能源化学生物质能源优秀PPT.ppt

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1、What is biomass energy?生物质能源生物质能源生物质能概述q生物质能是隐藏在生物质中的能量，是绿色植生物质能是隐藏在生物质中的能量，是绿色植物通过光合作用将太阳能转化为化学能而贮存物通过光合作用将太阳能转化为化学能而贮存起来的能量。起来的能量。通通过过光光合合作作用用，植植物物每每年年转转化化约约2000亿亿吨吨的的C02中中的的碳碳为为碳碳水水化化合合物物，并并存存储储了了31013GJ的的太太阳阳能能，相相当当于于目目前前世世界界能能源源消消耗耗量的量的1010倍左右。倍左右。CO2+H2OCH2O+O2生物质能源生物质能源生物质能概述光合作用的总过程光合作用的总过程

2、光化学反应 电子传递 太阳光能-电能-活跃化学能（同化力）h e ATP，NADPH2 （光反应）CO2H2O-稳定化学能 C6H12O6 （暗反应，酶促反应）生物质：n(C6H12O6)光合效率光合效率 生物质能源生物质能源生物质能概述q光合作用过程中，每分解一个水分子，释放一个O2分子，需转移4个电子，而每个电子的转移要通过两个受激发的色素系统（光系统I&II）接力进行，因而理论上须要8个以上的光量子。q每个摩尔的波长为680纳米的红光和波长为420纳米的紫光分别含能180千焦耳和297千焦耳，都形成含热量 46.89千焦耳的1摩尔碳水化合物（CH2O），其能量利用率分别为26和16。白光

3、包括从380720纳米的各种波长的光量子，其能量利用率约为 20。这是叶绿素所吸取的光量子的理论最高能量利用率。q田间作物植被在光合层建成后的最佳期间，日光能的利用率可达34，整个植物生长季的光能利用率约为12，全球表面平均则为0.1，能源植物能源植物 以供应能源为目的的植物以供应能源为目的的植物生物质能源生物质能源生物质能概述 糖类能源植物：可干脆发酵生产燃料乙醇。如甘蔗、甜高梁、甜菜等。淀粉类能源植物：经水解后发酵生产燃料乙醇。如玉米。薯类作物等。纤维素类能源植物：经水解后发酵生产燃料乙醇；也可转化为气体、液体和固体燃料。如速生林木、芒草等。油料类能源植物：提取油脂后生产生物柴油。如油菜、

4、花生等油料作物。烃类能源植物：提取含烃汁液，产生接近石油成分的燃料。生物质能源、资源的特点生物质能源、资源的特点 生物质能源生物质能源生物质能概述q挥发组分高，易燃，燃烧相对充分；挥发组分高，易燃，燃烧相对充分；q生物质的大部分挥发组分可在生物质的大部分挥发组分可在400C左左右释放出，而煤在右释放出，而煤在800C才释放出才释放出30左右的左右的挥发组分；挥发组分；q燃烧过程污染相对低燃烧过程污染相对低q生物质灰分含量低于煤，氮、硫含量通常生物质灰分含量低于煤，氮、硫含量通常低于煤；低于煤；q简洁气化简洁气化q储量大、分布广泛、易于获得储量大、分布广泛、易于获得q地球上每年生物质能总量约地球

5、上每年生物质能总量约1400-1800亿吨亿吨(干重），相当于目前每年总能耗的十倍干重），相当于目前每年总能耗的十倍q属于可再生能源属于可再生能源q生物质能量密度低，燃料热值低生物质能量密度低，燃料热值低生物质能的利用与转化技术生物质能的利用与转化技术生物质能源生物质能源生物质能利用与转化生物质生物质干脆燃烧干脆燃烧生物质燃烧可能涉及的过程生物质燃烧可能涉及的过程生物质能源生物质能源生物质燃烧(1)(1)生物质中水的蒸发过程；生物质中水的蒸发过程；v即使经过数年干燥的木材即使经过数年干燥的木材,其细胞结构中仍含有其细胞结构中仍含有15 15%20%20%的水的水;(2)(2)挥发分（低分子量物

