建筑能源应用技术-课件 第7、8章 电能应用技术、生物质能利用技术

第7章电能应用技术建筑供电特点·新型电力系统·光储直柔本章核心通过电气化、分布式发电、余热利用、储能、直流配电与柔性控制，可逐步成为能够与电网双向互动的能源节点。01第7章电能应用技术｜课程导入学习目标1了解建筑供配电特点及方式；2熟悉建筑新型电力系统，特别是空调系统供电的特点及作用；3掌握建筑光储直柔的系统设计原理。02本章主要内容7.1建筑供电的特点①建筑电气化、

②建筑负荷规律

③建筑与电动车用电协同

7.2建筑新型电力系统①新型电力系统特征

②建筑冷热电联产

③吸收式制冷调峰03第7章电能应用技术｜课程导入7.3建筑光储直柔技术①定义与价值

②系统设计原理

③系统运行与控制2.17.1建筑供电的特点建筑电气化持续提高，但建筑用电仍具有设计容量大、实际负荷率低、季节波动明显等特征，这些特征也为接入电动车、储能配置和需求响应提供了调节空间。04第7章电能应用技术学习路径：建筑电气化→负荷规律→建筑与电动车协同05建筑电气化的含义•建筑领域实现碳中和包括降低直接碳排放和减少间接碳排放两个维度。•降低直接排放可通过调整用能结构，以电替代煤、油和气，提高电力在建筑总能耗中的占比。•我国建筑电气化率为58.3%，仍有提升空间。•推进炊事、生活热水和供暖电气化时，还应推广高能效建筑用电设备和产品。7.1.1建筑电气化第7章电能应用技术06建筑用能电力替代行动目标减少建筑温室气体直接排放。替代方向积极推动以电代气、以电代油。重点终端炊事、生活热水、供暖等。效率要求同步推广高能效建筑用电设备和产品。7.1.1建筑电气化第7章电能应用技术07设计容量为何常大于实际负荷•机电系统设计通常按最不利末端、最不利工况和最大负荷确定容量。•配电系统为保障供电，还会设置安全余量。•多数建筑机电系统的容量不直接决定结构安全，却会影响能源节约和经济运行。•实际工程中容量选择过大的现象较常见，因此必须区分设计容量、最大负荷和实际运行负荷。7.1.2建筑负荷规律1）建筑设计容量大，实际负荷率低，季节性变化大第7章电能应用技术08等效利用小时与平均负荷率•建筑年用电量与入口配电功率的比值一般为500～1800h。•建筑变压器年平均负荷率仅为6%～20%。•较低平均负荷率意味着配电容量在许多时段没有充分利用。•这一现象虽然不利于经济运行，却为充电桩接入创造了容量条件。7.1.2建筑负荷规律第7章电能应用技术1）建筑设计容量大，实际负荷率低，季节性变化大09办公与住宅负荷曲线为何不同图7.1建筑用电负荷曲线示意图•办公建筑用电主要集中在工作时段，节假日全天用电较少。•住宅建筑负荷随居家活动变化，用电高峰多出现在晚上。•工作日住宅晚高峰通常早于节假日。•负荷曲线的形状反映建筑功能、人员活动和设备使用时序。7.1.2建筑负荷规律2）周期波动明显，

蓄能和调整用能时段均可形成负荷调节潜力第7章电能应用技术10建筑负荷具有多周期波动日周期白天与夜晚负荷不同。周周期工作日与节假日负荷不同。季节周期空调与采暖使四季负荷发生变化。调节含义波动越明显，越需要判断可转移和可削减的负荷。7.1.2建筑负荷规律2）周期波动明显，

