能源化學(xué)-生物質(zhì)能源

1、生物質(zhì)能源化學(xué)生物質(zhì)能源化學(xué)Forest Wood ResiduesAgricultural ResiduesEnergy CropsEnergy woodsWaste本章內(nèi)容本章內(nèi)容 生物質(zhì)能源概述 生物質(zhì)的利用與轉(zhuǎn)化技術(shù) 生物質(zhì)的氣化 生物質(zhì)液化 生物質(zhì)制氫 生物燃料電池生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源概述概述Biomass :生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能概述Biological material derived from living, or recently living organisms. In the context of biomass for ene

2、rgy this is often used to mean plant based material, but biomass can equally apply to both animal and vegetable derived material.木材，雜草，藻類木材，雜草，藻類;能源植物能源植物;有機(jī)廢棄物有機(jī)廢棄物;各種農(nóng)、林廢棄物：各種農(nóng)、林廢棄物： 農(nóng)作物桿、稻草、谷殼農(nóng)作物桿、稻草、谷殼等等Biomass vs. fossil fuels生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能概述The vital difference between biomass and fossil fuels

3、: time scale on the formation and usage；Biomass maintains a closed carbon cycle with no net increase in atmospheric CO2 levelsWhat is biomass energy ? 生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能概述q生物質(zhì)能生物質(zhì)能是蘊(yùn)藏在生物質(zhì)中的能量，是綠色植是蘊(yùn)藏在生物質(zhì)中的能量，是綠色植物通過光合作用將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能而貯存物通過光合作用將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)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(zhuǎn)化約每年轉(zhuǎn)化約2000億噸的億噸的C

4、02中的碳為碳水化合物，并中的碳為碳水化合物，并存儲(chǔ)了存儲(chǔ)了31013GJ的太陽能，的太陽能，相當(dāng)于目前世界能源消耗相當(dāng)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(zhì)能源生物質(zhì)能源光合作用光合作用 植物 水水 + + 二氧化碳二氧化碳 - 有機(jī)體有機(jī)體 + + 氧氧 太陽能 internal leaf structurechloroplastsouter membraneinner membrane光合作用生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能概述光合作用的總過程光合作用的總過程 光化學(xué)反應(yīng) 電子傳遞 太陽光能-電能-活躍化學(xué)能（同化力） h e ATP

5、，NADPH2 （光反應(yīng)） CO2H2O-穩(wěn)定化學(xué)能 C6H12O6 （暗反應(yīng)，酶促反應(yīng)） 生物質(zhì)：n (C6H12O6) 光合效率光合效率 生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能概述q光合作用過程中，每分解一個(gè)水分子，釋放一個(gè)O2分子，需轉(zhuǎn)移4個(gè)電子，而每個(gè)電子的轉(zhuǎn)移要通過兩個(gè)受激發(fā)的色素系統(tǒng)（光系統(tǒng)I & II）接力進(jìn)行，因而理論上需要8個(gè)以上的光量子。q每個(gè)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（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

6、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(dá)34，整個(gè)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(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能概述 糖類能源植物：可直接發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇。如甘蔗、甜高梁、甜菜等。 淀粉類能源植物：經(jīng)水解后發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇。如玉米。薯類作物等。 纖維素類能源植物：經(jīng)水解后發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇；也可轉(zhuǎn)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

7、產(chǎn)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(chǎn)生接近石油成分的燃料。生物質(zhì)的元素組成生物質(zhì)的元素組成 生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能概述生物質(zhì)的物質(zhì)組成生物質(zhì)的物質(zhì)組成 生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能概述纖維素，半纖維素，木質(zhì)素纖維素，半纖維素，木質(zhì)素，水分，揮發(fā)分，水分，揮發(fā)分，灰分，類脂物，蛋白質(zhì)，單糖、淀粉，等等灰分，類脂物，蛋白質(zhì)，單糖、淀粉，等等45%5%25%25%LigninOtherCellulose(Chains of glucose sugar)Hemicellulose(Chains of xylose and arabinose in hardwood

