-生物質能課件

第七章生物質能1.第七章生物質能1.內容提要生物質能生物質能的生產與再生產沼氣技術生物質固硫型煤技術生物質熱解與直接液化技術生物質氣化技術生物燃料生物質能開發(fā)利用技術展望2.內容提要生物質能2.6.1生物質能6.1.1生物質的組成與結構1）光合作用光反應：H2O在光合葉綠素的作用下，生成氫暗反應：又叫卡爾文循環(huán)，CO2、H2以及ATP生成葡萄糖2）植物細胞的結構細胞壁植物細胞---原生質體（膜系統(tǒng)、細胞核、細胞質及細胞器）后含物（淀粉、脂類和蛋白質）3）生物質的分類林業(yè)資源農業(yè)資源生活污水和工業(yè)有機廢水城市固體廢物家禽糞便3.6.1生物質能6.1.1生物質的組成與結構1）光合作用36.1生物質能6.1.2生物質能的轉化利用技術4.6.1生物質能6.1.2生物質能的轉化利用技術4.6.1生物質能6.1.3生命周期分析法綠色植物的生命周期（種植、生長、收獲、運輸、儲存、預處理、利用和廢物處理），其中許多過程需要消耗一定的常規(guī)能源，因此綠色植物的二氧化碳排放量并非為零?；茉磁c生物質能排放量的對比能源CO2/[g/(kW.h)]SO2/[g/(kW.h)]NOx/[g/(kW.h)]能源作物（目前）17-270.07-0.161.1-2.5能源作物（未來）15-180.06-0.080.35-0.51煤炭（最佳）95511.84.3石油81814.24.0天然氣430-0.55.6.1生物質能6.1.3生命周期分析法綠色植物的生命周期6.2生物質能資源的生產與再生產6.2.1生物質資源生產的周期性1）植物生活周期慢-快-慢2）季節(jié)周期性以草本植物為例：一年生植物；兩年生植物；多年生植物3）晝夜周期性晝夜生長速度不一樣。植物體內存在一種不依賴于環(huán)境刺激的近似晝夜節(jié)奏的計時系統(tǒng)，稱為生物鐘，具有內生性、對溫度不敏感性和計時性等。6.2.2工業(yè)有機廢水1）化學需氧量COD水中能被化學氧化劑氧化的物質在規(guī)定條件下進行化學氧化反應過程所消耗的氧的數(shù)量，表示工業(yè)有機廢水中有機物的濃度。2）生化需氧量BOD水樣中微生物分解有機物的過程中所消耗的水中的溶解氧量。2）幾種典型的工業(yè)有機廢水制漿造紙業(yè)廢水制革業(yè)廢水啤酒廢水肉類加工業(yè)廢水6.6.2生物質能資源的生產與再生產6.2.1生物質資源生產6.2生物質能資源的生產與再生產6.2.3城市固體廢棄物1）按化學性質分類有機固體廢棄物無機固體廢棄物2）按照燃燒的難易程度不燃固體廢物難燃固體廢物易燃固體廢物3）固體廢物對環(huán)境的影響侵占土地：堆放１萬噸廢物占地１畝污染土壤：污染水源：污染大氣：7.6.2生物質能資源的生產與再生產6.2.3城市固體廢棄物6.3沼氣技術6.3.1沼氣發(fā)酵原理1）沼氣沼氣是有機物在厭氧條件下經(jīng)微生物分解發(fā)酵而生成的一種可燃性氣體。主要為甲烷和二氧化碳2）沼氣發(fā)酵的微生物學原理

8.6.3沼氣技術6.3.1沼氣發(fā)酵原理1）沼氣8.6.3沼氣技術6.3.1沼氣發(fā)酵原理2）沼氣發(fā)酵的微生物學原理a.發(fā)酵性細菌：將可溶性的糖、氨基酸和脂酸吸收進入細胞后，經(jīng)go發(fā)酵作用將其轉化為乙酸、丙酸、丁酸脂肪和醇類、同時產生一定量的氫和二氧化碳。b.產氫產乙酸菌：將發(fā)酵性細菌產生的有機酸和醇類分解成乙酸、氫和二氧化碳。

