第5章生物质能转化的物理和热化学方法

1、第第5章章 生物质能转化的物理和生物质能转化的物理和热化学方法热化学方法第第1节节 概述概述一、生物质的定义和分类一、生物质的定义和分类l 生物质生物质包括植物、动物及其排泄物、微生物、垃包括植物、动物及其排泄物、微生物、垃圾及有机废水等几大类圾及有机废水等几大类。l 从从广义上讲，广义上讲，生物质生物质是植物利用太阳能通过光合是植物利用太阳能通过光合作用生成的有机物，作用生成的有机物，生物质能生物质能是以生物质为载体是以生物质为载体的太阳能的一种存在形式的太阳能的一种存在形式。l 植物植物光合作用光合作用过程的总反应式如下：过程的总反应式如下：l 植物中的每个植物中的每个叶绿素叶绿素都是一个

2、神奇的化工厂，它都是一个神奇的化工厂，它以太阳光作动力，把以太阳光作动力，把CO2和水合成为有机物和水合成为有机物。l 在在自然界，自然界，植物植物是太阳能最主要的转换和储存器。是太阳能最主要的转换和储存器。它们通过光合作用，吸收太阳能，经过复杂的化它们通过光合作用，吸收太阳能，经过复杂的化学转换过程，储存于有机物中学转换过程，储存于有机物中。l 生物质的种类很多，生物质的种类很多，植物类植物类中最主要的有树木、中最主要的有树木、农作物农作物(粮食、油料、糖料、薯类、水果、各种秸粮食、油料、糖料、薯类、水果、各种秸秆、谷壳等秆、谷壳等)、杂草、藻类等、杂草、藻类等。l 非非植物类植物类中主要有

3、动物粪便、动物尸体、废水中中主要有动物粪便、动物尸体、废水中的有机成分、垃圾中的有机成分等。的有机成分、垃圾中的有机成分等。l 根据生物学家估算，地球上根据生物学家估算，地球上每年生长的生物总量每年生长的生物总量约约1400亿亿1800亿亿t(干重干重)，相当于世界每年总能耗，相当于世界每年总能耗的的10倍倍。二、生物质的结构二、生物质的结构l 从生物学角度，一切动、植物都是由从生物学角度，一切动、植物都是由细胞细胞组成的组成的。l 作为作为生物质能主要来源的植物，其生物质能主要来源的植物，其细胞细胞主要包括主要包括细胞壁、原生质体和细胞后含物细胞壁、原生质体和细胞后含物。l 1、细胞壁的化学

4、组成、细胞壁的化学组成l 细胞壁细胞壁的主要成分是的主要成分是纤维素、半纤维素和纤维素、半纤维素和木质素木质素。(1)纤维素纤维素l 纤维素纤维素是世界上最丰富的是世界上最丰富的有机化合物有机化合物，是植物，是植物细细胞壁胞壁的主要成分，构成了植物的主要成分，构成了植物支撑组织支撑组织的基础的基础。l 棉花棉花几乎全部由纤维素组成几乎全部由纤维素组成(占占98%)，亚麻中约含，亚麻中约含80%，木材中纤维素平均含量约为，木材中纤维素平均含量约为40%。l 纤维素的结构单位是纤维素的结构单位是D-葡萄糖葡萄糖，一种无分支的链，一种无分支的链状分子；结构单位之间以糖苷键结合而成长链状分子；结构单位

5、之间以糖苷键结合而成长链。l 经经X射线测定，纤维素分子的链与链之间借助于分射线测定，纤维素分子的链与链之间借助于分子间的子间的氢键氢键形成像绳索状结构，绳索状结构具有形成像绳索状结构，绳索状结构具有一定机械强度和韧性，在植物体内起着一定机械强度和韧性，在植物体内起着支撑作用支撑作用。l 纤维素是纤维素是白色物质，不溶于水，无还原性白色物质，不溶于水，无还原性。l 纤维素纤维素比较比较难水解难水解，一般需要在浓酸中或用稀酸，一般需要在浓酸中或用稀酸在加压下进行在加压下进行。l 在在水解水解过程中可以得到纤维四糖、纤维三糖、纤过程中可以得到纤维四糖、纤维三糖、纤维二糖，最终产物是维二糖，最终产物

6、是D-葡萄糖。葡萄糖。l 纤维素的高位纤维素的高位发热量发热量17MJ/kg。(2)半纤维素半纤维素l 半纤维素半纤维素是由多种糖单元组成的是由多种糖单元组成的共聚物共聚物，其主链上由，其主链上由木聚糖、半乳聚糖、甘露聚糖中的一种或多种糖单元木聚糖、半乳聚糖、甘露聚糖中的一种或多种糖单元组成，在其支链上带有阿拉伯糖或半乳糖组成，在其支链上带有阿拉伯糖或半乳糖。l 半纤维素半纤维素大量存在于植物的大量存在于植物的木质化部分木质化部分，如秸秆、种，如秸秆、种皮、坚果壳及玉米穗等，其含量依植物种类、部位和皮、坚果壳及玉米穗等，其含量依植物种类、部位和老幼程度而有所不同。老幼程度而有所不同。l 半纤维

7、素和纤维素的主要区别半纤维素和纤维素的主要区别为为：l 半纤维素半纤维素由不同的糖单元聚合而成，分子链短且由不同的糖单元聚合而成，分子链短且带有支链带有支链。l 半纤维素半纤维素的某些成分是可溶的，在谷类中可溶的的某些成分是可溶的，在谷类中可溶的半纤维素称为戊聚糖，大部分具有不可溶性半纤维素称为戊聚糖，大部分具有不可溶性。(3)木质素木质素l 木质素木质素是一类复杂的是一类复杂的有机聚合物有机聚合物，存在于植物，存在于植物细细胞壁胞壁中中。l 木质素木质素在在植物界的植物界的含量含量仅次于纤维素，广泛分布仅次于纤维素，广泛分布于高等植物中，是裸子植物和被子植物所特有的于高等植物中，是裸子植物和