8、s;mannose and xylose in softwoods)(Young clean coal)生物質(zhì)主要成分的物質(zhì)結(jié)構(gòu)生物質(zhì)主要成分的物質(zhì)結(jié)構(gòu) 生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能概述OOOOHOHOHHOHOOH OOOOOHOHOHHOHOOH OOOOOHOHOHHOHOOH OOOOOHOHOHHOHOOH OOOOOHOHOHHOHOOH OOOOOHOHOHHOHOOH OOOOOHOHOHHOHOOH OOOOOHOHOHHOHOOH OOHOHOH3COOHOCH3OCH3OOOOHOCH3OCH3H3COOOHOH3COHOOCH3OCH3OHOHOH3COOHOCH3OC

9、H3OOOHOCH3OCH3OCH3OOOOHHOOOOOOHHOOHOHOOOOHHOOHOHOOOOHHOOHOHOOOOHOHOHHOHOOH OOOOOHOHOHHOHOOH OOOOOHOHOHHOHOOH OOOOOHOHOHHOHOOH OOOOOHOHOHHOHOOH OOOOOHOHOHHOHOOH OOOOOHOHOHHOHOOH OOOOOHOHOHHOHOOH OLignin: 15-25%（由苯基丙烷結(jié)構(gòu)單元通過碳由苯基丙烷結(jié)構(gòu)單元通過碳-碳鍵和碳鍵和氧橋鍵連接而成的的芳香族聚合物氧橋鍵連接而成的的芳香族聚合物）Cellulose: 38-50%（葡萄糖分子通過以（葡

10、萄糖分子通過以-苷鍵形式的氧橋鍵連接而成的聚合物）苷鍵形式的氧橋鍵連接而成的聚合物）Hemicellulose: 23-32% （兩種或兩種以上單糖通過氧橋鍵（兩種或兩種以上單糖通過氧橋鍵連接而成的聚合物）連接而成的聚合物）生物質(zhì)能源、資源的特點(diǎn)生物質(zhì)能源、資源的特點(diǎn) 生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)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(zhì)的大部分揮發(fā)組分可在生物質(zhì)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(zhì)灰分含量低于煤，氮、硫

11、含量通常低于煤；生物質(zhì)灰分含量低于煤，氮、硫含量通常低于煤；q容易氣化容易氣化q儲(chǔ)量大、分布廣泛、易于獲得儲(chǔ)量大、分布廣泛、易于獲得 地球上每年生物質(zhì)能總量約地球上每年生物質(zhì)能總量約 1400-1800億噸億噸(干干重），相當(dāng)于目前每年總能耗的十倍重），相當(dāng)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(zhì)能量密度低，燃料熱值低生物質(zhì)能量密度低，燃料熱值低人類能源利用史人類能源利用史 生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能概述生物質(zhì)生物質(zhì)煤炭煤炭天然氣、石油天然氣、石油生物質(zhì)能的利用與轉(zhuǎn)化技術(shù)生物質(zhì)能的利用與轉(zhuǎn)化技術(shù) 熱化學(xué)轉(zhuǎn)化與利用技術(shù)技術(shù)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化與利用技術(shù)技術(shù)WoodAgricultur

12、al wasteOrganic wasteThermo-chemicalConversion process Direct combustionBiomass feedstockGasification Pyrolysis Methanol ProductionHeatSteam Electricity Producer Gas (Low or medium Btu)Synthetic fuel oil, CharcoalMethanolTECHNOLOGIESEND US E SENERGY orPRODUC T生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物