6、质）的释放、燃烧挥发分（低分子量物质）的释放、燃烧 ；(3)(3)纤维素与半纤维素等受热分解、气化、燃烧；纤维素与半纤维素等受热分解、气化、燃烧；(4)(4)过渡阶段：木质素高温炭化、着火。过渡阶段：木质素高温炭化、着火。(1)(1)(4)(4)固定碳的燃烧：固定碳的燃烧：v在完全燃烧条件下，能量完全释放，生物质完全转在完全燃烧条件下，能量完全释放，生物质完全转变为灰烬变为灰烬。生物质干脆燃烧生物质干脆燃烧生物质能源生物质能源生物质燃烧生物质能源生物质能源生物质能利用与转化生物质燃烧动力学生物质燃烧动力学-转化率-挥发分热说明放函数E-表观活化能 生物质的燃烧过程是从挥发分的着火燃烧起先，燃烧

7、过程受挥发分的热说明放过程限制A（固）B（固）+C(气)生物质能源生物质能源生物质能利用与转化固定碳的燃烧固定碳的燃烧 C+O2=CO2408.86KJ/molC+1/2O2=CO123.45KJ/mol2CO+O2=CO2570.87KJ/mol（高于（高于700C）水蒸气的反应水蒸气的反应C+H2O+118kJ/molCO+H2C+2H2O+76kJ/molCO2+H2C+2H2CH4+75kJ/mol生物质能源生物质能源生物质能利用与转化生物质干脆燃烧技术生物质干脆燃烧技术 炉灶燃烧炉灶燃烧 炉灶燃烧操作简便、投资较省，主要问题是低效率。溢出的火苗和可燃烧气体使绝大多数的热无法利用而白白

8、奢侈。以木材燃烧制沸水过程而言,1m3 干木材含10GJ 能量,而使1L 水提高1 须要412KJ 的热能,所以煮沸1L 水须要少于400KJ 的能量,数值上仅相当于40cm3 的木材仅仅是一根小树枝而已。可事实上在一个小的火炉上,或许须要至少50 倍的木材,即效率不超过2%。生物质能源生物质能源生物质能利用与转化 锅炉燃烧接受先进的燃烧技术，把生物质锅炉燃烧接受先进的燃烧技术，把生物质作为锅炉的燃料燃烧，以提高生物质的利用效作为锅炉的燃料燃烧，以提高生物质的利用效率，适用于相对集中、大规模地利用生物质资率，适用于相对集中、大规模地利用生物质资源。源。生物质燃料锅炉的种类很多，依据锅炉燃生物质

9、燃料锅炉的种类很多，依据锅炉燃用生物质品种的不同可分为：木材炉、薪柴炉、用生物质品种的不同可分为：木材炉、薪柴炉、秸秆炉、垃圾焚烧炉等；依据锅炉燃烧方式的秸秆炉、垃圾焚烧炉等；依据锅炉燃烧方式的不同又可分为流化床锅炉、层燃炉等。不同又可分为流化床锅炉、层燃炉等。生物质干脆燃烧技术生物质干脆燃烧技术 锅炉燃烧锅炉燃烧生物质能源生物质能源生物质能利用与转化生物质与煤的联合燃烧：生物质与煤的联合燃烧：可以改善煤的着火性能可以改善煤的着火性能生物质的挥发分初析温度远低于煤生物质的挥发分初析温度远低于煤,使得着使得着火燃烧提前，最大燃烧速率前移的趋势，火燃烧提前，最大燃烧速率前移的趋势，获得更好的燃尽特

10、性。获得更好的燃尽特性。可以提高煤的利用率可以提高煤的利用率生物质在燃烧的过程中放热比较匀整，而生物质在燃烧的过程中放热比较匀整，而单一煤燃烧放热几乎全部集中于燃烧后期。单一煤燃烧放热几乎全部集中于燃烧后期。煤中与生物质混和煤中与生物质混和,可以改善燃烧放热的分可以改善燃烧放热的分布状况布状况,对于燃烧前期的放热有增进作用。对于燃烧前期的放热有增进作用。生物质能源生物质能源生物质能利用与转化生物质生物质气化技术气化技术生物质能源生物质能源生物质能利用与转化生物质气化生物质气化 将生物质转化为将生物质转化为CHCH4 4、COCO、H H2 2等可燃气体等可燃气体 基本原理是在不完全燃烧条件下，

