生物質(zhì)能精品課件

1、關(guān)于生物質(zhì)能1第一張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月2內(nèi)容提要生物質(zhì)能生物質(zhì)能的生產(chǎn)與再生產(chǎn)沼氣技術(shù)生物質(zhì)固硫型煤技術(shù)生物質(zhì)熱解與直接液化技術(shù)生物質(zhì)氣化技術(shù)生物燃料生物質(zhì)能開發(fā)利用技術(shù)展望第二張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月36.1 生物質(zhì)能6.1.1 生物質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu)1）光合作用 光反應(yīng)：H2O在光合葉綠素的作用下，生成氫 暗反應(yīng)：又叫卡爾文循環(huán)，CO2、H2以及ATP生成葡萄糖2）植物細(xì)胞的結(jié)構(gòu) 細(xì)胞壁 植物細(xì)胞- 原生質(zhì)體（膜系統(tǒng)、細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)及細(xì)胞器） 后含物（淀粉、脂類和蛋白質(zhì)）3）生物質(zhì)的分類 林業(yè)資源 農(nóng)業(yè)資源 生活污水和工業(yè)有機(jī)廢水 城市固體廢物 家禽糞便

2、第三張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月46.1 生物質(zhì)能6.1.2 生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)第四張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月56.1 生物質(zhì)能6.1.3 生命周期分析法綠色植物的生命周期（種植、生長(zhǎng)、收獲、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、預(yù)處理、利用和廢物處理），其中許多過程需要消耗一定的常規(guī)能源，因此綠色植物的二氧化碳排放量并非為零?；茉磁c生物質(zhì)能排放量的對(duì)比能源CO2/g/(kW.h)SO2/g/(kW.h)NOx/g/(kW.h)能源作物（目前）17-270.07-0.161.1-2.5能源作物（未來）15-180.06-0.080.35-0.51煤炭（最佳）95511.84.3石油

3、81814.24.0天然氣430-0.5第五張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月66.2 生物質(zhì)能資源的生產(chǎn)與再生產(chǎn)6.2.1 生物質(zhì)資源生產(chǎn)的周期性1）植物生活周期 慢-快-慢2）季節(jié)周期性 以草本植物為例：一年生植物；兩年生植物；多年生植物3）晝夜周期性 晝夜生長(zhǎng)速度不一樣。 植物體內(nèi)存在一種不依賴于環(huán)境刺激的近似晝夜節(jié)奏的計(jì)時(shí)系統(tǒng)，稱為生物鐘，具有內(nèi)生性、對(duì)溫度不敏感性和計(jì)時(shí)性等。6.2.2 工業(yè)有機(jī)廢水1）化學(xué)需氧量COD 水中能被化學(xué)氧化劑氧化的物質(zhì)在規(guī)定條件下進(jìn)行化學(xué)氧化反應(yīng)過程所消耗的氧的數(shù)量，表示工業(yè)有機(jī)廢水中有機(jī)物的濃度。2）生化需氧量BOD 水樣中微生物分解有機(jī)物的過

4、程中所消耗的水中的溶解氧量。2）幾種典型的工業(yè)有機(jī)廢水 制漿造紙業(yè)廢水 制革業(yè)廢水 啤酒廢水 肉類加工業(yè)廢水第六張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月76.2 生物質(zhì)能資源的生產(chǎn)與再生產(chǎn)6.2.3 城市固體廢棄物1）按化學(xué)性質(zhì)分類 有機(jī)固體廢棄物 無機(jī)固體廢棄物2）按照燃燒的難易程度 不燃固體廢物 難燃固體廢物 易燃固體廢物3）固體廢物對(duì)環(huán)境的影響 侵占土地：堆放萬噸廢物占地畝 污染土壤： 污染水源： 污染大氣：第七張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月86.3 沼氣技術(shù)6.3.1 沼氣發(fā)酵原理1）沼氣 沼氣是有機(jī)物在厭氧條件下經(jīng)微生物分解發(fā)酵而生成的一種可燃性氣體。主要為甲烷和二氧化