蓄能和调整用能时段均可形成负荷调节潜力第7章电能应用技术11建筑与交通用电增长趋势•未来建筑领域用电将达到4万亿kW·h，当前约为2万亿kW·h。•预计2030年我国纯电动车保有量达到5000万辆，2050年突破3亿辆。•未来交通领域用电将达到2万亿kW·h，当前约为0.1万亿kW·h。•建筑与交通的增量和总量在电力系统中占重要位置，可再生能源消纳必须考虑两类负荷。7.1.3建筑与电动车用电协同1）建筑和交通领域的整体发展趋势第7章电能应用技术12为什么建筑能够接入大量充电桩？•建筑变压器平均负荷率仅为20%～40%，为充电桩接入创造条件。•利用既有建筑配电容量，基本可以满足相当部分电动车充电需求。•电动车停靠车位多位于住宅、办公和商业建筑周边。•车辆与建筑可能共用同一变电站甚至同一配电网，因而充放电行为与建筑负荷高度耦合。7.1.3建筑与电动车用电协同2）建筑和电动车的使用互动关系第7章电能应用技术13车辆行驶与停放决定充放电时机图7.2私家车行驶与停放规律•现阶段，电动车可能夜间在住宅区充电以消纳低谷电，白天在工作地放电参与削峰。•随着光伏快速发展，未来可能白天在工作地充光伏电，晚上在住宅区放电。•因此充放电策略必须同时考虑车辆出行、建筑负荷和可再生能源发电时序。7.1.3建筑与电动车用电协同2）建筑和电动车的使用互动关系第7章电能应用技术14BVB：建筑—车辆—建筑低谷或光伏富余时充电车辆电池储能建筑高峰时放电削峰并减少配网增容建筑电动车交互（BVB）通过有序充电和双向充放电，使车辆储能与建筑负荷协同。7.1.3建筑与电动车用电协同3）建筑与电动车的技术融合方式第7章电能应用技术15需求响应进一步提高建筑柔性空调负荷利用热惰性和设定值调整进行短时响应。建筑储能通过充放电改变建筑对电网的取电功率。电动车利用有序充电和双向互动参与削峰填谷。综合效果提高供电安全、减少配网增容并提升设备利用效率。7.1.3建筑与电动车用电协同3）建筑与电动车的技术融合方式第7章电能应用技术2.17.2建筑新型电力系统新能源、电力电子设备和柔性负荷大量接入后，电源、负荷、电网形态与运行逻辑都发生变化。建筑冷热电联产则通过现场发电和余热回收实现能源梯级利用。16学习路径：系统内涵与四类转变→CCHP组成与设备→余热利用与调峰第7章电能应用技术171）新型电力系统的内涵•以新能源为供给主体，以确保能源电力安全为基本前提。•以满足经济社会发展电力需求为首要目标，以智能电网为枢纽平台。•以“源网荷储”互动与多能互补为支撑。•基本特征包括清洁低碳、安全可控、灵活高效、智能友好和开放互动。7.2.1新型电力系统的特征第7章电能应用技术182）新型电力系统的特征电源结构煤电主导转向新能源装机占主导。负荷特性刚性消费负荷转向柔性、产消兼具。电网形态单向逐级输电转向交直流混联、微网和多向配置。运行特性“源随荷动”转向“源荷互动”。7.2.1新型电力系统的特征第7章电能应用技术19电源结构的转变•传统系统以可控、连续出力的煤电装机为主。•新型系统逐步转向强不确定性、弱可控性的新能源发电装机占主导。•表面特征是新能源占比提高，本质还包括零碳或近零碳与新技术特性。•系统必须提高预测、调节和安全控制能力，以适应新能源出力波动。7.2.1新型电力系统的特征2）新型电力系统的特征第7章电能应用技术20负荷特性的转变•负荷由传统刚性、纯消费性向柔性、生产与消费兼具转变。•高比例可再生能源与高比例电力电子设备形成“双高”特征。•供给侧随机性与需求侧随机性形成“双随机”特性。•双随机要求系统具备恢复力和弹性，建筑柔性负荷由此成为重要资源。7.2.1新型电力系统的特征2）新型电力系统的特征第7章电能应用技术21电网形态的转变•传统电力系统以单向、逐级输电为主。•新型系统包括交直流混联大电网、微电网、局部直流电网和可调节负荷能源互联网。•电能配置由单向转变为双向、多向和多能配置。•发电、输电、配电、用电等环节之间的边界逐步融合。7.2.1新型电力系统的特征2）新型电力系统的特征第7章电能应用技术22运行特性的转变•传统电网采用“源随荷动”的实时平衡模式和大电网一体化控制。•新型系统运行逻辑转向“源荷互动”。•源荷互动并不取消电力系统安全稳定的物理约束。•电源、网络、负荷和储能需要共同承担平衡与调节任务。7.2.1新型电力系统的特征2）新型电力系统的特征第7章电能应用技术23•冷热电三联供通过集成现场发电与暖通空调系统，实现能源梯级利用。•该类系统也称集成式能源系统（IES）。