碳中和技術(shù)概論 課件 第4、5章 氫能、生物質(zhì)能

第4章

氫能CONTENTS目錄氫能基本知識PART

01氫燃料電池及其應(yīng)用PART

02制氫技術(shù)PART

03氫能基本知識Part.01氫能基本知識01氫是人類利用的最輕元素，是世界上已知的密度最小的氣體，在地球上主要以水、碳氫化合物和各類有機化合物等化合態(tài)的形式存在。長期以來，氫氣作為工業(yè)原料和燃料劑被利用，廣泛應(yīng)用于化工、冶金等行業(yè)，我國已經(jīng)成為世界最大的制氫國，年制氫產(chǎn)量約3300萬噸。與傳統(tǒng)燃料相比，氫氣不僅具有熱值高、能量密度大、來源廣泛等優(yōu)勢，而且燃料或反應(yīng)后生成的水不會造成環(huán)境污染，實現(xiàn)碳零排放，是我國碳中和目標下理想的“清潔能源”，氫能開發(fā)與利用已成為國家能源體系中的重要組成部分。但氫存在的形態(tài)多樣且密度較低，必須通過制氫技術(shù)使其成為能量密度更高的二次能源載體，才能應(yīng)用于當今文明社會。氫能基本知識011.氫的燃燒性能氫氣與氧氣燃燒產(chǎn)生的熱量及反應(yīng)方程式為：燃燒性能指標氫氣天然氣可燃范圍(當量比)/%0.1～0.80.4～1.5可燃范圍(體積分數(shù))/%4～755～15最小點火能/MJ0.020.28點火溫度/K858810質(zhì)量擴散系數(shù)/(cm2·s-1)0.610.16最大層流火焰速度/(m·s-1)2.80.35絕熱火焰溫度/K23902226最小猝熄距離/mm0.642.03氫氣的物理、化學性質(zhì)與天然氣（甲烷）有著十分顯著的差異，上表為常溫常壓下氫氣的燃燒特性與天然氣的燃燒特性的對比。氫氣的點火溫度與天然氣相似，但點火能只有天然氣的7%，這意味著氫氣的自動點火時間要遠低于天然氣，具有更高的自燃以及爆炸風險。常溫常壓下氫氣與天然氣燃燒特性對比

氫能基本知識01電能

氫燃料電池及其應(yīng)用021.氫燃料電池的分類按照基本工作溫度分類：低溫型電池工作溫度一般在100℃以內(nèi)，如質(zhì)子交換膜燃料電池、堿性燃料電池等；中溫型電池工作溫度一般在100~300℃范圍內(nèi)，如磷酸型燃料電池等；高溫型電池工作溫度一般在500℃以上，如熔融碳酸鹽燃料電池或固體氧化物燃料電池等。按照燃料的來源：第一類是直接式燃料電池，即其燃料直接使用氫氣；第二類是間接式燃料電池，通過某種方式將甲烷、甲醇或其他烴類化合物轉(zhuǎn)變成氫或富含氫的混合氣后再供給燃料電池；第三類是再生式燃料電池，是將燃料電池生成的水經(jīng)適當方法分解成氫氣和氧氣，再輸送給燃料電池使用。按照電解質(zhì)種類：可分為堿性燃料電池、磷酸燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池等。按工作原理分類：燃料電池可分為直接氫燃料電池和間接氫燃料電池。直接氫燃料電池主要有堿性燃料電池、磷酸燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池，熔融碳酸鹽燃料電池，固體氧化物燃料電池等。間接氫燃料電池指以甲醇為原料的燃料電池，稱為直接甲醇燃料電池。氫燃料電池分類02燃料電池的類型堿性燃料電池磷酸燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池固體氧化物燃料電池簡稱AFCPAFCPEMFCMCFCSOFC電解質(zhì)氫氧化鉀磷酸含氟質(zhì)子膜碳酸鋰/碳酸鉀釔摻雜氧化鋯電解質(zhì)形態(tài)液體液體固體液體固體陽極Pt/NiPt/CPt/CNi/Al、Ni/CrNi/YSZ陰極Pt/AgPt/CPt/CLi/NiOSr/LaMnO2工作溫度（℃）50-200150-22060-80~650900-1050啟動時間幾分鐘幾分鐘少于5秒高于10分鐘高于10分鐘應(yīng)用航天、機動車潔凈電站、輕便電源機動車、潔凈電站、潛艇、航天潔凈電站潔凈電站、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電

各種燃料電池的技術(shù)參數(shù)氫燃料電池技術(shù)參數(shù)氫燃料電池及其應(yīng)用021.堿性燃料電池結(jié)構(gòu)及工作原理氫燃料電池的原理與結(jié)構(gòu)堿性燃料電池是燃料電池系統(tǒng)中最早開發(fā)并成功獲得應(yīng)用，其工作原理是把氫氣和氧氣分別供給電池的陽極和陰極，氫氣在陽極的催化劑作用下電解為氫離子并釋放電子，氫離子經(jīng)電解質(zhì)層擴散和傳遞到陰極，電子則經(jīng)外電路到達陰極，氫離子和氧氣在陰極得到電子并發(fā)生反應(yīng)生成水，電子從陽極到陰極形成外電路發(fā)電。濃KOH溶液既當作電解液，又作為冷卻劑，它起到從陰極到陽極傳遞OH-的作用。氫氧化鈉和氫氧化鉀溶液，以其成本低，易溶解，腐蝕性低，而成為首選電解質(zhì)。導電離子為OH-，燃料為氫，堿性染料電池結(jié)構(gòu)及其原理如圖所示。

氫燃料電池及其應(yīng)用022.磷酸燃料電池結(jié)構(gòu)及工作原理磷酸燃料電池使用分散在碳化硅基質(zhì)中的液體磷酸為電解質(zhì)，以貴金屬鉑催化的氣體擴散電極為正、負極的中溫型燃料電池，工作溫度相較于堿性燃料電池的工作溫度要高一些，為150~200℃左右。氫燃料被供應(yīng)到陽極，氣體分子在電極表面發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生電子和質(zhì)子。電子穿過外部電路到達陰極，磷酸作為良好的離子導體，將質(zhì)子帶到陰極側(cè)。被送到陰極的空氣或氧氣在電極上發(fā)生氧還原反應(yīng)，消耗電子和質(zhì)子。由于磷酸燃料電池的電極反應(yīng)都有氣體參加，自空氣中的氧氣從陰極板一側(cè)進入燃料電池單體，燃料氣體氫氣則從陽極板一側(cè)進入單體，由于二者的爆炸極限范圍極大，因此二者并不能直接接觸進行反應(yīng)，而是通過電解質(zhì)的作用發(fā)生電化學反應(yīng)。

