12讲-生物能源-(2012)

主讲人：程景胜[e-mail]天津大学化工学院第十二讲生物能源主要内容•第一节生物质和生物能源•第二节生物柴油•第三节燃料乙醇•第四节其它生物能源•第五节我国生物能源的现状和未来发展3第一节生物质和生物能源41.1世界能源概况世界能源消耗趋势1970-2025化石能源是主流，但仅能支撑300年的大规模开采5能源安全成为各国关注的问题伊拉克战火炸毁了输油管6使用化石能源导致全球气候变化HurricaneKatrina,lateAugust20052005年有8个台风登陆我国，海棠、麦莎、泰利、卡努、达维和龙王均在12级以上世界各国二氧化碳排放量：1950年至今的总排放量78可再生能源是未来发展的重点依赖自然条件高技术、危险系数高可再生、环保、地域限制小91.2生物质和生物能•生物质是指由光合作用而产生的各种有机体，人们常将生物质所含有的能量简称为生物能。•生物质是以C、H为基本组成的有机化合物，生物能属于化学能。•能源特征：洁净性、低能源品位、分散性10生物能源的主要形式•薪柴：直接燃烧，热效率低•生物质发电•燃料乙醇：粮食或纤维素发酵•生物柴油：生物油脂进行酯交换反应•生物油和合成气：生物质热化学转化•生物制氢：微生物发酵生物质制氢气•沼气：微生物发酵农作物秸秆、禽畜粪便等有机物，主产物是甲烷11世界生物能源现状•巴西和美国在燃料乙醇上处于领先：巴西（甘蔗）和美国（谷物）2005年的燃料乙醇产量分别为165和162亿升。•欧盟在生物柴油上处于领先：德国、法国、意大利等国已经在公交车领域使用生物柴油。欧盟以油菜为原料，2001年生物柴油的产量超过100万吨，计划到2010年至少生产600万吨，占欧盟全部燃料的2％。12美国当前的能源结构13美国把生物能源摆在重要位置2003年，美国能源部和农业部联合提出《生物质技术路线图》14美国生物质计划的任务15美国生物质计划体系16美国生物能源的发展目标•Biopower：到2030年之间每年增加2%。2010年达到总能源的4%，2020年达到5%。•BiobasedTransportationFuels：从2001年占总消耗能源的0.5%，到2010年增加到4%，2020年的10%，2030年的20%。•BiobasedProducts：从2001年的12.5billionpounds，总量的5%，到2010年增加到12%，2020年的18%，2030年的25%。171.3生物炼制——biorefinery•生物炼制是指将生物质转化为具有附加值产品的过程。这些产品主要包括生物材料、乙醇、燃气、化工和其它材料生产的关键中间体等。•生物炼制基于机械、化学和生物化学过程的技术平台。18生物炼制——生物质的转化19第二节生物柴油•生物柴油（Biodiesel），又称脂肪酸甲酯，是以植物油、动物脂肪、或废弃的食用油等作原料，与低碳醇类（甲醇、乙醇）经酯交换反应获得。202.1生物柴油的生产路线21脂交换法菜籽油麻风树油豆油棕榈油废油价格低产率高可循环利用22各种生物柴油原料的组成Perfect23生物柴油产业链脂肪酸甲酯生物柴油（20%）表面活性剂增塑剂润滑剂等甘油1，2－丙二醇聚酯丁二酸等242.2生物柴油的性质生物柴油与NO.2柴油性质的比较25生物柴油的优点•原料来源广泛•可再生性•可作为柴油代用品•可用于现有石化柴油设备（或仅做微调）•可减少温室气体的释放•可减少车辆尾气释放，减小环境污染•可得到经济价值较高的副产品甘油•贮存、运输和使用都很安全26使用生物柴油可显著降低尾气排放particulatematterhydrocarbon27生物柴油的缺点•热值比石化柴油低•低温流动性差•增加了NOx的释放•可降解或软化某些橡胶化合物•与某些金属（铜、铅、锡、锌）和塑料（聚乙烯、聚丙烯）不兼容282.3世界生物柴油的发展1991-2005年世界