生物质能及新材料知识分享

生物质能及新材料知识分享生物质能及新材料知识分享 第三章生物质能及材料什么是生物质能 生物质是指由光合作用而产 生的各种有机体 光合作用利用空气中的二氧化碳和土壤中的水 将吸收的太阳能转换为碳水化合物和氧气 xCO2 yH2O Cx H2O y xO2 定义1生物质能是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化 为化学能而储存在生物中的一种能量形式 定义2以生物质为载体 通过光合作用 将太阳能转化为化学能形 式 是一种唯一可再生的碳源 可转化常规的固态 液态和气态燃料 英文名称biomass energy bioenergy植物光合作用光合作用与呼吸作用的比较 光合作 用 呼吸作用 释放能量 储藏能量 吸收二氧化碳 释放氧气 吸收氧 气 释放二氧化碳 在有光的地方才能进行 有光 无光都能进行 有 叶绿体的细胞 所有生活细胞 合成有机物 分解有机物绿色植物制造 的有机物除了自己利用外 还有什么作用呢 绿色植物制造的有机 物还通过食物链 进入其他生物体内 参与构建其他生物体 并为 其他生物体的生命活动提供能量 生物生物质农业废弃物木材及森林工业废弃物禽畜粪便城镇生活垃 圾能源作物我国生物质能我国生物质能农作物秸秆薪柴禽畜粪便生 活垃圾工业有机废渣和废水目前利用未来能源农业能源林业占占50 以上我国生物质能我国生物质能农作物秸秆薪柴禽畜粪便生活垃圾 工业有机废渣和废水目前利用未来能源农业能源林业40 作为饲料 肥料和工业原料我国生物质能我国生物质能农作物秸秆薪柴禽畜粪 便生活垃圾工业有机废渣和废水目前利用未来能源农业能源林业60 可用于能源用途 约2 1亿吨标煤主要为燃料 40 的森林剩余物未 利用 约0 3亿吨标煤煤少部分作为肥料 大部分成为农村的主要污 染源 约0 6亿吨标煤煤我国生物质能我国生物质能农作物秸秆薪柴 禽畜粪便生活垃圾工业有机废渣和废水目前利用未来能源农业能源 林业60 可用于能源用途 约2 1亿吨标煤煤主要为燃料 40 的森林 剩余物未利用 约0 3亿吨标煤煤至少可以获得0 8亿吨标煤的能源 至少有80 约0 7亿吨标煤的资源量我国生物质能我国生物质能农作 物秸秆薪柴禽畜粪便生活垃圾工业有机废渣和废水目前利用未来能 源农业能源林业主要发展能源用途的甘蔗 甜高粱 木薯 芒草等 高能品种 通过转基因的方法可获得光合效率很高的能源作物品种 我国生物质能我国生物质能农作物秸秆薪柴禽畜粪便生活垃圾工业 有机废渣和废水目前利用未来能源农业能源林业可持续发展的问题 森工产业的关闭和天然林的停止采伐农业废弃物 主要包括农业生 产过程中的废弃物和农业加工业的废弃物 如农作物收获时残留在 农田内的农作物秸秆 农业生产过程中剩余的稻壳等 四大特点数量大 品质差 价格低 危害多 稻壳8稻米加工过程中数量最大的副产品 约占稻谷重量的20 以上 稻壳可燃物达70 以上 热值为12560 14650kJ kg 玉米芯8将玉米穗剥去玉米粒的轴穗 约占玉米穗重量 的75 85 我国玉米主要产区是辽宁 吉林 黑龙江 河北 山东和四川等地 平均热值为14400kJ kg 花生壳花生初加工的剩余物 不同种类 花生的花生壳含量是不同的 一般情况下占总重量的35 平均热值是19200kJ kg 甘蔗渣蔗糖加工业的主要废弃物之一 甘 蔗渣与蔗糖的比例为1 1 平均热值为8039kJ kg木材及森林工业废弃 物 森林生长和林业生产过程提供的生物质能源 主要包括薪材 在 森林抚育和间伐作业中的零散木材 残留的树枝 树叶和木屑等 木材采运和加工过程中的枝丫 锯末 木屑 梢头 板皮和截头等 林业副产品的废弃物 如果壳和果核等 禽畜粪便 规模化养殖通常指年存栏500头以上的养猪场 3万只以上 的养鸡场和100头以上的养牛场等达到规定规模的禽养殖场和养殖小 区 禽畜养殖业是人类动物蛋白 皮革 羽绒等禽畜产品的重要 随着需求的不断增大 传统的分户散养的方式逐渐转向专业化 规 模化和集约化的生产方式 禽畜粪便以及残杂等废弃物 开发和推广集约化养殖畜禽粪便的资 源化利用技术 通过收集 转化 干燥 粉碎 脱臭 包涂等工序 将之转变为工业规模的高效生物肥料 可有效减少环境污染 同 时提高相当数量的化肥 同时还可以缓解我国高效有机肥料供应不 足的矛盾 城镇生活垃圾9 主要由居民生活垃圾 