8、被子植物所特有的化学成分化学成分。l 木本植物木本植物中木质素含量为中木质素含量为20%40%，禾本科植物，禾本科植物中含量为中含量为15%25%。l 木质素木质素是苯基类丙烷聚合物，从化学结构上看，是苯基类丙烷聚合物，从化学结构上看，既具有既具有酚酚的特征，又具有的特征，又具有糖糖的特征，形成复杂的的特征，形成复杂的聚合物聚合物结构。结构。l 木质素木质素和半纤维素一起作为细胞间质填充在细胞和半纤维素一起作为细胞间质填充在细胞壁和微细纤维之间，也存在于细胞间层，发挥壁和微细纤维之间，也存在于细胞间层，发挥木木质化的作用质化的作用。l 木质素木质素与纤维素、半纤维素的结合错综复杂，相与纤维素、

9、半纤维素的结合错综复杂，相互很难分离。互很难分离。l 木质素的高位木质素的高位发热量发热量约为约为21MJ/kg。2、原生质的化学组成、原生质的化学组成l 原生质体原生质体由细胞的膜系统、细胞核、细胞质及细由细胞的膜系统、细胞核、细胞质及细胞器组成，是以蛋白质与核酸为主的复合物胞器组成，是以蛋白质与核酸为主的复合物。l 原生质原生质中含有多种中含有多种化学元素化学元素，主要有，主要有C、H、N、O、P、S、Ca、K、Cl、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn、Mo等，等，其中其中C、H、N、O四种元素占四种元素占90%以上，是构成各以上，是构成各类有机化合物的主要成分类有机化合物的主要成分。l 组成组

10、成植物细胞植物细胞的化合物分为的化合物分为无机化合物无机化合物和和有机化有机化合物合物两大类两大类。l 无机化合物无机化合物包括水和无机盐，其相对分子质量较包括水和无机盐，其相对分子质量较小小。l 有机化合物有机化合物是含是含C和和H等元素的化合物，包括糖类、等元素的化合物，包括糖类、蛋白质、脂类、维生素和核酸等。蛋白质、脂类、维生素和核酸等。l 糖类糖类是由是由碳、氢、氧碳、氢、氧组成的一大类中型化合物，组成的一大类中型化合物，包括糖、淀粉、葡萄糖、糖原、纤维素和戊聚糖包括糖、淀粉、葡萄糖、糖原、纤维素和戊聚糖等，主要来源于植物，为生命代谢活动提供能量，等，主要来源于植物，为生命代谢活动提供

11、能量，是自然界存在最多、分布最广的一类重要是自然界存在最多、分布最广的一类重要有机化有机化合物合物。l 绿色植物绿色植物光合作用的主要产物是光合作用的主要产物是糖类糖类，植物体内，植物体内有机物的运输形式也是有机物的运输形式也是糖糖。3、细胞后含物、细胞后含物l 后含物后含物是细胞中不参与原生质组成的代谢物质的是细胞中不参与原生质组成的代谢物质的总称，其中最重要的是以一定的形式存储起来的总称，其中最重要的是以一定的形式存储起来的有机物，主要包括有机物，主要包括淀粉、脂类和蛋白质淀粉、脂类和蛋白质等等。(1)淀粉淀粉l 淀粉淀粉是细胞中是细胞中碳水化合物碳水化合物最普遍的储藏形式，在最普遍的储藏

12、形式，在细胞中以细胞中以颗粒颗粒状态存在，通常为白色颗粒状粉末，状态存在，通常为白色颗粒状粉末，不溶于冷水、乙醇及有机溶剂，在热水中形成胶不溶于冷水、乙醇及有机溶剂，在热水中形成胶体溶液，可被稀酸水解成葡萄糖，也可被淀粉酶体溶液，可被稀酸水解成葡萄糖，也可被淀粉酶水解成麦芽糖水解成麦芽糖。(2)脂类脂类l 脂类脂类是不溶于水而溶于非极性溶剂是不溶于水而溶于非极性溶剂(如乙醇、氯仿如乙醇、氯仿和苯和苯)的一大类有机化合物的一大类有机化合物。l 主要主要化学元素化学元素是是C、H和和O，其中，其中C和和H含量很高，含量很高，有的脂类还含有有的脂类还含有P和和N。l 油脂油脂是细胞中含能量最高而体积

13、最小的是细胞中含能量最高而体积最小的储藏物质储藏物质，在常温下呈液态的称为在常温下呈液态的称为油油、固态的称为、固态的称为脂脂。l 植物植物种子种子会储存脂肪，是植物油的主要来源会储存脂肪，是植物油的主要来源。(3)蛋白质蛋白质l 蛋白质蛋白质是构成细胞质的重要物质，约占细胞是构成细胞质的重要物质，约占细胞总干总干重重的的60%以上以上。l 蛋白质蛋白质由许多由许多氨基酸氨基酸组成。氨基酸主要由组成。氨基酸主要由C、H和和O组成，另外还有组成，另外还有N和和S。l 细胞细胞中的储藏蛋白质以多种形式存在于中的储藏蛋白质以多种形式存在于细胞壁细胞壁中，中，呈呈固体固体状态，生理活性较稳定，可分为结

14、晶的和状态，生理活性较稳定，可分为结晶的和无定形的无定形的。三、生物质的化学特性三、生物质的化学特性l 1、生物质的成分、生物质的成分l 生物质的生物质的工业分析成分工业分析成分、元素分析成分元素分析成分和和发热值发热值是生物质能利用中重要的参数是生物质能利用中重要的参数。l 为了便于分析问题和工程计算，通常在四种不同为了便于分析问题和工程计算，通常在四种不同的基准下表示的基准下表示燃料的成分燃料的成分，分别为，分别为收到基收到基(as received basis，ar)、空气干燥基空气干燥基(也称也称空干基空干基，air doed basis，ad)、干燥基干燥基(dry basis，d)

15、、干燥无灰干燥无灰基基(dry and ash-free basis，daf)。(1)工业分析成分工业分析成分l 即原料中即原料中水分水分(M)、灰分灰分(A)、固定碳固定碳(FC)、挥发分挥发分(V)的百分比含量的百分比含量。l 其中其中挥发分挥发分是指原料在受热过程中析出的挥发物是指原料在受热过程中析出的挥发物质，主要是有机的碳氢化合物质，主要是有机的碳氢化合物；l 固定碳固定碳是指析出挥发分后残留的碳，这部分碳与是指析出挥发分后残留的碳，这部分碳与灰分在一起成为焦炭。灰分在一起成为焦炭。(2)元素分析成分元素分析成分l 即原料中各即原料中各组成元素组成元素、水分水分和和灰分灰分的百分比含

