生物质能.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第七章 生物质能,1,1/32,内容提要,生物质能,生物质能生产与再生产,沼气技术,生物质固硫型煤技术,生物质热解与直接液化技术,生物质气化技术,生物燃料,生物质能开发利用技术展望,2,2/32,6.1 生物质能,6.1.1 生物质组成与结构,1）光合作用,光反应：H,2,O在光合叶绿素作用下，生成氢,暗反应：又叫卡尔文循环，CO,2,、H,2,以及ATP生成葡萄糖,2）植物细胞结构,细胞壁,植物细胞-原生质体（膜系统、细胞核、细胞质及细胞器）,后含物（淀粉、脂类和蛋白质）,3）生物质分类,林业资源,农业资源,生活污水和工业有机废水,城市固体废物,家禽粪便,3,3/32,6.1 生物质能,6.1.2 生物质能转化利用技术,4,4/32,6.1 生物质能,6.1.3 生命周期分析法,绿色植物生命周期（种植、生长、收获、运输、储存、预处理、利用和废物处理），其中许多过程需要消耗一定常规能源，所以绿色植物二氧化碳排放量并非为零。,化石能源与生物质能排放量对比,能源,CO,2,/g/(kW.h),SO,2,/g/(kW.h),NO,x,/g/(kW.h),能源作物（当前）,17-27,0.07-0.16,1.1-2.5,能源作物（未来）,15-18,0.06-0.08,0.35-0.51,煤炭（最正确）,955,11.8,4.3,石油,818,14.2,4.0,天然气,430,-,0.5,5,5/32,6.2 生物质能资源生产与再生产,6.2.1 生物质资源生产周期性,1）植物生活周期,慢-快-慢,2）季节周期性,以草本植物为例：一年生植物；两年生植物；多年生植物,3）昼夜周期性,昼夜生长速度不一样。,植物体内存在一个不依赖于环境刺激近似昼夜节奏计时系统，称为生物钟，含有内生性、对温度不敏感性和计时性等。,6.2.2 工业有机废水,1）,化学需氧量COD,水中能被化学氧化剂氧化物质在要求条件下进行化学氧化反应过程所消耗氧数量，表示工业有机废水中有机物浓度。,2）生化需氧量BOD,水样中微生物分解有机物过程中所消耗水中溶解氧量,。,2）几个经典工业有机废水,制浆造纸业废水,制革业废水,啤酒废水,肉类加工业废水,6,6/32,6.2 生物质能资源生产与再生产,6.2.3 城市固体废弃物,1）按化学性质分类,有机固体废弃物,无机固体废弃物,2）按照燃烧难易程度,不燃固体废物,难燃固体废物,易燃固体废物,3）固体废物对环境影响,侵占土地：堆放万吨废物占地亩,污染土壤：,污染水源：,污染大气：,7,7/32,6.3 沼气技术,6.3.1 沼气发酵原理,1）沼气,沼气是有机物在厌氧条件下经微生物分解发酵而生成一个可燃性气体。主要为甲烷和二氧化碳,2）沼气发酵微生物学原理,8,8/32,6.3 沼气技术,6.3.1 沼气发酵原理,2）沼气发酵微生物学原理,a.发酵性细菌：将可溶性糖、氨基酸和脂酸吸收进入细胞后，经go发酵作用将其转化为乙酸、丙酸、丁酸脂肪和醇类、同时产生一定量氢和二氧化碳。,b.产氢产乙酸菌：将发酵性细菌产生有机酸和醇类分解成乙酸、氢和二氧化碳。,CH,3,CH,2,COOH+2H,2,O-CH,3,COOH+CO,2,+3H,2,CH,3,CH,2,CH,2,COOH+2H,2,2CH,3,COOH+2H,2,CH,3,CH,2,OH+2H,2,O-CH,3,COOH+2H,2,CH,3,CHOHCOOH(乳酸)+H,2,O-CH,3,COOH+CO,2,+H,2,c,.耗氢乙酸菌：既能利用水和,CO,2,生成乙酸，也能分解糖产生乙酸。,2CO,2,+4H,2,-CH,3,COOH+2H,2,O,C,6,H,12,O,6,3CH,3,COOH,d.产甲烷菌:需厌氧条件下，PH5.5中性范围内产生。,4H,2,+CO,2,-CH,4,+2H,2,O,4HCOOH-CH,4,+3CO,2,+2H,2,O,4CH,3,OH-CH,4,+3CO,2,+2H,2,O,CH,3,COOH-CH,4,+CO,2,普通产甲烷菌生长速度慢，最快需要小时。,9,9/32,6.3 沼气技术,6.3.1 沼气发酵原理,3）沼气发酵条件,a.BOD,5,/COD初步评价有机物可生物降解性。