氫燃料電池及其應(yīng)用氫燃料電池的原理與結(jié)構(gòu)023.質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)及工作原理質(zhì)子交換膜燃料電池使用具有特殊官能基團的聚合物膜作為電池的質(zhì)子交換膜傳遞質(zhì)子，以氫氣（或甲醇）為燃料，氧氣作為氧化劑，選用鉑/碳作為電池的催化劑。由陰陽雙極板、氣體擴散層、催化層、質(zhì)子交換膜構(gòu)成。質(zhì)子交換膜：選擇透過性膜，為氫離子提供傳輸通道的同時隔離兩端的反應(yīng)氣體。為了電池的有效運行，質(zhì)子交換膜應(yīng)具備以下特點：高質(zhì)子電導率；不滲透氣體；可以實現(xiàn)水的平衡運輸；較高的熱穩(wěn)定和化學穩(wěn)定性。催化層：氣體氧化還原反應(yīng)場所，由催化劑和粘結(jié)劑組成。催化劑可以降低氣體反應(yīng)所需的活化能，加快電化學反應(yīng)速率。擴散層：介于催化層和極板之間的微孔層，是電池中氣體傳輸分配的通道，電子在電極與催化層間輸送的通道，還有收集電流以及支撐電池具有一定的抗壓強度的作用。雙極板：陰陽兩極的極板通常合在一起形成雙極板。起到分隔氧化劑與還原劑、收集電流和傳導反應(yīng)的熱量等作用。雙極板材料應(yīng)具有良好的導電性、導熱性及耐腐蝕性等特點，并滿足低成本、易加工、體積小和接觸電阻低等實用要求。氫燃料電池及其應(yīng)用氫燃料電池的原理與結(jié)構(gòu)023.質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)及工作原理

PEMFC具有常溫下快速啟動、低噪聲、低排放、高比功率和高電流密度等優(yōu)點，不僅可以滿足新能源電動汽車的高功率需求，而且適用于低功率的便攜式電子設(shè)備。PEMFC性能是影響工程實踐的重要因素，并受操作條件、流場設(shè)計等方面的較大影響。氫燃料電池及其應(yīng)用氫燃料電池的原理與結(jié)構(gòu)024.熔融碳酸鹽燃料電池結(jié)構(gòu)及工作原理熔融碳酸鹽燃料電池由陽極、陰極、介于兩電極之間的電解質(zhì)和隔膜這幾部分構(gòu)成，在600~650℃的溫度范圍內(nèi)使用氫氣和氧氣作為燃料工作，在生成水的同時生成電和熱。電池電極的厚度通常為幾百毫米。電池的電解質(zhì)一般為熔融碳酸鉀和碳酸鋰混合物（Li2CO3、K2CO3），它們在電池的工作溫度下變?yōu)槿廴趹B(tài)。隔膜采用多孔LiAlO2膜，用于承載熔融態(tài)的電解質(zhì)，構(gòu)成電池的電介質(zhì)層。電介質(zhì)層的厚度接近電極層厚度，其可以作為碳酸根離子的良導體將碳酸根離子由陰極傳輸至陽極。對于不帶電荷的分子，如氫分子和氧分子，電介質(zhì)層將成為絕緣體阻止它們通過。

氫燃料電池及其應(yīng)用氫燃料電池的原理與結(jié)構(gòu)025.固體氧化物燃料電池結(jié)構(gòu)及工作原理固體氧化物燃料電池主要由陰極、陽極及致密的固體氧化物電解質(zhì)疊加組成，形狀如“三明治”結(jié)構(gòu)。其中，具有適當氣孔率的陰極和陽極主要負責氣體的吸附-解離，催化燃料氣體、導通電子，減少燃料輸送、尾氣的排放阻力。而中間的陶瓷固體氧化物電解質(zhì)在微觀結(jié)構(gòu)上需足夠致密，以將兩側(cè)的燃料與氧化劑隔絕，避免在工作溫度下兩種氣體發(fā)生反應(yīng)，其次電解質(zhì)材料需具備較高的離子導電性，能使電極催化產(chǎn)生的載流子定向并快速地遷移至對側(cè)電極。根據(jù)電解質(zhì)材料傳導的載流子可以將固體氧化物燃料電池分為氧離子導體基固體氧化物燃料電池(O-SOFC)和質(zhì)子導體基固體氧化物燃料電池(PCFC)。(a)氧離子傳導型；(b)質(zhì)子傳導型氫燃料電池及其應(yīng)用氫燃料電池的原理與結(jié)構(gòu)025.固體氧化物燃料電池結(jié)構(gòu)及工作原理

氫燃料電池及其應(yīng)用氫燃料電池的原理與結(jié)構(gòu)制氫技術(shù)03氫能源產(chǎn)業(yè)鏈復雜，主要包括氫能端和應(yīng)用端。氫能端主要分為制氫和儲運，而制氫技術(shù)是產(chǎn)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)，是實現(xiàn)氫能最終應(yīng)用非常的一環(huán)。在產(chǎn)業(yè)鏈的結(jié)構(gòu)成本中制氫端占比最高，因此制氫技術(shù)的發(fā)展對氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。中國在2019年以前，氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展還處于萌芽階段，產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)成本、創(chuàng)新能力、技術(shù)裝備水平、產(chǎn)業(yè)資金及政策等仍在探索與嘗試。2019年3月，氫能首次被寫進《政府工作報告》，要求“推進充電、加氫等設(shè)施建設(shè)”，由此引發(fā)資本市場關(guān)注。作為氫氣制備生產(chǎn)工業(yè)雄厚的中國，2020年至2022年氫氣年產(chǎn)量平均增速超20%，穩(wěn)居氫氣產(chǎn)量第一大國寶座。制氫技術(shù)主要指以含氫的天然或合成的化合物質(zhì)為原料，通過化學的過程生成氫氣的各種方法和技術(shù)。根據(jù)原料來源不同，制氫技術(shù)可分為灰氫、藍氫及綠氫。灰氫以傳統(tǒng)化石燃料為原料制取氫氣，是用于大規(guī)模制氫的高碳且較為成熟的技術(shù)，經(jīng)濟效益較高，但存在能耗高、二氧化碳排放量大等問題，因此被稱為“灰氫”。藍氫是在灰氫的基礎(chǔ)上，利用碳捕捉、碳利用和儲存（CCUS）技術(shù)來避免二氧化碳直接排放到大氣中的技術(shù)，是灰氫過渡到綠氫的重要階段，其經(jīng)濟效益和環(huán)境效益均處于中等水平。綠氫是通過使用可再生能源（如太陽能、風能等）及核能驅(qū)動水電解反應(yīng)生產(chǎn)氫氣，全生產(chǎn)周期內(nèi)不產(chǎn)生溫室氣體及其他污染物，被稱為“綠氫”，具有較高的能源效益和環(huán)境友好性，對溫室氣體的減排具有非常重要的意義。制氫技術(shù)031.煤焦化制氫在900至1000℃的隔離空氣條件下的焦化裝置中，由煤生產(chǎn)焦炭，副產(chǎn)品為焦爐煤氣。1噸焦炭的生產(chǎn)則大概產(chǎn)生430m3的焦爐煤氣。焦爐煤氣主要成分為氫氣（55-60%）、甲烷（23-27%），以及少量的一氧化碳（5-8%）、烷烴（2%～4%）、二氧化碳（1.5%～3%）、氮氣（3%～7%）和氧氣（0.3%～0.8%)。煤焦化制氫則是利用焦化過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)氣體制氫，焦爐煤氣中含有約60%的氫氣，目前工業(yè)上主要是通過物理法分離法制氫：變壓吸附制氫、膜分離制氫、深冷法分離制氫。煤制氫制氫技術(shù)03變壓吸附制氫變壓吸附的原理是利用吸附劑對不同氣體的吸附能力隨壓力變化的特性，升壓時吸附劑吸附雜質(zhì)組分，降壓時雜質(zhì)組分被脫附，吸附劑再生，整個過程中H2幾乎不會被吸附，實現(xiàn)快遞連續(xù)分離H2的目的。第1道工藝為壓縮煉焦廠產(chǎn)生的焦爐煤氣，壓力由5~12kPa提升至變壓吸附所需壓力0.6~1.8MPa；第2道工藝為預處理與凈化，焦爐煤氣經(jīng)冷卻進入預凈化裝置，預脫除有機物、硫化氫、氨等雜質(zhì)。再通過變溫吸附（TSA）工藝進一步脫除易使吸附劑中毒的組分，如焦油、萘、硫化物。第3道工藝為變壓吸附，也是整個工藝的核心，用于除去H2以外的絕大部分雜質(zhì)氣體。第４道工藝為H2精制，進一步分離H2中含有的少量O2和水分，通過該工藝生產(chǎn)的氫氣純度可達99.999%。煤制氫變壓吸附制氫工藝流程制氫技術(shù)03(2)膜分離制氫該技術(shù)借助隔離膜兩側(cè)的壓力差迫使氫分子選擇性透過隔膜，從而富集在一側(cè)收集，雜質(zhì)氣體則停留在初始側(cè)，達到分離H2的目的。膜分離效果與3個參數(shù)有關(guān)：膜兩側(cè)各體組分的分壓差、膜面積、膜選擇性。理論上壓差越大，H2分離純度越高，最終達到上限值，但壓力增加會導致相應(yīng)能耗大幅提升。氣體的相對滲透速度為：H2O＞H2＞He＞H2S>CO2＞O2＞Ar＞CO＞CH4＞N2。經(jīng)過冷凝除水后焦爐煤氣中的H2優(yōu)先穿過膜，在低壓側(cè)形成富氫。與變壓吸附相比，膜分離技術(shù)獲得的H2純度較低，只有80~90%，H2收率為50~85%。煤制氫

