生物能源复习题.doc

一、名词解释1、生物质：指经过生物体生命活动所形成、具有一定能量、养分、机械强度或生理活性功能的所有有机物质。生物质能：是蕴藏在生物质中的能量，是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内部的能量。煤、石油和天然气等化石能源也是由生物质能转变而来的。2、能源植物 ：是指那些利用光能效率高、可合成类似石油或柴油成分的植物以及富含油脂或者碳水化合物或者产氢的植物。3、沼气：沼气是各种有机物质在一定的温度、水分、酸碱度和隔绝空气的条件下，经过厌氧细菌的发酵作用而产生的一种以甲烷为主要成分的可以燃烧的混合性气体。4、生物柴油：指以各种油脂(包括植物油、动物油脂、废餐饮油等)为原料，经一系列加工处理过程而生产出的以各种脂肪酸甲酯或脂肪酸乙酯混合在一起的一种液体燃料。5、燃料乙醇：一般是指体积浓度达到99.5%以上的无水乙醇。燃料乙醇是燃烧清洁的高辛烷值燃料，是可再生能源。主要是以甜高粱加工而成。6、生物质发电 ：利用生物质资源进行的发电。一般分直接燃烧发电和气化发电两种类型，主要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、沼气发电7、动力黏度：面积各为1m2并相距1m的两层流体，以1m/s的速度作相对运动时所产生的内摩擦力。8、生物质直燃发电：由生物质 锅炉利用生物质直接燃烧的热能产生蒸汽，再利用蒸汽推动汽轮机等发电系统进行发电的一种技术。9、生物质热裂解：（又称热解、裂解）指在隔绝空气或通入少量空气的条件下，利用热能切断生物质大分子中的化学键，使之转变成低分子物质的过程。10、气化强度：指单位时间内，气化炉单位横截面积上气化原料的质量（kg/m2。h），表示气化炉生产能力的强弱。气化效率：指生物质气化后生成气体的总热量与气化原料的总热量之比。它是衡量气化过程的主要指标。11、运动黏度：指某流体的动力黏度与该流体在同一温度和压力下的密度之比，用小写字母v表示。12、闪点和燃点：油品在规定条件下加热到它的蒸气与火焰接触发生闪火或闪燃时的最低温度称为闪点，而油品在规定条件下加热到能被接触到的火焰点着并燃烧且不少于5s是的最低温度称为燃点。13、倾点与凝点：倾点是指油品在规定的实验条件下，被冷却的试样能够流动的最低温度，凝点是指油品在规定的试验条件下，被冷却的试样油面不再移动时的最高温度。14、冷滤点是指在规定条件下，试样通过滤器每分钟不足20ml时的最高温度，即流动点使用的最低环境温度。15、挥发性固体，是指原料总固体中国除去灰分后剩下的物质，测定方法为将原料总固体样品在550度温度下灼烧，其减轻的重量就是该样品的挥发性固体量。总固体又称干物质，是指发酵原料除去水分后剩下的物质，测定方法为把样品放在105度的烘干箱中烘干至恒重，此时物质的重量就是该样品的总固体重量。16、同型乙酸菌又称耗氢产乙酸细菌是一类既能自养又能异养的混合营养性细菌，既能利用CO2和H2产生乙酸，又能代谢糖类产生乙酸。17、淀粉糊化：淀粉在高温下溶胀、分裂而形成均匀糊状溶液的特性称为淀粉的糊化。淀粉液化：淀粉在热水中糊化形成高粘度凝胶，如继续加热或受到淀粉酶的水解，使淀粉长链断裂成短链状，粘度迅速降低的过程。18、生物质热裂解液化指将生物质经高温加热分解为挥发性气体，再迅速淬冷以获得液体燃料为目的的一种生物质能转化技术。19、结晶度：指结晶区占纤维素整体的百分率，它反映纤维素聚集时形成结晶的程度。