13、質(zhì)生物質(zhì)直接燃燒直接燃燒生物質(zhì)燃燒可能涉及的過程生物質(zhì)燃燒可能涉及的過程生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)燃燒 生物質(zhì)中水的蒸發(fā)過程；生物質(zhì)中水的蒸發(fā)過程；v即使經(jīng)過數(shù)年干燥的木材即使經(jīng)過數(shù)年干燥的木材, ,其細(xì)胞結(jié)構(gòu)中仍含有其細(xì)胞結(jié)構(gòu)中仍含有15 15 % %20 %20 %的水的水; ; (2) (2) 揮發(fā)分（低分子量物質(zhì)）的釋放、燃燒揮發(fā)分（低分子量物質(zhì)）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(zhì)素高溫炭化、著火。過渡階段：木質(zhì)素高溫炭化、著火。(4) (4) 固定碳的燃燒：固定碳的燃燒：v在完

14、全燃燒條件下，能量完全釋放，生物質(zhì)完全轉(zhuǎn)在完全燃燒條件下，能量完全釋放，生物質(zhì)完全轉(zhuǎn)變?yōu)榛覡a變?yōu)榛覡a。生物質(zhì)直接燃燒生物質(zhì)直接燃燒生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)燃燒生物質(zhì)燃燒模式生物質(zhì)燃燒模式生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化固體燃料轉(zhuǎn)化燃燒路徑及相應(yīng)的DTG曲線模式I , O 分別在惰性和氧氣氣氛下生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)燃燒模式生物質(zhì)燃燒模式不同的生物質(zhì)的燃燒模式不同不同的生物質(zhì)的燃燒模式不同生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)燃燒動(dòng)力學(xué)生物質(zhì)燃燒動(dòng)力學(xué))(fAedtdRTE- 轉(zhuǎn)化率)(f-揮發(fā)分熱解釋放函數(shù)E - 表觀活化能 生物質(zhì)的燃燒過程是從揮發(fā)分的著火

15、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(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)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(yīng)水蒸氣的反應(yīng)C + H2O +118kJ/mol CO + H2 C + 2H2O +76kJ/mol CO2 + H2 C + 2H2 CH4 + 75 kJ/mol空氣供給量空氣供給量生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)燃燒單位質(zhì)量燃料的理論需要空氣量單位質(zhì)量燃料

16、的理論需要空氣量: :V 0 = 010889Cy+ 01256H y+ 010333 (S y+ O y ） m3 / kg 燃料空氣過量系數(shù)空氣過量系數(shù)0VV常見生物質(zhì)燃料的理論需要空氣量為常見生物質(zhì)燃料的理論需要空氣量為: :45m3 /kg 燃料生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)生物質(zhì)直接燃燒技術(shù) 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(shù)的低效率。溢出的火苗和可燃燒氣體使絕大多數(shù)的熱無法利用而白白浪費(fèi)。以木材燃燒制沸水過程熱無法利用而白白浪費(fèi)。以木材燃燒制沸水過程而言而言

17、,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 1L 水需要少于水需要少于400KJ 400KJ 的能量的能量, ,數(shù)值上僅相當(dāng)于數(shù)值上僅相當(dāng)于40cm40cm3 3 的木材的木材僅僅是僅僅是一根小樹枝而已?？蓪?shí)際上在一個(gè)小的火爐上一根小樹枝而已?？蓪?shí)際上在一個(gè)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(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化 鍋爐燃燒采用先進(jìn)的燃燒技術(shù)，把生物質(zhì)鍋爐燃燒采用先

18、進(jìn)的燃燒技術(shù)，把生物質(zhì)作為鍋爐的燃料燃燒，以提高生物質(zhì)的利用效作為鍋爐的燃料燃燒，以提高生物質(zhì)的利用效率，適用于相對集中、大規(guī)模地利用生物質(zhì)資率，適用于相對集中、大規(guī)模地利用生物質(zhì)資源。源。 生物質(zhì)燃料鍋爐的種類很多，按照鍋爐燃生物質(zhì)燃料鍋爐的種類很多，按照鍋爐燃用生物質(zhì)品種的不同可分為：木材爐、薪柴爐、用生物質(zhì)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(zhì)直接燃燒技術(shù)生物質(zhì)直接燃燒技術(shù) 鍋爐燃燒鍋爐燃燒生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)與煤的

