生物能源技术

关于生物能源技术能源问题1973年，世界第一次能源危机。能源紧张已经是全球面临的关键性难题之一，解决能源危机关系到全球经济的可持续发展。第一节能源概况化石燃料，有限能源（枯竭）第2页,共82页，2024年2月25日，星期天能源是可从其获得热、光和动力之类能量的资源。能源的概念——

《科学技术百科全书》

确切而简单地说，能源是自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源。第3页,共82页，2024年2月25日，星期天第一部分：生物能源概况生物能源是用生物质为原料生产的能源。包括生物燃料乙醇、生物柴油、生物氢气、生物沼气及生物气化和液化等产生的能源产品。

第4页,共82页，2024年2月25日，星期天钻木取火、伐薪烧炭第一代生物能源第二代生物能源生物能源的发展历史

第5页,共82页，2024年2月25日，星期天生物能源的地位与作用

生物能源是人类赖以生存的重要能源，居于世界能源消费的第四位。

生物能源是一种可再生的清洁能源

，将来会成为支柱能源之一。世界生物能源消费：约15％。

第6页,共82页，2024年2月25日，星期天生物质与生物质能

生物质是各种生命体产生或构成生命体的有机质的总称。是指有机物中除化石燃料外的所有来源于动、植物能再生的物质。它是由有生命的组织及其衍生物和与生物转化有关的物质构成的集合，是由光合作用产生的有机物。

第7页,共82页，2024年2月25日，星期天生物质能

生物质能是蕴藏在生物质中的能量，是指直接或间接地通过绿色植物的光合作用，把太阳能转化为化学能后固定和贮藏在生物体内的能量。

其化学反应式：

6CO2+6H2O→6O2+C6H12O6+1840kJ/mol

第8页,共82页，2024年2月25日，星期天直接燃烧：农作物秸秆柴热化学转换：在一定的温度和条件下，使生物质汽化、炭化、热解和催化液化，以生产气态燃料、液态燃料和化学物质的技术。生物质的生物化学转换

