生物质能源利用简介(课件)

1、生物质能源应用简介生物质能源应用简介 李先豪李先豪 20112011年年1111月月1616日日 内容提要内容提要 1 生物质能生物质能 2 生物质固硫型煤技术生物质固硫型煤技术 3 生物质热解与直接液化技术生物质热解与直接液化技术 4 生物质气化技术生物质气化技术 5 生物燃料生物燃料 6 生物质能开发利用技术展望生物质能开发利用技术展望 1.1 1.1 生物质与生物质能生物质与生物质能 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、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微生物为食物的动物及其生产的废弃

2、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。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：生物质主要是指农林业生产过程中除粮食、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、 果实以外的秸秆、树木等木质纤维素（简称木质素）、农产品加果实以外的秸秆、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。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。 生物质能：生物质能

3、是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种生物质能：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，直接或间接来源于植物的光合作用。地球上的植物进能量形式，直接或间接来源于植物的光合作用。地球上的植物进 行光合作用所消费的能量，占太阳照射到地球总辐射量的行光合作用所消费的能量，占太阳照射到地球总辐射量的0.2%， 这个比例虽不大，但绝对值很惊人：光合作用消费的能量是目前这个比例虽不大，但绝对值很惊人：光合作用消费的能量是目前 人类能源消费总量的人类能源消费总量的40倍。倍。 1.2 1.2 生物质能的转化利用技术生物质能的转化利用技术 2.12.1 生物质固硫型煤生产工艺生物质固硫型煤生

4、产工艺 2.22.2 生物质固硫型煤燃烧特性生物质固硫型煤燃烧特性 1）点火性能）点火性能 可燃基挥发分比原煤高，进入炉膛后，生物质首先燃烧，使型可燃基挥发分比原煤高，进入炉膛后，生物质首先燃烧，使型 煤短时间达到着火点，生物质燃料燃烧后体积收缩，使型煤产生煤短时间达到着火点，生物质燃料燃烧后体积收缩，使型煤产生 很多孔道及空袭，形成多孔形球体。很多孔道及空袭，形成多孔形球体。 2）燃烧机理）燃烧机理 静态渗透式扩散燃烧静态渗透式扩散燃烧 燃烧由表面及不断深入到内部，不会发生热解析炭冒烟现象。燃烧由表面及不断深入到内部，不会发生热解析炭冒烟现象。 3）固硫特性）固硫特性 生物质比煤先燃烧，形成

5、的空隙起到了膨化疏松作用，使固硫生物质比煤先燃烧，形成的空隙起到了膨化疏松作用，使固硫 剂剂CaO颗粒内部不易发生烧结，可使空袭率增加，增大颗粒内部不易发生烧结，可使空袭率增加，增大SO2和和O2 向向CaO颗粒内的扩散作用，提高钙的利用率。颗粒内的扩散作用，提高钙的利用率。 可在较低的可在较低的Ca/S下，使固硫率达到下，使固硫率达到50%以上。以上。 3.13.1 生物质热化学转换生物质热化学转换 3.23.2 生物质热解技术生物质热解技术 烧炭：少量空气进行热分解制取木炭的方法。烧炭：少量空气进行热分解制取木炭的方法。 干馏（低温干馏干馏（低温干馏500-580 0C，中温干馏，中温干馏

6、660-750 0C，高温干馏，高温干馏900-1100 0C）：隔绝空气的环境加热，制取醋酸、甲醇、木焦油抗聚剂、木馏油和木 ）：隔绝空气的环境加热，制取醋酸、甲醇、木焦油抗聚剂、木馏油和木 炭等产品。炭等产品。 快速热解：在缺氧的情况下快速加热，然后迅速将其冷却为液态生物原油快速热解：在缺氧的情况下快速加热，然后迅速将其冷却为液态生物原油 的热解方法。尽可能获得更多的液体产物。的热解方法。尽可能获得更多的液体产物。 3.33.3 生物质热解过程与原理生物质热解过程与原理 1）生物质热解过程和产物）生物质热解过程和产物 过程过程-a. 干燥阶段：干燥阶段：120-150 0C，水分蒸发。，水