20、可及度：指利用某些能进入纤维素物料的无定形区而不能进入结晶区的化学试剂，测定这些试剂可以到达并起反应的部分占全体的百分率。二、简答题1、影响热裂解的因素：1）热裂解的最终温度：生物质热裂解终产物中气、油、碳各占比例的多数，随着温度的高低和加热速度的快慢有很大的差异，一般来说低温、长滞留期的慢速热裂解主要是用于最大限度地增加碳的产量，中等反应速率三者的产率大致相等，而闪速热裂解主要是增加生物油的产率；2）加热速度；3）压力和气相滞留期；4）原料的形态和含水率；5）生物质材料的影响；6）催化剂。2、生物质压缩成型的主要影响因素有：原料种类、含水率、粒度、成型压力、压缩成型模具的形状尺寸及加热温度等。这些影响因素在不同的压缩成型条件下的表现形式也不尽相同。1）原料种类，不同种类的原料，其压缩成型的特性有很大差异。原料的种类不但影响成型的质量，如成型块的密度、强度、热值等，而且影响成型机的产量及动力消耗；2）成型压力是生物质原料压缩成型最基本的条件，只有施加足够的压力，原料才能被压缩成型；3）原料粉碎粒度，原料的粒径大小也影响压缩成型的效果，不同的压缩方式对粒径大小的要求也不尽相同；4）原料含水率，含水率过高，在成型过程中易气化形成高压蒸汽，造成成型的生物质棒断裂或产生爆鸣，含水率过低则难以成型，不同的原料及压缩方式，成型的适宜含水率也有所不同；5）加热温度，生物质原料压缩成型过程中的加热，一方面可以使原料中含有的木质素软化，起到黏结剂的作用，另一方面还可使原料本身变软增强物料的可塑性和流动性，易于压缩成型。3、乙醇发酵的类型：在不同的条件下，酵母菌利用葡萄糖发酵乙醇主要有3种类型。酵母一型发酵：在乙醇发酵生产条件下，酵母菌将葡萄糖经糖酵解途径产生的2分子丙酮酸脱羧为乙醛，最终产物为2分子的乙醇和2分子二氧化碳。酵母二型发酵：发酵环境中存在亚硫酸钠时，生成的乙醛则与亚硫酸钠反应生成磺化羟基乙醛，最终生成甘油和乙醇。酵母三型发酵：在弱碱性条件下，乙醛不能获得足够的氢进行还原反应而积累，2分子乙醛间会发生歧化反应，即1分子乙醛作为氧化剂被还原成乙醇，而另1分子乙醛作为还原剂被氧化成乙酸，最终产物为乙醇、乙酸和甘油。4、生物质燃料特性有哪些？5、生物质气化的原理：生物质气化是生物质热化学转换的一种技术，基本原理是在不完全燃烧条件下，将生物质原料加热，使较高分子质量的有机碳氢化合物链裂解，变成较低分子质量的CO、H2、CH4等可燃性气体，在转换过程中需要加入气化剂如空气、氧气、水蒸气、氢气等，其产品主要是可燃性气体与氮气等的混合气体，称为生物质燃气。6、生物质热裂解液化技术工艺流程干燥：为了避免原料中过多的水分被带到生物油中，有必要对原料进行干燥。一般要求物料含水率在10%以下。粉碎：为了提高生物油产率，必须有很高的加热速率，故要求物料有足够小的粒度。不同的反应器对生物质粒径的要求也不同，旋转锥所需生物质粒径小于200m；流化床要小于2mm；传输床或循环流化床要小于6mm；烧蚀床由于热量传递机理不同可以采用树木碎片。热裂解：热裂解液化技术的关键在于要有很高的加热速率和热传递速率、严格控制温度以及热裂解挥发分的快速冷却。只有满足这样的要求，才能最大限度地提高产物中油的比例。在目前已开发的多种类型反应工艺中，还没有最好的工艺类型。炭和灰的分离：几乎所有的生物质中的灰都留在了产物炭中，所以炭分离的同时也分离了灰。但是，炭从生物油中的分离较困难，而且炭的分离并不是在所有生物油的应用中都是必要的。