16、量的百分比含量。l 在在进行生物质燃料常规燃烧特性研究时，将原料进行生物质燃料常规燃烧特性研究时，将原料的的元素分析成分元素分析成分分为分为7种种：碳、氢、氧、氮、硫、：碳、氢、氧、氮、硫、水分、灰分水分、灰分。l 生物质生物质燃料中还含有少量的燃料中还含有少量的氯氯(Cl)元素，而在直接元素，而在直接燃烧利用生物质燃料时，氯元素对金属受热面的燃烧利用生物质燃料时，氯元素对金属受热面的腐蚀腐蚀起重要的作用，所以在研究生物质燃烧对受起重要的作用，所以在研究生物质燃烧对受热面腐蚀的影响时，还要分析生物质中的氯成分热面腐蚀的影响时，还要分析生物质中的氯成分。l 生物质原料中生物质原料中水分含量水分含

17、量变化很大变化很大。l 刚刚采伐的木材或者刚收获的秸秆的水分可达采伐的木材或者刚收获的秸秆的水分可达50%60%，在相对干燥的环境中，经过自然干燥，在相对干燥的环境中，经过自然干燥后可以降到后可以降到10%以下以下。l 灰分灰分也会因运输、储存等经历不同而不同也会因运输、储存等经历不同而不同。l 和煤炭比较，和煤炭比较，生物质生物质具有以下具有以下特点特点：l (1)挥发分含量高，固定碳含量低挥发分含量高，固定碳含量低，因此在燃烧中，因此在燃烧中比较比较容易点燃容易点燃；l (2)氧含量高氧含量高，在燃烧中，在燃烧中需要的空气量较少需要的空气量较少；l (3)含硫量和含灰量低含硫量和含灰量低，

18、污染物排放量少污染物排放量少。2、发热值、发热值l 衡量生物质衡量生物质燃料性质燃料性质的另一个重要参数是的另一个重要参数是发热值发热值，即每千克燃料完全燃烧后放出的热量即每千克燃料完全燃烧后放出的热量。l 发热值发热值分为分为高位高位发热值发热值QGW和和低位低位发热值发热值QDW。l 燃料燃料燃烧后烟气中的水蒸气完全凝结时的发热值燃烧后烟气中的水蒸气完全凝结时的发热值为为高发热值高发热值；如果水蒸气没有凝结则为；如果水蒸气没有凝结则为低发热值低发热值。l 两者两者的的差别差别是烟气中是烟气中水蒸气的汽化潜热水蒸气的汽化潜热。l 水蒸气有两个来源水蒸气有两个来源：l 一一是是燃料中带入燃料中

19、带入的水分，新鲜的生物质原料含有的水分，新鲜的生物质原料含有超过超过50%的水分，是不能直接用来汽化和燃烧的，的水分，是不能直接用来汽化和燃烧的，在采伐或收割以后要经过一段时间的在采伐或收割以后要经过一段时间的干燥干燥，让水，让水分降到分降到15%20%或者更低才能使用或者更低才能使用；l 二二是原料中的是原料中的氢元素与氧反应生成氢元素与氧反应生成的水分的水分。l 在在烟气的换热冷却过程中，一般不利用水蒸气的烟气的换热冷却过程中，一般不利用水蒸气的汽化潜热，所以实际应用的是汽化潜热，所以实际应用的是低发热值低发热值。l 由于由于固体生物质燃料中水分含量和氢含量均较高固体生物质燃料中水分含量和

20、氢含量均较高，高、低高、低发热值发热值有时差别较大有时差别较大。l 高位高位发热值和发热值和低位低位发热值之间的发热值之间的换算关系换算关系为为l 式式中中：l QGW为燃料的高位发热值，为燃料的高位发热值，kJ/kg；l QDW为燃料的低位发热值，为燃料的低位发热值，kJ/kg；l H，W为氢和水的成分，为氢和水的成分，%。四、生物质的物理特性四、生物质的物理特性l 1、密度、密度l 一般有三种表示一般有三种表示固体物料密度固体物料密度的方法：的方法：堆密度堆密度、视密度视密度和和真密度真密度。l 堆密度堆密度是指单位体积内自然堆积的干固体物料样是指单位体积内自然堆积的干固体物料样品的质量，

21、堆积体积包含样品个体间的空隙和样品的质量，堆积体积包含样品个体间的空隙和样品个体内部的空隙品个体内部的空隙。l 视密度视密度是干物料样品的质量与物料样品全部个体是干物料样品的质量与物料样品全部个体占有的体积之比，此体积包含物料个体内部的空占有的体积之比，此体积包含物料个体内部的空隙，但不包含物料个体之间的空隙隙，但不包含物料个体之间的空隙。l 真密度真密度是干物料样品的质量与样品物质本身占有是干物料样品的质量与样品物质本身占有的体积之比，此体积既不包含样品个体之间的空的体积之比，此体积既不包含样品个体之间的空隙，也不包括样品个体内部的空隙隙，也不包括样品个体内部的空隙。l 显然，同一种物料的显

22、然，同一种物料的堆密度堆密度、视密度视密度和和真密度真密度是是依次增加依次增加的。的。l 为了排除温度对物料体积的影响，有时用为了排除温度对物料体积的影响，有时用视相对视相对密度密度和和真相对密度真相对密度的概念，它们分别是的概念，它们分别是20时物时物料的视密度和真密度与同温度的料的视密度和真密度与同温度的纯水纯水的的密度之比密度之比。l 对对固定床燃烧或汽化、燃料储存容积设计等场合，固定床燃烧或汽化、燃料储存容积设计等场合，用得更多的是用得更多的是堆密度堆密度，它反映了在每立方米容积，它反映了在每立方米容积中的物料质量中的物料质量。l 木材、木炭、棉秸等木质素含量高的生物质及其木材、木炭、

23、棉秸等木质素含量高的生物质及其固体炭，它们的堆密度在固体炭，它们的堆密度在200350kg/m3之间之间。l 一般说来一般说来，堆密度大对汽化工艺是有利的堆密度大对汽化工艺是有利的。l 各种各种草本农作物秸秆，堆密度远小于木质草本农作物秸秆，堆密度远小于木质生物质生物质，例如例如玉米秸的堆密度仅相当于木材的玉米秸的堆密度仅相当于木材的1/4，麦秸的，麦秸的堆密度更小堆密度更小。l 生物质生物质的堆密度远小于煤炭的堆密度远小于煤炭，例如，褐煤的堆密，例如，褐煤的堆密度 为度 为 5 6 0 6 0 0 k g / m3， 烟 煤 的 堆 密 度 为烟 煤 的 堆 密 度 为800900kg/m3

