第七讲--生物质能.ppt

1,第七讲生物质能利用技术沼气技术生物柴油利用技术,1,2,思考题：1什么是生物质能？2沼气的主要成分是什么？3简述沼气利用的优点。4什么是生物柴油？5简述生物柴油制备的主要过程。,3,一、生物质能的概念二、生物质能在能源环境系统中的地位三、生物质能的分类四、生物质能开发与利用五、沼气六、生物柴油,4,生物质是讨论能源时常用的一个术语，是指由光合作用而产生的各种有机体。光合作用即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的过程，光合作用是生命活动中的关键过程。,生物质能的概念,5,植物的光合作用图解,生物质是指通过光合作用而形成的各种有机体，包括所有的动植物和微生物。而所谓生物质能（biomassenergy），就是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量。,6,生物质能的定义与范畴,生物质包括：糖类（甘蔗、甜菜）；淀粉类（土豆、玉米）；纤维类（木材、农作物秸杆、杂草）等。,7,生物质能的定义与范畴,CO2,人类需要的能,生物质的产生和利用循环,H2O,太阳能,C6H12O6,燃烧、分解、气化。,8,生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式，一种以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于植物的光合作用，在各种可再生能源中，生物质是独特的，它是贮存的太阳能，更是一种唯一可再生的碳源，可转化成常规的固态、液态和气态燃料。据估计地球上每年植物光合作用固定的碳达21011t，含能量达31021J，因此每年通过光合作用贮存在植物的枝、茎、叶中的太阳能，相当于全世界每年耗能量的10倍。,生物质能的概念,9,生物质能的概念,生物质能是仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源，生物质遍布世界各地，其蕴藏量极大。世界上生物质资源数量庞大，形式繁多，其中包括薪柴，农林作物，尤其是为了生产能源而种植的能源作物，农业和林业残剩物，食品加工和林产品加工的下脚料，城市固体废弃物，生活污水和水生植物等等（中国生物质资源主要是农业废弃物及农林产品加工业废弃物、薪柴、人畜粪便、城镇生活垃圾等四个方面）地球上每个国家都有某种形式的生物质，生物质能是热能的来源，为人类提供了基本燃料。,10,优点（1）清洁性（2）充足性（3）可再循环（4）可储存和运输（5）易燃性（6）开发转化技术容易（7）与农林业关系紧密,生物质能的特点,11,缺点（1）体积密度和能量密度低（2）生物质供应和价格不稳定（3）生物质组成性质差异大（4）水分含量（5）灰成分,12,生物质能在能源环境系统中的地位,生物质是世界第四大能源。作为能源，在人类历史上曾起过巨大的作用，在现实生产生活中，特别是在农村地区，仍然占有重要的地位。目前亚洲、非洲的大多数发展中国家，生物质能的消费量占全国能源消费总量的40%以上。1996年中国薪柴、秸秆的消耗量已达2.2亿吨标准煤，约占全国能源消费量的14%，占农村地区能源消耗量的34%，占农村生活用能的59%。其中约有1.2亿吨标准煤的秸秆和0.8亿吨标准煤的薪柴供农付居民及部分小城镇居民烧柴之用，另外的0.2亿吨标准煤的生物质能则主要用于农副产品加工和用作小砖窑、石灰窑、陶瓷厂、溶胶厂的燃料。,13,生物质能在能源环境系统中的地位,生物质能是来源于太阳能的一种可再生能源，具有资源丰富、含碳量低的特点；加之在其生长过程中吸收大气中的CO2，因而用新技术开发利用生物质能不仅有助于减轻温室效应和生态良性循环，而且可替代部分石油、煤炭等化石燃料，成为解决能源与环境问题的重要途径之一。能源危机以后，工业发达国家曾研究发展能源林来替代矿物燃料的技术。因为，生物质资源量丰富且可以再生，其含硫量和灰分都比煤低，而含氢量较高，因此比煤清洁。若把它变成气体或液体燃料，使用起来清洁、方便。,14,生物质能在能源环境系统中的地位,生物质能是由植物的光合作用固定于地球上的太阳能，最有可能成为21世纪主要的新能源之一。据估计，植物每年贮存的能量约相当于世界主要燃料消耗的10倍；而作为能源的利用量还不到其总量的l%。这些未加以利用的生物质，为完成自然界的碳循环，其绝大部分由自然腐解将能量和碳素释放，回到自然界中。事实上，生物质能源是人类利用最早、最多、最直接的能源，至今，世界上仍有15亿以上的人口以生物质作为生活能源。,15,生物质能的分类,依据是否能大规模代替常规化石能源，而将其分为传统生物质能和现代生物质能。传统生物质能主要包括农村生活用能：薪柴、秸秆、稻草、稻壳及其他农业生产的废弃物和畜禽粪便等；现代生物质能是可以大规模应用的生物质能，包括现代林业生产的废弃物、甘蔗渣和城市固体废物等。,依据来源不同，将适合于能源利用的生物质可分为林业资源、农业资源、生活污水和工业有机废水、城市固体废物及畜禽粪便等五大类。