11、将生物质原料加热，使较高分子的有机碳氢化合物裂解成较低分子量的高品位可燃气体。依据气化机理可分为热解气化和反应性气化,其中后者又可依据气化剂的不同分为空气气化、水蒸气气化、氧气气化、氢气气化及其这些气体的混合物的气化。依据接受的气化反应器的不同又可分为固定床气化、流化床气化和气流床气化生物质能源生物质能源生物质能利用与转化生物质气化反应器生物质气化反应器生物质能源生物质能源生物质能利用与转化生物质的反应性气化生物质的反应性气化 在气化过程中运用不同的气化剂,可以得到三种不同质量的气化产品气，低热值(Low CV)：46MJ/Nm3 运用空气 中热值(Medium CV)1218MJ/Nm3运用

12、氧气或水蒸汽 高热值(High CV)40MJ/Nm3 运用氢气生物质能源生物质能源生物质能利用与转化生物质的空气气化生物质的空气气化气化反应过程原理图v 干燥区干燥区（100 250 C）水分蒸发v 热解区热解区（250 C以上）生成固体焦炭、气体挥发分、焦油、木醋酸和热解水等v 氧化区氧化区（1000 C以上）高温热解气体产物和焦炭与氧气发生燃烧反应v 还原区还原区（700900 C）氧化区所生成的高温气体与高温炭层发生非均相的还原反应，生成含有COCO、H H2 2、CHCH4 4、CmHnCmHn、COCO2 2等。生物质能源生物质能源生物质能利用与转化生物质气化的基本热化学反应生物质

13、气化的基本热化学反应C+O2CO2408.86KJ/molC+1/2O2CO123.45KJ/molCO+O21/2CO2286KJ/molCO2+C2CO162KJ/molC+H2OCO+H2-118kJ/molC+2H2OCO2+2H2-76kJ/molC+2H2CH4+75kJ/mol生物质能源生物质能源生物质能利用与转化生物质气化过程中焦油的生成生物质气化过程中焦油的生成当生物质被加热到250 C以上时，纤维素、木质素、半纤维素等成分发生热分解，生成焦炭、木醋酸、焦油、气体等。焦油的成分特别困难，大部分是苯的衍生物。温度为500 C时焦油的产量最高，随着温度的上升和停留时间的增加，焦油

14、的含量会明显地削减。在600 C以上时，焦油以气体的形式存在于热解气中，在低温下则以液体的状态存在。焦油难以完全燃烧，简洁产生碳黑等颗粒，对燃气利用设备等损害严峻生物质能源生物质能源生物质能利用与转化生物质气化过程中焦油的再裂解生物质气化过程中焦油的再裂解改进型气化炉的结构示意图 通过变更炉内结构，使气化区和还原区的反应温度提高；增加还原区的高度，从而增加了焦油在炉内所经过的高温区的停留时间，使焦油裂解充分，燃气热值提高，焦油含量降低。CmHn+mH2OmCO+(m+n/2)H2CmHn+mCO22mCO+n/2H2生物质能源生物质能源生物质能利用与转化焦油的催化裂解焦油的催化裂解 在焦油转化

15、过程中,催化剂不仅起净化作用还起到调整燃气成分的作用。当燃气从气化炉出来经过催化剂时,焦油中的碳氢化合物便在催化剂表面与水蒸气或二氧化碳反应生成一氧化碳和氢气焦油裂解催化剂焦油裂解催化剂Dolomite：白云石；Limestone：石灰石；Alumina：矾土；生物质能源生物质能源生物质能利用与转化生物质燃气的净化生物质燃气的净化湿式净化器结构原理图干式净化干式净化利用旋风除尘器和扩散除尘器利用旋风除尘器和扩散除尘器进行两级净化，而后再利用冷进行两级净化，而后再利用冷凝器将气体冷却；凝器将气体冷却；降温困难，高温气态焦油难以降温困难，高温气态焦油难以去除，因此焦油含量较高。去除，因此焦油含量较