•系统可节约化石能源消耗、减少二氧化碳排放，并提高电力系统可靠性。•有助于改善室内空气品质与舒适性。7.2.2建筑冷热电联产系统1）建筑冷热电三联供系统第7章电能应用技术24图7.3建筑冷热电联产系统的流程图•分布式发电系统包括发电装置、控制装置及与当地电网的连接装置。•发电装置把燃料化学能转化为电能。•控制装置完成电流、电压或频率转换，使输出满足用户要求。•热回收系统回收发电废热，为建筑供冷、供热、生活热水或干燥空气。7.2.2建筑冷热电联产系统2）建筑冷热电联产系统的基本组成第7章电能应用技术25分布式发电系统的定义与设备•分布式发电系统配置在用户现场或邻近区域，规模一般低于30MW。•系统通过冷热电联供实现能源梯级利用。•主要发电设备包括微型燃气轮机、燃料电池和往复式内燃机。•设备选择需要比较功率范围、效率、排放、成本、维护和余热条件。7.2.2建筑冷热电联产系统2）建筑冷热电联产系统的基本组成第7章电能应用技术26微型燃气轮机概览功率范围单机功率约30～400kW。循环与组成采用布雷顿循环，包括压气机、燃烧室、燃气轮机、回热器、发电机和控制装置。主要燃料天然气、甲烷、汽油、柴油等。特点回热效率高、维修率低、寿命长、安装成本较低，但存在高频噪声。7.2.2建筑冷热电联产系统2）建筑冷热电联产系统的基本组成第7章电能应用技术27微型燃气轮机的能量路径图7.4微型燃气轮机系统的结构流程图•压气机提高空气压力，燃烧室完成燃料燃烧。•高温燃气推动燃气轮机做功并带动发电机。•回热器利用排气余热预热压缩空气，提高循环效率。•排气仍具有利用价值，可继续进入热回收系统。7.2.2建筑冷热电联产系统2）建筑冷热电联产系统的基本组成第7章电能应用技术28燃料电池：不经燃烧的电化学转换•燃料电池直接把燃料化学能转换为电能和热能，不经过化学燃烧。•气体燃料连续从负极供入，空气或氧气从正极供入。•正、负极发生电化学反应，电子经外电路流动并形成电能。•以氢氧燃料电池为例，氢离子与氧气在正极反应生成水。7.2.2建筑冷热电联产系统2）建筑冷热电联产系统的基本组成第7章电能应用技术29燃料电池的工作原理图7.5燃料电池的工作原理•负极发生燃料氧化并释放电子。•电子通过外电路流向正极，对外输出电能。•离子通过电解质迁移，在正极与氧气反应。•不同燃料电池的电解质、温度和反应条件不同。7.2.2建筑冷热电联产系统2）建筑冷热电联产系统的基本组成第7章电能应用技术30燃料电池系统的六个部分图7.6燃料电池系统的结构流程图•系统包括燃料电池堆、燃料处理器、电力调节器、空气输送系统、水管理系统和热管理系统。•发电效率范围为40%～57%。•燃料电池具有发电效率高、运行维护费用低和环保性能较好的特点。•“产物只有水蒸气、几乎零排放”需结合燃料制取和系统边界理解。7.2.2建筑冷热电联产系统2）建筑冷热电联产系统的基本组成第7章电能应用技术31往复式内燃机•往复式内燃机是成熟的现场发电技术，也常用作备用电源。•发电效率约为30%～40%，教材以低位热值为计算基础。•燃料可采用汽油、柴油或天然气等，分布式发电设备成本较低。•其运动部件较多，维修费用和污染排放较高，并存在低频噪声。7.2.2建筑冷热电联产系统2）建筑冷热电联产系统的基本组成第7章电能应用技术32表7.1三种分布式发电技术比较（性能）比较内容微型燃气轮机燃料电池往复式内燃机设定功率30～400kW1～250kW100kW～6MW设备成本450～1000美元/kW3750～5000美元/kW200～350美元/kW运行维修费0.005～0.0065美元/kW0.0017美元/kW0.01美元/kWNO₂排放＜10ppm＜1ppm15～20ppm7.2.2建筑冷热电联产系统2）建筑冷热电联产系统的基本组成第7章电能应用技术33表7.1三种分布式发电技术比较（应用）比较内容微型燃气轮机燃料电池往复式内燃机排气温度232～260℃随类型不同427～649℃技术现状较大容量已商业化尚未成熟，少量示范技术成熟，已商业化主要优势寿命长、运维较低效率高、环保较好初装成本最低主要约束高频噪声价格较高维护、排放、低频噪声7.2.2建筑冷热电联产系统2）建筑冷热电联产系统的基本组成第7章电能应用技术34热回收系统的作用•分布式发电设备排气温度较高，仍包含大量可利用热能。•回收热量可用于建筑供暖、空调或湿度控制。•热回收决定系统能否真正实现能源梯级利用。•教材重点介绍吸收式制冷和干燥剂除湿两种热驱动路径。7.2.2建筑冷热电联产系统2）

