生物質(zhì)組成結(jié)構(gòu)和性質(zhì)市公開課金獎(jiǎng)市賽課一等獎(jiǎng)?wù)n件

1、第一節(jié) 生物質(zhì)物理性質(zhì) 一切有生命能夠生長有機(jī)物質(zhì)統(tǒng)稱為生物質(zhì)，它包含植物、動(dòng)物和微生物。生物質(zhì)能源是指蘊(yùn)藏在生物質(zhì)中能量能夠作為能源使用，大致能夠分為植物和非植物兩大類，其中植物類主要包含森林、農(nóng)作物、草類、水草、藻類等。第1頁生物質(zhì)物理性質(zhì)一、生物質(zhì)密度 生物質(zhì)密度通常有三種表示方法：即堆密度、視密度和真密度，同一個(gè)生物質(zhì)樣， 這三種密度數(shù)值依次增大。 堆密度是指單位體積（既包含顆粒問孔隙，也包含顆粒內(nèi)部孔隙）生物質(zhì)質(zhì)量，它反應(yīng)了在自然堆職狀態(tài)下單位體積生物質(zhì)物料質(zhì)量。第2頁生物質(zhì)物理性質(zhì) 視密度是指單位體積（不包含顆粒間孔隙，但包含顆粒內(nèi)孔隙）生物質(zhì)質(zhì)量，可用稱重法測(cè)定。 真密度是指單位

2、體積（既不包含顆位間孔隙，也不包含顆粒內(nèi)部孔隙生物質(zhì)質(zhì)量，可用比重瓶法或其它置換方法測(cè)定。 第3頁生物質(zhì)物理性質(zhì)第4頁生物質(zhì)物理性質(zhì)二、自然堆積角 生物料自然堆積時(shí)會(huì)形成個(gè)錐體，錐體母線與底面夾角叫做自然堆積角。自然堆積角能夠反應(yīng)物料流動(dòng)特征，流動(dòng)性好物料顆粒在很小坡度就會(huì)滾落，只能形成很矮錐體，自然堆積角較小。 谷殼類物料自然堆積角通常不超出45。在固定床熱解爐中依靠重力能夠順暢地向下移動(dòng)，當(dāng)下部原料消耗以后， 上部原料自然下落給以補(bǔ)充，形成充實(shí)而均勻反應(yīng)層。 玉米秸秸即使扎成小段也能堆成垛，甚至自然堆積角能夠超出90而成為飩角。它們?cè)跓峤鉅t中輕易產(chǎn)生架橋、穿孔現(xiàn)象，反應(yīng)層難以一直保持充實(shí)和

3、均勻。第5頁生物質(zhì)物理性質(zhì)三、生物質(zhì)比表面積 生物質(zhì)是含有空隙結(jié)構(gòu)固體，用表面積和孔隙率等指標(biāo)來表示。 表面積有外表面積與內(nèi)表面積之分，生物質(zhì)表面積大小般用比表面積來表示，單位質(zhì)量生物質(zhì)顆粒所含有表面積。 孔隙率稱氣孔率，它是指孔隙體積（既包含顆粒間孔隙，也包含顆粒內(nèi)部孔隙）與生物質(zhì)總體積之比。四、生物炭強(qiáng)度 生物質(zhì)物料加熱后很快析出揮發(fā)分，剩下為生物炭。本材和硬質(zhì)秸秤等形成木最機(jī)械強(qiáng)度較高，而多數(shù)秸桿機(jī)械強(qiáng)度很低，在大量揮發(fā)分析出后輕易在反應(yīng)層中形成空洞。第6頁生物質(zhì)物理性質(zhì)五、生物質(zhì)比熱容和導(dǎo)熱系數(shù) 生物質(zhì)比熱不是恒定，它隨生物質(zhì)種類、水分、灰分改變而改變，它與溫度改變關(guān)系大致以下，在O與

4、某溫度之間比熱隨溫度增加而增加；超出某溫度比熱則隨溫度增加而下降。生物質(zhì)是不良熱導(dǎo)體所以在物質(zhì)在熱解反應(yīng)爐中升溫速度很慢。第7頁第二節(jié) 生物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu) 為了有效利用植物生物質(zhì)同需要經(jīng)過化學(xué)和生物方法將其轉(zhuǎn)化為清潔燃料和各種化學(xué)產(chǎn)品。為此，必須了解生物質(zhì)基本組成。普通而言，木質(zhì)纖維素一類生物質(zhì)主要有三種聚合體：纖維素、半纖維素和本質(zhì)素以及少許提取物組成。纖維素和半纖維素是由碳水化合物組成，木質(zhì)素、淀粉、植物油則是由碳水化合物經(jīng)過一系列生物化學(xué)反應(yīng)合成。第8頁生物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)幾個(gè)生物質(zhì)組分生物質(zhì)基本組成物又都是由碳、氧、氧、所組成第9頁生物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)一、碳水化合物 要了解植物生物質(zhì)結(jié)構(gòu)，還得先