膜法H2分離技術(shù)原理制氫技術(shù)03(3)深冷法分離制氫深冷法分離制氫又稱低溫精餾法制氫，利用不同氣體的沸點差異，通過降溫使除H2外其他氣體組分液化，從而達到分離目的。焦爐煤氣中各氣體組分的沸點如圖4-10所示，H2的沸點為-252.6℃，遠低于其他組分氣體，通過逐級降溫操作，雜質(zhì)氣體在不同階段冷凝分離，該技術(shù)的工作壓力在2.0~4.0MPa，隨操作壓力提升，溫度降低。而壓力越高，相應(yīng)能耗越高，H2損失隨之增加。這種技術(shù)分離得到的H2純度并不高，約為83~88%，通常與變壓吸附聯(lián)用進行深度提純。煤制氫焦爐煤氣各組分沸點制氫技術(shù)032.煤氣化制氫將煤和水蒸氣或氧氣，在高溫、高壓條件下，反應(yīng)生成H2和CO，之后CO繼續(xù)與水氣反應(yīng)，獲得H2和CO2。技術(shù)主要有兩種技術(shù)路線，外部供熱制氫和內(nèi)部供熱制氫。煤制氫

煤氣化制氫工藝流程制氫技術(shù)032.煤氣化制氫內(nèi)部供熱是通過燃燒一部分煤來提供自身反應(yīng)需要的熱量實現(xiàn)煤的氣化反應(yīng)，這部分燃燒量約占總煤量的1/4，降低了煤的利用率。同時該體系還需通入大量的氧氣，不僅增加了工藝的復雜程度，降低了生產(chǎn)的安全性，而且產(chǎn)生了大量CO2氣體，增加了后續(xù)氣體處理量。該工藝的優(yōu)點主要體現(xiàn)在技術(shù)成熟、目前的大多數(shù)氣化方式都是采用這種方法，已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；?。外部供熱則是通過外部間接提供體系反應(yīng)需要的熱量來實現(xiàn)煤的氣化反應(yīng)，該工藝沒有燃料內(nèi)部體系的煤，可以提高系統(tǒng)煤炭的轉(zhuǎn)化率。該方法不需要氧氣參與，并且體系自身不需要氧氣，只有水蒸氣和煤反應(yīng)，產(chǎn)生CO和O2，之后CO通過水煤氣變換反應(yīng)轉(zhuǎn)化成H2和CO2，使得復雜的工藝得以簡化。該工藝的關(guān)鍵是如何實現(xiàn)熱量有效地供給反應(yīng)體系中的煤炭和水蒸氣，使反應(yīng)順利進行，如何實現(xiàn)工藝的規(guī)?；凸I(yè)化。煤制氫制氫技術(shù)03

煤制氫制氫技術(shù)033.煤的超臨界水氣化制氫同其他煤制氫方法相比，超臨界水氣化制氫有著以下的優(yōu)點：轉(zhuǎn)換完全：超臨界水制氫能夠?qū)⒚禾恐械臍淙哭D(zhuǎn)化為氫氣，同比條件下制氫效率更高。污染較?。撼R界水氣化過程中，硫、氮等元素將會以沉淀物形式存在，不會額外產(chǎn)生空氣污染物。工藝簡單：煤的超臨界水氣化過程能夠直接生成高壓氫氣，可以直接用在工業(yè)反應(yīng)之中，節(jié)約操作步驟，降低生產(chǎn)成本。能量可控易回收：超臨界水氣化過程釋放的熱量可以回收用來發(fā)電。對煤炭種類要求較低：對于大部分的煤炭來說，均能滿足其制氫要求。煤制氫制氫技術(shù)03

天然氣制氫作為一種較為普遍的制氫技術(shù)，很早就發(fā)展成為工業(yè)中主流的氫氣制備技術(shù)，在制氫技術(shù)中占據(jù)主導地位。天然氣的主要成分為甲烷，是各類化合物中氫原子質(zhì)量占比最大的化合物，同時由于化學結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，主要通過水蒸氣、氧氣與甲烷反應(yīng)，先生成合成氣，再經(jīng)過化學轉(zhuǎn)化與分離制取氫氣。天然氣制氫技術(shù)包括蒸汽重整技術(shù)（SMR）、部分氧化重整技術(shù)、自熱重整技術(shù)、CH4/CO2

重整技術(shù)以及近年來熱門的催化裂解技術(shù)。

天然氣制氫制氫技術(shù)03在眾多工藝中，天然氣水蒸氣重整反應(yīng)是采用最多且技術(shù)最成熟的工藝。加氫脫硫步驟是使有機硫加氫反應(yīng)轉(zhuǎn)化為H2S，采用氧化鋅（ZnO）與H2S反應(yīng)生成ZnS以深度除S。因為在預重整和蒸汽重整步驟中使用的催化劑（Ni/Al2O3）和中溫水氣變化的催化劑（Fe3O4/Cr2O3

或ZnO/ZnAl2O4）易被硫化物中毒失活，因此需要在預重整之前深度脫除天然氣中的硫化物，保護下游過程的催化劑，維持整個制氫體系長周期的穩(wěn)定運行。預重整過程是將C2+飽和烴轉(zhuǎn)化為C1和H2，避免過高的進料溫度導致C2+熱分解積炭，使預重整后的C1和H2可以預熱到更高溫度。預重整還可以進一步脫除原料中的微量硫，保護后續(xù)催化劑。此外，預重整的部分原料為合成氣（CO和H2），可降低后續(xù)高溫蒸汽重整的負荷，提高整個裝置的生產(chǎn)能力。中溫水氣變換是將蒸汽重整后混合氣中存在CO盡可能多的轉(zhuǎn)化為H2和CO2，提高氫氣產(chǎn)率。最后通過變壓吸附提純H2。甲烷蒸汽重整主要反應(yīng)：

