第5章 生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化的物理和熱化學(xué)方法

1、第第5章章 生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化的物理和生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化的物理和熱化學(xué)方法熱化學(xué)方法第第1節(jié)節(jié) 概述概述一、生物質(zhì)的定義和分類一、生物質(zhì)的定義和分類l 生物質(zhì)生物質(zhì)包括植物、動(dòng)物及其排泄物、微生物、垃包括植物、動(dòng)物及其排泄物、微生物、垃圾及有機(jī)廢水等幾大類圾及有機(jī)廢水等幾大類。l 從從廣義上講，廣義上講，生物質(zhì)生物質(zhì)是植物利用太陽能通過光合是植物利用太陽能通過光合作用生成的有機(jī)物，作用生成的有機(jī)物，生物質(zhì)能生物質(zhì)能是以生物質(zhì)為載體是以生物質(zhì)為載體的太陽能的一種存在形式的太陽能的一種存在形式。l 植物植物光合作用光合作用過程的總反應(yīng)式如下：過程的總反應(yīng)式如下：l 植物中的每個(gè)植物中的每個(gè)葉綠素葉綠素都是一個(gè)

2、神奇的化工廠，它都是一個(gè)神奇的化工廠，它以太陽光作動(dòng)力，把以太陽光作動(dòng)力，把CO2和水合成為有機(jī)物和水合成為有機(jī)物。l 在在自然界，自然界，植物植物是太陽能最主要的轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存器。是太陽能最主要的轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存器。它們通過光合作用，吸收太陽能，經(jīng)過復(fù)雜的化它們通過光合作用，吸收太陽能，經(jīng)過復(fù)雜的化學(xué)轉(zhuǎn)換過程，儲(chǔ)存于有機(jī)物中學(xué)轉(zhuǎn)換過程，儲(chǔ)存于有機(jī)物中。l 生物質(zhì)的種類很多，生物質(zhì)的種類很多，植物類植物類中最主要的有樹木、中最主要的有樹木、農(nóng)作物農(nóng)作物(糧食、油料、糖料、薯類、水果、各種秸糧食、油料、糖料、薯類、水果、各種秸稈、谷殼等稈、谷殼等)、雜草、藻類等、雜草、藻類等。l 非非植物類植物類中主要有

3、動(dòng)物糞便、動(dòng)物尸體、廢水中中主要有動(dòng)物糞便、動(dòng)物尸體、廢水中的有機(jī)成分、垃圾中的有機(jī)成分等。的有機(jī)成分、垃圾中的有機(jī)成分等。l 根據(jù)生物學(xué)家估算，地球上根據(jù)生物學(xué)家估算，地球上每年生長(zhǎng)的生物總量每年生長(zhǎng)的生物總量約約1400億億1800億億t(干重干重)，相當(dāng)于世界每年總能耗，相當(dāng)于世界每年總能耗的的10倍倍。二、生物質(zhì)的結(jié)構(gòu)二、生物質(zhì)的結(jié)構(gòu)l 從生物學(xué)角度，一切動(dòng)、植物都是由從生物學(xué)角度，一切動(dòng)、植物都是由細(xì)胞細(xì)胞組成的組成的。l 作為作為生物質(zhì)能主要來源的植物，其生物質(zhì)能主要來源的植物，其細(xì)胞細(xì)胞主要包括主要包括細(xì)胞壁、原生質(zhì)體和細(xì)胞后含物細(xì)胞壁、原生質(zhì)體和細(xì)胞后含物。l 1、細(xì)胞壁的化學(xué)

4、組成、細(xì)胞壁的化學(xué)組成l 細(xì)胞壁細(xì)胞壁的主要成分是的主要成分是纖維素、半纖維素和纖維素、半纖維素和木質(zhì)素木質(zhì)素。(1)纖維素纖維素l 纖維素纖維素是世界上最豐富的是世界上最豐富的有機(jī)化合物有機(jī)化合物，是植物，是植物細(xì)細(xì)胞壁胞壁的主要成分，構(gòu)成了植物的主要成分，構(gòu)成了植物支撐組織支撐組織的基礎(chǔ)的基礎(chǔ)。l 棉花棉花幾乎全部由纖維素組成幾乎全部由纖維素組成(占占98%)，亞麻中約含，亞麻中約含80%，木材中纖維素平均含量約為，木材中纖維素平均含量約為40%。l 纖維素的結(jié)構(gòu)單位是纖維素的結(jié)構(gòu)單位是D-葡萄糖葡萄糖，一種無分支的鏈，一種無分支的鏈狀分子；結(jié)構(gòu)單位之間以糖苷鍵結(jié)合而成長(zhǎng)鏈狀分子；結(jié)構(gòu)單位

5、之間以糖苷鍵結(jié)合而成長(zhǎng)鏈。l 經(jīng)經(jīng)X射線測(cè)定，纖維素分子的鏈與鏈之間借助于分射線測(cè)定，纖維素分子的鏈與鏈之間借助于分子間的子間的氫鍵氫鍵形成像繩索狀結(jié)構(gòu)，繩索狀結(jié)構(gòu)具有形成像繩索狀結(jié)構(gòu)，繩索狀結(jié)構(gòu)具有一定機(jī)械強(qiáng)度和韌性，在植物體內(nèi)起著一定機(jī)械強(qiáng)度和韌性，在植物體內(nèi)起著支撐作用支撐作用。l 纖維素是纖維素是白色物質(zhì)，不溶于水，無還原性白色物質(zhì)，不溶于水，無還原性。l 纖維素纖維素比較比較難水解難水解，一般需要在濃酸中或用稀酸，一般需要在濃酸中或用稀酸在加壓下進(jìn)行在加壓下進(jìn)行。l 在在水解水解過程中可以得到纖維四糖、纖維三糖、纖過程中可以得到纖維四糖、纖維三糖、纖維二糖，最終產(chǎn)物是維二糖，最終產(chǎn)物

6、是D-葡萄糖。葡萄糖。l 纖維素的高位纖維素的高位發(fā)熱量發(fā)熱量17MJ/kg。(2)半纖維素半纖維素l 半纖維素半纖維素是由多種糖單元組成的是由多種糖單元組成的共聚物共聚物，其主鏈上由，其主鏈上由木聚糖、半乳聚糖、甘露聚糖中的一種或多種糖單元木聚糖、半乳聚糖、甘露聚糖中的一種或多種糖單元組成，在其支鏈上帶有阿拉伯糖或半乳糖組成，在其支鏈上帶有阿拉伯糖或半乳糖。l 半纖維素半纖維素大量存在于植物的大量存在于植物的木質(zhì)化部分木質(zhì)化部分，如秸稈、種，如秸稈、種皮、堅(jiān)果殼及玉米穗等，其含量依植物種類、部位和皮、堅(jiān)果殼及玉米穗等，其含量依植物種類、部位和老幼程度而有所不同。老幼程度而有所不同。l 半纖維

7、素和纖維素的主要區(qū)別半纖維素和纖維素的主要區(qū)別為為：l 半纖維素半纖維素由不同的糖單元聚合而成，分子鏈短且由不同的糖單元聚合而成，分子鏈短且?guī)в兄ф湈в兄ф?。l 半纖維素半纖維素的某些成分是可溶的，在谷類中可溶的的某些成分是可溶的，在谷類中可溶的半纖維素稱為戊聚糖，大部分具有不可溶性半纖維素稱為戊聚糖，大部分具有不可溶性。(3)木質(zhì)素木質(zhì)素l 木質(zhì)素木質(zhì)素是一類復(fù)雜的是一類復(fù)雜的有機(jī)聚合物有機(jī)聚合物，存在于植物，存在于植物細(xì)細(xì)胞壁胞壁中中。l 木質(zhì)素木質(zhì)素在在植物界的植物界的含量含量?jī)H次于纖維素，廣泛分布僅次于纖維素，廣泛分布于高等植物中，是裸子植物和被子植物所特有的于高等植物中，是裸子植物和