5、從碳水化合物說起，碳水化合物普通分為三類：單糖、低聚糖和多糖。第10頁生物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)二、纖維素 高等植物細(xì)胞壁普通都含有纖維素，如棉花含纖維素88%96%，本材和蔗渣含纖維素約50%。纖維素分子是重復(fù)單元（葡萄糖簡單均一線型高聚物。 純纖維素是無色無昧白色絲狀物，不溶于水、稀酸、稀堿和有機(jī)溶劑，但能夠酸水解降解、氧化降解、堿性降解、微生物降解、熱降解和機(jī)械降解。 纖維素?zé)峤馓卣鞔笾乱韵拢?550物理吸附水進(jìn)行解吸，150240 結(jié)構(gòu)中一些葡萄糖基開始脫水，240400 結(jié)構(gòu)中糖苷鍵升始斷裂，并產(chǎn)生一些新產(chǎn)物和低分子揮發(fā)性化合物，400以上時(shí)，結(jié)構(gòu)中殘余物進(jìn)行芳環(huán)化，逐步形成石墨機(jī)構(gòu)。第11頁

6、生物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)三、半纖維素 半纖維素是植物生物質(zhì)中主要組成部分，它是各種糖共聚物總稱。依據(jù)聚合物主鏈組成，通常將半纖維素大致分為聚木糖類半纖維素、聚甘露糖類半纖維素和其它類半纖維素三大類。 半纖維素中絕大部分不溶于水，而可溶于水者也是呈膠體溶液。半纖維素聚合度普通為 150200。 通常情況下，分離出來半纖維素溶解度比天然狀態(tài)半纖 維素潛解度高。第12頁生物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)四、木質(zhì)素 木質(zhì)量是類復(fù)雜有機(jī)聚合物，在植物界中含量僅次于纖維素，禾本植物中木質(zhì)素含量普通為15%25%，木本植物中木質(zhì)素含量普通為20 40%，木質(zhì)素單體是一類含有苯丙胺骨架多羥基化合物，單體間經(jīng)過C-C鍵或者C-O鍵形成復(fù)

7、雜五定型高聚物。 木質(zhì)素在酸中十分穩(wěn)定，據(jù)此能夠?qū)⒈举|(zhì)素和其它成份分開，分離后本質(zhì)為無定形褐色物質(zhì)，它在堿和氧化劑中穩(wěn)定性比纖維素稍差，木質(zhì)素能溶于亞硫酸和硫酸中。 木質(zhì)素和半纖維素一起作為細(xì)胞間質(zhì)填充在細(xì)胞壁和微細(xì)纖維之間。也存在于細(xì)胞間層，把相鄰細(xì)胞連接在 起，發(fā)揮木質(zhì)化作用，木質(zhì)化細(xì)胞壁能夠抵抗做生物侵蝕，增加強(qiáng)度，井提升細(xì)胞壁透水性。第13頁生物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)第14頁第三節(jié) 生物質(zhì)元素分析 植物生物質(zhì)主要由碳、氫、氧、氮、硫五個(gè)元素組成，其中木材主要由 碳、氫、氧、氨四個(gè)元素組成，含量約為碳49.5%、氫6.5%、氧43%、氮1%, 秸軒主要出碳、氫、氧、氮、硫五個(gè)元素組成，含量約為碳4

8、0%46%、氫5% 6%、氧43%50%、氮0.6%1.1%、硫0.1%0.2%，還有一些數(shù)量極少元素如磷、鉀等。第15頁生物質(zhì)元素分析碳是生物質(zhì)主要可燃成份，1kg碳完全燃燒能夠釋放出33858kJ熱量,碳元素著火點(diǎn)很高，碳元章含量越高就越不輕易著火。氫是生物質(zhì)中含量僅次于碳主要可燃成份，lkg氫完全燃燒能夠釋放出125400 kJ 熱量，氫在生物質(zhì)中有兩種存在，形式一個(gè)叫可燃?xì)?，燃燒時(shí)能放出大量熱能；另種稱為化合氫，它與氧結(jié)合，不能燃燒放熱?？扇?xì)浜窟h(yuǎn)遠(yuǎn)低于碳含量。氮在氧燃燒反應(yīng)生成氮氧化合物NO2或NO，但氮在較低溫度（800）下與氧燃燒生成氮氧化合物能力顯著下降。第16頁生物質(zhì)元素分

