（环境科学专业论文）微流注放电玉米秸秆水解制备糖类化合物.pdf

lilrt l ll r ll l r l li ll llll 17 9 8 3 2 4 m e t h o do f h y d r o l y z i n gc o r ns t a l ki n t os u g a r sw i t h m i c r o - - s t r e a md i s c h a r g ep l a s m a d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h e d e g r e eo f d o c t o ro fe n g i n e e r i n g b y s o n gc h u n l i a n ( e n v i r o n m e n t a ls c i e n c e ) d i s s e r t a t i o ns u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h a n gz h i t a o m a r c h2 0 1 0 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士学位论文 = = 邀逋洼丝鱼玉苤整扛丕鲤鱼鱼蕉粪丝金塑：。除论文中 已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开 发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“”) 论文作者签师签名： 幻，。年厂月矽日 ，。k e j 创新点摘要 创新点摘要 木质纤维素原料是地球上丰富的可再生资源，其转化制取乙醇、醛、有机酸、 酯等有机化工原料中间体糖类化合物，是目前生物质资源研究领域的热点和 前沿课题，是随着能源危机日益严重，人们开始寻找的替代能源。但是传统的制 各方法是以淀粉等粮食作物和仅纤维素含量较高的棉纤维、木材纤维等为原料， 通过化学法或生物学方法水解，因存在“与人争粮，与粮争地 以及环境污染等 原因致使传统的制备技术没有可持续的发展空间。本文进行了玉米秸秆在微流注 放电等离子体条件下水解反应的研究，主要创新点如下： 1 发明了一种玉米秸秆在微流注放电条件下水解制备单糖类化合物的方法。 通过实验研究发现，在微流注放电条件下，木质纤维素被水解为单糖、二糖等化 合物，玉米秸秆粉不需要常规酸水解法、酶水解法等所必须的预处理，不使用酸、 碱等强腐蚀性化学物质及其有害辐射源，反应过程无污染，对人体无伤害，对设 备无腐蚀，整个工艺过程及其产物对环境友好。该方法不同于传统的木质纤维素 水解的化学和生物学方法，同时将等离子体化学反应由传统的气态反应模式扩充 到了固态反应模式，为废弃的木质纤维素资源化利用提供了一个新视角。 2 阐释了玉米秸秆在微流注放电条件下水解制备糖类化合物的机理。在介质 阻挡强电离放电条件下，产生微流注放电，放电产生的活性粒子首先作用于表层 秸秆，在电场力作用下深入到秸秆粉里层，秸秆处于类似流化床反应器中的物料 状态，使固态物料颗粒被等离子体环绕，扩大等离子体与物料的接触面积，从而 高效率地破坏秸秆结晶区结构和氢键，断裂糖苷键，结合由h 2 0 在等离子体作用 下产生的1 4 + 、o h 形成单糖等产物，此过程也是一个由高聚物到低聚物转化过程。 放电过程中在秸秆粉层表面产生h + 鞘层，阐述了其在等离子体条件下水解木质纤 维素中的作用，可将h + 鞘层应用于酸催化类化学反应中，以减少酸污染。 3 初步建立了秸秆在微流注放电等离子体中水解反应的动力学模型，计算了 秸秆的标准摩尔生成焓，并用其分析了温度对秸秆在微流注放电条件下水解反应 糖产率的影响。计算了秸秆在微流注放电条件下水解反应的热效应。 中文摘要 摘要 传统的木质纤维素水解制备糖类化合物技术存在很多问题，其中比较大的问题是 严重环境污染和设备腐蚀，为此人们一直在这一领域寻找新方法。等离子体技术是一 项高新技术，将该技术应用于玉米秸秆水解制备单糖类化合物具有很多优势。本文就 等离子体水解玉米秸秆制备单糖类化合物的重要科学问题进行了研究。主要内容如下： 1 研究了玉米秸秆在微流注放电等离子体条件下水解制备糖类化合物的方法。对 玉米秸秆及其主要组分的模型化合物水解产物进行了分析表征，结果表明，玉米秸秆 粉料无需常规复杂的预处理和添加助剂，在无氧化、无燃烧的情况下，可一步水解为 糖产物，秸秆中的纤维素和半纤维素是糖产物的贡献者，木质素在实验条件下，无糖 产物产生。