天然氣制氫甲烷蒸汽重整制氫工藝流程

制氫技術(shù)03

天然氣制氫

制氫技術(shù)03天然氣制氫

制氫技術(shù)03工業(yè)副產(chǎn)氫工業(yè)副產(chǎn)氫指在某些化學工業(yè)生產(chǎn)過程中，副產(chǎn)出H2，通過變壓吸附等技術(shù)將H2分離提純的制氫技術(shù)。工業(yè)副產(chǎn)氫主要存在于煤炭企業(yè)（焦爐煤氣）、氯堿工業(yè)、煉油廠副產(chǎn)氫、冶金工業(yè)副產(chǎn)氫這四種工業(yè)，目前我國工業(yè)副產(chǎn)氫的產(chǎn)量較大，但存在副產(chǎn)純度不高、雜質(zhì)較多的問題，所以工業(yè)副產(chǎn)氫的主要研究方向是對于不同工業(yè)副產(chǎn)氫的提純技術(shù)的改進，降低提純成本，提高H2產(chǎn)率。我國工業(yè)副產(chǎn)氫具有以下三點優(yōu)勢：①副產(chǎn)氫產(chǎn)能整體靠近能源負荷中心，有效降低氫能儲運成本；②我國具備良好的副產(chǎn)氫產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)；③極低的碳排放量以及丙烷脫氫和乙烷裂解副產(chǎn)制氫具備發(fā)展?jié)摿徑鈿淠茉葱枨髩毫?。制氫技術(shù)03甲醇制氫甲醇具有原料豐富、可再生、燃燒產(chǎn)物污染少、安全性好、廉價等優(yōu)點，是未來最有希望的替代燃料之一，同時，甲醇本身高氫含量、低含碳量的優(yōu)點，是一種非常有前途的制氫方式。甲醇制氫的常用方法主要有三種：甲醇裂解制氫(decompositionofmethanol,DM)、甲醇部分氧化重整制氫(partialoxidationofmethanol,POM)以及甲醇水蒸氣重整制氫(steamreformingofmethanol,SRM)。制氫技術(shù)03甲醇制氫

甲醇裂解制氫相較于傳統(tǒng)制氫工藝技術(shù)而言，有三方面優(yōu)勢：①成本優(yōu)勢：該工藝技術(shù)成本及能耗低；②原料優(yōu)勢：該技術(shù)所使用的主要原料為甲醇，在常壓下為穩(wěn)定的液體，儲存、運輸都比較方便；③純度優(yōu)勢：甲醇的純度高，使用前不需要凈化處理就可以直接參與反應(yīng)，且反應(yīng)流程較傳統(tǒng)制氫工藝簡單。制氫技術(shù)03甲醇制氫

相較于甲醇裂解制氫工藝，甲醇水蒸氣重整制氫技術(shù)存在以下缺點：①整體反應(yīng)為強吸熱反應(yīng)，需要外部供應(yīng)大量的熱；②反應(yīng)體系受熱質(zhì)傳輸?shù)南拗?，該反?yīng)的動態(tài)響應(yīng)比較慢，影響實際生產(chǎn)效率。相較于甲醇裂解制氫工藝，甲醇水蒸氣重整制氫技術(shù)的優(yōu)勢主要在于：條件相對溫和，反應(yīng)溫度一般低于573K，產(chǎn)物中H2含量高、CO含量（體積分數(shù)低于2%）低，可選催化劑種類多價格便宜。制氫技術(shù)03甲醇制氫