7、分蒸发。 b. 预炭化阶段：预炭化阶段：150-275 0C，木材化学组成发生变化，不稳定组分分解，木材化学组成发生变化，不稳定组分分解 为为CO2、CO和少量醋酸。和少量醋酸。 c. 炭化阶段：炭化阶段：275-450 0C，木材急剧热分解，产生大量产物，发出大量，木材急剧热分解，产生大量产物，发出大量 的反应热。的反应热。 d. 煅烧阶段：煅烧阶段：450-500 0C，进行木炭的煅烧，排除残留在木炭中的挥发，进行木炭的煅烧，排除残留在木炭中的挥发 物质，提高木炭中固定碳含量。物质，提高木炭中固定碳含量。 产物产物-固体：木炭固体：木炭 液体：粗木醋酸，包括液体：粗木醋酸，包括200种以上

8、有机物，酸类、醇类、醛类、酯类、种以上有机物，酸类、醇类、醛类、酯类、 酚类、芳香化合物、杂环化合物及胺类等。酚类、芳香化合物、杂环化合物及胺类等。 气体：气体：CO2、CO、CH4、C2H4 和和H2 2）生物质热解的原理）生物质热解的原理 包括分子键断裂，异构化和小分子聚合等反应。包括分子键断裂，异构化和小分子聚合等反应。 3）影响生物质热解的因素）影响生物质热解的因素 a.热解的最终温度：木炭产量随温度升高逐渐降低热解的最终温度：木炭产量随温度升高逐渐降低 木醋酸组成在木醋酸组成在270-400 0C变化较大，变化较大，4000C变化变化 不显著。不显著。 b. 升温速率：加热速率加快，

9、木炭产量下降，焦油产量增加，最大可升温速率：加热速率加快，木炭产量下降，焦油产量增加，最大可 达达80%的生物原油产率的生物原油产率 c. 压力：在压力：在1.33Pa的真空下热解，不释放热量，的真空下热解，不释放热量，3.15MPa热解，放大热解，放大 量的热。量的热。 d. 含水率：含水率过高，热解所需时间较长。较干的木材热解会放热含水率：含水率过高，热解所需时间较长。较干的木材热解会放热 较快，降低木炭产量较快，降低木炭产量 e. 木炭的形态：沿纤维方向的热导率比纤维垂直方向的热导率大。木炭的形态：沿纤维方向的热导率比纤维垂直方向的热导率大。 f. 反应的气氛：采用过热蒸汽处理，可得到酸

10、率反应的气氛：采用过热蒸汽处理，可得到酸率8%。 3.43.4 生物质快速热解技术生物质快速热解技术 1）生物质快速热解）生物质快速热解 生物质在缺氧的状态下，在极短的时间（生物质在缺氧的状态下，在极短的时间（0.5-5s）加热到）加热到500-540 0C， 然后其产物迅速冷凝的热解过程。然后其产物迅速冷凝的热解过程。 2）快速热解工艺）快速热解工艺 3.53.5 生物原油的燃料特性及应用生物原油的燃料特性及应用 1）相对密度）相对密度 液体燃料在液体燃料在20 0C下的密度与下的密度与4 0C水的密度之比，生物燃油为水的密度之比，生物燃油为1.2，柴，柴 油为油为0.85，热值相当于，热值

11、相当于40%相同质量的燃油。相同质量的燃油。 2）热稳定性）热稳定性 加热到加热到100 0C以上时，会析出占原有质量以上时，会析出占原有质量50%的木炭。的木炭。 因此需要加氢裂解或水蒸气裂解因此需要加氢裂解或水蒸气裂解 3）应用）应用 替代燃油在固定场所应用替代燃油在固定场所应用 提取化工原料提取化工原料 3.6 3.6 生物质生物质直接液化技术直接液化技术 生物质在高压下，直接与氢气发生反应，转化为液体燃料的热化学反应过程。生物质在高压下，直接与氢气发生反应，转化为液体燃料的热化学反应过程。 一般需使用催化剂。一般需使用催化剂。 热解与液化的区别热解与液化的区别 热化学过程热化学过程催化