研究结果显示了常常被用作废料的秸秆粉在无酸碱、无高温高压、无需复 杂预处理的条件下转化成糖的可能性。 2 确定了适合秸秆在微流注放电等离子体条件下水解反应的工艺条件。研究结果 表明：糖产物的生成与水分子有关，但是水蒸汽不能单独作为放电气体。随着电场强 度、功率密度、电源频率、放电时间等增加糖产率增加，放电间隙对糖产率的影响比 较复杂。最佳工艺条件：平均粒径为0 2 m m 的秸秆粉，在激励电压5 o l ，放电时间 1 2 0 m i n ，放电间隙1 6 6 m m ，常压、1 0 0 0 c 饱和水蒸汽流量o 1 l m i n ，气压9 0 k p a ，n 2 流量0 5 l r a i n ，温度9 0 0 c ，电源频率1 0 3 0 k h z ，糖产率可达5 1 2 1 。 3 研究了微流注放电条件下玉米秸秆等离子体水解反应区温度分布以及秸秆水 解反应热效应。结果表明，放电间隙内秸秆等离子体反应区域纵向温度呈高斯分布， 在等离子体形成过程中秸秆等离子体反应区域内温度升高过程与撤销激励电压后秸秆 等离子体反应区域内温度降低过程中，纵向和横向温度具有相同的变化趋势。秸秆水 解反应为放热反应，反应热为5 8 2 6 x1 0 3j g 。 4 阐明了微流注放电条件下玉米秸秆水解机理，初步分析了动力学过程。结果表 明，秸秆粉在电场力作用下，悬浮于空间，有利予放电产生的活性粒子与秸秆粉的作 用，进而破坏秸秆结晶区结构和氢键，使糖苷键断裂，结合由h 2 0 在等离子体作用下 产生的矿、o h 形成单糖等产物，此过程是一个由高聚物到低聚物转化过程。 关键词：等离子体；水解；玉米秸秆；糖 英文摘要 _ 一 a b s t r a c t 砀饿a r em a n ys h o r t a g e si nt h eh y d r o l y s i st e c h n o l o g yo fc o n v e n t i o n a lp r o d u c i n gs u g a r w i t l ll i g n o c e l l u l o s e t h em a i ns h o r t a g e sa r ee n v i r o n m e n tp o l l u s i o na n de q u i p m e n t e r o d i b i l i t y ， a n dt h e s em a k ep e o p l et oh a v et ol o o kf o ra n e wm e t h o d p l a s m at e c h n o l o g y ，ah i g h - t e c h , h a s m a n ya d v a n t a g e si fa p p l i e di nt h eh y d r o l y s i so fc o r ns t a l kt op r e p a r es i n g l e c a r b o h y d r a t e c o m p o u n di sas p e c i f i ca p p l i c a t i o no ft h i st e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r ，t h ei m p o r t a n ts c i e n t i f i c p r o b l e m sa r es t u d i e di n t h ep r o c e s so ft h eh y d r o l y s i so fc o r ns t a l ku s i n gp l a s m af o rt h e p r e p a r a t i o no fs i n g l e c a r b o h y d r a t ec o m p o u n d s ，m a i n l yi n c l u d i n g t h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 t h ea p p r o a c ho fh y d r o l y s i so fc o r ns t a l ki ss t u d i e dt op r 印a r ec a r b o h y d r a t eu n d e r t h e c o n d i t i o