8、被子植物所特有的化學(xué)成分化學(xué)成分。l 木本植物木本植物中木質(zhì)素含量為中木質(zhì)素含量為20%40%，禾本科植物，禾本科植物中含量為中含量為15%25%。l 木質(zhì)素木質(zhì)素是苯基類丙烷聚合物，從化學(xué)結(jié)構(gòu)上看，是苯基類丙烷聚合物，從化學(xué)結(jié)構(gòu)上看，既具有既具有酚酚的特征，又具有的特征，又具有糖糖的特征，形成復(fù)雜的的特征，形成復(fù)雜的聚合物聚合物結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。l 木質(zhì)素木質(zhì)素和半纖維素一起作為細(xì)胞間質(zhì)填充在細(xì)胞和半纖維素一起作為細(xì)胞間質(zhì)填充在細(xì)胞壁和微細(xì)纖維之間，也存在于細(xì)胞間層，發(fā)揮壁和微細(xì)纖維之間，也存在于細(xì)胞間層，發(fā)揮木木質(zhì)化的作用質(zhì)化的作用。l 木質(zhì)素木質(zhì)素與纖維素、半纖維素的結(jié)合錯(cuò)綜復(fù)雜，相與纖維素、

9、半纖維素的結(jié)合錯(cuò)綜復(fù)雜，相互很難分離?；ズ茈y分離。l 木質(zhì)素的高位木質(zhì)素的高位發(fā)熱量發(fā)熱量約為約為21MJ/kg。2、原生質(zhì)的化學(xué)組成、原生質(zhì)的化學(xué)組成l 原生質(zhì)體原生質(zhì)體由細(xì)胞的膜系統(tǒng)、細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)及細(xì)由細(xì)胞的膜系統(tǒng)、細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)及細(xì)胞器組成，是以蛋白質(zhì)與核酸為主的復(fù)合物胞器組成，是以蛋白質(zhì)與核酸為主的復(fù)合物。l 原生質(zhì)原生質(zhì)中含有多種中含有多種化學(xué)元素化學(xué)元素，主要有，主要有C、H、N、O、P、S、Ca、K、Cl、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn、Mo等，等，其中其中C、H、N、O四種元素占四種元素占90%以上，是構(gòu)成各以上，是構(gòu)成各類有機(jī)化合物的主要成分類有機(jī)化合物的主要成分。l 組成組

10、成植物細(xì)胞植物細(xì)胞的化合物分為的化合物分為無機(jī)化合物無機(jī)化合物和和有機(jī)化有機(jī)化合物合物兩大類兩大類。l 無機(jī)化合物無機(jī)化合物包括水和無機(jī)鹽，其相對(duì)分子質(zhì)量較包括水和無機(jī)鹽，其相對(duì)分子質(zhì)量較小小。l 有機(jī)化合物有機(jī)化合物是含是含C和和H等元素的化合物，包括糖類、等元素的化合物，包括糖類、蛋白質(zhì)、脂類、維生素和核酸等。蛋白質(zhì)、脂類、維生素和核酸等。l 糖類糖類是由是由碳、氫、氧碳、氫、氧組成的一大類中型化合物，組成的一大類中型化合物，包括糖、淀粉、葡萄糖、糖原、纖維素和戊聚糖包括糖、淀粉、葡萄糖、糖原、纖維素和戊聚糖等，主要來源于植物，為生命代謝活動(dòng)提供能量，等，主要來源于植物，為生命代謝活動(dòng)提供

11、能量，是自然界存在最多、分布最廣的一類重要是自然界存在最多、分布最廣的一類重要有機(jī)化有機(jī)化合物合物。l 綠色植物綠色植物光合作用的主要產(chǎn)物是光合作用的主要產(chǎn)物是糖類糖類，植物體內(nèi)，植物體內(nèi)有機(jī)物的運(yùn)輸形式也是有機(jī)物的運(yùn)輸形式也是糖糖。3、細(xì)胞后含物、細(xì)胞后含物l 后含物后含物是細(xì)胞中不參與原生質(zhì)組成的代謝物質(zhì)的是細(xì)胞中不參與原生質(zhì)組成的代謝物質(zhì)的總稱，其中最重要的是以一定的形式存儲(chǔ)起來的總稱，其中最重要的是以一定的形式存儲(chǔ)起來的有機(jī)物，主要包括有機(jī)物，主要包括淀粉、脂類和蛋白質(zhì)淀粉、脂類和蛋白質(zhì)等等。(1)淀粉淀粉l 淀粉淀粉是細(xì)胞中是細(xì)胞中碳水化合物碳水化合物最普遍的儲(chǔ)藏形式，在最普遍的儲(chǔ)藏

12、形式，在細(xì)胞中以細(xì)胞中以顆粒顆粒狀態(tài)存在，通常為白色顆粒狀粉末，狀態(tài)存在，通常為白色顆粒狀粉末，不溶于冷水、乙醇及有機(jī)溶劑，在熱水中形成膠不溶于冷水、乙醇及有機(jī)溶劑，在熱水中形成膠體溶液，可被稀酸水解成葡萄糖，也可被淀粉酶體溶液，可被稀酸水解成葡萄糖，也可被淀粉酶水解成麥芽糖水解成麥芽糖。(2)脂類脂類l 脂類脂類是不溶于水而溶于非極性溶劑是不溶于水而溶于非極性溶劑(如乙醇、氯仿如乙醇、氯仿和苯和苯)的一大類有機(jī)化合物的一大類有機(jī)化合物。l 主要主要化學(xué)元素化學(xué)元素是是C、H和和O，其中，其中C和和H含量很高，含量很高，有的脂類還含有有的脂類還含有P和和N。l 油脂油脂是細(xì)胞中含能量最高而體積

13、最小的是細(xì)胞中含能量最高而體積最小的儲(chǔ)藏物質(zhì)儲(chǔ)藏物質(zhì)，在常溫下呈液態(tài)的稱為在常溫下呈液態(tài)的稱為油油、固態(tài)的稱為、固態(tài)的稱為脂脂。l 植物植物種子種子會(huì)儲(chǔ)存脂肪，是植物油的主要來源會(huì)儲(chǔ)存脂肪，是植物油的主要來源。(3)蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)l 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)是構(gòu)成細(xì)胞質(zhì)的重要物質(zhì)，約占細(xì)胞是構(gòu)成細(xì)胞質(zhì)的重要物質(zhì)，約占細(xì)胞總干總干重重的的60%以上以上。l 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)由許多由許多氨基酸氨基酸組成。氨基酸主要由組成。氨基酸主要由C、H和和O組成，另外還有組成，另外還有N和和S。l 細(xì)胞細(xì)胞中的儲(chǔ)藏蛋白質(zhì)以多種形式存在于中的儲(chǔ)藏蛋白質(zhì)以多種形式存在于細(xì)胞壁細(xì)胞壁中，中，呈呈固體固體狀態(tài)，生理活性較穩(wěn)定，可分為結(jié)

14、晶的和狀態(tài)，生理活性較穩(wěn)定，可分為結(jié)晶的和無定形的無定形的。三、生物質(zhì)的化學(xué)特性三、生物質(zhì)的化學(xué)特性l 1、生物質(zhì)的成分、生物質(zhì)的成分l 生物質(zhì)的生物質(zhì)的工業(yè)分析成分工業(yè)分析成分、元素分析成分元素分析成分和和發(fā)熱值發(fā)熱值是生物質(zhì)能利用中重要的參數(shù)是生物質(zhì)能利用中重要的參數(shù)。l 為了便于分析問題和工程計(jì)算，通常在四種不同為了便于分析問題和工程計(jì)算，通常在四種不同的基準(zhǔn)下表示的基準(zhǔn)下表示燃料的成分燃料的成分，分別為，分別為收到基收到基(as received basis，ar)、空氣干燥基空氣干燥基(也稱也稱空干基空干基，air doed basis，ad)、干燥基干燥基(dry basis，d)

15、、干燥無灰干燥無灰基基(dry and ash-free basis，daf)。(1)工業(yè)分析成分工業(yè)分析成分l 即原料中即原料中水分水分(M)、灰分灰分(A)、固定碳固定碳(FC)、揮發(fā)分揮發(fā)分(V)的百分比含量的百分比含量。l 其中其中揮發(fā)分揮發(fā)分是指原料在受熱過程中析出的揮發(fā)物是指原料在受熱過程中析出的揮發(fā)物質(zhì)，主要是有機(jī)的碳?xì)浠衔镔|(zhì)，主要是有機(jī)的碳?xì)浠衔?；l 固定碳固定碳是指析出揮發(fā)分后殘留的碳，這部分碳與是指析出揮發(fā)分后殘留的碳，這部分碳與灰分在一起成為焦炭?；曳衷谝黄鸪蔀榻固?。(2)元素分析成分元素分析成分l 即原料中各即原料中各組成元素組成元素、水分水分和和灰分灰分的百分比含

