新能源与可再生能源-生物质能示范课

第三节生物质能

biomassenergy

ForestWoodResiduesAgriculturalResiduesEnergyCropsEnergywoodsWaste基本概念生物质——通过光合作用而直接或间接形成的多个有机体，涉及全部的动物、植物和微生物等等。生物质能（biomassenergy）——就是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量。是唯一一种可再生的碳源。是太阳能的一种体现形式。生物质能资源生物质能来源于生物质。生物质是有机物中除矿物燃料外的全部来源于动物、植物的能再生的物质。世界上生物质能资源种类繁多，重要有：（1）农作物和农业有机残存物；（2）林木和森林工业残存物；（3）动物的排泄物；（4）江河和湖泊的沉积物；（5）农副产品加工后的有机废物和废水；（6）都市生活有机废水及垃圾。另外，藻类、水生植物和能进行光合作用的微生物等也是能够开发运用的生物质能资源。Biomass:生物质能概述Biologicalmaterialderivedfromliving,orrecentlylivingorganisms.Inthecontextofbiomassforenergythisisoftenusedtomeanplantbasedmaterial,butbiomasscanequallyapplytobothanimalandvegetablederivedmaterial.木材，杂草，藻类;能源植物;有机废弃物;多个农、林废弃物：农作物杆、稻草、谷壳等Biomassvs.fossilfuels生物质能概述Thevitaldifferencebetweenbiomassandfossilfuels:timescaleontheformationandusage；BiomassmaintainsaclosedcarboncyclewithnonetincreaseinatmosphericCO2levelsWhatisbiomassenergy?生物质能概述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。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，相称于现在世界能源消耗量的10倍左右。CO2+H2O{CH2O}+O2光合作用

植物

水+二氧化碳----->有机体+氧

太阳能

internalleafstructurechloroplastsoutermembraneinnermembrane光合作用生物质能概述光合作用的总过程光化学反映电子传递↓↓太阳光能------→电能-------→活跃化学能（同化力）·h·eATP，NADPH2（光反映）↓CO2＋H2O-----→稳定化学能C6H12O6（暗反映，酶促反映）↓↓↓生物质：n(C6H12O6)光合效率

生物质能概述光合作用过程中，每分解一种水分子，释放一种O2分子，需转移4个电子，而每个电子的转移要通过两个受激发的色素系统（光系统I&II）接力进行，因而理论上需要8个以上的光量子。每个摩尔的波长为680纳米的红光和波长为420纳米的紫光分别含能180千焦耳和297千焦耳，都形成含热量46.89千焦耳的1摩尔碳水化合物（CH2O），其能量运用率分别为26％和16％。白光涉及从380～720纳米的多个波长的光量子，其能量运用率约为20％。这是叶绿素所吸取的光量子的理论最高能量运用率。田间作物植被在光合层建成后的最佳期间，日光能的运用率可达3～4％，整个植物生长季的光能运用率约为1～2％，全球表面平均则为0.1％，能源植物——以提供能源为目的的植物生物质能概述糖类能源植物：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。薯类作物等。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、芒草等。油料类能源植物：提取油脂后生产生物柴油。如油菜、花生等油料作物。烃类能源植物：提取含烃汁液，产生靠近石油成分的燃料。生物质的元素构成生物质能概述生物质的物质构成生物质能概述纤维素，半纤维素，木质素，水分，挥发分，灰分，类脂物，蛋白质，单糖、淀粉，等等45%5%25%25%LigninOtherCellulose(Chainsofglucosesugar)Hemicellulose(Chainsofxyloseandarabinoseinhardwoods;