,16,生物质能的分类,(1)林业资源林业生物质资源是指森林生长和林业生产过程提供的生物质能源，包括薪炭林、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。,17,生物质能的分类,(2)农业资源农业生物质能资源是指农业作物(包括能源植物)；农业生产过程中的废弃物，如农作物收获时残留在农田内的农作物秸秆(玉米秸、高粱秸、麦秸、稻草、豆秸和棉秆等)；农业加工业的废弃物，如农业生产过程中剩余的稻壳等。能源植物泛指各种用以提供能源的植物，通常包括草本能源作物、油料作物、制取碳氢化合物植物和水生植物等几类。,18,生物质能的分类,(3)生活污水和工业有机废水生活污水主要由城镇居民生活、商业和服务业的各种排水组成，如冷却水、洗浴排水、盥洗排水、洗衣排水、厨房排水、粪便污水等。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等，其中都富含有机物。,19,生物质能的分类,(4)城市固体废物城市固体废物主要是由城镇居民生活垃圾，商业、服务业垃圾和少量建筑业垃圾等固体废物构成。其组成成分比较复杂，受当地居民的平均生活水平、能源消费结构、城镇建设、自然条件、传统习惯以及季节变化等因素影响。,20,生物质能的分类,(5)畜禽粪便畜禽粪便是畜禽排泄物的总称，它是其他形态生物质(主要是粮食、农作物秸秆和牧草等)的转化形式，包括畜禽排出的粪便、尿及其与垫草的混合物。我国主要的畜禽包括鸡、猪和牛等，其资源量与畜牧业生产有关。根据这些畜禽的品种、体重、粪便排泄量等因素，可估算出2000年全国畜禽粪便可获得资源的实物量为3.2亿吨干物质。,21,生物质能开发与利用,生物质能的载体生物质是以实物的形式存在的，相对比风能、水能、太阳能和潮汐能等，生物质能是惟一可存储和运输的可再生能源。生物质的组织结构与常规的化石燃料相似，它的利用方式与化石燃料类似。常规能源的利用技术无需做大的改动，就可以应用于生物质能。但生物质的种类繁多，分别具有不同特点和属性，利用技术远比化石燃料复杂与多样，除了常规能源的利用技术以外，还有其独特的利用技术。,22,生物质能开发与利用,生物质能转化利用途径主要包括燃烧、热化学法、生化法、化学法和物理化学法等，可转化为二次能源，分别为热量或电力、固体燃料(木炭或成型燃料)、液体燃料(生物柴油、生物原油、甲醇、乙醇和植物油等)和气体燃料(氢气、生物质燃气和沼气等)。,23,生物质能开发与利用,24,生物质能的综合利用,25,生物质能开发与利用,生物质燃烧技术是传统的能源转化形式，是人类对能源的最早利用。生物质燃烧所产生的能源可应用于炊事、室内取暖、工业过程、区域供热、发电及热电联产等领域。炊事方式是最原始的利用方式，主要应用于农村地区，效率最低，一般在15-20%左右。人们通过改进现有炉灶，以提高燃烧效率及热利用率。室内取暖主要应用于室内加温，此外还有装饰及调节室内气氛等作用。工业过程和区域供暖主要采用机械燃烧方式，适用于大规模生物质利用，效率较高；配以汽轮机、蒸汽机、燃气轮机或斯特林发动机等设备，可用于发电及热电联产。,26,生物质能利用直接燃烧秸秆发电,热效率可达90%;生物质能净转化效率40,27,生物质能利用直接燃烧垃圾发电,28,浦东御桥工业区：国内第一座日处理千吨以上的大型现代化生活垃圾发电厂，每天可处理120150万城市居民产生的生活垃圾（约1000吨）。,我国目前规模最大的垃圾焚烧厂上海江桥生活垃圾焚烧厂，每天处理垃圾2000吨。,截至2006年，我国已经建成有100多个日处理量在200吨以上的焚烧装置。,29,目前全球有垃圾电站近1000座，预计未来三年内，将超过3000座。,30,垃圾发电平均上网电价为元千瓦时，发电成本为元千瓦时。火力发电成本仅为元千瓦时，水力发电的运营成本仅为千瓦时元千瓦时。相比之下，垃圾发电成本是相当高的，没有任何竞争优势。,31,生物质能开发与利用,压缩成型是利用木质素充当黏合剂将农业和林业生产的废弃物压缩为成型燃料，提高其能源密度，是生物质预处理的一种方式。生物质压缩成型的设备一般分为螺旋挤压式、活塞冲压式和环模滚压成型。将松散的秸秆、树枝和木屑等农林废弃物挤压成固体燃料，能源密度相当于中等烟煤，可明显改善燃烧特性。生物质成型燃料应用在林业资源丰富的地区、木材加工业、农作物秸秆资源量大的区域和生产活性炭行业等。,32,国内生产的生物质成型机一般为螺旋挤压式，生产能力多在100200kg/h之间，电机功率7.518kW，电加热功率24kW，生产的成型燃料多为棒状。,生物质压缩成型燃料（棒状）,33,生物质成型燃料的特点,热性能优于木材，与中质混煤相当，而且燃烧特性明显改善，点火容易，火力持久，黑烟少，炉膛温度高，便于运输和储存，使用方便、卫生，是清洁能源，有利于环保。可作为生物质气化炉、高效燃烧炉和小型锅炉的燃料。,34,35,生物质能开发与利用,热化学法包括热解、气化和直接液化。