生物质组成、结构与性质.ppt

生物质组成 结构与性质 技术规划部 第一节生物质的物理性质 一切有生命的可以生长的有机物质统称为生物质 它包括植物 动物和微生物 生物质能源是指蕴藏在生物质中的能量能够作为能源使用的 大体可以分为植物和非植物两大类 其中植物类主要包括森林 农作物 草类 水草 藻类等 生物质的物理性质 一 生物质的密度生物质密度通常有三种表示方法 即堆密度 视密度和真密度 同一种生物质样 这三种密度的数值依次增大 堆密度是指单位体积 既包括颗粒问的孔隙 也包括颗粒内部的孔隙 生物质的质量 它反映了在自然堆职状态下单位体积生物质物料的质量 生物质的物理性质 视密度是指单位体积 不包括颗粒间的孔隙 但包括颗粒内的孔隙 生物质的质量 可用称重法测定 真密度是指单位体积 既不包括颗位间的孔隙 也不包括颗粒内部的孔隙生物质的质量 可用比重瓶法或其他置换方法测定 生物质的物理性质 生物质的物理性质 二 自然堆积角生物料自然堆积时会形成个锥体 锥体母线与底面的夹角叫做自然堆积角 自然堆积角能够反映物料的流动特性 流动性好的物料颗粒在很小的坡度就会滚落 只能形成很矮的锥体 自然堆积角较小 谷壳类物料的自然堆积角通常不超过45 在固定床热解炉中依靠重力能够顺畅地向下移动 当下部原料消耗以后 上部原料自然下落给以补充 形成充实而均匀的反应层 玉米秸秸即使扎成小段也能堆成垛 甚至自然堆积角能够超过90 而成为饨角 它们在热解炉中容易产生架桥 穿孔现象 反应层难以始终保持充实和均匀 生物质的物理性质 三 生物质的比表面积生物质是具有空隙结构的固体 用表面积和孔隙率等指标来表示 表面积有外表面积与内表面积之分 生物质的表面积大小般用比表面积来表示 单位质量的生物质颗粒所具有的表面积 孔隙率称气孔率 它是指孔隙体积 既包括颗粒间的孔隙 也包括颗粒内部的孔隙 与生物质的总体积之比 四 生物炭强度生物质物料加热后很快析出挥发分 剩余的为生物炭 本材和硬质秸秤等形成的木最机械强度较高 而多数秸杆的机械强度很低 在大量挥发分析出后容易在反应层中形成空洞 生物质的物理性质 五 生物质的比热容和导热系数生物质的比热不是恒定的 它随生物质种类 水分 灰分变化而变化 它与温度的变化关系大体如下 在O 与某温度之间比热随温度增加而增加 超过某温度比热则随温度增加而下降 生物质是不良热导体 所以在物质在热解反应炉中的升温速度很慢 第二节生物质组成和结构 为了有效的利用植物生物质同需要通过化学的和生物的方法将其转化为清洁燃料和各种化学产品 为此 必须了解生物质的基本组成 一般而言 木质纤维素一类的生物质主要有三种聚合体 纤维素 半纤维素和本质素以及少量的提取物组成 纤维素和半纤维素是由碳水化合物构成的 木质素 淀粉 植物油则是由碳水化合物通过一系列生物化学反应合成的 生物质组成和结构 几种生物质的组分生物质的基本组成物又都是由碳 氧 氧 所构成 生物质组成和结构 一 碳水化合物要了解植物生物质的结构 还得先从碳水化合物说起 碳水化合物一般分为三类 单糖 低聚糖和多糖 生物质组成和结构 二 纤维素高等植物的细胞壁一般都含有纤维素 如棉花含纤维素88 96 本材和蔗渣含纤维素约50 纤维素分子是重复单元 葡萄糖 简单均一的线型高聚物 纯纤维素是无色无昧的白色丝状物 不溶于水 稀酸 稀碱和有机溶剂 但可以酸水解降解 氧化降解 