沼气转化：有机物质在厌氧环境中，通过微生物发酵产生一种以甲烷为主要成分的可燃性混合气体即沼气。

乙醇转换：是利用糖质、淀粉和纤维素等原料经发酵制成乙醇。其他转换生物质能生物制氢

生物质能的利用主要有直接燃烧、热化学转换和生物化学转换等3种途径。第9页,共82页，2024年2月25日，星期天生物质的分类城市垃圾b)有机废水

c)粪便

d)林业生物质e)农业废弃物f)水生植物

g)能源植物第10页,共82页，2024年2月25日，星期天生物质能的优点

a)可再生性

b)低污染性

c)广泛分布性

d)生物质燃料总量十分丰富。第11页,共82页，2024年2月25日，星期天1、中国：96年的薪柴、秸秆的消耗量已达2.2亿吨标准煤,约占能源消费量的14％，占农村能源消耗量的34％，占农村生活用能的59％。（1）省柴节煤炉灶，（2）沼气（有机物、垃圾填埋发电）；（3）薪炭林，（4）畜禽场、秸秆沼气。生物质能分布状况第12页,共82页，2024年2月25日，星期天中国生物质能资源分布第13页,共82页，2024年2月25日，星期天3、世界：美国、瑞典、奥地利，生物质能转化率4％、16％和10％。美国生物质能发电超10000兆瓦，湿法处理垃圾，回收沼气发电生产肥料。巴西是开发乙醇燃料占汽车燃料的50％以上。美国1兆瓦的稻壳纤维素废料发电。巴西每年用甘蔗生产的燃料乙醇产量达1400万吨，成为世界上第一个不销售纯汽油的国家。2、亚非国家：生物质能占全国能源消费总量的40％以上。第14页,共82页，2024年2月25日，星期天国外生物能源的开发利用日本的阳光计划。印度的绿色能源工程巴西的酒精能源计划第15页,共82页，2024年2月25日，星期天50年代推广沼气。本世纪初发展燃料乙醇。2005年，《中华人民共和国可再生能源法》通过。2006年至今，投入生物质能源产业开发。速度慢，规模小；成本高！“不与民争粮、不与粮争地”中国生物能源的开发利用第16页,共82页，2024年2月25日，星期天农作物废弃物发电厂第17页,共82页，2024年2月25日，星期天1.生物柴油2.生物乙醇3.生物沼气4.生物制氢生物能源的主要技术第18页,共82页，2024年2月25日，星期天生物柴油生物柴油是利用生物酶将植物油或其他油脂分解后得到的液体燃料，作为柴油的替代品更加环保。生物柴油所遇到的问题是作为原料的植物油成本较高。最近，科学家发现，一些微生物也能合成油脂，这也许可以为克服生物柴油的原料问题起到重要作用。第19页,共82页，2024年2月25日，星期天生物乙醇燃料乙醇是目前世界上生产规模最大的生物能源。以一定的比例掺入汽油可作为汽车的燃料，不但能替代部分汽油，而且排放的尾气更清洁。我国的燃料乙醇生产已形成规模，主要是以玉米为原料，同时正在积极开发甜高粱、薯类、秸秆等其他原料生产乙醇，目前产量居世界第三。第20页,共82页，2024年2月25日，星期天生物沼气沼气是微生物发酵秸秆、禽畜粪等有机物产生的混合气体，主要成分是可燃的甲烷。生产沼气的设备简单，方法简易，适合在农村推广使用。我国已有许多地方的农村和畜牧场使用了沼气。沼气的推广使用节约了资源，保护了环境，也提高了农民的生活质量。目前，沼气的规模化生产需要解决的是设备及提高甲烷含量等技术问题。第21页,共82页，2024年2月25日，星期天生物制氢氢气的燃烧产物只有水，因此氢气是最清洁的能源。氢气可以利用生物质通过微生物发酵得到，这一过程被称为生物制氢。目前我国科学家已获得了能高效产氢的微生物，哈工大生物制氢技术领先世界（厌氧活性污泥为产氢菌种的发酵法生物制氢技术）。

第22页,共82页，2024年2月25日，星期天生物能源在能源体系中处于何种地位？生物能源技术主要有哪几大类？思考题第23页,共82页，2024年2月25日，星期天第二部分：生物柴油技术第24页,共82页，2024年2月25日，星期天背景(background)过去的200多年，建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大地推动了人类社会的发展；大规模使用化石燃料所带来的严重后果：资源日益枯竭，环境不断恶化，还诱发了不少国与国之间、地区之间的政治经济纠纷，甚至冲突和战争；人类必须寻求一种新的、清洁的、安全的、可靠的能源系统。生物能源作为一类可再生、可持续的能源成为当今国际上新能源开发的热点。第25页,共82页，2024年2月25日，星期天主要参考书目可再生能源可持续能源清洁/绿色能源第26页,共82页，2024年2月25日，星期天第一节生物柴油概述生物柴油的发展历史生物柴油的制备方法生物柴油研究利用现状生物柴油与国家能源的安全第27页,共82页，2024年2月25日，星期天生物柴油的发展历史1896年，RudolphDiesel试制出压力点火内燃机——柴油机，驱动燃料为花生油，这也被认为是最初意义上的生物柴油。1912年，R.Diesel预言植物油将成为一个新的能源方向。植物油的分子量大、碳链长、黏度高、低温性差、不易雾化、易炭化结焦、堵塞油喷嘴，制造成本高。第28页,共82页，2024年2月25日，星期天驱动燃料的发展廉价的液体能源―石油，成为主流能源，石化柴油被用于发动机驱动燃料。石化柴油大量使用带来了许多问题，如石化柴油含有的许多有害物质，如多环芳烃、硫化物，通过燃烧后直接排入大气，危害人类生存环境；石化能源是不可再生的，因而面临着能源终将枯竭等问题。第29页,共82页，2024年2月25日，星期天1980年美国开始研究用豆油代替柴油；狭义定义

1983年CrahamQuick首先将亚麻子油的甲酯用于发动机，并将可再生的脂肪酸甲酯定义为生物柴油“Biodiesel”；1984年脂肪酸甲酯或乙酯用于代替柴油燃料；第30页,共82页，2024年2月25日，星期天广义定义生物柴油是指以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂，以及动物油脂、废餐饮油等为原料通过酯交换工艺制成的甲酯或乙酯燃料，这种燃料可供内燃机使用。第31页,共82页，2024年2月25日，星期天BXX含义?第32页,共82页，2024年2月25日，星期天生物柴油技术是指利用植物油、废机油、轮胎油、地沟油、动植物油、酸化油、脂肪酸、毛油、焦化一线油、二线油、废塑料油、废橡胶油经精制成生物柴油的技术。生物柴油成为新经济产业的亮点的表现:

