生物质化工课件

生物质化工第一章生物质的概念，功能及种类第二章废弃物资源第三章生物质原料植物资源第四章生物质压缩成型燃料技术第五章生物质直接燃烧技术第六章固体生物质裂解转化技术第七章生物质燃料乙醇转化第八章生物柴油的转化第九章沼气发酵第十章生物质制氢第十一章木质纤维素的生物分解及其转化技术第十二章生物基产品转化技术第十三章固体废弃物处理与堆肥化技术第一章生物质的概念，功能及种类

第一节：生物质（能）概念第二节：生物质能源利用第三节：生物质化学物理性质生物质概念生物质：通过光合作用而直接或间接形成的各种有机体，包括所有的动物、植物和微生物等等。若把地球史看做一天，则00:00地球形成；4:00出现生物质，而23:58:44秒人类出现，迄今有记载的人类历史不过几秒长，远远短于生物质。Whatisbiomassenergy?生物质能是蕴藏在生物质中的能量，是绿色植物通过光合作用将太阳能转化为化学能而贮存起来的能量。即以生物质为载体的能量。是唯一一种可再生的碳源。是太阳能的一种表现形式。CO2+H2O{CH2O}+O2

通过光合作用，植物每年转化约2000亿吨的C02中的碳为碳水化合物，并存储了3ⅹ1013GJ的太阳能，相当于目前世界能源消耗量的10倍左右。

生物质能（源）今天的能源煤、石油、天然气等化石能源被大规模利用。化石能源给人类带来便利的同时，带来了能源与环境的双重困境。水能、风能、太阳能等可再生能源进入人们视野。生物质能源重获关注。太阳能－生物质能－生物能源太阳能燃料酒精生物氢能生物燃气城乡居民生活燃料生物质能源能是通过绿色植物的光合作用将太阳辐射的能量以一种生物质形式固定下来的能源。是人类最重要的间接利用太阳能方式。生物质能的利用1)可再生性生物质能属可再生资源,生物质能由于通过植物的光合作用可以再生；

2)低污染性—洁净性（燃烧过程污染相对低）生物质的硫含量、氮含量低、燃烧过程中生成的SOX、NOX较少；生物质灰分含量低于煤3)挥发组分高，易燃，燃烧相对充分；容易气化生物质的大部分挥发组分可在400℃左右释放出，而煤在800℃才释放出30％左右的挥发组分；4)生物质燃料总量十分丰富、广泛分布性。生物质能是世界第四大能源,仅次于煤炭、石油和天然气。在世界能源消耗中，生物质能占总能耗的14％，但在发展中国家占40％以上。生物质能的优点可再生性低污染性理论上不产生GHG，低含量的N，S化合物，可以大量减少NOx，SOx等有毒气体排放，被称为“绿色能源”；利用一万吨秸秆代替燃煤，可以减少CO2排放1.4万t，SO240t，烟尘100t．生物质燃料二氧化碳零排放玉米乙醇的碳循环Biomassvs.fossilfuelsThevitaldifferencebetweenbiomassandfossilfuels:timescaleontheformationandusage；BiomassmaintainsaclosedcarboncyclewithnonetincreaseinatmosphericCO2levels生物质能源储量地球表面积5.1亿km2,陆地面积1.49亿km2,海洋面积3.61亿km2。陆地植物每年可以固定的太阳能1.97×1021焦，海洋植物每年可以固定9.2×1020焦，相当于1730亿吨有机物质碳燃烧的能量。其中蕴含的能量相当于全世界能源消耗总量的10-20倍，但目前的利用率不到3%。生物质燃料总量十分丰富分布广泛生物质能源分布不受地域的限制，山川大地、茫茫戈壁和浩瀚海洋都有生物质能源的踪迹；缺乏煤炭的地域，可充分利用生物质能。生物能具备下列优点：

*可再生性；

*低污染性

*广泛分布性

*生物质燃料总量十分丰富缺点:

