能源化學(xué)-生物質(zhì)能源課件

Whatisbiomassenergy?生物質(zhì)能源生物質(zhì)能概述生物質(zhì)能是蘊藏在生物質(zhì)中的能量，是綠色植物通過光合作用將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能而貯存起來的能量。

通過光合作用，植物每年轉(zhuǎn)化約2000億噸的C02中的碳為碳水化合物，并存儲了3ⅹ1013GJ的太陽能，相當(dāng)于目前世界能源消耗量的10倍左右。

CO2+H2O{CH2O}+O2生物質(zhì)能源生物質(zhì)能概述光合作用的總過程

光化學(xué)反應(yīng)電子傳遞↓↓太陽光能------→電能-------→活躍化學(xué)能（同化力）

·h·eATP，NADPH2

（光反應(yīng)）↓

CO2＋H2O-----→穩(wěn)定化學(xué)能

C6H12O6

（暗反應(yīng)，酶促反應(yīng)）↓↓↓生物質(zhì)：n(C6H12O6)光合效率

生物質(zhì)能源生物質(zhì)能概述光合作用過程中，每分解一個水分子，釋放一個O2分子，需轉(zhuǎn)移4個電子，而每個電子的轉(zhuǎn)移要通過兩個受激發(fā)的色素系統(tǒng)（光系統(tǒng)I&II）接力進(jìn)行，因而理論上需要8個以上的光量子。每個摩爾的波長為680納米的紅光和波長為420納米的紫光分別含能180千焦耳和297千焦耳，都形成含熱量46.89千焦耳的1摩爾碳水化合物（CH2O），其能量利用率分別為26％和16％。白光包括從380～720納米的各種波長的光量子，其能量利用率約為20％。這是葉綠素所吸收的光量子的理論最高能量利用率。田間作物植被在光合層建成后的最佳期間，日光能的利用率可達(dá)3～4％，整個植物生長季的光能利用率約為1～2％，全球表面平均則為0.1％，能源植物——

以提供能源為目的的植物生物質(zhì)能源生物質(zhì)能概述

糖類能源植物：可直接發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇。如甘蔗、甜高梁、甜菜等。

淀粉類能源植物：經(jīng)水解后發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇。如玉米。薯類作物等。纖維素類能源植物：經(jīng)水解后發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇；也可轉(zhuǎn)化為氣體、液體和固體燃料。如速生林木、芒草等。油料類能源植物：提取油脂后生產(chǎn)生物柴油。如油菜、花生等油料作物。烴類能源植物：提取含烴汁液，產(chǎn)生接近石油成分的燃料。生物質(zhì)能源、資源的特點生物質(zhì)能源生物質(zhì)能概述揮發(fā)組分高，易燃，燃燒相對充分；生物質(zhì)的大部分揮發(fā)組分可在400C左右釋放出，而煤在800C

才釋放出30％左右的揮發(fā)組分；燃燒過程污染相對低生物質(zhì)灰分含量低于煤，氮、硫含量通常低于煤；容易氣化儲量大、分布廣泛、易于獲得

地球上每年生物質(zhì)能總量約1400-1800億噸(干重），相當(dāng)于目前每年總能耗的十倍屬于可再生能源生物質(zhì)能量密度低，燃料熱值低生物質(zhì)能的利用與轉(zhuǎn)化技術(shù)

生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)直接燃燒生物質(zhì)燃燒可能涉及的過程生物質(zhì)能源生物質(zhì)燃燒

生物質(zhì)中水的蒸發(fā)過程；即使經(jīng)過數(shù)年干燥的木材,其細(xì)胞結(jié)構(gòu)中仍含有15%～20%的水;(2)揮發(fā)分（低分子量物質(zhì)）的釋放、燃燒；(3)纖維素與半纖維素等受熱分解、氣化、燃燒；(4)過渡階段：木質(zhì)素高溫炭化、著火。(4)固定碳的燃燒：在完全燃燒條件下，能量完全釋放，生物質(zhì)完全轉(zhuǎn)變?yōu)榛覡a。生物質(zhì)直接燃燒生物質(zhì)能源生物質(zhì)燃燒生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)燃燒動力學(xué)---轉(zhuǎn)化率---揮發(fā)分熱解釋放函數(shù)E---表觀活化能