(1)战略高度；(2)技术标准；

(3)政府补贴；(4)生产规模。

第33页,共82页，2024年2月25日，星期天稀释：利用石化柴油来稀释植物油；微乳化法：利用乳化剂降低植物油黏度；热解法：高温将高分子变成简单分子；酯交换：是利用甲醇、乙醇将植物油中的甘油三酸酯中的甘油取代下来，形成长链的脂肪酸甲酯，从而降低碳链的长度；生物技术方法：利用脂肪酶将长链的高分子降解成短链的碳氢化合物。生物柴油制备方法第34页,共82页，2024年2月25日，星期天生物柴油生产及消费循环第35页,共82页，2024年2月25日，星期天欧洲和美国生物柴油用量预计到2011年，欧盟的生物柴油用量将达990万吨德国、法国及意大利在生物柴油生产方面均处于前列根据美国国家生物柴油委员会的数据，目前有65家公司投资于生物柴油生产及营销预计到2007年，生物柴油年用量将达到约130万吨(千吨)(千吨)资料来源:Frost&Sullivan。资料来源:美国国家生物柴油委员会。欧盟生物柴油用量美国生物柴油用量第36页,共82页，2024年2月25日，星期天生物柴油在其他国家巴西

巴西建了一个日处理10吨油料的生物柴油的生产线，巴西科技部制订的目标是，2005年的加入比为5%，至2020年达到20%。加拿大

加拿大是用蔗渣为原料制取生物柴油。日本

日本1995年开始研究生物柴油，用煎炸油、复循环烹饪油、废弃食用油为原料生产生物柴油。印度

印度目前柴油消耗量约有500亿升，其产生的污染一直是个大问题。印度的生物燃料产业刚刚起步。第37页,共82页，2024年2月25日，星期天韩国韩国目前有年生产能力2O万吨的生物柴油生产厂；马来西亚马来西亚采用棕榈油和废油也生产出了生物柴油，但整个国家的用量不大。印度尼西亚利用棕榈油生产生物柴油。新西兰新西兰利用肉联厂的副产品油脂为原料制取生物柴油。西班牙西班牙在巴塞罗那拥有一年产5万吨的生物柴油工厂。第38页,共82页，2024年2月25日，星期天第二节生物柴油原料第39页,共82页，2024年2月25日，星期天生物柴油原料资源种类植物油脂

草本、本本、水生油料植物油动物油脂废弃食用油第40页,共82页，2024年2月25日，星期天世界生物柴油生产原料构成图第41页,共82页，2024年2月25日，星期天生物柴油原料资源能源植物种的选择，富油植物的引种栽培、遗传改良，建立“柴油林林场”；发达国家用于生产生物柴油的原料：大豆（美国）油菜籽（欧共体国家）棕榈油（东南亚国家）第42页,共82页，2024年2月25日，星期天油料植物油料作物，是大规模栽培的农作物或木本油料，是我国目前发展生物柴油的主要原料；油脂植物，是处于野生状态或半野生状态有一定含量（10%以上）的植物。第43页,共82页，2024年2月25日，星期天石油植物1986年，美国卡尔文博士发现一种名为“三叶橡胶树”的高大常绿乔木胶汁中的化学成分与柴油十分相似，大戟（jǐ）科橡胶树属高大乔木。又名巴西橡胶树、三叶橡胶树,俗称胶树。所分泌胶乳的加工品橡胶,是重要的工业原料。第44页,共82页，2024年2月25日，星期天除“三叶橡胶树”以外，科学家们还发现300多种灌木、400多种花卉植物都含有一定比例的“石油”。“石油植物”主要集中在夹竹桃科、大戟科、萝摩科、菊科、桃金娘科以及豆科植物中。折断这些植物的茎叶，可从伤口看见有乳白色或黄褐色液体流淌出来，这些液体中便含有与石油成分相似的碳氢化合物，值得特别强调的是这些植物种子油经过转化加工后可得生物柴油。第45页,共82页，2024年2月25日，星期天中国油料植物现状中国现已查明的油料植物(种子植物)种类为151科697属1554种，其中种子含油量在40%以上的植物为154种；分布广、适应性强、可用作建立规模化生物柴油原料基地的乔灌木种不足10种；分布集中成片可建作原料基地，并能利用荒山、沙地等宜林地进行造林建立起规模化的良种供应基地的生物柴油木本植物仅几种，如：漆树科的黄连木，大戟科的麻疯树，山茱萸科的光皮树等。第46页,共82页，2024年2月25日，星期天草本植物油油菜籽油/大豆油/花生油/向日葵油/糠油（米糠油）/玉米油/亚麻籽油第47页,共82页，2024年2月25日，星期天木本植物油油棕(Elaeisguinensis)

