生物質(zhì)能利用原理與技術(shù) - 第二章生物質(zhì)能資源與植物

生物質(zhì)能利用原理與技術(shù)劉燦西南林業(yè)大學(xué)目錄第一章總論第二章

生物質(zhì)能資源與能源植物第三章

生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)第四章

厭氧過程與沼氣技術(shù)第五章生物質(zhì)壓縮成型燃料技術(shù)第六章生物質(zhì)氣化技術(shù)第七章生物質(zhì)燃料乙醇技術(shù)第八章生物質(zhì)熱裂解技術(shù)第九章生物質(zhì)制氫與間接液化技術(shù)第十章植物油與生物柴油技術(shù)第十一章城市有機(jī)垃圾能源第二章生物質(zhì)能資源與能源植物第一節(jié)生物質(zhì)能的物質(zhì)基礎(chǔ)第二節(jié)生物質(zhì)資源量的估算方法第三節(jié)我國(guó)生物質(zhì)能資源第四節(jié)能源植物第一節(jié)生物質(zhì)能的物質(zhì)基礎(chǔ)生物質(zhì)：廣義上是各種生命體產(chǎn)生或構(gòu)成生命體的有機(jī)質(zhì)的總稱。生物質(zhì)包括所有的植物、微生物以及以植物、微生物為食物的動(dòng)物及其生產(chǎn)的廢棄物。生物質(zhì)的特點(diǎn)：可再生性、低污染性、廣泛分布性。生物質(zhì)能：生物質(zhì)能是太陽能以化學(xué)能形式貯存在生物中的一種能量形式，直接或間接來源于植物的光合作用。能夠作為能源而利用的統(tǒng)稱為生物質(zhì)能源。一、生物質(zhì)資源原料類型按原料的化學(xué)性質(zhì)分：糖類、淀粉、木質(zhì)纖維素物質(zhì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢棄物薪柴、枝杈柴、柴草農(nóng)林加工廢棄物谷殼、果殼按原料來源分：人畜糞便和生活有機(jī)垃圾工業(yè)有機(jī)廢棄物能源植物二、生物質(zhì)能資源的特點(diǎn)與礦物質(zhì)比環(huán)境污染小煤的含氮、含硫量一般為0.5%-1.5%，而生物質(zhì)一般為0.2%一下。生物質(zhì)能蘊(yùn)藏量巨大，可再生。生物質(zhì)能具有普遍性，容易獲取。可再生能源在，生物質(zhì)能是唯一可儲(chǔ)存于運(yùn)輸?shù)哪茉础Ｉ镔|(zhì)碳活性高、易燃，400℃時(shí)能量可完全釋放，而煤是800℃時(shí)釋放30%。質(zhì)量密度低，運(yùn)輸成本高。能量密度低。受環(huán)境影響大。三、生物質(zhì)化學(xué)組成1、碳：燃料中的主要元素，其含量多少?zèng)Q定燃料發(fā)熱值的高低。2、氫：常以碳?xì)浠衔锎嬖?，量越多，越容易燃燒。四、生物質(zhì)燃料的熱值熱值（calorificvalue），又稱卡值或發(fā)熱量。在燃料化學(xué)中，表示燃料質(zhì)量的一種重要指標(biāo)。單位質(zhì)量（或體積）的燃料完全燃燒時(shí)所放出的熱量。1kg生物質(zhì)完全燃燒所放出的熱量，稱為為高位熱值。高位熱值減去氣化潛熱值得到的熱量，即為1kg生物質(zhì)的低位熱值國(guó)內(nèi)計(jì)算燃燒值常取低位熱值（不注明的情況下）常見生物質(zhì)熱值常用燃料的熱值含水量與熱值的關(guān)系第二節(jié)生物質(zhì)資源量估算方法農(nóng)作物資源的估算薪材資源和面積有關(guān)人畜糞便資源，以人口數(shù)、禽畜存欄數(shù)、年平均排泄量為基礎(chǔ)計(jì)算。草資源和面積濕度有關(guān)。S：產(chǎn)量D：產(chǎn)率第三節(jié)我國(guó)的生物質(zhì)能資源三北地區(qū)，農(nóng)業(yè)林業(yè)剩余物，邊際土地的木質(zhì)林能源植物東部沿海地區(qū)，作物秸稈、畜禽糞便、生活和工業(yè)垃圾西南地區(qū)，油料作物、薯類作物一、農(nóng)作物秸稈農(nóng)作物秸稈與畜爭(zhēng)飼問題在局部地區(qū)或今后更為突出：

