能源化学生物质能源.pptx

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1、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 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)第1页/共44页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，因而理论上需要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 4

2、6.89千焦耳的1摩尔碳水化合物（CH2O），其能量利用率分别为26和16。白白光光包包括括从从380380720720纳纳米米的的各各种种波波长长的的光光量量子子，其其能能量量利利用用率率约约为为 2020。这是叶绿素所吸收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，第2页/共44页能源植物能源植物以提供能源为目的的以提供能源为目的的植物植物生物质能源生物质能源生物质能概述 糖类能源植物：可直接发酵生产燃料乙醇。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

3、。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、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。第3页/共44页生物质能源、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；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400 C左右释放出，而左右释放出，而煤在煤在800 C才释放出才释放出30左右的挥发组分；左右的挥发组分；q燃烧过程污染相对低燃烧过程污染相对低生物质灰分含量低于

4、煤，氮、硫含量通常低于煤；生物质灰分含量低于煤，氮、硫含量通常低于煤；q容易气化容易气化q储量大、分布广泛、易于获得储量大、分布广泛、易于获得地球上每年生物质能总量约地球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，燃料热值低第4页/共44页生物质能的利用与转化技术生物质能的利用与转化技术 第5页/共44页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直接燃烧直接燃烧第6页/共44页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

5、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,其细胞结构中其细胞结构中仍含有仍含有15%15%20%20%的水的水;(2)(2)挥发分（低分子量物质）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。(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，生物在完全燃烧条件下，能量完全释放，生物质完全转变为灰烬质完全转变为灰烬。第7页/

6、共44页生物质直接燃烧生物质直接燃烧生物质能源生物质能源生物质燃烧第8页/共44页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-挥发分热解释放函数E-表观活化能 生物质的燃烧过程是从挥发分的着火燃烧开始，燃烧过程受挥发分的热解释放过程控制A（固）B（固）+C(气)第9页/共44页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700C）水蒸气的反应水蒸气的反应C+H2O+118kJ/molCO+H2C+2H2O+

7、76kJ/molCO2+H2C+2H2CH4+75kJ/mol第10页/共44页生物质能源生物质能源生物质能利用与转化生物质直接燃烧技术生物质直接燃烧技术 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浪费。以木材燃烧制沸水过程而言炉灶燃烧操作简便、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浪费。以木材燃烧制沸水过程而言,1m,1m3 3 干木材含干木材含10GJ 10GJ 能量能量,而使而使1L 1L 水提高水提高1 1 需要需要412KJ 412KJ 的热能的热能,所以煮沸所以煮沸1L

8、1L 水需要少于水需要少于400KJ 400KJ 的能量的能量,数值上仅相当于数值上仅相当于40cm40cm3 3 的木材的木材仅仅是一根小树枝而已。可实际上在一个小的火炉上仅仅是一根小树枝而已。可实际上在一个小的火炉上,大概需要至少大概需要至少50 50 倍的木材倍的木材,即效率不超过即效率不超过2%2%。第11页/共44页生物质能源生物质能源生物质能利用与转化 锅炉燃烧采用先进的燃烧技术，把生物质锅炉燃烧采用先进的燃烧技术，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

9、源。源。生物质燃料锅炉的种类很多，按照锅炉燃生物质燃料锅炉的种类很多，按照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；按照锅炉燃烧方式的秸秆炉、垃圾焚烧炉等；按照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。生物质直接燃烧技术生物质直接燃烧技术 锅炉燃烧锅炉燃烧第12页/共44页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,使得着火燃烧提前，最大燃烧速率前移的趋势，获得更好的燃尽特性。

10、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均匀，而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,可以改善燃烧放热的分布状况,对于燃烧前期的放热有增进作用。第13页/共44页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第14页/共44页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等可燃等可燃气体气体 基本原理基本原理是在不完全燃烧条件下，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。根据气化机理可分为热解气化和反应性气化,其中后者

11、又可根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。根据采用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第15页/共44页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第16页/共44页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 在气化过程中使用不同的气化剂,可以得到三种不同质量的气化产品气，v 低热值(Low CV)：46MJ/Nm3 使用空气v 中热值(Medium CV)1218MJ/Nm3使用氧气或水蒸汽v 高热值(High CV)40MJ/Nm3 使用氢气第17页/共44页

12、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。第18页/共44页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气化的基本热化学反应C+O2CO2408.86

13、KJ/molC+1/2O2CO123.45KJ/molCO+O21/2CO2286KJ/molCO2+C2CO162KJ/molC+H2OCO+H2-118kJ/molC+2H2OCO2+2H2-76kJ/molC+2H2CH4+75kJ/mol第19页/共44页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。焦油的成分十分复杂，大部分是苯的衍生物。温度为500 C时焦油的产量最高，随着温度的升高和停留时间的增加，焦油的含量会明显地减少。在600

14、 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，容易产生碳黑等颗粒，对燃气利用设备等损害严重第20页/共44页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 通过改变炉内结构，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第21页/共44页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