16、量的百分比含量。l 在在進(jìn)行生物質(zhì)燃料常規(guī)燃燒特性研究時(shí)，將原料進(jìn)行生物質(zhì)燃料常規(guī)燃燒特性研究時(shí)，將原料的的元素分析成分元素分析成分分為分為7種種：碳、氫、氧、氮、硫、：碳、氫、氧、氮、硫、水分、灰分水分、灰分。l 生物質(zhì)生物質(zhì)燃料中還含有少量的燃料中還含有少量的氯氯(Cl)元素，而在直接元素，而在直接燃燒利用生物質(zhì)燃料時(shí)，氯元素對(duì)金屬受熱面的燃燒利用生物質(zhì)燃料時(shí)，氯元素對(duì)金屬受熱面的腐蝕腐蝕起重要的作用，所以在研究生物質(zhì)燃燒對(duì)受起重要的作用，所以在研究生物質(zhì)燃燒對(duì)受熱面腐蝕的影響時(shí)，還要分析生物質(zhì)中的氯成分熱面腐蝕的影響時(shí)，還要分析生物質(zhì)中的氯成分。l 生物質(zhì)原料中生物質(zhì)原料中水分含量水分含

17、量變化很大變化很大。l 剛剛采伐的木材或者剛收獲的秸稈的水分可達(dá)采伐的木材或者剛收獲的秸稈的水分可達(dá)50%60%，在相對(duì)干燥的環(huán)境中，經(jīng)過自然干燥，在相對(duì)干燥的環(huán)境中，經(jīng)過自然干燥后可以降到后可以降到10%以下以下。l 灰分灰分也會(huì)因運(yùn)輸、儲(chǔ)存等經(jīng)歷不同而不同也會(huì)因運(yùn)輸、儲(chǔ)存等經(jīng)歷不同而不同。l 和煤炭比較，和煤炭比較，生物質(zhì)生物質(zhì)具有以下具有以下特點(diǎn)特點(diǎn)：l (1)揮發(fā)分含量高，固定碳含量低揮發(fā)分含量高，固定碳含量低，因此在燃燒中，因此在燃燒中比較比較容易點(diǎn)燃容易點(diǎn)燃；l (2)氧含量高氧含量高，在燃燒中，在燃燒中需要的空氣量較少需要的空氣量較少；l (3)含硫量和含灰量低含硫量和含灰量低，

18、污染物排放量少污染物排放量少。2、發(fā)熱值、發(fā)熱值l 衡量生物質(zhì)衡量生物質(zhì)燃料性質(zhì)燃料性質(zhì)的另一個(gè)重要參數(shù)是的另一個(gè)重要參數(shù)是發(fā)熱值發(fā)熱值，即每千克燃料完全燃燒后放出的熱量即每千克燃料完全燃燒后放出的熱量。l 發(fā)熱值發(fā)熱值分為分為高位高位發(fā)熱值發(fā)熱值QGW和和低位低位發(fā)熱值發(fā)熱值QDW。l 燃料燃料燃燒后煙氣中的水蒸氣完全凝結(jié)時(shí)的發(fā)熱值燃燒后煙氣中的水蒸氣完全凝結(jié)時(shí)的發(fā)熱值為為高發(fā)熱值高發(fā)熱值；如果水蒸氣沒有凝結(jié)則為；如果水蒸氣沒有凝結(jié)則為低發(fā)熱值低發(fā)熱值。l 兩者兩者的的差別差別是煙氣中是煙氣中水蒸氣的汽化潛熱水蒸氣的汽化潛熱。l 水蒸氣有兩個(gè)來源水蒸氣有兩個(gè)來源：l 一一是是燃料中帶入燃料中

19、帶入的水分，新鮮的生物質(zhì)原料含有的水分，新鮮的生物質(zhì)原料含有超過超過50%的水分，是不能直接用來汽化和燃燒的，的水分，是不能直接用來汽化和燃燒的，在采伐或收割以后要經(jīng)過一段時(shí)間的在采伐或收割以后要經(jīng)過一段時(shí)間的干燥干燥，讓水，讓水分降到分降到15%20%或者更低才能使用或者更低才能使用；l 二二是原料中的是原料中的氫元素與氧反應(yīng)生成氫元素與氧反應(yīng)生成的水分的水分。l 在在煙氣的換熱冷卻過程中，一般不利用水蒸氣的煙氣的換熱冷卻過程中，一般不利用水蒸氣的汽化潛熱，所以實(shí)際應(yīng)用的是汽化潛熱，所以實(shí)際應(yīng)用的是低發(fā)熱值低發(fā)熱值。l 由于由于固體生物質(zhì)燃料中水分含量和氫含量均較高固體生物質(zhì)燃料中水分含量和

20、氫含量均較高，高、低高、低發(fā)熱值發(fā)熱值有時(shí)差別較大有時(shí)差別較大。l 高位高位發(fā)熱值和發(fā)熱值和低位低位發(fā)熱值之間的發(fā)熱值之間的換算關(guān)系換算關(guān)系為為l 式式中中：l QGW為燃料的高位發(fā)熱值，為燃料的高位發(fā)熱值，kJ/kg；l QDW為燃料的低位發(fā)熱值，為燃料的低位發(fā)熱值，kJ/kg；l H，W為氫和水的成分，為氫和水的成分，%。四、生物質(zhì)的物理特性四、生物質(zhì)的物理特性l 1、密度、密度l 一般有三種表示一般有三種表示固體物料密度固體物料密度的方法：的方法：堆密度堆密度、視密度視密度和和真密度真密度。l 堆密度堆密度是指單位體積內(nèi)自然堆積的干固體物料樣是指單位體積內(nèi)自然堆積的干固體物料樣品的質(zhì)量，

21、堆積體積包含樣品個(gè)體間的空隙和樣品的質(zhì)量，堆積體積包含樣品個(gè)體間的空隙和樣品個(gè)體內(nèi)部的空隙品個(gè)體內(nèi)部的空隙。l 視密度視密度是干物料樣品的質(zhì)量與物料樣品全部個(gè)體是干物料樣品的質(zhì)量與物料樣品全部個(gè)體占有的體積之比，此體積包含物料個(gè)體內(nèi)部的空占有的體積之比，此體積包含物料個(gè)體內(nèi)部的空隙，但不包含物料個(gè)體之間的空隙隙，但不包含物料個(gè)體之間的空隙。l 真密度真密度是干物料樣品的質(zhì)量與樣品物質(zhì)本身占有是干物料樣品的質(zhì)量與樣品物質(zhì)本身占有的體積之比，此體積既不包含樣品個(gè)體之間的空的體積之比，此體積既不包含樣品個(gè)體之間的空隙，也不包括樣品個(gè)體內(nèi)部的空隙隙，也不包括樣品個(gè)體內(nèi)部的空隙。l 顯然，同一種物料的顯

22、然，同一種物料的堆密度堆密度、視密度視密度和和真密度真密度是是依次增加依次增加的。的。l 為了排除溫度對(duì)物料體積的影響，有時(shí)用為了排除溫度對(duì)物料體積的影響，有時(shí)用視相對(duì)視相對(duì)密度密度和和真相對(duì)密度真相對(duì)密度的概念，它們分別是的概念，它們分別是20時(shí)物時(shí)物料的視密度和真密度與同溫度的料的視密度和真密度與同溫度的純水純水的的密度之比密度之比。l 對(duì)對(duì)固定床燃燒或汽化、燃料儲(chǔ)存容積設(shè)計(jì)等場(chǎng)合，固定床燃燒或汽化、燃料儲(chǔ)存容積設(shè)計(jì)等場(chǎng)合，用得更多的是用得更多的是堆密度堆密度，它反映了在每立方米容積，它反映了在每立方米容積中的物料質(zhì)量中的物料質(zhì)量。l 木材、木炭、棉秸等木質(zhì)素含量高的生物質(zhì)及其木材、木炭、

23、棉秸等木質(zhì)素含量高的生物質(zhì)及其固體炭，它們的堆密度在固體炭，它們的堆密度在200350kg/m3之間之間。l 一般說來一般說來，堆密度大對(duì)汽化工藝是有利的堆密度大對(duì)汽化工藝是有利的。l 各種各種草本農(nóng)作物秸稈，堆密度遠(yuǎn)小于木質(zhì)草本農(nóng)作物秸稈，堆密度遠(yuǎn)小于木質(zhì)生物質(zhì)生物質(zhì)，例如例如玉米秸的堆密度僅相當(dāng)于木材的玉米秸的堆密度僅相當(dāng)于木材的1/4，麥秸的，麥秸的堆密度更小堆密度更小。l 生物質(zhì)生物質(zhì)的堆密度遠(yuǎn)小于煤炭的堆密度遠(yuǎn)小于煤炭，例如，褐煤的堆密，例如，褐煤的堆密度 為度 為 5 6 0 6 0 0 k g / m3， 煙 煤 的 堆 密 度 為煙 煤 的 堆 密 度 為800900kg/m3

