生物质能转化原理与利用技术

1、主要内容 生物质资源一 转化原理和利用技术二 发展前景三 1.1 生物质生物质 生物质的广义概念：生物质的广义概念：生物质包括所有的植物、微生物以 及以植物、微生物为食物的动物及其生产的废弃物。有 代表性的生物质如农作物、农作物废弃物、木材、木材 废弃物和动物粪便。 生物质的狭义概念：生物质的狭义概念：生物质主要是指农林业生产过程中 除粮食、果实以外除粮食、果实以外的秸秆、树木等木质纤维素（简称木 质素）、农产品加工业下脚料、农林废弃物及畜牧业生 产过程中的禽畜粪便和废弃物等物质。 生物质的特点：可再生性、低污染性、广泛分布性。生物质的特点：可再生性、低污染性、广泛分布性。 一、生物质资源 （

2、biomass energy）生物质能：生物质能： 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。 生物质能应用的优点：生物质能应用的优点： （1）储量丰富，来源广泛；（2）清洁，无污染； （3）节省能源；（4）可再生，符合可持续发展。 1.2生物质能生物质能 生物质资源 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（biomass energy ）， 就是太阳能以化学能形 式贮存

3、在生物质中的能 量形式，即以生物质为 载体的能量。 生物质资生物质资 源按照来源按照来 源可分为源可分为 六大类六大类 森林能源森林能源 森林能源是森林生长和林业 生产过程提供的生物质能源， 主要是薪材，也包括森林工业 的一些残留物等。森林薪材来 源于树木生长过程中修剪的枝 桠、木材加工的边角余料以及 专门提供薪材的薪炭林。 农作物秸秆农作物秸秆 农作物秸秆是农业生产 的副产品，也是我国农村 的传统燃料。秸秆资源与 农业种植业的生产关系十 分密切。 禽畜粪便禽畜粪便 禽畜粪便也是一种重要 的生物质能源。除在牧区有 少量直接燃烧外，禽畜粪便 主要是作为沼气的发酵原料。 中国主要的禽畜是鸡、猪和

4、牛。 生活垃圾生活垃圾 城镇生活垃圾主要是由居民 生活垃圾、商业和服务业垃圾、 少量建筑垃圾等废弃物所构成 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 以及季节变化影响。 能源植物能源植物 能源植物种类较多，例 如制糖作物、油料植物等。 目前国内外正在研究和已 经研究利用的植物主要有 三角戟、三叶橡胶树、麻 疯树、汉加树、白乳木、 油桐、小桐子、光皮树、 油楠、油橄榄等。 水生植物水生植物 一些水生藻类，主要包 括海洋生的马尾藻、巨藻、 海带等，淡水生的布袋草、 浮萍、小球藻等，水生植 物转化成燃料，也是增加 能源供应的方法之一。 1.31.3我国生物质

5、资源的分类我国生物质资源的分类 生物质资源 1.4我国主要生物质能源不同种类比例我国主要生物质能源不同种类比例 生物质资源 二、转化原理和利用技术 生物质能源利用方式生物质能源利用方式 2.12.1生物质直接燃烧生物质直接燃烧 2.2.2 2生物质致密成型生物质致密成型 2.32.3生物质热化学转化技术生物质热化学转化技术 2.42.4生物质化学法转化技术生物质化学法转化技术 2.52.5生物质生物转化技术生物质生物转化技术 2.1生物质直接燃烧技术生物质直接燃烧技术 生物质直接燃烧技术是生物质能源转化中最古老的技术，生物质直接燃烧技术是生物质能源转化中最古老的技术， 人类对能源的最初利用就是

6、木柴燃火开始的。人类对能源的最初利用就是木柴燃火开始的。 我国古代人民在燧人氏和伏羲氏时代，我国古代人民在燧人氏和伏羲氏时代， 就已经知道使用就已经知道使用 “钻木取火钻木取火” 的方法来获取能源了。的方法来获取能源了。 从能量转换观点来看，生物质直燃是通过燃烧将化学能转从能量转换观点来看，生物质直燃是通过燃烧将化学能转 化为热能加以利用，是最普通生物质能转换技术。化为热能加以利用，是最普通生物质能转换技术。 生物质能利用生物质能利用直接燃烧获取热量直接燃烧获取热量 挥发性焦挥发性焦 油和气体油和气体 焦炭焦炭 H2O O2 火焰火焰 火焰火焰 灰烬灰烬 H2O CO2 CO2 热量利用热量利