*含碳量小，能量密度低；重量轻、体积大，给运输带来难度；燃料热值低；

*

含氧量多。密度小。*有机物的水分偏多(50%～95%)。

生物能的优缺点生物质能来源于生物质。生物质是有机物中除矿物燃料外的所有来源于动物、植物的能再生的物质。世界上生物质能资源种类繁多，主要有：（1）各类废弃生物质资源（2）能源作物/林木（3）非粮粮食类此外，藻类、水生植物和能进行光合作用的微生物等也是可以开发利用的生物质能资源。能源生物质第一章生物质的概念，功能及种类

第一节：生物质（能）概念第二节：生物质能源利用第三节：生物质化学物理性质生物质能利用的历史自原始农业社会，秸秆和薪柴就一直是主要的燃料，这就是传统生物质能，有时统称薪炭。1860年，薪炭在世界能源消耗中所占比例仍高达73.8%。随着化石燃料的大量开发利用，薪炭能源的比例逐渐下降。1973年能源危机的爆发及矿物能源的严重污染，使可再生能源，得到了国际上的广泛重视和发展。更为广泛的生物质来源，更多的生物质能利用方式，逐渐被人类发现并普及应用。专家估计，到21世纪中叶采用新技术生产的各种生物质替代燃料将占全球总能耗的很大比重。生物质能利用

生物质利用形式生物质发电生物质气体燃料固体致密成型燃料生物质液体燃料生物能源燃料乙醇燃料丁醇生物汽油生物柴油………直接燃烧热化学转化（油、气）（高温分解、气化）生物化学转化（沼气、酒精）生物质能利用能源转换过程生物质燃料固体生物质燃料（1）生物质直接燃烧直接燃烧是最古老、最广泛的生物质利用方式。得到的热量，可直接利用，也可进行后续转换（如发电）。不过，直接燃烧的转换效率往往很低。与煤炭相比，生物质燃料的特点为：－碳氢化合物受热分解挥发分多，释放的能量过半；－含氧量多，易点燃，而不需太多氧气供应；－密度小，容易充分烧尽，灰渣中残留的碳量小；－含碳量少，能量密度低，燃烧时间短；－松散，体积大，不便运输。生物质能利用—直接燃烧热效率低于20%lossloss（2）固体成型燃料以木质素为黏合剂，将松散的秸秆、树枝和木屑等农林废弃物挤压成特定形状的固体燃料，即压缩成型。压缩成型可以解决天然生物质分布散、密度低、松散蓬松造成的储运困难、使用不便等问题。原料主要是锯末、木屑、稻壳、秸秆等，其中含有纤维素、半纤维素和木质素，占植物成分的2/3以上。一般将原料粉碎到一定细度后，在一定压力、温度和湿度条件下，挤压成棒状、球状、颗粒状的固体燃料。其能源密度相当于中等烟煤，热值显著提高，便于储运。固体生物质燃料（2）固体成型燃料气体燃料的优点包括：①既可直接燃烧，又能用来驱动发动机和涡轮机；②能量转化效率比生物质直接燃烧高；③便于运输；等等。（1）木煤气可燃的生物质在高温条件下经过干燥、干馏热解、氧化还原等过程后，能产生可燃性混合气体，称为生物质燃气，俗称“木煤气”

。主要成分有CO、H2、CH4、CmHn等可燃气体和CO2、O2、N2等不可燃气体及少量水蒸气。另外，还有由多种碳氧化合物组成的大量煤焦油。气体生物质燃料人畜粪便、农林废弃物、有机废水等，在密封装置中利用特定微生物分解代谢，能产生可燃的混合气体，称为沼气。主要成分是甲烷(CH4)，通常体积占60%～70%。甲烷的发热值很高，完全燃烧时仅生成CO2和H2O，并释放热能，是一种清洁燃料。1m3