CH3CH2COOH+2H2O---CH3COOH+CO2+3H2CH3CH2CH2COOH+2H2—2CH3COOH+2H2CH3CH2OH+2H2O-----CH3COOH+2H2CH3CHOHCOOH(乳酸)+H2O---CH3COOH+CO2+H2

c.耗氫乙酸菌：既能利用水和CO2生成乙酸，也能分解糖產生乙酸。2CO2+4H2---CH3COOH+2H2OC6H12O6—3CH3COOHd.產甲烷菌:需厭氧條件下，PH>5.5的中性范圍內產生。4H2+CO2----CH4+2H2O4HCOOH---CH4+3CO2+2H2O4CH3OH----CH4+3CO2+2H2OCH3COOH---CH4+CO2

一般的產甲烷菌生長速度慢，最快的需要８小時。9.6.3沼氣技術6.3.1沼氣發(fā)酵原理2）沼氣發(fā)酵的微生物6.3沼氣技術6.3.1沼氣發(fā)酵原理3）沼氣發(fā)酵條件a.BOD5/COD初步評價有機物的可生物降解性。b.溫度250C以下為低溫，25-450C為中溫，46-600C為高溫發(fā)酵。

c.PH值和堿度6.8—7.4之間最適宜d.C/N比。原料中有機碳素和氮素含量的比例關系。厭氧發(fā)酵的啟動階段不超過30：1。6.3.2沼氣利用設施和設備1）沼氣炊事灶具2）沼氣燈具

由燃燒器、燈罩、玻璃罩、電子脈沖點火器及支架底座等組成。10.6.3沼氣技術6.3.1沼氣發(fā)酵原理3）沼氣發(fā)酵條件6.6.3沼氣技術6.3.3沼氣的綜合利用1）沼氣二氧化碳施肥燃燒沼氣產生二氧化碳，二氧化碳對農作物具有增產作用，平均可增加幅度30%。2）沼氣供熱孵雞3）沼氣加溫養(yǎng)蠶11.6.3沼氣技術6.3.3沼氣的綜合利用1）沼氣二氧化碳施6.4生物質固硫型煤技術6.4.1生物質固硫型煤生產工藝12.6.4生物質固硫型煤技術6.4.1生物質固硫型煤生產工藝6.4生物質固硫型煤技術6.4.2生物質固硫型煤燃燒特性1）點火性能可燃基揮發(fā)分比原煤高，進入爐膛后，生物質首先燃燒，使型煤短時間達到著火點，生物質燃料燃燒后體積收縮，使型煤產生很多孔道及空襲，形成多孔形球體。2）燃燒機理靜態(tài)滲透式擴散燃燒燃燒由表面及不斷深入到內部，不會發(fā)生熱解析炭冒煙現(xiàn)象。3）固硫特性生物質比煤先燃燒，形成的空隙起到了膨化疏松作用，使固硫劑CaO顆粒內部不易發(fā)生燒結，可使空襲率增加，增大SO2和O2向CaO顆粒內的擴散作用，提高鈣的利用率?？稍谳^低的Ca/S下，使固硫率達到50%以上。13.6.4生物質固硫型煤技術6.4.2生物質固硫型煤燃燒特性6.5生物質熱解與直接液化技術6.5.1生物質熱化學轉換生物質與煤具有相似性，最初來源于煤化工14.6.5生物質熱解與直接液化技術6.5.1生物質熱化學轉換6.5生物質熱解與直接液化技術6.5.2生物質熱解技術1）生物質熱解工藝的類型燒炭：少量空氣進行熱分解制取木炭的方法。干餾（低溫干餾500-5800C，中溫干餾660-7500C，高溫干餾900-11000C）：隔絕空氣的環(huán)境加熱，制取醋酸、甲醇、木焦油抗聚劑、木餾油和木炭等產品?？焖贌峤猓涸谌毖醯那闆r下快速加熱，然后迅速將其冷卻為液態(tài)生物原油的熱解方法。盡可能獲得更多的液體產物。6.5.3生物質熱解過程與原理1）生物質熱解過程和產物過程-a.干燥階段：120-1500C，水分蒸發(fā)。b.預炭化階段：150-2750C，木材化學組成發(fā)生變化，不穩(wěn)定組分分解為CO2、CO和少量醋酸。c.炭化階段：275-4500C，木材急劇熱分解，產生大量產物，發(fā)出大量的反應熱。d.煅燒階段：450-5000C，進行木炭的煅燒，排除殘留在木炭中的揮發(fā)物質，提高木炭中固定碳含量。產物--固體：木炭液體：粗木醋酸，包括200種以上有機物，酸類、醇類、醛類、酯類、酚類、芳香化合物、雜環(huán)化合物及胺類等。氣體：CO2、CO、CH4、C2H4和H2