,b.温度,25,0,C以下为低温，25-45,0,C为中温，46-60,0,C为高温发酵。,c,.,PH值和碱度,6.87.4之间最适宜,d.C/N比。,原料中有机碳素和氮素含量百分比关系。,厌氧发酵开启阶段不超出30：1。,6.3.2 沼气利用设施和设备,1）沼气炊事灶具,2）沼气灯具,由燃烧器、灯罩、玻璃罩、电子脉冲点火器及支架底座等组成。,10,10/32,6.3 沼气技术,6.3.3 沼气综合利用,1）沼气二氧化碳施肥,燃烧沼气产生二氧化碳，二氧化碳对农作物含有增产作用，平均可增加幅度30%。,2）沼气供热孵鸡,3）沼气加温养蚕,11,11/32,6.4 生物质固硫型煤技术,6.4.1 生物质固硫型煤生产工艺,12,12/32,6.4 生物质固硫型煤技术,6.4.2 生物质固硫型煤燃烧特征,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，使型煤短时间到达着火点，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,燃烧由表面及不停深入到内部，不会发生热解析炭冒烟现象。,3）固硫特征,生物质比煤先燃烧，形成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SO,2,和O,2,向CaO颗粒内扩散作用，提升钙利用率。,可在较低Ca/S下，使固硫率到达50%以上。,13,13/32,6.5 生物质热解与直接液化技术,6.5.1 生物质热化学转换,生物质与煤含有相同性，最初起源于煤化工,14,14/32,6.5 生物质热解与直接液化技术,6.5.2 生物质热解技术,1）生物质热解工艺类型,烧炭：少许空气进行热分解制取木炭方法。,干馏（低温干馏500-580,0,C，中温干馏660-750,0,C，高温干馏900-1100,0,C）：隔绝空气环境加热，制取醋酸、甲醇、木焦油抗聚剂、木馏油和木炭等产品。,快速热解：在缺氧情况下快速加热，然后快速将其冷却为液态生物原油热解方法。尽可能取得更多液体产物。,6.5.3 生物质热解过程与原理,1）生物质热解过程和产物,过程-a.干燥阶段：120-150,0,C，水分蒸发。,b.预炭化阶段：150-275,0,C，木材化学组成发生改变，不稳定组分分解为CO,2,、CO和少许醋酸。,c.炭化阶段：275-450,0,C，木材急剧热分解，产生大量产物，发出大量反应热。,d.煅烧阶段：450-500,0,C，进行木炭煅烧，排除残留在木炭中挥发物质，提升木炭中固定碳含量。,产物-固体：木炭,液体：粗木醋酸，包含200种以上有机物，酸类、醇类、醛类、酯类、酚类、芳香化合物、杂环化合物及胺类等。,气体：CO,2,、CO、CH,4,、C,2,H,4,和H,2,15,15/32,6.5 生物质热解与直接液化技术,6.5.3 生物质热解过程与原理,2）生物质热解原理,包含分子键断裂，异构化和小分子聚合等反应。,3）影响生物质热解原因,a.热解最终温度：木炭产量随温度升高逐步降低,木醋酸组成在270-400,0,C改变较大，400,0,C改变不显著。,b.升温速率：加热速率加紧，木炭产量下降，焦油产量增加，最大可达80%生物原油产率,c.压力：在1.33Pa真空下热解，不释放热量，3.15MPa热解，放大量热。,d.含水率：含水率过高，热解所需时间较长。较干木材热解会放热较快，降低木炭产量,e.木炭形态：沿纤维方向热导率比纤维垂直方向热导率大。,f.反应气氛：采取过热蒸汽处理，可得到酸率8%。,16,16/32,6.5 生物质热解与直接液化技术,6.5.4 生物质快速热解技术,1）生物质快速热解,生物质在缺氧状态下，在极短时间（0.5-5s）加热到500-540,0,C，然后其产物快速冷凝热解过程。,2）快速热解工艺,17,17/32,6.5 生物质热解与直接液化技术,6.5.5 生物原油燃料特征及应用,1）相对密度,液体燃料在20,0,C下密度与4,0,C水密度之比，生物燃油为1.2，柴油为0.85，热值相当于40%相同质量燃油。,2）热稳定性,加热到100,0,C以上时，会析出占原有质量50%木炭。,所以需要加氢裂解或水蒸气裂解,3）应用,替换燃油在固定场所应用,提取化工原料,6.5.6 生物质,直接液化技术,生物质在高压下，直接与氢气发生反应，转化为液体燃料热化学反应过程。