24、。l 因为因为生物质堆密度小，不利于原料的收集、储存生物质堆密度小，不利于原料的收集、储存和运输，利用设备也需要有专门的设计和措施和运输，利用设备也需要有专门的设计和措施。2、自然堆积角、自然堆积角l 自然堆积角自然堆积角反映了物料的反映了物料的流动特性流动特性。l 颗粒颗粒状固体物料状固体物料自然堆积时会形成一个自然堆积时会形成一个锥体锥体，锥，锥体母线与底面的夹角叫做体母线与底面的夹角叫做自然堆积角自然堆积角。l 流动性流动性好好的物料颗粒在很小的坡度时就会滚落，的物料颗粒在很小的坡度时就会滚落，只能形成只能形成很矮很矮的锥体，因此自然堆积角的锥体，因此自然堆积角小小。l 而而流动性不好流

25、动性不好的物料会形成的物料会形成很高很高的锥体，自然堆的锥体，自然堆积角积角较大较大。l 碎木材碎木材一类原料的自然堆积角一般一类原料的自然堆积角一般不超过不超过45，在汽化炉中能依靠重力向下在汽化炉中能依靠重力向下顺畅顺畅移动移动。当。当下部原下部原料消耗以后，上部原料料消耗以后，上部原料自然下落自然下落补充，形成补充，形成充实充实而均匀而均匀的反应层的反应层。l 而而铡碎的玉米秸和麦秸铡碎的玉米秸和麦秸，其自然堆积角甚至能超，其自然堆积角甚至能超过过90而成为而成为钝角钝角，即使堆体的底部被掏空，上，即使堆体的底部被掏空，上面的物料依然面的物料依然不下落不下落，在汽化炉里，在汽化炉里容易产

26、生架桥、容易产生架桥、穿孔穿孔的现象。的现象。3、木炭的机械强度、木炭的机械强度l 生物质原料受到生物质原料受到加热加热时很快时很快析出挥发分析出挥发分，剩余的，剩余的成分就是成分就是木炭木炭。l 木炭木炭的的机械强度机械强度对热解、汽化或燃烧反应层的结对热解、汽化或燃烧反应层的结构有重要影响构有重要影响。l 由由木质木质生物质原料形成的木炭的机械强度生物质原料形成的木炭的机械强度较高较高，析出挥发分后几乎可以保持原来的形状，从而形析出挥发分后几乎可以保持原来的形状，从而形成成孔隙率较大而且均匀孔隙率较大而且均匀的优良反应层。的优良反应层。l 秸秆秸秆木炭的机械强度木炭的机械强度很低很低，在大

27、量挥发分析出后，在大量挥发分析出后，不能保持原料的形状，不能保持原料的形状，容易使反应层收缩容易使反应层收缩，并且，并且产生空洞产生空洞。l 反应反应层收缩层收缩降低了它的透气性和活性降低了它的透气性和活性，空洞导致，空洞导致气流的气流的不均匀不均匀。4、灰熔点、灰熔点l 与煤的灰分一样，生物质的与煤的灰分一样，生物质的灰分灰分被被加热加热到一定温到一定温度时，也会变形、软化和液化，对应的温度称为度时，也会变形、软化和液化，对应的温度称为开始开始变形变形温度温度(deformation temperature，DT)、开、开始始软化软化温度温度(softening temperature，ST

28、)和开始和开始液液化化温度温度(fluid temperature，FT)。l 灰熔点的高低与灰的成分有关灰熔点的高低与灰的成分有关，不同产地、不同，不同产地、不同生物质原料的灰熔点都会有所不同生物质原料的灰熔点都会有所不同。l 一般一般情况是情况是木本材料的灰熔点高于草本材料的灰木本材料的灰熔点高于草本材料的灰熔点熔点。l 与与煤比较，煤比较，生物质的灰熔点普遍较低生物质的灰熔点普遍较低，多数生物，多数生物质灰的质灰的DT、ST和和FT在在8001350之间。之间。l 生物质灰熔点低生物质灰熔点低的的主要原因主要原因是生物质中含有是生物质中含有钾钾(K)、钠钠(Na)、氯氯(Cl )和和硅硅

29、(Si)，在燃烧过程中这些元素，在燃烧过程中这些元素物质形成低熔点的无机化合物物质形成低熔点的无机化合物。l 虽然虽然生物质的含灰量较少，但是其低灰熔点特性生物质的含灰量较少，但是其低灰熔点特性却给燃烧设备的设计和运行提出了却给燃烧设备的设计和运行提出了特殊特殊的要求，的要求，以尽量避免燃烧设备和传热面的以尽量避免燃烧设备和传热面的结渣和结焦结渣和结焦。五、生物质能转化技术分类五、生物质能转化技术分类l 生物质能转化通常是根据不同的需要，或者先利生物质能转化通常是根据不同的需要，或者先利用适当的技术把生物质原料转变成固体、液体或用适当的技术把生物质原料转变成固体、液体或气体燃料，然后让气体燃料

30、，然后让终端用户终端用户使用这些燃料，或者使用这些燃料，或者直接将生物质能转化成直接将生物质能转化成终端用户终端用户需要的需要的能量形式能量形式。l 上述转换技术可以分为三类上述转换技术可以分为三类：l 一一是是物理物理转化技术，包括转化技术，包括机械成型机械成型技术，以及植技术，以及植物油物油压榨压榨技术技术；l 二二是是热化学热化学转化技术，即通过转化技术，即通过吸热吸热或或放热放热化学反化学反应应实现生物质能的转换实现生物质能的转换；l 三三是是生物生物转化技术，其中以转化技术，其中以厌氧消化厌氧消化和和特种酶特种酶技技术为主。术为主。l 生物质固体、液体或气体燃料可以转化为被直接生物质

31、固体、液体或气体燃料可以转化为被直接利用的利用的热能热能，也可以通过适当的热力循环将热能，也可以通过适当的热力循环将热能转化为转化为机械能机械能或或电能电能。第第2节节 生物质能的物理转化方法生物质能的物理转化方法l 一、压缩成型一、压缩成型l 生物质能生物质能物理转化物理转化的最简单的方法就是将生物质的最简单的方法就是将生物质原料进行原料进行压缩压缩。l 自然堆积自然堆积的固体生物质原料通常都比较疏松，密的固体生物质原料通常都比较疏松，密度较小，形状不规则，不便运输、储存和使用度较小，形状不规则，不便运输、储存和使用。l 先先对松散的原料进行对松散的原料进行预加工预加工(切削、粉碎、干燥切削