建筑冷热电联产系统的基本组成第7章电能应用技术35余热驱动吸收式制冷图7.7发电尾气驱动的吸收式制冷原理示意图•电制冷依靠电机驱动压缩机提高制冷剂蒸气压力。•吸收式制冷利用热能，通过发生器完成相应的制冷剂增压过程。•除溶液泵消耗少量电能外，主要能源为热能。•因此发电尾气可作为驱动热源并构成联产系统。7.2.2建筑冷热电联产系统2）建筑冷热电联产系统的基本组成第7章电能应用技术36干燥剂除湿与再生•潮湿空气通过干燥剂，水蒸气被吸收或吸附，空气湿度降低。•干燥剂吸湿后逐渐失去除湿能力，必须进行再生。•再生过程使用干燥热空气带走干燥剂中的水分，因此需要消耗热能。•固体干燥剂包括硅胶、活性炭、氯化钙等；液体干燥剂可采用氯化锂或氯化钙溶液。7.2.2建筑冷热电联产系统2）建筑冷热电联产系统的基本组成第7章电能应用技术37形式1：蒸汽轮机＋吸收式制冷机图7.8蒸汽轮机＋吸收式制冷机系统流程示意图•锅炉产生高温高压蒸汽，进入蒸汽轮机推动涡轮发电。•乏汽或抽汽的一部分进入换热器供暖或提供卫生热水。•另一部分进入溴化锂吸收式制冷机制冷。•可依据蒸汽品质选择单效或双效吸收式制冷机。7.2.2建筑冷热电联产系统3）建筑冷热电联产系统的主要形式第7章电能应用技术38形式2：燃气轮机＋排气回收型冷温水机图7.9燃气轮机＋排气回收型冷温水机系统流程图•燃气轮机排气通常仍在400℃以上，并具有较高含氧量。•排气余热可被溴化锂制冷机直接回收用于制冷。•也可把排气作为助燃空气进行二次燃烧。•二次燃烧回收热效率可达95%以上。7.2.2建筑冷热电联产系统3）建筑冷热电联产系统的主要形式第7章电能应用技术39形式3A：微型燃气轮机＋排气直热型单效冷温水机图7.10微型燃气轮机＋排气直热型单效冷温水机系统流程图•微型燃气轮机首先发电。•高温排气直接送入单效冷温水机。•排气余热用于制冷或供暖。•该路线流程较直接，关键是排气条件与机组需求相匹配。7.2.2建筑冷热电联产系统3）建筑冷热电联产系统的主要形式第7章电能应用技术40形式3B：微型燃气轮机＋排气再燃型冷温水机图7.11微型燃气轮机＋排气再燃型冷温水机系统流程图•微型燃气轮机排气温度约250℃，含氧量约18%。•富氧排气进入冷温水机并直接参与燃烧。•系统可提供制冷、供暖和卫生热水。•再燃提高了排气能量的进一步利用程度。7.2.2建筑冷热电联产系统3）建筑冷热电联产系统的主要形式第7章电能应用技术41形式3C：排气再燃／热交换并联型冷温水机图7.12微型燃气轮机＋排气再燃／热交换并联型冷温水机系统流程图•排气余热一部分被溴化锂制冷机稀溶液回收。•另一部分参与二次燃烧。•系统对外提供制冷、供暖和卫生热水。•并联路线同时利用显热回收与燃烧增焓。7.2.2建筑冷热电联产系统3）建筑冷热电联产系统的主要形式第7章电能应用技术42形式4：燃气轮机前置循环＋吸收式制冷机图7.13燃气轮机、余热锅炉＋吸收式制冷机系统流程图•燃气轮机发电后排出高温烟气。•余热锅炉回收烟气热量并产生蒸汽。•蒸汽供吸收式制冷机制冷。•其余热量可经换热器用于供暖、卫生热水或工业用户。7.2.2建筑冷热电联产系统3）建筑冷热电联产系统的主要形式第7章电能应用技术43形式5：燃气—蒸汽联合循环＋蒸汽制冷机图7.14燃气—蒸汽轮机联合循环＋蒸汽制冷机系统流程图•燃气轮机尾气经余热锅炉产生蒸汽。•蒸汽进入蒸汽轮机继续发电。•乏汽或抽汽可供蒸汽制冷机制冷。•其余热量可用于供暖或卫生热水，构成多级能量利用。7.2.2建筑冷热电联产系统3)建筑冷热电联产系统的主要形式第7章电能应用技术44形式6：内燃发电机＋余热利用型直燃机图7.15内燃发电机＋余热利用型直燃机系统流程图•燃料和空气在气缸中混合、压缩、燃烧并做功。•活塞运动通过连杆机构驱动发电机发电。•排气和缸套冷却水均含有可回收余热。•余热利用型冷温水机据此产生冷、热或卫生热水。7.2.2建筑冷热电联产系统3)建筑冷热电联产系统的主要形式第7章电能应用技术45形式7：燃料电池＋余热利用型直燃机图7.16燃料电池＋余热利用型直燃机系统流程图•燃料电池通过电化学反应供应电力。•系统同时产生蒸汽、废水、排气和余热。•溴化锂制冷机回收废热。•系统由此提供制冷、供暖和卫生热水。7.2.2建筑冷热电联产系统3)建筑冷热电联产系统的主要形式第7章电能应用技术46电力峰谷与燃气峰谷为何互补•夏季大量电力空调同时运行，使电力负荷升高。•冬季家庭燃气取暖增加，而夏季供暖相关燃气用量下降。•因此城市燃气负荷与电力负荷的全年峰谷大致呈互补关系。•燃气驱动吸收式制冷可利用夏季燃气能力，缓解电网空调峰值，同时提高燃气管网利用率。7.2.3吸收式制冷调峰第7章电能应用技术2.17.3建筑光储直柔技术光储直柔把光伏发电、分布式储能、直流配电和柔性用能组织为建筑供配电系统，使建筑成为电网的柔性负载或虚拟灵活电源。47学习路径：定义与价值→系统设计→运行、响应潜力与控制第7章电能应用技术48“光、储、直、柔”分别指什么?