15、焦油转化过程中,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；第22页/共44页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v利用旋风除尘器和扩散除尘器进行两级净化，而后再利用冷凝器将气体冷却；v降温困难，高温气态焦油难以去除，因此焦油含量较高。湿式净化方式湿式净化方式v湿式净化效果较好，但设备复杂，运行费用高第23页/共44页

16、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第24页/共44页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解，生成固体炭、液体燃料和气体的过程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干燥阶段干燥阶段v在150C左右，蒸出物料中的水分。预热解阶段预热解阶段v在150300C左右，物料化学组成开始发生变化，不稳定成分（如半纤维素）分解成CO2、CO和少量醋酸等物质。固体分解阶段固体分解阶段v在300600C左右，生成醋酸、木焦油和甲醇等液体和CO2、CO、CH4、H2等气体物质。此阶段放热。燃

17、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。第25页/共44页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第26页/共44页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，将原料直接裂解为粗油。隔绝空气快速加热，将原料直接裂解为粗油。工艺特点：工艺特点：物质原料的粒度非常小，快速加热；物质原料的粒度非常小，快速加热；准确控温在准确控温在500500左右；左右；热解产生的蒸汽迅速冷却以生产生物油产品热解产生的蒸汽迅速冷却以生产生物油产品第27页/共44页生物质能源生物质能源生物质能利用与转化生物质热

18、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第28页/共44页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第29页/共44页生物质能源生物质能源生物质能利用与转化生物质直接液化生物质直接液化 与热解液化相比，直接液化条件相对柔和。和热解油一样，直接液化产品需经过精制加工后方可使用第30页/共44页生物质能源生物质能源生物质能利用与转化第31页/共44页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），呈棕褐色，内含刺激性挥发分（如丙酮等），pH pH 值约为值约为2-42-4（弱酸性）；当温度较高时

19、，其分子容易发生聚合反应，故不宜进行蒸馏处理。（弱酸性）；当温度较高时，其分子容易发生聚合反应，故不宜进行蒸馏处理。生物质原油生物质原油第32页/共44页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离分离提纯提纯第33页/共44页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，与以生产燃气为目的的常规气化有着本质区别：它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以生产合成气为目的的生物质定向气化，与以生产燃

20、气为目的的常规气化有着本质区别：它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H2、CO、CO2的混合气体，其中的无用气体和碳氢化合物要尽可能少，以减轻后续重整变换的难度。的混合气体，其中的无用气体和碳氢化合物要尽可能少，以减轻后续重整变换的难度。第34页/共44页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v 气化反应温度是影响气化产物的一个最主要因素，温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，所产气体中的度越高，所产气体中的H H2 2、COCO和和COCO2 2越多越多 CHCH4 4

21、等碳氢气等碳氢气体越少。体越少。纯氧和水蒸气复合并用纯氧和水蒸气复合并用v 采用纯氧作为气化剂，在避免带入大量采用纯氧作为气化剂，在避免带入大量N N2 2 对生成气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，体稀释的同时，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造了条件。从而为加注适量水蒸气创造了条件。v 水蒸气既可以直接与炙热的炭反应生成水蒸气既可以直接与炙热的炭反应生成H H2 2和和CO CO，又，又可以与碳氢化合物发生水蒸气变换反应，生成对合成可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。甲醇有用的气体，从而减

22、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v气化反应实际是由生物质的热解反应和热解产物的裂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，在一定条件下，解反应所组成的，但无论是哪种反应，在一定条件下，反应物的滞留时间越长，反应就越充分，生成物也就反应物的滞留时间越长，反应就越充分，生成物也就越多。越多。第35页/共44页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-旋风分离器；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v阻止气体中的微米级阻止气体中

23、的微米级粉尘进入后续工艺粉尘进入后续工艺气体重整气体重整v将将气气体体中中的的碳碳氢氢化化合合物物（如如烃烃类类气气体体和和焦焦油油等等）催催化化裂裂解解为为有有用用气气体体，并并除除去去硫硫化化氢氢等等其其它它有有害害气气体。体。气体变换气体变换v使使H H2 2/(2CO/(2COCOCO2 2）最最终终约约等等于于1.051.05。气气体体变变换换最最简简单单的的方方式式是是直直接接向向混混合合气气体体中中加加注注适适量量的的H H2 2 ，以以实实现现三者之间的比例要求三者之间的比例要求第36页/共44页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第37页/共44

24、页生物质能源生物质能源生物质能利用与转化生物质直接制氢生物质直接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第38页/共44页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第39页/共44页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

25、液重整C6O6H14+6 H2O 13H2+6CO2丙三醇水溶液重整丙三醇水溶液重整C3H8O3+3H2O 7H2+3CO2第40页/共44页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第41页/共44页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直接微生物燃料电池直接微生物燃料电池第42页/共44页发展生物燃料可能带来的问题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使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保护本国农民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，越来越多地使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。有关研究机构去年的一项研究结果:如果在年前将生物燃料占全球燃料总需求的比例提高到，那么，世界耕地面积就必须比目前扩大。第43页/共44页感谢您的观看！第44页/共44页