商业 服务业垃圾和少量建 筑垃圾等废弃物所组成的混合物 成分比较复杂 其构成主要受居 民生活水平 能源结构 城市建设 绿化面积以及季节变化的影响 城镇生活垃圾 垃圾构成的特点一 垃圾中有机物含量接近1 3甚甚 至更高 二 食品类废弃物是有机物的主要组成部分 三 已降级 有机物含量高 生活污水主要有城镇居民生活 商业和服务业的各种排水组成 如 冷却水 洗浴排水 涮洗排水 洗衣排水 厨房排水等 工业有机废水主要是酒精 酿酒 制糖 食品 制药 造纸及屠宰 等行业生产过程中排出的废水 其中都富含有机物 能源作物 指以提供制取燃料原料或提供燃料油为目的的栽培植物总 称 能源作物作原料制取的燃料油有很多优点燃烧后比化石能源对环境 污染少 是一种低硫燃料 而且不增加二氧化碳排放量 比核能使 用安全 比风能 地热使用广泛 可进行降解等 因而被称为绿色能源 种类一 以制酒精为目的的一年生或多年生作物 如玉米 甘蔗 甜高粱 甘薯 木薯等 二是以生产燃料油 如生物柴油 烃类物 质 为目的的植物 如油菜 绿玉树等 三是用于直接燃烧的植物 比如专门提供薪材的薪炭林 四是可供厌氧发酵的藻类或其他植 物 培育方法除利用常规技术外 还应大力采用生物技术 生物技术栽培转基因因4能源作物是把作物作为生物反应器 充分利 用植物的生物合成能力 大规模生产廉价能源原料 薪炭林提高产量高而生产期短的生物质能源 是大多数发展中国家 的重要能源 也是我国森林发展的一个战略林种 发展薪炭林是改 变我国目前薪柴过量使用 满足农村能源需求的重要措施 并且对 保护其他林种 维护和改善生态环境和大气自然环境也有很大作用 生物质能的特点 生物质能具有许多优点 1 生物质资源的大量性和普遍性 转化方式多种多样每年植物光合 作用固定的碳2 1011t 含能量达3 1021J 相当于全世界每年耗 能量的10倍 2 生物质能是一种理想的可再生资源 3 生物质能是一种清洁的低碳燃料其含硫和含氮量都很低 同时灰 分含量也很小 4 生物质利用过程中二氧化碳零排放缺点 1 小规模 利用 2 植物仅能将极少量的太阳能转换成有机物 3 单位土地面积 的有机物能量偏低 生物质单位质量热值较低 4 缺乏适合栽种植物 的土地 5 有机物的水分偏多 影响了生物质的燃烧和热裂解特性 6 分布比较分散 收集运输和预处理成本较高生物质能开发利用的意 义 1 经济意义我国的生物资源非常丰富 我国生物质能资源潜力 折合7亿吨标煤左右 而目前年实际使用量为2 2亿吨标煤左右 2 生态环境意义生物质是一种清洁的低碳燃料 其含硫和含氮量 均较低 同时灰分份额也很小 还有二氧化碳零排放的特点 3 社会意义解决 三农 问题 保护环境与改善生态 缓解能源 瓶颈 发展循环经济 建设资源节约型和环境友好型社会 都需要 生物质能产业化发展 生物质能转化技术 物理转化 化学转化 生物转化 可以转化为二次 能源 分别为热能或电力 固体燃料 液体燃料和气体燃料等 生物质能转换技术生物质能转换技术燃烧干化学转换液化转换电力 高压蒸汽热裂解油 气 炭气化低低 中热值加氢气化甲烷 乙烷 炭化学降解油油酒精发酵乙醇厌氧消 化甲烷 三种方式 生物质直接燃烧 生物质和煤混合燃烧 生物质气 化燃烧干化学转换技术 生物质气化是通过化学方法将固体的生物质 能转换为气体燃料 基本原理是在不充分氧化 燃烧 的情况下 含碳物质与外部添加 的二氧化碳 水蒸气等发生反应产生CO和H2为主要成分的可燃气体 即煤气 裂解是在无氧或缺氧条件下 利用高温使生物质大分子中化学键发 生断裂 释放出有机挥发分的过程 产品半焦 生物油和燃气在不同的工艺条件下的收率和品质会发生 较大的变化 该项技术是当前世界生物质能研究开发的前沿技术 我国生物质能产业化发展方向 兆瓦级生物质气化发电 淀粉质原料 乙醇燃料生成 甜高粱及其秸秆制取乙醇熟料生物化学转化利用生生 物物质质的的利利用用生物化学转化技术沼气气5酒精热解气化沼气 有机物质 粪便 杂草 作物 秸秆 污泥 废水 垃圾等 在适 宜的温度 湿度 酸碱度和厌氧条件下经微生物分解发酵而生成的 一种可燃性气体 主要成分是甲烷 CH4 和二氧化碳 CO2 此外还有少量的氢 H2 氮 N2 一氧化碳 CO 硫化氢 H2S 和氨 NH3 等 通常情况下 甲烷含量50 70 二氧化碳30 40 其他气体很少 由于沼气是微生物消化分解生物有机质生成的 