制氫技術(shù)03電解水制氫目前“綠氫”制取的主要方式為電解水制氫，原理是在直流電作用下，通過電化學反應(yīng)將水電解為H2和O2，由兩個半反應(yīng)組成，陽極的析氧反應(yīng)(OxygenEvolutionReaction,OER)和陰極的析氫反應(yīng)(HydrogenEvolutionReaction,HER)。傳統(tǒng)的電解水裝置主要包含電解液、陰極(cathode)、陽極(anode)以及隔膜這幾部分，其中電解液通常依據(jù)PH值的差異分為酸性、中性以及堿性電解質(zhì)溶液；隔膜主要有質(zhì)子交換膜、陰離子交換膜雙極性膜等。電解水裝置示意圖目前電解水技術(shù)主要有堿性(alkaline,ALK)電解水、質(zhì)子交換膜(protonexchangemembrane,PEM)電解水、堿性陰離子交換膜(alkalineanionexchangemembrane,AEM)電解水和固體氧化物(solidoxideelectrolysiscell,SOEC)電解水技術(shù)。制氫技術(shù)03電解水制氫1.堿性電解水技術(shù)堿性電解水技術(shù)成熟，成本較低，操作簡單，在20世紀中期就實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，運行壽命可達15年，一般以KOH或NaOH（25%wt-30%wt）的水溶液為電解質(zhì)，鎳基材料為電極，石棉布或聚酯系材料等作為隔膜構(gòu)成。其工作原理是水分子在陰極分解為氫離子和氫氧根離子，氫離子得到電子生成氫原子，并進一步生成氫分子，氫氧根離子則在兩電極間的電場力作用下穿過多孔膈膜，在陽極側(cè)失去電子生成水分子和氧分子。由于電解出的氣體會帶有堿液，需要對產(chǎn)出的氣體進行脫堿霧處理。其工作溫度介于40~80℃，工作壓力介于1~3MPa，能源效率介于59%~70%，電流密度約為0.25A/cm2，制氫能耗介于4.5~5.5kW·h。堿性電解水制氫技術(shù)的主要缺點有以下幾點:電解效率低，電源波動適應(yīng)性差，同時堿液存在一定的腐蝕性。堿液易與空氣中的CO2反應(yīng)生成難溶碳酸鹽，堵塞隔膜孔道，阻礙物料傳遞，大大降低電解性能。電解槽關(guān)閉或者啟動速度慢，難以快速調(diào)節(jié)制氫速度，導致堿性電解槽難以與具有快速波動特性的風光等可再生能源直接配合使用。制氫技術(shù)03電解水制氫2.質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)PEM電解槽是PEM電解水制氫裝置的核心部分，電解槽的最基本組成單位是電解池，一個電解槽包含數(shù)十甚至上百個電解池。電解池主要由膜電極、雙極板和密封圈、防護片、端板等組成。其中膜電極由質(zhì)子交換膜、陰陽極催化劑層和陰陽極多孔傳輸層構(gòu)成。電解槽有單極、雙極兩種形式，雙極結(jié)構(gòu)使用串聯(lián)形式，一個電解池的陽極背面與另一個電解池的陰極背面通過雙極板連接；單極結(jié)構(gòu)使用并聯(lián)形式，形成槽式布置。PEM電解槽使用雙極設(shè)計，可以在跨膜的高壓差下操作。其工作原理是水在陽極被分解成氧氣、質(zhì)子和電子，質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜進入陰極。電子從陽極經(jīng)過外電路到陰極，在陰極側(cè)兩個質(zhì)子和電子重新結(jié)合生成氫氣。膜電極結(jié)構(gòu)組示意圖制氫技術(shù)03電解水制氫（1）質(zhì)子交換膜質(zhì)子交換膜是PEM電解槽的核心零部件之一，主要作用是充當質(zhì)子交換的通道及防止陰陽極產(chǎn)生的H2和O2互相接觸，并為催化劑涂層提供支撐。因此，質(zhì)子交換膜需要具備極高的質(zhì)子傳導率和氣密性，極低的電子傳導率。（2）電極催化劑陰、陽極催化劑是電化學反應(yīng)的場所，尤其是陽極處于強酸環(huán)境，過電位很高，因此催化劑需要具備良好的耐腐蝕性、催化活性、電子傳導率和孔隙率等特點，才能確保PEM電解槽可以有穩(wěn)定運行。目前陰極HER反應(yīng)的催化劑主要采用鉑碳催化劑。陽極OER反應(yīng)過電位遠高于HER反應(yīng)，因而對陽極催化劑的研究可以有效提高電解水制氫效率。陽極催化劑主要有Ir、Ru貴金屬/氧化物及以它們摻雜改性的多元氧化物和多孔納米新型結(jié)構(gòu)等材料。制氫技術(shù)03電解水制氫（3）多孔傳輸層多孔傳輸層又稱氣體擴散層或集流器，是夾在陰陽極和雙極板之間的多孔層。主要作用是連接雙極板和催化劑層，確保氣體和水在雙極板和催化劑層之間的傳輸，并提供電子傳輸通道。因此，氣體傳輸層必須具有適當?shù)目紫堵屎涂讖?、良好的導電性和穩(wěn)定性才能滿足相應(yīng)的功能。（4）雙極板雙極板屬于外部組件，不但是整個電池的機械支撐，也是匯流氣體及傳導電子的重要通道。雙極板主要作用是將多片膜電極串聯(lián)起來，在反應(yīng)池內(nèi)與集流體配合使用，將電子傳輸?shù)酵怆娐罚⒎磻?yīng)產(chǎn)生的氣體和未電解的水及時排出電解池外。因此，雙極板需要具備較高的機械穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性、低氫滲透性和高導電性，目前雙極板主要分為石墨雙極板、金屬雙極板及復合材料雙極板。相較于ALK電解水技術(shù)，PEM電解水制氫優(yōu)勢主要在于：①使用純水電解，避免了潛在的環(huán)境污染，對環(huán)境友好；②質(zhì)子交換膜電阻及氣體滲透率低，使其電流密度、工作效率及氣體純度高；③動態(tài)響應(yīng)速度快，適應(yīng)可再生能源發(fā)電的波動性。制氫技術(shù)03電解水制氫3.固體氧化物電解水技術(shù)固體氧化物電解池中間是致密的電解質(zhì)層，兩端為多孔陰電極層和陽電極層。在電解池外部施加一定電壓時，氫電極處的水分解為H2和O2-，O2-穿過電解質(zhì)層到達氧電極后，在催化劑作用下失去電子生成O2。電解質(zhì)的作用是隔開氫氣和氧氣，并傳導氧離子或質(zhì)子，因此電解質(zhì)材料需要具備高離子電導率和低電子電導性能。陰極是原料水分解的場所，并提供電子傳導通道。因此陰極材料需要具備良好的電子導電率、氧離子導電率和催化活性，并在還原性氣氛中有良好的化學穩(wěn)定性。陽極是產(chǎn)生氧氣的場所，陽極材料必須要在高溫氧化的環(huán)境下保持穩(wěn)定。為了確保氧氣的順利生成，陽極材料必須具備優(yōu)良的電子導電率、氧離子導電率和催化活性。因此陽極材料一般采用多孔結(jié)構(gòu)，便于氧氣的流通，為了保持高溫下的機械穩(wěn)定，陽極材料的熱膨脹系數(shù)也必須和電解質(zhì)相匹配。制氫技術(shù)03電解水制氫3.固體氧化物電解水技術(shù)與ALK和PEM技術(shù)相比，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，制氫效率高，同時SOEC可以在較高的溫度（500~850°C）下工作，利用熱能可以顯著降低水分解所需的電能，降低制氫成本。因此SOEC可與核能結(jié)合，利用核能余熱蒸汽進行電解制氫，提高核電利用率；也可以布置于合成氨工廠，利用余熱與清潔電力制氫，替代傳統(tǒng)的化石燃料重整制氫，降低碳排放；或者布置在鋼鐵廠就地制氫，替代焦炭進行氫冶金。但目前固體氧化物電解水制氫需要采用貴金屬作為催化劑，成本較高，啟動速度慢，其次存在電堆衰減、系統(tǒng)構(gòu)建與系統(tǒng)安全等問題需要解決，該技術(shù)處于研發(fā)示范階段，尚未商業(yè)化。固體氧化物電解池原理匯報人：XXX懇請批評指正！第5章

生物質(zhì)能CONTENTS目錄生物質(zhì)能的基本概況PART

01生物質(zhì)資源PART

02生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)PART

03生物質(zhì)能源的應(yīng)用PART

04PART

05PART

06生物質(zhì)能與低碳經(jīng)濟生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)與政策生物質(zhì)能的基本概況Part.01生物質(zhì)能的基本概況01生物質(zhì)能作為人類一直賴以生存的重要能源，它是居于世界能源消費總量第四位的能源，僅次于煤炭、石油和天然氣，在整個能源系統(tǒng)中具有重要地位。生物質(zhì)能：利用自然界的植物、糞便及城鄉(xiāng)有機廢物轉(zhuǎn)化成的能源。固體、液體、氣體多種形態(tài)對能源作出貢獻的非化石能源；唯一可實現(xiàn)發(fā)電、非電利用多種形式的能源，是同時可以提供穩(wěn)定、連續(xù)供應(yīng)的能源，在一定程度上彌補太陽能、風能供能不穩(wěn)定的波動。生物質(zhì)能的基本概況——生物質(zhì)能的特點及分類011.生物質(zhì)能的特點五大特性：可再生性、低污染性、廣泛分布性、總量豐富和廣泛應(yīng)用性。2.生物質(zhì)能的分類依據(jù)來源的不同，可以將能夠利用的生物質(zhì)能源分為農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源、林業(yè)生物質(zhì)資源、畜禽糞便、生活污水和工業(yè)有機廢水、城市固體廢物和沼氣六大類。生物質(zhì)能的基本概況01生物質(zhì)能的基本概況——生物質(zhì)能的特點及分類2.生物質(zhì)能的分類（1）農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源包括是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的廢棄物、農(nóng)業(yè)加工業(yè)的廢棄物和能源植物。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的廢棄物：如農(nóng)作物在收獲時殘留在農(nóng)田內(nèi)的農(nóng)作物秸稈（玉米秸稈、高粱秸稈、麥秸、稻秸、豆秸和棉秸等）；