19、聯(lián)合燃燒：生物質(zhì)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(zhì)的揮發(fā)分初析溫度遠(yuǎn)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寐士梢蕴岣呙旱睦寐噬镔|(zhì)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(zhì)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(jìn)作用。生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)生物質(zhì)氣化技術(shù)氣化技術(shù)生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)氣化生物質(zhì)氣化 將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為CHCH4 4、COCO、H H2 2等可燃?xì)怏w等可燃?xì)怏w 基本原理基本原理是在不完全燃燒條件

20、下，將生物質(zhì)原料加熱，使較高分子的有機(jī)碳?xì)浠衔锪呀獬奢^低分子量的高品位可燃?xì)怏w。 根據(jù)氣化機(jī)理可分為熱解氣化和反應(yīng)性氣化, 其中后者又可根據(jù)氣化劑的不同分為空氣氣化、水蒸氣氣化、氧氣氣化、氫氣氣化及其這些氣體的混合物的氣化。 根據(jù)采用的氣化反應(yīng)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(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)氣化反應(yīng)器生物質(zhì)氣化反應(yīng)器生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)的反應(yīng)性氣化生物質(zhì)的反應(yīng)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(zhì)量的氣化產(chǎn)品氣，v 低熱值(Low CV)：46MJ/Nm3 使用空氣v 中熱值(Medium CV)121

21、8MJ/Nm3使用氧氣或水蒸汽v 高熱值(High CV ) 40MJ/Nm3 使用氫氣生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)的空氣氣化生物質(zhì)的空氣氣化氣化反應(yīng)過程原理圖v 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?zé)峤鈿怏w產(chǎn)物和焦炭與氧氣發(fā)生燃燒反應(yīng)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(yīng)，生成含有COCO、H H2 2、CHCH4 4、CmHnCmHn、COCO2 2等。生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化

22、生物質(zhì)氣化的基本熱化學(xué)反應(yīng)生物質(zhì)氣化的基本熱化學(xué)反應(yīng)C + O2 CO2 408.86 KJ/mol C + 1/2 O2 CO 123 .45 KJ/molCO + O2 1/2CO2 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(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)氣化過程中焦油的生成生物質(zhì)氣化過程中焦油的生成當(dāng)生物質(zhì)被加熱到250 C以上時(shí)，纖維素、木質(zhì)素、半纖維素等成分發(fā)生熱分解，生成焦炭、木醋酸、焦油、

23、氣體等。焦油的成分十分復(fù)雜，大部分是苯的衍生物。溫度為500 C時(shí)焦油的產(chǎn)量最高，隨著溫度的升高和停留時(shí)間的增加，焦油的含量會(huì)明顯地減少。 在600 C以上時(shí)，焦油以氣體的形式存在于熱解氣中，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(chǎn)生碳黑等顆粒，對燃?xì)饫迷O(shè)備等損害嚴(yán)重生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)氣化過程中焦油的再裂解生物質(zhì)氣化過程中焦油的再裂解改進(jìn)型氣化爐的結(jié)構(gòu)示意圖 通過改變爐內(nèi)結(jié)構(gòu)，使氣化區(qū)和還原區(qū)的反應(yīng)溫度提高；增加還原區(qū)的高度，從而增加了焦油在爐內(nèi)所經(jīng)過的高溫區(qū)的停留時(shí)間，使焦油裂解充分，燃?xì)鉄嶂堤岣?，焦油含量降低。CmHn +mH 2O mCO + (m

24、+n/2)H2CmHn +mCO2 2mCO + n/2H2生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化焦油的催化裂解焦油的催化裂解 在焦油轉(zhuǎn)化過程中,催化劑不僅起凈化作用還起到調(diào)整燃?xì)獬煞值淖饔?。?dāng)燃?xì)鈴臍饣癄t出來經(jīng)過催化劑時(shí),焦油中的碳?xì)浠衔锉阍诖呋瘎┍砻媾c水蒸氣或二氧化碳反應(yīng)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(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化焦油裂解效率焦油裂解效率溫度對裂解效率的影響 straw husk wood thermal cracking 近來多采用鎳基催化劑，其在近來多采用鎳基