32、、粉碎、干燥)，预处理后的原料在预处理后的原料在成型成型设备设备里里在在外部压力外部压力的作用的作用下，原料颗粒先后经历重新排列位置关系、颗粒下，原料颗粒先后经历重新排列位置关系、颗粒机械变形和塑性流变等阶段，机械变形和塑性流变等阶段，体积大幅度减小体积大幅度减小，密度显著增大密度显著增大，最后成为，最后成为一定形状一定形状的产品。的产品。l 由于非弹性或粘弹性的纤维结构之间的相互缠绕由于非弹性或粘弹性的纤维结构之间的相互缠绕和绞合，在去除外部压力后，一般不能再恢复原和绞合，在去除外部压力后，一般不能再恢复原来的结构形状。来的结构形状。l 目前目前国内国内外使用的主要外使用的主要成型技术成型技

33、术有有三大类三大类，即，即螺螺旋挤压旋挤压技术、技术、活塞冲压活塞冲压技术和技术和模孔碾压成型模孔碾压成型技术。技术。二、生物质固硫型煤技术二、生物质固硫型煤技术l 生物质固硫型煤技术生物质固硫型煤技术是指将经过是指将经过粉碎粉碎和和干燥干燥处理处理的煤和农作物秸秆、杂草等生物质的煤和农作物秸秆、杂草等生物质按一定比例掺按一定比例掺混混，加入固硫剂加入固硫剂，利用生物质中的木质素、纤维，利用生物质中的木质素、纤维素、半纤维素等的素、半纤维素等的粘结作用粘结作用，用高压成型机，用高压成型机压制压制而成。而成。l 生物质固硫型煤生物质固硫型煤一般一般呈椭球形呈椭球形，兼顾生物质和煤，兼顾生物质和煤

34、的特性的特性。l 它它的水分低、挥发分高，燃烧过程中干燥、干馏的水分低、挥发分高，燃烧过程中干燥、干馏时间短，挥发分容易析出，时间短，挥发分容易析出，易着火和燃烧，透气易着火和燃烧，透气性好；性好；在燃烧过程中型煤表面呈蜂窝状，增大了在燃烧过程中型煤表面呈蜂窝状，增大了与空气的接触面积，因而与空气的接触面积，因而能够充分燃烧能够充分燃烧，且可以，且可以固硫和降低烟尘生成量固硫和降低烟尘生成量。l 按原料按原料含水量含水量的不同，生物质固硫型煤生产工艺的不同，生物质固硫型煤生产工艺可分为可分为湿式成型湿式成型和和干式成型干式成型。l 湿湿式成型原料一般不经过干燥，在生产过程中加式成型原料一般不经

35、过干燥，在生产过程中加入各种原料，混合后压成湿煤球，经过入各种原料，混合后压成湿煤球，经过2448h固固化制成。化制成。l 生物质固硫型煤在燃烧过程中，生物质比煤先燃生物质固硫型煤在燃烧过程中，生物质比煤先燃烧完毕，形成烧完毕，形成空隙空隙使固硫剂使固硫剂CaO颗粒内部不易发颗粒内部不易发生烧结，甚至可使空隙率增加，增大了生烧结，甚至可使空隙率增加，增大了SO2和和O2向向CaO内的扩散作用，提高了钙的利用率内的扩散作用，提高了钙的利用率；l 固固硫反应生成的硫反应生成的CaSO3迅速氧化为不易分解的迅速氧化为不易分解的CaSO4，可提高固硫率，可提高固硫率。l 生物质生物质中的中的碱性物质碱

36、性物质也有固硫作用也有固硫作用。l 由于由于生物质固硫型煤中的煤与固硫剂混合均匀，生物质固硫型煤中的煤与固硫剂混合均匀，可以在较低的钙硫比下使固硫率达到可以在较低的钙硫比下使固硫率达到50%以上以上。三、压榨技术三、压榨技术l 生物质能生物质能物理转化物理转化的另一种方法是的另一种方法是压榨压榨。l 从从许多植物的根、茎、枝叶、籽实可以制取生物许多植物的根、茎、枝叶、籽实可以制取生物质质液体燃料液体燃料，如生物乙醇和生物柴油等，如生物乙醇和生物柴油等。l 压榨压榨是整个制取工艺中先行的原料处理环节，作是整个制取工艺中先行的原料处理环节，作用是从原料中提取有待深加工的淀粉、含糖或含用是从原料中提

37、取有待深加工的淀粉、含糖或含油液汁及纤维素。油液汁及纤维素。1、能源作物和植物、能源作物和植物l 在在“不与粮争地，不与人争粮不与粮争地，不与人争粮”的原则下，为了的原则下，为了生产生产生物质液体燃料生物质液体燃料，在我国可以因地制宜地种，在我国可以因地制宜地种植许多能源作物和植物，如植许多能源作物和植物，如木薯、甜高粱、油棕木薯、甜高粱、油棕榈、椰子、绿玉树、麻风树、黄连木、光皮树和榈、椰子、绿玉树、麻风树、黄连木、光皮树和文冠果文冠果等等。l 能源植物油能源植物油是一类储存于植物器官中，经加工后是一类储存于植物器官中，经加工后可以提取植物燃料油的油性物质可以提取植物燃料油的油性物质。l 它

38、它通过植物有机体内一系列的生理生化过程形成，通过植物有机体内一系列的生理生化过程形成，是具有许多不同分子结构的油脂或挥发性油类物是具有许多不同分子结构的油脂或挥发性油类物质质。l 能源能源油料植物油料植物是一类含有能源植物油成分的物种是一类含有能源植物油成分的物种或变种，它们有一定的生长或变种，它们有一定的生长-收获周期，是可再生收获周期，是可再生的燃料油资源的燃料油资源。l 用用压榨压榨等工艺提取出来的能源植物油，经过等工艺提取出来的能源植物油，经过加工加工改性改性，可以制成，可以制成生物柴油生物柴油，以替代化石柴油。，以替代化石柴油。l 能源油料植物能源油料植物可分为可分为草本草本和和木本