热解是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，使之转变为低分子物质的热化学反应。热解的产物包括醋酸、甲醇、木焦油抗聚剂、木馏油和木炭等产品。其中，快速热解是一种尽可能获得液体燃料的热解方法，其产物在常温下具有一定的稳定性，在存储、运输和热利用等方面具有一定的优势。,36,生物质能开发与利用,气化是以氧气(空气、富氧或纯氧)、水蒸气或氢气等作为气化剂，在高温的条件下通过热化学反应将生物质中可燃部分转化为可燃气(主要为一氧化碳、氢气和甲烷等)的热化学反应。气化可将生物质转换为高品质的气态燃料，直接应用作为锅炉燃料或发电，产生所需的热量或电力，或作为合成气进行间接液化以生产甲醇、二甲醚等液体燃料或化工产品。,37,生物质能开发与利用,液化是把固体状态的生物质经过一系列化学加工过程，使其转化成液体燃料(主要是指汽油、柴油、液化石油气等液体烃类产品，有时也包括甲醇、乙醇等醇类燃料)的清洁利用技术，根据化学加工过程的不同技术路线，液化可分为直接液化和间接液化。直接液化是把固体生物质在高压和一定温度下与氢气发生反应(加氢)，直接转化为液体燃料的热化学反应过程。与热解相比，直接液化可以生产出物理稳定性和化学稳定性都更好的液体产品。,38,生物质能开发与利用,间接液化是指将生物质气化得到的合成气(CO十H2)，经催化合成为液体燃料(甲醇或二甲醚等)。合成气是指由不同比例的CO和H2组成的气体混合物。生产合成气的原料包括煤炭、石油、天然气、泥炭、木材、农作物秸秆及城市固体废物等。生物质间接液化主要有两个技术路线，一个是合成气甲醇汽油(MTG)的Mobil工艺，另一个是合成气费托(Fischer-Tropsch)合成。,39,生物质能开发与利用,生化法是依靠微生物或酶的作用，对生物质能进行生物转化，生产出如乙醇、氢、甲烷等液体或气体燃料。主要针对农业生产和加工过程产生的生物质，如农作物秸秆、畜禽粪便、生活污水、工业有机废水和其他农业废弃物等。,40,生物质能开发与利用,酯化是指将植物油与甲醇或乙醇在催化剂和230250温度下进行酯化反应，生成生物柴油，并获得副产品甘油。生物柴油可单独使用以替代柴油，又可以一定比例(230)与柴油混合使用。除了为公共交通车、卡车等柴油机车提供替代燃料外，又可为海洋运输业、采矿业、发电厂等具有非移动式内燃机行业提供燃料。,41,生物质能开发与利用,生物质能源的开发利用早已引起世界各国政府和科学家的关注。有许多国家都制定了相应的开发研究计划，在日本的阳光计划、印度的绿色能源工程、美国的能源农场和巴西的酒精能源计划等发展计划。其它诸如丹麦、荷兰、德国、法国、加拿大、芬兰等国，多年来一直在进行各自的研究与开发，并形成了各具特色的生物质能源研究与开发体系，拥有各自的技术优势。,42,生物质能开发与利用,沼气技术主要为厌氧法处理禽畜粪便和高浓度有机废水，是发展较早的生物质能利用技术。80年代以前，发展中国家主要发展沼气池技术，以农作物秸秆和禽畜粪便为原料生产沼气作为生活炊事燃料。如印度和中国的家用沼气池；而发达国家则主要发展厌氧技术，处理禽畜粪便和高浓度有机废水。,43,43,沼气的概念与特性,一、什么是沼气二、沼气的来源三、沼气的成分四、沼气的性质,44,利用植物的秸杆、枝叶、杂草等制取沼气,45,45,沼气农村沼气池的填料主要是猪粪、秸秆、污泥、水等。当然，人的粪便、牛粪、鸡粪等都是很好的发酵料。将植物的秸秆、枝叶、杂草和人畜粪便加入沼气发酵池中，在厌氧条件下，经过沼气细菌的作用，生成沼气。沼气的主要成分是甲烷和二氧化碳。建造沼气池，不仅能有效地利用生物质能，还能为农业生产提供优良的肥料。,45,46,46,开发利用沼气的意义,3,甲烷的温室气体效应是CO2的21倍，温室气体效应20%来自甲烷，60%来自CO2，因此减排甲烷气体是应对气候变化的重大举措。一座日产10000m3沼气的工程每年可减排45000吨CO2。,1、治理畜禽粪污，保护生态环境减量化，减少污染物的排放，实现清洁生产资源化，制取生物质能源及优质有机肥料无害化，沼液沼渣综合利用，实现废弃物的零排放2、减排温室气体，应对气候变化,47,47,4,3、开发生物能源，改善能源结构,能源利用形态的转变：固态（煤炭）液态（石油）气态（天然气/沼气）高碳燃料低碳高氢燃料,生物质沼气产业的发展可提供至少60万个以上农村剩余劳动力的就业机会，提高农民生活质量，改善农村环境卫生，促进新农村建设。,4、改善农村民生，推进新农村建设,48,中国是研究开发沼气技术最早的国家，也是当今世界沼气技术比较先进的国家之一。沼气池总数已达到1000多万个。,49,49,农村能源问题,国际关注。目前全球仍有近50的农家使用牛粪、树干农作物秸秆和煤炭作为炊事燃料。在发展中国家，呛人炊烟每年导致160万人死亡，即每20秒钟就有一人丧生，受害者主要是妇女和儿童。农村能源革命。一个沼气池一年省上万斤柴，节约燃料费500多元；循环利用：粪便产沼气，沼渣当肥料。农村经济的可持续发展。