沼气的含热量相当于0.8kg标准煤。（2）沼气主要包括燃料乙醇、植物油、生物柴油等，都可以直接代替柴油、汽油等由常规液体燃料。生成途径有酶发酵和化学转化等。物理稳定性和化学稳定性都更好。液体生物质燃料乙醇俗称酒精，进一步脱水（含量高于99.6%）再加适量的变性剂即可制成燃料乙醇。主要原料：淀粉质原料，甘薯、土豆等；糖质原料，如甜菜等；纤维素原料，例如农作物秸秆、林木加工残余等。（1）燃料乙醇美国乙醇发展计划巴西乙醇计划BrasilianFuelAlcoholProgramme

巴西政府为替代进口石油而进行的一项国家计划。在1973年世界石油危机的冲击下，巴西政府为减轻对进口石油的依赖，利用本国丰富的甘蔗资源，从1975年起开始实施以乙醇（酒精）代替汽油的计划。利用含油植物的果实、叶、茎，经压榨、提取、萃取和精炼等处理得到的油料。发热量一般可达37~39MJ/kg，比柴油稍小。单独使用或与柴油混合，植物油都可在柴油机里直接燃烧。不过直接燃烧会在汽缸中留下未烧完的碳。液体生物质燃料（2）植物油来自生物质的原料油经一系列加工处理制成的液体燃料。原料包括植物油脂、动物油酯、废弃食用油等。生产主要以化学法为主，即原料油与甲醇或乙醇在酸、碱或生物酶等催化剂作用下进行酯交换反应。性质与常规柴油相近，是汽油、柴油的优质代用燃料。也可按一定比例与柴油混合使用。液体生物质燃料（3）生物柴油第一章生物质的概念，功能及种类

第一节：生物质（能）概念第二节：生物质能源利用第三节：生物质化学物理性质

BABA（一）生物质的生物结构一、生物质的结构与组成

BABABA（二）生物质的化学组成

1.木质纤维类生物质构成植物骨架的主要成分是：木质纤维素（lignocellulose），它主要由以下三种成分组成：

纤维素（cellulose）

半纤维素（hemicellulose）

木质素（lignin）1.1纤维素

纤维素分子链结构式纤维素是由D-葡萄糖基通过β-1,4糖苷键联结而成的线形高分子化合物，其化学结构的实验分子式为(C6H10O5)n，分子量约50000～2500000，相当于300～15000个葡萄糖基。（1）分子结构1.1纤维素

特性纤维素超分子结构有结晶区和非结晶区（无定形区）组成，结晶区占主体，结晶区的致密结构是导致其难生物降解的主要原因。150~240℃开始降解，葡萄糖基开始脱水；240~400℃糖苷键开始断裂，超过300℃产生焦油；温度超过370℃时，质量损失达40%~60%。热值：12.5MJ/kg左右纤维素受光的辐射吸收光能后，引起C-C键或C-O键断裂，发生光降解。酸或碱可以使纤维素发生水解。1.1半纤维素

半纤维素是木糖（XylanorXyl)、阿拉伯糖(ArabinoseorAra)、半乳糖(GalactoseorGal)、甘露糖(MannoseorMan)、葡萄糖(GlucoseorGluorGlc)等构成的一类多糖化合物。（1）分子结构半纤维素分子结构模型1.2半纤维素

（2）形态结构半纤维素与纤维素交叉连接在一起形成一个网络结构。目前普遍认为二者之间通过氢键和范德华力相作用。1.2半纤维素（3）特性半纤维素具有支链，因此它的聚集态结构一般是无定形的，易于生物降解，某些半纤维素具有结晶结构。半纤维素受热发生裂解，半纤维素主要热解温度在210℃～320℃。裂解的起始温度比纤维素低。酸或碱可以使半纤维素发生水解。1.3木质素