24、。l 因?yàn)橐驗(yàn)樯镔|(zhì)堆密度小，不利于原料的收集、儲(chǔ)存生物質(zhì)堆密度小，不利于原料的收集、儲(chǔ)存和運(yùn)輸，利用設(shè)備也需要有專門的設(shè)計(jì)和措施和運(yùn)輸，利用設(shè)備也需要有專門的設(shè)計(jì)和措施。2、自然堆積角、自然堆積角l 自然堆積角自然堆積角反映了物料的反映了物料的流動(dòng)特性流動(dòng)特性。l 顆粒顆粒狀固體物料狀固體物料自然堆積時(shí)會(huì)形成一個(gè)自然堆積時(shí)會(huì)形成一個(gè)錐體錐體，錐，錐體母線與底面的夾角叫做體母線與底面的夾角叫做自然堆積角自然堆積角。l 流動(dòng)性流動(dòng)性好好的物料顆粒在很小的坡度時(shí)就會(huì)滾落，的物料顆粒在很小的坡度時(shí)就會(huì)滾落，只能形成只能形成很矮很矮的錐體，因此自然堆積角的錐體，因此自然堆積角小小。l 而而流動(dòng)性不好流

25、動(dòng)性不好的物料會(huì)形成的物料會(huì)形成很高很高的錐體，自然堆的錐體，自然堆積角積角較大較大。l 碎木材碎木材一類原料的自然堆積角一般一類原料的自然堆積角一般不超過不超過45，在汽化爐中能依靠重力向下在汽化爐中能依靠重力向下順暢順暢移動(dòng)移動(dòng)。當(dāng)。當(dāng)下部原下部原料消耗以后，上部原料料消耗以后，上部原料自然下落自然下落補(bǔ)充，形成補(bǔ)充，形成充實(shí)充實(shí)而均勻而均勻的反應(yīng)層的反應(yīng)層。l 而而鍘碎的玉米秸和麥秸鍘碎的玉米秸和麥秸，其自然堆積角甚至能超，其自然堆積角甚至能超過過90而成為而成為鈍角鈍角，即使堆體的底部被掏空，上，即使堆體的底部被掏空，上面的物料依然面的物料依然不下落不下落，在汽化爐里，在汽化爐里容易產(chǎn)

26、生架橋、容易產(chǎn)生架橋、穿孔穿孔的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。3、木炭的機(jī)械強(qiáng)度、木炭的機(jī)械強(qiáng)度l 生物質(zhì)原料受到生物質(zhì)原料受到加熱加熱時(shí)很快時(shí)很快析出揮發(fā)分析出揮發(fā)分，剩余的，剩余的成分就是成分就是木炭木炭。l 木炭木炭的的機(jī)械強(qiáng)度機(jī)械強(qiáng)度對(duì)熱解、汽化或燃燒反應(yīng)層的結(jié)對(duì)熱解、汽化或燃燒反應(yīng)層的結(jié)構(gòu)有重要影響構(gòu)有重要影響。l 由由木質(zhì)木質(zhì)生物質(zhì)原料形成的木炭的機(jī)械強(qiáng)度生物質(zhì)原料形成的木炭的機(jī)械強(qiáng)度較高較高，析出揮發(fā)分后幾乎可以保持原來的形狀，從而形析出揮發(fā)分后幾乎可以保持原來的形狀，從而形成成孔隙率較大而且均勻孔隙率較大而且均勻的優(yōu)良反應(yīng)層。的優(yōu)良反應(yīng)層。l 秸稈秸稈木炭的機(jī)械強(qiáng)度木炭的機(jī)械強(qiáng)度很低很低，在大

27、量揮發(fā)分析出后，在大量揮發(fā)分析出后，不能保持原料的形狀，不能保持原料的形狀，容易使反應(yīng)層收縮容易使反應(yīng)層收縮，并且，并且產(chǎn)生空洞產(chǎn)生空洞。l 反應(yīng)反應(yīng)層收縮層收縮降低了它的透氣性和活性降低了它的透氣性和活性，空洞導(dǎo)致，空洞導(dǎo)致氣流的氣流的不均勻不均勻。4、灰熔點(diǎn)、灰熔點(diǎn)l 與煤的灰分一樣，生物質(zhì)的與煤的灰分一樣，生物質(zhì)的灰分灰分被被加熱加熱到一定溫到一定溫度時(shí)，也會(huì)變形、軟化和液化，對(duì)應(yīng)的溫度稱為度時(shí)，也會(huì)變形、軟化和液化，對(duì)應(yīng)的溫度稱為開始開始變形變形溫度溫度(deformation temperature，DT)、開、開始始軟化軟化溫度溫度(softening temperature，ST

28、)和開始和開始液液化化溫度溫度(fluid temperature，F(xiàn)T)。l 灰熔點(diǎn)的高低與灰的成分有關(guān)灰熔點(diǎn)的高低與灰的成分有關(guān)，不同產(chǎn)地、不同，不同產(chǎn)地、不同生物質(zhì)原料的灰熔點(diǎn)都會(huì)有所不同生物質(zhì)原料的灰熔點(diǎn)都會(huì)有所不同。l 一般一般情況是情況是木本材料的灰熔點(diǎn)高于草本材料的灰木本材料的灰熔點(diǎn)高于草本材料的灰熔點(diǎn)熔點(diǎn)。l 與與煤比較，煤比較，生物質(zhì)的灰熔點(diǎn)普遍較低生物質(zhì)的灰熔點(diǎn)普遍較低，多數(shù)生物，多數(shù)生物質(zhì)灰的質(zhì)灰的DT、ST和和FT在在8001350之間。之間。l 生物質(zhì)灰熔點(diǎn)低生物質(zhì)灰熔點(diǎn)低的的主要原因主要原因是生物質(zhì)中含有是生物質(zhì)中含有鉀鉀(K)、鈉鈉(Na)、氯氯(Cl )和和硅硅

29、(Si)，在燃燒過程中這些元素，在燃燒過程中這些元素物質(zhì)形成低熔點(diǎn)的無機(jī)化合物物質(zhì)形成低熔點(diǎn)的無機(jī)化合物。l 雖然雖然生物質(zhì)的含灰量較少，但是其低灰熔點(diǎn)特性生物質(zhì)的含灰量較少，但是其低灰熔點(diǎn)特性卻給燃燒設(shè)備的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提出了卻給燃燒設(shè)備的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提出了特殊特殊的要求，的要求，以盡量避免燃燒設(shè)備和傳熱面的以盡量避免燃燒設(shè)備和傳熱面的結(jié)渣和結(jié)焦結(jié)渣和結(jié)焦。五、生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)分類五、生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)分類l 生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化通常是根據(jù)不同的需要，或者先利生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化通常是根據(jù)不同的需要，或者先利用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)把生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)變成固體、液體或用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)把生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)變成固體、液體或氣體燃料，然后讓氣體燃料

30、，然后讓終端用戶終端用戶使用這些燃料，或者使用這些燃料，或者直接將生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化成直接將生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化成終端用戶終端用戶需要的需要的能量形式能量形式。l 上述轉(zhuǎn)換技術(shù)可以分為三類上述轉(zhuǎn)換技術(shù)可以分為三類：l 一一是是物理物理轉(zhuǎn)化技術(shù)，包括轉(zhuǎn)化技術(shù)，包括機(jī)械成型機(jī)械成型技術(shù)，以及植技術(shù)，以及植物油物油壓榨壓榨技術(shù)技術(shù)；l 二二是是熱化學(xué)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)，即通過轉(zhuǎn)化技術(shù)，即通過吸熱吸熱或或放熱放熱化學(xué)反化學(xué)反應(yīng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)換；l 三三是是生物生物轉(zhuǎn)化技術(shù)，其中以轉(zhuǎn)化技術(shù)，其中以厭氧消化厭氧消化和和特種酶特種酶技技術(shù)為主。術(shù)為主。l 生物質(zhì)固體、液體或氣體燃料可以轉(zhuǎn)化為被直接生物質(zhì)