碱性降解 微生物降解 热降解和机械降解 纤维素的热解特性大体如下 25 50 物理吸附的水进行解吸 150 240 结构中某些葡萄糖基开始脱水 240 400 结构中糖苷键升始断裂 并产生一些新的产物和低分子挥发性化合物 400 以上时 结构中残余物进行芳环化 逐步形成石墨机构 生物质组成和结构 三 半纤维素半纤维素是植物生物质中重要组成部分 它是多种糖的共聚物的总称 根据聚合物主链的组成 通常将半纤维素大致分为聚木糖类半纤维素 聚甘露糖类半纤维素和其他类半纤维素三大类 半纤维素中绝大部分不溶于水 而可溶于水者也是呈胶体溶液 半纤维素的聚合度一般为150 200 通常情况下 分离出来的半纤维素的溶解度比天然状态的半纤维素的潜解度高 生物质组成和结构 四 木质素木质量是类复杂的有机聚合物 在植物界中的含量仅次于纤维素 禾本植物中木质素的含量一般为15 25 木本植物中木质素的含量一般为20 40 木质素的单体是一类具有苯丙胺骨架的多羟基化合物 单体间通过C C键或者C O键形成复杂的五定型高聚物 木质素在酸中十分稳定 据此可以将本质素和其他成分分开 分离后的本质为无定形的褐色物质 它在碱和氧化剂中的稳定性比纤维素稍差 木质素能溶于亚硫酸和硫酸中 木质素和半纤维素一起作为细胞间质填充在细胞壁和微细纤维之间 也存在于细胞间层 把相邻的细胞连接在起 发挥木质化的作用 木质化的细胞壁能够抵抗做生物的侵蚀 增加强度 井提高细胞壁的透水性 生物质组成和结构 第三节生物质元素分析 植物生物质主要由碳 氢 氧 氮 硫五个元素组成 其中木材主要由碳 氢 氧 氨四个元素组成 含量约为碳49 5 氢6 5 氧43 氮1 秸轩主要出碳 氢 氧 氮 硫五个元素组成 含量约为碳40 46 氢5 6 氧43 50 氮0 6 1 1 硫0 1 0 2 还有一些数量很少的元素如磷 钾等 生物质元素分析 碳是生物质的主要可燃成分 1kg碳完全燃烧可以释放出33858kJ的热量 碳元素的着火点很高 碳元章含量越高就越不容易着火 氢是生物质中含量仅次于碳的主要可燃成分 lkg氢完全燃烧可以释放出125400kJ的热量 氢在生物质中有两种存在 形式一种叫可燃氢 燃烧时能放出大量热能 另种称为化合氢 它与氧结合 不能燃烧放热 可燃氢含量远远低于碳含量 氮在氧燃烧反应生成氮氧化合物NO2或NO 但氮在较低温度 800 下与氧燃烧生成氮氧化合物的能力显著下降 生物质元素分析 硫是可燃成分之 但也是有害的成分lkg硫完全燃烧可释放9033kJ的热量 燃烧产物SOx 这些气体与烟气或大气中的水蒸气相遇化合成亚硫酸或硫酸 生物质中硫的存在形式可分为无机硫和有机硫两类 从燃烧角度也可将它们分为可燃硫 或称挥发硫 和固定硫 或称不可燃硫 两类 氧是不可燃成分 它与部分氢和碳相结合处于化合物状态 磷 钾虽然是可燃元素 但由于含量很少 在生物质燃烧和热解转化中起的作用不大 可忽略 生物质元素分析 生物质元素分析 第四节生物质工业分析 生物质的T业分析是生物质的水分 M 灰分 A 挥发分 V 和固定碳 FC 四个分析项日的总称 还包括对灰渣进行观事和灰熔点做出判断 生物质工业分析 生物质工业分析 一 水分生物质中的水分可以分为游离水和结晶水两大类 而游离水又分外在水分和内在水分 外在水分 又称为自由水分或表面水分 附着于生物质表面的水膜和存在于直径大于10 