所以也称为生物气 甲烷是一种无色 无味 无毒的气体 比空气轻一半 是一种优质 燃料 一般沼气因为含有少量的硫化氢 在燃烧前带有臭鸡蛋味或烂蒜气 味 沼气燃烧时放出大量热量 因此具有很强的应用和发展前景 国际沼气发展现状国际沼气发展现状欧洲美国英国瑞典丹麦德国我 国沼气技术我国沼气技术两个趋势规模化和工业化方向发展农村能 源生态工程技术与模式发展生活型沼气生态工程模式环保型沼气生 态工程模式生产型沼气生态工程模式应用方面小型用户沼气大中型 沼气工程可供炊事和照明的燃料 可以提供高效有机肥处理工农业 高浓度有机废水 所产沼气供应附近居民 分撒处理城镇居民的生 活污水 处理后的排放水可达到地方标准 小型户用沼气小型户用沼气底层出料水压式沼气池曲流布料式沼气 池分离浮罩式沼气池强旋流液搅拌沼气池大中型工程大中型工程厌 氧接触发酵池厌氧生物滤池上流式厌氧污泥床中温目前国际上较先 进的装置酒精 学名乙醇 是有碳 氢 氧三元素组成的有机化合物 结构是C2H5OH 生产方法有化学合成法和生物发酵法 化学合成法产品含杂质较多 应用受到限制 生产上主要采用生物发酵法 制造酒精的原料可以是淀粉质原料 糖蜜原料 纤维原料和亚硫酸 造纸废液 乙醇发酵工艺有间歇发酵 半连续发酵和连续发酵 酒精是一种清洁能源 少量使用可代替四乙基铅和ETBE 乙基叔丁 基醚 做汽油的防爆剂 大量使用则可与汽油混合制造汽油醇做汽车燃料 可以减少对大气 的污染 还可增加汽油辛烷值 提高燃料利用率 生物化学转化利用生生物物质质的的利利用用生物化学转化技术沼 气酒精热解6气化热解 目前世界上生物质能研究开发的前沿技术之 一 该技术能以连续工艺和工厂化的生产方式将以木屑等废弃物为主的 生物质转化为高品位的易储存 易运输 能量密度高且使用方便的 代用液体燃料 生物油 不仅可以直接用于现有锅炉和燃气透平 等设备的燃烧 而且可通过进一步改性加工使液体的品质接近柴油 或汽油等常规动力燃料的品质 还可从中提取具有商业价值的化工 产品 相比于常规的化石燃料 生物油含硫 氮等有害成分及其微小 可 视为绿色燃料 什么是热解 通常是指在无氧环境下 生物质被加热升温引起分子 分解产生焦炭 可冷凝液体和气体产物的过程 根据反应温度和加热速率的不同 可分为慢速 常规 快速或闪速 几种 慢速工艺具有几千年的历史 是一种以生产木炭为目的的炭化过程 低温和长期的慢速裂解可以得到30 的焦炭产量 低于600 的 中低温度及中等反应速率 0 1 1 s 的常规热裂解可制成相同比例的气体 液体和固体产品 快 速热裂解大致在10 200 s的升温速率 小于5s的气相停留时间 闪速热裂解的反应条 件更为严格 气相停留时间小于1s 很多把闪速也归到快速里面 气化 生物质气化是以生物质为原料 以氧气 空气 富氧或纯氧 水蒸气或氢气等作为气化剂 或称气化介质 在高温条件下通 过热化学反应将生物质中可燃的部分转化为可燃气的过程 产生的气体 主要有效成分为CO H2和CH4等 成为生物质燃气 燃烧是气化的基础 气化是部分燃烧或缺氧燃烧 气化反应气化反应氧化层还原层裂解层干燥层为下面的反应提供热 源没有氧气存在总称为气化区 是气化反应的主反应区该区温度在4 00 600 主要产物是炭 挥发分气体 焦油和水蒸气出口温度在10 0 300 使原料中的水分蒸发 吸收热量燃料准备区气化技术气化 技术气化剂分类类不使用气化介质使用气化介质干馏气化氧气气化 空气气化 水蒸气气化 水蒸气 氧气混合气化 氢气气化设备运行方式固定床流化床旋转床生物质 气化应用生物质气化应用供气系统供电系统 生物质气化供气技术气 化炉产出的生物质燃气 通过相应的配套装备 完全为居民集中供 应炊事用气或单独供气的技术 1994年第一次在山东省桓台县潘村建成集中供气系统 生物质气化应用生物质气化应用供气系统供电系统生物质家用燃气 集中供气系统户用生物质气化炉灶技术内燃机气化发电系统燃气轮 机气化发电系统整体气化联合循环整体气化热空气循环 集中供气系 统以自然村为单元 系统规模为数十户至数百户 设置气化站 敷 设管网 输送和分配生物质燃气到用户的家中 目前已成功气化玉米芯 玉米秸 棉柴和麦秸 户用生物质气化炉灶技术适合在发展中国家为农户提供炊事燃气 系统产气过程物料加入气化炉燃烧室 历经受热干燥 干馏 氧化 燃烧生热 还原产气 CO H 2 CH4 可燃气高温层热解 可燃气次