黑龍江：據(jù)專家推算，全省秸稈利用情況如下：燃料占40%，飼料占30%，還田10%，工業(yè)原料及其它占20%左右。但近年來，畜牧業(yè)發(fā)展迅速。新疆：小麥、玉米秸稈基本用于飼料，對(duì)這些秸稈用途的預(yù)測(cè)結(jié)果是，今后這類秸稈將全部用作飼料，無法進(jìn)行能源的規(guī)?；谩６?、林木生物質(zhì)按照能源利用方式可分為木質(zhì)生物質(zhì)能資源和油料生物質(zhì)能資源兩大類。木質(zhì)生物質(zhì)能資源主要包括：薪炭林、林業(yè)剩余物、灌木林平茬復(fù)壯以及經(jīng)濟(jì)林修剪、造林苗木截干、城市綠化樹和綠籬修剪產(chǎn)生的枝條等。油料生物質(zhì)能資源主要包括：木本油料樹種，其種實(shí)可以用來生產(chǎn)生物柴油。黑龍江調(diào)研顯示，當(dāng)?shù)亓謽I(yè)剩余物資源供應(yīng)比較分散，以人工為收集主，尤其是對(duì)于林業(yè)剩余物的收集方面更為突出。對(duì)于采伐過程中的剩余物，枝椏有一部分回土，一部分被群眾自己收集用于燒柴，樹根一般都留在山上。對(duì)于林產(chǎn)加工過程中的剩余物，例如鋸末和邊角碎料，一般用作燒柴或廢棄了。②油料生物質(zhì)能資源

木本油料林的主要樹種包括麻風(fēng)樹、黃連木、油桐、烏桕等方省區(qū)，在南方和北方地區(qū)都有分布。據(jù)估算，全國(guó)主要油料樹種果實(shí)產(chǎn)量為224.5萬噸，但目前加工利用量?jī)H為54.7萬噸。今后，通過集約經(jīng)營(yíng)，還可以大幅度提高油料樹種果實(shí)產(chǎn)量，其中一部分適宜發(fā)展生物柴油的油料林可以改造為油料能源林，還有大量荒山荒坡土地可以考慮種植油料植物。三、畜禽糞便畜禽糞便主要來自牛、豬和雞，可按其存欄數(shù)及不同月齡確定糞便產(chǎn)量。中國(guó)農(nóng)業(yè)以家庭為基礎(chǔ)，戶用沼氣是對(duì)散養(yǎng)畜禽糞便收集和利用的最好方式。畜禽糞便的規(guī)模化開發(fā)主要在大中型養(yǎng)殖場(chǎng)。四、城市生活垃圾城市垃圾產(chǎn)生量隨人口和城市化進(jìn)程而快速增加，2005年全國(guó)垃圾生成量已經(jīng)超過1.5億噸。目前垃圾無害化處理的比例仍然很小，2005年全國(guó)垃圾無害化處理量?jī)H為8107.8萬噸，約占垃圾生成量的54％。處理方法主要是衛(wèi)生填埋、堆肥和焚燒發(fā)電三種方式城市生活垃圾中含有大量有機(jī)物，可以作為一種能源資源，我國(guó)城市生活垃圾的熱值約為900－1500kcal/kg。全國(guó)每年垃圾生成量按15000萬噸計(jì)，則垃圾資源量可折合標(biāo)準(zhǔn)煤2357萬噸。五、工業(yè)有機(jī)垃圾中國(guó)農(nóng)副產(chǎn)品及食品加工業(yè)可產(chǎn)生大量有機(jī)廢棄物，如糧食、食品、制糖、造紙、釀酒、淀粉等在生產(chǎn)中都會(huì)產(chǎn)生大量的有機(jī)廢渣和廢水。工業(yè)廢棄物的利用途徑有堆肥、焚燒以及厭氧發(fā)酵等處理方式，有機(jī)廢水的處理方式主要為厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣。據(jù)估計(jì)，中國(guó)農(nóng)產(chǎn)品加工產(chǎn)生的有機(jī)廢棄物可生產(chǎn)500億立方米沼氣，相當(dāng)于3500萬噸標(biāo)煤的能量。隨著城市化進(jìn)程和居民生活水平的提高，城市有機(jī)垃圾資源量可望快速增加。六、能源作物/植物