25、催化劑，其在750 750 C接觸時(shí)接觸時(shí)間為間為1秒的條件下可達(dá)到秒的條件下可達(dá)到97的轉(zhuǎn)化率的轉(zhuǎn)化率生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)燃?xì)獾膬艋镔|(zhì)燃?xì)獾膬艋瘽袷絻艋鹘Y(jié)構(gòu)原理圖干式凈化干式凈化v利用旋風(fēng)除塵器和擴(kuò)散除塵器進(jìn)行兩級(jí)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(shè)備復(fù)雜，運(yùn)行費(fèi)用高生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)氣化發(fā)電生物質(zhì)氣化發(fā)電Carbona, Inc.Orinda, CA2-5 MW生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)生物質(zhì)熱解技術(shù)熱解技術(shù)生物質(zhì)能源生

26、物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)的熱解原理生物質(zhì)的熱解原理 生物質(zhì)在基本無氧的環(huán)境中受熱分生物質(zhì)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(yù)熱解階段預(yù)熱解階段v在150300C左右，物料化學(xué)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(zhì)。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(zhì)。此階段放熱。 燃燒階段燃燒階段vC-H、C-O鍵進(jìn)一步裂解，排出殘留在木炭中的揮發(fā)分。 生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生

27、物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化Lynn 裂解制油示意圖裂解制油示意圖生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)快速熱解：生物質(zhì)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(diǎn)：工藝特點(diǎn)：物質(zhì)原料的粒度非常小，物質(zhì)原料的粒度非常小，快速加熱；快速加熱；準(zhǔn)確控溫在準(zhǔn)確控溫在500500左右；左右；熱解產(chǎn)生的蒸汽迅速冷卻熱解產(chǎn)生的蒸汽迅速冷卻以生產(chǎn)生物油產(chǎn)品以生產(chǎn)生物油產(chǎn)品生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)熱裂解產(chǎn)物生物質(zhì)熱裂解產(chǎn)物不同溫度下生物質(zhì)稻殼粉熱解產(chǎn)物的分布不同溫度下生物質(zhì)稻殼粉熱解產(chǎn)物的分布600 熱解熱解1 min 時(shí)熱解氣的組成時(shí)熱解

28、氣的組成生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)生物質(zhì)熱解油熱解油生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)液化生物質(zhì)液化生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)直接液化生物質(zhì)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(chǎn)品需經(jīng)過精制加工后方可使用生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化 呈棕褐色，內(nèi)含刺激性揮發(fā)分（如丙酮等），呈棕褐色，內(nèi)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(dāng)溫度較高時(shí)，其分子（弱酸性）；當(dāng)溫度較高時(shí)，其分子容易發(fā)生聚合反應(yīng)，故不宜進(jìn)行蒸餾處理。容易發(fā)生聚合反應(yīng)，

29、故不宜進(jìn)行蒸餾處理。生物質(zhì)原油生物質(zhì)原油生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化Catalytic Conversion of Biomass to Targeted Liquid-Fuels based on the integration of several flow reactors operated in a cascade modeScience Vol 322, 2008, P417生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化Direct Catalytic Conversion of Cellulose into Ethylene Glycol UsingNickel-Promoted

30、 Tungsten Carbide CatalystsAngew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 8510 8513生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)間接液化生物質(zhì)間接液化生物質(zhì)生物質(zhì)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(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)定向氣化生物質(zhì)定向氣化 以生產(chǎn)合成氣為目的的生物質(zhì)定向氣化，與以生產(chǎn)合成氣為目的的生物質(zhì)定向氣化，與以生產(chǎn)燃?xì)鉃槟康牡某Ｒ?guī)氣化有著本質(zhì)區(qū)別：它以生產(chǎn)燃?xì)鉃槟康牡某Ｒ?guī)氣化有著本質(zhì)區(qū)別：它不是以熱值為追求目標(biāo)，而是要使木質(zhì)纖維素盡不是以熱值為追求目標(biāo)

