碳中和技术概论 课件 第五章 生物质能

第5章

生物质能CONTENTS目录生物质能的基本概况PART

01生物质资源PART

02生物质能的转化利用技术PART

03生物质能源的应用PART

04PART

05PART

06生物质能与低碳经济生物质能产业与政策生物质能的基本概况Part.01生物质能的基本概况01生物质能作为人类一直赖以生存的重要能源，它是居于世界能源消费总量第四位的能源，仅次于煤炭、石油和天然气，在整个能源系统中具有重要地位。生物质能：利用自然界的植物、粪便及城乡有机废物转化成的能源。固体、液体、气体多种形态对能源作出贡献的非化石能源；唯一可实现发电、非电利用多种形式的能源，是同时可以提供稳定、连续供应的能源，在一定程度上弥补太阳能、风能供能不稳定的波动。生物质能的基本概况——生物质能的特点及分类011.生物质能的特点五大特性：可再生性、低污染性、广泛分布性、总量丰富和广泛应用性。2.生物质能的分类依据来源的不同，可以将能够利用的生物质能源分为农业生物质资源、林业生物质资源、畜禽粪便、生活污水和工业有机废水、城市固体废物和沼气六大类。生物质能的基本概况01生物质能的基本概况——生物质能的特点及分类2.生物质能的分类（1）农业生物质资源农业生物质资源包括是农业生产过程中的废弃物、农业加工业的废弃物和能源植物。农业生产过程中的废弃物：如农作物在收获时残留在农田内的农作物秸秆（玉米秸秆、高粱秸秆、麦秸、稻秸、豆秸和棉秸等）；

农业加工业的废弃物：如农业生产过程中剩余的稻壳等；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、制取碳氢化合物植物和水生植物等。01生物质能的基本概况——生物质能的特点及分类2.生物质能的分类（2）林业生物质资源林业生物质资源是指森林生长和林业生产过程中提供的生物质资源，包括薪炭林、在森林抚育和间伐作业中的零散木材、残留的树枝和树叶等；木材采运和加工过程中的枝丫、梢头、木屑、板皮和截头等；林业副产品的废弃物，如果壳和果核等。（3）畜禽粪便畜禽粪便是畜禽排泄物的总称，是畜禽排出的粪便、尿及其垫草的混合物，是其它形态生物质（如粮食、作物秸秆和牧草等）的转化形式。在我国畜禽主要包括猪、牛和鸡等，其资源和畜牧业生产有关。可根据这些畜禽的品种、体重、粪便排泄量等因素，估算出畜禽粪便的资源实物量。01生物质能的基本概况——生物质能的特点及分类2.生物质能的分类（4）生活污水和工业有机废水生活污水主要包括农村和城镇居民生活、商业和服务业的各种排水（如冷却水、洗浴排水、洗衣排水、厨房排水、粪便污水等）。工业有机废水主要是乙醇、酿酒、制糖、食品、制药、造纸及屠宰等行业生产过程中排出的废水等，其中含有机物。（5）城市固体有机废弃物城市固体有机废弃物主要包括城镇居民生活垃圾、商业、服务业垃圾等。其组成成分比较复杂。（6）沼气

沼气是有机物质（如人畜粪便、秸秆、污水等）在厌氧条件下，经过微生物的发酵作用而生成的一种混合气体，主要成分是甲烷（CH4）。通常可以供农家用来烧饭、照明。生物质资源Part.0202生物质资源——生物质的组成1.纤维素2.半纤维素半纤维素是由几种不同类型单糖组成的异质多聚体，是木糖、甘露糖、葡萄糖等构成的一类多糖化合物。主要来源：植物的木质化部分，如秸秆、种皮、坚果壳及玉米穗等。用途：生物质燃料，如生物煤、生物气等；半纤维素酸、半纤维素醇等高附加值化学品纤维素是一种由葡萄糖分子组成的多糖，是植物细胞壁的主要成分。主要来源：天然有机物，麻、麦秆、稻草、甘蔗渣等。用途：燃料酒精、糠醛、乙酞丙酸等液体燃料和化学品；生产纸张、纤维板、纤维素酸等产品02生物质资源——生物质的组成

3.木质素木质素是植物细胞壁次生代谢产物之一，也是一种复杂的天然高分子化合物。主要来源：维管束植物（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学成分。4.淀粉淀粉是由D-葡萄糖分子聚合而成的化合物，以颗粒状态存在细胞中。主要来源：植物的种子和块茎5.蛋白质蛋白质是由多种氨基酸组成，分子量很大，氨基酸主要由碳、氢、氧3种元素组成，另外还有氮和硫。02生物质资源——生物质的组成