椰子(Cocosnucifera)

油棕，英文名Oilpalm，棕榈科，原产热带非洲。我国海南、云南省有引种，果实榨油，精炼后食用和工业用；椰子，英文名Coconutpalm，棕榈科，一说原产中美洲，一说原产东南亚。我国海省有商业性种植，是热带景观树，果鲜食用或加工椰汁(奶)、椰油；油茶，

山茶科，

灌木，种子含油30%，重要油脂植物，兼观赏植物。长江以南广为栽培或野生，资源丰富。

油茶(Camelliaoleifera)第48页,共82页，2024年2月25日，星期天中国现有木本油料林600多万公顷，主要油料树种果实年产量在200万吨以上，其中不少是可以转化为生物柴油的原料。以下几种是最重要的物种：第49页,共82页，2024年2月25日，星期天麻疯树麻疯树，科名：大戟科Euphorbiaceae，别名：小桐子，青铜木，千年树等。它原产美洲，现广泛分布于亚热带及干热河谷地区。麻风树是目前已知最速生的高效树种之一。麻疯树林3年可挂果投产、5年进入盛果期。果实采摘期长达50年，果实的含油率为60～80%，麻疯树的干果产量为300～800kg/亩，平均产量约660kg/亩。麻风树品种果仁出油率平均高达64．45%，每亩可提取精品柴油175公斤左右。麻疯树籽粒含油率高，被生物质能源研究专家称之为“黄金树”、“柴油树”。１２３第50页,共82页，2024年2月25日，星期天光皮树光皮树为山茱萸科木属落叶乔木，是一种理想的多用途油料树种。光皮树广泛分布于黄河以南地区,集中分布于长江流域至西南各地的石灰岩区,垂直分布在海拔1000米以下。光皮树油有两大突出特点:一是光皮树全果含油酸和亚油酸高达77.68%(其中油酸38.3%、亚油酸38.85%)，所生产的生物柴油理化性质优(如冷凝点和冷滤点)；二是利用果实作为原料直接加工(冷榨或浸提)制取原料油，加工成本低廉，得油率高。第51页,共82页，2024年2月25日，星期天文冠果树文冠果，无患子科。落叶小乔木。我国特有的优良木本油料树种。文冠果种子含油量为35%～40%，种仁含油量为72%。自然分布于陕西、山西、河北、内蒙古、宁夏、甘肃、河南等地

第52页,共82页，2024年2月25日，星期天黄连木黄连木漆树科别名烂心木落叶性乔木,高15-25公尺。阳性树,生长速度中等。原产我国,以河北、河南、山西、陕西等省最多。种子富含油脂，含油率高达42.5％，是一种木本油料树种。近年来随着生物柴油技术的发展，黄连木被喻为“石油植物新秀”，已引起人们的极大关注。第53页,共82页，2024年2月25日，星期天绿玉树别名：光棍树、光枝树科属：大戟科、大戟属

原产非洲。直立灌木或小乔木。枝肉质，圆柱状，绿色，簇生或散生。叶缺少或仅有数枚散生，线状，矩圆形。蒴果暗褐色，被毛。

在南方温暖地带可以露地栽培，在长江流域及其以北地区要在温室培养。一般是冬季在温室、夏季在露天培养。

第54页,共82页，2024年2月25日，星期天动物油脂牛羊油猪油水产油脂第55页,共82页，2024年2月25日，星期天废弃食用油脂我国每年产生废油400—800万吨，包括:煎炸食品后留下的煎炸废油；从剩饭菜中经油水分离得到的油脂（潲、泔水油）；餐具洗涤过程中流入下水道中的油品（地沟油）；油脂加工企业产生的酸油以及造酒行业产生的酒糟油等。