7、用 生物质燃料生物质燃料 COCO2 O2 燃烧燃烧燃烧燃烧 生物质燃料的燃烧过程生物质燃料的燃烧过程 生物质能利用生物质能利用直接燃烧发电直接燃烧发电 现代生物质直燃发电技术诞生于丹麦。该国现代生物质直燃发电技术诞生于丹麦。该国BWEBWE公公 司率先研发秸秆等生物质直燃发电技术，并于司率先研发秸秆等生物质直燃发电技术，并于19881988 年诞生了世界上第一座秸秆发电厂。年诞生了世界上第一座秸秆发电厂。每两吨秸秆的每两吨秸秆的 热值相当于一吨煤，平均含硫量只有热值相当于一吨煤，平均含硫量只有3.83.8，远远，远远 低于煤低于煤1 1的平均含硫量。的平均含硫量。 该国秸秆发电技术现已走向世

8、界，被联合国列为重该国秸秆发电技术现已走向世界，被联合国列为重 点推广项目。在发达国家，目前生物质燃烧发电占点推广项目。在发达国家，目前生物质燃烧发电占 可再生能源（不含水电）发电量的可再生能源（不含水电）发电量的70%70%。丹麦丹麦: :已建已建 立了立了130130多家秸秆生物发电厂。秸秆发电等可再生多家秸秆生物发电厂。秸秆发电等可再生 能源占到全国能源消费量的能源占到全国能源消费量的2424以上。以上。 生物质直接燃烧发电原理生物质直接燃烧发电原理 产生蒸汽产生蒸汽 直燃后的热能直燃后的热能 汽轮机发电汽轮机发电 生物质原料生物质原料 直接燃烧直接燃烧 2.2 2.2 生物质致密成型燃

9、料技术生物质致密成型燃料技术 秸秆=燃煤？不存在的？ 这是平时不可想象的事，在现代发达的科技下早已变为 现实，这就是生物质致密成型燃料技术。 原理原理 ： 在一定温度和压力条件下，将分散的秸秆、树枝、木屑 等农林生物质经过收集、干燥、粉碎等处理后，利用特殊 的生物质固化成型设备挤压成规则的、密度较大的棒状、 块状或颗粒状等成型燃料。 特点：比重大、便于贮存和运 输、燃烧性能好、热效率高 （35005000千卡之间，是直 接燃烧的5倍）、灰分小、燃 烧几乎不产生SO2，不会造成 环境污染、可用于家庭炊事、 取暖，也可作为工业锅炉和电 厂燃料代替煤炭、天然气、燃 料油等化石能源，成为燃烧方 式、热

10、值均接近煤炭却基本无 污染物排放的高品位清洁能源。 辊模挤压式 （包括环模式和平模式）； 活塞冲压式 （机械式、液压式）； 螺旋挤压式。 20世纪30年代，美国就开始研究压缩固体成型燃料技术，发 明了螺旋挤压技术，在加热温度110350、压力10MPa的条 件下，能把木屑和刨花压缩成固体成型燃料； 20世纪70年代初日本从国外引进技术后进行改进，研究并应 用螺旋挤压技术，之后相继发明了活塞式生物质压缩方法； 20世纪70年代初，美国研究开发了环模挤压技术，瑞士、瑞 典等发达国家也先后开发研究了冲压技术、辊模挤压技术； 20世纪80年代开始，日本对压缩成型技术进行探讨，对压缩 过程中的动力消耗、