•“光”是分布式太阳能光伏。•“储”包括电化学储能、蓄冷、蓄热以及邻近停车场电动车电池资源。•“直”是建筑内部采用直流供电。•“柔”是系统目标：实现柔性用电，使建筑成为电网的柔性负载或虚拟灵活电源。7.3.1“光储直柔”的定义及发展价值第7章电能应用技术49典型建筑光储直柔系统图7.17建筑光储直柔系统•光伏在建筑侧发电，储能在发电与用电之间调节时序。•直流配电为光伏、储能和部分直流负荷提供连接平台。•柔性控制协调光伏、储能、电动车和建筑负荷。•系统通过减少上网与取电波动，提高建筑和电网的协同能力。7.3.1“光储直柔”的定义及发展价值第7章电能应用技术50价值一：提供巨大的蓄能能力•建筑围护结构具有冷热量蓄存作用，可视作具有能量蓄存与释放能力的“电池”。•应先挖掘建筑自身热惰性与蓄冷蓄热潜力。•再合理配置化学电池容量，使其满足建筑需求并提供调蓄能力。•储能并非越多越好，过大电池容量会增加系统成本。7.3.1“光储直柔”的定义及发展价值第7章电能应用技术51价值二：支撑零碳电力系统•光储直柔可减少光伏送电上网比例和建筑从电网取电比例。•柔性调节可使建筑用电曲线更加平滑。•本地发用电减少集中式光伏层层逆变、升压上网再返回终端的过程。•由此可减少传输损耗，并有利于逐级降低电网基础设施规模和初投资。7.3.1“光储直柔”的定义及发展价值第7章电能应用技术52典型光储直柔电气接线图7.18典型光储直柔建筑电气系统接线图•系统通常保留交流电网接入，并设置直流母线。•光伏和储能可直接接入直流侧，减少部分能量变换。•交流负荷、直流负荷和充电设施按照设备特性接入。•保护、计量和控制边界不能因采用直流系统而省略。7.3.2系统设计原理第7章电能应用技术53光储直柔系统设计的四部分图7.19光储直柔建筑电气系统设计原理图•光伏设计：确定组件形式、安装方式、装机容量、消纳分析和接入方案。•储能设计：包括分布式储能装置与通过充电桩接入的电动车电池。•直流配电：分析负荷特性，确定接入方式、电压等级和系统接线。•柔性控制：预测发电与负荷，制定充放电策略，维持电压并响应电网需求。7.3.2系统设计原理第7章电能应用技术54四项设计任务的逻辑光伏系统从建筑外形、安装条件和消纳能力确定装机与接入。储能系统在电化学储能与车辆电池之间统筹容量和接口。低压直流系统尽量减少变换次数，并兼顾效率、经济、可靠与安全。柔性控制平台完成预测、策略、稳定控制、裕度计算和需求响应。四部分必须协同设计，不能分别优化后简单拼接。7.3.2系统设计原理第7章电能应用技术55系统设计要点交直流选择未来较长时期宜采用交直流混合系统，直流便于新能源与储能接入。光伏容量结合建筑条件、碳指标和用电情况确定，并考虑夏季高峰。储能容量考虑寿命和价格，可分期建设，并预留土建位置和接口。设备接入LED、光伏、储能及部分家电可接直流；动力设备按变频与接口条件判断。7.3.2系统设计原理第7章电能应用技术56运行原则与响应潜力•多个建筑可聚合成负荷聚集体参与电网调度，聚集体再把响应指标分解到各建筑。•单体建筑需根据电网或负荷聚集体给出的功率指令进行自我调节。•响应前应分析发电系统、储能装置和建筑用电负荷三类资源的可调潜力。•负荷分为不可控负荷，以及可中断、可迁移、可比例调节三类柔性负荷。•系统决策综合考虑资源优先级、舒适度和功率相似度；园区可采用多智能体协同控制。7.3.3系统运行与控制第7章电能应用技术57系统能源管理的三种主要模式图7.20系统能源管理的三种主要模式•削峰填谷：通过负荷控制与电池充放电降低峰谷差。•光伏最大化利用：提高光伏在建筑内部的消纳比例。•恒功率运行：利用可控负荷和储能平抑建筑与电网交换功率。•三类目标可能协同，也可能在特定时段发生冲突，需要进行多目标优化。7.3.3系统运行与控制第7章电能应用技术本章知识总结：581建筑供电具有设计容量大、平均负荷率低和周期波动明显等特征，这些特征形成了柔性调节空间。2新型电力系统由“源随荷动”转向“源荷互动”，建筑可借助分布式发电、余热回收和需求响应参与系统平衡。3光储直柔以光伏、储能、直流配电和柔性控制协同为核心，设计必须同时处理容量、接口、可靠性、安全性和运行目标。第7章电能应用技术课后思考1简述建筑电力系统的发展方向。2试探讨高校教学建筑光储直柔的应用策略。59第7章电能应用技术第8章生物质能利用技术转化方法·燃烧·沼气·热裂解·气化本章核心生物质能利用的关键，是根据原料特性和目标产品选择合适的转化路径，并通过预处理、反应条件控制、产物净化与终端匹配形成完整工程系统。01第8章生物质能利用技术｜课程导入学习目标1了解生物质种类、特点及资源化和能源化属性；了解生物质能源转化工艺及应用；2熟悉各类生物质能源转化原理及特点；3掌握生物质能源转化技术种类及其优缺点0203第8章生物质能利用技术｜课程导入本章主要内容8.1生物质能源的转化方法①物理转化

