能源化學-生物質能源課件

1、What is biomass energy ? 生物質能源生物質能源生物質能概述q生物質能生物質能是蘊藏在生物質中的能量，是綠色植是蘊藏在生物質中的能量，是綠色植物通過光合作用將太陽能轉化為化學能而貯存物通過光合作用將太陽能轉化為化學能而貯存起來的能量。起來的能量。 通過光合作用，植物通過光合作用，植物每年轉化約每年轉化約2000億噸的億噸的C02中的碳為碳水化合物，并中的碳為碳水化合物，并存儲了存儲了31013GJ的太陽能，的太陽能，相當于目前世界能源消耗相當于目前世界能源消耗量的量的1010倍左右。倍左右。 CO2 + H2O CH2O + O2生物質能源生物質能源生物質能概述光合作用的

2、總過程光合作用的總過程 光化學反應 電子傳遞 太陽光能-電能-活躍化學能（同化力） h e ATP，NADPH2 （光反應） CO2H2O-穩(wěn)定化學能 C6H12O6 （暗反應，酶促反應） 生物質：n (C6H12O6) 光合效率光合效率 生物質能源生物質能源生物質能概述q光合作用過程中，每分解一個水分子，釋放一個O2分子，需轉移4個電子，而每個電子的轉移要通過兩個受激發(fā)的色素系統(tǒng)（光系統(tǒng)I & II）接力進行，因而理論上需要8個以上的光量子。q每個摩爾的波長為680納米的紅光和波長為420納米的紫光分別含能180千焦耳和297千焦耳，都形成含熱量 46.89千焦耳的1摩爾碳水化合物（

3、CH2O），其能量利用率分別為26和16。白光包括從白光包括從380380720720納米的各種波長的光量子，其能量利用率約為納米的各種波長的光量子，其能量利用率約為 2020。這是葉綠素所吸收的光量子的理論最高能量利用率。q田間作物植被在光合層建成后的最佳期間，日光能的利用率可達34，整個植物生長季的光能利用率約為12，全球表面平均則為0.1，能源植物能源植物 以提供能源為目的的植物以提供能源為目的的植物生物質能源生物質能源生物質能概述 糖類能源植物：可直接發(fā)酵生產燃料乙醇。如甘蔗、甜高梁、甜菜等。 淀粉類能源植物：經水解后發(fā)酵生產燃料乙醇。如玉米。薯類作物等。 纖維素類能源植物：經水解后發(fā)

4、酵生產燃料乙醇；也可轉化為氣體、液體和固體燃料。如速生林木、芒草等。 油料類能源植物：提取油脂后生產生物柴油。如油菜、花生等油料作物。 烴類能源植物：提取含烴汁液，產生接近石油成分的燃料。生物質能源、資源的特點生物質能源、資源的特點 生物質能源生物質能源生物質能概述q揮發(fā)組分高，易燃，燃燒相對充分；揮發(fā)組分高，易燃，燃燒相對充分； 生物質的大部分揮發(fā)組分可在生物質的大部分揮發(fā)組分可在400 C左右釋放出，左右釋放出，而而煤在煤在800 C 才釋放出才釋放出30左右的揮發(fā)組分；左右的揮發(fā)組分；q燃燒過程污染相對低燃燒過程污染相對低 生物質灰分含量低于煤，氮、硫含量通常低于煤；生物質灰分含量低于煤

5、，氮、硫含量通常低于煤；q容易氣化容易氣化q儲量大、分布廣泛、易于獲得儲量大、分布廣泛、易于獲得 地球上每年生物質能總量約地球上每年生物質能總量約 1400-1800億噸億噸(干干重），相當于目前每年總能耗的十倍重），相當于目前每年總能耗的十倍q屬于可再生能源屬于可再生能源q生物質能量密度低，燃料熱值低生物質能量密度低，燃料熱值低生物質能的利用與轉化技術生物質能的利用與轉化技術 生物質能源生物質能源生物質能利用與轉化生物質生物質直接燃燒直接燃燒生物質燃燒可能涉及的過程生物質燃燒可能涉及的過程生物質能源生物質能源生物質燃燒 生物質中水的蒸發(fā)過程；生物質中水的蒸發(fā)過程；v即使經過數年干燥的木材即使