農(nóng)業(yè)加工業(yè)的廢棄物：如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中剩余的稻殼等；能源植物：泛指用以提供能源的植物，通常包括草本能源作物、油料作物、制取碳氫化合物植物和水生植物等。01生物質(zhì)能的基本概況——生物質(zhì)能的特點及分類2.生物質(zhì)能的分類（2）林業(yè)生物質(zhì)資源林業(yè)生物質(zhì)資源是指森林生長和林業(yè)生產(chǎn)過程中提供的生物質(zhì)資源，包括薪炭林、在森林撫育和間伐作業(yè)中的零散木材、殘留的樹枝和樹葉等；木材采運和加工過程中的枝丫、梢頭、木屑、板皮和截頭等；林業(yè)副產(chǎn)品的廢棄物，如果殼和果核等。（3）畜禽糞便畜禽糞便是畜禽排泄物的總稱，是畜禽排出的糞便、尿及其墊草的混合物，是其它形態(tài)生物質(zhì)（如糧食、作物秸稈和牧草等）的轉(zhuǎn)化形式。在我國畜禽主要包括豬、牛和雞等，其資源和畜牧業(yè)生產(chǎn)有關(guān)?？筛鶕?jù)這些畜禽的品種、體重、糞便排泄量等因素，估算出畜禽糞便的資源實物量。01生物質(zhì)能的基本概況——生物質(zhì)能的特點及分類2.生物質(zhì)能的分類（4）生活污水和工業(yè)有機廢水生活污水主要包括農(nóng)村和城鎮(zhèn)居民生活、商業(yè)和服務(wù)業(yè)的各種排水（如冷卻水、洗浴排水、洗衣排水、廚房排水、糞便污水等）。工業(yè)有機廢水主要是乙醇、釀酒、制糖、食品、制藥、造紙及屠宰等行業(yè)生產(chǎn)過程中排出的廢水等，其中含有機物。（5）城市固體有機廢棄物城市固體有機廢棄物主要包括城鎮(zhèn)居民生活垃圾、商業(yè)、服務(wù)業(yè)垃圾等。其組成成分比較復雜。（6）沼氣

沼氣是有機物質(zhì)（如人畜糞便、秸稈、污水等）在厭氧條件下，經(jīng)過微生物的發(fā)酵作用而生成的一種混合氣體，主要成分是甲烷（CH4）。通?？梢怨┺r(nóng)家用來燒飯、照明。生物質(zhì)資源Part.0202生物質(zhì)資源——生物質(zhì)的組成1.纖維素2.半纖維素半纖維素是由幾種不同類型單糖組成的異質(zhì)多聚體，是木糖、甘露糖、葡萄糖等構(gòu)成的一類多糖化合物。主要來源：植物的木質(zhì)化部分，如秸稈、種皮、堅果殼及玉米穗等。用途：生物質(zhì)燃料，如生物煤、生物氣等；半纖維素酸、半纖維素醇等高附加值化學品纖維素是一種由葡萄糖分子組成的多糖，是植物細胞壁的主要成分。主要來源：天然有機物，麻、麥稈、稻草、甘蔗渣等。用途：燃料酒精、糠醛、乙酞丙酸等液體燃料和化學品；生產(chǎn)紙張、纖維板、纖維素酸等產(chǎn)品02生物質(zhì)資源——生物質(zhì)的組成

3.木質(zhì)素木質(zhì)素是植物細胞壁次生代謝產(chǎn)物之一，也是一種復雜的天然高分子化合物。主要來源：維管束植物（如裸子植物、被子植物）中，是裸子植物和被子植物所特有的化學成分。4.淀粉淀粉是由D-葡萄糖分子聚合而成的化合物，以顆粒狀態(tài)存在細胞中。主要來源：植物的種子和塊莖5.蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)是由多種氨基酸組成，分子量很大，氨基酸主要由碳、氫、氧3種元素組成，另外還有氮和硫。02生物質(zhì)資源——生物質(zhì)的組成

6.脂類脂類是指不溶于水而溶于非極性溶劑的有機化合物，是細胞中單位體積含能量最高的物質(zhì)。主要來源：植物種子會儲存脂肪于子葉或胚乳中以供自身使用。用途：植物油7.灰分灰分主要是磷、鉀、硅、鋁、鈣、鐵等元素的氧化物，在纖維素類生物質(zhì)中，稻草與稻殼灰分含量相對較多（超過10%），而其他纖維素生物質(zhì)灰分含量基本上小于3%。02生物質(zhì)資源——生物質(zhì)資源的分布

生物質(zhì)產(chǎn)量與氣候、溫度、降水量、土壤、海陸位置等多種原因密切相關(guān)。我國秸稈資源主要分布在東北、河南、四川等產(chǎn)糧大省，資源總量前五分別是黑龍江、河南、吉林、四川、湖南，占全國總量的59.9%。畜禽糞便資源集中在重點養(yǎng)殖區(qū)域，資源總量前五分別是山東、河南、四川、河北、江蘇，占全國總量的37.7%。林業(yè)剩余物資源集中在我國南方山區(qū)，資源總量前五分別是廣西、云南、福建、廣東、湖南，占全國總量的39.9%。生活垃圾資源集中在東部人口稠密地區(qū)，資源總量前五分別是廣東、山東、江蘇、浙江、河南，占全國總量的36.5%。污水污泥資源集中在城市化程度較高區(qū)域，資源總量前五分別是北京、廣東、浙江、江蘇、山東，占全國總量的44.3%。生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)Part.0303生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)通常是指把生物質(zhì)能通過一定方法和手段轉(zhuǎn)變成使用起來更為方便和干凈的燃料物質(zhì)或能源產(chǎn)品的技術(shù)統(tǒng)稱。生物質(zhì)能主要轉(zhuǎn)化利用技術(shù)03生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)1.物理法利用生物質(zhì)材料的力傳導性極差，通過縮短力傳導距離和對其加剪切力，使被木質(zhì)素包裹的纖維素分子團錯位、變形、延展，同時借助于木質(zhì)素的黏結(jié)性，在較小壓力和較低溫度下，使其相鄰相嵌重新組合成型。生物質(zhì)成型燃料工藝：加黏結(jié)劑成型和不加黏結(jié)劑成型。根據(jù)生物質(zhì)熱處理方式：常溫壓縮成型、熱壓成型和炭化成型三種。提高生物質(zhì)能量、密度；減小了它的體積，便于運輸和存儲；提升生物質(zhì)直接燃燒效能。03生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)2.熱化學法生物質(zhì)的直接燃燒是其最原始、最實用的利用方式。傳統(tǒng)的燃燒利用方式技術(shù)相對落后，熱能