2004年全国有2.4亿多农民主要用柴草烧火做饭，农民生活年使用薪柴2.11亿t，超过了限额的2.4倍；消耗秸秆3.4亿t；消耗煤炭2.28亿t我国有1.4亿农民适宜使用沼气。,50,50,资源量和产气量的确定,1、资源潜力,生物燃气可利用资源：-畜禽粪便（750亿m3年）农产品加工残余物（60亿m3年）有机垃圾（90亿m3年）作物秸秆（按1/3计，600亿m3年）总量：1500亿m3年农林废弃物生物质气化合成气可利用资源量490亿m3/年两项合计可利用资源潜力1990亿m3沼气当量/年，相当于：1200亿m3生物天然气/年，比全国2008年天然气消费量807亿m3还多,51,51,中国主要有机废弃物的年产生量及可用量,52,52,有机废弃物的分布特点,看似分散，却又相对集中秸秆集中于粮区，畜禽粪便集中于养殖，林余物集中于林地，工业有机废弃物集中于城市农户饲养三五头猪的粪便和残羹烂草也能成为户用沼气的生产原料,大分散小集中，适合中小型开发模式,53,53,6,畜禽类和秸秆的沼气产气潜力,54,54,开发利用沼气的能源、经济、生态效益,能源效益：据测算，建造一个8立方米的沼气池一年可产沼气370440立方米,能解决35口人的农户一年的生活燃料，每年可节约薪柴1.5t或节煤1000kg，节电100kWh左右。经济效益：一个8m3的沼气池每年可为20亩耕地提供肥料，每亩节约农药、化肥支出100多元，施用沼肥后的农产品产量增加、品质提高。南方推广“猪沼果”能源生态模式，户均年增收3000元；北方推广“四位一体”能源生态模式，户均增收4000元以上,55,55,生态效益：一口沼气池省出的1.5t薪柴，相当于封育了4亩山林，保护了森林植被，同时还可减少15kg二氧化硫和2.7t二氧化碳排放。,56,56,1）什么是沼气,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，经过嫌气性细菌的发酵作用，产生的一种可燃气体。在含腐烂有机质较多的沼泽、池塘、污水沟和粪坑里，经常可以看到有气泡冒出。把这种冒出的气泡收集起来，可以用火点燃。因为这种可燃气体最初是在池沼中发现的，所以称它为沼气。,57,57,2）沼气的成分,沼气是一种混合气体。它的主要成分是甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）和少量的硫化氢（H2S）、氢（H2）、一氧化碳（CO）、氮（N2）等气体。其中甲烷约占50-70%、二氧化碳约占30-40%，其他成分含量极少。,58,58,3）沼气的性质,沼气的主要成分是甲烷，甲烷是一种简单的碳氢化合物。它的化学性质极为稳定，不溶于水，比空气轻一半，是一种无色、无味、无臭、无毒的可燃性气体。沼气未燃烧时略有蒜味或臭鸡蛋气味，是因为沼气中含有少量硫化氢气体的缘故。甲烷的分子式是CH4，是由一个碳原子和四个氢原子构成的化合物，不含氮、磷、钾等元素，所以在燃烧时不会把发酵原料中的肥分烧掉。,59,59,当甲烷完全燃烧时，呈蓝白色火焰，燃烧温度可达1400，能够产生大量的热。每立方米甲烷气体，完全燃烧时，发热量为8717大卡。每立方米人工沼气的发热量为5000大卡左右。相当于1公斤优质煤或0.7公斤汽油的发热量。沼气是一种优良的气体燃料，不仅能用来烧菜、煮饭、点灯，还可以用作动力燃料，开动内燃机。一立方米的人工沼气，能供3-4口之家三餐饭菜的燃料，能使一盏60支光的沼气灯照明6小时，能使一马力的内燃机工作2小时，能发电1.25度。,60,60,沼气发酵基本原理,1）什么是沼气发酵沼气发酵又称为厌氧消化、厌氧发酵和甲烷发酵，是指有机物质（如人畜粪便、秸秆、杂草等）在一定的水分、温度和厌氧的条件下，被种类繁多、数量巨大、且功能不同的各类微生物的分解代谢，最终形成甲烷和二氧化碳等混合气体（沼气）的复杂的生物化学过程。,61,沼气发酵的基本工艺流程,一个完整的大中型沼气发酵工程，无论其规模大小，都包括了如下的工艺流程：原料（废水）的收集、预处理、消化器（沼气池）、出料的后处理和沼气的净化与储存等。,62,62,只有了解参加沼气发酵的多种微生物活动规律、生存条件及作用，并按照微生物的生存条件、活动规律去修建沼气池，收集发酵原料，进行日常管理，使参加发酵的各种微生物得到最佳的生长条件，才能获得较多的产气量和沼肥，满足生产、生活的需要。,63,63,2）沼气发酵微生物（细菌）,（一）沼气微生物的种类在沼气发酵过程中，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。,64,64,五大菌群：,.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）+nH2On(C6H12O6)2C6H12O6CH3COOH+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+2H2OCH3COOH+CO2+3H2CH3CH2CH2COOH+2H2O2CH3COOH+2H2,65,65,.