燃料油（如生物柴油、烃类物质）为目的的植物，如油菜、绿玉树等；三是用于直接燃烧的植物，比如专门提供薪材的薪炭林；四是可供厌氧发酵的藻类或其他植物培育方法：除利用常规技术外，还应大力采用生物技术。生物技术栽培转基因4能源作物是把作物作为生物反应器，充分利用植物的生物合成能力，大规模生产廉价能源原料。薪炭林提高产量高而生产期短的生物质能源，是大多数发展中国家的重要能源，也是我国森林发展的一个战略林种，发展薪炭林是改变我国目前薪柴过量使用，满足农村能源需求的重要措施，并且对保护其他林种，维护和改善生态环境和大气自然环境也有很大作用。生物质能的特点生物质能具有许多优点：1、生物质资源的大量性和普遍性，转化方式多种多样：每年植物光合作用固定的碳2×1011t，含能量达3×1021J，相当于全世界每年耗能量的10倍。2、生物质能是一种理想的可再生资源3、生物质能是一种清洁的低碳燃料：其含硫和含氮量都很低，同时灰分含量也很小4.生物质利用过程中二氧化碳零排放缺点1.小规模利用2.植物仅能将极少量的太阳能转换成有机物3.单位土地面积的有机物能量偏低，生物质单位质量热值较低4.缺乏适合栽种植物的土地5.有机物的水分偏多，影响了生物质的燃烧和热裂解特性6.分布比较分散，收集运输和预处理成本较高生物质能开发利用的意义1，经济意义：我国的生物资源非常丰富，我国生物质能资源潜力折合7亿吨标煤左右，而目前年实际使用量为2.2亿吨标煤左右。2，生态环境意义：生物质是一种清洁的低碳燃料，其含硫和含氮量均较低，同时灰分份额也很小。还有二氧化碳零排放的特点。3，社会意义：解决“三农”问题、保护环境与改善生态、缓解能源瓶颈、发展循环经济，建设资源节约型和环境友好型社会，都需要生物质能产业化发展。生物质能转化技术物理转化化学转化生物转化可以转化为二次能源，分别为热能或电力，固体燃料，液体燃料和气体燃料等。生物质能转换技术燃烧干化学转换液化转换电力高压蒸汽热裂解油、气、炭气化低-中热值加氢气化甲烷、乙烷、炭化学降解油酒精发酵乙醇厌氧消化甲烷三种方式：生物质直接燃烧生物质和煤混合燃烧生物质气化燃烧干化学转换技术生物质气化是通过化学方法将固体的生物质能转换为气体燃料。基本原理是在不充分氧化（燃烧）的情况下，含碳物质与外部添加的二氧化碳、水蒸气等发生反应产生CO和H2为主要成分的可燃气体，即煤气。裂解是在无氧或缺氧条件下，利用高温使生物质大分子中化学键发生断裂，释放出有机挥发分的过程。产品：半焦、生物油和燃气在不同的工艺条件下的收率和品质会发生较大的变化。该项技术是当前世界生物质能研究开发的前沿技术。我国生物质能产业化发展方向兆瓦级生物质气化发电淀粉质原料乙醇燃料生成甜高粱及其秸秆制取乙醇熟料生物化学转化利用生物质的利用生物化学转化技术沼气5酒精热解气化沼气有机物质（粪便、杂草、作物、秸秆、污泥、废水、垃圾等）在适宜的温度、湿度、酸碱度和厌氧条件下经微生物分解发酵而生成的一种可燃性气体。主要成分是甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2），此外还有少量的氢（H2）、氮（N2）、一氧化碳（CO）、硫化氢（H2S）和氨（NH3)等。通常情况下，甲烷含量50-70%，二氧化碳30-40%，其他气体很少。由于沼气是微生物消化分解生物有机质生成的，所以也称为生物气。