6、經過數年干燥的木材, ,其細胞結構中仍含有其細胞結構中仍含有15 15 % %20 %20 %的水的水; ; (2) (2) 揮發(fā)分（低分子量物質）的釋放、燃燒揮發(fā)分（低分子量物質）的釋放、燃燒 ；(3) (3) 纖維素與半纖維素等受熱分解、氣化、燃燒；纖維素與半纖維素等受熱分解、氣化、燃燒；(4) (4) 過渡階段：木質素高溫炭化、著火。過渡階段：木質素高溫炭化、著火。(4) (4) 固定碳的燃燒：固定碳的燃燒：v在完全燃燒條件下，能量完全釋放，生物質完全轉在完全燃燒條件下，能量完全釋放，生物質完全轉變?yōu)榛覡a變?yōu)榛覡a。生物質直接燃燒生物質直接燃燒生物質能源生物質能源生物質燃燒生物質能源生物質

7、能源生物質能利用與轉化生物質燃燒動力學生物質燃燒動力學)(fAedtdRTE- 轉化率)(f-揮發(fā)分熱解釋放函數E - 表觀活化能 生物質的燃燒過程是從揮發(fā)分的著火燃燒開始，燃燒過程受揮發(fā)分的熱解釋放過程控制A（固） B（固）+ C(氣)生物質能源生物質能源生物質能利用與轉化固定碳的燃燒固定碳的燃燒 C + O2 = CO2 408.86 KJ/mol C + 1/2 O2 = CO 123 .45KJ/mol2CO + O2 = CO2 570.87 KJ/mol （高于（高于700C）水蒸氣的反應水蒸氣的反應C + H2O +118kJ/mol CO + H2 C + 2H2O +76kJ

8、/mol CO2 + H2 C + 2H2 CH4 + 75 kJ/mol生物質能源生物質能源生物質能利用與轉化生物質直接燃燒技術生物質直接燃燒技術 爐灶燃燒爐灶燃燒 爐灶燃燒操作簡便、投資較省，主要問題是爐灶燃燒操作簡便、投資較省，主要問題是低效率。溢出的火苗和可燃燒氣體使絕大多數的低效率。溢出的火苗和可燃燒氣體使絕大多數的熱無法利用而白白浪費。以木材燃燒制沸水過程熱無法利用而白白浪費。以木材燃燒制沸水過程而言而言,1m,1m3 3 干木材含干木材含10GJ 10GJ 能量能量, ,而使而使1L 1L 水提高水提高1 1 需要需要412KJ 412KJ 的熱能的熱能, ,所以煮沸所以煮沸1L

9、 1L 水需要少于水需要少于400KJ 400KJ 的能量的能量, ,數值上僅相當于數值上僅相當于40cm40cm3 3 的木材的木材僅僅是僅僅是一根小樹枝而已。可實際上在一個小的火爐上一根小樹枝而已?？蓪嶋H上在一個小的火爐上, , 大概需要至少大概需要至少50 50 倍的木材倍的木材, ,即效率不超過即效率不超過2% 2% 。生物質能源生物質能源生物質能利用與轉化 鍋爐燃燒采用先進的燃燒技術，把生物質鍋爐燃燒采用先進的燃燒技術，把生物質作為鍋爐的燃料燃燒，以提高生物質的利用效作為鍋爐的燃料燃燒，以提高生物質的利用效率，適用于相對集中、大規(guī)模地利用生物質資率，適用于相對集中、大規(guī)模地利用生物質

10、資源。源。 生物質燃料鍋爐的種類很多，按照鍋爐燃生物質燃料鍋爐的種類很多，按照鍋爐燃用生物質品種的不同可分為：木材爐、薪柴爐、用生物質品種的不同可分為：木材爐、薪柴爐、秸稈爐、垃圾焚燒爐等；按照鍋爐燃燒方式的秸稈爐、垃圾焚燒爐等；按照鍋爐燃燒方式的不同又可分為流化床鍋爐、層燃爐等。不同又可分為流化床鍋爐、層燃爐等。生物質直接燃燒技術生物質直接燃燒技術 鍋爐燃燒鍋爐燃燒生物質能源生物質能源生物質能利用與轉化生物質與煤的聯(lián)合燃燒：生物質與煤的聯(lián)合燃燒：可以改善煤的著火性能可以改善煤的著火性能生物質的揮發(fā)分初析溫度遠低于煤,使得著火燃燒提前，最大燃燒速率前移的趨勢，獲得更好的燃盡特性?？梢蕴岣呙旱睦?/p>