31、固體、液體或氣體燃料可以轉(zhuǎn)化為被直接利用的利用的熱能熱能，也可以通過適當(dāng)?shù)臒崃ρh(huán)將熱能，也可以通過適當(dāng)?shù)臒崃ρh(huán)將熱能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)化為機(jī)械能機(jī)械能或或電能電能。第第2節(jié)節(jié) 生物質(zhì)能的物理轉(zhuǎn)化方法生物質(zhì)能的物理轉(zhuǎn)化方法l 一、壓縮成型一、壓縮成型l 生物質(zhì)能生物質(zhì)能物理轉(zhuǎn)化物理轉(zhuǎn)化的最簡(jiǎn)單的方法就是將生物質(zhì)的最簡(jiǎn)單的方法就是將生物質(zhì)原料進(jìn)行原料進(jìn)行壓縮壓縮。l 自然堆積自然堆積的固體生物質(zhì)原料通常都比較疏松，密的固體生物質(zhì)原料通常都比較疏松，密度較小，形狀不規(guī)則，不便運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用度較小，形狀不規(guī)則，不便運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用。l 先先對(duì)松散的原料進(jìn)行對(duì)松散的原料進(jìn)行預(yù)加工預(yù)加工(切削、粉碎、干燥切削

32、、粉碎、干燥)，預(yù)處理后的原料在預(yù)處理后的原料在成型成型設(shè)備設(shè)備里里在在外部壓力外部壓力的作用的作用下，原料顆粒先后經(jīng)歷重新排列位置關(guān)系、顆粒下，原料顆粒先后經(jīng)歷重新排列位置關(guān)系、顆粒機(jī)械變形和塑性流變等階段，機(jī)械變形和塑性流變等階段，體積大幅度減小體積大幅度減小，密度顯著增大密度顯著增大，最后成為，最后成為一定形狀一定形狀的產(chǎn)品。的產(chǎn)品。l 由于非彈性或粘彈性的纖維結(jié)構(gòu)之間的相互纏繞由于非彈性或粘彈性的纖維結(jié)構(gòu)之間的相互纏繞和絞合，在去除外部壓力后，一般不能再恢復(fù)原和絞合，在去除外部壓力后，一般不能再恢復(fù)原來的結(jié)構(gòu)形狀。來的結(jié)構(gòu)形狀。l 目前目前國(guó)內(nèi)國(guó)內(nèi)外使用的主要外使用的主要成型技術(shù)成型技

33、術(shù)有有三大類三大類，即，即螺螺旋擠壓旋擠壓技術(shù)、技術(shù)、活塞沖壓活塞沖壓技術(shù)和技術(shù)和模孔碾壓成型?？啄雺撼尚图夹g(shù)。技術(shù)。二、生物質(zhì)固硫型煤技術(shù)二、生物質(zhì)固硫型煤技術(shù)l 生物質(zhì)固硫型煤技術(shù)生物質(zhì)固硫型煤技術(shù)是指將經(jīng)過是指將經(jīng)過粉碎粉碎和和干燥干燥處理處理的煤和農(nóng)作物秸稈、雜草等生物質(zhì)的煤和農(nóng)作物秸稈、雜草等生物質(zhì)按一定比例摻按一定比例摻混混，加入固硫劑加入固硫劑，利用生物質(zhì)中的木質(zhì)素、纖維，利用生物質(zhì)中的木質(zhì)素、纖維素、半纖維素等的素、半纖維素等的粘結(jié)作用粘結(jié)作用，用高壓成型機(jī)，用高壓成型機(jī)壓制壓制而成。而成。l 生物質(zhì)固硫型煤生物質(zhì)固硫型煤一般一般呈橢球形呈橢球形，兼顧生物質(zhì)和煤，兼顧生物質(zhì)和煤

34、的特性的特性。l 它它的水分低、揮發(fā)分高，燃燒過程中干燥、干餾的水分低、揮發(fā)分高，燃燒過程中干燥、干餾時(shí)間短，揮發(fā)分容易析出，時(shí)間短，揮發(fā)分容易析出，易著火和燃燒，透氣易著火和燃燒，透氣性好；性好；在燃燒過程中型煤表面呈蜂窩狀，增大了在燃燒過程中型煤表面呈蜂窩狀，增大了與空氣的接觸面積，因而與空氣的接觸面積，因而能夠充分燃燒能夠充分燃燒，且可以，且可以固硫和降低煙塵生成量固硫和降低煙塵生成量。l 按原料按原料含水量含水量的不同，生物質(zhì)固硫型煤生產(chǎn)工藝的不同，生物質(zhì)固硫型煤生產(chǎn)工藝可分為可分為濕式成型濕式成型和和干式成型干式成型。l 濕濕式成型原料一般不經(jīng)過干燥，在生產(chǎn)過程中加式成型原料一般不經(jīng)

35、過干燥，在生產(chǎn)過程中加入各種原料，混合后壓成濕煤球，經(jīng)過入各種原料，混合后壓成濕煤球，經(jīng)過2448h固固化制成?；瞥?。l 生物質(zhì)固硫型煤在燃燒過程中，生物質(zhì)比煤先燃生物質(zhì)固硫型煤在燃燒過程中，生物質(zhì)比煤先燃燒完畢，形成燒完畢，形成空隙空隙使固硫劑使固硫劑CaO顆粒內(nèi)部不易發(fā)顆粒內(nèi)部不易發(fā)生燒結(jié)，甚至可使空隙率增加，增大了生燒結(jié)，甚至可使空隙率增加，增大了SO2和和O2向向CaO內(nèi)的擴(kuò)散作用，提高了鈣的利用率內(nèi)的擴(kuò)散作用，提高了鈣的利用率；l 固固硫反應(yīng)生成的硫反應(yīng)生成的CaSO3迅速氧化為不易分解的迅速氧化為不易分解的CaSO4，可提高固硫率，可提高固硫率。l 生物質(zhì)生物質(zhì)中的中的堿性物質(zhì)堿

36、性物質(zhì)也有固硫作用也有固硫作用。l 由于由于生物質(zhì)固硫型煤中的煤與固硫劑混合均勻，生物質(zhì)固硫型煤中的煤與固硫劑混合均勻，可以在較低的鈣硫比下使固硫率達(dá)到可以在較低的鈣硫比下使固硫率達(dá)到50%以上以上。三、壓榨技術(shù)三、壓榨技術(shù)l 生物質(zhì)能生物質(zhì)能物理轉(zhuǎn)化物理轉(zhuǎn)化的另一種方法是的另一種方法是壓榨壓榨。l 從從許多植物的根、莖、枝葉、籽實(shí)可以制取生物許多植物的根、莖、枝葉、籽實(shí)可以制取生物質(zhì)質(zhì)液體燃料液體燃料，如生物乙醇和生物柴油等，如生物乙醇和生物柴油等。l 壓榨壓榨是整個(gè)制取工藝中先行的原料處理環(huán)節(jié)，作是整個(gè)制取工藝中先行的原料處理環(huán)節(jié)，作用是從原料中提取有待深加工的淀粉、含糖或含用是從原料中提

37、取有待深加工的淀粉、含糖或含油液汁及纖維素。油液汁及纖維素。1、能源作物和植物、能源作物和植物l 在在“不與糧爭(zhēng)地，不與人爭(zhēng)糧不與糧爭(zhēng)地，不與人爭(zhēng)糧”的原則下，為了的原則下，為了生產(chǎn)生產(chǎn)生物質(zhì)液體燃料生物質(zhì)液體燃料，在我國(guó)可以因地制宜地種，在我國(guó)可以因地制宜地種植許多能源作物和植物，如植許多能源作物和植物，如木薯、甜高粱、油棕木薯、甜高粱、油棕櫚、椰子、綠玉樹、麻風(fēng)樹、黃連木、光皮樹和櫚、椰子、綠玉樹、麻風(fēng)樹、黃連木、光皮樹和文冠果文冠果等等。l 能源植物油能源植物油是一類儲(chǔ)存于植物器官中，經(jīng)加工后是一類儲(chǔ)存于植物器官中，經(jīng)加工后可以提取植物燃料油的油性物質(zhì)可以提取植物燃料油的油性物質(zhì)。l 它

38、它通過植物有機(jī)體內(nèi)一系列的生理生化過程形成，通過植物有機(jī)體內(nèi)一系列的生理生化過程形成，是具有許多不同分子結(jié)構(gòu)的油脂或揮發(fā)性油類物是具有許多不同分子結(jié)構(gòu)的油脂或揮發(fā)性油類物質(zhì)質(zhì)。l 能源能源油料植物油料植物是一類含有能源植物油成分的物種是一類含有能源植物油成分的物種或變種，它們有一定的生長(zhǎng)或變種，它們有一定的生長(zhǎng)-收獲周期，是可再生收獲周期，是可再生的燃料油資源的燃料油資源。l 用用壓榨壓榨等工藝提取出來的能源植物油，經(jīng)過等工藝提取出來的能源植物油，經(jīng)過加工加工改性改性，可以制成，可以制成生物柴油生物柴油，以替代化石柴油。，以替代化石柴油。l 能源油料植物能源油料植物可分為可分為草本草本和和木本