普通需使用催化剂。,热解与液化区分,热化学过程,催化剂,压力/MPa,主要产物,热解,不需要,0.1-0.5,生物原油,液化,需要,5-20,液化油,18,18/32,6.5 生物质热解与直接液化技术,6.5.6,生物质直接液化技术,工艺：,1）一步法催化加氢液化技术,由德国开发，连续液化（由反应器、热分离器和冷却器组成），生物质颗粒与催化剂和循环油混合，反应在20MPa氢分压和380,0,C下进行约15 min，进入气相液体产品在热分离器中快速蒸馏，塔底重油用作循环油，其余液体产物冷却到室温后得到沸程60-360,0,C油品，其中99%为正己烷可溶物。,2）水中液化,日本开发，间歇反应器，以He为载气，反应温度为250-400,0,C，催化剂为碱金属碳酸盐，产油率为50%（采取发酵残渣为原料）。,Na,2,CO,3,+H,2,+2CO-2HCOONa+CO,2,2C,6,H,10,O,5,+2HCOONa-2C,2,H,10,O,4,+H,2,O+CO,2,+Na,2,CO,3,3）煤与生物质共同液化,可降低煤液化温度，增加低分子量戊烷可溶物，生物质与煤相互作用机理不明。,液化油性质：,高黏度、高沸点酸性物质,19,19/32,6.6 生物质气化技术,6.6.1,气化基本原理,1）氧化层,C+O,2,CO,2,2C+O,2,-2CO,2CO+O,2,-2CO,2,2H,2,+O,2,2H,2,O,2）还原层,C+H,2,OCO+H,2,C+CO,2,2CO,C+2H,2,CH,4,6.6.2,气化过程指标,1）气体产率,单位质量生物质气化所得燃气体积，m,3,/kg,2）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/m,2,.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燃气在完全燃烧时所放出热量与气化使用生物质发烧量之比，是衡量气化过程主要指标。,20,20/32,6.6 生物质气化技术,6.6.3,气化分类,无气化剂 干馏气化,生物质气化 空气气化,氧气气化,有气化剂 水蒸气气化,水蒸气-空气气化,氢气气化,6.6.4,气化设备,下吸式气化炉（逆流式气化炉）,固定床气化炉 上吸式气化炉（顺流式气化炉）,横吸式气化炉,生物质气化炉,鼓泡床气化炉,流化床气化炉 循环流化床气化炉,双床气化炉,携带床气化炉,21,21/32,6.6 生物质气化技术,6.6.5,生物质燃气净化,6.6.6,生物质燃气主要用途,水洗：除尘、除焦、冷却三种功效,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。,22,22/32,6.7 生物燃料,6.7.1,概述,6.7.2,生物柴油,1）定义,生物燃料：以生物质为原料生产液体燃料，如生物柴油、乙醇和二甲醚等。,2）生物燃料优势,可连续发展,降低温室气体排放,促进区域经济发展,能源安全,1）生物柴油,以植物油（油菜、向日葵、大豆、棕榈油等）为原料，经过化学方法取得一个生物燃料。,2）化学法生产生物柴油,植物油,过滤,酯化,清洗,催化剂,甲醇/乙醇,甘油混合物,生物柴油,23,23/32,6.7 生物燃料,6.7.2,生物柴油,2）化学法生产生物柴油,对于含有游离脂肪酸、聚合物及分解物等杂质高酸值油质进行酯化前，需进行预处理。两种方法：,a.物理精炼,将油脂-水化或磷酸处理-脱出磷脂及胶质-预热脱水、脱气加入过量蒸汽-蒸出游离酸,b.甲酯预酯化,油脂脱磷脂及胶质脱水加入乙醇+酸性催化剂-游离酸声称甲酯,3）生物柴油燃料特征,生物柴油与常规柴油特征比较,主要燃料特征,生物柴油,常规柴油,主要燃料特征,生物柴油,常规柴油,相对密度,0.88,0.83,十六烷值,56,49,动力粘度40,0,C/mm,2,/s,4-6,2-4,燃烧功效（柴油=100%）/%,104,100,闭口闪点/,0,C,100,60,S（质量分数）/%,0.001,0.2,24,24/32,6.7 生物燃料,6.7.3,生物燃料乙醇,1）乙醇制备方法,a.化学合成法,乙烯水正当（硫酸水正当、直接水正当），乙醛加氢法,b.