2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——生物質(zhì)燃料的化學(xué)轉(zhuǎn)化與利用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項(xiàng)的字母填在題后的括號內(nèi)。）1.下列哪一種生物質(zhì)主要富含纖維素和半纖維素？（）A.木材B.麥稈C.動物糞便D.海藻2.生物質(zhì)熱解過程中，主要發(fā)生的反應(yīng)是？（）A.在催化劑作用下加氫反應(yīng)B.微生物發(fā)酵分解C.在高溫缺氧條件下發(fā)生熱裂解D.酸或堿催化的水解反應(yīng)3.生物質(zhì)氣化技術(shù)的主要產(chǎn)物是？（）A.生物油和生物炭B.水煤氣（CO+H?）C.乙醇和水D.甲烷和二氧化碳4.下列哪種微生物過程可用于厭氧消化生產(chǎn)沼氣？（）A.固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇B.厭氧消化分解有機(jī)物C.液態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)丁酸D.熱解液化5.將生物質(zhì)熱解獲得的生物油進(jìn)行加氫處理，其主要目的是？（）A.提高生物油的氧含量B.去除生物油中的含氧官能團(tuán)，提高熱值和穩(wěn)定性C.增加生物油的產(chǎn)率D.使生物油更容易進(jìn)行微生物發(fā)酵6.費(fèi)托合成技術(shù)利用合成氣（CO+H?）生產(chǎn)液體燃料，其基本原料是？（）A.生物質(zhì)直接燃燒產(chǎn)生的煙氣B.生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的合成氣C.生物質(zhì)熱解產(chǎn)生的生物油D.生物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣7.評價(jià)生物質(zhì)能源技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)是？（）A.產(chǎn)率B.能量轉(zhuǎn)換效率C.投資成本和運(yùn)營成本D.環(huán)境影響8.生物質(zhì)能源的可持續(xù)發(fā)展需要考慮的因素包括？（）A.資源可獲得性、環(huán)境影響、經(jīng)濟(jì)可行性B.技術(shù)成熟度、政府補(bǔ)貼C.市場需求、政策支持D.能量密度高、轉(zhuǎn)化效率高9.生物質(zhì)乙醇發(fā)酵通常使用的微生物是？（）A.乳酸菌B.釀酒酵母（Saccharomycescerevisiae）C.甲烷菌D.乳酸菌和酵母菌的混合物10.下列哪種方法不屬于生物質(zhì)化學(xué)轉(zhuǎn)化？（）A.生物質(zhì)氣化B.生物質(zhì)液化C.生物質(zhì)直接燃燒D.生物質(zhì)酶水解二、填空題（每空1分，共15分。請將正確答案填在題中的橫線上。）1.生物質(zhì)主要由________、________和________組成。2.生物質(zhì)預(yù)處理的主要目的是去除________，提高后續(xù)轉(zhuǎn)化效率。3.生物質(zhì)熱解可以在不同溫度下進(jìn)行，低溫?zé)峤庵饕a(chǎn)物是________，高溫?zé)峤庵饕a(chǎn)物是________。4.生物質(zhì)氣化過程通常在________條件下進(jìn)行，生成主要包含________和________的合成氣。5.厭氧消化分為________消化和________消化兩種類型。6.生物柴油是通過生物質(zhì)油脂與________發(fā)生________反應(yīng)制得的。7.生物質(zhì)能源的生命周期評價(jià)（LCA）旨在評估能源系統(tǒng)在整個生命周期內(nèi)的________和________影響。三、簡答題（每小題5分，共20分。）1.簡述生物質(zhì)熱解和氣化的主要區(qū)別。2.簡述提高生物質(zhì)生物轉(zhuǎn)化（如發(fā)酵）產(chǎn)率的主要途徑。3.簡述生物質(zhì)能源化利用過程中可能面臨的主要環(huán)境問題。4.簡述生物質(zhì)能源可持續(xù)發(fā)展的重要性。四、計(jì)算題（6分。）某生物質(zhì)氣化爐每小時處理干基玉米秸稈（假設(shè)纖維素含量為40%，半纖維素含量為20%，木質(zhì)素含量為30%，其余為灰分）100kg。氣化產(chǎn)生的粗合成氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（0℃，1atm）體積流量為300m3/h。假設(shè)纖維素完全轉(zhuǎn)化為CO和H?（摩爾比約為2:1），半纖維素轉(zhuǎn)化率約為50%，木質(zhì)素轉(zhuǎn)化率約為30%，灰分不參與反應(yīng)。試估算該氣化爐每小時的合成氣（CO+H?）產(chǎn)率（以干基秸稈質(zhì)量百分比表示）。五、論述題（13分。）生物質(zhì)能源作為一種可再生能源，在能源轉(zhuǎn)型和實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)中具有重要地位。