生物柴油的产量变化292005年生物柴油生产前五强国家产量（亿升）德国19.2法国5.11美国2.9意大利2.27澳大利亚0.8330美国生物柴油加工厂的分布（截止到2005年4月）31生物柴油发展的瓶颈是原料成本2006年生物柴油与石化柴油的价格对比32选择合适的原料是关键不同原料的生物燃料产量33第三节燃料乙醇•乙醇是一种重要的工业原料•能源特点：燃烧值较高，清洁，环保，安全，可再生，适用于汽油发动机等•1907年，福特制造出世界上第一台燃烧纯乙醇的发动机343.1谷物发酵法生产燃料乙醇•技术工艺已经成熟：原料的前处理，菌种培育，发酵，乙醇的浓缩。•粮食供应和降低原料成本是关键35湿磨增效路径图36干磨增效路径图373.2纤维素法是未来的趋势木质纤维素纤维素半纤维素木素木糖木酮糖葡萄糖燃料乙醇水解水解发酵发酵发酵异构不能转化为可代谢糖源38纤维素法制乙醇的主要过程39木质纤维素原料来源丰富价格低廉速生草甘蔗秸秆木屑废纸40木质纤维素的组成和结构酚类15-25%6C糖均聚物38-50%5C、6C糖聚合物23-32%41木质纤维素的组成和结构42生物质从田间到生物炼制厂43纤维素法制乙醇的生产工艺44纤维素法制乙醇的关键问题•原料的来源和价格•木质纤维素的水解–纤维素酶水解效率低、价格高–半纤维素酶制剂的开发落后•5C糖的发酵453.3世界燃料乙醇的发展1975-2005年世界燃料乙醇的产量变化462005年燃料乙醇生产前五强国家产量（亿升）巴西165美国162中国20欧盟9.5印度3.0472006年美国乙醇工厂分布482006年燃料乙醇与汽油的价格比49不同原料的乙醇产量50第四节其它生物能源•4.1氢能源•氢是一种理想的清洁能源，“零排放”•以水的形式存在，储量十分丰富•氢气的热值高，约是汽油的2.68倍•氢能制备工艺：矿石燃料制氢（96%）、电解制氢（4%）、热解制氢、光化制氢、放射能水解制氢、等离子电化学法制氢和生物制氢等。51生物制氢•生物制氢指得是在有机质发酵降解和微生物利用太阳能光解水的过程中，释放出氢气的过程。•产氢微生物：（1）光合生物——厌氧光合细菌、蓝细菌和绿藻（2）非光合生物——严格厌氧细菌、兼性厌氧细菌和好氧细菌（3）古细菌类群52生物制氢路线•光驱动制氢：利用光合细菌和微藻直接将太阳能转化为氢气，是一个非常理想的过程。但光利用效率很低，光反应器设计困难，近期很难推广应用。•厌氧发酵制氢：利用产氢菌厌氧发酵，优点是产氢速度快，反应器设计简单，能够利用可再生资源和废弃有机物进行生产。534.2生物质的热化学转化54生物质液化及其产物•生物质液化技术可将生物质转化为高品位的现代能源产品，即易于存贮、运输、能量密度高的燃料油，从而实现生物质的广泛利用。•生物质液化产物：（1）气体：H2、CO、CO2、CH4及C2-4烃（2）固体：焦炭（3）液体：生物油，酸性较强，组成复杂55生物质液化技术•快速热解液化：采用超高加热速率（102～104K/s）、超短产物停留时间（0.2～3s）及适中的裂解温度。循环流化床工艺•高压液化：较高压力下的热转化过程，温度一般低于快速热解。•新技术：超临界萃取和水热提升等。•关键技术问题：生物油热值低，腐蚀性强。56生物质气化技术•生物质气化：是指在高温下通过热化学反应将生物质转化为CO、H2、CH4和CnHm等可燃气体的技术。•影响生物质气化的关键问题之一是气体的热值偏低。•新生物质气化技术：催化气化、气化制氢、超临界气化、焦油气化等。4.3沼气•沼气是厌氧微生物发酵农作物秸秆、禽畜粪便和工业有机废物等产生的一种混合气体。•主要成分：CH455-65%；CO230-40％；少量H2S，CO，H2，O2等。