11、用率可以提高煤的利用率生物質在燃燒的過程中放熱比較均勻，而單一煤燃燒放熱幾乎全部集中于燃燒后期。煤中與生物質混和,可以改善燃燒放熱的分布狀況,對于燃燒前期的放熱有增進作用。生物質能源生物質能源生物質能利用與轉化生物質生物質氣化技術氣化技術生物質能源生物質能源生物質能利用與轉化生物質氣化生物質氣化 將生物質轉化為將生物質轉化為CHCH4 4、COCO、H H2 2等可燃氣體等可燃氣體 基本原理基本原理是在不完全燃燒條件下，將生物質原料加熱，使較高分子的有機碳氫化合物裂解成較低分子量的高品位可燃氣體。 根據氣化機理可分為熱解氣化和反應性氣化, 其中后者又可根據氣化劑的不同分為空氣氣化、水蒸氣氣化、

12、氧氣氣化、氫氣氣化及其這些氣體的混合物的氣化。 根據采用的氣化反應器的不同又可分為固定床氣化、流化床氣化和氣流床氣化生物質能源生物質能源生物質能利用與轉化生物質氣化反應器生物質氣化反應器生物質能源生物質能源生物質能利用與轉化生物質的反應性氣化生物質的反應性氣化 在氣化過程中使用不同的氣化劑, 可以得到三種不同質量的氣化產品氣，v 低熱值(Low CV)：46MJ/Nm3 使用空氣v 中熱值(Medium CV)1218MJ/Nm3使用氧氣或水蒸汽v 高熱值(High CV ) 40MJ/Nm3 使用氫氣生物質能源生物質能源生物質能利用與轉化生物質的空氣氣化生物質的空氣氣化氣化反應過程原理圖v

13、干燥區(qū)干燥區(qū) （100 250 C）水分蒸發(fā)v 熱解區(qū)熱解區(qū) （250 C以上）生成固體焦炭、氣體揮發(fā)分、焦油、木醋酸和熱解水等v 氧化區(qū)氧化區(qū) （1000 C以上）高溫熱解氣體產物和焦炭與氧氣發(fā)生燃燒反應v 還原區(qū)還原區(qū) （700900 C）氧化區(qū)所生成的高溫氣體與高溫炭層發(fā)生非均相的還原反應，生成含有COCO、H H2 2、CHCH4 4、CmHnCmHn、COCO2 2等。生物質能源生物質能源生物質能利用與轉化生物質氣化的基本熱化學反應生物質氣化的基本熱化學反應C + O2 CO2 408.86 KJ/mol C + 1/2 O2 CO 123 .45 KJ/molCO + O2 1/2

14、CO2 286 KJ/molCO2 + C 2CO 162 KJ/molC + H2O CO + H2 -118kJ/mol C + 2H2O CO2 + 2H2 -76kJ/mol C + 2H2 CH4 + 75 kJ/mol生物質能源生物質能源生物質能利用與轉化生物質氣化過程中焦油的生成生物質氣化過程中焦油的生成當生物質被加熱到250 C以上時，纖維素、木質素、半纖維素等成分發(fā)生熱分解，生成焦炭、木醋酸、焦油、氣體等。焦油的成分十分復雜，大部分是苯的衍生物。溫度為500 C時焦油的產量最高，隨著溫度的升高和停留時間的增加，焦油的含量會明顯地減少。 在600 C以上時，焦油以氣體的形式存在

