新能源與可再生能源-生物質能示范課

第三節(jié)生物質能

biomassenergy

ForestWoodResiduesAgriculturalResiduesEnergyCropsEnergywoodsWaste基本概念生物質——通過光合作用而直接或間接形成的多個有機體，涉及全部的動物、植物和微生物等等。生物質能（biomassenergy）——就是太陽能以化學能形式貯存在生物質中的能量形式，即以生物質為載體的能量。是唯一一種可再生的碳源。是太陽能的一種體現(xiàn)形式。生物質能資源生物質能來源于生物質。生物質是有機物中除礦物燃料外的全部來源于動物、植物的能再生的物質。世界上生物質能資源種類繁多，重要有：（1）農作物和農業(yè)有機殘存物；（2）林木和森林工業(yè)殘存物；（3）動物的排泄物；（4）江河和湖泊的沉積物；（5）農副產品加工后的有機廢物和廢水；（6）都市生活有機廢水及垃圾。另外，藻類、水生植物和能進行光合作用的微生物等也是能夠開發(fā)運用的生物質能資源。Biomass:生物質能概述Biologicalmaterialderivedfromliving,orrecentlylivingorganisms.Inthecontextofbiomassforenergythisisoftenusedtomeanplantbasedmaterial,butbiomasscanequallyapplytobothanimalandvegetablederivedmaterial.木材，雜草，藻類;能源植物;有機廢棄物;多個農、林廢棄物：農作物桿、稻草、谷殼等Biomassvs.fossilfuels生物質能概述Thevitaldifferencebetweenbiomassandfossilfuels:timescaleontheformationandusage；BiomassmaintainsaclosedcarboncyclewithnonetincreaseinatmosphericCO2levelsWhatisbiomassenergy?生物質能概述生物質能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起來的能量。通過光合作用，植物每年轉化約2000億噸的C02中的碳為碳水化合物，并存儲了3ⅹ1013GJ的太陽能，相稱于現(xiàn)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----->有機體+氧

太陽能

internalleafstructurechloroplastsoutermembraneinnermembrane光合作用生物質能概述光合作用的總過程光化學反映電子傳遞↓↓太陽光能------→電能-------→活躍化學能（同化力）·h·eATP，NADPH2（光反映）↓CO2＋H2O-----→穩(wěn)定化學能C6H12O6（暗反映，酶促反映）↓↓↓生物質：n(C6H12O6)光合效率

生物質能概述光合作用過程中，每分解一種水分子，釋放一種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。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（CH2O），其能量運用率分別為26％和16％。白光涉及從380～720納米的多個波長的光量子，其能量運用率約為20％。這是葉綠素所吸取的光量子的理論最高能量運用率。田間作物植被在光合層建成后的最佳期間，日光能的運用率可達3～4％，整個植物生長季的光能運用率約為1～2％，全球表面平均則為0.1％，能源植物——以提供能源為目的的植物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)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，產生靠近石油成分的燃料。生物質的元素構成生物質能概述生物質的物質構成生物質能概述纖維素，半纖維素，木質素，水分，揮發(fā)分，灰分，類脂物，蛋白質，單糖、淀粉，等等45%5%25%25%LigninOtherCellulose(Chainsofglucosesugar)Hemicellulose(Chainsofxyloseandarabinoseinhardwoods;