6.脂类脂类是指不溶于水而溶于非极性溶剂的有机化合物，是细胞中单位体积含能量最高的物质。主要来源：植物种子会储存脂肪于子叶或胚乳中以供自身使用。用途：植物油7.灰分灰分主要是磷、钾、硅、铝、钙、铁等元素的氧化物，在纤维素类生物质中，稻草与稻壳灰分含量相对较多（超过10%），而其他纤维素生物质灰分含量基本上小于3%。02生物质资源——生物质资源的分布

生物质产量与气候、温度、降水量、土壤、海陆位置等多种原因密切相关。我国秸秆资源主要分布在东北、河南、四川等产粮大省，资源总量前五分别是黑龙江、河南、吉林、四川、湖南，占全国总量的59.9%。畜禽粪便资源集中在重点养殖区域，资源总量前五分别是山东、河南、四川、河北、江苏，占全国总量的37.7%。林业剩余物资源集中在我国南方山区，资源总量前五分别是广西、云南、福建、广东、湖南，占全国总量的39.9%。生活垃圾资源集中在东部人口稠密地区，资源总量前五分别是广东、山东、江苏、浙江、河南，占全国总量的36.5%。污水污泥资源集中在城市化程度较高区域，资源总量前五分别是北京、广东、浙江、江苏、山东，占全国总量的44.3%。生物质能的转化利用技术Part.0303生物质能的转化利用技术生物质能的转化利用技术通常是指把生物质能通过一定方法和手段转变成使用起来更为方便和干净的燃料物质或能源产品的技术统称。生物质能主要转化利用技术03生物质能的转化利用技术1.物理法利用生物质材料的力传导性极差，通过缩短力传导距离和对其加剪切力，使被木质素包裹的纤维素分子团错位、变形、延展，同时借助于木质素的黏结性，在较小压力和较低温度下，使其相邻相嵌重新组合成型。生物质成型燃料工艺：加黏结剂成型和不加黏结剂成型。根据生物质热处理方式：常温压缩成型、热压成型和炭化成型三种。提高生物质能量、密度；减小了它的体积，便于运输和存储；提升生物质直接燃烧效能。03生物质能的转化利用技术2.热化学法生物质的直接燃烧是其最原始、最实用的利用方式。传统的燃烧利用方式技术相对落后，热能