②化学转化

③生物转化

8.2生物质能源利用技术①生物质燃烧技术

②沼气技术

③生物质热裂解技术

④生物质气化技术2.18.1生物质能源的转化方法生物质可通过物理、化学和生物过程转化为热、电、固体燃料、液体燃料和气体燃料。不同路线对含水率、粒径、温度、供氧和微生物条件的要求不同。本节学习路径：生物质定义→三类转化→产品与适用条件04第8章生物质能利用技术05什么是生物质•生物质是直接或间接利用绿色植物光合作用形成的有机物质。•范围包括动植物、微生物及其代谢物，也包括工业性生物质加工形成的有机制品。•生物质是可再生资源，可转化为能源和化工原料。•评价能源化潜力时，需要结合原料形态、含水率、堆积密度和可收集性。三类转化方法物理转化粉碎、加压和固化，主要改变形态与密度。化学转化燃烧、热解、气化、液化和酯交换等。生物转化厌氧消化和发酵制乙醇等生物化学过程。二次能源可获得热、电、固体、液体或气体燃料。第8章生物质能利用技术8.1生物质能源的转化方法061）物理转化•将生物质粉碎到一定粒径，在不添加黏结剂的条件下高压挤压成型。•固化解决原料形状各异、堆积密度小和结构松散的问题。•致密成型后更便于运输、储存、计量和连续给料。•物理转化主要改善使用条件，并未改变生物质的基本化学组成。原料筛选粉碎至规定粒径高压挤压成型储运与稳定给料第8章生物质能利用技术8.1生物质能源的转化方法072）化学转化直接燃烧与氧发生强烈氧化，直接获得热量。热裂解无氧或缺氧热降解，获得炭、油和气。气化加入有限气化剂，将固体转化为可燃气。液化与酯交换获得液体燃料或燃料组分。第8章生物质能利用技术第8章生物质能利用技术8.1生物质能源的转化方法083）生物转化厌氧消化微生物在厌氧条件下将湿有机物转化为沼气。发酵制乙醇利用生物化学过程将糖类等转化为乙醇。适用原料通常适合可生物降解、含水率较高的原料。过程特点温度较低，但对微生物环境和停留时间要求较高。第8章生物质能利用技术8.1生物质能源的转化方法2.18.2生物质能源利用技术燃烧：碳氢有机化合物与氧发生激烈氧化并放热的过程。生物质燃烧可按特征分为表面、分解和蒸发燃烧，实际燃烧又经历干燥、挥发分燃烧、木炭燃烧和燃尽阶段。沼气：由有机物在适宜温度、湿度、酸碱度和厌氧条件下经微生物发酵产生。工程系统必须完成发酵、脱水、脱硫、储存和终端利用。热裂解：在无氧或缺氧条件下使生物质发生热降解，形成生物油、木炭和可燃气。温度、升温速率、停留时间和快速冷却共同决定产物分布。气化：在一定温度和压力下，用空气中的氧气、水蒸气等作为气化剂，把生物质转化为可燃气体。下吸式固定床可用干燥、热裂解、氧化和还原四区模型分析。09第8章生物质能利用技术10燃烧的定义与能量转换•燃料中的碳氢有机化合物与氧发生激烈氧化反应。•反应释放大量热量，化学能转化为热能。•燃烧能否稳定、完全，取决于温度、氧量、混合和停留时间。•生物质含水率和挥发分含量对燃烧过程影响显著。8.2.1生物质燃烧技术第8章生物质能利用技术111）燃烧的三种基本类型表面燃烧反应主要在燃料表面进行，如木炭。分解燃烧热解挥发分与氧进行气相燃烧。蒸发燃烧低熔点固体或液体先蒸发再燃烧。实际过程多种机制可能依次出现或相互重叠。8.2.1生物质燃烧技术第8章生物质能利用技术12预热与干燥挥发分燃烧并形成木炭木炭燃烧燃尽并形成灰烬2)生物质的燃烧过程8.2.1生物质燃烧技术阶段1：预热与干燥•固体燃料进入炉膛后升温到约100℃，水分首先蒸发。•蒸发吸收燃烧释放的热量，使燃烧室温度降低并减缓燃烧。•含水率越高，蒸发持续时间越长，损失热量越多。•因此燃料干燥程度直接影响着火和燃烧稳定性。