mannoseandxyloseinsoftwoods)(Youngcleancoal)生物質重要成分的物質構造生物質能概述Lignin:15-25%（由苯基丙烷構造單元通過碳-碳鍵和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β-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連接而成的聚合物）生物質能源、資源的特點生物質能概述揮發(fā)組分高，易燃，燃燒相對充足；生物質的大部分揮發(fā)組分可在400C左右釋放出，而煤在800C才釋放出30％左右的揮發(fā)組分；燃燒過程污染相對低生物質灰分含量低于煤，氮、硫含量普通低于煤；容易氣化儲量大、分布廣泛、易于獲得地球上每年生物質能總量約1400-1800億噸(干重），相稱于現(xiàn)在每年總能耗的十倍屬于可再生能源生物質能量密度低，燃料熱值低生物質能轉換技術（1）直接燃燒（2）生物轉換技術（3）化學轉換技術催化轉化、氣化法、熱分解法和溶劑提取法生物質（有機物質）+O2CO2+H2O+熱量直接燃燒生物質（有機物質）+CO2微生物發(fā)酵（厭氧）微生物發(fā)酵液體燃料（乙醇）氣體燃料（沼氣）生物質燃燒可能涉及的過程生物質直接燃燒生物質中水的蒸發(fā)過程；即使通過數年干燥的木材,其細胞構造中仍含有15%～20%的水;(2)揮發(fā)分（低分子量物質）的釋放、燃燒；(3)纖維素與半纖維素等受熱分解、氣化、燃燒；(4)過渡階段：木質素高溫炭化、著火。(4)固定碳的燃燒：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。生物質燃燒生物質燃燒模式固體燃料轉化燃燒途徑及對應的DTG曲線模式I,O———分別在惰性和氧氣氛圍下生物質燃燒模式不同的生物質的燃燒模式不同生物質燃燒動力學---轉化率---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)固定碳的燃燒

C+O2=CO2

＋408.86KJ/mol

C+1/2O2=CO

＋123

.45KJ/mol2CO+O2=CO2

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

C+2H2O+76kJ/mol→CO2+H2

C+2H2→CH4+75kJ/mol空氣供應量生物質燃燒單位質量燃料的理論需要空氣量:V0

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

）m3/kg燃料空氣過量系數常見生物質燃料的理論需要空氣量為:4~5m3/kg燃料生物煉制——工業(yè)生物催化技術

生物質生物質能生物煉制

生物煉制就是以可再生的生物質資源為原料，對原料進行生物轉化和

化學品合成，生產生物能源和生物基產品的綜合技術過程。其中重要涉及生物工程、化學工程、酶工程、分離工程及過程控制工程等。分類①木質纖維素生物煉制；②全作物生物煉制；“三化”③綠色生物煉制；去除，精制和分離為兩部分重要產品⑴生物質化學品，如：乙烯、乙醇、丙烯酸、琥珀酸⑵生物質材料，如：尼龍工程塑料⑶生物質資源，如：沼氣、燃料乙醇、生物柴油⑷生物可再生原料的修飾，如：大豆蛋白改性纖維熱化學轉化與運用技術技術WoodAgriculturalwasteOrganicwasteThermo-chemicalConversionprocess

DirectcombustionBiomassfeedstockGasification

Pyrolysis

MethanolProductionHeatSteamElectricity

ProducerGas(LowormediumBtu)Syntheticfueloil,CharcoalMethanolTECHNOLOGIESENDUSESENERGYorPRODUCT生物質氣化——將生物質轉化為CH4、CO、H2等可燃氣體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端可燃氣體。根據氣化機理可分為熱解氣化和反映性氣化,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、氧氣氣化、氫氣氣化及其這些氣體的混合物的氣化。根據采用的氣化反映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氣化反映器生物質的反映性氣化在氣化過程中使用不同的氣化劑,能夠得到三種不同質量的氣化產品氣，低熱值(LowCV)：4～6MJ/Nm3使用空氣中熱值(MediumCV)12～18MJ/Nm3使用氧氣或水蒸汽高熱值(HighCV)40MJ/Nm3使用氫氣生物質的空氣氣化氣化反映過程原理圖干燥區(qū)（100～250oC）水分蒸發(fā)熱解區(qū)（250oC以上）生成固體焦炭、氣體揮發(fā)分、焦油、木醋酸和熱解水等氧化區(qū)（1000oC以上）高溫熱解氣體產物和焦炭與氧氣發(fā)生燃燒反映還原區(qū)（700～900oC）氧化區(qū)所生成的高溫氣體與高溫炭層發(fā)生非均相的還原反映，生成含有CO、H2、CH4、CmHn、CO2等。生物質氣化的基本熱化學反映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生物質氣化過程中焦油的生成當生物質被加熱到250oC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500oC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600oC以上時，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，容易產生碳黑等顆粒，對燃氣運用設備等損害嚴重生物質氣化過程中焦油的再裂解改善型氣化爐的構造示意圖通過變化爐內構造，使氣化區(qū)和還原區(qū)的反映溫度提高；增加還原區(qū)的高度，從而增加了焦油在爐內所通過的高溫區(qū)的停留時間，使焦油裂解充足，燃氣熱值提高，焦油含量減少。CmHn+mH2O