31、，而是要使木質(zhì)纖維素盡可能多地轉(zhuǎn)化為富含可能多地轉(zhuǎn)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?xì)浠衔镆M可能少，以減其中的無用氣體和碳?xì)浠衔镆M可能少，以減輕后續(xù)重整變換的難度。輕后續(xù)重整變換的難度。生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)定向氣化的措施實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)定向氣化的措施提高氣化反應(yīng)溫度提高氣化反應(yīng)溫度v 氣化反應(yīng)溫度是影響氣化產(chǎn)物的一個(gè)最主要因素，溫度越氣化反應(yīng)溫度是影響氣化產(chǎn)物的一個(gè)最主要因素，溫度越高，所產(chǎn)氣體中的高，所產(chǎn)氣體中的H H2 2、COCO和和COCO2 2越多越多 CHCH4 4等碳?xì)錃怏w越少。等碳?xì)錃怏w越少。純氧和水蒸氣復(fù)合并用純

32、氧和水蒸氣復(fù)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(shí)，還可以有效地提高氣化反應(yīng)區(qū)的溫度，從而為加注的同時(shí)，還可以有效地提高氣化反應(yīng)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(yīng)生成水蒸氣既可以直接與炙熱的炭反應(yīng)生成H H2 2和和CO CO ，又可以與，又可以與碳?xì)浠衔锇l(fā)生水蒸氣變換反應(yīng)，生成對合成甲醇有用的氣碳?xì)浠衔锇l(fā)生水蒸氣變換反應(yīng)，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(yīng)物的滯留時(shí)間延長反應(yīng)

33、物的滯留時(shí)間v氣化反應(yīng)實(shí)際是由生物質(zhì)的熱解反應(yīng)和熱解產(chǎn)物的裂解反應(yīng)氣化反應(yīng)實(shí)際是由生物質(zhì)的熱解反應(yīng)和熱解產(chǎn)物的裂解反應(yīng)所組成的，但無論是哪種反應(yīng)，在一定條件下，反應(yīng)物的滯所組成的，但無論是哪種反應(yīng)，在一定條件下，反應(yīng)物的滯留時(shí)間越長，反應(yīng)就越充分，生成物也就越多。留時(shí)間越長，反應(yīng)就越充分，生成物也就越多。生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化氣體重整變換氣體重整變換1- 陶瓷過濾膜；2- 重整反應(yīng)床；3- 旋風(fēng)分離器；4- 變換反應(yīng)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(jí)粉塵進(jìn)阻止氣體中的微米級(jí)粉塵進(jìn)入后續(xù)工藝入后續(xù)工藝氣體重整氣體重整v

34、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(shí)現(xiàn)三者之，以實(shí)現(xiàn)三者之間的比例要求間的比例要求生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)生物質(zhì)制氫技術(shù)制氫技術(shù)生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物

35、質(zhì)直接制氫生物質(zhì)直接制氫氣化制氫氣化制氫光合微生物光解制氫光合微生物光解制氫柱孢魚腥藻和其他有異形胞的藍(lán)藻的氫光解形成生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化間接催化制氫間接催化制氫生物質(zhì)物理法、化學(xué)法、物理法、化學(xué)法、生物法生物法低碳醇、酸，高碳醇COX、H2CO2、H2O光合作用光合作用水汽重整水汽重整部分氧化部分氧化氧化氧化生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化甲醇催化轉(zhuǎn)化制氫甲醇催化轉(zhuǎn)化制氫CH3OH + H2O3 H2 + CO2 Endothermic Relatively slowCH3OH 3 H2 + COCH3OH + 1/2 O22 H2 + CO2生物質(zhì)能源生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化乙醇催化轉(zhuǎn)化制氫乙醇催化轉(zhuǎn)化制氫C2H5OH + 3H2O6 H2 + 2CO2C2H5OH + 1.5 O2 3 H2 + 2CO2C2H5OH + 1.8 H2O +