11、压模的结构与尺寸、压缩燃料的含水率、 压缩时的温度和压力以及原料的颗粒大小进行研究，进一步 改进，使之更趋于应用化； 20世纪80年代我国开始致力于生物质致密成型技术的研究。 依靠传动部件与生物质原料之间的 高速相对运动来实现生物质压缩，压缩 过程中摩擦产生的热将纤维素、木质素 软化的同时，通过挤压力把生物质原料 推入成型模，从而成型。 农林生物质 纤维素半纤维素木质素 70100 200300 施加外力 取消外力 成型燃料 当前生物质致密燃料成型技术主要存在以 下几个问题： 耗能大，耗能大，在成型过程中将纤维和木质素软 化消耗较高的热量，对于螺旋挤压技术， 成型前要经过电加热预热，挤压成型过

12、程 的吨料电耗在90 KWh/t以上。 设备成本高，设备成本高，主要体现在磨损快，寿命低、 维修周期长、维修费高； 原料要求，原料要求，有些生物质自生胶合固化成型 性能差，需要粘结剂。 2.3 生物质热化学转化技术生物质热化学转化技术 2.3.1直接液化 2.3.2气化 2.3.3热解 指在一定温度和压力条件下，借助液化溶剂 及催化剂的作用将木质生物质转化为生物油的 热化学过程。 2.3.1直接液化直接液化 原料预处理水解冷凝器液化器分离器 生物油 催化剂催化剂 挥发性气体挥发性气体 惰性气体和还原性惰性气体和还原性 气体气体CO、H2 木炭木炭 以酚类物质为溶剂的直接液化以酚类物质为溶剂的直

13、接液化 研究最多、发展历史最长； 酚类物质液化溶剂：苯酚、杂酚油和邻环己基苯酚等； 常用的催化剂：硫酸、盐酸等强酸和磷酸、草酸等中酸 或弱酸。强酸反应容易，中弱酸反应慢且残渣率高。 以醇类物质为溶剂的直接液化以醇类物质为溶剂的直接液化 在酚类溶剂之后发展起来的； 醇类物质液化溶剂：乙二醇、丙三醇、聚乙二醇（200、 300、600、1000等）。 常用催化剂：硫酸、磷酸、草酸等酸性催化剂，也可用 NaOH做催化剂，但反应须在耐压容器中高温条件下进行。 其它溶剂还有环碳酸盐类物质、超临界流体等。 直接液化技术发展趋势：直接液化技术发展趋势： 1. 液化机理的深入探索； 2. 绿色液化溶剂及催化剂

14、的研制； 3. 液化工艺及设备的产业化开发； 4. 液化产物的高效利用：与纳米材料复合，开发 具有特殊物理力学性能的生物质-纳米功能性 材料；新型高强度结构材料，制备碳纤维、聚 氨酯发泡材料、木陶瓷等。 指在一定的热力学条件下，借助于空气部分 (或者氧气)、水蒸气的作用，使生物质的高聚物 发生热解、氧化、还原重整反应，最终转化为一 氧化碳，氢气和低分子烃类等可燃气体的过程。 2.3.2气化气化 气化过程中的主要反应气化过程中的主要反应 生物质生物质 100 干原料干原料热裂解热裂解氧化氧化 250 H2O 10001200 H2O、H2、 CO、CO2 H2O、CO、 CO2 C+H2OCO+

15、H2；C+CO22CO；C+2H2CH4 还还 原原 700900 热解是生物质在完全缺氧条件下，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，产生 液体、气体、固体三种产物热降解过程。 2.3.3热解热解 生物质生物质 （无氧）（无氧） 加加 热热 热解 蒸汽 不可冷凝 气体 生物油 炭 冷冷 凝凝 2.4 2.4 生物质化学法转化技术生物质化学法转化技术 2.4.1间接液化间接液化 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)。 生物质间接液化主要有两个技术路线， 合成气甲醇汽油(MTG)的Mobil工艺； 合成气费托(Fischer-T

16、ropsch)合成。 2.4.2 酯化酯化 什么是生物柴油？什么是生物柴油？ 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、废餐饮油料为原料原料通过相应的物理或化学物理或化学转化方 法生成一种脂类化合物脂类化合物。 作为柴油的替代燃料或添加剂，缓解石油资源短缺压力。 生物柴油制备方法生物柴油制备方法 物理法物理法：稀释、微乳化法； 化学法化学法：裂解、脂交换法；脂交换法； 生物法生物法：脂肪酶。 酯交换原理及反应机理酯交换原理及反应机理 油脂的酯交换包括油脂中的甘三酯与脂肪酸、醇、 自身或者其他的酯类作用，而引起酯基交换或分子重 排的过程。 酯交换原理及反应机理酯交换原理及