15.6.5生物質熱解與直接液化技術6.5.2生物質熱解技術16.5生物質熱解與直接液化技術6.5.3生物質熱解過程與原理2）生物質熱解的原理包括分子鍵斷裂，異構化和小分子聚合等反應。3）影響生物質熱解的因素a.熱解的最終溫度：木炭產量隨溫度升高逐漸降低木醋酸組成在270-4000C變化較大，〉4000C變化不顯著。b.升溫速率：加熱速率加快，木炭產量下降，焦油產量增加，最大可達80%的生物原油產率c.壓力：在1.33Pa的真空下熱解，不釋放熱量，3.15MPa熱解，放大量的熱。d.含水率：含水率過高，熱解所需時間較長。較干的木材熱解會放熱較快，降低木炭產量e.木炭的形態(tài)：沿纖維方向的熱導率比纖維垂直方向的熱導率大。f.反應的氣氛：采用過熱蒸汽處理，可得到酸率8%。16.6.5生物質熱解與直接液化技術6.5.3生物質熱解過程與6.5生物質熱解與直接液化技術6.5.4生物質快速熱解技術1）生物質快速熱解

生物質在缺氧的狀態(tài)下，在極短的時間（0.5-5s）加熱到500-5400C，然后其產物迅速冷凝的熱解過程。2）快速熱解工藝

17.6.5生物質熱解與直接液化技術6.5.4生物質快速熱解技6.5生物質熱解與直接液化技術6.5.5生物原油的燃料特性及應用1）相對密度

液體燃料在200C下的密度與40C水的密度之比，生物燃油為1.2，柴油為0.85，熱值相當于40%相同質量的燃油。2）熱穩(wěn)定性加熱到1000C以上時，會析出占原有質量50%的木炭。因此需要加氫裂解或水蒸氣裂解3）應用替代燃油在固定場所應用提取化工原料6.5.6生物質直接液化技術生物質在高壓下，直接與氫氣發(fā)生反應，轉化為液體燃料的熱化學反應過程。一般需使用催化劑。熱解與液化的區(qū)別熱化學過程催化劑壓力/MPa主要產物熱解不需要0.1-0.5生物原油液化需要5-20液化油18.6.5生物質熱解與直接液化技術6.5.5生物原油的燃料特6.5生物質熱解與直接液化技術6.5.6生物質直接液化技術工藝：1）一步法催化加氫液化技術