12、剂催化剂压力压力/MPa主要产物主要产物 热解热解不需要不需要0.1-0.5生物原油生物原油 液化液化需要需要5-20液化油液化油 工艺：工艺： 1）一步法催化加氢液化技术）一步法催化加氢液化技术 由德国开发，连续液化（由反应器、热分离器和冷却器组成），由德国开发，连续液化（由反应器、热分离器和冷却器组成）， 生物质颗粒与催化剂和循环油混合，反应在生物质颗粒与催化剂和循环油混合，反应在20MPa氢分压和氢分压和380 0C下下 进行约进行约15 min，进入气相的液体产品在热分离器中快速蒸馏，塔底重，进入气相的液体产品在热分离器中快速蒸馏，塔底重 油用作循环油，其余液体产物冷却到室温后得到沸程

13、油用作循环油，其余液体产物冷却到室温后得到沸程60-360 0C的油的油 品，其中品，其中99%为正己烷可溶物。为正己烷可溶物。 2）水中液化）水中液化 日本开发，间歇反应器，以日本开发，间歇反应器，以He为载气，反应温度为为载气，反应温度为250-400 0C， 催化剂为碱金属的碳酸盐，产油率为催化剂为碱金属的碳酸盐，产油率为50%（采用发酵残渣为原料）。（采用发酵残渣为原料）。 Na2CO3+H2+2CO-2HCOONa+CO2 2C6H10O5+2HCOONa-2C2H10O4+H2O+CO2+Na2CO3 3）煤与生物质共同液化）煤与生物质共同液化 可降低煤的液化温度，增加低分子量的戊

14、烷可溶物，生物质与煤可降低煤的液化温度，增加低分子量的戊烷可溶物，生物质与煤 相互作用机理不明。相互作用机理不明。 液化油的性质：液化油的性质： 高黏度、高沸点的酸性物质高黏度、高沸点的酸性物质 4.1 4.1 气化的基本原理气化的基本原理 1）氧化层）氧化层 C+O2CO2 2C+O2-2CO 2CO+O2-2CO2 2H2+O22H2O 2）还原层）还原层 C+H2OCO+H2 C+CO22CO C+2H2CH4 4.2 4.2 气化过程的指标气化过程的指标 1）气体产率）气体产率 单位质量生物质气化所得的燃气体积，单位质量生物质气化所得的燃气体积，m3/kg 2）气化强度）气化强度 气化

15、炉中每单位截面积每小时气化生物质质量气化炉中每单位截面积每小时气化生物质质量kg/m2.h 3）气化效率，又称冷气体效率）气化效率，又称冷气体效率 单位质量生物质气化所得到的燃气在完全燃烧时所放出的热量与气化使用的生单位质量生物质气化所得到的燃气在完全燃烧时所放出的热量与气化使用的生 物质发热量之比，是衡量气化过程的主要指标。物质发热量之比，是衡量气化过程的主要指标。 %100 kg/kJ kg/m)m/kJ( % 33 ）生物质发热量（ ）气体产率（燃气热值 ）气化效率（ 4.34.3气化的分类气化的分类 无气化剂无气化剂 干馏气化干馏气化 生物质气化生物质气化 空气气化空气气化 氧气气化氧

16、气气化 有气化剂有气化剂 水蒸气气化水蒸气气化 水蒸气水蒸气-空气气化空气气化 氢气气化氢气气化 4.44.4气化的设备气化的设备 下吸式气化炉（逆流式气化炉）下吸式气化炉（逆流式气化炉） 固定床气化炉固定床气化炉 上吸式气化炉（顺流式气化炉）上吸式气化炉（顺流式气化炉） 横吸式气化炉横吸式气化炉 生物质气化炉生物质气化炉 鼓泡床气化炉鼓泡床气化炉 流化床气化炉流化床气化炉 循环流化床气化炉循环流化床气化炉 双床气化炉双床气化炉 携带床气化炉携带床气化炉 4.54.5生物质燃气净化生物质燃气净化 4.64.6生物质燃气的主要用途生物质燃气的主要用途 水洗：除尘、除焦、冷却三种功能水洗：除尘、除