轉(zhuǎn)換效率較低?，F(xiàn)代的生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)：生物質(zhì)直接燃燒流化床技術(shù)和生物質(zhì)直接燃燒層燃技術(shù)；主要用于發(fā)電或集中供熱。熱解技術(shù)是指通過熱解的方法將生物質(zhì)可轉(zhuǎn)化為生物油、生物質(zhì)炭和可燃氣的技術(shù)。根據(jù)反應(yīng)溫度和加熱速率的不同，生物質(zhì)熱解工藝可分成慢速、常規(guī)、快速熱解等工藝。（1）直接燃燒技術(shù)（2）熱解技術(shù)03生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)2.熱化學法氣化技術(shù)是在高溫的條件下，以氧氣、水蒸氣或氫氣等作為氣化劑，通過熱化學反應(yīng)將生物質(zhì)中可燃部分轉(zhuǎn)化為可燃氣（主要為CO、H2和CH4等）的技術(shù)。生物質(zhì)液化技術(shù)是通過一系列化學加工過程把固態(tài)的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成液體燃料的清潔利用技術(shù)。根據(jù)化學加工過程不同，液化可分為直接液化和間接液化。（3）氣化技術(shù)（4）液化技術(shù)高品質(zhì)的氣態(tài)燃料鍋爐燃料或發(fā)電甲醇、二甲醚等液體燃料或化工產(chǎn)品。03生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)3.生物化學法生物質(zhì)可以通過生物轉(zhuǎn)化的方法制備乙醇。比如利用淀粉類或糖類生物質(zhì)通過發(fā)酵的方式制備燃料乙醇。沼氣是在厭氧條件下，人畜糞便、工業(yè)有機廢液和農(nóng)作物秸稈等生物質(zhì)經(jīng)過微生物的發(fā)酵生成的一種混合氣體。沼氣一般含甲烷50%～70%，其余為二氧化碳和少量的氮氣，氫氣和硫化氫等。（1）生物乙醇技術(shù)（2）沼氣技術(shù)4.化學法生物柴油制備主要以化學法為主，在酸性、堿性或生物酶等催化劑作用下，植物油（或動物油）與甲醇或乙醇進行交換反應(yīng)，生成相應(yīng)的脂肪酸甲酯或乙酯燃料油。生物質(zhì)能源的應(yīng)用Part.0404生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物天然氣1.生物質(zhì)燃氣的制備方法生物質(zhì)燃氣是指以生物質(zhì)為原料通過微生物或熱化學途徑轉(zhuǎn)化而來的燃氣，包括沼氣和生物質(zhì)氣化氣。生物質(zhì)燃氣的生產(chǎn)方法：熱化學和生物轉(zhuǎn)化。生物質(zhì)在高溫缺氧條件下，發(fā)生不完全燃燒和熱解，從而產(chǎn)生可燃氣體，主要成分是CO、H2、N2等，主要副產(chǎn)物為焦油。去除焦油是熱化學法制備生物質(zhì)燃氣凈化的主要目標。去除焦油的方法有三種：濕法、干法及裂解法。主要原料：農(nóng)作物和農(nóng)業(yè)有機殘余物、林木和森林工業(yè)殘余。（1）熱化學法04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物天然氣1.生物質(zhì)燃氣的制備方法沼氣發(fā)酵的三個階段：水解階段、酸化階段和產(chǎn)甲烷階段。原始沼氣中二氧化碳含量占比20%以上，且還混有硫化氫、水分、鹵化物等雜質(zhì)成分。去除二氧化碳的方法：水洗、聚乙二醇洗滌、變壓吸附和膜分離。脫硫的方法：生物脫硫、濕法脫硫和干法脫硫。脫水：冷凝和吸附干燥的方法。（2）生物法制備生物質(zhì)燃氣04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物柴油優(yōu)勢：良好的生物降解性，其降解速度比石化柴油快四倍。在淡水環(huán)境中，經(jīng)過28天，生物柴油就能降解77%～89%，而石化柴油只能降解18%。具有更好的潤滑性能減輕環(huán)境壓力、控制城市大氣污染生物柴油是指植物油（如菜籽油、大豆油、花生油、玉米油、棉籽油等）、動物油（如魚油、豬油、牛油、羊油等）、廢棄油脂或微生物油脂與甲醇或乙醇經(jīng)酯轉(zhuǎn)化而形成的脂肪酸甲酯或脂肪酸乙酯。04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物柴油在不改變原料結(jié)構(gòu)的情況下，將植物油、柴油、降凝劑和添加劑按一定比例直接混合，從而以此降低植物油黏度，得到生物柴油。物理法包括直接混合法和微乳液法；化學法包括高溫熱裂解法和酯交換法。1.生物柴油的制備方法（1）直接混合法缺點：易被氧化發(fā)生聚合不能充分燃燒而易形成積炭油脂黏度、閃點和酸值偏高熱值低，低溫啟動性差04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物柴油利用低黏度乳化劑，將植物油稀釋，降低其黏度，并改善其霧化性，從而滿足其作為燃料使用的要求。1.生物柴油的制備方法（2）微乳液法缺點：受到環(huán)境限制，易乳化（3）高溫熱裂解法在高溫和催化劑的共同作用下，動植物油脂在空氣或氮氣中快速裂解，得到的產(chǎn)品與普通柴油性質(zhì)相近。缺點：高溫裂化的工藝流程比較復雜殘?zhí)?、灰分等相對較高04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物柴油酯交換法是用各種動植物油脂與甲醇等低碳醇類物質(zhì)在催化劑作用下反應(yīng)而生成。1.生物柴油的制備方法（4）酯交換法酯交換法包括：酸或堿催化法、生物酶法、工程微藻法和超臨界法。①酸或堿催化法油脂在酸或堿的催化條件下與低碳醇進行酯化和酯交換反應(yīng)，反應(yīng)后除去下層粗甘油，上層經(jīng)洗滌、干燥即得生物柴油。②生物酶法以酶為催化劑，使動、植物油脂與低碳醇發(fā)生酯交換反應(yīng)。04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物柴油1.生物柴油的制備方法（4）酯交換法③工程微藻法先通過基因工程技術(shù)構(gòu)建微藻生產(chǎn)油脂，再進行酯交換反應(yīng)。④超臨界法超臨界酯交換工藝甲醇在超臨界狀態(tài)下，無需催化劑進行酯交換反應(yīng)制備生物柴油的一種方法。生產(chǎn)能力高，不含硫，燃燒產(chǎn)生的氣體可被微生物降解。對原料要求不高，無需催化劑，收率高，后處理簡單04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物柴油2.生物柴油的發(fā)展趨勢04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物柴油2.生物柴油的發(fā)展趨勢1、利好政策陸續(xù)出臺，生物柴油未來發(fā)展提速2、產(chǎn)能利用率不斷提升，市場供應(yīng)得到保障04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物燃料乙醇1.生物燃料乙醇的制備方法第一代：以玉米、小麥等糧食作物為生產(chǎn)原料；第二代：以非糧作物為生產(chǎn)原料；第三代：以木質(zhì)纖維素作為原料來進行乙醇生產(chǎn)。第三代生物乙醇技術(shù)的開發(fā)是當前生物能源開發(fā)的攻關(guān)重點。依據(jù)生產(chǎn)原料的不同，燃料乙醇生產(chǎn)技術(shù)主要分為三代:04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物燃料乙醇1.生物燃料乙醇的制備方法第一階段是木質(zhì)纖維素的預處理。第二階段是乙醇生成的階段。第三階段是通過將乙醇蒸餾回收、脫水處理后，得到無水燃料乙醇。利用木質(zhì)纖維素制備燃料乙醇主要分為三個環(huán)節(jié)：04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物燃料乙醇1.生物燃料乙醇的制備方法機械粉碎、微波處理、高能輻射和高溫分解等方法。（1）木質(zhì)纖維素預處理方法①物理法②