16、高。湿式净化方式湿式净化方式湿式净化效果较好，但设备困湿式净化效果较好，但设备困难，运行费用高难，运行费用高生物质能源生物质能源生物质能利用与转化生物质生物质热解技术热解技术生物质能源生物质能源生物质能利用与转化生物质的热解原理生物质的热解原理 生物质在基本无氧的环境中受热分生物质在基本无氧的环境中受热分解，生成固体炭、液体燃料和气体的过程解，生成固体炭、液体燃料和气体的过程干燥阶段干燥阶段在在150150C C左右，蒸出物料中的水分。左右，蒸出物料中的水分。预热解阶段预热解阶段在在150150300300C C左右，物料化学组成起先发生左右，物料化学组成起先发生变更，不稳定成分（如半纤维素）

17、分解成变更，不稳定成分（如半纤维素）分解成CO2CO2、COCO和少量醋酸等物质。和少量醋酸等物质。固体分解阶段固体分解阶段在在300300600600C C左右，生成醋酸、木焦油和甲左右，生成醋酸、木焦油和甲醇等液体和醇等液体和CO2CO2、COCO、CH4CH4、H2H2等气体物质。等气体物质。此阶段放热。此阶段放热。燃烧阶段燃烧阶段vC-H、C-O键进一步裂解，排出残留在木炭中的挥发分。生物质能源生物质能源生物质能利用与转化Lynn 裂解制油示意图裂解制油示意图生物质能源生物质能源生物质能利用与转化生物质快速热解：生物质快速热解：隔绝空气快速加热，将原料干脆裂解为粗油。隔绝空气快速加热，

18、将原料干脆裂解为粗油。工艺特点：工艺特点：物质原料的粒度特别小，物质原料的粒度特别小，快速加热；快速加热；精确控温在精确控温在500500左右；左右；热解产生的蒸汽快速冷却热解产生的蒸汽快速冷却以生产生物油产品以生产生物油产品生物质能源生物质能源生物质能利用与转化生物质热裂解产物生物质热裂解产物不同温度下生物质稻壳粉热解产物的分布不同温度下生物质稻壳粉热解产物的分布生物质能源生物质能源生物质能利用与转化生物质液化生物质液化生物质能源生物质能源生物质能利用与转化生物质干脆液化生物质干脆液化 与热解液化相比，干脆液化条件相对柔软。和热解油一样，干脆液化产品需经过精制加工后方可运用生物质能源生物质能

19、源生物质能利用与转化生物质能源生物质能源生物质能利用与转化 呈棕褐色，内含刺激性挥发分（如丙酮等），pH 值约为2-4（弱酸性）；当温度较高时，其分子简洁发生聚合反应，故不宜进行蒸馏处理。生物质原油生物质原油生物质能源生物质能源生物质能利用与转化生物质间接液化生物质间接液化生物质生物质合成气合成气液体液体燃料燃料定向定向气化气化净化净化甲醇甲醇柴油柴油二甲醚二甲醚分别分别提纯提纯生物质能源生物质能源生物质能利用与转化生物质定向气化生物质定向气化 以生产合成气为目的的生物质定向气化，与以生产合成气为目的的生物质定向气化，与以生产燃气为目的的常规气化有着本质区分：它以生产燃气为目的的常规气化有着本

20、质区分：它不是以热值为追求目标，而是要使木质纤维素尽不是以热值为追求目标，而是要使木质纤维素尽可能多地转化为富含可能多地转化为富含H2H2、COCO、CO2CO2的混合气体，其的混合气体，其中的无用气体和碳氢化合物要尽可能少，以减轻中的无用气体和碳氢化合物要尽可能少，以减轻后续重整变换的难度。后续重整变换的难度。生物质能源生物质能源生物质能利用与转化实现生物质定向气化的措施实现生物质定向气化的措施提高气化反应温度提高气化反应温度 气化反应温度是影响气化产物的一个最主要因素，温度气化反应温度是影响气化产物的一个最主要因素，温度越高，所产气体中的越高，所产气体中的H2H2、COCO和和CO2CO2