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+4H2CH3COOH+2H2OC6H12O63CH3COOH.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+CO24H2+CO2CH4+2H2O4HCOOHCH4+3CO2+2H2O4CH3OH3CH4+CO2+2H2O,66,66,五大菌群：,各种发酵性细菌,玉米秸发酵时的发酵性细菌,67,67,五大菌群：,食氢产甲烷菌,甲烷八叠球菌,甲烷丝菌,68,68,（二）沼气发酵微生物的作用,1、不产甲烷菌为产甲烷菌提供营养；2、不产甲烷菌为产甲烷菌创造适宜的厌氧环境；3、不产甲烷菌为产甲烷菌清除有毒物质；4、不产甲烷菌与产甲烷菌共同维持环境中适宜的酸碱度。,69,69,（三）沼气发酵微生物的特点,1、分布广，种类多上至1.2万米的高空，下至2千米的地层深处都有微生物的踪迹；沼气微生物在自然界分布也很广，种类达200-300种。2、繁殖快，代谢强产酸菌在生长旺盛时，20分钟或更短的时间内就可以繁殖一代，产甲烷菌繁殖速度较慢，约为产酸菌的1/15。3、适应性强，容易培养与高等生物相比，多种微生物适应性较强，并且容易培养。例如，沼气池里的微生物在10-60C条件下，都能进行沼气发酵。,70,70,3）沼气发酵过程,目前公认的沼气发酵过程,71,71,（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。,72,72,（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。,73,73,液化阶段和产酸阶段是一个连续过程，统常称之为不产甲烷阶段，它是复杂的有机物转化成沼气的先决条件。在这个过程中，不产甲烷的细菌种类繁多、数量巨大，它们主要的作用是为产甲烷菌提供营养和为产甲烷菌创造适宜的厌氧条件，消除部分毒物。,74,74,（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。,75,75,产甲烷菌的共同特征是：,生长缓慢。如甲烷八叠球菌在乙酸上生长其倍增时间为1-2天，甲烷菌丝倍增时间为4-9天。严格厌氧。对氧气和氧化剂非常敏感，在有空气的条件下就不能生存或死亡。只能利用少数简单的化合物作为营养。要求在中性偏碱和适宜温度环境条件。代谢活动主要终产物是甲烷和二氧化碳为主要成分的沼气。,76,76,沼气发酵基本条件,沼气发酵是由多种细菌群参加完成的，它们在沼气池中进行新陈代谢和生长繁殖过程中，需要一定的生活条件，只有用人工为其创造适宜生长条件，使大量的微生物迅速的繁殖，加快沼气池内的有机物分解。因此，只有满足微生物的生长条件和沼气池正常运行条件才能获得产气率高、沼气和有机沼肥多的效果。,77,77,人工制取沼气的基本条件：,1）、适宜的发酵原料2）、质优足量的菌种3）、严格的厌氧环境4）、适宜的发酵温度5）、适度的发酵浓度6)、适宜的酸碱度,78,78,1)、适宜的发酵原料,沼气发酵原料是产生沼气的物质基础，又是沼气发酵细菌赖以生存的养料来源。因为沼气细菌在沼气池内正常生长繁殖过程中，必须从发酵原料里吸取充分的营养物质，如水分、碳素、氮素、无机盐类和生长素等到，用于生命活动，成倍繁殖细菌和产生沼气。,79,79,有机物中的碳水化合物如秸秆中的纤维素和淀粉是细菌的碳素营养，有机物中的有机氮如人畜粪尿中的含氮物质则是细菌的氮素营养。当有机物被细菌分解时，其中一部分有机物的碳素和氮素被同化成菌体细胞，以及组成其他新的物质，另一部分有机物则被产酸细菌分解为简单有机物，后经甲烷菌的作用产生甲烷。因此，沼气发酵时，原料不仅需要充足，而且需要适当搭配。保持一定的碳氮比例（最适宜C/N=25：1），这样才不会因缺碳素或缺氮素营养而影响沼气的产生和细菌正常繁殖。,80,80,2)、质优足量的沼气菌种,制取沼气必须有沼气细菌才行。这和发面需要有酵母一样。如果没有沼气细菌作用，沼气池内的有机物本身是不会转变成沼气的。所以沼气发酵启动时要有足够数量含优良沼气菌种的接种物，这是制取沼气的重要条件。,81,81,在农村含有优良沼气菌种的接种物，普遍存在于粪坑底污泥、下水污泥、沼气发酵的渣水、沼泽污泥、豆制品作坊下水沟中的污泥，这些含有大量沼气发酵细菌的污泥称为接种物。沼气发酵加入接种物的操作过程称为接种，新建沼气池第一次装料，如果不加入足够数量含有沼气细菌的接种物，常常很难产气或产气率不高，甲烷含量低无法燃烧。另外，加入适量的接种物可以避免沼气池发酵初期产酸过多而导致发酵受阻。,82,82,3)、严格的厌氧环境,沼气发酵中起主要作用的是厌氧分解菌和产甲烷菌。它们怕氧气、在空气中暴露几秒钟就会死亡，就是说空气中的氧气对它们有毒害致死的作用。因此，严格的厌氧环境是沼气发酵的最主要条件之一。我们根据沼气细菌怕空气的特性，修建的沼气池除进出料口外必须严格密闭，达到不漏水、不漏气，保证沼气细菌正常生命代谢活动和贮存沼气。