由德國開發(fā)，連續(xù)液化（由反應器、熱分離器和冷卻器組成），生物質顆粒與催化劑和循環(huán)油混合，反應在20MPa氫分壓和3800C下進行約15min，進入氣相的液體產品在熱分離器中快速蒸餾，塔底重油用作循環(huán)油，其余液體產物冷卻到室溫后得到沸程60-3600C的油品，其中99%為正己烷可溶物。2）水中液化日本開發(fā)，間歇反應器，以He為載氣，反應溫度為250-4000C，催化劑為堿金屬的碳酸鹽，產油率為50%（采用發(fā)酵殘渣為原料）。Na2CO3+H2+2CO----2HCOONa+CO22C6H10O5+2HCOONa---2C2H10O4+H2O+CO2+Na2CO33）煤與生物質共同液化可降低煤的液化溫度，增加低分子量的戊烷可溶物，生物質與煤相互作用機理不明。液化油的性質：高黏度、高沸點的酸性物質19.6.5生物質熱解與直接液化技術6.5.6生物質直接液化技6.6生物質氣化技術6.6.1氣化的基本原理1）氧化層C+O2—CO22C+O2--2CO2CO+O2--2CO22H2+O2—2H2O2）還原層C+H2O—CO+H2C+CO2—2COC+2H2—CH4

6.6.2氣化過程的指標1）氣體產率單位質量生物質氣化所得的燃氣體積，m3/kg2）氣化強度氣化爐中每單位截面積每小時氣化生物質質量[kg/m2.h]

3）氣化效率，又稱冷氣體效率單位質量生物質氣化所得到的燃氣在完全燃燒時所放出的熱量與氣化使用的生物質發(fā)熱量之比，是衡量氣化過程的主要指標。20.6.6生物質氣化技術6.6.1氣化的基本原理1）氧化層66.6生物質氣化技術6.6.3氣化的分類

無氣化劑干餾氣化生物質氣化空氣氣化氧氣氣化有氣化劑水蒸氣氣化水蒸氣-空氣氣化氫氣氣化6.6.4氣化的設備下吸式氣化爐（逆流式氣化爐）固定床氣化爐上吸式氣化爐（順流式氣化爐）橫吸式氣化爐生物質氣化爐鼓泡床氣化爐流化床氣化爐循環(huán)流化床氣化爐雙床氣化爐攜帶床氣化爐21.6.6生物質氣化技術6.6.3氣化的分類6.6.4氣化6.6生物質氣化技術6.6.5生物質燃氣凈化6.6.6生物質燃氣的主要用途水洗：除塵、除焦、冷卻三種功能過濾：除塵、除焦靜電除焦：效率可達90%催化裂化：將焦油裂解成小分子氣體。1）提供熱量

直接燃燒，燃料適應性廣。2）氣化發(fā)電

3）化工原料制造甲醇二甲醚合成氨等。22.6.6生物質氣化技術6.6.5生物質燃氣凈化6.6.66.7生物燃料6.7.1概述6.7.2生物柴油1）定義生物燃料：以生物質為原料生產的液體燃料，如生物柴油、乙醇和二甲醚等。2）生物燃料的優(yōu)勢可持續(xù)發(fā)展減少溫室氣體排放促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展能源安全1）生物柴油

以植物油（油菜、向日葵、大豆、棕櫚油等）為原料，通過化學方法獲得的一種生物燃料。2）化學法生產生物柴油植物油過濾酯化清洗催化劑甲醇/乙醇甘油混合物生物柴油23.6.7生物燃料6.7.1概述6.7.2生物柴油1）定義6.7生物燃料6.7.2生物柴油2）化學法生產生物柴油對于含有游離脂肪酸、聚合物及分解物等雜質的高酸值油質進行酯化前，需進行預處理。兩種方法：a.物理精煉將油脂---水化或磷酸處理---脫出磷脂及膠質---預熱脫水、脫氣—加入過量蒸汽---蒸出游離酸b.甲酯預酯化油脂—脫磷脂及膠質—脫水—加入乙醇+酸性催化劑---游離酸聲稱甲酯3）生物柴油的燃料特性生物柴油與常規(guī)柴油的特性比較主要燃料特性生物柴油常規(guī)柴油主要燃料特性生物柴油常規(guī)柴油相對密度0.880.83十六烷值≧56≧49動力粘度400C/mm2/s4-62-4燃燒功效（柴油=100%）/%104100閉口閃點/0C﹥10060S（質量分數(shù)）/%﹤0.001﹤0.224.6.7生物燃料6.7.2生物柴油2）化學法生產生物柴油生6.7生物燃料6.7.3生物燃料乙醇1）乙醇的制備方法

