第8讲 生物质能的利用

第八讲生物质能的利用生物质的物理化学特性生物质能的物理转化：生物质燃烧、生物质气化、生物质热解和液化生物质能转化的生物学方法：生物质制沼气、燃料乙醇的生产1.什么是生物质能？生物质能是蕴藏在生物质中的能量，是绿色植物通过光合作用将太阳能转化为化学能而贮存起来的能量。BiomassEnergy，bioenergy生物质包括植物、动物及其排泄物、微生物、垃圾及有机废水等几大类。从广义上讲，生物质是植物通过光合作用生成的有机物，生物质能是以生物质为载体的太阳能的一种存在形式。生物质能源的特点：①可再生性；②低污染性；③广泛的分布性生物质能源既不同于常规的矿物能源，又有别于其他新能源，兼有两者的特点和优势，是人类最主要的可再生能源之一。CO2+H2O+太阳能{CH2O}+O2主要区别是生成和利用的时间尺度不同；植物生物质的主要组成元素为C、H和O，而化石资源的主要化学组成为C和H。生物质能和化石能源有何区别？1.什么是生物质能？植物类：树木、农作物（粮食、油料、糖料、水果、各种秸秆、谷壳等）、杂草、藻类等；非植物类：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。

通过光合作用，植物每年转化约2000亿吨的C02中的碳为碳水化合物，并存储了3ⅹ1013GJ的太阳能，相当于目前世界能源消耗量的10倍左右。

生物质的种类能源植物——

以提供能源为目的的植物，即光合作用效率高于0.5%的植物

糖类能源植物：可直接发酵生产燃料乙醇。如甘蔗、甜高梁、甜菜等。

淀粉类能源植物：经水解后发酵生产燃料乙醇。如玉米、高粱、甘薯、木薯等。纤维素类能源植物：经水解后发酵生产燃料乙醇；也可转化为气体、液体和固体燃料。如速生林木（白杨、桉树）、芒草等。油料类能源植物：提取油脂后生产生物柴油。如油菜、花生、向日葵、棉花、蓖麻、油沙草、油棕榈、椰子、绿玉树、麻风树、黄连木、光皮树等烃类能源植物：提取含烃汁液，产生接近石油成分的燃料。1.什么是生物质能？ForestWoodResiduesAgriculturalResiduesEnergyCropsEnergywoodsWaste1.什么是生物质能？2.生物质能的优势生物燃料是唯一能大规模替代石油燃料的能源产品，而水能、风能、太阳能、核能及其他新能源只适用于发电和供热。原料上的多样性。生物燃料可以利用作物秸秆、林业加工剩余物、畜禽粪便、食品加工业的有机废水废渣、城市垃圾，还可利用低质土地种植各种各样的能源植物。产品上的多样性。能源产品有液态的生物乙醇和柴油，固态的原型和成型燃料，气态的沼气等多种能源产品。既可以替代石油、煤炭和天然气，也可以供热和发电。生物燃料的“物质性”。可以像石油和煤炭那样生产塑料、纤维等各种材料以及化工原料等物质性的产品，形成庞大的生物化工生产体系。这是其他可再生能源和新能源不可能做到的。生物燃料的“可循环性”和“环保性”。生物燃料是在农林和城乡有机废弃物的无害化和资源化过程中生产出来的产品；生物燃料的全部生命物质均能进入地球的生物学循环，连释放的二氧化碳也会重新被植物吸收而参与地球的循环，做到零排放。物质上的永续性、资源上的可循环性是一种现代的先进生产模式。2.生物质能的优势生物燃料对原油价格的“抑制性”。生物燃料将使“原油”生产国从目前的20个增加到200个，通过自主生产燃料，抑制进口石油价格，并减少进口石油花费，使更多的资金能用于改善人民生活，从根本上解决粮食危机。生物燃料的“带动性”。可以拓展农业生产领域，带动农村经济发展，增加农民收入；还能促进制造业、建筑业、汽车等行业发展。在中国等发展生物燃料，还可推进农业工业化和中小城镇发展，缩小工农差别，具有重要的政治、经济和社会意义。生物燃料可以创造就业机会和建立内需市场。巴西的经验表明，在石化行业1个就业岗位，可以在乙醇行业创造152个就业岗位；石化行业产生1个就业岗位的投资是22万美元，燃料行业仅为1.1万美元。联合国环境计划署发布的“绿色职业”报告中指出，“到2030年可再生能源产业将创造2040万个就业机会，其中生物燃料1200万个。3.生物质的物理化学特性