第8章生物质能利用技术13阶段2：挥发分燃烧与木炭形成•生物质热分解温度一般较低，约150～200℃开始大量析出挥发分。•温度升至240℃以上时，可燃气体被点燃并在燃料表面形成火焰。•这一过程需氧较多、持续时间较长。•固定碳被挥发分包围，燃烧初期木炭通常尚未燃烧。2)生物质的燃烧过程8.2.1生物质燃烧技术第8章生物质能利用技术14阶段3：木炭燃烧•挥发分燃烧结束后，木炭开始燃烧。•此时进入炉膛的氧可直接扩散到木炭表面。•木炭表面发生氧化反应并继续释放热量。•灰分逐步生成并覆盖木炭，会增加氧扩散阻力。阶段4：燃尽•木炭燃烧不断产生灰分，灰层包裹剩余木炭。•灰层使燃烧速度减慢，炉膛温度下降。•适当抖动和加强通风可使灰分脱落，使余炭充分燃尽。•最终残留物为灰烬。2)生物质的燃烧过程8.2.1生物质燃烧技术第8章生物质能利用技术151）沼气工艺原理•有机物在适宜温度、湿度和酸碱度条件下进入厌氧环境。•微生物通过发酵和分解产生可燃混合气体。•反应条件会影响微生物活性、产气速率和气体组成。•工程运行需保持发酵环境稳定，并处理气体与消化残余物。8.2.2沼气技术甲烷通常占55%～70%，是主要可燃组分。二氧化碳通常占30%～40%，会降低热值。少量气体含H₂、N₂、CO、H₂S和NH₃等。气味与安全H₂S使沼气带微臭；可燃混合物存在爆炸范围。第8章生物质能利用技术16沼气热值、密度与储存条件•沼气热值4.8～6.0kcal/L。•每立方米沼气热值约相当于1.45m³煤气或0.69m³天然气。•密度约1.22g/L，与空气混合的爆炸体积分数范围为8.8%～24.4%。•甲烷对水的溶解度很小，因此可采用水封方式储存沼气。1）沼气工艺原理8.2.2沼气技术第8章生物质能利用技术17厌氧发酵产气脱水与脱硫净化储气设备调节供需民用／锅炉／发电净化保障设备安全与排放，储存协调连续产气与间歇用气。2）大中型沼气工程工艺及应用8.2.2沼气技术第8章生物质能利用技术18(1)沼气的净化•管路温度和压力变化会使水蒸气冷凝，增加流动阻力并降低热值。•水与H₂S共同作用会腐蚀或堵塞管道、阀门和流量计。•H₂S燃烧生成SO₂，并可能与水形成亚硫酸腐蚀设备。•硫化物还会造成大气污染并影响人体健康。2）大中型沼气工程工艺及应用8.2.2沼气技术第8章生物质能利用技术19重力法脱水•常用气水分离器脱除沼气中的部分水蒸气。•输气管路最低点设置集水器，排出冷凝水。•管路坡度和低点位置会影响冷凝水能否顺利汇集。•脱水减少流动阻力，并降低水与H₂S共同造成的腐蚀。2）大中型沼气工程工艺及应用8.2.2沼气技术第8章生物质能利用技术20干法脱硫•脱硫塔内装填多层吸收材料。•常用材料包括氧化铁和活性炭等。•H₂S在通过填料层时被吸收并脱除。•干法系统设备相对紧凑，但填料需要检查、更换或再生。湿法脱硫•液体吸收剂从塔顶向下喷淋，沼气从塔底上升。•H₂S进入吸收液并被脱除，常用2%～3%碳酸钠或稀氢氧化钠溶液。•湿法脱硫效率一般在90%以上，延长接触时间可进一步提高。•其运行管理较复杂，占地通常大于干法脱硫2）大中型沼气工程工艺及应用8.2.2沼气技术第8章生物质能利用技术21生物脱硫•无色硫细菌在微氧条件下把H₂S氧化为单质硫。•优点包括无需催化剂、化学污泥少、耗能低、可回收硫和去除效率高。•系统气味较小。•难点是根据H₂S浓度控制反应所需的溶解氧浓度。2）大中型沼气工程工艺及应用8.2.2沼气技术第8章生物质能利用技术22(2)沼气的储存•沼气产生基本连续，而使用通常间歇，因此需要储气设备。•可采用低压湿式储气柜、干式储气柜或橡胶储气袋。