能源植物：是指直接用于提供能源為目的的植物。能源植物分類廣泛，按植物學(xué)分類、地域分類、化學(xué)分成分類等。按化學(xué)成分分類糖類淀粉類油料類纖維素類烴類能源植物甘蔗、甜高粱、甜菜玉米、甘薯、木薯大豆、油菜、向日葵、花生亞麻、速生林、芒草續(xù)隨之、綠玉樹、銀膠菊、西谷椰子含烴汁液能源作物的改良大部分能源植物是自然生長(zhǎng)的，收集困難，產(chǎn)量穩(wěn)定。為了滿足對(duì)能源植物不斷增加的需求量，需要對(duì)能源植物以下方面進(jìn)行改進(jìn)：栽培方法抗病抗災(zāi)性能產(chǎn)量的穩(wěn)定程度繁殖，育種穩(wěn)定、難易程度光合效率生長(zhǎng)周期長(zhǎng)短雜交育種物理誘變育種化學(xué)誘變育種細(xì)胞工程5.基因工程能源植物種子改良技術(shù)雜交育種2、物理誘變育種是不同種類的射線（α射線是α離子，就是質(zhì)子；β射線是電子；γ射線是電磁波；X射線，10~100nm的電離射線）對(duì)植物種子進(jìn)行照射，引起：自身不能修復(fù)的DNA斷裂修復(fù)時(shí)造成染色體缺失染色體重復(fù)染色體倒位染色體易位就會(huì)引起種子基因突變。離子注入誘變育種太空育種（1）離子注入誘變育種一束離子束射向一塊材料時(shí)，離子束射到材料以后，受到固體材料的抵抗而速度慢慢減低下來，并最終停留在材料中，這一現(xiàn)象就叫做離子注入。變異率高變異譜寬變異速度快技術(shù)穩(wěn)定可靠，易行。（2）太空育種

3、化學(xué)誘變育種化學(xué)誘變育種是用化學(xué)誘變劑處理植物材料，以誘發(fā)遺傳物質(zhì)的突變，從而引起形態(tài)特征的變異，然后根據(jù)育種目標(biāo)，對(duì)這些變異進(jìn)行鑒定、培育和選擇，最終育成新品種例如：秋水仙素特點(diǎn)：誘發(fā)突變率較高染色體畸形較少誘變范圍廣4、細(xì)胞工程全能性原理：在多細(xì)胞生物中每個(gè)個(gè)體細(xì)胞的細(xì)胞核具有個(gè)體發(fā)育的全部基因，只要條件許可，都可發(fā)育成完整的個(gè)體。（1）植物組織培養(yǎng)（2）花藥、花粉培育

單倍體培養(yǎng)（小黑麥、水稻等）5、基因工程基因工程（geneticengineering）又稱基因拼接技術(shù)和DNA重組技術(shù)，是以分子遺傳學(xué)為理論基礎(chǔ)，以分子生物學(xué)和微生物學(xué)的現(xiàn)代方法為手段，將不同來源的基因按預(yù)先設(shè)計(jì)的藍(lán)圖，在體外構(gòu)建雜種DNA分子，然后導(dǎo)入活細(xì)胞，以改變生物原有的遺傳特性、獲得新品種、生產(chǎn)新產(chǎn)品。優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)及綜合性狀改良：控制某項(xiàng)指標(biāo)的基因（如控制淀粉合成——美國(guó)40—60%、脂肪合成、成熟時(shí)間、作物產(chǎn)量）抗性基因工程育種：抗病、抗蟲（抵抗病毒、病菌、抗蟲害）例如：蘇云金桿菌（BT）抗逆基因育種：耐除草劑的基因、抗旱基因—仙人掌基因七、重要的能源植物1、甜高粱甜高粱簡(jiǎn)介

雅津甜高粱，平均高度為5m左右，糖錘度平均在16—23%，耐旱、耐澇、耐鹽堿、耐瘠薄，平均畝產(chǎn)籽粒250kg，秸稈5噸左右，成熟期95—160天不等，每畝需要種子1kg左右，平均高度3—5m。雅津甜高粱種子優(yōu)勢(shì)