（1）生物质的化学特性：生物质的成分和热值几种生物质及无烟煤的工业分析成分3.生物质的物理化学特性

（1）生物质的化学特性：生物质的成分和热值各类生物质燃料的热值生物质热值（MJ/kg）生物质热值（MJ/kg）纤维素17.5粪便13.4木炭12~22.4甲醇22.4草类18.7乙醇29.4藻类10.0生物烃油36~42城市垃圾12.73.生物质的物理化学特性

（1）生物质的化学特性：生物质的成分和热值几种生物质及无烟煤的元素分析成分（干燥无灰基）%3.生物质的物理化学特性

（2）生物质的物理特性：密度、灰熔点生物质的堆密度远小于煤炭。褐煤的堆密度为500～600kg/m3，烟煤的堆密度为800～900kg/m3.与煤相比，生物质的熔点偏低，对燃烧设备的设计和运行提出了特殊的要求生物质的物质组成

细胞壁成分：纤维素，半纤维素，木质素原生质成分：蛋白质、核酸、糖类、脂类、水分和无机盐等细胞后含物：细胞中不参与原生质组成的代谢物质总称。其中最重要的是以一定形式存储起来的有机物，主要包括淀粉、脂类和蛋白质3.生物质的物理化学特性

物理转化技术：机械成型技术、生物质固硫型煤技术、植物油压榨技术热化学转化技术：是指在一定的温度和条件下，通过吸热或放热反应实现生物质能的转化（包括：燃烧、液化、气化）生物转化技术：生物质发酵制沼气、生物质发酵制乙醇4.生物质能转化技术有哪些？

4.生物质能转化技术有哪些？

5.1生物质的压缩成型技术作为一种散抛型的容重比较低的能源形式，生物质资源具有松散堆积、能量密度低，运输、储运、使用占用空间大、储运成本高的特点。其严重地制约了生物质能的大规模应用。生物质压缩成型工艺流程生物质压缩成型技术：螺旋挤压技术、活塞冲压技术、模孔碾压成型技术5.1生物质的压缩成型技术生物质就地及时压缩成型技术5.1生物质的压缩成型技术5.2生物质固硫型煤技术将经过粉碎和干燥处理的煤和农作物秸秆、杂草等生物质按一定比例掺混，加入固硫剂，利用生物质中的木质素、纤维素、半纤维素等的粘结作用，用高压成型机压制而成。生物质固硫型煤燃烧特性1）点火性能可燃基挥发分比原煤高，进入炉膛后，生物质首先燃烧，使型煤短时间达到着火点，生物质燃料燃烧后体积收缩，使型煤产生很多孔道及空袭，形成多孔形球体。2）燃烧机理静态渗透式扩散燃烧燃烧由表面及不断深入到内部，不会发生热解析炭冒烟现象。3）固硫特性生物质比煤先燃烧，形成的空隙起到了膨化疏松作用，使固硫剂CaO颗粒内部不易发生烧结，可使空袭率增加，增大SO2和O2向CaO颗粒内的扩散作用，提高钙的利用率。可在较低的Ca/S下，使固硫率达到50%以上。5.2生物质固硫型煤技术5.3植物油压榨技术对能源油料植物进行压榨获得油脂的技术。根据榨油机的种类可分为土榨、水压机、螺旋榨油机三种类型。用压榨等工艺从能源油料植物得到的生物毛油中，水分、灰分等杂质和氧元素含量高，氢碳比低，其性质较差，不能直接做柴油使用，需要进一步精制：用过滤、离心分离、溶剂法、水化等工艺脱除毛油中的固体悬浮物、蜡、胶等杂质；用真空法或加热法脱水；采用稀释、微细乳化、胶酯化和热分解等技术实现生物油用作柴油机的燃料。生物柴油与常规柴油的特性比较主要燃料特性生物柴油常规柴油主要燃料特性生物柴油常规柴油相对密度0.880.83十六烷值≧56≧49动力粘度400C/mm2/s4-62-4燃烧功效（柴油=100%）/%104100闭口闪点/0C﹥10060S（质量分数）/%﹤0.001﹤0.2生物质能源的特点（与煤相比）化石能源相比组分高，易燃，燃烧相对充分；生物质的大部分挥发组分可在400C左右释放出，而煤在800C