•民用时储气柜容积按产气量50%～60%计算；民用、发电或锅炉各一半时按40%计算。•工业用途应根据实际用气曲线确定储气容积。2）大中型沼气工程工艺及应用8.2.2沼气技术第8章生物质能利用技术231）热裂解原理•生物质在无氧或缺氧条件下发生热降解。•最终产物包括生物质热解油、木炭和可燃气体。•三种产物比例取决于工艺类型和反应条件。•热裂解不是完全燃烧，目标是把化学能保存在不同产物中。8.2.3生物质热裂解技术第8章生物质能利用技术24按温度划分热裂解低温热裂解温度低于500℃。中温热裂解温度约500～650℃。高温热裂解温度约700～1100℃。温度作用影响反应程度、二次裂解和产物比例。1）热裂解原理8.2.3生物质热裂解技术升温速率与主产物低温慢速产物以木炭为主。中温快速产物以生物油为主。高温闪速产物以可燃气体为主。实际产率还受原料、反应器、停留和冷却条件影响。第8章生物质能利用技术25热裂解过程的三个阶段脱水：室温～100℃热裂解：100～380℃碳化：高于380℃脱水主要是物理失水；热裂解阶段析出多种挥发物并发生主要质量损失；碳化阶段分解速度较慢。1）热裂解原理8.2.3生物质热裂解技术第8章生物质能利用技术26图8.1生物质热裂解液化工艺流程•一般流程包括干燥、粉碎、热裂解、炭和灰分离、气态生物油冷却以及生物油收集。•各环节共同服务于快速传热、减少二次裂解和稳定收集液体产物。•流程中的气体和固体副产物也需要合理利用或处理。1）生物质热裂解的液化工艺8.2.3生物质热裂解技术第8章生物质能利用技术27步骤1-2：干燥与粉碎•为避免原料水分进入生物油，教材要求物料含水率一般低于10%。•快速热裂解需要很高的加热速率，因此物料粒径应足够小。•不同反应器粒径要求不同：旋转锥＜200μm、流化床＜2mm、传输床或循环流化床＜6mm。•粒径越小加工费用越高，需要综合反应器要求与成本。1）生物质热裂解的液化工艺8.2.3生物质热裂解技术步骤3：热裂解反应控制•生产生物油需要很高的加热速率和热传递速率。•反应温度应严格控制在中温范围。•挥发分产生后需要快速离开高温区并迅速冷却。第8章生物质能利用技术28步骤4：炭和灰的分离•生物质中的灰几乎都保留在产物炭中，因此分离炭也同时分离灰。•炭从生物油中分离较困难，并非所有应用都必须完全分离。•炭会催化二次裂解，并使液体热解油产生不稳定因素。•对高质量生物油工艺，快速、彻底分离炭灰十分重要。1）生物质热裂解的液化工艺8.2.3生物质热裂解技术步骤5：气态生物油快速冷却•挥发分从产生到冷凝的时间与温度影响液体质量和组成。•停留时间越长，二次裂解生成不可冷凝气体的可能性越大。•为了保证产油率，需要快速冷却热裂解挥发产物。•急冷系统必须与反应器出口流量和温度相匹配。第8章生物质能利用技术29步骤6：生物油收集•收集系统需要冷凝气态生物油并汇集液体产物。•多种重组分的冷凝可能导致反应器或管路堵塞。•设计除严格控制温度外，还要组织合理的冷凝和排液路径。•生物油性质复杂，储存和后续利用需结合实际质量要求。1）生物质热裂解的液化工艺8.2.3生物质热裂解技术第8章生物质能利用技术301）生物质气化的原理及评价指标8.2.4生物质气化技术生物质气化是指在一定的温度及压力条件下,利用空气中的氧气、水蒸气、一氧化碳等作为气化剂,将生物质转化为可燃气体的过程。干燥区50～150℃热裂解区约160℃起氧化区最高1000～1200℃还原区600～900℃下吸式固定床的四个反应区第8章生物质能利用技术31干燥区•生物质物料和气化剂从气化炉顶部进入。•含水原料与下部热源换热，水分蒸发。•干燥区温度约50～150℃。•产物为干物