→mCO+(m+n/2)H2CmHn+mCO2→2mCO+n/2H2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節(jié)燃氣成分的作用。當燃氣從氣化爐出來通過催化劑時,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映生成一氧化碳和氫氣焦油裂解催化劑Dolomite：白云石；

Limestone：石灰石；Alumina：礬土；焦油裂解效率溫度對裂解效率的影響

straw□husk▲wood○thermalcracking近來多采用鎳基催化劑，其在750oC接觸時間為1秒的條件下可達成97％的轉化率生物質燃氣的凈化濕式凈化器構造原理圖干式凈化運用旋風除塵器和擴散除塵器進行兩級凈化，而后再運用冷凝器將氣體冷卻；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效果較好，但設備復雜，運行費用高生物質氣化發(fā)電Carbona,Inc.Orinda,CA2-5MW生物質的熱解原理

——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干燥階段在150oC左右，蒸出物料中的水分。預熱解階段在150－300oC左右，物料化學構成開始發(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。固體分解階段在300－600oC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C-H、C-O鍵進一步裂解，排出殘留在木炭中的揮發(fā)分。Lynn裂解制油示意圖生物質快速熱解：隔絕空氣快速加熱，將原料直接裂解為粗油。工藝特點：物質原料的粒度非常小，快速加熱；精確控溫在500℃左右；熱解產生的蒸汽快速冷卻以生產生物油產品生物質熱裂解產物

不同溫度下生物質稻殼粉熱解產物的分布生物質熱解油生物質直接液化與熱解液化相比，直接液化條件相對柔和。和熱解油同樣，直接液化產品需通過精制加工后方可使用呈棕褐色，內含刺激性揮發(fā)分（如丙酮等），pH值約為2-4（弱酸性）；當溫度較高時，其分子容易發(fā)生聚合反映，故不適宜進行蒸餾解決。生物質原油生物質間接液化生物質合成氣液體燃料定向氣化凈化甲醇柴油二甲醚分離提純生物質直接制氫氣化制氫光合微生物光解制氫柱孢魚腥藻和其它有異形胞的藍藻的氫光解形成間接催化制氫生物質物理法、化學法、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電池間接微生物燃料電池直接微生物燃料電池

沼氣能源的運用重要在中國農村地區(qū)。在占中國人口80％的農村，人們生活重要以秸稈和薪柴為燃料。1998年全國農村居民總能耗為365Mtce,其中56.7％（365Mtce）來自于稻草、秸稈和薪柴。發(fā)展中國農村沼氣運用技術能夠滿足居民生活和工業(yè)生產的能源需要。因此，作為一項優(yōu)先發(fā)展的技術，沼氣運用能夠協(xié)助農村人口擺脫貧困，增加收益。沼氣是有機物在厭氧條件下經微生物的發(fā)酵作用而生成的一種可燃性氣體，其重要成分是甲烷和二氧化碳。沼氣發(fā)酵廣泛存在于自然界，如湖泊或沼澤中經常能夠看到有氣泡從污泥中冒出，將這些氣體收集起來便能夠點燃，因此人們叫它沼氣，沼氣發(fā)酵是有機物在厭氧條件下被微生物分解的過程，地球上由于光合作用生成的有機物每年大概有4000億噸，其中大概有5%在厭氧條件下被微生物分解掉。人們運用這一自然規(guī)律進行沼氣發(fā)酵（又稱厭氧消化），即可生產沼氣用作能源，又可解決有機廢物以保護環(huán)境，經沼氣發(fā)酵后的沼渣、沼液又是優(yōu)質的有機肥料。因此沼氣發(fā)酵是綜合運用有機廢物，保護生態(tài)環(huán)境，增進農業(yè)生產可持續(xù)發(fā)展的重要方法之一。沼氣燃燒后