第56页,共82页，2024年2月25日，星期天生物柴油原料选择选择指标含油率；产量；采集、提取和加工的难易程度；必须适合我国国情

山地多，耕地少，要充分利用发挥山地资源优势，大力地规模栽培木本油料植物。第57页,共82页，2024年2月25日，星期天生物柴油的原料发展战略短期目标主要利用一年生草本作物如油菜、大豆。它们种植一年即可收获，其油性成分经榨取、提纯、改性后，再用于制取生物柴油。中长期目标对于大多数油料木本植物而言，生长结实的周期长，要采集其果实、种子或其他器官制取生物柴油，需要的时间也较长。２－３年可收获：麻疯树，续随子，桉树，沉水樟。３－５年可收获：光皮树，黄连木等。第58页,共82页，2024年2月25日，星期天第二节生物乙醇概述生物乙醇是指通过微生物的发酵将各种生物质转化为燃料酒精。它可以单独或与汽油混配制成乙醇汽油作为汽车燃料。第59页,共82页，2024年2月25日，星期天作用汽油掺乙醇有两个作用：一是乙醇辛烷值高达115，可以取代污染环境的含铅添加剂来改善汽油的防爆性能；二是乙醇含氧量高，可以改善燃烧，减少发动机内的碳沉淀和-氧化碳等不完全燃烧污染物排放。同体积的生物乙醇汽油和汽油相比，燃烧热值低30％左右，但因为只掺入10％，热值减少不显著，而且不需要改造发动机就可以使用。

第60页,共82页，2024年2月25日，星期天发展现状美国和欧洲不约而同地都选择生物燃料乙醇作为主要的替代运输燃料，并制订了雄心勃勃的开发计划。2007年1月，美国总统布什在《国情咨文》中宣称，美国计划在今后10年中将其国内的汽油消费量减少20%，其中15%通过使用替代燃料实现，计划到2017年燃料乙醇的年使用量达到1325亿升，是目前年使用量的7倍。2007年3月，欧盟27国出台了新的共同能源政策，计划到2020年实现生物燃料乙醇使用量占车用燃料的10%。第61页,共82页，2024年2月25日，星期天中国开发生物燃料乙醇的热潮也在近两年骤然升温。2005年，中国生产燃料乙醇125万吨，2006年增长到133万吨。中国燃料乙醇的消费量已占汽油消费量的20%左右，成为继巴西、美国之后第三大生物燃料乙醇生产国和消费国。第62页,共82页，2024年2月25日，星期天在美国使用的是E85乙醇汽油，即85%的乙醇和15%的汽油混合作为燃料，而美国是用甘蔗和玉米来生产乙醇的，这种E85汽油的价格与性能与常规汽油相似。美国有300万辆车是既可以用汽油也可以用E85，而且通用汽车公司还在大量生产这种使用两类燃料的汽车。现在，美国每年要消耗30亿加仑的乙醇添加到汽油中。如今E85已占乙醇燃料的85%，也正在受到公众的喜爱。然而，这似乎还不够。为了节能和环保，2005年6月28日美国参议院还通过了一项能源法案，要求到2012年，每年石油供应商应当添加80亿加仑的乙醇到汽油中。第63页,共82页，2024年2月25日，星期天未来发展目前的工业化生产的燃料乙醇绝大多数是以粮食作物为原料的，从长远来看具有规模限制和不可持续性。以木质纤维素为原料的第二代生物燃料乙醇是决定未来大规模替代石油的关键。第64页,共82页，2024年2月25日，星期天美国能源部预计纤维素燃料乙醇可能在2012年左右即可取得重要突破。欧洲的一些研究机构则认为大约在2015－2020年，此外还有一些研究机构认为则有可能在2025年之后纤维素燃料乙醇才能进入规模生产和市场应用阶段。第65页,共82页，2024年2月25日，星期天中国在纤维素酶生产技术、戊糖发酵菌株构建等方面还没有取得根本性突破。目前各单位中试研究的每吨纤维素乙醇的原料消耗都在6吨以上，生产成本估算都在5000-6500元／吨乙醇以上，还不适合于工业化生产。