39、木本兩大類兩大類。l 蓖麻蓖麻、油莎草、藻類和棉籽的母體、油莎草、藻類和棉籽的母體棉花棉花等屬等屬草本草本植物植物；l 而而前述的前述的油棕櫚、椰子、綠玉樹、麻風(fēng)樹、黃連油棕櫚、椰子、綠玉樹、麻風(fēng)樹、黃連木、光皮樹和文冠果木、光皮樹和文冠果等則屬等則屬木本木本植物植物。l 從能源植物中提煉石油最讓人鼓舞的前景之一就從能源植物中提煉石油最讓人鼓舞的前景之一就是對(duì)是對(duì)藻類藻類的研究的研究。l 日本日本的科研人員從一種淡水藻類中提取了石油。的科研人員從一種淡水藻類中提取了石油。這種藻類在這種藻類在吸收二氧化碳吸收二氧化碳進(jìn)行光合作用的過程中進(jìn)行光合作用的過程中體內(nèi)蓄積油性物質(zhì)；它不僅對(duì)二氧化碳的吸收

40、率體內(nèi)蓄積油性物質(zhì)；它不僅對(duì)二氧化碳的吸收率高，而且合成生物油能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過預(yù)想的程度；高，而且合成生物油能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過預(yù)想的程度；從中提取的生物油不僅從中提取的生物油不僅發(fā)熱量高，發(fā)熱量高，而且而且氮、硫含氮、硫含量少量少。l 近幾年，科學(xué)家對(duì)近幾年，科學(xué)家對(duì)巨藻巨藻進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)它含有進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)它含有豐富的豐富的甲烷成分甲烷成分，可用來生產(chǎn)燃?xì)猓捎脕砩a(chǎn)燃?xì)?。l 巨巨藻可在大陸架海域進(jìn)行大規(guī)模養(yǎng)殖，由于其葉藻可在大陸架海域進(jìn)行大規(guī)模養(yǎng)殖，由于其葉片集中于海水表面，可以進(jìn)行機(jī)械化收割，一年片集中于海水表面，可以進(jìn)行機(jī)械化收割，一年能收割三次。能收割三次。l 能源油料植物能源油料植物開發(fā)

41、利用的價(jià)值早有人提出，但受開發(fā)利用的價(jià)值早有人提出，但受到普遍重視還是在到普遍重視還是在1973年第一次石油危機(jī)之后年第一次石油危機(jī)之后。l 1978年，國(guó)際能源機(jī)構(gòu)年，國(guó)際能源機(jī)構(gòu)(IEA)發(fā)起了國(guó)際間能源植發(fā)起了國(guó)際間能源植物的合作研究物的合作研究。l 1981年的肯尼亞年的肯尼亞(內(nèi)羅畢內(nèi)羅畢)國(guó)際新能源和可再生能國(guó)際新能源和可再生能源會(huì)議以后，國(guó)際上開發(fā)利用這類資源的研究方源會(huì)議以后，國(guó)際上開發(fā)利用這類資源的研究方興未艾興未艾。2、壓榨法、壓榨法l 壓榨法壓榨法制取油脂有悠久的歷史，根據(jù)榨油機(jī)的種制取油脂有悠久的歷史，根據(jù)榨油機(jī)的種類可以分為類可以分為土榨土榨、水壓機(jī)水壓機(jī)、螺旋榨油機(jī)

42、螺旋榨油機(jī)三種類型三種類型。l 目前目前使用較廣泛的榨油設(shè)備是使用較廣泛的榨油設(shè)備是螺旋榨油機(jī)螺旋榨油機(jī)。它是。它是近代國(guó)際上普遍采用的較為先進(jìn)的連續(xù)壓榨取油近代國(guó)際上普遍采用的較為先進(jìn)的連續(xù)壓榨取油設(shè)備，其設(shè)備，其優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是處理量大、生產(chǎn)連續(xù)、勞動(dòng)強(qiáng)度是處理量大、生產(chǎn)連續(xù)、勞動(dòng)強(qiáng)度小、出油率高。小、出油率高。l 螺旋榨油機(jī)螺旋榨油機(jī)的工作原理是利用旋轉(zhuǎn)的的工作原理是利用旋轉(zhuǎn)的螺旋軸螺旋軸在在榨榨膛膛內(nèi)的推進(jìn)作用使榨料向前推進(jìn)；同時(shí)，由于螺內(nèi)的推進(jìn)作用使榨料向前推進(jìn)；同時(shí)，由于螺旋的旋的螺距逐漸縮小螺距逐漸縮小，在向前推進(jìn)榨料時(shí)產(chǎn)生壓縮，在向前推進(jìn)榨料時(shí)產(chǎn)生壓縮和擠榨作用，榨料中的油脂則從和擠

43、榨作用，榨料中的油脂則從榨籠榨籠的縫隙中被的縫隙中被擠壓流出，同時(shí)殘?jiān)粔撼娠瀴K從榨油機(jī)的末端擠壓流出，同時(shí)殘?jiān)粔撼娠瀴K從榨油機(jī)的末端不斷排出。不斷排出。3、生物柴油的生產(chǎn)、生物柴油的生產(chǎn)l 從實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，生產(chǎn)從實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，生產(chǎn)生物燃料油生物燃料油主要不是為了獲得普通燃燒設(shè)備，如鍋爐的燃料主要不是為了獲得普通燃燒設(shè)備，如鍋爐的燃料油，而是為了獲得油，而是為了獲得車用柴油車用柴油。l 用用壓榨等工藝從能源油料植物得到的壓榨等工藝從能源油料植物得到的生物毛油生物毛油中，中，水分、灰分等雜質(zhì)和氧元素的含量高，氫碳比低，水分、灰分等雜質(zhì)和氧元素的含量高，氫碳比低，使其性質(zhì)

44、較差，不能直接作柴油使用，需要作進(jìn)使其性質(zhì)較差，不能直接作柴油使用，需要作進(jìn)一步一步精制精制。l 生物毛油生物毛油的的初步初步精制精制：l 用用過濾、離心分離、溶劑法、水化過濾、離心分離、溶劑法、水化等工藝等工藝脫除毛脫除毛油中的固體懸浮物、蠟、膠等雜質(zhì)油中的固體懸浮物、蠟、膠等雜質(zhì)；l 用用真空法或加熱法真空法或加熱法脫水脫水。l 為了使初步精制過的生物油的燃料性質(zhì)更接近于為了使初步精制過的生物油的燃料性質(zhì)更接近于化石柴油，在不改動(dòng)柴油機(jī)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的前提下化石柴油，在不改動(dòng)柴油機(jī)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的前提下使之適合于柴油機(jī)燃燒，國(guó)際上通行的方法是采使之適合于柴油機(jī)燃燒，國(guó)際上通行的方法是采取取稀釋稀釋

45、(diludon)、微細(xì)乳化微細(xì)乳化(micro-emulsion)、交交酯化酯化(transesterification) 和和熱分解熱分解(pyrolysis)等技等技術(shù)實(shí)現(xiàn)生物油用作柴油機(jī)的燃料術(shù)實(shí)現(xiàn)生物油用作柴油機(jī)的燃料。(1)稀釋稀釋l 稀釋稀釋是將是將少量少量脫除雜質(zhì)和水分后的脫除雜質(zhì)和水分后的生物油生物油加入加入多多量量的的化石柴油化石柴油中，相對(duì)于純生物油而言，混合后中，相對(duì)于純生物油而言，混合后的生物柴油中生物油的比例大為減小的生物柴油中生物油的比例大為減小。l 生物生物油的分子約是化石柴油的油的分子約是化石柴油的4倍倍，而，而粘度則高粘度則高10倍以上倍以上。l 如果如果柴