转换效率较低。现代的生物质直接燃烧技术：生物质直接燃烧流化床技术和生物质直接燃烧层燃技术；主要用于发电或集中供热。热解技术是指通过热解的方法将生物质可转化为生物油、生物质炭和可燃气的技术。根据反应温度和加热速率的不同，生物质热解工艺可分成慢速、常规、快速热解等工艺。（1）直接燃烧技术（2）热解技术03生物质能的转化利用技术2.热化学法气化技术是在高温的条件下，以氧气、水蒸气或氢气等作为气化剂，通过热化学反应将生物质中可燃部分转化为可燃气（主要为CO、H2和CH4等）的技术。生物质液化技术是通过一系列化学加工过程把固态的生物质转化成液体燃料的清洁利用技术。根据化学加工过程不同，液化可分为直接液化和间接液化。（3）气化技术（4）液化技术高品质的气态燃料锅炉燃料或发电甲醇、二甲醚等液体燃料或化工产品。03生物质能的转化利用技术3.生物化学法生物质可以通过生物转化的方法制备乙醇。比如利用淀粉类或糖类生物质通过发酵的方式制备燃料乙醇。沼气是在厌氧条件下，人畜粪便、工业有机废液和农作物秸秆等生物质经过微生物的发酵生成的一种混合气体。沼气一般含甲烷50%～70%，其余为二氧化碳和少量的氮气，氢气和硫化氢等。（1）生物乙醇技术（2）沼气技术4.化学法生物柴油制备主要以化学法为主，在酸性、碱性或生物酶等催化剂作用下，植物油（或动物油）与甲醇或乙醇进行交换反应，生成相应的脂肪酸甲酯或乙酯燃料油。生物质能源的应用Part.0404生物质能源的应用——生物天然气1.生物质燃气的制备方法生物质燃气是指以生物质为原料通过微生物或热化学途径转化而来的燃气，包括沼气和生物质气化气。生物质燃气的生产方法：热化学和生物转化。生物质在高温缺氧条件下，发生不完全燃烧和热解，从而产生可燃气体，主要成分是CO、H2、N2等，主要副产物为焦油。去除焦油是热化学法制备生物质燃气净化的主要目标。去除焦油的方法有三种：湿法、干法及裂解法。主要原料：农作物和农业有机残余物、林木和森林工业残余。（1）热化学法04生物质能源的应用——生物天然气1.生物质燃气的制备方法沼气发酵的三个阶段：水解阶段、酸化阶段和产甲烷阶段。原始沼气中二氧化碳含量占比20%以上，且还混有硫化氢、水分、卤化物等杂质成分。去除二氧化碳的方法：水洗、聚乙二醇洗涤、变压吸附和膜分离。脱硫的方法：生物脱硫、湿法脱硫和干法脱硫。脱水：冷凝和吸附干燥的方法。（2）生物法制备生物质燃气04生物质能源的应用——生物柴油优势：良好的生物降解性，其降解速度比石化柴油快四倍。在淡水环境中，经过28天，生物柴油就能降解77%～89%，而石化柴油只能降解18%。具有更好的润滑性能减轻环境压力、控制城市大气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）、动物油（如鱼油、猪油、牛油、羊油等）、废弃油脂或微生物油脂与甲醇或乙醇经酯转化而形成的脂肪酸甲酯或脂肪酸乙酯。04生物质能源的应用——生物柴油在不改变原料结构的情况下，将植物油、柴油、降凝剂和添加剂按一定比例直接混合，从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；化学法包括高温热裂解法和酯交换法。1.生物柴油的制备方法（1）直接混合法缺点：易被氧化发生聚合不能充分燃烧而易形成积炭油脂黏度、闪点和酸值偏高热值低，低温启动性差04生物质能源的应用——生物柴油利用低黏度乳化剂，将植物油稀释，降低其黏度，并改善其雾化性，从而满足其作为燃料使用的要求。1.生物柴油的制备方法（2）微乳液法缺点：受到环境限制，易乳化（3）高温热裂解法在高温和催化剂的共同作用下，动植物油脂在空气或氮气中快速裂解，得到的产品与普通柴油性质相近。缺点：高温裂化的工艺流程比较复杂残炭、灰分等相对较高04生物质能源的应用——生物柴油酯交换法是用各种动植物油脂与甲醇等低碳醇类物质在催化剂作用下反应而生成。1.生物柴油的制备方法（4）酯交换法酯交换法包括：酸或碱催化法、生物酶法、工程微藻法和超临界法。①酸或碱催化法油脂在酸或碱的催化条件下与低碳醇进行酯化和酯交换反应，反应后除去下层粗甘油，上层经洗涤、干燥即得生物柴油。②生物酶法以酶为催化剂，使动、植物油脂与低碳醇发生酯交换反应。04生物质能源的应用——生物柴油1.生物柴油的制备方法（4）酯交换法③工程微藻法先通过基因工程技术构建微藻生产油脂，再进行酯交换反应。④超临界法超临界酯交换工艺甲醇在超临界状态下，无需催化剂进行酯交换反应制备生物柴油的一种方法。生产能力高，不含硫，燃烧产生的气体可被微生物降解。对原料要求不高，无需催化剂，收率高，后处理简单04生物质能源的应用——生物柴油2.生物柴油的发展趋势04生物质能源的应用——生物柴油2.生物柴油的发展趋势1、利好政策陆续出台，生物柴油未来发展提速2、产能利用率不断提升，市场供应得到保障04生物质能源的应用——生物燃料乙醇1.生物燃料乙醇的制备方法第一代：以玉米、小麦等粮食作物为生产原料；第二代：以非粮作物为生产原料；第三代：以木质纤维素作为原料来进行乙醇生产。第三代生物乙醇技术的开发是当前生物能源开发的攻关重点。依据生产原料的不同，燃料乙醇生产技术主要分为三代:04生物质能源的应用——生物燃料乙醇1.生物燃料乙醇的制备方法第一阶段是木质纤维素的预处理。第二阶段是乙醇生成的阶段。第三阶段是通过将乙醇蒸馏回收、脱水处理后，得到无水燃料乙醇。利用木质纤维素制备燃料乙醇主要分为三个环节：04生物质能源的应用——生物燃料乙醇1.生物燃料乙醇的制备方法机械粉碎、微波处理、高能辐射和高温分解等方法。（1）木质纤维素预处理方法①物理法②