才释放出30％左右的挥发组分；燃烧过程污染相对低生物质灰分含量低于煤，氮、硫含量通常低于煤；容易气化储量大、分布广泛、易于获得

地球上每年生物质能总量约1400-1800亿吨(干重），相当于目前每年总能耗的十倍属于可再生能源生物质能量密度低，燃料热值低6.1生物质的直接燃烧生物质的直接燃烧在今后相当长的时间内仍将是我国生物质能利用的主要方式。生物质直接燃烧可能涉及的过程

生物质中水的蒸发过程；即使经过数年干燥的木材,其细胞结构中仍含有15%～20%的水;(2)挥发分（低分子量物质）的释放、燃烧；(3)纤维素与半纤维素等受热分解、气化、燃烧；(4)过渡阶段：木质素高温炭化、着火。(4)固定碳的燃烧：在完全燃烧条件下，能量完全释放，生物质完全转变为灰烬。6.1生物质的直接燃烧生物质的燃烧特性

生物质燃料的燃烧过程主要分为挥发分的析出、燃烧和残余焦炭的燃烧、燃尽两个独立阶段。其燃烧过程的特点是：

（1）生物质水分含量较多，燃烧需要较高的干燥温度和较长的干燥时间，产生的烟气体积较大，排烟热损失较高；

（2）生物质燃料的密度小，结构比较松散，迎风面积大，容易被吹起，悬浮燃烧的比例较大；

（3）生物质发热量低，炉内温度场偏低，形成稳定的燃烧比较困难；

（4）由于生物质挥发份含量高，燃料着火温度较低，一般在250℃～350℃温度下挥发分就大量析出并开始剧烈燃烧，此时若空气供应量不足，将会增大燃料的不完全燃烧损失；

（5）挥发分燃尽后，受到灰烬包裹和空气渗透困难的影响，焦炭颗粒燃烧速度缓慢、燃尽困难，如不采取适当的必要措施，将会导致灰烬中残留较多的余碳，增大不完全燃烧损失。由此可见，生物质燃烧设备的设计和运行方式的选择应从生物质的燃烧特性出发，保证生物质燃烧设备运行的经济性和可靠性，提高生物质开发利用的效率。生物质直接燃烧技术

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炉灶燃烧

炉灶燃烧操作简便、投资较省，主要问题是低效率。溢出的火苗和可燃烧气体使绝大多数的热无法利用而白白浪费。6.1生物质的直接燃烧以木材燃烧制沸水过程而言，1m3干木材含10GJ能量，而使1L水提高1℃需要4.2kJ的热能。所以煮沸1L水需要少于400kJ的能量，数值上仅相当于40cm3

的木材——仅仅是一根小树枝而已。可实际上在一个小的炉灶上，需要至少5～10倍的木材，热效率仅为10%～20%。省柴灶的结构老式柴灶热效率一般10%，省柴灶热效率一般可达到25%以上

锅炉燃烧采用先进的燃烧技术，把生物质作为锅炉的燃料燃烧，以提高生物质的利用效率，适用于相对集中、大规模地利用生物质资源。生物质燃料锅炉的种类很多，按照锅炉燃用生物质品种的不同可分为：木材炉、薪柴炉、秸秆炉、垃圾焚烧炉等；按照锅炉燃烧方式的不同又可分为流化床锅炉、层燃炉等。生物质直接燃烧技术

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锅炉燃烧6.1生物质的直接燃烧生物质与煤的联合燃烧技术可以改善煤的着火性能生物质的挥发分初析温度远低于煤，使得着火燃烧提前，最大燃烧速率前移的趋势，获得更好的燃尽特性。可以提高煤的利用率生物质在燃烧的过程中放热比较均匀，而单一煤燃烧放热几乎全部集中于燃烧后期。煤与生物质混和,可以改善燃烧放热的分布状况,对于燃烧前期的放热有增进作用。6.1生物质的直接燃烧垃圾焚烧发电平均上网电价为0.54元/千瓦时，发电成本为0.5元/千瓦时。火力发电成本仅为0.2元/千瓦时，水力发电的运营成本仅为0.03元/千瓦时～0.05元/千瓦时。相比之下，垃圾焚烧发电成本是相当高的，没有任何竞争优势。

6.1生物质的直接燃烧垃圾焚烧发电生物质气化的基本原理1）氧化层C+O2—CO22C+O2--2CO2CO+O2--2CO22H2+O2—2H2O2）还原层C+H2O—CO+H2C+CO2—2COC+2H2—CH4