575819.7亿吨标准煤，增长15.2%煤炭18.7亿吨，增长14.4%原油2.9亿吨，增长16.8%天然气415亿m3，增长18.5%水电3280亿kW.h，增长15.6%核电501亿kW.h，增长15.6%第五节中国生物能源现状和未来发展中国2004年能源消费结构592004年中国与世界能源消费比较项目世界中国消费总量（亿吨标准油）10213.9煤炭（亿吨）5518.7石油（亿吨）382.9天然气（万亿m3）2.70.42发电量（万亿kW.h）172.1人均消费（吨标准油）1.61.0760中国石油储量和开采年限•中国目前探明油、气储量占世界总量的3.7％和1.96％，人均拥有量只有12％和4％。•如果按石油最终可采储量为140亿吨计算，最终开采年限将可达70年。•天然气可采储量为1.58万亿m3，可开采79年。61中国对进口石油的依赖程度•2005年，进口量达到1亿吨。•2020年，进口量将达到2.5亿吨，可能超过日本成为世界第一大油品进口国。•石油安全问题对我国成为了一个日益紧迫的问题。62中国能源的主要问题和解决方案•1、主要问题：（1）能源资源不足（2）能源供应主要依赖煤炭，环境污染严重（3）能源利用率低，浪费严重•2、解决方案：加大清洁能源能源结构的比重，特别是可再生能源的开发利用635.1中国生物能源现状资源量1、农作物秸秆7亿吨/年2、林业及木材加工废弃物9亿吨/年3、畜禽养殖和工业废水产沼气800亿m3/年4、城市垃圾1.2亿吨/年利用量1、沼气55亿m3/年2、发电200万kW/年3、燃料乙醇100万吨/年4、利用能源作物生产燃料乙醇和生物柴油在进行试点和示范64现有的粮食燃料乙醇公司产量/万吨河南天冠30吉林省吉林30安徽丰原32黑龙江金玉1065各地拟建粮食燃料乙醇项目粮食路线产品产量/万吨状态河南天冠二期乙醇30在建丰原生化白城项目乙烯20启动丰原定向增发乙醇30即将启动黑龙江肇东乙醇20发改委未批山东华信乙醇50发改委未批66非粮乙醇项目是未来发展的方向非粮食路线产品产量/万吨状态中石化新疆甜高梁乙醇70启动河北薯类乙醇乙烯40论证重庆薯类乙醇乙醇10～20论证四川广元薯类乙醇乙醇10～20论证广西木薯乙醇乙醇15论证麻疯树生产生物柴油工程化模式中试基地规范化优质原料种植基地生物技术研究麻疯树优质原料生物柴油工艺常规育种分子育种栽培技术产量、品质控制机理研究遗传转化体系研究组织培养体系研究资源收集分析综合利用研究提高综合效益抗肿瘤、抗病毒药物生物肥料生物农药其它化工产品685.2中国生物能源利用目标项目2010年2020年生物质发电（万kW/年）5503000固体成型燃料（万吨/年）1005000农村户用沼气（亿m3/年）110180燃料乙醇（万吨/年）1000生物柴油（万吨/年）100695.3中国发展生物能源的好处•（1）再造绿色大庆，增加能源供给。•（2）减少二氧化碳排放，改善生态环境。•（3）创造就业岗位，增加农民收入。•（4）发展生物化工，推动化工革命。705.4中国生物能源的发展方向•（1）高效直接燃烧技术和设备•（2）集约化综合开发利用•（3）生物质能的创新高效开发利用•（4）城市生活垃圾的开发利用•（5）能源植物的开发71发展生物能源要消除四大误区•（1）消除与人争粮的误区•（2）消除与粮争地的误区•（3）消除生产成本高的误区•（4）消除技术不成熟的误区72思考题•1、什么是生物能源？生物能源主要包括哪些形式？•2、简述生物柴油的生产方法和产业链•3、未来生产生物乙醇的方法是什么？目前阻碍其发展的关键问题是什么？•4、我国应该如何发展有特色的生物能源产业？73延伸阅读•美国能源部官方网站：•欧洲可再生能源委员会：•中国国家发展和改革委员会能源局：•中国生物能源网：延伸阅读•1、Biofuelsfortransformation-globalpotentialandimplicationsforsustainableagricultureandenergyinthe21stcentury,Worldwatchinstit