木质素是由苯基丙烷结构单元通过醚键，C－C键连接而成的、非结晶性的、芳香族高分子化合物。（1）分子结构木质素的结构单元软木木质素的定性简化模型1.3木质素

（2）特性木质素是非晶体结构，一般在127~193℃开始软化（即玻璃化转化），使具有粘性。木质素热解比较缓慢，热解温度区间跨度最大，主要热解温度为200℃～550℃。木质素热解产物主要是邻甲氧基苯酚。热值高：25MJ/kg左右木质素难以被生物降解，从理论上讲，其生物降解需要氧的存在，因此，不能被厌氧微生物所降解。但在厌氧发酵过程中，木质素存在由大分子向小分子片段转化的现象。木质素、纤维素和半纤维素热重曲线三种化学成分在典型木材细胞壁中的分布二、生物质物理性质堆积密度。褐煤560～600kg/m3；烟煤800～900kg/m3。生物质的堆积密度远远低于煤的堆积密度。玉米秸秆的堆积密度为30~50kg/m3

。2.1堆积密度堆积密度是指在自然堆积情况下包括燃料颗粒空间在内的密度，反映了单位体积中燃料的质量。真实密度：即通常所说的物质的密度，是指颗粒间空隙为零时计算的物质密度。部分生物质堆积密度生物质是多孔性物质，孔隙中充满空气，空气是热的不良导体，所以生物质的导热性较小。生物质导热性除受温度影响外，还取决于木材的密度、含水率和纤维方向。生物质导热性随着密度或含水率的增加而提高。三种木材在不同纤维方向的热导率2.2导热性三、工业分析和元素分析工业分析是指用工业分析法得出燃料的规范性组成，该组成可给出固体燃料中可燃成分和不可燃成分的含量。可燃成分包括挥发分和固定碳，不可燃成分为水分和灰分。可燃成分和不可燃成分都是以质量分数来表示，其总和应为100%。元素分析组成是用元素分析法得出的组成生物质各种元素含量的多少。水分（外在水分、内在水分和结晶水分）灰分（主要为含Ca、Al、Si、Fe等元素的无机矿物质）固定碳（由C元素组成的固态物质）挥发分（由C、H、O、N、S、等元素组成的气态物质）有机物（可燃部分）无机物（不可燃部分）生物质生物质的工业分析组成和元素分析游离水（自由水），附着于生物质颗粒表面或吸附于毛细孔内，它又分为外在水分和内在水分。有流动性，会因加热蒸发流失。3.1水分生物质中的水分以其形态分为游离水分、化合结晶水。化合结晶水（水合水）是同生物质内矿物质成分结合在一起的水。他们不是液态水。概念：是指以机械方式附着在生物质的表面上以及在较大毛细孔（直径＞10-4mm）中存留的水分。自然干燥可去除。外在水分的蒸汽压与空气中水蒸汽压力相平衡时失去的水分即外在水分。外在水分的数值随测定时空气湿度和温度而变化。3.1水分外在水分（Surfacemoisture）内在水分（Inherentmoisture）概念：生物质中以物理化学结合力吸附在生物质内部毛细管(直径＜10-5cm)中的水分为内在水分。内在水分的蒸汽压力小于同温度下纯水的蒸汽压力，所以很难在室温下除去，必须在105～110℃的温度下干燥才能除去。生物质中内在水分的含量比较稳定，而且有近似的固定值（5%左右）。化合结晶水（Decompositionmoisture）结晶水在生物质中含量很少。超过200℃时，才会分解逸出，如CaSO4·2H2O、Al2O3·2SiO2·2H2O等分子中的结晶水。但是温度超过200℃时，生物质中的有机质也开始分解，所以结晶水不可能用加热的方法单独地测出，它的值不列入生物质的水分之中，与挥发物一道计入挥发分。3.1水分水分对生物质利用的影响3.1水分1.降低生物质的热值2.增加生物质的黏附性能，影响其流动性，引起喂料器堵塞3.使生物质着火困难，影响燃烧速度，使炉内温度降低，使机械和化学不完全燃烧的热损失增加。4.燃烧后的烟气体积较大，随烟气带走的热量损失较多，同时，烟气体积增加，排风机所消耗的电能也随之增加。隔绝空气条件下对燃料进行加热，首先是水分蒸发，随后燃料中的有机物开始分解并逐渐析出各种气态物质，即挥发分。挥发分在数量上并不包括燃料中游离水分蒸发的水蒸气；剩下的不挥发物称为焦渣。3.2挥发分生物质挥发分主要是生物质燃料中有机质在一定温度和条件下，受热分解后产生的可燃性气体，被称为“挥发分”，挥发分主要含有H2、CO、CH4等可燃气体和少量的O2、N2、CO2等不可燃气体。定义燃料种类挥发分含量（质量分数）/%秸秆63～80木材72～78无烟煤≤10烟煤20～403.2挥发分生物质挥发分含量的特点高一般地，生物质中灰分含有：Ca、Al、Mg、Na、K、Fe、O、Si、Cl等，还有少量的Zn、P等。3.3灰分定义生物质有高温（500～600℃）灼烧后留下的残余物即为灰分。称量残留物的重量即可计算出样品中总灰分的含量。元素组成3.3灰分特性生物质灰分中的共晶钠和钾盐在大约700℃的条件下就能汽化。大约在650℃时，这些碱金属的蒸气就开始凝结到颗粒上面，然后在锅炉系统的水冷壁和空气预热器的表面上沉积下来。同时，由于生物质中氯元素的存在，继而带来受热面的腐蚀问题。氯、钾、钙、铁、硅、铝等成分，特别是氯和钾，其含量比任何固体燃料都高得多。使得结渣和沉积腐蚀问题非常严重。生物质成型燃料在锅炉内燃烧时，当炉温达到780℃以后，部分金属和非金属氧化物融化，并和未燃尽燃料混搅在一起形成结渣，阻挡空气进入炉膛