17、焦、冷却三种功能 过滤：除尘、除焦过滤：除尘、除焦 静电除焦：效率可达静电除焦：效率可达90% 催化裂化：将焦油裂解成小分子气体。催化裂化：将焦油裂解成小分子气体。 1）提供热量）提供热量 直接燃烧，燃料适应性广。直接燃烧，燃料适应性广。 2）气化发电）气化发电 3）化工原料）化工原料 制造甲醇制造甲醇 二甲醚二甲醚 合成氨等。合成氨等。 5.15.1概述概述 5.25.2生物柴油生物柴油 1）定义）定义 生物燃料：以生物质为原料生产的液体燃料，如生物柴油、乙醇和二甲醚等。生物燃料：以生物质为原料生产的液体燃料，如生物柴油、乙醇和二甲醚等。 2）生物燃料的优势）生物燃料的优势 a. 可持续发展

18、可持续发展 b. 减少温室气体排放减少温室气体排放 c. 促进区域经济发展促进区域经济发展 d. 能源安全能源安全 1）生物柴油）生物柴油 以植物油（油菜、向日葵、大豆、棕榈油等）为原料，通过化学方法获以植物油（油菜、向日葵、大豆、棕榈油等）为原料，通过化学方法获 得的一种生物燃料。得的一种生物燃料。 2）化学法生产生物柴油）化学法生产生物柴油 植物油植物油过滤过滤酯化酯化 清洗清洗 催化剂催化剂 甲醇甲醇/乙醇乙醇 甘油混合物甘油混合物 生物柴油生物柴油 对于含有游离脂肪酸、聚合物及分解物等杂质的高酸值油质进行酯化前，对于含有游离脂肪酸、聚合物及分解物等杂质的高酸值油质进行酯化前， 需进行预

19、处理。两种方法：需进行预处理。两种方法： a. 物理精炼物理精炼 将油脂将油脂-水化或磷酸处理水化或磷酸处理-脱出磷脂及胶质脱出磷脂及胶质-预热脱水、脱气预热脱水、脱气加入过量加入过量 蒸汽蒸汽-蒸出游离酸蒸出游离酸 b. 甲酯预酯化甲酯预酯化 油脂油脂脱磷脂及胶质脱磷脂及胶质脱水脱水加入乙醇加入乙醇+酸性催化剂酸性催化剂-游离酸声称甲酯游离酸声称甲酯 3）生物柴油的燃料特性）生物柴油的燃料特性 生物柴油与常规柴油的特性比较生物柴油与常规柴油的特性比较 主要燃料特性主要燃料特性生物柴油生物柴油 常规柴油常规柴油主要燃料特性主要燃料特性生物柴油生物柴油 常规柴油常规柴油 相对密度相对密度0.88

20、0.83十六烷值十六烷值5649 动力粘度动力粘度40 0C/mm2/s4-62-4燃烧功效（柴油燃烧功效（柴油=100%） /% 104100 闭口闪点闭口闪点/0C10060S（质量分数）（质量分数）/%0.0010.2 5.35.3生物燃料乙醇生物燃料乙醇 1）乙醇的制备方法）乙醇的制备方法 a. 化学合成法化学合成法 乙烯水合法（硫酸水合法、直接水合法），乙醛加氢法乙烯水合法（硫酸水合法、直接水合法），乙醛加氢法 b. 发酵法发酵法 利用微生物的发酵作用将糖份活淀粉转化为乙醇的方法。利用微生物的发酵作用将糖份活淀粉转化为乙醇的方法。 世界世界60%乙醇由甜菜发酵而成，乙醇由甜菜发酵而成

21、，7%化学合成，化学合成，33%其他原料，其他原料，1998年统计数据。年统计数据。 2）无水乙醇的制备）无水乙醇的制备 a. 吸水剂脱水法吸水剂脱水法 CaO+H2OCa(OH)2 CaO+2CH3COOH(CH3COO)2Ca+H2O 副反应副反应 b. 分子筛法分子筛法 水分可被沸石分子筛吸附（吸附的水分可被沸石分子筛吸附（吸附的3/4为水，为水，1/4为乙醇）为乙醇） c. 共沸脱水法共沸脱水法 向乙醇水溶液中加入苯或戊烷、环己烷等，形成三元共沸物。向乙醇水溶液中加入苯或戊烷、环己烷等，形成三元共沸物。 d. 真空蒸馏法真空蒸馏法 真空条件下，乙醇真空条件下，乙醇-水的共沸物向乙醇浓度