no fm i c r o s t r e a md i s c h a r g ep l a s m a h y d r o l y s i sp r o d u c t so ft o m s t a l ka n di t sm a i n c o m p o n e n t s m o d e lc o m p o u n d so f c e l l u l o s e ，h e m i c e l l u l o s ea n dl i g n i nu n d e rt h ec o n d i t i o n so f p l a s m aw e r ec h a r a c t e r i z e da n da n a l y z e d t h er e s u l ts h o w st h a tt h e c o i t is t a l kp o w d e rc a nb e 鼬e rh y d r o l y z e dt os u g a rp r o d u c t si nt h ea b s e n c eo fo x i d a t i o na n dn o n - b u r n i n gc a s ea n d ， a d v o i d i n gt h ec o n v e n t i o n a l l yc o m p l i c a t e dp r e - p r o c e s s i n ga n d a d d i t i v e sa d d i n g c e l l u l o s ea n d h e m i c e l l u l o s ei nt h ec o r ns t a l ka r et h em a j o rc o n t r i b u t o r st op r o d u c es u g a rp r o d u c t s l i g n i n c a n ，tp r o d u c et h es u g a rp r o d u c t si nt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s t h er e s u l ts h o w e st h a tt h e 刚kp o w d e rw h i c hh a so f t e nb e e nr e u s e da s w a s t ec a nb ep o s s i b l yc h a n g e di n t os u g a r p r o d u c t se v e ni nt h ea b s e n c eo fa c i da n da l k a l i ，n od e m a n df o rh i g ht e m p e r a t u r e a n dh i g h p r e s s u r ea n dw i t h o u tt h ec o m p l e xp r e 。p r e p a r a t i o n 2 t h eh y d r o l y s i sr e a c t i o np r o c e s si sp r o v e ds u i t a b l et ot h ec o r ns t a l ku n d e rt h ec o n d i t i o no f m i c r o s t r e 锄d i s c h a r g ep l a s m a t h er e s u l ts h o w s t h a tt h ef o r m a t i o no fs u g a rp r o d u c t sr e l a t e d 谢mt l l ew a t e rm o l e c u l e s ，b u tw a t e rv a p o rc a nn o ts t a n da l o n ea sad i s c h a r g eg a s w i t ht h e i n c r e a s eo fe l e c t r i cf i e l ds t r e n g t h ，p o w e rd e n s i t y ，p o w e rf r e q u e n c ya n dd i s c h a r g et i m e ，s u g a r v i e l di n c r e a s e d t h ed i s