6.2生物质的气化生物质气化是在高温条件下，利用部分氧化法，使有机物转化成可燃气体的过程，产物为CO、H2、CH4等可燃性气体。在不完全燃烧条件下，将生物质原料加热，使较高分子的有机碳氢化合物裂解成较低分子量的高品位可燃气体。生物质气化过程的指标1）气体产率单位质量生物质气化所得的燃气体积，m3/kg2）气化强度气化炉中每单位截面积每小时气化生物质质量[kg/m2.h]

3）气化效率，又称冷气体效率单位质量生物质气化所得到的燃气在完全燃烧时所放出的热量与气化使用的生物质发热量之比，是衡量气化过程的主要指标。6.2生物质的气化气化的分类气化的设备生物质气化

无气化剂——干馏气化有气化剂空气气化氧气气化水蒸气气化水蒸气-空气气化氢气气化生物质气化炉固定床气化炉流化床气化炉下吸式气化炉（逆流式气化炉）上吸式气化炉（顺流式气化炉）横吸式气化炉鼓泡床气化炉循环流化床气化炉双床气化炉携带床气化炉6.2生物质的气化在气化过程中使用不同的气化剂,可以得到三种不同质量的气化产品气6.2生物质的气化低热值(LowCV)：4～6MJ/Nm3

使用空气中热值(MediumCV)12～18MJ/Nm3使用氧气或水蒸汽高热值(HighCV)40MJ/Nm3

使用氢气气化效率较高；燃气热值较高；炉排受进风的冷却，工作比较可靠；燃气中焦油含量高，用于粗燃气不需冷却和净化就可以直接使用的场合。气化过程在微正压下工作，进料口靠近燃气出口，密封困难，通常采用间歇进料，适用于木材等堆积密度大的生物质原料。上吸式气化炉的特点：6.2生物质的气化燃气中焦油含量比上吸式低得多，适用于需要使用洁净燃气的场合；加料端与空气接触，加料端不需要严格密封，可采用连续进料；主要问题是保证燃烧的条件和燃烧层、气化层的稳定，对于秸秆及草类等物理性质较差的低品质原料设计难度大。下吸式气化炉的特点：6.2生物质的气化生物质燃气净化生物质燃气的主要用途

水洗：除尘、除焦、冷却三种功能过滤：除尘、除焦静电除焦：效率可达90%

催化裂化：将焦油裂解成小分子气体。1）提供热量

直接燃烧，燃料适应性广。2）气化发电3）化工原料制造甲醇二甲醚合成氨等。6.2生物质的气化用作锅炉的燃料燃烧生产蒸汽带动蒸汽轮机发电。这种方式对气体要求不很严格，直接在锅炉内燃烧气化气，效率低。在燃气轮机内燃烧带动发电机发电。这种利用方式要求气化压力在10－30个大气压，有灰尘、杂质等污染的问题。在内燃机内燃烧带动发电机发电。这种方式应用广泛，而且效率较高。但该种方式对气体要求严格，气化气必须净化及冷却。生物质气化发电的三种方式我国当前情况下，如果生物质收集范围大于50km，气化发电价格就会大于电网价格（约0·55元/度），而失掉经济性方面的优势；小于50km，燃料不足。

生物质气化发电技术的障碍燃气除焦电机要求焦油含量：0.02-0.05g/m3；H2<15%而汽化后焦油含量：2-50g/m3生物质热解的概念

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生物质在无氧或缺氧条件下使组成生物质的分子链受热而发生分解、断裂和重组的过程，其产物有生物炭（木炭）、生物油（生物原油）和气体。热解产物的热值：热解气体：10～15MJ/m3生物油：23～30MJ/kg生物炭：20～30MJ/kg影响热解产物的质量和转化率的因素：生物质成分和尺寸；热解温度；加热速率；生物质在热解反应器中的停留时间。6.3生物质的热解一般来说，低温（低于500℃）慢速热解的产物以生物炭为主；中温（500～650℃）快速热解的产物以生物油为主；高温（700～1100℃）闪速热解产物以热解气体为主。生物质热解工艺根据热解条件和产物的不同，生物质热解工艺可分为：6.3生物质的热解烧炭。将新炭材放置在炭窑或烧炭炉中，通入少量空气进行热分解制取木炭的方法。干馏。将木材原料放在干馏釜中隔绝空气进行加热，制取醋酸、甲醇、木焦油、木馏油和木炭的方法。快速热解。使生物质原料在缺氧的情况下快速加热，然后将可凝结热解产物迅速冷却为液态生物原油的热解方法。生物质的热解过程干燥阶段在150℃左右，蒸出物料中的水分。预热解阶段在150－300℃左右，物料化学组成开始发生变化，不稳定成分（如半纤维素）分解成CO2、CO和少量醋酸等物质。固体分解阶段在300－600℃左右，生成醋酸、木焦油和甲醇等液体和CO2、CO、CH4、H2等气体物质。此阶段放热。

