2025年大学《能源化学》专业题库- 生物质资源气相热化学转化技术

2025年大学《能源化学》专业题库——生物质资源气相热化学转化技术考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。下列每小题均有多个正确选项，请将正确选项的字母填在题干后的括号内。多选、错选、漏选均不得分。）1.生物质气相热化学转化主要包括以下哪些过程？（）A.干馏B.气化C.热解D.催化裂化E.水煤气变换2.生物质气相热化学转化的主要产物包括？（）A.合成气（CO+H₂）B.生物油C.生物炭D.水煤气E.焦油3.影响生物质气相热化学转化过程效率的因素主要有？（）A.原料性质（如水分、灰分、挥发分、固定碳）B.反应温度C.反应压力D.反应气氛（如氧气、氮气、水蒸气）E.停留时间4.生物质气化过程中，下列哪些反应通常被认为是吸热反应？（）A.C+H₂O→CO+H₂B.C+O₂→CO₂C.C₂H₄+H₂O→C₂H₆+OD.CH₄+H₂O→CO+3H₂E.CO+H₂O→CO₂+H₂5.在生物质气相热化学转化中，焦油的存在通常是一个问题，因为它？（）A.会堵塞反应器和后续设备B.含有致癌物质C.会降低目标产物（如合成气）的纯度D.难以储存和利用E.增加反应热需求二、填空题（每空2分，共20分）1.生物质气相热化学转化过程通常涉及复杂的物理化学变化，包括______、______和______。2.气相热化学转化过程的热力学分析通常基于______和______原理。3.根据反应器内温度的不同，生物质气相热化学转化过程大致可分为______、______和______三个区域。4.催化剂在生物质气相热化学转化中主要起到______、______和______等作用。5.生物质气相热化学转化产生的合成气，其组分比例通常用______系数（syngasratio,H₂/CO）来衡量。三、简答题（每小题5分，共20分）1.简述生物质气化和生物质热解在反应原理、主要产物和典型应用上的主要区别。2.解释气相热化学转化过程中，反应温度对产物分布（如CO、H₂、焦油、生物炭等）的影响规律。3.简述提高生物质气相热化学转化中目标产物（如合成气、生物油）选择性的主要途径。4.简述生物质气相热化学转化技术在解决能源问题和环境问题方面的意义。四、论述题（每小题10分，共30分）1.论述影响生物质气化炉内传热传质过程的因素，并说明如何优化传热传质以提升气化效率。2.以气化反应为例，简述化学动力学在生物质气相热化学转化过程研究中的作用，并说明如何通过动力学研究来优化反应条件。3.面对生物质气相热化学转化过程中产生的焦油问题，探讨几种主要的焦油去除或裂解技术及其原理。---试卷答案一、选择题（每小题2分，共20分。下列每小题均有多个正确选项，请将正确选项的字母填在题干后的括号内。多选、错选、漏选均不得分。）1.(A,B,C)解析：生物质气相热化学转化是指生物质在缺氧或limited氧气条件下，通过加热发生热分解，主要涉及干馏、气化和热解等过程。催化裂化属于液相或气相催化转化，非生物质主要转化方式。水煤气变换是合成气后续处理过程。2.(A,B,C,E)解析：生物质气相热化学转化的主要产物包括气态产物（合成气、CO₂、H₂O、少量CH₄等）、液态产物（生物油）和固态产物（生物炭/灰分）。水煤气是煤气化产生的特定合成气，非通用产物分类。焦油是液态副产物之一，但并非唯一主要产物。3.(A,B,C,D,E)解析：原料性质（水分、灰分、挥发分、固定碳）直接影响反应活性与产物分布；反应温度是控制反应方向和速率的关键；反应压力影响气体分压和平衡常数；反应气氛（氧化性、还原性、中性）决定反应路径；停留时间影响反应程度和选择性。4.