c h a r g e i n t e r v a lf r e q u e n c y si n f l u e n c eo ns u g a ry i e l d i sm o r e c o m p l i c a t e d e x p e r i m e n t sd e t e r m i n et h eo p t i m u mp r o c e s sc o n d i t i o n s u n d e r t h e s ec o n d i t i o n s ： s t a l kp o w d e r sa v e r a g ep a r t i c l es i z ei s0 2 m m ；t h ee x c i t a t i o nv o l t a g ei s5 0 k v ；d i s c h a r g et i m e i s12 0 m i n ：d i s c h a r g ei n t e r v a li s1 6 6 m m ；s a t u r a t e dw a t e rv a p o rf l o wr a t ei s0 1l m i nu n d e r n o r m a lp r e s s u r ca i l d10 0 。c ；p r e s s u r ei s9 0 k p a ；n 2f l o wr a t ei s0 5 l r a i n ；t e m p e r a t u r e i s9 0 。c a n dt h ep o w e rf r e q u e n c yi s10 3 0 k h z , t h es u g a ry i e l do fs t a l kh y d r o l y s i sc a n r e a c h51 21 3 u n d e rt h em i c r o s t r e a md i s c h a r g ep l a s m ac o n d i t i o n ，t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n i n h y d r o l y s i sp l a s m ar e a c t i o nz o n ea n dt h e t h e r m a le f f e c to fc o r ns t a l k sh y d r o l y s i sa r es t u d l e d 英文摘要 t h er e s u l ts h o w st h a td u r i n gt h ed i s c h a r g ei n t e r v a lw i t h i nt h es t a l kr e a c t i o nz o n e ，t h e a r c t e m p e r a t u r ep r e s e n t s g a u s s i a np r o f i l e i nt h ec o u r s eo fp l a s m af o r m a t i o n , t h ea r c t e m p e r a t u r ea n dt h en o r m a lt e m p e r a t u r es h o wt h es a m et r e n d si nt h et e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g a n dd r o p o i n gp r o c e s s e sa f t e rc e a s i n gt h ee x c i t a t i o nv o l t a g ei nt h es t a l kr e a c t i o nz o n e t h r o u g h t h et e m p e r t u r eo fe l e c t r o d eo fw i t ha n dw i t h o u tc o r ns t a l kt h er e a c t i o nh e a te f f e c ta r et e s t e d , t h a ti s5 8 2 6 x1 0 3j go f e x o t h e m i cr e a c t i o n 4 h y d r o l y s i sm e c h a n i s mo fc o ms t a