5、碳2）沼氣發(fā)酵的微生物學(xué)原理 第八張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月96.3 沼氣技術(shù)6.3.1 沼氣發(fā)酵原理2）沼氣發(fā)酵的微生物學(xué)原理 a. 發(fā)酵性細(xì)菌：將可溶性的糖、氨基酸和脂酸吸收進(jìn)入細(xì)胞后，經(jīng)go發(fā)酵作用將其轉(zhuǎn)化為乙酸、丙酸、丁酸脂肪和醇類、同時(shí)產(chǎn)生一定量的氫和二氧化碳。 b. 產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌：將發(fā)酵性細(xì)菌產(chǎn)生的有機(jī)酸和醇類分解成乙酸、氫和二氧化碳。CH3CH2COOH+2H2O-CH3COOH+CO2+3H2 CH3CH2CH2COOH+2H22CH3COOH+2H2 CH3CH2OH+2H2O-CH3COOH+2H2 CH3CHOHCOOH(乳酸)+H2O-CH3COOH+C

6、O2+H2 c. 耗氫乙酸菌：既能利用水和CO2生成乙酸，也能分解糖產(chǎn)生乙酸。 2CO2+4H2-CH3COOH+2H2O C6H12O63CH3COOH d. 產(chǎn)甲烷菌: 需厭氧條件下，PH5.5的中性范圍內(nèi)產(chǎn)生。 4H2+CO2-CH4+2H2O 4HCOOH-CH4+3CO2+2H2O 4CH3OH-CH4+3CO2+2H2O CH3COOH-CH4+CO2一般的產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)速度慢，最快的需要小時(shí)。第九張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月106.3 沼氣技術(shù)6.3.1 沼氣發(fā)酵原理3）沼氣發(fā)酵條件 a. BOD5/COD初步評(píng)價(jià)有機(jī)物的可生物降解性。 b. 溫度 250C以下為低溫

7、，25-45 0C為中溫，46-60 0C為高溫發(fā)酵。 c. PH值和堿度 6.87.4之間最適宜 d. C/N比。 原料中有機(jī)碳素和氮素含量的比例關(guān)系。 厭氧發(fā)酵的啟動(dòng)階段不超過30：1。6.3.2 沼氣利用設(shè)施和設(shè)備1）沼氣炊事灶具2）沼氣燈具 由燃燒器、燈罩、玻璃罩、電子脈沖點(diǎn)火器及支架底座等組成。第十張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月116.3 沼氣技術(shù)6.3.3 沼氣的綜合利用1）沼氣二氧化碳施肥 燃燒沼氣產(chǎn)生二氧化碳，二氧化碳對(duì)農(nóng)作物具有增產(chǎn)作用，平均可增加幅度30%。2）沼氣供熱孵雞3）沼氣加溫養(yǎng)蠶第十一張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月126.4 生物質(zhì)固硫型煤

8、技術(shù)6.4.1 生物質(zhì)固硫型煤生產(chǎn)工藝第十二張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月136.4 生物質(zhì)固硫型煤技術(shù)6.4.2 生物質(zhì)固硫型煤燃燒特性1）點(diǎn)火性能 可燃基揮發(fā)分比原煤高，進(jìn)入爐膛后，生物質(zhì)首先燃燒，使型煤短時(shí)間達(dá)到著火點(diǎn)，生物質(zhì)燃料燃燒后體積收縮，使型煤產(chǎn)生很多孔道及空襲，形成多孔形球體。2）燃燒機(jī)理 靜態(tài)滲透式擴(kuò)散燃燒 燃燒由表面及不斷深入到內(nèi)部，不會(huì)發(fā)生熱解析炭冒煙現(xiàn)象。3）固硫特性 生物質(zhì)比煤先燃燒，形成的空隙起到了膨化疏松作用，使固硫劑CaO顆粒內(nèi)部不易發(fā)生燒結(jié)，可使空襲率增加，增大SO2和O2向CaO顆粒內(nèi)的擴(kuò)散作用，提高鈣的利用率。 可在較低的Ca/S下，使固硫率達(dá)

9、到50%以上。第十三張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月146.5 生物質(zhì)熱解與直接液化技術(shù)6.5.1 生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)換生物質(zhì)與煤具有相似性，最初來源于煤化工第十四張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月156.5 生物質(zhì)熱解與直接液化技術(shù)6.5.2 生物質(zhì)熱解技術(shù)1）生物質(zhì)熱解工藝的類型 燒炭：少量空氣進(jìn)行熱分解制取木炭的方法。 干餾（低溫干餾500-580 0C，中溫干餾660-750 0C，高溫干餾900-1100 0C）：隔絕空氣的環(huán)境加熱，制取醋酸、甲醇、木焦油抗聚劑、木餾油和木炭等產(chǎn)品。 快速熱解：在缺氧的情況下快速加熱，然后迅速將其冷卻為液態(tài)生物原油的熱解方法。盡可能獲得