一、耐旱二、耐澇：甜高粱遭洪水浸泡1周，大水退后能很快恢復(fù)生長(zhǎng)三、耐鹽堿：甜高粱可忍受的鹽濃度為0.5－0.9％，高于玉米(0.3－0.7％)、小麥(0.3－0.6％)和水稻(0.3－0.7％)等作物。四、耐高溫、耐嚴(yán)寒：甜高粱對(duì)土壤的適應(yīng)能力很強(qiáng)，pH值從5.0－8.5，均能很好生長(zhǎng)。適應(yīng)栽培的區(qū)域廣泛，10℃以上積溫2600－4500℃的地區(qū)(從海南島至黑龍江)，均可栽培。五、耐瘠薄：有作物中的“駱駝”之謂六、糖份含量高：莖稈富含糖份，汁液錘度15－23七、高產(chǎn)：甜高粱植株高大（3－5m），一般莖稈產(chǎn)量75噸/公頃左右，高產(chǎn)記錄為168噸／公頃，籽粒產(chǎn)量2.25－6噸／公頃。莖稈纖維含量14－18％，每公頃產(chǎn)纖維達(dá)9－15噸。雅津甜高粱秸稈、籽粒主要用途用途之一：奶牛、肉牛、羊等最佳高能飼料用途之二：乙醇（籽粒也可）用甜高粱生產(chǎn)乙醇的成本只有甘蔗的44%—80%用途之三：純高粱原酒（籽粒也可）用途之四：制糖用途之五：纖維板用途之六：代理煤炭的顆粒燃料用途之七：食用水果甜高粱桿用途之八：制味精用途之九：制醋用途之十：造紙?zhí)鸶吡煌瑫r(shí)具備經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、社會(huì)效益經(jīng)濟(jì)效益各國(guó)能源、食品、養(yǎng)殖等領(lǐng)域生態(tài)效益充分利用邊際非耕地土地資源社會(huì)效益：帶動(dòng)地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，增加農(nóng)民收入，增加國(guó)家、地區(qū)財(cái)政收入雅津甜高粱種子獨(dú)有性目前全球甜高粱種子適應(yīng)性、抗逆性等表現(xiàn)最佳的品種只有中國(guó)的雅津甜高粱種子。雅津?qū)＜以谵r(nóng)業(yè)部、科技部領(lǐng)導(dǎo)的帶領(lǐng)下，自1976年研究試驗(yàn)改良至1994年比較成型，1995年召開第一屆全國(guó)甜高粱會(huì)議，1997年我們承辦了“國(guó)際第一屆甜高粱會(huì)議暨第二屆全國(guó)甜高粱會(huì)議”，1999年后我們的種子開始銷售美國(guó)、歐盟、東南亞、非洲等國(guó)家，1997年后美國(guó)、印度、巴西等國(guó)基本沒有新的品種。2007年10月我們承辦了“全國(guó)第三屆甜高粱會(huì)議”。目前已經(jīng)推廣近40個(gè)國(guó)家和地區(qū)。雅津甜高粱種子可以適應(yīng)印尼到俄羅斯、巴西到美國(guó)、南非到摩洛哥、埃及、印度等各種氣候的土地情況，抗倒伏、抗病、高產(chǎn)、高糖特性比較突出。目前我們已經(jīng)具備了甜高粱的近180個(gè)主要品種和配套的加工甜高粱秸稈飼料、秸稈原酒、秸稈乙醇等中小型設(shè)備生產(chǎn)能力。雅津與美國(guó)甜高粱種子比較特性美國(guó)的甜高粱含糖量逐年降低，一般糖錘度在6-13%，蟲害嚴(yán)重，而且容易倒伏，發(fā)芽率低于80%，適應(yīng)范圍很狹小。而且不能給予技術(shù)轉(zhuǎn)讓，也不能提供免費(fèi)培訓(xùn)。我們的甜高粱，一般糖錘度在16-22%，抗病蟲害，抗倒伏，發(fā)芽率高于85%，適應(yīng)區(qū)域廣泛，關(guān)鍵技術(shù)無償轉(zhuǎn)讓，而且提供免費(fèi)的技術(shù)培訓(xùn)。生產(chǎn)乙醇的理想原料

近年來，能源危機(jī)和環(huán)境污染日益嚴(yán)重，越來越多的國(guó)家已經(jīng)認(rèn)識(shí)到可再生綠色能源的重要性。甜高粱就是這樣的一種理想的替代資源。

雅津甜高粱與其他作物的乙醇生產(chǎn)率的對(duì)比作物crop乙醇ethanol升/公頃年Liter/ha/year甜高粱sweetsorghum6106liters/ha甘蔗sugarcane4700liters/ha番薯yam1790liters/ha玉米maize1883liters/ha甜高粱與甘蔗的乙醇生產(chǎn)的對(duì)比作物crop年周期cyclesayear收獲次數(shù)Timesofharvest總產(chǎn)量Total噸ton莖稈stem噸/公頃年Ton/ha/year乙醇ethanol升/公頃年Liter/ha/year甘蔗sugarcane43180-24045-604680210*52*甜高粱sweetsorghum莖稈stem1245-6046-60412652.5*52.5*籽粒seeds3.5-6.53.5-6.519805*5*合計(jì)total