l ku n d e rt h ec o n d i t i o n so fm i c r o s t r e a md i s c h a r g e p l a s m ah a v eb e e nc l a r i f i e d ，a n dap r e l i m i n a r ya n a l y s i so fi t sd y n a m i cp r o c e s s t h er e s u l t s h o w st h a tu n d e rt h ei n f l u e n c eo ft h ee l e c t r i cf i e l df o r c e ，c o r n s t a l ki ss u s p e n d e di nt h er o o m ，i t h a sa d v a n t a g et ot h ea c t i o no ft h er e a c t i v ep a r t i c l e st h a tg e n e r a t i n gi nt h ed i s c h a r g ea n d c o r n s t a l kp o w d e r f u r t h e rm o r e ，s t a l kc r y s t a l l i n e s t r u c t u r ea n dt h eh y d r o g e nb o n d sa l e d e s t r u c t e dt ob r e a kg l y c o s i d i cb o n d s c o m b i n e dw i t h a n do h - p r o d u c e db yh 2 0u n d e rt h e a c t i o no fp l a s m ai sc o n d u c i v et ot h ef o r m a t i o no fs i m p l es u g a r sa n do t h e rp r o d u c t s 。t h i s p r o c e s si sa l lt r a n s f o r m a t i o np r o c e s sf r o m t h eo l i g o m e rt ot h eh i g h e rc r y s t a l l i n i t y k e yw o r d s ：p l a s m a ；h y d r o l y s i s ；g o r ns t a l k s ；s u g a r l l f l j ，1 目录 目录 第l 章绪论l 1 1 生物质开发利用的资源环境效益1 1 1 1 生物质资源储量丰富1 1 1 2 生物质资源开发利用的意义2 1 2 生物质秸秆资源化利用现状5 1 2 1 国内外秸秆资源综合利用现状5 1 2 2 秸秆资源利用中存在的问题8 1 3 秸秆制备糖类化合物。1 l 1 3 1 秸秆制备糖类化学物技术1 1 1 3 2 秸秆制备糖类化合物技术的价值1 2 1 3 3 秸秆制备糖类化合物技术研究进展l3 1 4 微流注放电玉米秸秆水解制备糖类化合物1 6 1 4 1 非平衡等离子体概述1 7 1 。4 2 高气压非平衡等离子体产生方法1 7 1 4 3 非平衡等离子体化学反应机理l8 1 4 4 等离子体化学反应的应用2 0 1 4 5 微流注放电制备糖类化合物研究方案2 1 1 5 主要研究内容2 2 第2 章秸秆的结构、性质与水解控制要素分析一2 4 2 1 引言2 4 2 2 木质纤维素的结构2 4 2 2 1 纤维素的结构与性质2 4 2 2 2 半纤维素的结构与性质2 8 2 2 3 木质素的结构与性质3l 2 3 木质纤维素水解控制要素3 3 2 3 1 木质素的阻碍3 3 2 3 2 纤维素结晶结构3 3 2 3 3 分子氢键3 4 2 4 破解木质纤维素水解控制要素的方法3 4 2 5 小结3 6 第3 章微流注放电玉米秸秆水解制糖实验装置设计3 8 目录 3 1 引言3 8 3 2 微流注放电产生方法3 8 3 2 1 流注的概念3 8 3 2 2 多重微流注的产生方法4 1 3 3 微流注放电秸秆水解实验系统设计4 7 3 3 1 设计原则4 7 3 3 2 微流注放电秸秆水解实验系统与工艺4 9 3 3 3 微流注放电反应器性能5 6 3 3 4 实验系统操作方法与实验参量5 8 3 4d 、结6 0 第4 章微流注放电玉米秸秆水解制糖实验研究6 2 4 1 引言6 2 4 2 实验原料的选择6 2 4 2 1 原料来源与加工6 2 4 2 2 秸秆水分含量测定6 3 4 2 3 秸秆灰分的测定6 3 4 2 4 秸秆化学组成分析6 3 4 2 5 秸秆的元素分析6 3 4 2 6 秸秆原料测试结果。