10、更多的液體產(chǎn)物。6.5.3 生物質(zhì)熱解過程與原理1）生物質(zhì)熱解過程和產(chǎn)物過程-a. 干燥階段：120-150 0C，水分蒸發(fā)。 b. 預(yù)炭化階段：150-275 0C，木材化學(xué)組成發(fā)生變化，不穩(wěn)定組分分解為CO2、CO和少量醋酸。 c. 炭化階段：275-450 0C，木材急劇熱分解，產(chǎn)生大量產(chǎn)物，發(fā)出大量的反應(yīng)熱。 d. 煅燒階段：450-500 0C，進(jìn)行木炭的煅燒，排除殘留在木炭中的揮發(fā)物質(zhì)，提高木炭中固定碳含量。產(chǎn)物-固體：木炭 液體：粗木醋酸，包括200種以上有機(jī)物，酸類、醇類、醛類、酯類、酚類、芳香化合物、雜環(huán)化合物及胺類等。 氣體：CO2、CO、CH4、C2H4 和H2 第十五張

11、，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月166.5 生物質(zhì)熱解與直接液化技術(shù)6.5.3 生物質(zhì)熱解過程與原理2）生物質(zhì)熱解的原理包括分子鍵斷裂，異構(gòu)化和小分子聚合等反應(yīng)。3）影響生物質(zhì)熱解的因素 a.熱解的最終溫度：木炭產(chǎn)量隨溫度升高逐漸降低 木醋酸組成在270-400 0C變化較大，4000C變化不顯著。 b. 升溫速率：加熱速率加快，木炭產(chǎn)量下降，焦油產(chǎn)量增加，最大可達(dá)80%的生物原油產(chǎn)率 c. 壓力：在1.33Pa的真空下熱解，不釋放熱量，3.15MPa熱解，放大量的熱。 d. 含水率：含水率過高，熱解所需時(shí)間較長(zhǎng)。較干的木材熱解會(huì)放熱較快，降低木炭產(chǎn)量 e. 木炭的形態(tài)：沿纖維方向的熱

12、導(dǎo)率比纖維垂直方向的熱導(dǎo)率大。 f. 反應(yīng)的氣氛：采用過熱蒸汽處理，可得到酸率8%。 第十六張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月176.5 生物質(zhì)熱解與直接液化技術(shù)6.5.4 生物質(zhì)快速熱解技術(shù)1）生物質(zhì)快速熱解 生物質(zhì)在缺氧的狀態(tài)下，在極短的時(shí)間（0.5-5s）加熱到500-540 0C，然后其產(chǎn)物迅速冷凝的熱解過程。2）快速熱解工藝 第十七張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月186.5 生物質(zhì)熱解與直接液化技術(shù)6.5.5 生物原油的燃料特性及應(yīng)用1）相對(duì)密度 液體燃料在20 0C下的密度與4 0C水的密度之比，生物燃油為1.2，柴油為0.85，熱值相當(dāng)于40%相同質(zhì)量的燃油。2

13、）熱穩(wěn)定性 加熱到100 0C以上時(shí)，會(huì)析出占原有質(zhì)量50%的木炭。 因此需要加氫裂解或水蒸氣裂解3）應(yīng)用 替代燃油在固定場(chǎng)所應(yīng)用 提取化工原料 6.5.6 生物質(zhì)直接液化技術(shù)生物質(zhì)在高壓下，直接與氫氣發(fā)生反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為液體燃料的熱化學(xué)反應(yīng)過程。一般需使用催化劑。熱解與液化的區(qū)別熱化學(xué)過程催化劑壓力/MPa主要產(chǎn)物熱解不需要0.1-0.5生物原油液化需要5-20液化油第十八張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月196.5 生物質(zhì)熱解與直接液化技術(shù)6.5.6生物質(zhì)直接液化技術(shù)工藝：1）一步法催化加氫液化技術(shù) 由德國(guó)開發(fā)，連續(xù)液化（由反應(yīng)器、熱分離器和冷卻器組成），生物質(zhì)顆粒與催化劑和循環(huán)油混合