46、油機(jī)單獨(dú)燃燒生物油，則會(huì)產(chǎn)生柴油機(jī)單獨(dú)燃燒生物油，則會(huì)產(chǎn)生噴射效果噴射效果不良、燃燒不充分、噴嘴和燃燒室積炭不良、燃燒不充分、噴嘴和燃燒室積炭等問題。等問題。l 稀釋后的生物柴油則能稀釋后的生物柴油則能削弱削弱生物油的上述生物油的上述不利因不利因素素，從而使混合燃油的性質(zhì)接近化石柴油，從而使混合燃油的性質(zhì)接近化石柴油。l 研究研究表明，表明，20%精煉后的生物油與精煉后的生物油與80%的化石柴油的化石柴油混合，可以在不改變發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和部件的前混合，可以在不改變發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和部件的前提下安全使用。提下安全使用。(2)微細(xì)乳化微細(xì)乳化l 乳化乳化是在混合的生物油和化石柴油中加入是在混合的生物

47、油和化石柴油中加入表面活表面活性劑性劑，使混合油內(nèi)部發(fā)生微細(xì)乳化，成為，使混合油內(nèi)部發(fā)生微細(xì)乳化，成為乳化油乳化油，達(dá)到達(dá)到改性改性的目的的目的。l 表面活性劑表面活性劑的種類很多，包括陽離子、陰離子、的種類很多，包括陽離子、陰離子、兩性離子和非離子表面活性劑兩性離子和非離子表面活性劑。l 生物油和化石柴油是生物油和化石柴油是不相溶不相溶的。的。l 加入加入表面活性劑后，混合油中含量大于表面活性劑后，混合油中含量大于45%的多的多組分油呈組分油呈連續(xù)相連續(xù)相，含量小于，含量小于45%的少組分油呈的少組分油呈分分散相散相；若生物油和化石柴油的組分各接近；若生物油和化石柴油的組分各接近50%，則二

48、者都呈則二者都呈連續(xù)相連續(xù)相。l 乳化乳化油中的生物油和化石柴油的液體粒子被油中的生物油和化石柴油的液體粒子被細(xì)微細(xì)微化化，混合充分且均勻。，混合充分且均勻。l 乳化油乳化油比純生物油有比純生物油有更高的安定性更高的安定性，即粘度隨時(shí)，即粘度隨時(shí)間增加的幅度變??；也更穩(wěn)定，即隨著溫度和時(shí)間增加的幅度變??；也更穩(wěn)定，即隨著溫度和時(shí)間的增加，因氧化而產(chǎn)生游離酸和熱聚合的反應(yīng)間的增加，因氧化而產(chǎn)生游離酸和熱聚合的反應(yīng)減弱減弱。l 柴油機(jī)柴油機(jī)使用乳化油時(shí)，其結(jié)構(gòu)不需要改變，但噴使用乳化油時(shí)，其結(jié)構(gòu)不需要改變，但噴油嘴和輸油泵需改用抗腐蝕的不銹鋼來制造油嘴和輸油泵需改用抗腐蝕的不銹鋼來制造。(3)酯化

49、酯化l 酯化酯化是一種主要的生產(chǎn)是一種主要的生產(chǎn)生物柴油生物柴油的的化學(xué)方法化學(xué)方法。l 將將生物油生物油(由各種甘油三酸酯和少量游離脂肪酸及由各種甘油三酸酯和少量游離脂肪酸及各種非油脂物質(zhì)組成各種非油脂物質(zhì)組成)與小分子與小分子醇類醇類(如甲醇、乙如甲醇、乙醇、正丁醇醇、正丁醇)在在催化劑催化劑(NaOH、KOH、K2CO3等等)和和一定一定溫度溫度(230250)條件下進(jìn)行條件下進(jìn)行酯化反應(yīng)酯化反應(yīng)，生成，生成粘度較低、十六烷值增加的脂肪酸甲酯或乙酯，粘度較低、十六烷值增加的脂肪酸甲酯或乙酯，即即生物柴油生物柴油，同時(shí)獲得副產(chǎn)品，同時(shí)獲得副產(chǎn)品甘油甘油。l 下式表示在下式表示在植物油植物油

50、中加入中加入醇醇而生成而生成酯酯的反應(yīng)的反應(yīng)：l 式式中中：l R1，R2及及R3為脂肪酸的烴基為脂肪酸的烴基；l R為甲為甲(乙乙)醇的醇基，即醇的醇基，即CH3或或C2H5。l 研究表明，研究表明，甲醇酯化甲醇酯化的效果最好的效果最好。l 加加10%甲醇，生物柴油中的油相部分在甲醇，生物柴油中的油相部分在1年內(nèi)沒有年內(nèi)沒有明顯的變化，明顯的變化，安定性很好安定性很好。l 甲醇甲醇改善改善了生物油的了生物油的溶解能力溶解能力，能將生物油中的，能將生物油中的非極性提取物溶回生物油中非極性提取物溶回生物油中。l 甲醇甲醇也起也起稀釋作用稀釋作用，能降低生物油的粘度，能降低生物油的粘度。4、生物柴

51、油與化石柴油的比較、生物柴油與化石柴油的比較l 生物柴油生物柴油的的冷濾點(diǎn)、閃點(diǎn)、燃燒功效、十六烷值、冷濾點(diǎn)、閃點(diǎn)、燃燒功效、十六烷值、含硫量和含氧量均優(yōu)含硫量和含氧量均優(yōu)于化石柴油，但于化石柴油，但熱值較低，熱值較低，粘度較高粘度較高。l 十六烷值十六烷值高意味著高意味著抗爆性好抗爆性好。l 氧含量氧含量高表示燃燒需要較少的氧量，生物柴油有高表示燃燒需要較少的氧量，生物柴油有較好的點(diǎn)火和燃燒性能較好的點(diǎn)火和燃燒性能。l 生物生物柴油的運(yùn)動(dòng)粘度較大，雖然有霧化能力較低、柴油的運(yùn)動(dòng)粘度較大，雖然有霧化能力較低、低溫啟動(dòng)性較差的缺點(diǎn)，但也有能提高汽缸里活低溫啟動(dòng)性較差的缺點(diǎn)，但也有能提高汽缸里活塞

52、等運(yùn)動(dòng)機(jī)件的塞等運(yùn)動(dòng)機(jī)件的潤(rùn)滑性潤(rùn)滑性，降低磨損降低磨損的優(yōu)點(diǎn)。的優(yōu)點(diǎn)。l 生物柴油還有生物柴油還有無毒無毒，排放的尾氣對(duì)人體損害較小，排放的尾氣對(duì)人體損害較小等優(yōu)點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)。l 更更重要的是燃燒重要的是燃燒1kg生物柴油可以減少生物柴油可以減少3kg CO2的的排放，對(duì)排放，對(duì)減少溫室氣體排放減少溫室氣體排放有重要的作用；燃燒有重要的作用；燃燒生物柴油排放的生物柴油排放的SOx、NOx也低于化石柴油。也低于化石柴油。l 生物柴油的主要生物柴油的主要缺點(diǎn)缺點(diǎn)是具是具有腐蝕性有腐蝕性，與其接觸的，與其接觸的橡膠、塑料和普通金屬部件都會(huì)受到腐蝕，需要橡膠、塑料和普通金屬部件都會(huì)受到腐蝕，需要從材料、

53、維修保養(yǎng)等方面加以防止從材料、維修保養(yǎng)等方面加以防止。第第3節(jié)節(jié) 生物質(zhì)的燃燒生物質(zhì)的燃燒l 在在熱化學(xué)轉(zhuǎn)化熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過程中，生物質(zhì)能可以通過過程中，生物質(zhì)能可以通過氧化氧化過過程直接轉(zhuǎn)化為程直接轉(zhuǎn)化為熱能熱能，或者通過某些，或者通過某些化學(xué)過程化學(xué)過程生成生成二次能源二次能源，如通過汽化生成燃料氣，干餾生成燃，如通過汽化生成燃料氣，干餾生成燃料氣、焦油和木炭料氣、焦油和木炭。l 熱化學(xué)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化大致可以分為三類，即大致可以分為三類，即燃燒燃燒、汽化汽化和和液化液化。l 實(shí)際上實(shí)際上，上述三個(gè)過程可以同時(shí)進(jìn)行或者一次進(jìn)，上述三個(gè)過程可以同時(shí)進(jìn)行或者一次進(jìn)行，難以把各個(gè)過程進(jìn)行明確的劃分。行