a.化學合成法乙烯水合法（硫酸水合法、直接水合法），乙醛加氫法

b.發(fā)酵法利用微生物的發(fā)酵作用將糖份活淀粉轉化為乙醇的方法。世界60%乙醇由甜菜發(fā)酵而成，7%化學合成，33%其他原料，1998年統(tǒng)計數(shù)據(jù)。2）無水乙醇的制備a.吸水劑脫水法CaO+H2O—Ca(OH)2CaO+2CH3COOH—(CH3COO)2Ca+H2O副反應

b.分子篩法水分可被沸石分子篩吸附（吸附的3/4為水，1/4為乙醇）c.共沸脫水法向乙醇水溶液中加入苯或戊烷、環(huán)己烷等，形成三元共沸物。

d.真空蒸餾法真空條件下，乙醇-水的共沸物向乙醇濃度增大的方向發(fā)展。e.蒸餾-膜脫水法將蒸餾的酒精通過高分子膜塔制得無水乙醇。

25.6.7生物燃料6.7.3生物燃料乙醇1）乙醇的制備方法26.7生物燃料6.7.3生物燃料乙醇2）無水乙醇的制備f.加鹽脫水法向乙醇中加入CaCl2或KCl等，改變其平衡狀態(tài)，使共沸點消失。g.有機物吸附脫水法應用多糖物質，淀粉、玉米粉、纖維渣等作吸附脫水劑

h.離子交換脫水法用離子交換樹脂作為吸附劑6.7.3甲醇1）甲醇性質又稱木醇或木精，有毒，飲入5-10ml即雙目失明，大量則至死。在汽油中可以摻入25%，提高辛烷值甲醇的燃料特性性質數(shù)值性質數(shù)值相對密度（200C）0.80餾程/0C65辛烷值100熱值/（kJ/kg）19647閃點11汽化潛熱/（kJ/kg）110526.6.7生物燃料6.7.3生物燃料乙醇2）無水乙醇的制備66.7生物燃料6.7.3甲醇2）甲醇生產工藝生物質---合成氣的制造----合成氣凈化---甲醇合成---甲醇精餾兩類催化劑：ZnO-Cr2O3為基礎的改良氧化物系統(tǒng)催化劑，反應壓力34MPa,溫度320-3800C，轉化率12-15%。CuO-ZnO/Al2O3的二代催化劑，反應壓力2-5MPa，溫度250-2600C。3）甲醇轉化制汽油由美國Mobile公司開發(fā)ZSM-5分子篩為催化劑，使甲醇脫水、低聚和異構化轉化為汽油，可得到含量40%，辛烷值為95的無氮、無硫汽油。CH3OH+H2O—CH3OCH3---脂肪烴、環(huán)烷烴、芳香烴4）甲醇的應用

汽油添加劑、燃料電池、化工原料6.7.4二甲醚1）二甲醚性質CH3OCH3，低毒，具有麻醉作用，27.6.7生物燃料6.7.3甲醇2）甲醇生產工藝6.7.46.7生物燃料6.7.4二甲醚1）二甲醚性質CH3OCH3，低毒，具有麻醉作用，是汽油柴油的有力競爭者。2）生產工藝甲醇脫水法

b.合成氣合成二甲醚的燃料特性性質數(shù)值性質數(shù)值相對密度/（kg/L）0.75爆炸極限