39、木本两大类两大类。l 蓖麻蓖麻、油莎草、藻类和棉籽的母体、油莎草、藻类和棉籽的母体棉花棉花等属等属草本草本植物植物；l 而而前述的前述的油棕榈、椰子、绿玉树、麻风树、黄连油棕榈、椰子、绿玉树、麻风树、黄连木、光皮树和文冠果木、光皮树和文冠果等则属等则属木本木本植物植物。l 从能源植物中提炼石油最让人鼓舞的前景之一就从能源植物中提炼石油最让人鼓舞的前景之一就是对是对藻类藻类的研究的研究。l 日本日本的科研人员从一种淡水藻类中提取了石油。的科研人员从一种淡水藻类中提取了石油。这种藻类在这种藻类在吸收二氧化碳吸收二氧化碳进行光合作用的过程中进行光合作用的过程中体内蓄积油性物质；它不仅对二氧化碳的吸收

40、率体内蓄积油性物质；它不仅对二氧化碳的吸收率高，而且合成生物油能力远远超过预想的程度；高，而且合成生物油能力远远超过预想的程度；从中提取的生物油不仅从中提取的生物油不仅发热量高，发热量高，而且而且氮、硫含氮、硫含量少量少。l 近几年，科学家对近几年，科学家对巨藻巨藻进行了研究，发现它含有进行了研究，发现它含有丰富的丰富的甲烷成分甲烷成分，可用来生产燃气，可用来生产燃气。l 巨巨藻可在大陆架海域进行大规模养殖，由于其叶藻可在大陆架海域进行大规模养殖，由于其叶片集中于海水表面，可以进行机械化收割，一年片集中于海水表面，可以进行机械化收割，一年能收割三次。能收割三次。l 能源油料植物能源油料植物开发

41、利用的价值早有人提出，但受开发利用的价值早有人提出，但受到普遍重视还是在到普遍重视还是在1973年第一次石油危机之后年第一次石油危机之后。l 1978年，国际能源机构年，国际能源机构(IEA)发起了国际间能源植发起了国际间能源植物的合作研究物的合作研究。l 1981年的肯尼亚年的肯尼亚(内罗毕内罗毕)国际新能源和可再生能国际新能源和可再生能源会议以后，国际上开发利用这类资源的研究方源会议以后，国际上开发利用这类资源的研究方兴未艾兴未艾。2、压榨法、压榨法l 压榨法压榨法制取油脂有悠久的历史，根据榨油机的种制取油脂有悠久的历史，根据榨油机的种类可以分为类可以分为土榨土榨、水压机水压机、螺旋榨油机

42、螺旋榨油机三种类型三种类型。l 目前目前使用较广泛的榨油设备是使用较广泛的榨油设备是螺旋榨油机螺旋榨油机。它是。它是近代国际上普遍采用的较为先进的连续压榨取油近代国际上普遍采用的较为先进的连续压榨取油设备，其设备，其优点优点是处理量大、生产连续、劳动强度是处理量大、生产连续、劳动强度小、出油率高。小、出油率高。l 螺旋榨油机螺旋榨油机的工作原理是利用旋转的的工作原理是利用旋转的螺旋轴螺旋轴在在榨榨膛膛内的推进作用使榨料向前推进；同时，由于螺内的推进作用使榨料向前推进；同时，由于螺旋的旋的螺距逐渐缩小螺距逐渐缩小，在向前推进榨料时产生压缩，在向前推进榨料时产生压缩和挤榨作用，榨料中的油脂则从和挤

43、榨作用，榨料中的油脂则从榨笼榨笼的缝隙中被的缝隙中被挤压流出，同时残渣被压成饼块从榨油机的末端挤压流出，同时残渣被压成饼块从榨油机的末端不断排出。不断排出。3、生物柴油的生产、生物柴油的生产l 从实用性和经济性的角度出发，生产从实用性和经济性的角度出发，生产生物燃料油生物燃料油主要不是为了获得普通燃烧设备，如锅炉的燃料主要不是为了获得普通燃烧设备，如锅炉的燃料油，而是为了获得油，而是为了获得车用柴油车用柴油。l 用用压榨等工艺从能源油料植物得到的压榨等工艺从能源油料植物得到的生物毛油生物毛油中，中，水分、灰分等杂质和氧元素的含量高，氢碳比低，水分、灰分等杂质和氧元素的含量高，氢碳比低，使其性质

44、较差，不能直接作柴油使用，需要作进使其性质较差，不能直接作柴油使用，需要作进一步一步精制精制。l 生物毛油生物毛油的的初步初步精制精制：l 用用过滤、离心分离、溶剂法、水化过滤、离心分离、溶剂法、水化等工艺等工艺脱除毛脱除毛油中的固体悬浮物、蜡、胶等杂质油中的固体悬浮物、蜡、胶等杂质；l 用用真空法或加热法真空法或加热法脱水脱水。l 为了使初步精制过的生物油的燃料性质更接近于为了使初步精制过的生物油的燃料性质更接近于化石柴油，在不改动柴油机结构和系统的前提下化石柴油，在不改动柴油机结构和系统的前提下使之适合于柴油机燃烧，国际上通行的方法是采使之适合于柴油机燃烧，国际上通行的方法是采取取稀释稀释

45、(diludon)、微细乳化微细乳化(micro-emulsion)、交交酯化酯化(transesterification) 和和热分解热分解(pyrolysis)等技等技术实现生物油用作柴油机的燃料术实现生物油用作柴油机的燃料。(1)稀释稀释l 稀释稀释是将是将少量少量脱除杂质和水分后的脱除杂质和水分后的生物油生物油加入加入多多量量的的化石柴油化石柴油中，相对于纯生物油而言，混合后中，相对于纯生物油而言，混合后的生物柴油中生物油的比例大为减小的生物柴油中生物油的比例大为减小。l 生物生物油的分子约是化石柴油的油的分子约是化石柴油的4倍倍，而，而粘度则高粘度则高10倍以上倍以上。l 如果如果柴