6 4 4 3 微流注放电玉米秸秆水解反应液相产物分析6 7 4 3 1 实验原料6 7 4 3 2 实验方法及产物收集6 7 4 3 3 产物分析测试色谱条件6 7 4 3 4 标准溶液配制6 8 4 3 5 产物的分析与表征6 8 4 3 6 液相糖产物产率7 l 4 4 微流注放电对玉米秸秆水解的影响7 2 4 4 1n 2 h 2 0 媒质气体的作用和影响一7 2 4 4 2 微流注放电的影响7 8 4 5 小结8 5 第5 章微流注放电玉米秸秆水解中的热效应8 7 5 1 引言8 7 5 2 微流注放电等离子体反应区域温度场测试8 7 目录 5 2 1 测试方法8 7 5 2 2 结果与讨论8 8 5 3 微流注放电玉米秸秆水解反应热效应测试9 1 5 3 1 实验方法9 l 5 3 2 主要仪器与设备9 5 5 3 3 结果与讨论9 5 5 4 、结1 0 3 第6 章微流注放电玉米秸秆水解制糖机理探索10 4 6 1 引言10 4 6 2 模型化合物的选取一1 0 4 6 3 模型化合物微流注放电水解实验1 0 5 6 3 1 实验原料1 0 6 6 3 2 模型化合物水解反应1 0 6 6 4 模型化合物微流注放电水解制糖的可能途径10 9 6 4 1 水解反应机理1 0 9 6 4 2 水解基元步骤1 l o 6 4 3 活化能估算11 2 6 4 4 秸秆水解基元步骤组合选择1 16 6 5 微流注放电秸秆水解机理分析1 18 6 5 1 水解反应初始阶段1 1 8 6 5 2 水解反应的主要阶段1 2 5 6 5 3 微流注放电玉米秸秆水解反应机理1 2 8 6 6 木质纤维素水解方法比较12 9 6 7 小结1 3 0 第7 章结论与展望1 3l 参考文献13 3 附录i ：粗灰分测定1 4 1 附录i i ：中性洗涤纤维烈d f ) 测定一1 4 2 附录i i i ：酸性洗涤纤维( a d f ) 测定1 4 4 附录：酸性洗涤木质素( a d l ) i 贝! j 定1 4 5 攻读学位期间发表的论文与科研情况1 4 7 致谢15 0 微流注放电玉米秸秆水解制备糖类化合物 第1 章绪论 1 1 生物质开发利用的资源环境效益 生物质资源一直是人类赖以生存的重要能源，仅次于煤炭、石油和天然气而居于世 界能源消费总量的第四位，在整个能源系统中占有重要地位。我国生物质资源十分丰富， 对其开发利用不但可以缓解能源危机，减少环境污染，而且可以大幅度改善我国能源结 构，对其开发应用具有非常重要的意义。 1 1 1 生物质资源储量丰富 一切有生命的可以生长的有机物质统称为生物质，它包括动物、植物和微生物1 1 4 】， 是一种可再生资源，在地球上广泛存在。生物质能源是指蕴藏在生物质中的能量，简称 生物质能。能够作为能源使用的生物质资源有很多种，可以分为植物和非植物两大类， 其中植物类主要包括农作物、森林、草类等陆生植物和藻类、水草等水生植物；而非植 物类主要有动物粪便、动物尸体、废水中的有机成分、农业和林业残剩物，食品加工和 林产品；b n - r 的下脚料，城市固体废弃物等。世界上生物质资源数量庞大，根据生物学家 估算，全球每年产生的生物质总量约为2 2 1 0 1 1 吨，相当于目前全球总能耗的1 0 倍【5 】， 每年产农作物秸秆约1 0 x1 0 1 1 吨。地球上植物生物质资源储量中陆生植物为1 8 3 7 1 0 1 2 吨，水生植物为3 9 5 1 0 9 吨，全球总计为1 8 4 1x1 0 1 2 吨。 我国可开发的生物质资源十分丰富【】，据测算，生物质资源量为每年5 0 亿吨，目 前可供开发利用的资源主要是农林产品加工废弃物、禽畜粪便、城市生活垃圾等。表1 1 列出了我国每年可开发的各种生物质资源总量。我国每年可开发利用的生物质资源达 1 3 0 8 亿吨，相当于6 5 7 亿吨标准煤，如果不考虑作为饲料和其它原料部分，可开发为 能源的生物质资源相当于4 亿吨标准煤，其中秸秆每年达7 亿吨，相当于3 5 亿吨标准 煤，是我国每年可开发的产量最大的生物质资源，如图1 1 所示。由此可以看出，农作 物秸秆在生物质资源中占5 3 。3 ，占有相当大的比例，具有十分重要的地位。