mannoseandxyloseinsoftwoods)(Youngcleancoal)生物质重要成分的物质构造生物质能概述Lignin:15-25%（由苯基丙烷构造单元通过碳-碳键和氧桥键连接而成的的芳香族聚合物）Cellulose:38-50%（葡萄糖分子通过以β-苷键形式的氧桥键连接而成的聚合物）Hemicellulose:23-32%（两种或两种以上单糖通过氧桥键连接而成的聚合物）生物质能源、资源的特点生物质能概述挥发组分高，易燃，燃烧相对充足；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、硫含量普通低于煤；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），相称于现在每年总能耗的十倍属于可再生能源生物质能量密度低，燃料热值低生物质能转换技术（1）直接燃烧（2）生物转换技术（3）化学转换技术催化转化、气化法、热分解法和溶剂提取法生物质（有机物质）+O2CO2+H2O+热量直接燃烧生物质（有机物质）+CO2微生物发酵（厌氧）微生物发酵液体燃料（乙醇）气体燃料（沼气）生物质燃烧可能涉及的过程生物质直接燃烧生物质中水的蒸发过程；即使通过数年干燥的木材,其细胞构造中仍含有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。生物质燃烧生物质燃烧模式固体燃料转化燃烧途径及对应的DTG曲线模式I,O———分别在惰性和氧气氛围下生物质燃烧模式不同的生物质的燃烧模式不同生物质燃烧动力学---转化率---挥发分热解释放函数E---表观活化能生物质的燃烧过程是从挥发分的着火燃烧开始，燃烧过程受挥发分的热解释放过程控制A（固）B（固）+C(气)固定碳的燃烧

C+O2=CO2

＋408.86KJ/mol

C+1/2O2=CO

＋123

.45KJ/mol2CO+O2=CO2

＋570.87KJ/mol（高于700ºC）水蒸气的反映C+H2O+118kJ/mol→CO+H2

C+2H2O+76kJ/mol→CO2+H2

C+2H2→CH4+75kJ/mol空气供应量生物质燃烧单位质量燃料的理论需要空气量:V0

=010889Cy+01256Hy+010333(Sy+Oy

）m3/kg燃料空气过量系数常见生物质燃料的理论需要空气量为:4~5m3/kg燃料生物炼制——工业生物催化技术

生物质生物质能生物炼制

生物炼制就是以可再生的生物质资源为原料，对原料进行生物转化和

化学品合成，生产生物能源和生物基产品的综合技术过程。其中重要涉及生物工程、化学工程、酶工程、分离工程及过程控制工程等。分类①木质纤维素生物炼制；②全作物生物炼制；“三化”③绿色生物炼制；去除，精制和分离为两部分重要产品⑴生物质化学品，如：乙烯、乙醇、丙烯酸、琥珀酸⑵生物质材料，如：尼龙工程塑料⑶生物质资源，如：沼气、燃料乙醇、生物柴油⑷生物可再生原料的修饰，如：大豆蛋白改性纤维热化学转化与运用技术技术WoodAgriculturalwasteOrganicwasteThermo-chemicalConversionprocess

DirectcombustionBiomassfeedstockGasification

Pyrolysis

MethanolProductionHeatSteamElectricity

ProducerGas(LowormediumBtu)Syntheticfueloil,CharcoalMethanolTECHNOLOGIESENDUSESENERGYorPRODUCT生物质气化——将生物质转化为CH4、CO、H2等可燃气体基本原理是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端可燃气体。根据气化机理可分为热解气化和反映性气化,其中后者又可根据气化剂的不同分为空气气化、水蒸气气化、氧气气化、氢气气化及其这些气体的混合物的气化。根据采用的气化反映器的不同又可分为固定床气化、流化床气化和气流床气化生物质气化反映器生物质的反映性气化在气化过程中使用不同的气化剂,能够得到三种不同质量的气化产品气，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使用氢气生物质的空气气化气化反映过程原理图干燥区（100～250ºC）水分蒸发热解区（250ºC以上）生成固体焦炭、气体挥发分、焦油、木醋酸和热解水等氧化区（1000ºC以上）高温热解气体产物和焦炭与氧气发生燃烧反映还原区（700～900ºC）氧化区所生成的高温气体与高温炭层发生非均相的还原反映，生成含有CO、H2、CH4、CmHn、CO2等。生物质气化的基本热化学反映C+O2→CO2

＋408.86KJ/mol

C+1/2O2→CO

＋123

.45KJ/molCO+O2→1/2CO2

＋286KJ/molCO2+C→2CO－162KJ/molC+H2O→CO+H2-118kJ/molC+2H2O→CO2+2H2-76kJ/molC+2H2→CH4+75kJ/mol生物质气化过程中焦油的生成当生物质被加热到250ºC以上时，纤维素、木质素、半纤维素等成分发生热分解，生成焦炭、木醋酸、焦油、气体等。焦油的成分十分复杂，大部分是苯的衍生物。温度为500ºC时焦油的产量最高，随着温度的升高和停留时间的增加，焦油的含量会明显地减少。在600ºC以上时，焦油以气体的形式存在于热解气中，在低温下则以液体的状态存在。焦油难以完全燃烧，容易产生碳黑等颗粒，对燃气运用设备等损害严重生物质气化过程中焦油的再裂解改善型气化炉的构造示意图通过变化炉内构造，使气化区和还原区的反映温度提高；增加还原区的高度，从而增加了焦油在炉内所通过的高温区的停留时间，使焦油裂解充足，燃气热值提高，焦油含量减少。CmHn+mH2O