15、于熱解氣中，在低溫下則以液體的狀態(tài)存在。焦油難以完全燃燒，容易產生碳黑等顆粒，對燃氣利用設備等損害嚴重生物質能源生物質能源生物質能利用與轉化生物質氣化過程中焦油的再裂解生物質氣化過程中焦油的再裂解改進型氣化爐的結構示意圖 通過改變爐內結構，使氣化區(qū)和還原區(qū)的反應溫度提高；增加還原區(qū)的高度，從而增加了焦油在爐內所經過的高溫區(qū)的停留時間，使焦油裂解充分，燃氣熱值提高，焦油含量降低。CmHn +mH 2O mCO + (m+n/2)H2CmHn +mCO2 2mCO + n/2H2生物質能源生物質能源生物質能利用與轉化焦油的催化裂解焦油的催化裂解 在焦油轉化過程中,催化劑不僅起凈化作用還起到調整燃氣

16、成分的作用。當燃氣從氣化爐出來經過催化劑時,焦油中的碳氫化合物便在催化劑表面與水蒸氣或二氧化碳反應生成一氧化碳和氫氣焦油裂解催化劑焦油裂解催化劑Dolomite ：白云石； Limestone ：石灰石； Alumina ：礬土；生物質能源生物質能源生物質能利用與轉化生物質燃氣的凈化生物質燃氣的凈化濕式凈化器結構原理圖干式凈化干式凈化v利用旋風除塵器和擴散除塵器進行兩級凈化，而后再利用冷凝器將氣體冷卻；v降溫困難，高溫氣態(tài)焦油難以去除，因此焦油含量較高。濕式凈化方式濕式凈化方式v濕式凈化效果較好，但設備復雜，運行費用高生物質能源生物質能源生物質能利用與轉化生物質生物質熱解技術熱解技術生物質能源

17、生物質能源生物質能利用與轉化生物質的熱解原理生物質的熱解原理 生物質在基本無氧的環(huán)境中受熱分生物質在基本無氧的環(huán)境中受熱分解，生成固體炭、液體燃料和氣體的過程解，生成固體炭、液體燃料和氣體的過程干燥階段干燥階段v在150C左右，蒸出物料中的水分。預熱解階段預熱解階段v在150300C左右，物料化學組成開始發(fā)生變化，不穩(wěn)定成分（如半纖維素）分解成CO2、CO和少量醋酸等物質。固體分解階段固體分解階段v在300600C左右，生成醋酸、木焦油和甲醇等液體和CO2、CO、CH4、H2等氣體物質。此階段放熱。 燃燒階段燃燒階段vC-H、C-O鍵進一步裂解，排出殘留在木炭中的揮發(fā)分。 生物質能源生物質能源

18、生物質能利用與轉化Lynn 裂解制油示意圖裂解制油示意圖生物質能源生物質能源生物質能利用與轉化生物質快速熱解：生物質快速熱解：隔絕空氣快速加熱，將原料直接裂解為粗油。隔絕空氣快速加熱，將原料直接裂解為粗油。 工藝特點：工藝特點：物質原料的粒度非常小，物質原料的粒度非常小，快速加熱；快速加熱；準確控溫在準確控溫在500500左右；左右；熱解產生的蒸汽迅速冷卻熱解產生的蒸汽迅速冷卻以生產生物油產品以生產生物油產品生物質能源生物質能源生物質能利用與轉化生物質熱裂解產物生物質熱裂解產物不同溫度下生物質稻殼粉熱解產物的分布不同溫度下生物質稻殼粉熱解產物的分布生物質能源生物質能源生物質能利用與轉化生物質液

19、化生物質液化生物質能源生物質能源生物質能利用與轉化生物質直接液化生物質直接液化 與熱解液化相比，直接液化條件相對柔和。 和熱解油一樣，直接液化產品需經過精制加工后方可使用生物質能源生物質能源生物質能利用與轉化生物質能源生物質能源生物質能利用與轉化 呈棕褐色，內含刺激性揮發(fā)分（如丙酮等），呈棕褐色，內含刺激性揮發(fā)分（如丙酮等），pH pH 值約為值約為2-42-4（弱酸性）；當溫度較高時，其分子（弱酸性）；當溫度較高時，其分子容易發(fā)生聚合反應，故不宜進行蒸餾處理。容易發(fā)生聚合反應，故不宜進行蒸餾處理。生物質原油生物質原油生物質能源生物質能源生物質能利用與轉化生物質間接液化生物質間接液化生物質生物