近年来， 随着科学技术突飞猛进的发展，农村经济大幅度提高，致使我国农作物秸秆的产量逐年 递增，目前已达7 5 亿吨左右，农作物秸秆主要包括玉米、稻谷、小麦、油料、豆类、 第1 章绪论 薯类、棉花、麻类和糖类等作物秸秆【l o 】，其中玉米秸秆的产量最大，约占全部秸秆产量 的3 7 4 ，对其加以开发利用对于缓解能源危机、减少环境污染具有重要的意义。 表1 1 我国每年可开发的各种生物质资源总量 t a b l e1 1t o t a lo fb i o m a s si nc h i n aa n n u a l l y 2 薪柴 3 j 哆白 图1 1 我国四种主要的生物质资源比例 f i g 1 1r e s o u r c ep r o p o r t i o no fm a i nf o u rb i o m a s si nc h i n a 1 1 2 生物质资源开发利用的意义 一、替代化石资源，缓解能源危机 全球工业所用原料主要来自煤、石油、天然气等不可再生资源，目前探明储量十分 有限，如果按照现在消费水平计算全球烃类资源只能使用4 0 6 0 年l l l ，这是人类所面临 的巨大能源危机，已经受到世界各国的高度重视。解决这一问题的关键是寻找替代能源。 联合国开发计划署( u n d p ) 、世界能源委员会、美国能源部、联合国粮农组织都把生 物质能的开发利用当作发展可再生能源的首要选择1 12 1 。 从能源角度上看，生物质能来自于植物、动物以及它们加工过程中的剩余物和废弃 2 微流注放电玉米秸秆水解制备糖类化合物 物，从广义上讲是通过光合作用所形成的有机物，不需要经过漫长的地质年代，仅在人 类有限的生命过程中就可以循环形成。生物质的主要成分是c h 化合物，与经过上亿年 地质年代才能形成的常规矿物质能源，如石油、煤等是同源资源( 煤和石油都是天然生 物质原料在一定的气候环境下，经过长期物理化学变化形成的) ，而且元素组成相近， 可以作为能源物质替代化石资源，成为新的能源形式。随着化石资源的日渐枯竭，世界 各国也加紧了对可再生资源利用的开发与研究。欧美等发达国家已深入开展了生物质气 化和液化制取液体燃料方面的研究，我国于2 0 0 7 年6 月9 日的“中国生物燃料乙醇产 业化发展战略研讨会”上作了重要说明，国务院常务会议审议并通过了可再生能源中 长期发展规划。生物质资源可以替代化石资源，实现化工原料多样化的战略转移，缓 解能源危机，已成为未来化学工业的潜在发展方向。 二、提高环境效益，减少环境污染 化学工业也是全球性环境污染的主要根源，过量的酸、碱、c 0 2 等温室气体的排放， 造成水系污染和严重的温室效应，一半以上高分子材料废弃物需上百年才能完全分解， 分解过程中产生毒性剧大难以降解的二嗯英，全球性的环境污染已经危及到人类的生 存，对经济发展的破坏作用十分巨大，严重制约着世界各国，特别是发展中国家的可持 续发展叫。 从环境方面来看，首先，生物质利用过程中c 0 2 归零排放利于环境保护。化石原料 是通过燃烧和降解把原为地下的固定碳释放出来，以c 0 2 的形式在大气环境中积累，从 而造成温室效应。但是以自然界中的生物质绿色植物为能源的利用模式，实现了自然界 中的碳经过光合作用进入生物界，再通过燃烧、降解和动物的呼吸作用又回到自然界， 形成了一条碳的循环链，如图1 2 所示。因此作为两种能源形式的应用，生物质资源利 用不增加c 0 2 温室气体的排放。 其次，生物质是一种清洁可再生能源，对生态环境具有保护作用。化石原料在应用 过程中不但释放c 0 2 ，还排放s o 。、n o 。等污染物，而生物质资源的应用可以减少其排 放。例如每两吨秸秆的热值相当于一吨标准煤，而且其平均含硫量只有0 3 8 ，而煤的 平均含硫量约达1 ，秸秆中氮的平均含量为0 5 ，而煤的含氮量为0 6 2 。 第l 章绪论 压翮 1 一 图1 2 自然界碳循环 tabi2c a r b o nc y c l ei nn a t u r e 生物质资源开发利用的生态效果十分突出【14 1 ，它对改善大气酸雨环境，减轻温室效 应具有极大优势，有利于改善生态环境，对环境友好，不会改变自然界的生态平衡，有 利于人类的生存和长远发展，对保护环境具有重要的意义，可以大幅度提高人类生存环 境的质量。因此，这是发达国家最关心的问题，同时把生物质资源利用技术作为一种重 要的发展技术，已经引起世界各国的重视。