甲烷是一种无色、无味、无毒的气体，比空气轻一半，是一种优质燃料。一般沼气因为含有少量的硫化氢，在燃烧前带有臭鸡蛋味或烂蒜气味。沼气燃烧时放出大量热量，因此具有很强的应用和发展前景。国际沼气发展现状欧洲美国英国瑞典丹麦德国我国沼气技术两个趋势规模化和工业化方向发展农村能源生态工程技术与模式发展生活型沼气生态工程模式环保型沼气生态工程模式生产型沼气生态工程模式应用方面小型用户沼气大中型沼气工程可供炊事和照明的燃料，可以提供高效有机肥处理工农业高浓度有机废水，所产沼气供应附近居民，分撒处理城镇居民的生活污水，处理后的排放水可达到地方标准。小型户用沼气底层出料水压式沼气池曲流布料式沼气池分离浮罩式沼气池强旋流液搅拌沼气池大中型工程厌氧接触发酵池厌氧生物滤池上流式厌氧污泥床中温目前国际上较先进的装置酒精学名乙醇，是有碳、氢、氧三元素组成的有机化合物，结构是C2H5OH。生产方法有化学合成法和生物发酵法。化学合成法产品含杂质较多，应用受到限制。生产上主要采用生物发酵法。制造酒精的原料可以是淀粉质原料、糖蜜原料、纤维原料和亚硫酸造纸废液。乙醇发酵工艺有间歇发酵、半连续发酵和连续发酵。酒精是一种清洁能源，少量使用可代替四乙基铅和ETBE（乙基叔丁基醚）做汽油的防爆剂。大量使用则可与汽油混合制造汽油醇做汽车燃料，可以减少对大气的污染，还可增加汽油辛烷值，提高燃料利用率。生物化学转化利用生物质的利用生物化学转化技术沼气酒精热解6气化热解目前世界上生物质能研究开发的前沿技术之一。该技术能以连续工艺和工厂化的生产方式将以木屑等废弃物为主的生物质转化为高品位的易储存、易运输、能量密度高且使用方便的代用液体燃料（生物油），不仅可以直接用于现有锅炉和燃气透平等设备的燃烧，而且可通过进一步改性加工使液体的品质接近柴油或汽油等常规动力燃料的品质，还可从中提取具有商业价值的化工产品。相比于常规的化石燃料，生物油含硫、氮等有害成分及其微小，可视为绿色燃料。什么是热解？通常是指在无氧环境下，生物质被加热升温引起分子分解产生焦炭、可冷凝液体和气体产物的过程。根据反应温度和加热速率的不同，可分为慢速、常规、快速或闪速几种。慢速工艺具有几千年的历史，是一种以生产木炭为目的的炭化过程，低温和长期的慢速裂解可以得到30%的焦炭产量；低于600℃的中低温度及中等反应速率（0.1-1℃/s）的常规热裂解可制成相同比例的气体、液体和固体产品；快速热裂解大致在10-200℃/s的升温速率，小于5s的气相停留时间；闪速热裂解的反应条件更为严格，气相停留时间小于1s。很多把闪速也归到快速里面。气化生物质气化是以生物质为原料，以氧气（空气、富氧或纯氧）、水蒸气或氢气等作为气化剂（或称气化介质），在高温条件下通过热化学反应将生物质中可燃的部分转化为可燃气的过程。产生的气体，主要有效成分为CO、H2和CH4等，成为生物质燃气。燃烧是气化的基础，气化是部分燃烧或缺氧燃烧。气化反应氧化层还原层裂解层干燥层为下面的反应提供热源没有氧气存在总称为气化区，是气化反应的主反应区该区温度在400-600℃，主要产物是炭、挥发分气体、焦油和水蒸气出口温度在100-300℃，使原料中的水分蒸发，吸收热量燃料准备区气化技术气化剂分类不使用气化介质使用气化介质干馏气化氧气气化、空气气化、水蒸气气化、水蒸气-氧气混合气化、氢气气化设备运行方式固定床流化床旋转床生物质气化应用供气系统供电系统生物质气