化学法将木质纤维素浸泡于以酸或碱或有机溶剂作为的预处理剂中，质纤维素最终降解为能被微生物利用的底物。04生物质能源的应用——生物燃料乙醇1.生物燃料乙醇的制备方法（1）木质纤维素预处理方法④生物法③物理化学法蒸气爆破法氨纤维爆破法微生物降解法生物酶法04生物质能源的应用——生物燃料乙醇1.生物燃料乙醇的制备方法（2）生物燃料乙醇的发酵①直接发酵工艺：步骤简单，成本低廉；缺点是乙醇产率低，产生有机酸等副产物。②分步水解发酵工艺：流程简单，容易实现工业化③同步糖化发酵工艺：酶与菌株之间存在温度耐受性差异。④固定化微生物水解发酵法：海藻酸钙、卡拉胶、多孔玻璃等。04生物质能源的应用——生物燃料乙醇1.生物燃料乙醇的制备方法（3）生物乙醇的脱水①恒沸精馏法：苯、环己烷、戊烷②萃取精馏法：乙二醇③膜分离：有机膜、无机膜和有机加无机复合膜④分子吸附：石灰、活性炭、离子交换树脂、分子筛、硅胶等膜分离法04生物质能源的应用——生物燃料乙醇2.生物燃料乙醇的发展趋势提高乙醇的保质期加快推进纤维素等非粮生物燃料乙醇产业发展04生物质能源的应用——生物质固体成型1.生物质固体成型的制备方法（1）常温湿压成型常温湿压成型工艺流程设备比较简单，容易操作，但是成型部件磨损较快，烘干费用高，多数产品燃烧性能较差。04生物质能源的应用——生物质固体成型1.生物质固体成型的制备方法（2）热压成型在较高的温度下发挥黏结剂的作用的同时，使生物质中木质素软化，借助压力作用将粉碎的生物质挤压成型。（3）常温成型（4）炭化成型在常温条件下，加入一定黏结剂，将生物质燃料颗粒高压挤压成型的过程即为常温成型。炭化成型是指将生物质原料进行炭化或者是部分炭化，再加入一定量的黏结剂挤压成一定形状和尺寸的木炭棒。04生物质能源的应用——生物质固体成型2.生物质固体成型的发展趋势从成型机理出发，通过技术研发提高设备的生产效率、使用寿命和降低生产能耗，形成规模适度的成型燃料生产线，从而建设生物质固体成型燃料产业基地，以推动生物质成型燃料生产产业化进程。协同发展生物质直燃利用、集中式燃气制备等成型燃料终端利用技术，构建生物质能开发产业链，使生物质成型燃料进入商业化燃料市场。04生物质能源的应用——生物质氢能源1.生物质氢能源的制备方法生物质原料通过热化学技术制取氢气热裂解制氢、催化重整制氢、气化制氢、超临界水气化制氢、高温等离子体制氢等技术。利用微生物途径转化制氢光解水制氢、光发酵制氢、暗发酵制氢与光暗耦合发酵制氢。04生物质能源的应用——生物质氢能源1.生物质氢能源的制备方法（1）生物质热化学制氢方法生物质热化学制氢技术主要包括热裂解制氢、催化重整制氢、气化制氢、超临界水气化制氢、高温等离子体制氢等技术。①生物质热裂解制氢技术②生物质催化重整反应制氢通过控制裂解温度、物料停留时间及热解气氛来达到制氢目的。生物质经过高温裂解后生成的小分子组分与水蒸气在催化剂存在下发生水煤气变换反应生成富氢气体的过程。04生物质能源的应用——生物质氢能源1.生物质氢能源的制备方法（1）生物质热化学制氢方法③生物质气化制氢④超临界水气化制氢生物质在高温下与气化介质发生热化学反应后，获得富氢气体。在超临界条件下，将生物质与一定比例的水混合后反应，产生含氢量高的气体和残炭，然后进行气体的分离得到氢。⑤高温等离子体制氢利用高温等离子将生物质热解制备氢气的过程。04生物质能源的应用——生物质氢能源1.生物质氢能源的制备方法（2）微生物法制氢技术①光解水制氢在常温常压下，微生物的代谢活动来生产氢气的方法。在藻类或植物细胞中，微生物通过光合作用将水分子分解为氢离子和氧气，产生的氢离子通过氢化酶转化为氢气。②光发酵制氢厌氧光合细菌通过小分子有机物得到还原反应，把H+还原为H2。常用的光解水物质有：光合细菌和蓝绿藻。没有氧气产生，转化率很高04生物质能源的应用——生物质氢能源1.生物质氢能源的制备方法（2）微生物法制氢技术③暗发酵制氢把异养型的厌氧菌和固氮菌分解成小分子制氢。④暗耦合发酵制氢把厌氧光发酵制氢细菌与暗发酵制氢细菌相结合，充分发挥两者的优势，从而提高制氢的效率。