→mCO+(m+n/2)H2CmHn+mCO2→2mCO+n/2H2焦油的催化裂解在焦油转化过程中,催化剂不仅起净化作用还起到调节燃气成分的作用。当燃气从气化炉出来通过催化剂时,焦油中的碳氢化合物便在催化剂表面与水蒸气或二氧化碳反映生成一氧化碳和氢气焦油裂解催化剂Dolomite：白云石；

Limestone：石灰石；Alumina：矾土；焦油裂解效率温度对裂解效率的影响

straw□husk▲wood○thermalcracking近来多采用镍基催化剂，其在750ºC接触时间为1秒的条件下可达成97％的转化率生物质燃气的净化湿式净化器构造原理图干式净化运用旋风除尘器和扩散除尘器进行两级净化，而后再运用冷凝器将气体冷却；降温困难，高温气态焦油难以去除，因此焦油含量较高。湿式净化方式湿式净化效果较好，但设备复杂，运行费用高生物质气化发电Carbona,Inc.Orinda,CA2-5MW生物质的热解原理

——生物质在基本无氧的环境中受热分解，生成固体炭、液体燃料和气体的过程干燥阶段在150ºC左右，蒸出物料中的水分。预热解阶段在150－300ºC左右，物料化学构成开始发生变化，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300－600ºC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。Lynn裂解制油示意图生物质快速热解：隔绝空气快速加热，将原料直接裂解为粗油。工艺特点：物质原料的粒度非常小，快速加热；精确控温在500℃左右；热解产生的蒸汽快速冷却以生产生物油产品生物质热裂解产物

不同温度下生物质稻壳粉热解产物的分布生物质热解油生物质直接液化与热解液化相比，直接液化条件相对柔和。和热解油同样，直接液化产品需通过精制加工后方可使用呈棕褐色，内含刺激性挥发分（如丙酮等），pH值约为2-4（弱酸性）；当温度较高时，其分子容易发生聚合反映，故不适宜进行蒸馏解决。生物质原油生物质间接液化生物质合成气液体燃料定向气化净化甲醇柴油二甲醚分离提纯生物质直接制氢气化制氢光合微生物光解制氢柱孢鱼腥藻和其它有异形胞的蓝藻的氢光解形成间接催化制氢生物质物理法、化学法、生物法低碳醇、酸，高碳醇COX、H2CO2、H2O光合作用水汽重整部分氧化氧化微生物燃料电池间接微生物燃料电池直接微生物燃料电池

沼气能源的运用重要在中国农村地区。在占中国人口80％的农村，人们生活重要以秸秆和薪柴为燃料。1998年全国农村居民总能耗为365Mtce,其中56.7％（365Mtce）来自于稻草、秸秆和薪柴。发展中国农村沼气运用技术能够满足居民生活和工业生产的能源需要。因此，作为一项优先发展的技术，沼气运用能够协助农村人口摆脱贫困，增加收益。沼气是有机物在厌氧条件下经微生物的发酵作用而生成的一种可燃性气体，其重要成分是甲烷和二氧化碳。沼气发酵广泛存在于自然界，如湖泊或沼泽中经常能够看到有气泡从污泥中冒出，将这些气体收集起来便能够点燃，因此人们叫它沼气，沼气发酵是有机物在厌氧条件下被微生物分解的过程，地球上由于光合作用生成的有机物每年大概有4000亿吨，其中大概有5%在厌氧条件下被微生物分解掉。人们运用这一自然规律进行沼气发酵（又称厌氧消化），即可生产沼气用作能源，又可解决有机废物以保护环境，经沼气发酵后的沼渣、沼液又是优质的有机肥料。因此沼气发酵是综合运用有机废物，保护生态环境，增进农业生产可持续发展的重要方法之一。沼气燃烧后