22、增大的方向发展。水的共沸物向乙醇浓度增大的方向发展。 e. 蒸馏蒸馏-膜脱水法膜脱水法 将蒸馏的酒精通过高分子膜塔制得无水乙醇。将蒸馏的酒精通过高分子膜塔制得无水乙醇。 2）无水乙醇的制备）无水乙醇的制备 f. 加盐脱水法加盐脱水法 向乙醇中加入向乙醇中加入CaCl2或或KCl等，改变其平衡状态，使共沸点消失。等，改变其平衡状态，使共沸点消失。 g. 有机物吸附脱水法有机物吸附脱水法 应用多糖物质，淀粉、玉米粉、纤维渣等作吸附脱水剂。应用多糖物质，淀粉、玉米粉、纤维渣等作吸附脱水剂。 h. 离子交换脱水法离子交换脱水法 用离子交换树脂作为吸附剂。用离子交换树脂作为吸附剂。 5.45.4甲醇甲醇

23、 1）甲醇性质）甲醇性质 又称木醇或木精，有毒，饮入又称木醇或木精，有毒，饮入5-10 ml即双目失明，大量则至死。在即双目失明，大量则至死。在 汽油中可以掺入汽油中可以掺入25%，提高辛烷值。，提高辛烷值。 甲醇的燃料特性甲醇的燃料特性 性质性质数值数值性质性质数值数值 相对密度（相对密度（20 0C）0.80馏程馏程/0C65 辛烷值辛烷值100热值热值/（kJ/kg）19647 闪点闪点11汽化潜热汽化潜热/（kJ/kg）1105 2）甲醇生产工艺）甲醇生产工艺 生物质生物质-合成气的制造合成气的制造-合成气净化合成气净化-甲醇合成甲醇合成-甲醇精馏甲醇精馏 两类催化剂：两类催化剂： a

24、. ZnO-Cr2O3为基础的改良氧化物系统催化剂，反应压力为基础的改良氧化物系统催化剂，反应压力34MPa, 温度温度 320-380 0C，转化率，转化率12-15%。 b. CuO-ZnO/Al2O3的二代催化剂，反应压力的二代催化剂，反应压力2-5 MPa，温度，温度250-260 0C。 3）甲醇转化制汽油）甲醇转化制汽油 由美国由美国Mobile公司开发，公司开发，ZSM-5分子筛为催化剂，使甲醇脱水、分子筛为催化剂，使甲醇脱水、 低聚和异构化转化为汽油，可得到含量低聚和异构化转化为汽油，可得到含量40%，辛烷值为，辛烷值为95的无氮、无硫的无氮、无硫 汽油。汽油。 CH3OH+H

25、2OCH3OCH3-脂肪烃、环烷烃、芳香烃。脂肪烃、环烷烃、芳香烃。 4）甲醇的应用）甲醇的应用 汽油添加剂、燃料电池、化工原料。汽油添加剂、燃料电池、化工原料。 5.55.5二甲醚二甲醚 1）二甲醚性质）二甲醚性质 CH3OCH3，低毒，具有麻醉作用。，低毒，具有麻醉作用。 1）二甲醚性质）二甲醚性质 CH3OCH3，低毒，具有麻醉作用，是汽油柴油的有力竞争者。，低毒，具有麻醉作用，是汽油柴油的有力竞争者。 2）生产工艺）生产工艺 a. 甲醇脱水法甲醇脱水法 b. 合成气合成合成气合成 二甲醚的燃料特性二甲醚的燃料特性 性质性质数值数值性质性质数值数值 相对密度相对密度/（kg/L）0.75爆炸极限爆炸极限/%3.4-27 十六烷值十六烷值55低位发热量低位发热量/（MJ/kg）28.9 6.1 6.1一定时期生物质能仍是发展中国家主要能源一定时期生物质能仍是发展中国家主要能源 从从1990年起，世界生物质能源的年增长率年起，世界生物质能源的年增长率1.5%。 传统的生物质能利用方式将越来越少，现代的利用方式将逐渐增加。传统的生物质能利用方式将越来越少，现代的利用方式将逐渐增加。 2001年世界初级能源消费状况年世界初级能源消费状况1998年世界初级能源消费状况年世界初级能源消费状况 6.26.2生物质