9、析硫是可燃成份之 ，但也是有害成份 l kg 硫完全燃燒可釋放9 033 kJ熱量燃燒產(chǎn)物SOx，.這些氣體與煙氣或大氣中水蒸氣相遇化合成亞硫酸或硫酸。生物質(zhì)中硫存在形式可分為無機(jī)硫和有機(jī)硫兩類，從燃燒角度也可將它們分為可燃硫（或稱揮發(fā)硫）和固定硫（或稱不可燃硫）兩類，氧是不可燃成份它與部分氫和碳相結(jié)合處于化合物狀態(tài)。磷、鉀即使是可燃元素，但因?yàn)楹繕O少，在生物質(zhì)燃燒和熱解轉(zhuǎn)化中起作用不大，可忽略。第17頁生物質(zhì)元素分析第18頁生物質(zhì)元素分析第19頁第四節(jié) 生物質(zhì)工業(yè)分析 生物質(zhì)T業(yè)分析是生物質(zhì)水分（M），灰分（A），揮發(fā)分（V）和固定碳（FC）四個(gè)分析項(xiàng)日總稱，還包含對(duì)灰渣進(jìn)行觀事和灰熔點(diǎn)做

10、出判斷。第20頁生物質(zhì)工業(yè)分析第21頁生物質(zhì)工業(yè)分析一、水分 生物質(zhì)中水分能夠分為游離水和結(jié)晶水兩大類，而游離水又分外在水分和內(nèi)在水分。 外在水分，又稱為自由水分或表面水分，附著于生物質(zhì)表面水膜和存在于直徑大于10-5cm毛細(xì)孔中水分，外在水分蒸汽壓與純水蒸汽壓相同，常溫下易蒸發(fā)，蒸發(fā)速度與大氣溫度和濕度相關(guān)。 內(nèi)在在外這是指吸附或凝聚在生物質(zhì)顆粒內(nèi)部毛細(xì)孔（直徑 10-5 cm）中水分。因?yàn)槊?xì)孔吸附作用，這部分水是汽壓低于純水蒸汽壓，故較難蒸發(fā)去除。 結(jié)晶水是生物質(zhì)中礦物質(zhì)所含結(jié)晶水或化合水，所占百分比極少，與揮發(fā)分一同析出，計(jì)入揮發(fā)分中。第22頁生物質(zhì)工業(yè)分析二、灰分 灰反分是生物質(zhì)中全

11、部可燃物質(zhì)完全燃燒以及生物質(zhì)中礦物質(zhì)在定溫度下產(chǎn)生分解、化合等復(fù)雜反應(yīng)后剩下來殘?jiān)?，主要由CaO、K2O、Na2O、MgO、SiO2、Fe2O3、P2O5等組成。 灰分尤其是其中堿金屬等礦物質(zhì)對(duì)生物質(zhì)熱解轉(zhuǎn)化有著不能忽略影響，在熱解過程中能夠起到催化劑作用?；曳秩廴谛砸布椿胰埸c(diǎn)，灰分在高溫下變成熔融狀態(tài)后粘結(jié)成難以去除大渣塊，普通生物質(zhì)原料灰熔點(diǎn)在900-1050，也有一些在850以下。第23頁生物質(zhì)工業(yè)分析第24頁生物質(zhì)工業(yè)分析第25頁生物質(zhì)工業(yè)分析三、揮發(fā)分 揮發(fā)分與水分小同，它不是生物質(zhì)中固有物質(zhì)，而是在特定條件下熱分解產(chǎn)物，包含飽和和未飽和芳香族碳氧化合物和結(jié)晶水分解后蒸發(fā)水蒸氣等。