46、油机单独燃烧生物油，则会产生柴油机单独燃烧生物油，则会产生喷射效果喷射效果不良、燃烧不充分、喷嘴和燃烧室积炭不良、燃烧不充分、喷嘴和燃烧室积炭等问题。等问题。l 稀释后的生物柴油则能稀释后的生物柴油则能削弱削弱生物油的上述生物油的上述不利因不利因素素，从而使混合燃油的性质接近化石柴油，从而使混合燃油的性质接近化石柴油。l 研究研究表明，表明，20%精炼后的生物油与精炼后的生物油与80%的化石柴油的化石柴油混合，可以在不改变发动机内部结构和部件的前混合，可以在不改变发动机内部结构和部件的前提下安全使用。提下安全使用。(2)微细乳化微细乳化l 乳化乳化是在混合的生物油和化石柴油中加入是在混合的生物

47、油和化石柴油中加入表面活表面活性剂性剂，使混合油内部发生微细乳化，成为，使混合油内部发生微细乳化，成为乳化油乳化油，达到达到改性改性的目的的目的。l 表面活性剂表面活性剂的种类很多，包括阳离子、阴离子、的种类很多，包括阳离子、阴离子、两性离子和非离子表面活性剂两性离子和非离子表面活性剂。l 生物油和化石柴油是生物油和化石柴油是不相溶不相溶的。的。l 加入加入表面活性剂后，混合油中含量大于表面活性剂后，混合油中含量大于45%的多的多组分油呈组分油呈连续相连续相，含量小于，含量小于45%的少组分油呈的少组分油呈分分散相散相；若生物油和化石柴油的组分各接近；若生物油和化石柴油的组分各接近50%，则二

48、者都呈则二者都呈连续相连续相。l 乳化乳化油中的生物油和化石柴油的液体粒子被油中的生物油和化石柴油的液体粒子被细微细微化化，混合充分且均匀。，混合充分且均匀。l 乳化油乳化油比纯生物油有比纯生物油有更高的安定性更高的安定性，即粘度随时，即粘度随时间增加的幅度变小；也更稳定，即随着温度和时间增加的幅度变小；也更稳定，即随着温度和时间的增加，因氧化而产生游离酸和热聚合的反应间的增加，因氧化而产生游离酸和热聚合的反应减弱减弱。l 柴油机柴油机使用乳化油时，其结构不需要改变，但喷使用乳化油时，其结构不需要改变，但喷油嘴和输油泵需改用抗腐蚀的不锈钢来制造油嘴和输油泵需改用抗腐蚀的不锈钢来制造。(3)酯化

49、酯化l 酯化酯化是一种主要的生产是一种主要的生产生物柴油生物柴油的的化学方法化学方法。l 将将生物油生物油(由各种甘油三酸酯和少量游离脂肪酸及由各种甘油三酸酯和少量游离脂肪酸及各种非油脂物质组成各种非油脂物质组成)与小分子与小分子醇类醇类(如甲醇、乙如甲醇、乙醇、正丁醇醇、正丁醇)在在催化剂催化剂(NaOH、KOH、K2CO3等等)和和一定一定温度温度(230250)条件下进行条件下进行酯化反应酯化反应，生成，生成粘度较低、十六烷值增加的脂肪酸甲酯或乙酯，粘度较低、十六烷值增加的脂肪酸甲酯或乙酯，即即生物柴油生物柴油，同时获得副产品，同时获得副产品甘油甘油。l 下式表示在下式表示在植物油植物油

50、中加入中加入醇醇而生成而生成酯酯的反应的反应：l 式式中中：l R1，R2及及R3为脂肪酸的烃基为脂肪酸的烃基；l R为甲为甲(乙乙)醇的醇基，即醇的醇基，即CH3或或C2H5。l 研究表明，研究表明，甲醇酯化甲醇酯化的效果最好的效果最好。l 加加10%甲醇，生物柴油中的油相部分在甲醇，生物柴油中的油相部分在1年内没有年内没有明显的变化，明显的变化，安定性很好安定性很好。l 甲醇甲醇改善改善了生物油的了生物油的溶解能力溶解能力，能将生物油中的，能将生物油中的非极性提取物溶回生物油中非极性提取物溶回生物油中。l 甲醇甲醇也起也起稀释作用稀释作用，能降低生物油的粘度，能降低生物油的粘度。4、生物柴

51、油与化石柴油的比较、生物柴油与化石柴油的比较l 生物柴油生物柴油的的冷滤点、闪点、燃烧功效、十六烷值、冷滤点、闪点、燃烧功效、十六烷值、含硫量和含氧量均优含硫量和含氧量均优于化石柴油，但于化石柴油，但热值较低，热值较低，粘度较高粘度较高。l 十六烷值十六烷值高意味着高意味着抗爆性好抗爆性好。l 氧含量氧含量高表示燃烧需要较少的氧量，生物柴油有高表示燃烧需要较少的氧量，生物柴油有较好的点火和燃烧性能较好的点火和燃烧性能。l 生物生物柴油的运动粘度较大，虽然有雾化能力较低、柴油的运动粘度较大，虽然有雾化能力较低、低温启动性较差的缺点，但也有能提高汽缸里活低温启动性较差的缺点，但也有能提高汽缸里活塞

52、等运动机件的塞等运动机件的润滑性润滑性，降低磨损降低磨损的优点。的优点。l 生物柴油还有生物柴油还有无毒无毒，排放的尾气对人体损害较小，排放的尾气对人体损害较小等优点等优点。l 更更重要的是燃烧重要的是燃烧1kg生物柴油可以减少生物柴油可以减少3kg CO2的的排放，对排放，对减少温室气体排放减少温室气体排放有重要的作用；燃烧有重要的作用；燃烧生物柴油排放的生物柴油排放的SOx、NOx也低于化石柴油。也低于化石柴油。l 生物柴油的主要生物柴油的主要缺点缺点是具是具有腐蚀性有腐蚀性，与其接触的，与其接触的橡胶、塑料和普通金属部件都会受到腐蚀，需要橡胶、塑料和普通金属部件都会受到腐蚀，需要从材料、

53、维修保养等方面加以防止从材料、维修保养等方面加以防止。第第3节节 生物质的燃烧生物质的燃烧l 在在热化学转化热化学转化过程中，生物质能可以通过过程中，生物质能可以通过氧化氧化过过程直接转化为程直接转化为热能热能，或者通过某些，或者通过某些化学过程化学过程生成生成二次能源二次能源，如通过汽化生成燃料气，干馏生成燃，如通过汽化生成燃料气，干馏生成燃料气、焦油和木炭料气、焦油和木炭。l 热化学热化学转化转化大致可以分为三类，即大致可以分为三类，即燃烧燃烧、汽化汽化和和液化液化。l 实际上实际上，上述三个过程可以同时进行或者一次进，上述三个过程可以同时进行或者一次进行，难以把各个过程进行明确的划分。行