生物質(zhì)的燃燒過程是從揮發(fā)分的著火燃燒開始，燃燒過程受揮發(fā)分的熱解釋放過程控制A（固）B（固）+C(氣)生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化固定碳的燃燒

C+O2=CO2

＋408.86KJ/mol

C+1/2O2=CO

＋123

.45KJ/mol2CO+O2=CO2

＋570.87KJ/mol（高于700oC）水蒸氣的反應(yīng)C+H2O+118kJ/mol→CO+H2

C+2H2O+76kJ/mol→CO2+H2

C+2H2→CH4+75kJ/mol生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)

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爐灶燃燒

爐灶燃燒操作簡便、投資較省，主要問題是低效率。溢出的火苗和可燃燒氣體使絕大多數(shù)的熱無法利用而白白浪費。以木材燃燒制沸水過程而言,1m3

干木材含10GJ能量,而使1L水提高1℃需要412KJ的熱能,所以煮沸1L水需要少于400KJ的能量,數(shù)值上僅相當(dāng)于40cm3

的木材——僅僅是一根小樹枝而已?？蓪嶋H上在一個小的火爐上,大概需要至少50倍的木材,即效率不超過2%。生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化

鍋爐燃燒采用先進(jìn)的燃燒技術(shù)，把生物質(zhì)作為鍋爐的燃料燃燒，以提高生物質(zhì)的利用效率，適用于相對集中、大規(guī)模地利用生物質(zhì)資源。生物質(zhì)燃料鍋爐的種類很多，按照鍋爐燃用生物質(zhì)品種的不同可分為：木材爐、薪柴爐、秸稈爐、垃圾焚燒爐等；按照鍋爐燃燒方式的不同又可分為流化床鍋爐、層燃爐等。生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)

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鍋爐燃燒生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)與煤的聯(lián)合燃燒：可以改善煤的著火性能生物質(zhì)的揮發(fā)分初析溫度遠(yuǎn)低于煤,使得著火燃燒提前，最大燃燒速率前移的趨勢，獲得更好的燃盡特性?？梢蕴岣呙旱睦寐噬镔|(zhì)在燃燒的過程中放熱比較均勻，而單一煤燃燒放熱幾乎全部集中于燃燒后期。煤中與生物質(zhì)混和,可以改善燃燒放熱的分布狀況,對于燃燒前期的放熱有增進(jìn)作用。生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)氣化技術(shù)生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)氣化——

將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為CH4、CO、H2等可燃?xì)怏w

基本原理是在不完全燃燒條件下，將生物質(zhì)原料加熱，使較高分子的有機(jī)碳?xì)浠衔锪呀獬奢^低分子量的高品位可燃?xì)怏w。根據(jù)氣化機(jī)理可分為熱解氣化和反應(yīng)性氣化,其中后者又可根據(jù)氣化劑的不同分為空氣氣化、水蒸氣氣化、氧氣氣化、氫氣氣化及其這些氣體的混合物的氣化。根據(jù)采用的氣化反應(yīng)器的不同又可分為固定床氣化、流化床氣化和氣流床氣化生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)氣化反應(yīng)器生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)的反應(yīng)性氣化

在氣化過程中使用不同的氣化劑,可以得到三種不同質(zhì)量的氣化產(chǎn)品氣，

低熱值(LowCV)：4～6MJ/Nm3

使用空氣中熱值(MediumCV)12～18MJ/Nm3使用氧氣或水蒸汽高熱值(HighCV)40MJ/Nm3

使用氫氣生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)的空氣氣化氣化反應(yīng)過程原理圖

干燥區(qū)（100～250

oC）水分蒸發(fā)