化學法將木質(zhì)纖維素浸泡于以酸或堿或有機溶劑作為的預處理劑中，質(zhì)纖維素最終降解為能被微生物利用的底物。04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物燃料乙醇1.生物燃料乙醇的制備方法（1）木質(zhì)纖維素預處理方法④生物法③物理化學法蒸氣爆破法氨纖維爆破法微生物降解法生物酶法04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物燃料乙醇1.生物燃料乙醇的制備方法（2）生物燃料乙醇的發(fā)酵①直接發(fā)酵工藝：步驟簡單，成本低廉；缺點是乙醇產(chǎn)率低，產(chǎn)生有機酸等副產(chǎn)物。②分步水解發(fā)酵工藝：流程簡單，容易實現(xiàn)工業(yè)化③同步糖化發(fā)酵工藝：酶與菌株之間存在溫度耐受性差異。④固定化微生物水解發(fā)酵法：海藻酸鈣、卡拉膠、多孔玻璃等。04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物燃料乙醇1.生物燃料乙醇的制備方法（3）生物乙醇的脫水①恒沸精餾法：苯、環(huán)己烷、戊烷②萃取精餾法：乙二醇③膜分離：有機膜、無機膜和有機加無機復合膜④分子吸附：石灰、活性炭、離子交換樹脂、分子篩、硅膠等膜分離法04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物燃料乙醇2.生物燃料乙醇的發(fā)展趨勢提高乙醇的保質(zhì)期加快推進纖維素等非糧生物燃料乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物質(zhì)固體成型1.生物質(zhì)固體成型的制備方法（1）常溫濕壓成型常溫濕壓成型工藝流程設(shè)備比較簡單，容易操作，但是成型部件磨損較快，烘干費用高，多數(shù)產(chǎn)品燃燒性能較差。04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物質(zhì)固體成型1.生物質(zhì)固體成型的制備方法（2）熱壓成型在較高的溫度下發(fā)揮黏結(jié)劑的作用的同時，使生物質(zhì)中木質(zhì)素軟化，借助壓力作用將粉碎的生物質(zhì)擠壓成型。（3）常溫成型（4）炭化成型在常溫條件下，加入一定黏結(jié)劑，將生物質(zhì)燃料顆粒高壓擠壓成型的過程即為常溫成型。炭化成型是指將生物質(zhì)原料進行炭化或者是部分炭化，再加入一定量的黏結(jié)劑擠壓成一定形狀和尺寸的木炭棒。04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物質(zhì)固體成型2.生物質(zhì)固體成型的發(fā)展趨勢從成型機理出發(fā)，通過技術(shù)研發(fā)提高設(shè)備的生產(chǎn)效率、使用壽命和降低生產(chǎn)能耗，形成規(guī)模適度的成型燃料生產(chǎn)線，從而建設(shè)生物質(zhì)固體成型燃料產(chǎn)業(yè)基地，以推動生物質(zhì)成型燃料生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化進程。協(xié)同發(fā)展生物質(zhì)直燃利用、集中式燃氣制備等成型燃料終端利用技術(shù)，構(gòu)建生物質(zhì)能開發(fā)產(chǎn)業(yè)鏈，使生物質(zhì)成型燃料進入商業(yè)化燃料市場。04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物質(zhì)氫能源1.生物質(zhì)氫能源的制備方法生物質(zhì)原料通過熱化學技術(shù)制取氫氣熱裂解制氫、催化重整制氫、氣化制氫、超臨界水氣化制氫、高溫等離子體制氫等技術(shù)。利用微生物途徑轉(zhuǎn)化制氫光解水制氫、光發(fā)酵制氫、暗發(fā)酵制氫與光暗耦合發(fā)酵制氫。04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物質(zhì)氫能源1.生物質(zhì)氫能源的制備方法（1）生物質(zhì)熱化學制氫方法生物質(zhì)熱化學制氫技術(shù)主要包括熱裂解制氫、催化重整制氫、氣化制氫、超臨界水氣化制氫、高溫等離子體制氫等技術(shù)。①生物質(zhì)熱裂解制氫技術(shù)②生物質(zhì)催化重整反應(yīng)制氫通過控制裂解溫度、物料停留時間及熱解氣氛來達到制氫目的。生物質(zhì)經(jīng)過高溫裂解后生成的小分子組分與水蒸氣在催化劑存在下發(fā)生水煤氣變換反應(yīng)生成富氫氣體的過程。04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物質(zhì)氫能源1.生物質(zhì)氫能源的制備方法（1）生物質(zhì)熱化學制氫方法③生物質(zhì)氣化制氫④超臨界水氣化制氫生物質(zhì)在高溫下與氣化介質(zhì)發(fā)生熱化學反應(yīng)后，獲得富氫氣體。在超臨界條件下，將生物質(zhì)與一定比例的水混合后反應(yīng)，產(chǎn)生含氫量高的氣體和殘?zhí)?，然后進行氣體的分離得到氫。⑤高溫等離子體制氫利用高溫等離子將生物質(zhì)熱解制備氫氣的過程。04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物質(zhì)氫能源1.生物質(zhì)氫能源的制備方法（2）微生物法制氫技術(shù)①光解水制氫在常溫常壓下，微生物的代謝活動來生產(chǎn)氫氣的方法。在藻類或植物細胞中，微生物通過光合作用將水分子分解為氫離子和氧氣，產(chǎn)生的氫離子通過氫化酶轉(zhuǎn)化為氫氣。②光發(fā)酵制氫厭氧光合細菌通過小分子有機物得到還原反應(yīng)，把H+還原為H2。常用的光解水物質(zhì)有：光合細菌和藍綠藻。沒有氧氣產(chǎn)生，轉(zhuǎn)化率很高04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物質(zhì)氫能源1.生物質(zhì)氫能源的制備方法（2）微生物法制氫技術(shù)③暗發(fā)酵制氫把異養(yǎng)型的厭氧菌和固氮菌分解成小分子制氫。④暗耦合發(fā)酵制氫把厭氧光發(fā)酵制氫細菌與暗發(fā)酵制氫細菌相結(jié)合，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，從而提高制氫的效率。耦合方式有兩種：一種將暗發(fā)酵過程中產(chǎn)生的有機酸用于光發(fā)酵過程；二將暗發(fā)酵與光發(fā)酵過程在包含兩種類型微生物群落的單個反應(yīng)器中完成。04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物質(zhì)氫能源2.生物質(zhì)氫能源的發(fā)展趨勢金屬催化劑，提高金屬催化劑的活性，如克服催化劑失活、腐蝕等問題。對于影響發(fā)酵過程的酸堿度、溫度等各個因素進行機理研究，從而確定各因素在發(fā)酵過程中的最佳取值。研發(fā)培養(yǎng)新型混合菌株，利用混合菌株產(chǎn)氫效率高的優(yōu)勢提高生物制氫技術(shù)產(chǎn)量。優(yōu)化反應(yīng)過程各環(huán)節(jié)涉及的操作。04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物航空燃料生物航空燃料以動植物油脂或農(nóng)林廢棄物等生物質(zhì)為原料，采用加氫法或費托合成技術(shù)生產(chǎn)的航空燃料。生物航空燃料經(jīng)歷了三代的發(fā)展：第一代：以可食用的作物和動物脂肪為原料第二代：以非食用木本油料作物和木質(zhì)纖維生物質(zhì)為原料第三代：以生物基航空燃料主要以藻類為原料04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物航空燃料1.生物航空燃料的制備方法將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為中間產(chǎn)物（生物質(zhì)油或合成氣），再對中間產(chǎn)物進行改性后制備出生物航空燃料。（1）加氫脫氧法將植物油脂或動物油脂通過深度加氫生成加氫脫氧油。加氫脫氧法工藝流程04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物航空燃料1.生物航空燃料的制備方法（2）氣化-費托合成法在高溫、高壓下，生物質(zhì)通過熱化學工藝轉(zhuǎn)化為合成氣，合成氣通過費托合成工藝生成各種烴類和含氧有機化合物，所得產(chǎn)品通過進一步加氫脫氧處理即可制成生物航空燃料。氣化-費托合成法工藝流程04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物航空燃料2.生物質(zhì)氫能源的發(fā)展趨勢降成本保證原料的穩(wěn)定供應(yīng)04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——能源微藻能源微藻只有在顯微鏡下才能分辨其形態(tài)的微小藻類群被人們稱為微藻。具有很高的藥用價值，可抗癌、抗衰老、抗