54、，难以把各个过程进行明确的划分。一、燃烧过程一、燃烧过程l 最古老的最古老的生物质热转化生物质热转化方法就是方法就是燃烧燃烧。l 生物质生物质燃料的燃烧过程是强烈的燃料的燃烧过程是强烈的放热化学反应放热化学反应。l 燃烧燃烧的进行除了要有的进行除了要有燃料燃料本身之外，还必须有足本身之外，还必须有足够的够的温度温度和适当的和适当的空气空气供应供应。l 燃料燃料的的燃烧过程燃烧过程分为分为预热预热、水分蒸发水分蒸发、析出挥发析出挥发分分、挥发分燃烧挥发分燃烧和和焦炭燃烧焦炭燃烧等几个阶段等几个阶段。l 生物质燃料生物质燃料包括薪柴、秸秆等原生态燃料和由这包括薪柴、秸秆等原生态燃料和由这些原生态材

55、料加工而成的燃料些原生态材料加工而成的燃料。l 燃料燃料送进送进燃烧室燃烧室后，用火种后，用火种引燃引燃燃料，燃烧释放燃料，燃烧释放的的热量热量使燃料升温，燃料中的使燃料升温，燃料中的水分首先蒸发水分首先蒸发；干；干燥后的燃料继续升温并发生燥后的燃料继续升温并发生分解分解，析出包括气体，析出包括气体和焦油的气态挥发物，挥发物与空气混合，形成和焦油的气态挥发物，挥发物与空气混合，形成可燃混合物可燃混合物；当温度和混合物浓度两个条件都已；当温度和混合物浓度两个条件都已具备时，挥发物着火燃烧，并为其后的焦炭燃烧具备时，挥发物着火燃烧，并为其后的焦炭燃烧准备了条件。准备了条件。l 燃料的升温、干燥、挥

56、发物释放、焦炭燃烧的过燃料的升温、干燥、挥发物释放、焦炭燃烧的过程是从燃料的表面向内部扩展的，挥发物的燃烧程是从燃料的表面向内部扩展的，挥发物的燃烧则在燃料表面和表面以外的空间里进行则在燃料表面和表面以外的空间里进行。l 当当燃料中的挥发物没有完全释放时，挥发物的燃燃料中的挥发物没有完全释放时，挥发物的燃烧使灶膛中的氧不易向焦炭表面扩散烧使灶膛中的氧不易向焦炭表面扩散。l 只有只有当挥发物的释放和燃烧快要终了时，焦炭周当挥发物的释放和燃烧快要终了时，焦炭周围的氧气才能充分接触到炽热的焦炭表面，使焦围的氧气才能充分接触到炽热的焦炭表面，使焦炭发生完全的燃烧。炭发生完全的燃烧。l 随着焦炭的燃烧，

57、其中的灰分逐渐包裹剩余的焦随着焦炭的燃烧，其中的灰分逐渐包裹剩余的焦炭，妨碍它继续燃烧炭，妨碍它继续燃烧。l 这时这时对燃料层适当人为地或机械地加以拨动，或对燃料层适当人为地或机械地加以拨动，或加强炉箅加强炉箅(b)中的通风，都可促进剩余焦炭的燃烧中的通风，都可促进剩余焦炭的燃烧。l 灰灰渣中残留的余炭也就产生在此阶段。渣中残留的余炭也就产生在此阶段。l 以上几个阶段实际上是连续进行的，当挥发物气以上几个阶段实际上是连续进行的，当挥发物气体着火燃烧后，不断向上流动，边流动边反应形体着火燃烧后，不断向上流动，边流动边反应形成扩散火焰成扩散火焰。l 在在这扩散火焰中，由于空气与可燃气体混合比例这扩

58、散火焰中，由于空气与可燃气体混合比例的不同，因而形成各层温度不同的火焰的不同，因而形成各层温度不同的火焰。l 比例比例恰当的，燃烧就好，温度高；比例不恰当的恰当的，燃烧就好，温度高；比例不恰当的燃烧不好，温度就低，甚至造成熄火燃烧不好，温度就低，甚至造成熄火。l 空气空气与可燃气体的混合比例，取决于挥发物释放与可燃气体的混合比例，取决于挥发物释放的速率和进入炉膛的空气的多少的速率和进入炉膛的空气的多少。l 生物质中生物质中挥发分挥发分的质量分数占的质量分数占60%80%，固定碳，固定碳占占12%20%。l 在在生物质燃烧释放的热量中，生物质燃烧释放的热量中，60%以上的热量来以上的热量来自自挥

59、发分挥发分的燃烧的燃烧。l 因此因此保证挥发分的充分燃烧十分重要。保证挥发分的充分燃烧十分重要。l 根据燃烧理论，根据燃烧理论，碳的燃烧碳的燃烧是在碳的吸附表面上进是在碳的吸附表面上进行的，行的，CO2和和CO都是反应的产物都是反应的产物：l 当温度较高当温度较高(超过超过700)，生成的一氧化碳向外扩，生成的一氧化碳向外扩散时，遇到空气中的氧气会继续燃烧再生成二氧散时，遇到空气中的氧气会继续燃烧再生成二氧化碳，即化碳，即l 当燃烧温度在当燃烧温度在1300以下时，以下时，C+O2是一级反应，是一级反应，CO/CO2=1，反应发生生成络合物和络合物离解的，反应发生生成络合物和络合物离解的中间过

60、程，总的简化反应式可以写中间过程，总的简化反应式可以写成成l 当反应温度当反应温度超过超过700或更高时，则生成的二氧化或更高时，则生成的二氧化碳在扩散过程中遇到炽热的碳就会产生促进固定碳在扩散过程中遇到炽热的碳就会产生促进固定碳燃烧的碳燃烧的碳的汽化反应碳的汽化反应，这是一种还原反应，即，这是一种还原反应，即l 进入燃烧室的生物质燃料可能含有较多的进入燃烧室的生物质燃料可能含有较多的水分水分，其在燃烧过程中，产生的其在燃烧过程中，产生的水蒸气水蒸气会向炽热的焦炭会向炽热的焦炭表面扩散，从而导致表面扩散，从而导致碳的水煤气反应碳的水煤气反应：l 生成的生成的CO和和H2可以进一步燃烧而放热，同