6106飼料的對(duì)比Comparison

of

feedFeedstuff

飼料Total

areasin4years4年面積合計(jì)TotalProductionin

4

years4年產(chǎn)量合計(jì)Averageoutput

per

mu平均畝產(chǎn)Compared

with

corn與玉米對(duì)比muTonkg(%)Corn玉米18,77416,825896100Barley

大麥6,2814,80576685SweetSorghum甜高粱9,91922,1502,234249.2《中華人民共和國(guó)可再生能源法》

“國(guó)家鼓勵(lì)清潔、高效地開發(fā)利用生物質(zhì)燃料，鼓勵(lì)發(fā)展能源作物。國(guó)家鼓勵(lì)生產(chǎn)和利用生物液體燃料。石油銷售企業(yè)應(yīng)當(dāng)按照國(guó)務(wù)院能源主管部門或者省級(jí)人民政府規(guī)定，將符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的生物液體燃料納入其燃料銷售體系?！?/p>

國(guó)家發(fā)改委“可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃”精神

“RenewableEnergyDevelopmentPlanofMid-andLongTerm"byNationalDevelopmentandReformCommission甜高粱制取生物液體燃料流程

甜高粱種植SweetsorghumPlantation莖稈收集StemCollection

生物乙醇BioEthanol酒精廢渣Residues液體燃料市場(chǎng)FuelMarket

合成燃料BTL

牲畜飼料

Feedstuff

谷物Corn糧食市場(chǎng)CornMarketProcedureforLiquidBio-fuel牲畜Animals

四家乙醇廠：吉林，河南，黑龍江，安徽

4

Bio-ethanolPlants:Anhui,Heilongjiang,Henan,Jilin全國(guó)年產(chǎn)量：1,020.000噸/年糧食用量：3,264,000噸/年成本:4702.5元/噸安徽豐原32萬噸/年Anhui320.000t/y

黑龍江金玉10萬噸/年

Heilongjiang100.000t/y河南天冠30萬噸/年Henan300.000t/y

吉林省吉林30萬噸/年Jilin300.000t/yNationalBio-ethanoloutput：1,020,000t/yGrainConsumption:3,264,000t/yCost:470Euro/t2、能源甘蔗甘蔗是禾本科甘蔗屬植物，產(chǎn)于熱帶、亞熱帶地區(qū)。莖稈含糖量為干物質(zhì)重量的55％—70％加工時(shí)，將榨出的甜漿汁經(jīng)濃縮制得的蔗糖結(jié)晶，是人類必需的食品在醫(yī)藥、工業(yè)各方面有著廣泛的用途。蔗渣可以釀酒，制酒精或作飼料和肥料，也是很好的造紙?jiān)虾腿剂稀?/p>

關(guān)于甘蔗的起源，一般有三種說法，一是起源于印度，二是起源于南太平洋的新幾內(nèi)亞，三是起源于中國(guó)。

中國(guó)是世界上古老的甘蔗種植國(guó)之一，甘蔗栽培具有悠久的歷史。早在公元前四世紀(jì)，我國(guó)就有種植甘蔗的歷史記載。東漢張衡《七辯》一文已有“沙糖”之稱。南朝陶弘景《名醫(yī)別錄》記有“蔗出江東為勝，廬陵亦有好者。廣州一種數(shù)年生，皆大如竹，長(zhǎng)丈余，取汁為沙糖，甚益人。又有荻蔗節(jié)疏而細(xì)，亦可啖也?！庇涊d了甘蔗品種和栽培地區(qū)，甘蔗可制砂糖亦可生吃。有關(guān)甘蔗的描述在中國(guó)古代文獻(xiàn)中屢見不鮮。至唐朝大歷年間已有制冰糖的記載。

福建農(nóng)林大學(xué)甘蔗綜合研究所作為國(guó)家糖料作物改良甘蔗分中心農(nóng)業(yè)部甘蔗遺傳育種重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室和農(nóng)業(yè)部甘蔗及制品質(zhì)檢中心“十五”國(guó)家“863”計(jì)劃、“948”行業(yè)重大