理性估算，中国的纤维素乙醇形成规模化生产至少还要3-4年以上研究。（河南天冠、安徽丰原等公司的纤维素燃料乙醇的研发和示范走在全国前列。）第66页,共82页，2024年2月25日，星期天应用目前世界上已有40多个国家，不同程度应用乙醇汽车，有的已达到较大规模的推广，乙醇汽车的地位日益提升。乙醇汽车的燃料应用方式：

1、掺烧，指乙醇和汽油掺合应用。在混合燃料中，乙醇和容积比例以“E”表示，如乙醇占10%，15%，则用E10，E15来表示，目前，掺烧占乙醇汽车占主要地位。2、纯烧，即单烧乙醇，可用E100%表示，目前应用并不多，属于试行阶段；3、变性燃料乙醇，指乙醇脱水后，再添加变性剂而生成的乙醇，这也是属于试验应用阶步；四、灵活燃料，指燃料既可用汽油，又可以使用乙醇或甲醇与汽油比例混合的燃料，还可以用氢气，并随时可以切换。如福特，丰田汽车均在试验灵活燃料汽车（FFV）第67页,共82页，2024年2月25日，星期天全球现在使用生物乙醇MTBE，通常以5-15%的混合量在不需要修改/替换现有汽车引擎的状况下加入；有些时候生物乙醇ETBE也以替代铅的方式加入汽油中，以提高辛烷值而得到较洁净的汽油；也可以完全替代汽油使用为输送燃料。

第68页,共82页，2024年2月25日，星期天第三节生物沼气概述沼气，顾名思义就是沼泽里的气体。人们经常看到，在沼泽地、污水沟或粪池里，有气泡冒出来，如果我们划着火柴，可把它点燃，这就是自然界天然发生的沼气。生物沼气:是各种有机物质，在隔绝空气（还原条件），并必适宜的温度、湿度下，经过微生物的发酵作用产生的一种可燃烧气体。第69页,共82页，2024年2月25日，星期天发酵原理利用微生物代谢作用来生产各种产品的工艺过程称为发酵。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（如人畜家禽粪便、秸秆、杂草等）在一定的水分、温度和厌氧条件下，通过种类繁多、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性气体（沼气）的复杂的生物化学过程。沼气发酵是一个复杂的微生物学过程，只有有了大量的沼气微生物，并使各种类群的微生物得到最佳的生长条件，各种有机物原料才会在微生物的作用下转化为沼气。

第70页,共82页，2024年2月25日，星期天第71页,共82页，2024年2月25日，星期天第72页,共82页，2024年2月25日，星期天发酵为生物种类沼气发酵微生物是一个统称，包括发酵性细菌、产氢产乙酸菌、耗氢产乙酸菌、食氢产甲烷菌、食乙酸产甲烷菌五大类群。前三类群细菌的活动可使有机物形成各种有机酸统称为不产甲烷菌；后二类群细菌的活动可使各种有机酸转化成甲烷统称为产甲烷菌。

微生物按照各自的营养需要，起着不同的物质转化作用。从复杂有机物的降解，到甲烷的形成，就是由它们分工合作和相互作用而完成的。在沼气发酵过程中，五大类群细菌构成一条食物链。从各群细菌的生理代谢产物或它们的活动对发酵液pH值的影响来看，沼气发酵过程可分为水解、产酸和产甲烷阶段。第73页,共82页，2024年2月25日，星期天1.不产甲烷菌

不产甲烷菌能将复杂的大分子有机物变成简单的小分子量的物质。它们的种类繁多，根据作用基质来分，有纤维分解菌、半纤维分解菌、淀粉分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌和一些特殊的细菌，如产氢菌、产乙酸菌等。

2.产甲烷菌

产甲烷菌是沼气发酵的主要成分--甲烷的产生者。是沼气发酵微生物的核心，它们严格厌氧，对氧和氧化剂非常敏感，最适宜的pH值范围为中性或微碱性。它们依靠二氧化碳和