5cm的毛细孔中的水分 外在水分蒸汽压与纯水的蒸汽压相同 常温下易蒸发 蒸发速度与大气温度和湿度有关 内在在外这是指吸附或凝聚在生物质颗粒内部毛细孔 直径 10 5cm 中的水分 由于毛细孔的吸附作用 这部分水的是汽压低于纯水的蒸汽压 故较难蒸发去除 结晶水是生物质中矿物质所含的结晶水或化合水 所占的比例很少 与挥发分一同析出 计入挥发分中 生物质工业分析 二 灰分灰反分是生物质中所有可燃物质完全燃烧以及生物质中矿物质在定温度下产生分解 化合等复杂反应后剩下来的残渣 主要由CaO K2O Na2O MgO SiO2 Fe2O3 P2O5等组成 灰分尤其是其中的碱金属等矿物质对生物质热解转化有着不能忽略的影响 在热解过程中可以起到催化剂的作用 灰分的熔融性也即灰熔点 灰分在高温下变成熔融状态后粘结成难以清除的大渣块 一般生物质原料的灰熔点在900 1050 也有一些在850 以下 生物质工业分析 生物质工业分析 生物质工业分析 三 挥发分挥发分与水分小同 它不是生物质中的固有物质 而是在特定条件下热分解的产物 包括饱和的和未饱和的芳香族碳氧化合物和结晶水分解后蒸发的水蒸气等 不同生物质析出挥发分的数量变化范围较宽 析出挥发分后余下的同体残余物称为焦炭或半焦 四 固定碳生物质中的固定献是指从生物质中除去水分 灰分和挥定分后的残留物 固定碳也不是生物质中的固有成分 也是热分解产物 不仅包含碳 而且还包括氢 氧 氮 硫等其他元素 生物质工业分析 三 基准转换 成分分解图 生物质工业分析 生物质工业分析 生物质工业分析 第五节生物质的化学性质 生物质在加热过程中 它的组分变得不稳定并开始热解 对木材热解特性的研究发现 其组分在150 左右就开始有化学活性 半纤素的起始热解温度为150 350 纤维素为275 350 木质素为230 500 所以 一般认为木材的起始热解温度为250 左右 生物质的化学性质 一 纤维素的热解纤维素的一次热解有两条互相竞争的途径一是纤维素脱中生成炭 二氧化碳和水 二是纤维素破碎生成中间产物 主要是左旋葡聚糖 生物质的化学性质 二 半纤维素的热解半纤维素在生物质中的含量虽然比较少 但它在组分中的反应活性却最强 在150 350 的也围内热解过程发生得很迅速 半纤维素的热解机理与纤维素相似 中间产物由左旋葡聚糖变为呋喃衍生物 三 木质素的热解木质章的一次热解一般发生在热软化温度200 由其氢键断裂和芳香基失稳所引起 随着温度的升高木质素的降解受其结构的影响 首先形成高分子物质 这是由水质素结构中含烷基的分子链中双键的形引起的 然后小分子物质开始形成 主要是轻芳香族物质 小分于物质的形成过程中木质素的热解达到顶峰之后便结束 生物质的化学性质 四 生物质的燃烧生物质燃料 秸杆 薪柴等 的燃烧是强烈的战热化学反应过程 燃料的燃烧过程可以分作预热 水分蒸发 析出挥发分和焦炭燃烧等几个阶段 用火引燃柴草表面的可燃物 温度逐渐升高 水分首先蒸发 干燥的柴草增温发生热解 析出挥发分气体挥发什首先燃烧 通过传导和辐射向内层传热 从而使内层挥发分析出 继续与氧混合燃烧 并放出大量的热量 当挥发物的燃烧快要终了时 焦炭表面与氧气接触燃烧并不断产生灰分 几个阶段连续不断进行 水蒸气比二氧化碳对碳的气化作用快 炉膛 热解反应炉中有适量的水蒸气 可促进固定碳的燃烧或转化 第六节生物质的发热