耦合方式有两种：一种将暗发酵过程中产生的有机酸用于光发酵过程；二将暗发酵与光发酵过程在包含两种类型微生物群落的单个反应器中完成。04生物质能源的应用——生物质氢能源2.生物质氢能源的发展趋势金属催化剂，提高金属催化剂的活性，如克服催化剂失活、腐蚀等问题。对于影响发酵过程的酸碱度、温度等各个因素进行机理研究，从而确定各因素在发酵过程中的最佳取值。研发培养新型混合菌株，利用混合菌株产氢效率高的优势提高生物制氢技术产量。优化反应过程各环节涉及的操作。04生物质能源的应用——生物航空燃料生物航空燃料以动植物油脂或农林废弃物等生物质为原料，采用加氢法或费托合成技术生产的航空燃料。生物航空燃料经历了三代的发展：第一代：以可食用的作物和动物脂肪为原料第二代：以非食用木本油料作物和木质纤维生物质为原料第三代：以生物基航空燃料主要以藻类为原料04生物质能源的应用——生物航空燃料1.生物航空燃料的制备方法将生物质转化为中间产物（生物质油或合成气），再对中间产物进行改性后制备出生物航空燃料。（1）加氢脱氧法将植物油脂或动物油脂通过深度加氢生成加氢脱氧油。加氢脱氧法工艺流程04生物质能源的应用——生物航空燃料1.生物航空燃料的制备方法（2）气化-费托合成法在高温、高压下，生物质通过热化学工艺转化为合成气，合成气通过费托合成工艺生成各种烃类和含氧有机化合物，所得产品通过进一步加氢脱氧处理即可制成生物航空燃料。气化-费托合成法工艺流程04生物质能源的应用——生物航空燃料2.生物质氢能源的发展趋势降成本保证原料的稳定供应04生物质能源的应用——能源微藻能源微藻只有在显微镜下才能分辨其形态的微小藻类群被人们称为微藻。具有很高的药用价值，可抗癌、抗衰老、抗疲劳、抗辐射损伤用污水中的无机、有机等污染物生长生长周期比较短、单位面积产出量高利用方式主要包括直接利用和间接利用两种方式直接利用：微藻在生长过程中产生氢气、烃类，它们能直接作为能源进行利用间接利用：通过培养微藻来获得油脂、淀粉、纤维素，然后以藻油、淀粉及纤维素作为原料进行化学改性，用以生产生物柴油、燃料乙醇等04生物质能源的应用——能源微藻1.能源微藻的培养方法（1）微藻的培养方式直接利用太阳光及无机养料在开放式池塘或密闭式光生物反应器中培养微藻。①自养培养②异养培养③混养培养微藻细胞同时使用光能、无机物和有机物作为微藻营养物质的培养方式。微藻仅以人为提供的碳源、氮源作为微藻生长的营养物质，使其在没有光照的条件下进行的需氧发酵生长的培养方式。04生物质能源的应用——能源微藻1.能源微藻的培养方法（2）微藻的采收向藻液中加入絮凝剂使藻体发生絮凝、沉降，是分离藻体的重要方法。絮凝剂的类型、浓度、配比等与藻种密切相关。①絮凝和沉降③气浮法②过滤向藻液中通入空气，使藻液中形成许多高度分散的微小气泡，气泡作为载体将藻液中的藻体载浮于水面，从而实现固液分离。过滤法是常用的藻体分离方法，既可作为絮凝沉降的下游工艺，也可直接用于藻体的回收。④离心在离心力作用下，藻液中藻体迅速沉降，实现固液分离。04生物质能源的应用——能源微藻2.能源微藻的发展趋势在微藻食品方面：保证原料的稳定供应，通过构建微藻产业标准化体系，切实保障微藻食品保健品质量安全。在微藻饲料方面：可建立产品分级质控体系与网络配送体系，从产品开发技术和营销模式上。在生态环境方面：推动微藻固碳、废水处理、生物有机肥料、藻华资源化利用等领域实现重大突破。04生物质能源的应用——生物质发电1.生物质发电技术生物质发电是利用生物质所具有的生物质能进行的发电，是可再生能源发电的一种，包括农林废弃物直接燃烧发电、农林废弃物气化发电、垃圾焚烧发电、垃圾填埋气发电和沼气发电。（1）生物质直燃发电直燃发电的关键技术：原料预处理技术、蒸汽锅炉燃料适用性技术、高效汽轮机技术和蒸汽锅炉高效燃烧技术。生物质直燃发电技术的原理与传统燃煤发电技术类似，只是将燃煤换作生物质进行燃烧。04生物质能源的应用——生物质发电1.生物质发电技术（2）生物质混烧