因为炭会在二次裂解中起催化作用，并且在液体生物油中产生不稳定因素，所以，对于要求较高的生物油生产工艺，快速彻底地将炭和灰从生物油中分离是必须的。气态生物油的冷却与收集：热裂解挥发分由产生到冷凝阶段的时间及温度影响着液体产物的质量及组成，热裂解挥发分的停留时间越长，二次裂解生成不可冷凝气体的可能性越大，为了保证油产率，需快速冷却挥发产物。7、影响酯交换反应的主要因素 反应温度：存在一个最佳的反应温度：60-80范围内，反应产率随温度的升高而呈现先升高后降低的趋势；反应温度超过70后，由于超过了甲醇的沸点，导致产率下降。醇油比：理论醇油比为3:1；过量的醇可以推动反应向正方向移动，从而提高酯交换反应的转化率；甲醇与植物油的物质的量比为6:1时，生物柴油的产率最高，可达到85%。催化剂：NaOH是最有效的碱性催化剂；其浓度在0.5-1.0%之间时，随其浓度的增高，生物柴油的产率明显提高。搅拌速度：酯交换属于传质控制反应，而甲醇和甘油三酯形成一个两相分层液体系统，增加搅拌速度，可加强系统中的传质作用，提高产率。反应时间：醇油比为6:1、反应温度为60、 NaOH为催化剂时，反应刚开始阶段，随着时间的延长，产率明显上升；反应时间超过20min后，产率有所下降；而后随着时间延长，产率趋于一个稳定值。反应物纯度：粗植物油只有65-84%的转化率；提纯后油脂转化率可达到94-97%；粗油脂中的游离脂肪酸可降低催化剂的转化效率。8、沼气产生中的厌氧微生物及其作用A、不产甲烷菌及其作用：发酵性细菌分泌胞外酶将有机物分解成可溶性的糖、氨基酸和脂肪后，经发酵作用将其转化成乙酸、丙酸、丁酸脂肪酸和醇类，同时产生一定量的H2和CO2。以纤维素为例，反应过程如下：（C6H10O5）n+ nH2O (C6H12O6)n VFA + CO2 + H2CH4产氢产乙酸细菌将乙酸、甲酸和甲醇外的其他有机酸分解转化成乙酸、H2和CO2。其种类主要有：脱硫弧菌、普通脱硫弧菌、沃尔夫互营单胞菌、沃林互营杆菌等。耗氢产乙酸细菌也称同型乙酸菌，是一类既能自养又能异养的混合营养性细菌，既能利用CO2和H2产生乙酸，又能代谢糖类产生乙酸。其种类主要有：伍迪乙酸梭菌、乙酸梭菌、威林格乙酸梭菌、威林格乙酸杆菌等。B、产甲烷菌：产甲烷菌是一类形态多样、口癖特殊细胞成分，可以代谢CO2和H2及少数几种简单有机物的严格厌氧古菌，包括食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌。产甲烷菌属于古细菌，其细胞成分与真细菌不同，具有多种类群。9、在沼气发酵过程中，产甲烷菌与不产甲烷细菌相互依赖，在互为对方创造良好的环境和条件的同时又互相制约，共同构成了厌氧生物处理系统的平衡状态。不产甲烷细菌为产甲烷细菌提供生长繁殖的底物；不产甲烷细菌为产甲烷细菌创造适宜的氧化还原电位；不产甲烷细菌为产甲烷细菌清除有毒物质；产甲烷细菌为不产甲烷细菌的生化反应解除了反馈抑制；两种共同维持环境中的适宜PH。10、产甲烷菌的特性有哪些？生长于严格的厌氧环境，产甲烷菌都是专性严格厌氧菌，对氧非常敏感，遇氧后生长繁殖立即受到抑制，有的还会死亡。营养特性。产甲烷菌只能利用简单的碳素化合物，如氢气、二氧化碳、甲醇、甲酸、乙酸等，均能利用氨态氮为氮源，但是对氨基酸的利用能力差，另外产甲烷菌的生长还需要某些维生素和微量元素。偏中性的PH环境。大多产甲烷菌比较适合于中性环境中生长，过高或过低都会抑制器生长繁殖。生长繁殖缓慢。产甲烷菌生长很缓慢，即便在人工培育下也需要经过十几天或几十天才能长成菌落，其世代时间也较长，需要几天或几十天才能繁殖一代。