54、，難以把各個(gè)過程進(jìn)行明確的劃分。一、燃燒過程一、燃燒過程l 最古老的最古老的生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化方法就是方法就是燃燒燃燒。l 生物質(zhì)生物質(zhì)燃料的燃燒過程是強(qiáng)烈的燃料的燃燒過程是強(qiáng)烈的放熱化學(xué)反應(yīng)放熱化學(xué)反應(yīng)。l 燃燒燃燒的進(jìn)行除了要有的進(jìn)行除了要有燃料燃料本身之外，還必須有足本身之外，還必須有足夠的夠的溫度溫度和適當(dāng)?shù)暮瓦m當(dāng)?shù)目諝饪諝夤?yīng)供應(yīng)。l 燃料燃料的的燃燒過程燃燒過程分為分為預(yù)熱預(yù)熱、水分蒸發(fā)水分蒸發(fā)、析出揮發(fā)析出揮發(fā)分分、揮發(fā)分燃燒揮發(fā)分燃燒和和焦炭燃燒焦炭燃燒等幾個(gè)階段等幾個(gè)階段。l 生物質(zhì)燃料生物質(zhì)燃料包括薪柴、秸稈等原生態(tài)燃料和由這包括薪柴、秸稈等原生態(tài)燃料和由這些原生態(tài)材

55、料加工而成的燃料些原生態(tài)材料加工而成的燃料。l 燃料燃料送進(jìn)送進(jìn)燃燒室燃燒室后，用火種后，用火種引燃引燃燃料，燃燒釋放燃料，燃燒釋放的的熱量熱量使燃料升溫，燃料中的使燃料升溫，燃料中的水分首先蒸發(fā)水分首先蒸發(fā)；干；干燥后的燃料繼續(xù)升溫并發(fā)生燥后的燃料繼續(xù)升溫并發(fā)生分解分解，析出包括氣體，析出包括氣體和焦油的氣態(tài)揮發(fā)物，揮發(fā)物與空氣混合，形成和焦油的氣態(tài)揮發(fā)物，揮發(fā)物與空氣混合，形成可燃混合物可燃混合物；當(dāng)溫度和混合物濃度兩個(gè)條件都已；當(dāng)溫度和混合物濃度兩個(gè)條件都已具備時(shí)，揮發(fā)物著火燃燒，并為其后的焦炭燃燒具備時(shí)，揮發(fā)物著火燃燒，并為其后的焦炭燃燒準(zhǔn)備了條件。準(zhǔn)備了條件。l 燃料的升溫、干燥、揮

56、發(fā)物釋放、焦炭燃燒的過燃料的升溫、干燥、揮發(fā)物釋放、焦炭燃燒的過程是從燃料的表面向內(nèi)部擴(kuò)展的，揮發(fā)物的燃燒程是從燃料的表面向內(nèi)部擴(kuò)展的，揮發(fā)物的燃燒則在燃料表面和表面以外的空間里進(jìn)行則在燃料表面和表面以外的空間里進(jìn)行。l 當(dāng)當(dāng)燃料中的揮發(fā)物沒有完全釋放時(shí)，揮發(fā)物的燃燃料中的揮發(fā)物沒有完全釋放時(shí)，揮發(fā)物的燃燒使灶膛中的氧不易向焦炭表面擴(kuò)散燒使灶膛中的氧不易向焦炭表面擴(kuò)散。l 只有只有當(dāng)揮發(fā)物的釋放和燃燒快要終了時(shí)，焦炭周當(dāng)揮發(fā)物的釋放和燃燒快要終了時(shí)，焦炭周圍的氧氣才能充分接觸到熾熱的焦炭表面，使焦圍的氧氣才能充分接觸到熾熱的焦炭表面，使焦炭發(fā)生完全的燃燒。炭發(fā)生完全的燃燒。l 隨著焦炭的燃燒，

57、其中的灰分逐漸包裹剩余的焦隨著焦炭的燃燒，其中的灰分逐漸包裹剩余的焦炭，妨礙它繼續(xù)燃燒炭，妨礙它繼續(xù)燃燒。l 這時(shí)這時(shí)對(duì)燃料層適當(dāng)人為地或機(jī)械地加以撥動(dòng)，或?qū)θ剂蠈舆m當(dāng)人為地或機(jī)械地加以撥動(dòng)，或加強(qiáng)爐箅加強(qiáng)爐箅(b)中的通風(fēng)，都可促進(jìn)剩余焦炭的燃燒中的通風(fēng)，都可促進(jìn)剩余焦炭的燃燒。l 灰灰渣中殘留的余炭也就產(chǎn)生在此階段。渣中殘留的余炭也就產(chǎn)生在此階段。l 以上幾個(gè)階段實(shí)際上是連續(xù)進(jìn)行的，當(dāng)揮發(fā)物氣以上幾個(gè)階段實(shí)際上是連續(xù)進(jìn)行的，當(dāng)揮發(fā)物氣體著火燃燒后，不斷向上流動(dòng)，邊流動(dòng)邊反應(yīng)形體著火燃燒后，不斷向上流動(dòng)，邊流動(dòng)邊反應(yīng)形成擴(kuò)散火焰成擴(kuò)散火焰。l 在在這擴(kuò)散火焰中，由于空氣與可燃?xì)怏w混合比例這擴(kuò)

58、散火焰中，由于空氣與可燃?xì)怏w混合比例的不同，因而形成各層溫度不同的火焰的不同，因而形成各層溫度不同的火焰。l 比例比例恰當(dāng)?shù)?，燃燒就好，溫度高；比例不恰?dāng)?shù)那‘?dāng)?shù)?，燃燒就好，溫度高；比例不恰?dāng)?shù)娜紵缓?，溫度就低，甚至造成熄火燃燒不好，溫度就低，甚至造成熄火。l 空氣空氣與可燃?xì)怏w的混合比例，取決于揮發(fā)物釋放與可燃?xì)怏w的混合比例，取決于揮發(fā)物釋放的速率和進(jìn)入爐膛的空氣的多少的速率和進(jìn)入爐膛的空氣的多少。l 生物質(zhì)中生物質(zhì)中揮發(fā)分揮發(fā)分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)占60%80%，固定碳，固定碳占占12%20%。l 在在生物質(zhì)燃燒釋放的熱量中，生物質(zhì)燃燒釋放的熱量中，60%以上的熱量來以上的熱量來自自揮

59、發(fā)分揮發(fā)分的燃燒的燃燒。l 因此因此保證揮發(fā)分的充分燃燒十分重要。保證揮發(fā)分的充分燃燒十分重要。l 根據(jù)燃燒理論，根據(jù)燃燒理論，碳的燃燒碳的燃燒是在碳的吸附表面上進(jìn)是在碳的吸附表面上進(jìn)行的，行的，CO2和和CO都是反應(yīng)的產(chǎn)物都是反應(yīng)的產(chǎn)物：l 當(dāng)溫度較高當(dāng)溫度較高(超過超過700)，生成的一氧化碳向外擴(kuò)，生成的一氧化碳向外擴(kuò)散時(shí)，遇到空氣中的氧氣會(huì)繼續(xù)燃燒再生成二氧散時(shí)，遇到空氣中的氧氣會(huì)繼續(xù)燃燒再生成二氧化碳，即化碳，即l 當(dāng)燃燒溫度在當(dāng)燃燒溫度在1300以下時(shí)，以下時(shí)，C+O2是一級(jí)反應(yīng)，是一級(jí)反應(yīng)，CO/CO2=1，反應(yīng)發(fā)生生成絡(luò)合物和絡(luò)合物離解的，反應(yīng)發(fā)生生成絡(luò)合物和絡(luò)合物離解的中間過

60、程，總的簡(jiǎn)化反應(yīng)式可以寫中間過程，總的簡(jiǎn)化反應(yīng)式可以寫成成l 當(dāng)反應(yīng)溫度當(dāng)反應(yīng)溫度超過超過700或更高時(shí)，則生成的二氧化或更高時(shí)，則生成的二氧化碳在擴(kuò)散過程中遇到熾熱的碳就會(huì)產(chǎn)生促進(jìn)固定碳在擴(kuò)散過程中遇到熾熱的碳就會(huì)產(chǎn)生促進(jìn)固定碳燃燒的碳燃燒的碳的汽化反應(yīng)碳的汽化反應(yīng)，這是一種還原反應(yīng)，即，這是一種還原反應(yīng)，即l 進(jìn)入燃燒室的生物質(zhì)燃料可能含有較多的進(jìn)入燃燒室的生物質(zhì)燃料可能含有較多的水分水分，其在燃燒過程中，產(chǎn)生的其在燃燒過程中，產(chǎn)生的水蒸氣水蒸氣會(huì)向熾熱的焦炭會(huì)向熾熱的焦炭表面擴(kuò)散，從而導(dǎo)致表面擴(kuò)散，從而導(dǎo)致碳的水煤氣反應(yīng)碳的水煤氣反應(yīng)：l 生成的生成的CO和和H2可以進(jìn)一步燃燒而放熱，同