燃烧阶段C-H、C-O键进一步裂解，排出残留在木炭中的挥发分。6.3生物质的热解6.3生物质的热解6.3生物质的热解生物原油的特性生物原油的化学稳定性差；含水量和含氧量都高，燃烧特性不好；较低的碳氢比限制了碳氢化合物生成；不能完全挥发和难于与碳氢溶剂混溶；粘度大；具有酸性而带来腐蚀问题生物原油需要进行重整，以改善其物理化学特性，提高其稳定性。重整的目的是降低含氧量，主要方法有加氢裂解和蒸汽催化裂解。生物质直接液化是在较高的压力和有机溶剂存在的条件下的热化学反应过程。反应物的停留时间常需几十分钟，主要产物为碳氢化合物（液化油）生物质的主体是高分子的聚合物，而石油的主体是低分子的化合物；生物质的氢元素远低于石油，而氧元素远高于石油；生物质中有较多的杂质，在生物质转化或燃烧后以灰渣的形式残留下来。将生物质转化为液体燃料需要加氢、裂解、脱灰等过程。6.4生物质直接液化生物质直接液化工艺流程与热解液化相比，直接液化条件相对柔和。和热解油一样，直接液化产品需经过精制加工后方可使用6.4生物质的直接液化沼气是多种微生物在厌氧条件下对有机物质进行分解代谢的产物。其主要成分是甲烷（约60%）和二氧化碳（约35%），还有少量的水蒸气、硫化氢、一氧化碳、氢气、氮气等其他气体。6.5生物质制沼气沼气是由多种厌氧微生物混合作用产生发酵而产生的。在这些厌氧微生物中，按微生物的作用不同，可分为纤维素分解菌、脂肪分解菌和果胶分解菌等。在发酵过程中，这些微生物相互协调、分工合作，完成沼气发酵过程。沼气发酵产生的物质主要有三种：一是沼气，以甲烷和CO2为主，其中甲烷含量在55％～70％，是一种清洁能源；二是消化液（沼液），含可溶性N、P、K，是优质肥料；三是消化污泥（沼渣），主要成分是菌体、难分解的有机残渣和无机物，是一种优良有机肥，具有土壤改良功效，沼气的生成物有很高的应用价值。

沼气的产生原理6.5生物质制沼气沼气原料利用植物的秸杆、枝叶、杂草和动物粪便等生物质在厌氧条件下，经过细菌发酵制取沼气。生物质细菌绝氧分解沼气（60％甲烷，30～40％CO2）大棚沼气发电机6.5生物质制沼气沼气微生物自身耗能少沼气发酵能够处理高浓度的有机废物沼气发酵能处理的废物种类多沼气发酵受温度影响较大沼气发酵的四大特点

下图为我国农村推广使用的水压式沼气池的结构。正常情况下，这种家用沼气池在中国南方可年产沼气250～300m3，提供一个农户8～10个月的生活燃料。

水压式沼气池结构图

1－进料口2—0压水位3—输出阀门4—盖板5—溢流口

6—贮留室7—水压箱8—渗井9—发酵室10—贮气室6.6生物质制乙醇催化酶糖发酵生物质乙醇用含糖类、淀粉(C6H10O5)n较多的农作物（如玉米、高粱）为原料，通过水解、发酵制乙醇。酶（C6H10O5)n+nH2OnC6H12O6C6H12O62C2H5OH+2CO2↑酶1、糖类：甘蔗、甜菜等糖类生物质转化成乙醇相对容易，但原料成本高（60%价格）。2、淀粉类：淀粉类生物质（玉米、高粱、木薯）需要先水解成糖类。3、木质纤维类：木材、草等预处理更复杂，需要经过几种酸的水解才能变成糖。原料6.6生物质制乙醇陈化粮作为燃料乙醇生产原料木薯、红薯、甘蔗、甜高粱等非口粮（小麦、稻谷）农作物纤维质：桔杆、农林废弃物、工业纤维废渣

原料发展趋势6.6生物质制乙醇乙醇的制备方