发酵法,利用微生物发酵作用将糖份活淀粉转化为乙醇方法。,世界60%乙醇由甜菜发酵而成，7%化学合成，33%其它原料，1998年统计数据。,2）无水乙醇制备,a.吸水剂脱水法,CaO+H,2,OCa(OH),2,CaO+2CH,3,COOH(CH,3,COO),2,Ca+H,2,O 副反应,b.分子筛法,水分可被沸石分子筛吸附（吸附3/4为水，1/4为乙醇）,c.共沸脱水法,向乙醇水溶液中加入苯或戊烷、环己烷等，形成三元共沸物。,d.真空蒸馏法,真空条件下，乙醇-水共沸物向乙醇浓度增大方向发展。,e.蒸馏-膜脱水法,将蒸馏酒精经过高分子膜塔制得无水乙醇。,25,25/32,6.7 生物燃料,6.7.3,生物燃料乙醇,2）无水乙醇制备,f.加盐脱水法,向乙醇中加入CaCl2或KCl等，改变其平衡状态，使共沸点消失。,g.有机物吸附脱水法,应用多糖物质，淀粉、玉米粉、纤维渣等作吸附脱水剂,h.离子交换脱水法,用离子交换树脂作为吸附剂,6.7.3,甲醇,1）甲醇性质,又称木醇或木精，有毒，饮入5-10 ml即双目失明，大量则至死。在汽油中能够掺入25%，提升辛烷值,甲醇燃料特征,性质,数值,性质,数值,相对密度（20,0,C）,0.80,馏程/,0,C,65,辛烷值,100,热值/（kJ/kg）,19647,闪点,11,汽化潜热/（kJ/kg）,1105,26,26/32,6.7 生物燃料,6.7.3,甲醇,2）甲醇生产工艺,生物质-合成气制造-合成气净化-甲醇合成-甲醇精馏,两类催化剂：,ZnO-Cr,2,O,3,为基础改良氧化物系统催化剂，反应压力34MPa,温度 320-380,0,C，转化率12-15%。,CuO-ZnO/Al,2,O,3,二代催化剂，反应压力2-5 MPa，温度250-260,0,C。,3）甲醇转化制汽油,由美国Mobile企业开发,ZSM-5分子筛为催化剂，使甲醇脱水、低聚和异构化转化为汽油，可得到含量40%，辛烷值为95无氮、无硫汽油。,CH,3,OH+H,2,OCH,3,OCH,3,-脂肪烃、环烷烃、芳香烃,4）甲醇应用,汽油添加剂、燃料电池、化工原料,6.7.4二甲醚,1,）二甲醚性质,CH,3,OCH,3,，低毒，含有麻醉作用,，,27,27/32,6.7 生物燃料,6.7.4二甲醚,1）二甲醚性质,CH,3,OCH,3,，低毒，含有麻醉作用，是汽油柴油有力竞争者。,2）生产工艺,甲醇脱水法,b.合成气合成,二甲醚燃料特征,性质,数值,性质,数值,相对密度/（kg/L）,0.75,爆炸极限/%,3.4-27,十六烷值,55,低位发烧量/（MJ/kg）,28.9,28,28/32,6.8 生物质能开发利用技术展望,6.8.1,一定时期生物质能仍是发展中国家主要能源,从1990年起，世界生物质能源年增加率1.5%。,传统生物质能利用方式将越来越少，当代利用方式将逐步增加。,年世界初级能源消费情况,1998年世界初级能源消费情况,29,29/32,6.8 生物质能开发利用技术展望,6.8.2,生物质燃料将部分替换化石燃料,1）能源供给展望,煤炭、石油、天然气可使用年限有限，核能按现有铀储量和消费水平可使用50年。,2）生态环境影响,a.温室效应,b.酸雨,c.环境污染,3）能源安全问题,6.8.3,生物质发电将在未来电力中占有一定份额,生物质发电有燃烧发电和气化发电两种技术,可再生能源装机容量预测/GW,能源,小水电,32,45,太阳能光电,1.1,11,太阳能,0.4,2,生物质能,37,55,地热能,8,14,风能,17,130,30,30/32,6.8 生物质能开发利用技术展望,6.8.4,能源植物生产赋予农业新内涵,1）草本能源作物,能够用来制取燃料乙醇，包含：高粱属作物、甘蔗、木薯、耶路撒冷菜蓟。,2）油料作物,以食物油为燃料发动机,3）制取碳氢化合物植物,4）藻类,日本从淡水藻类中提取石油,6.8.4,最新技术发展与展望,生物质发电有燃烧发电和气化发电两种技术,1）生物燃料电池,利用酶或者微生物组织为催化剂，将葡萄糖化学能转化为电能。,英国科学家研究用酵母和大肠杆菌产生电流。,2）生物制氢技术,氢是连接一次能源和能源用户纽带。,利用微生物在常温常压下进行酶催化反应制取氢气。,31,31/32,Thanks a lot!,32,32/32,