14、，反應(yīng)在20MPa氫分壓和380 0C下進(jìn)行約15 min，進(jìn)入氣相的液體產(chǎn)品在熱分離器中快速蒸餾，塔底重油用作循環(huán)油，其余液體產(chǎn)物冷卻到室溫后得到沸程60-360 0C的油品，其中99%為正己烷可溶物。2）水中液化 日本開發(fā)，間歇反應(yīng)器，以He為載氣，反應(yīng)溫度為250-400 0C，催化劑為堿金屬的碳酸鹽，產(chǎn)油率為50%（采用發(fā)酵殘?jiān)鼮樵希?。Na2CO3+H2+2CO-2HCOONa+CO22C6H10O5+2HCOONa-2C2H10O4+H2O+CO2+Na2CO33）煤與生物質(zhì)共同液化 可降低煤的液化溫度，增加低分子量的戊烷可溶物，生物質(zhì)與煤相互作用機(jī)理不明。 液化油的性質(zhì)： 高黏度

15、、高沸點(diǎn)的酸性物質(zhì)第十九張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月206.6 生物質(zhì)氣化技術(shù)6.6.1氣化的基本原理1）氧化層C+O2CO22C+O2-2CO2CO+O2-2CO22H2+O22H2O2）還原層C+H2OCO+H2C+CO22COC+2H2CH4 6.6.2氣化過程的指標(biāo)1）氣體產(chǎn)率單位質(zhì)量生物質(zhì)氣化所得的燃?xì)怏w積，m3/kg2）氣化強(qiáng)度氣化爐中每單位截面積每小時(shí)氣化生物質(zhì)質(zhì)量kg/m2.h 3）氣化效率，又稱冷氣體效率單位質(zhì)量生物質(zhì)氣化所得到的燃?xì)庠谕耆紵龝r(shí)所放出的熱量與氣化使用的生物質(zhì)發(fā)熱量之比，是衡量氣化過程的主要指標(biāo)。第二十張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月2

16、16.6 生物質(zhì)氣化技術(shù)6.6.3氣化的分類 無氣化劑 干餾氣化生物質(zhì)氣化 空氣氣化 氧氣氣化 有氣化劑 水蒸氣氣化 水蒸氣-空氣氣化 氫氣氣化6.6.4氣化的設(shè)備 下吸式氣化爐（逆流式氣化爐） 固定床氣化爐 上吸式氣化爐（順流式氣化爐） 橫吸式氣化爐生物質(zhì)氣化爐 鼓泡床氣化爐 流化床氣化爐 循環(huán)流化床氣化爐 雙床氣化爐 攜帶床氣化爐第二十一張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月226.6 生物質(zhì)氣化技術(shù)6.6.5生物質(zhì)燃?xì)鈨艋?.6.6生物質(zhì)燃?xì)獾闹饕猛?水洗：除塵、除焦、冷卻三種功能 過濾：除塵、除焦 靜電除焦：效率可達(dá)90% 催化裂化：將焦油裂解成小分子氣體。1）提供熱量 直接燃燒

17、，燃料適應(yīng)性廣。2）氣化發(fā)電 3）化工原料 制造甲醇 二甲醚 合成氨等。 第二十二張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月236.7 生物燃料6.7.1概述6.7.2生物柴油1）定義生物燃料：以生物質(zhì)為原料生產(chǎn)的液體燃料，如生物柴油、乙醇和二甲醚等。2）生物燃料的優(yōu)勢(shì)可持續(xù)發(fā)展減少溫室氣體排放促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展能源安全1）生物柴油 以植物油（油菜、向日葵、大豆、棕櫚油等）為原料，通過化學(xué)方法獲得的一種生物燃料。2）化學(xué)法生產(chǎn)生物柴油植物油過濾酯化清洗催化劑甲醇/乙醇甘油混合物生物柴油第二十三張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月246.7 生物燃料6.7.2生物柴油2）化學(xué)法生產(chǎn)生物柴油

18、對(duì)于含有游離脂肪酸、聚合物及分解物等雜質(zhì)的高酸值油質(zhì)進(jìn)行酯化前，需進(jìn)行預(yù)處理。兩種方法：a. 物理精煉 將油脂-水化或磷酸處理-脫出磷脂及膠質(zhì)-預(yù)熱脫水、脫氣加入過量蒸汽-蒸出游離酸b. 甲酯預(yù)酯化 油脂脫磷脂及膠質(zhì)脫水加入乙醇+酸性催化劑-游離酸聲稱甲酯3）生物柴油的燃料特性生物柴油與常規(guī)柴油的特性比較主要燃料特性生物柴油常規(guī)柴油主要燃料特性生物柴油常規(guī)柴油相對(duì)密度0.880.83十六烷值5649動(dòng)力粘度40 0C/mm2/s4-62-4燃燒功效（柴油=100%）/%104100閉口閃點(diǎn)/0C10060S（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）/%0.0010.2第二十四張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月256