生物质燃烧形成的沉积物固定碳是相对于挥发分中碳而言的，例如在灰渣中包含的未燃烧的碳一般就是这种碳。固定碳的燃点很高，需在较高温度下才能着火燃烧，所以燃料中固定碳的含量越高，则燃料愈难燃烧，着火燃烧所需的温度也就越高。在柴草中固定碳的含量较少（14%～25%），挥发分较多，因此容易点燃，也容易燃尽。3.4固定碳定义从测定生物质的挥发分后的残渣中减去灰分后的残留物称为固定碳几种主要生物质的工业分析（%）种

类水分灰分挥发分固定碳含量豆

秸5.103.1374.6517.12稻

草4.9713.8665.1116.06玉米秸4.875.9371.9517.75高粱秸4.718.9168.9017.48谷

草5.338.9566.9318.79麦

秸4.938.9067.3619.35棉花秸6.783.9768.5420.71杂

草5.439.4668.7116.40杨树叶2.3413.6567.5916.42柳木（安徽）6.723.6777.1712.44杨木（安徽）6.263.5073.6816.56松木（安徽）6.250.7678.9514.04稻壳15.869.30元素分析是指组成燃料的碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、硫（S）等。燃料中各组成元素的性质及其含量与燃料燃烧性能却是密切相关的，其影响也各不相同。3.5元素分析收到基：Car＋Har＋Oar＋Nar＋Sar＋Mar＋Aar=100%空气干燥基：Cad＋Had＋Oad＋Nad＋Sad＋Mad＋Aad=100%干燥基：Cd＋Hd＋Od＋Nd＋Sd＋Ad=100%干燥无灰基：Cdaf＋Hdaf＋Odaf＋Ndaf＋Sdaf=100%ar-asreceivedad-airdryd-drydaf-dryashfree元素分析必须标明分析基础，不同基的元素分析结果用下列方程式表示：

碳碳是燃料中最基本的可燃元素，1kg碳完全燃烧时生成二氧化碳，可释放出大约33858kJ热量，固体燃料中碳的含量基本决定了燃料热值的高低。生物质中Cdaf44%～58%，而煤的形成年代愈长，碳元素含量愈高，泥煤Cdaf

50%～60%，褐煤Cdaf60%～77%，无烟煤Cdaf90%～98%。碳在燃料中一般与H、N、S等元素形成复杂的有机化合物，在受热分解（或燃烧）时以挥发物的形式析出（或燃烧）。此外