11、简述沼气发酵的基本原理。答：在沼气发酵过程中，主要有：“发酵性细菌、产氢产乙酸菌、耗氧产乙酸菌、食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌”等五大菌群参与活动。.发酵性细菌：一些不溶性物质被发酵性细菌所分泌的胞外酶水解为可溶性的糖、肽、氨基酸和脂酸，再将吸入细胞，发酵为乙酸、丙酸、丁 酸等和醇类及一定量的H2及CO2以纤维素为例，反应过程如下： （C6H10O5）+ nH2O n(C6H12O6)C6H12O6 CH3COOH + CH3CH2COOH + CH3CH2CH2COOH +3CO2 +3H2.产氢产乙酸菌：除甲酸、乙酸和甲醇外的物质均不能被产甲烷菌所利用，所以必须由产氢产乙酸菌将其分解转化为乙酸、氢和二氧化碳反应过程如下：CH3CH2COOH + 2H2O CH3COOH + CO2 + 3H2 CH3CH2CH2COOH + 2H2O 2CH3COOH + 2H2.耗氢产乙酸菌：它们既能利用H2+ CO2 生成乙酸，也能代谢糖类生成乙酸。 2CO2 + 4H2 CH3COOH + 2H2O C6H12O6 3CH3COOH .产甲烷菌（食氢、食乙酸）：它们在厌氧条件下将前三群细菌代谢的终产物，在没有外源受氢体的情况下，把乙酸和H2/CO2转化成CH4/ CO2。产甲烷菌广泛存在于水底沉积物和动物消化道等极端厌氧的环境中。生成CH4的主要反应如下： CH3COOHCH4 + CO2 4H2 + CO2CH4 + 2H2O 4HCOOHCH4 +3CO2 + 2H2O 4CH3OH 3CH4+ CO2 + 2H2O12、生物质能源植物的特征：具有较强的抗逆性，能适应条件较差的边际性土地；有较高的生物量产出和较好的原料加工品质；有较广的地域适应性；有较高的可获得性和可持续供应性；有经济上的可行性；与传统农产品在市场供应方面有较强协调性，不争粮、油、糖。13、根据气化剂的不同可将气化工艺分为哪几种？其燃气热值如何？1）空气气化：该工艺产生的燃气热值一般为5MJ/m3，属于低热值燃气；2）氧气气化：该工艺产生的燃气热值增加至15 MJ/m3，可与城镇供应的煤气相当，属于中热值燃气；3）水蒸气气化：其燃气热值也达到17-21 MJ/m3，属于中热值燃气；4）水蒸气和空气的混合气化：属于中热值燃气；5）氢气气化：该工艺产生的燃气热值可达22-26 MJ/m3，属于高热值燃气。14、光合制氢是指在一定的光照条件下利用光合细菌或微藻分解有机物质产生氢气，将太阳能转化成氢能。光合细菌作为光合制氢的理想菌种，其优点如下：容易培养并且可以多种有机废弃物为产氢原料，具有较高的理论转化率；可利用的太阳光谱范围较广，比蓝细菌和绿藻的吸收光谱范围更广泛，具有较高的光能转化率潜力；产氢需要克服的自由能较小，乙酸光合细菌产氢的自由能只有+8.5KJ/mol；终产物中氢气组成可达95%以上；产氢过程中不产生氧气，是一种具有发展潜力的生物制氢方法。15、三、论述题1、以三阶段理论为基础简述沼气发酵过程。（一）液化（水解）阶段 在沼气发酵中首先是发酵性细菌群利用它所分泌的胞外酶(淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶)等，对有机物进行体外酶解，也就是把畜禽粪便、作物秸秆、豆制品加工后的废水等大分子有机物分解成能溶于水的单糖、氨基酸、甘油和脂肪酸等小分子化合物。这个阶段叫液化阶段。 (二）产酸阶段 这个阶段是三个细菌群体的联合作用，先由发酵性细菌将液化阶段产生的小分子化合物吸收进细胞内，并将其分解为乙酸、丙酸、丁酸、氢和二氧化碳等，再由产氢产乙酸菌把发酵性细菌产生的丙酸、丁酸转化为产甲烷菌可利用的乙酸、氢和二氧化碳。另外还有耗氢产乙酸菌群，这种细菌群体利用氢和二氧化碳生成乙酸，还能代谢糖类产生乙酸，它们能转变多种有机物为乙酸。（三）产甲烷阶段 在此阶段中，产甲烷细菌群，可以分为为食氢产甲烷菌和食乙酸菌两大类群，已研究过的就有70多种产甲烷菌。它们利用以上不产甲烷的三种菌群所分解转化的甲酸、乙酸等简单有机物分解成甲烷和二氧化碳，其中二氧化碳在氢气的作用下还原成甲烷。这一阶段叫产甲烷阶段，或叫产气阶段。2、目前国内外研究机构主要从三个方面对生物质热裂解的机理进行了研究分析。1）从生物质组成成分分析：生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素三种主要组成物以及一些可溶于极性或弱极性溶剂的提取物组成。生物质的三种主要组成物常常被假设独立地进行热分解，半纤维素主要在225-350分解，纤维素主要在325-375分解，木质素在250-500分解。半纤维素和纤维素主要产生挥发性物质，而木质素主要分解为炭。2）从反应进程分析：脱水（室温-100）生物质物料中的水分子受热后首先蒸发汽化；挥发物质的分解析出（100-380）物料在缺氧条件下受热分解，随着温度升高，物料中的各种物质相应析出。物料虽然达到着火点，但由于缺氧而不燃烧，不能出现气相火焰；炭化（380）随着深层挥发物质向外层的扩散，最终形成生物质炭。3）从物质能量的传递分析：首先，热量传递到颗粒表面，并由表面传到颗粒的内部。热裂解过程由外至内逐层进行，生物质颗粒被加热的成分迅速分解成木炭和挥发分。在多孔生物质颗粒内部的挥发分将进一步裂解，形成不可冷凝气体和热稳定的二次生物油。其中，挥发分由可冷凝气体和不可冷凝气体组成，可冷凝气体经过快速冷凝得到生物油。一次裂解反应生成了生物质炭、一次生物油和不可冷凝气体。当挥发分气体离开生物颗粒时，还将穿越周围的气相组分，在这里进一步裂化分解，称为二次裂解反应。生物质热裂解过程最终形成生物油、不可冷凝气体和生物质炭。反应器内的温度越高且气态产物的停留时间越长，二次裂解反应则越严重。为了得到高产率的生物油，需快速去除一次热裂解产生的气态产物，以抑制二次裂解反应的发生。3、生物制氢的发展方向。四、填空题1、生物质压缩成型工艺主要有：湿压成型、热压成型和炭化成型，为了保证生物质成型块具有足够的强度和抗潮性，在其压缩成型工艺中常用的黏结剂有无机黏结剂、有机黏结剂、纤维素黏结剂。2、生物质燃料的燃烧过程有：预热阶段、干燥阶段、挥发分析出燃烧阶段和焦炭燃烧阶段，其中对于挥发分燃烧和焦炭燃烧，前者燃烧时间短，提供热量多，而后者燃烧时间长，提供热量少。3、按照燃烧方式的不同，生物质锅炉燃烧技术分为：固定床技术、流化床技术和悬浮燃烧技术。流化床技术室指生物质颗粒与空气在锅炉中以沸腾状态进行燃烧，根据其流化速度的不同可将其分为鼓泡流化床、循环流化床4、依据生物质在气化炉内所发生的不同热化学反应，生物质气化炉内大体可分为四个区域：氧化层、还原层、热分解层和干燥层。5、生物质热裂解是生物质在完全缺氧或有限氧供给的条件下热降解为液体生物油、 可燃气体和固体生物质炭三个组成部分的过程。生物质热裂解的分类：低温慢速热裂解(小于500)，产物以木炭为主；高温闪速热裂解(700-1100)，产物