(A,C,D,E)解析：C+H₂O→CO+H₂（水煤气变换反应）、C₂H₄+H₂O→C₂H₆+O（水蒸气裂解乙烯，假设有C₂H₄生成）、CH₄+H₂O→CO+3H₂（水煤气变换反应的甲烷化）、CO+H₂O→CO₂+H₂（水煤气变换反应）均为吸热反应。C+O₂→CO₂为放热反应。5.(A,B,C,D,E)解析：焦油易凝结堵塞设备，影响工艺连续性；焦油成分复杂，部分具有毒性或致癌性，带来环境和健康风险；焦油会污染目标产物，降低其纯度和利用价值；焦油难以储存和运输；焦油裂解需要额外能量，降低整体效率。二、填空题（每空2分，共20分）1.热分解，气化，焦油化2.热力学，动力学3.预热区，反应区，后处理区4.降低活化能，改变反应路径，提高目标产物选择性5.H₂/CO三、简答题（每小题5分，共20分）1.答：气化是在不完全燃烧条件下，生物质与氧化剂（通常是氧气或水蒸气）反应生成富含CO和H₂等可燃气体的过程，侧重于产气。热解是在缺氧或无氧条件下，生物质热分解生成生物油、生物炭和气体产物的过程，侧重于产炭和生物油。主要区别在于反应条件（氧气/水蒸气参与程度）、主要目的（产气/产炭/产油）和主要产物组成。2.答：升高温度通常有利于吸热反应进行，提高目标气体（CO、H₂）产率，但同时可能导致副反应（如二次水煤气变换、焦油生成和裂解）加剧，使焦油产率和生物炭产率下降。不同温度区域产物侧重不同：低温区（<500°C）生物油产率较高，高温区（>800°C）合成气产率较高。3.答：主要途径包括：优化反应条件（如精确控制温度、压力、气氛、停留时间）；使用高效催化剂（如铁基、镍基催化剂）降低活化能，选择性促进目标反应；改进反应器设计（如流化床、微通道反应器）强化传热传质，减少副反应；采用多级反应或反应-分离耦合技术。4.答：该技术可将广泛分布、低品位的生物质资源转化为高价值的能源产品（燃气、生物油、生物炭），有助于替代化石燃料，减少温室气体排放和空气污染，实现能源可持续发展和碳循环。四、论述题（每小题10分，共30分）1.答：影响传热传质的主要因素包括：原料特性（形状、尺寸、热导率）、反应器类型与结构（几何形状、流化状态）、操作条件（温度、压力、流速、气氛）以及反应过程中的物理化学变化（如相变、产物流动性变化）。优化传热传质的关键在于：采用合适的反应器类型（如流化床、固定床的改进设计）以提高接触效率；优化操作参数（如适宜的停留时间、流速）；改进原料预处理（如造粒、增大尺寸均匀性）；强化内部传热措施（如添加内构件）；设计高效的尾气处理系统以减少能量损失。通过优化，可提高反应物转化率、产物选择性、降低反应时间，提升整体气化效率。2.答：化学动力学研究反应的速率和机理，对生物质气相热化学转化至关重要。通过动力学研究，可以：确定反应级数和速率常数，描述反应速率与温度、浓度（或分压）的关系；阐明反应机理，揭示关键中间体的生成和转化路径，理解各基元步骤的速率控制因素；建立动力学模型，预测在不同条件下反应的转化深度和产物分布；为优化反应条件（如选择最佳温度、压力、气氛）提供理论依据，以最大化目标产物产率或选择性；指导新型催化剂的设计和开发，通过改变反应路径或活化能来提高转化效率。3.答：主要的焦油去除或裂解技术及其原理包括：①高温裂解：利用高温（通常>700-900°C）使焦油分子断裂成小分子气体（如CO、H₂、CH₄）或轻质液体，通常在气化炉内通过提高反应区温度实现，或在专门的热解单元中进行。原理是提供足够的能量打破焦油大分子键。②催化裂解：使用固体催化剂（如酸性催化剂、贵金属催化剂）在相对较低温度下（如500-700°C）促进焦油分解。原理是催化剂表面提供活性位点，降低反应活化能，加速焦油分子断裂和转化。③非催化热氧化：向气流中喷入少量空气或氧气，在特定温度下（如300-600°C）使焦油氧化燃