17、反应机理 油脂在酸碱或脂肪酸酶的催化下与甲醇发生如下反应： CH2OCOR1 CHOCOR2 +3(CH3OH) CH2OCOR3 在油脂与甲醇进行酯交换的反应中，1moL油脂与 3moL甲醇反应，生成3moL甲酯和1moL甘油。 CH2OH CHOH + R1(R2,R3)COOH CH2OH CH2-OCO-R CH2-OH CH-OCO-R +3NaOH CH-OH +3R-COONa CH2-OCO-R CH2-OH 油脂中如果含脂肪酸则会与甲醇发生酯交换反应，如下： R-COOH + CH3OH R-COOCH3 + H2O 从反应来看，由于脂肪酸与甲醇反应生成了水，稀释了甲 醇的浓

18、度。甲醇浓度降低会使甲酯产量降低，并使反应速度降 低，反应时间延长，因此在反应中保持甲醇浓度98%以上是很 重要的。一般为了保证甲醇的浓度，把原油中的脂肪酸除去。 副反应为油脂与碱的反应副反应为油脂与碱的反应 2.5 2.5 生物质生物法转化技术生物质生物法转化技术 2.5.1生物质水解发酵制备乙醇生物质水解发酵制备乙醇 生物质生物质前处理前处理脱毒脱毒水解水解 发电发电 发酵发酵 纯化纯化 废水废水乙醇乙醇 蒸汽蒸汽 固体残渣固体残渣 电电 新技术：生物质合成气发酵制备乙醇。生物质合成气发酵制备乙醇。 生物质气化转化为富含CO和H2的中间气体； 微生物发酵作用将中间气体转化为乙醇。 2.5.

19、2生活垃圾有机组分循环利用及其技术生活垃圾有机组分循环利用及其技术 生活垃圾分为有机废物和无机废物； 有机废物包括：厨余、纸类、塑料以及橡胶制品等； 有机废物在填埋状态下发生厌氧分解，产生甲烷直接 排放，会成为温室气体的重要来源； 生活垃圾中的有机组分，作为生物质的一种存在形式， 具有继续利用的可能，如可以好氧发酵后产生肥料或 者厌氧发酵后集中收集沼气予以利用，或者直接燃烧 发电，实现垃圾的减量化和资源化。 生活垃圾好氧堆肥技术生活垃圾好氧堆肥技术 与秸秆堆肥技术一样，都是在微生物作用下，降解和转化 有机物质的生物化学过程，可分为厌氧堆肥和好氧堆肥。 好氧堆肥比厌氧堆肥时间短、肥效好、异味少。

20、 生活垃圾厌氧发酵技术生活垃圾厌氧发酵技术 与农业废弃物的沼气发酵技术原理一致，原料由秸秆、稻 壳和禽畜粪便变为高浓度有机废水或活性污泥。 自动化控制创造最佳发酵条件，故发酵效率高、产量大、 卫生条件好。 生活垃圾焚烧发电技术生活垃圾焚烧发电技术 有氧条件下，高温焚烧释放热量，热能动能电能。 尾气有二噁英、硫化物、氮氧化物和烟尘等污染物。 其他技术：其他技术：热裂解制备生物油（生物柴油）、发酵制氢等。 36 三、发展前景 综上所述，生物质能源种类多、处理方法各异，但是其实实综上所述，生物质能源种类多、处理方法各异，但是其实实 现产业化的并不多，大多停留在研究阶段。现产业化的并不多，大多停留在研究阶段。 固体燃料因其特殊的用途而有发展空间，但应用领域有限； 液体燃料中的燃料乙醇已经在使用中，但仅以淀粉为原料 产量较低，以纤维生产燃料乙醇和动植物油或废弃油生产 生物柴油目前国内还存在技术和成本等问题； 生物质裂解耗能大，目前产业化实例不多； 气体燃料制备过程中产沼气过程环保