,83,83,4)、适宜的发酵温度,沼气池内发酵液的温度，对产生沼气的多少有很大影响，这是因为在适宜的温度范围内温度越高，沼气细菌的生长、繁殖越快，产沼气就多；如果温度不适宜，沼气细菌生长发育慢，产气就少或不产气。所以，温度是沼气发酵的重要外因条件。,84,84,研究发现，沼气细菌在10-60的范围内，均能正常发酵产气（最适温度为35）。低于10或高于60都严格抑制微生物生存、繁殖，影响产气。人们把不同的发酵温度区分为三个范围，即常温发酵区10-25、中温发酵区25-35、高温发酵区50-60。农村户用沼气池，一般都采用常温发酵，夏天温度高产气多，冬季池温低产气少（池温低于10，产气效果很差）。为了提高沼气池温度使沼气池常年产气，在北方寒冷地区多把沼气池修建在日光温室内或太阳能禽畜舍内，使池温增高，提高冬季的产气量，达到常年产气。,85,85,5)、适度的发酵浓度,沼气池中的料液在发酵过程中需要保持一定的浓度，才能正常产气运行，如果发酵料液中含水量过少、发酵原料过多，发酵液的浓度过大，产甲烷菌又食用不了那么多，就容易造成有机酸的大量积累，结果使发酵受到阻碍。如果水太多，发酵液的浓度过稀，有机物含量少，产气量就少。,86,86,农村沼气池的发酵料液浓度一般采用6-12%之间。在这个范围内，沼气的初始启动浓度要低一些便于启动。夏季和初秋池温高，原料分解快，浓度可适当低一些，一般控制在6-8%；冬季、初春池温低，原料分解慢，发酵料液浓度应高些，一般保持在8-12%为宜。,87,87,6)、适宜的酸碱度,沼气发酵细菌最适宜的pH为6.5-7.5，6.4以下7.6以上都对产气有抑制作用。如果pH在5.5以下，就是料液酸化的标志，其产甲烷菌的活动完全受到抑制。如沼气池初始启动时，投料浓度过高，接种物中的产甲烷菌数量又不足，或者在沼气池内一次加入大量的鸡粪、薯渣造成发酵料液浓度过高，都会因产酸与产甲烷的速度失调而引起挥发酸(乙酸、丙酸、丁酸)的积累，导致pH下降。这是造成沼气池启动失败或运行失常的主要原因。,88,88,在沼气发酵过程中，pH变化规律一般是：在发酵初期，由于产酸细菌的迅速活动产生大量的有机酸，使pH下降；但随着发酵继续进行，一方面氨化细菌产生的氨中和了一部分有机酸，另一方面甲烷菌群利用有机酸转化成甲烷，这样使pH又恢复到正常值。这样的循环继续下去使沼气池内的pH一直保持在7.0-7.5的范围内，使发酵正常运行。所以沼气池内的料液发酵时，只要保持一定的浓度、接种物和适宜的温度，它就会正常发酵，不需要进行调整。,89,89,制取沼气,89,90,90,沼气池型与结构,1)、沼气池类型在我国,经过100多年的发展历程，形成了各种各样的沼气池。一般可按以下几种方式进行分类：a、按储气方式有水压式、浮罩式和气袋式三大类，在实际应用中，水压式最为普遍，浮罩式次之。b、按几何形状有圆筒形、球形、椭球形、长方形、方形、拱形等多种形状，其中，圆筒形池和球形池应用最为普遍。,91,91,c、按建池材料有混凝土结构池、砖结构池、塑料（或橡胶）池、玻璃钢池、钢丝网水泥池、钢结构池等，在实际应用中，最为普遍的是混凝土结构池。d、按沼气池埋设位置有地下式、半埋式和地上式，在实际应用中以地下式为主。e、按发酵温度有常温发酵池、中温发酵池和高温发酵池。除此以外，也有按照发酵工艺进行分类的。,92,92,2）、沼气池组成与功能,93,93,94,94,95,成都大唐人公司产品,95,96,96,1、进料口和进料管,进料口位于畜禽舍地面下，由设在地下的进料管与发酵间连通。进料口将厕所、畜禽粪便污水通过进料管流入沼气池发酵间。进料管内径一般为200-300mm，采取直管斜插于池墙中部或直插与池顶部的方式与发酵间连通，目的是保持进料顺畅、搅拌方便、施工方便。,97,97,2、发酵间和储气室,是沼气池的主体，可分为发酵间和储气室。发酵原料在发酵间进行发酵，产生的沼气溢出水面进入上部的削球形储气室储存。因此，要求发酵间不漏水，储气室不漏气。,98,98,99,99,3、水压间（出料间）,主要功能是为储存沼气、维持正常气压和便于出料而设置的，其容积由沼气池产气量来决定，一般为沼气池24小时所产沼气的一半。水压间与发酵间的连接，随着出料方式的不同而存在两种方式：当满足沉降、杀灭寄生虫卵的需要，采取中层出料时，水压间通过安装于其中部的出料管与发酵间连接。为便于出料、免除一年一度的大换料，采取底层出料时，水压间通过其下部的出料口与发酵间直接相通。,100,100,4、活动盖,设计在池盖的顶部，呈瓶塞状，上大下小。活动盖可以按需要开启或关闭，是一个装配式的部件。其功能主要有：（1）在进行沼气池的维修和清除沉渣时，打开活动盖可以排除池内残存有害气体，并利于通风、采光，使操作安全。（2）当遇到导气管堵塞、气压表失灵等特殊情况，造成池内气压过大时，活动盖即被冲开，从而降低池内气压，使池体得到保护。（3）当池内发酵表面严重结壳，影响产气时，可以打开活动盖，破碎浮渣层，搅动料液。