12、不一樣生物質(zhì)析出揮發(fā)分?jǐn)?shù)量改變范圍較寬，析出揮發(fā)分后余下同體殘余物稱為焦炭或半焦。四、固定碳 生物質(zhì)中固定獻(xiàn)是指從生物質(zhì)中除去水分、灰分和揮定分后殘留物，固定碳也不是生物質(zhì)中固有成份，也是熱分解產(chǎn)物，不但包含碳，而且還包含氫、氧、氮、硫等其它元素。第26頁生物質(zhì)工業(yè)分析三、基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換成份分解圖第27頁生物質(zhì)工業(yè)分析第28頁生物質(zhì)工業(yè)分析第29頁生物質(zhì)工業(yè)分析第30頁第五節(jié) 生物質(zhì)化學(xué)性質(zhì) 生物質(zhì)在加熱過程中，它組分變得不穩(wěn)定并開始熱解。對(duì)木材熱解特征研究發(fā)覺，其組分在150左右就開始有化學(xué)活性，半纖素起始熱解溫度為150350，纖維素為275350 ，木質(zhì)素為230500 .所以，普通認(rèn)為木材起

13、始熱解溫度為250 左右。第31頁生物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)一、纖維素?zé)峤?纖維素一次熱解有兩條相互競(jìng)爭路徑 一是纖維素脫中生成炭、二氧化碳和水，二是纖維素破碎生成中間產(chǎn)物，主要是左旋葡聚糖。第32頁生物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)二、半纖維素?zé)峤?半纖維素在生物質(zhì)中含量即使比較少，但它在組分中反應(yīng)活性卻最強(qiáng)， 在150350也圍內(nèi)熱解過程發(fā)生得很快速。半纖維素?zé)峤鈾C(jī)理與纖維素相同，中間產(chǎn)物由左旋葡聚糖變?yōu)檫秽苌?。三、木質(zhì)素?zé)峤?木質(zhì)章一次熱解普通發(fā)生在熱軟化溫度 200 ，由其氫鍵斷裂和芳香基失穩(wěn)所引發(fā)。伴隨溫度升高木質(zhì)素降解受其結(jié)構(gòu)影響，首先形成高分子物質(zhì)，這是由水質(zhì)素結(jié)構(gòu)中含烷基分子鏈中雙鍵形引發(fā)，然后小分子物質(zhì)

14、開始形成，主要是輕芳香族物質(zhì)，小分于物質(zhì)形成過程中木質(zhì)素?zé)峤獾竭_(dá)頂峰之后便結(jié)束。第33頁生物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)四、生物質(zhì)燃燒 生物質(zhì)燃料（秸桿、薪柴等）燃燒是強(qiáng)烈戰(zhàn)熱化學(xué)反應(yīng)過程，燃料燃燒過程能夠分作預(yù)熱、水分蒸發(fā)、析出揮發(fā)分和焦炭燃燒等幾個(gè)階段。 用火引燃柴草表面可燃物，溫度逐步升高，水分首先蒸發(fā)，干燥柴草增溫發(fā)生熱解，析出揮發(fā)分氣體揮發(fā)什首先燃燒，經(jīng)過傳導(dǎo)和輻射向內(nèi)層傳熱，從而使內(nèi)層揮發(fā)分析出，繼續(xù)與氧混合燃燒，并放出大量熱量。當(dāng)揮發(fā)物燃燒快要終了時(shí)，焦炭表面與氧氣接觸燃燒并不停產(chǎn)生灰分。幾個(gè)階段連續(xù)不停進(jìn)行。水蒸氣比二氧化碳對(duì)碳?xì)饣饔每?，爐膛、熱解反應(yīng)爐中有適量水蒸氣，可促進(jìn)固定碳燃燒或轉(zhuǎn)化。第34頁第六節(jié) 生物質(zhì)發(fā)燒量 燃料發(fā)燒量又稱燃料熱值，有高位熱值和低位熱值之分， 是衡量生物質(zhì)燃料燃燒性能優(yōu)劣主要指標(biāo)第35頁生物質(zhì)發(fā)燒量高位熱值是指單位質(zhì)量燃料完全燃燒后能夠產(chǎn)生全部熱量，包含燃燒產(chǎn)物煙氣中汽化潛熱，普通燃燒裝置如鍋爐等排煙溫度都大于100，煙氣中水分處于蒸汽狀態(tài)，這些水蒸氣從燃料燃燒釋放出熱量中吸收了氣化潛熱。低位熱值即燃料低位發(fā)燒量，是從燃料高位熱值中扣除汽化潛熱，是燃燒可能利用熱量。第36頁生物質(zhì)發(fā)燒量不一樣收到基水分時(shí)燃料低位發(fā)燒量Q名 稱符號(hào)單位小麥秸稈玉米秸稈平均值空干基水分