20、質合成氣合成氣液體液體燃料燃料定向定向氣化氣化凈化凈化甲醇甲醇柴油柴油二甲醚二甲醚分離分離提純提純生物質能源生物質能源生物質能利用與轉化生物質定向氣化生物質定向氣化 以生產合成氣為目的的生物質定向氣化，與以生產合成氣為目的的生物質定向氣化，與以生產燃氣為目的的常規(guī)氣化有著本質區(qū)別：它以生產燃氣為目的的常規(guī)氣化有著本質區(qū)別：它不是以熱值為追求目標，而是要使木質纖維素盡不是以熱值為追求目標，而是要使木質纖維素盡可能多地轉化為富含可能多地轉化為富含H2、CO、CO2的混合氣體，的混合氣體，其中的無用氣體和碳氫化合物要盡可能少，以減其中的無用氣體和碳氫化合物要盡可能少，以減輕后續(xù)重整變換的難度。輕后續(xù)

21、重整變換的難度。生物質能源生物質能源生物質能利用與轉化實現生物質定向氣化的措施實現生物質定向氣化的措施提高氣化反應溫度提高氣化反應溫度v 氣化反應溫度是影響氣化產物的一個最主要因素，溫度越氣化反應溫度是影響氣化產物的一個最主要因素，溫度越高，所產氣體中的高，所產氣體中的H H2 2、COCO和和COCO2 2越多越多 CHCH4 4等碳氫氣體越少。等碳氫氣體越少。純氧和水蒸氣復合并用純氧和水蒸氣復合并用v 采用純氧作為氣化劑，在避免帶入大量采用純氧作為氣化劑，在避免帶入大量N N2 2 對生成氣體稀釋對生成氣體稀釋的同時，還可以有效地提高氣化反應區(qū)的溫度，從而為加注的同時，還可以有效地提高氣化

22、反應區(qū)的溫度，從而為加注適量水蒸氣創(chuàng)造了條件。適量水蒸氣創(chuàng)造了條件。v 水蒸氣既可以直接與炙熱的炭反應生成水蒸氣既可以直接與炙熱的炭反應生成H H2 2和和CO CO ，又可以與，又可以與碳氫化合物發(fā)生水蒸氣變換反應，生成對合成甲醇有用的氣碳氫化合物發(fā)生水蒸氣變換反應，生成對合成甲醇有用的氣體，從而減輕氣體重整變換的工作量。體，從而減輕氣體重整變換的工作量。延長反應物的滯留時間延長反應物的滯留時間v氣化反應實際是由生物質的熱解反應和熱解產物的裂解反應氣化反應實際是由生物質的熱解反應和熱解產物的裂解反應所組成的，但無論是哪種反應，在一定條件下，反應物的滯所組成的，但無論是哪種反應，在一定條件下，

23、反應物的滯留時間越長，反應就越充分，生成物也就越多。留時間越長，反應就越充分，生成物也就越多。生物質能源生物質能源生物質能利用與轉化氣體重整變換氣體重整變換1- 陶瓷過濾膜；2- 重整反應床；3- 旋風分離器；4- 變換反應床；5- 冷卻裝置；6- 氣相色譜儀。氣體重整變換工藝流程圖氣體過濾氣體過濾v阻止氣體中的微米級粉塵進阻止氣體中的微米級粉塵進入后續(xù)工藝入后續(xù)工藝氣體重整氣體重整v將 氣 體 中 的 碳 氫 化 合 物將 氣 體 中 的 碳 氫 化 合 物（ 如烴類氣體和焦油等）如烴類氣體和焦油等） 催化裂解為有用氣體，并除催化裂解為有用氣體，并除去硫化氫等其它有害氣體。去硫化氫等其它有害氣體。氣體變換氣體變換v使使H H2 2/(2CO/(2COCOCO2 2）最終約等）最終約等于于1.051.05。氣體變換最簡單的。氣體變換最簡單的方式是直接向混合氣體中加方式是直接向混合氣體中加注適量的注適量的H H2 2 ，以實現三