,101,101,102,102,FloatingCoverDigester,U,102,103,103,FixedDomeDigester,http:/www.biogas.nl/,103,104,104,沼气的制取和利用,104,105,105,106,106,107,新型沼气池,107,108,108,109,109,110,110,and,動物排泄物,蔬果廢棄物,沼氣廠處理,維護環保,110,111,111,111,112,112,113,113,用沼气做饭的农妇,113,114,114,114,115,115,大功率沼气发动机,116,116,117,117,118,118,沼气发电机组,江蘇省啟東市寶駒動力機械廠,118,119,禽畜粪便加农作物下料的沼气发电供热工程,120,120,小型沼气发电机,121,121,121,利用粪便制取沼气的全套工程设施，包括原料的预处理、厌氧消化、沼气净化及输配、发酵残留物后处理以及工艺流程的控制、监测五个部分组成,三、集约化沼气工程,122,122,123,生物质能利用生物化学转化厌氧消化,124,上海南汇老港垃圾填埋场（国内最大的垃圾填埋场）的沼气收集和预处理系统一期工程已建成，开始实验性发电。,125,东滩生态农业可再生能源与氢能应用示范,人畜粪便,秸秆,沼气发电,中温烟气供热,低温烟气余热利用,堆肥,大棚,沼气站,发电机,科教基地,秸秆气化灰肥料,气化发电,未来村庄能源系统展示馆,氢能观光车,分布式供能,加氢站,风光互补耦合制氢,肥料土壤改良杀虫剂,沼液,126,126,126,生产清洁能源高效、可再生能源治理环境污染处理粪便、垃圾、有机废水、废渣提高企业经济效益综合利用、改善生产条件形成新的产业设计、施工、副产品生产销售、配套设备加工,沼气工程的作用,127,127,127,沼气原料-粪便资源亟待开发利用“菜篮子”工程发展全国集约化畜禽养殖场达1万家以上，粪便处理利用不到10%粪水污染严重水体富营养化、臭气粪便是可利用的资源生产清洁能源、增加能源供应；生产高效有机肥、发展生态农业畜禽粪便资源总量（干物质）约1.8亿吨，实际可利用量约4000万吨，可产沼气近100亿立方米，按热值相当于800万tce，用于发电可装机500万kW，年发电量150亿kWh,128,128,128,有机污染治理有物理化学和生化处理方法物理化学办法过滤、凝聚沉淀等，成本极高且难以达标生化处理方法厌氧、好氧和厌氧-好氧并用采用厌氧处理设备投资少，可同时获得环境、经济和社会效益我国适合厌氧消化的高浓度有机废水排放量年25.2亿立方米以上，年废渣7400万m3，可转化为沼气108亿m3，热值相当于800万tce，可装机50万kW，年发电150亿kWh,厌氧是处理工业有机废水的最合理方法,129,129,129,2001年工业沼气600多座，池容150万m3，年处理废水1.5亿m3，年产沼气10.0亿m32000年农业沼气853座，池容22万m3，年处理粪便1500万t，年产沼气0.5亿m3,技术成熟，具备了规模化发展条件,130,130,工业化沼气池系统,131,131,沼氣消化系統Digester,131,132,132,133,133,沼气利用biogasusage,133,134,134,沼氣消化系統,134,135,135,136,136,万头育肥猪场，日产粪水603，设计池容500m3，产气率为0.39m3/m3d，总投资为175万元年产沼气10万立方米，固体有机肥540吨收益=沼气+有机肥+避免排污罚款+畜禽发病率减少避免的损失COD、BOD去除率分别70%、75%以上,A集约化禽畜场沼气工程,137,137,137,138,138,138,利用工业有机废水、废渣生产沼气包括酒精、酿酒、制糖、食品、制药、造纸、屠宰等可转化为沼气的资源量约107亿立方米/年,B工业有机废水沼气工程,139,139,140,140,蒙牛沼气站,141,141,141,142,142,5,沼渣沼液的用途,用作肥料AsFertilizer,根部施肥,叶面喷施,制作培养基,制作有机肥,143,143,4,沼渣沼液的成分,活性成分多种水解酶：蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶等；多种维生素B：B1、B2、B5、B6、B11、B12；多种氨基酸：不少于17种；多种植物激素：吲哚乙酸、赤霉素、细胞分裂素；抗生素：多烯类抗生素；腐植酸；微量金属元素：铁、钙、铜、锌、锰、钼等。,144,144,用作肥料肥效估算：1t沼液1.25kg尿素，施用沼肥农作物平均增产20以上,6,145,145,7,沼液浸种,沼液浸种发芽率平均提20%以上，出产量平均提高10%以上。,146,146,8,防治病虫害ProtectingPlantsfromPest对农作物蚜虫、红蜘蛛、黄蜘蛛平均防治率达90%以上。,147,147,9,用作鱼饵料FeedingFishes配合青草、鱼饲料喂淡水鱼平均增产17.5%以上。,148,148,10,用作畜禽饲料FeedingLivestock同清水拌料相比，畜禽平均增重15%以上。