21、越多越多 CH4 CH4等碳氢气体等碳氢气体越少。越少。纯氧和水蒸气复合并用纯氧和水蒸气复合并用 接受纯氧作为气化剂，在避开带入大量接受纯氧作为气化剂，在避开带入大量N2 N2 对生成气体对生成气体稀释的同时，还可以有效地提高气化反应区的温度，从稀释的同时，还可以有效地提高气化反应区的温度，从而为加注适量水蒸气创建了条件。而为加注适量水蒸气创建了条件。水蒸气既可以干脆与炙热的炭反应生成水蒸气既可以干脆与炙热的炭反应生成H2H2和和CO CO，又可，又可以与碳氢化合物发生水蒸气变换反应，生成对合成甲醇以与碳氢化合物发生水蒸气变换反应，生成对合成甲醇有用的气体，从而减轻气体重整变换的工作量。有用的

22、气体，从而减轻气体重整变换的工作量。延长反应物的滞留时间延长反应物的滞留时间气化反应实际是由生物质的热解反应和热解产物的裂解气化反应实际是由生物质的热解反应和热解产物的裂解反应所组成的，但无论是哪种反应，在确定条件下，反反应所组成的，但无论是哪种反应，在确定条件下，反应物的滞留时间越长，反应就越充分，生成物也就越多。应物的滞留时间越长，反应就越充分，生成物也就越多。生物质能源生物质能源生物质能利用与转化气体重整变换气体重整变换1-陶瓷过滤膜；2-重整反应床；3-旋风分别器；4-变换反应床；5-冷却装置；6-气相色谱仪。气体重整变换工艺流程图气体过滤气体过滤阻挡气体中的微米级粉尘进阻挡气体中的微

23、米级粉尘进入后续工艺入后续工艺气体重整气体重整将气体中的碳氢化合物（将气体中的碳氢化合物（如如烃类气体和焦油等）烃类气体和焦油等）催化裂催化裂解为有用气体，并除去硫化解为有用气体，并除去硫化氢等其它有害气体。氢等其它有害气体。气体变换气体变换使使H2/(2COH2/(2COCO2CO2）最终约等）最终约等于于1.051.05。气体变换最简洁的。气体变换最简洁的方式是干脆向混合气体中加方式是干脆向混合气体中加注适量的注适量的H2 H2，以实现三者之，以实现三者之间的比例要求间的比例要求生物质能源生物质能源生物质能利用与转化生物质生物质制氢技术制氢技术生物质能源生物质能源生物质能利用与转化生物质干

24、脆制氢生物质干脆制氢气化制氢气化制氢光合微生物光解制氢光合微生物光解制氢柱孢鱼腥藻和其他有异形胞的蓝藻的氢光解形成生物质能源生物质能源生物质能利用与转化间接催化制氢间接催化制氢生物质物理法、化学法、物理法、化学法、生物法生物法低碳醇、酸，高碳醇COX、H2CO2、H2O光合作用光合作用水汽重整水汽重整部分氧化部分氧化氧化氧化生物质能源生物质能源生物质能利用与转化碳水化合物与水的液态重整碳水化合物与水的液态重整C6O6H12+6 H2O 12H2+6CO2葡萄糖水溶液重整葡萄糖水溶液重整山梨醇水溶液重整山梨醇水溶液重整C6O6H14+6 H2O 13H2+6CO2丙三醇水溶液重整丙三醇水溶液重整

25、C3H8O3+3H2O 7H2+3CO2生物质能源生物质能源生物质能利用与转化微生物燃料电池微生物燃料电池间接微生物燃料电池间接微生物燃料电池生物质能源生物质能源生物质能利用与转化微生物燃料电池微生物燃料电池干脆微生物燃料电池干脆微生物燃料电池发展生物燃料可能带来的问题国际货币基金组织（）发表的世界经济展望报告说，全球范围内越来越多地运用粮食作为生物燃料的生产原料，这可能会抬高贫困国家的粮食价格并对全球水土资源造成更大的压力。一个国家促进生物能源发展并爱护本国农夫的政策有可能增加另一个国家（可能是较贫困国家）的食品进口费用、通货膨胀压力以及经济增长面临的风险。此外，越来越多地运用粮食生产生物燃料还可能给世界范围内已经高度开发的土地和水资源造成更大的压力。有关探讨机构去年的一项探讨结果:假如在年前将生物燃料占全球燃料总需求的比例提高到，那么，世界耕地面积就必需比目前扩大。