进入9 0 年代后，随着人类对资源合理、高 效的开发利用成为人们争相研究和关注的热点，大力开发新的可再生资源，是中国乃至 世界各国在2 1 世纪保持可持续发展战略的前提条件【1 5 1 。 三、改善能源结构，实现能源永续 2 1 世纪我国正处在经济迅速发展时期，面临着经济增长和环境保护的双重压力，仅 从能源结构上看，开发利用生物质等可再生资源对改善能源结构，建立可持续的能源系 统，促进国民经济发展和环境保护具有重大意义。我国是能源消耗大户，但是目前能源 结构中主要以煤、石油等化石资源为主，结构单一，不合理。例如，2 0 0 4 年我国能源总 计消费水平在1 9 7 亿吨标煤，煤在能源消耗中占据很大的比例，占6 7 以上，其次是 石油和天然气，占2 5 左右，对于清洁能源，如核能、水能、风能等利用很少，对于可 再生的生物质资源利用则更少。在世界上，我国是第二大能源生产国，同时消费量也十 分庞大，也是世界上第二大c 0 2 排放国，仅次于美国，如果按照这样的能源结构继续发 展，到2 0 1 5 年我国碳排放量可能要超过美国，成为世界上最大的排放国。尤其对于我 国来说，属于农业大国，人口多，如果都趋向化石资源的利用，不仅我国的能源会十分 4 微流注放电玉米秸秆水解制备糖类化合物 紧张，内需成为严重的问题，同时，我国近9 亿人口生活在农村，随着农业的发展，产 生数量庞大的作物秸秆被大量闲置，势必要焚烧在田间地头，不但是资源的浪费，还会 产生大量的c 0 2 、c o 等温室气体，虽然我国作为发展中国家，现在不需要承担京都 协定书中c 0 2 减排的义务，但是作为一个快速发展的具有国际影响力的大国，在世界 发达国家中，按照这样的能源结构发展，我们将要承受世界性的、巨大的环境压力。因 此，对于我国的能源结构，必须尽快进行调整，同时提高能源的稳定性，实现我国能源 和环境的可持续发展。生物质能源是最为稳定的可再生能源，其组成与化石能源相似， 同时具有良好的经济性，特别适合于象我国这样的国家应用，虽然我们原有的利用水平 较差，但是我们有很大的发展潜力，必将成为将来部分替代能源中的主要能源之一。 总之，石油资源日趋紧张，环境问题日益凸显，同时可再生的生物质资源特别是农 作物秸秆资源丰富，从保护人类自然资源、生态环境出发，探索生物质资源的高效转化 途径，替代化石资源，不仅可以减少对化石资源的消耗与依赖，节省大量的地球资源以 备后代人发展使用，而且可以为我国农业开拓一个新的发展领域，创造一个新的发展局 面。同时，大量废弃的农林资源得到增值转化，大量作物秸秆得到高效利用，并且可以 减少污染物质的排放，降低农业废弃物对环境的污染。这对于合理利用资源、提高资源 的利用率甚至永续利用以及促进农业的可持续发展都具有重要的意义。 1 2 生物质秸秆资源化利用现状 1 2 1 国内外秸秆资源综合利用现状 如何利用农作物秸秆资源，既涉及到广大农村的千家万户，也涉及到整个农业生态 系统中土壤肥力、水土保持、环境安全以及可再生资源有效利用等可持续发展问题，近 年来已引起世界各国的普遍关注，并逐步成为发展可持续农业的重要方面。 国外对秸秆的应用具有很长的历史，应用技术在很多国家相当成熟，达到机械设备 配套齐全的现代化水平。目前对于秸秆的应用主要为加工粗饲料、直接作为燃料、可燃 液化物、气化物、颗粒燃料和秸秆还田等。 在加工粗饲料方面，西欧发达国家在作物收获后，采用捡拾打捆机，将秸秆捡拾、 打捆、注射氨、包装等工序直接完成饲料的氨化，置于田间地头，实现自然氨化。整个 第1 章绪论 饲料氨化过程完全是机械化操作，这些技术在一些国家得到推广，丹麦秸秆氨化率达 2 0 ，推动了养殖业的发展。直接作为燃料的应用，关键要提高秸秆直接燃烧的热效率， 美国研制了流化床燃烧器，提高了秸秆的燃烧效率，欧洲的一些国家燃烧秸秆和其它生 物质能的锅炉已经实现商品化，中小锅炉的热效率达到7 0 ，印度等发展中国家在农村 普遍推广节柴灶，热效率已达3 0 以上。在制取可燃液化物方面，主要利用秸秆作物制 取酒精或轻质燃油，德国研制的生物质液化装置，可以液化秸秆、木屑等，得到中质、 轻质燃油和酒精燃料，巴西在生产酒精方面的技术处于世界先进行列，北欧的瑞典、挪 威、芬兰等国家，由于造纸业比较发达，所以利用纸浆废液生产酒精比例很大。农作物 气化技术在国外日趋受到重视，加拿大利用秸秆、果壳及粮食加工下脚料为燃料，制取 煤气代替燃气，驱动内燃机发电，可节省5 0 的费用。国外的秸秆还田多数采用机械化 作业方式，在收获主产品的同时将秸秆切段，均匀地捕撒在田间，然后翻埋在土壤中增 加有机质含量。 我国属于农业大国，生物质资源的利用对于国民经济的发展十分重要，历