19、.7 生物燃料6.7.3生物燃料乙醇1）乙醇的制備方法 a. 化學(xué)合成法 乙烯水合法（硫酸水合法、直接水合法），乙醛加氫法 b. 發(fā)酵法 利用微生物的發(fā)酵作用將糖份活淀粉轉(zhuǎn)化為乙醇的方法。 世界60%乙醇由甜菜發(fā)酵而成，7%化學(xué)合成，33%其他原料，1998年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。2）無水乙醇的制備 a. 吸水劑脫水法 CaO+H2OCa(OH)2 CaO+2CH3COOH(CH3COO)2Ca+H2O 副反應(yīng) b. 分子篩法 水分可被沸石分子篩吸附（吸附的3/4為水，1/4為乙醇） c. 共沸脫水法 向乙醇水溶液中加入苯或戊烷、環(huán)己烷等，形成三元共沸物。 d. 真空蒸餾法 真空條件下，乙醇-水的共沸物向

20、乙醇濃度增大的方向發(fā)展。 e. 蒸餾-膜脫水法 將蒸餾的酒精通過高分子膜塔制得無水乙醇。 第二十五張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月266.7 生物燃料6.7.3生物燃料乙醇2）無水乙醇的制備 f. 加鹽脫水法 向乙醇中加入CaCl2或KCl等，改變其平衡狀態(tài)，使共沸點(diǎn)消失。 g. 有機(jī)物吸附脫水法 應(yīng)用多糖物質(zhì)，淀粉、玉米粉、纖維渣等作吸附脫水劑 h. 離子交換脫水法 用離子交換樹脂作為吸附劑6.7.3甲醇1）甲醇性質(zhì) 又稱木醇或木精，有毒，飲入5-10 ml即雙目失明，大量則至死。在汽油中可以摻入25%，提高辛烷值甲醇的燃料特性性質(zhì)數(shù)值性質(zhì)數(shù)值相對(duì)密度（20 0C）0.80餾程/0

21、C65辛烷值100熱值/（kJ/kg）19647閃點(diǎn)11汽化潛熱/（kJ/kg）1105第二十六張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月276.7 生物燃料6.7.3甲醇2）甲醇生產(chǎn)工藝 生物質(zhì)-合成氣的制造-合成氣凈化-甲醇合成-甲醇精餾兩類催化劑：ZnO-Cr2O3為基礎(chǔ)的改良氧化物系統(tǒng)催化劑，反應(yīng)壓力34MPa, 溫度 320-380 0C，轉(zhuǎn)化率12-15%。CuO-ZnO/Al2O3的二代催化劑，反應(yīng)壓力2-5 MPa，溫度250-260 0C。3）甲醇轉(zhuǎn)化制汽油 由美國(guó)Mobile公司開發(fā) ZSM-5分子篩為催化劑，使甲醇脫水、低聚和異構(gòu)化轉(zhuǎn)化為汽油，可得到含量40%，辛烷值為9

22、5的無氮、無硫汽油。 CH3OH+H2OCH3OCH3-脂肪烴、環(huán)烷烴、芳香烴4）甲醇的應(yīng)用 汽油添加劑、燃料電池、化工原料6.7.4二甲醚1）二甲醚性質(zhì) CH3OCH3，低毒，具有麻醉作用，第二十七張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月286.7 生物燃料6.7.4二甲醚1）二甲醚性質(zhì) CH3OCH3，低毒，具有麻醉作用，是汽油柴油的有力競(jìng)爭(zhēng)者。2）生產(chǎn)工藝甲醇脫水法 b. 合成氣合成二甲醚的燃料特性性質(zhì)數(shù)值性質(zhì)數(shù)值相對(duì)密度/（kg/L）0.75爆炸極限/%3.4-27十六烷值55低位發(fā)熱量/（MJ/kg）28.9第二十八張，PPT共三十二頁，創(chuàng)作于2022年6月296.8 生物質(zhì)能開發(fā)利用技術(shù)展望6.