熱解區(qū)（250oC以上）生成固體焦炭、氣體揮發(fā)分、焦油、木醋酸和熱解水等

氧化區(qū)（1000oC以上）高溫?zé)峤鈿怏w產(chǎn)物和焦炭與氧氣發(fā)生燃燒反應(yīng)

還原區(qū)（700～900

oC）氧化區(qū)所生成的高溫氣體與高溫炭層發(fā)生非均相的還原反應(yīng)，生成含有CO、H2、CH4、CmHn、CO2等。生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)氣化的基本熱化學(xué)反應(yīng)C+O2→CO2

＋408.86KJ/mol

C+1/2O2→CO

＋123

.45KJ/molCO+O2→1/2CO2

＋286KJ/molCO2+C→2CO－162KJ/molC+H2O→CO+H2-118kJ/molC+2H2O→CO2+2H2-76kJ/molC+2H2→CH4+75kJ/mol生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)氣化過程中焦油的生成當(dāng)生物質(zhì)被加熱到250oC以上時，纖維素、木質(zhì)素、半纖維素等成分發(fā)生熱分解，生成焦炭、木醋酸、焦油、氣體等。焦油的成分十分復(fù)雜，大部分是苯的衍生物。溫度為500oC時焦油的產(chǎn)量最高，隨著溫度的升高和停留時間的增加，焦油的含量會明顯地減少。在600

oC以上時，焦油以氣體的形式存在于熱解氣中，在低溫下則以液體的狀態(tài)存在。焦油難以完全燃燒，容易產(chǎn)生碳黑等顆粒，對燃?xì)饫迷O(shè)備等損害嚴(yán)重生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)氣化過程中焦油的再裂解改進(jìn)型氣化爐的結(jié)構(gòu)示意圖

通過改變爐內(nèi)結(jié)構(gòu)，使氣化區(qū)和還原區(qū)的反應(yīng)溫度提高；增加還原區(qū)的高度，從而增加了焦油在爐內(nèi)所經(jīng)過的高溫區(qū)的停留時間，使焦油裂解充分，燃?xì)鉄嶂堤岣?，焦油含量降低。CmHn+mH2O

→mCO+(m+n/2)H2CmHn+mCO2→2mCO+n/2H2生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化焦油的催化裂解

在焦油轉(zhuǎn)化過程中,催化劑不僅起凈化作用還起到調(diào)整燃?xì)獬煞值淖饔?。?dāng)燃?xì)鈴臍饣癄t出來經(jīng)過催化劑時,焦油中的碳?xì)浠衔锉阍诖呋瘎┍砻媾c水蒸氣或二氧化碳反應(yīng)生成一氧化碳和氫氣焦油裂解催化劑Dolomite：白云石；

Limestone：石灰石；

Alumina：礬土；生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)燃?xì)獾膬艋瘽袷絻艋鹘Y(jié)構(gòu)原理圖干式凈化利用旋風(fēng)除塵器和擴(kuò)散除塵器進(jìn)行兩級凈化，而后再利用冷凝器將氣體冷卻；降溫困難，高溫氣態(tài)焦油難以去除，因此焦油含量較高。濕式凈化方式濕式凈化效果較好，但設(shè)備復(fù)雜，運行費用高生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)熱解技術(shù)生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)的熱解原理

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生物質(zhì)在基本無氧的環(huán)境中受熱分解，生成固體炭、液體燃料和氣體的過程干燥階段在150oC左右，蒸出物料中的水分。預(yù)熱解階段在150－300oC左右，物料化學(xué)組成開始發(fā)生變化，不穩(wěn)定成分（如半纖維素）分解成CO2、CO和少量醋酸等物質(zhì)。固體分解階段在300－600oC左右，生成醋酸、木焦油和甲醇等液體和CO2、CO、CH4、H2等氣體物質(zhì)。此階段放熱。