,149,149,模式：收集储存销售适用对象：农户、社区。效益：应用于茶场、果园、桑树、富硒玉米基地，效益增加明显。优点：沼渣沼液利用社会化服务，异地建设储液池和输配管网，实现沼渣沼液的异地、异时、科学利用。缺点：公益性服务，需要政府扶持，并同种植园签订沼液销售协议。,12,150,150,150,初始投资大，自我融资能力不够万头猪场沼气工程初始投入150-200万元工业2500池容沼气工程400-500万元,发展集约化沼气池的主要障碍,151,151,151,治理成本和沼气产品成本高工业废水2.50元/m3废水，发电0.35元/kWh养殖场7.5元/m3粪水，发电0.7元/kWh,152,152,152,市场风险大禽畜产品和食品产品不确定因素大，风险大难以吸引各方投资者,153,153,153,环保政策执行缺乏力度三同步排污费低于治理费,154,154,154,能源产品缺乏法律保障和政策扶持沼气、电力市场准入和上网经济激励政策,155,155,155,规模和速度与形势发展的要求很不适应：-德国在仅仅过去的3-5年期间，沼气工程就发展到了约2000处，并且都是商业化运行-德国的经验：为实施可持续发展、治理污染、减少温室气体排放制定了鼓励发电上网的法律优惠电价；优惠投资低息、贴息贷款；环保和资源利用法律保障-农场主的积极性：新的收入来源,沼气应用与国外存在一定差距,156,156,156,近期总体目标：促进大中型沼气工程商业化，加快可再生能源开发利用和产业发展，为国家制订沼气发展规划提供科学依据,157,157,157,指导思想和目标行动框架、重点区域、流域及内容商业化运行模式与可操作的实施方案、融资机制、投资方案政策法规及激励机制（目标、配额、准入上网、电价等）,国家行动计划实施,158,158,158,集约化畜禽养殖场沼气工程工业有机废水沼气工程沼气民用：集中供气-炊事沼气供热：锅炉沼气发电：,范围和内容,159,159,159,环境治理达标排放年提供清洁燃料1000万tce以上，相当于年200亿kWh电力,国家远期目标（2020年）,160,160,生物柴油生物柴油也称生化柴油，它是由可再生的动、植物油脂与甲醇（或）乙醇经酯化反应而得到的长链脂肪酸甲（乙）酯，是一种可以替代普通柴油的可再生清洁能源。,160,162,162,生物柴油研究的意义,世界石油资源的枯竭石油资源对国家和个人的影响2004年中国成为全球第二大石油消耗大国3亿吨生物柴油,162,163,163,生物柴油基本概念,生物柴油是利用生物油脂生产的有机燃料生物油脂的来源：菜子油，豆油，椰子油，棕榈油、蓖麻油、棉籽油，葵花籽油，废食用油等,163,165,165,生物柴油,以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂以及动物油脂、餐饮垃圾油等为原料，通过酯交换工艺制成、可代替柴油的再生性燃油大戟科、萝摩科、菊科、桃金娘科以及豆科植物，从它们的茎、叶伤口处有乳白色或黄褐色液体流出来，其中含有与石油成分相似的碳氢化合物一英亩三角大戟可生产相当于0.5吨石油的燃料,一公顷象草平均每年可收获12t生物石油,三角大戟,165,166,166,167,167,168,168,169,169,生物柴油的生产方法直接混合法微乳化法裂解法酯化法酯交换（醇解）法,物理方法,化学方法,169,170,170,生物柴油制造方法,170,171,171,工艺流程示意图,酯化,酯交换,蒸馏,生物柴油,原料,甲醇,甲醇,甘油,核心技术：环保高效的复合型催化剂,171,172,催化酶,糖,发酵,生物质,醇,173,173,174,174,酯化-酯交换联合法生物柴油生产流程,174,175,175,176,176,177,生物质能利用-热化学转化液化,热解液化（不需催化剂，650800,原料需干燥）,生物油（70）和气体,快速热解,生物油（8085）和焦炭,慢速热解,高加热速率（102-104K/s）产物停留时间（0.2-3s）,干馏：木炭,178,旋转锥反应器,oil,179,生物质能利用-热化学转化液化,180,2.加压液化（需催化剂,300350，原料不需干燥）,12-20MPa,停留时间：30min,加水,油（含水）,181,用热化学法生产:动物和植物油脂与甲醇或乙醇等低碳醇，在酸或者碱性催化剂和高温(230250)下进行转酯化反应，生成相应的脂肪酸甲酯或乙酯，再经洗涤干燥即得生物柴油。,Biodiesel,VegetableOil,182,183,183,生物柴油提炼装置,184,184,185,185,186,186,187,187,188,188,189,189,190,生物柴油原料小桐籽.,190,191,用小桐树果籽提炼出的生物柴油,191,192,192,优点具有优良的环保优势运动粘度高安全性能好燃烧性能优良属于天然可再生性能源，减少人们对石油的依赖单独使用，也可与石化柴油调和使用，还可以作为添加剂提高燃烧效率,192