燃燒階段C-H、C-O鍵進(jìn)一步裂解，排出殘留在木炭中的揮發(fā)分。生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化Lynn裂解制油示意圖生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)快速熱解：隔絕空氣快速加熱，將原料直接裂解為粗油。工藝特點：物質(zhì)原料的粒度非常小，快速加熱；準(zhǔn)確控溫在500℃左右；熱解產(chǎn)生的蒸汽迅速冷卻以生產(chǎn)生物油產(chǎn)品生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)熱裂解產(chǎn)物

不同溫度下生物質(zhì)稻殼粉熱解產(chǎn)物的分布生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)液化生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)直接液化

與熱解液化相比，直接液化條件相對柔和。和熱解油一樣，直接液化產(chǎn)品需經(jīng)過精制加工后方可使用生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化

呈棕褐色，內(nèi)含刺激性揮發(fā)分（如丙酮等），pH值約為2-4（弱酸性）；當(dāng)溫度較高時，其分子容易發(fā)生聚合反應(yīng)，故不宜進(jìn)行蒸餾處理。生物質(zhì)原油生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)間接液化生物質(zhì)合成氣液體燃料定向氣化凈化甲醇柴油二甲醚分離提純生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)定向氣化

以生產(chǎn)合成氣為目的的生物質(zhì)定向氣化，與以生產(chǎn)燃?xì)鉃槟康牡某Ｒ?guī)氣化有著本質(zhì)區(qū)別：它不是以熱值為追求目標(biāo)，而是要使木質(zhì)纖維素盡可能多地轉(zhuǎn)化為富含H2、CO、CO2的混合氣體，其中的無用氣體和碳?xì)浠衔镆M可能少，以減輕后續(xù)重整變換的難度。生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化實現(xiàn)生物質(zhì)定向氣化的措施提高氣化反應(yīng)溫度

氣化反應(yīng)溫度是影響氣化產(chǎn)物的一個最主要因素，溫度越高，所產(chǎn)氣體中的H2、CO和CO2越多CH4等碳?xì)錃怏w越少。純氧和水蒸氣復(fù)合并用采用純氧作為氣化劑，在避免帶入大量N2

對生成氣體稀釋的同時，還可以有效地提高氣化反應(yīng)區(qū)的溫度，從而為加注適量水蒸氣創(chuàng)造了條件。水蒸氣既可以直接與炙熱的炭反應(yīng)生成H2和CO，又可以與碳?xì)浠衔锇l(fā)生水蒸氣變換反應(yīng)，生成對合成甲醇有用的氣體，從而減輕氣體重整變換的工作量。延長反應(yīng)物的滯留時間氣化反應(yīng)實際是由生物質(zhì)的熱解反應(yīng)和熱解產(chǎn)物的裂解反應(yīng)所組成的，但無論是哪種反應(yīng)，在一定條件下，反應(yīng)物的滯留時間越長，反應(yīng)就越充分，生成物也就越多。生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化氣體重整變換1--陶瓷過濾膜；2--重整反應(yīng)床；3--旋風(fēng)分離器；4--變換反應(yīng)床；5--冷卻裝置；6--氣相色譜儀。氣體重整變換工藝流程圖氣體過濾阻止氣體中的微米級粉塵進(jìn)入后續(xù)工藝氣體重整將氣體中的碳?xì)浠衔铮ㄈ鐭N類氣體和焦油等）催化裂解為有用氣體，并除去硫化氫等其它有害氣體。氣體變換使H2/(2CO＋CO2）最終約等于1.05。氣體變換最簡單的方式是直接向混合氣體中加注適量的H2

，以實現(xiàn)三者之間的比例要求生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)制氫技術(shù)生物質(zhì)能源生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化生物質(zhì)直接制氫氣化制氫光合微生