請結(jié)合當(dāng)前生物質(zhì)主要化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)（如熱解、氣化、生物轉(zhuǎn)化等）的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，論述發(fā)展生物質(zhì)能源面臨的挑戰(zhàn)以及未來的發(fā)展方向。試卷答案一、選擇題1.B2.C3.B4.B5.B6.B7.C8.A9.B10.C二、填空題1.纖維素半纖維素木質(zhì)素2.灰分3.生物油木炭4.高溫缺氧COH?5.沸水厭氧6.甲醇酯化7.資源消耗環(huán)境排放三、簡答題1.熱解是在相對缺氧或無氧條件下，通過熱作用使生物質(zhì)發(fā)生分解反應(yīng)，主要產(chǎn)物是生物油、生物炭和可燃?xì)狻饣窃诟邷厝毖鯒l件下，將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為包含CO、H?等可燃?xì)怏w、焦炭和少量液態(tài)產(chǎn)物的過程。熱解產(chǎn)物多樣性較高，而氣化主要產(chǎn)物是合成氣。2.優(yōu)化發(fā)酵菌種、控制發(fā)酵條件（溫度、pH、通氣等）、提高底物預(yù)處理程度、消除發(fā)酵抑制劑、增加底物濃度、采用合適的反應(yīng)器等。3.生物質(zhì)能源化利用可能面臨的環(huán)境問題包括：土地利用變化對生物多樣性的影響、水資源消耗、溫室氣體排放（如N?O、CH?）、空氣污染物排放（如NOx、SOx）、廢渣處理等。4.生物質(zhì)能源可持續(xù)發(fā)展的重要性體現(xiàn)在：緩解化石能源壓力、減少溫室氣體排放、改善環(huán)境質(zhì)量、促進(jìn)農(nóng)業(yè)和林業(yè)發(fā)展、保障能源安全、創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會等方面，是實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的重要途徑。四、計(jì)算題解：1kg干基玉米秸稈中纖維素質(zhì)量為100kg×40%=40kg。40kg纖維素（C?H??O?）的摩爾數(shù)為40,000g/162g/mol≈246.9mol。根據(jù)題意，纖維素完全轉(zhuǎn)化為CO和H?（2:1摩爾比），則產(chǎn)生CO和H?的摩爾數(shù)均為246.9mol/2≈123.5mol。1kg干基玉米秸稈中半纖維素質(zhì)量為100kg×20%=20kg。20kg半纖維素（假設(shè)平均分子式為C?H?O?）的摩爾數(shù)為20,000g/132g/mol≈151.5mol。半纖維素轉(zhuǎn)化率50%，則參與反應(yīng)的半纖維素為20kg×50%=10kg，摩爾數(shù)為10,000g/132g/mol≈75.8mol。假設(shè)半纖維素轉(zhuǎn)化為CO和H?（類似纖維素，2:1摩爾比），則產(chǎn)生CO和H?的摩爾數(shù)均為75.8mol/2≈37.9mol。1kg干基玉米秸稈中木質(zhì)素質(zhì)量為100kg×30%=30kg。木質(zhì)素轉(zhuǎn)化率30%，則參與反應(yīng)的木質(zhì)素為30kg×30%=9kg。（注：木質(zhì)素轉(zhuǎn)化產(chǎn)物復(fù)雜，此處簡化處理）假設(shè)木質(zhì)素也轉(zhuǎn)化為CO和H?，其摩爾數(shù)與質(zhì)量成正比，則產(chǎn)生的CO和H?摩爾數(shù)為9,000g/152g/mol×(123.5molCO+123.5molH?)/(246.9molC+246.9molH)≈9,000/152×246.9/493.8≈29.1mol。（此步計(jì)算假設(shè)不準(zhǔn)確，僅示意比例）更合理的簡化假設(shè)：木質(zhì)素按轉(zhuǎn)化率貢獻(xiàn)可燃?xì)怏w量，按質(zhì)量比例估算，9kg木質(zhì)素產(chǎn)生的CO+H?總量可近似按比例分配到總氣體中?？侰O+H?摩爾數(shù)=123.5+37.9+(123.5+123.5)×(9/30)≈123.5+37.9+123.5+123.5×0.3≈123.5+37.9+123.5+37.05≈322.95mol。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的摩爾體積為22.4L/mol。氣化爐每小時產(chǎn)生的CO+H?體積為322.95mol×22.4L/mol≈7225L=7.225m3。每小時干基秸稈質(zhì)量為100kg。合成氣（CO+H?）產(chǎn)率（干基秸稈質(zhì)量百分比）=(7.225m3/100kg)×(1kg/22.4L)×1000L/m3≈3.24%。（注：計(jì)算過程簡化，尤其木質(zhì)素部分，實(shí)際轉(zhuǎn)化產(chǎn)物和量更復(fù)雜，此處結(jié)果僅供參考思路）五、論述題生物質(zhì)能源因其可再生性和潛在的低碳特性，在應(yīng)對全球氣候變化和能源安全問題中扮演著重要角色。主要的化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)包括熱解、氣化和生物轉(zhuǎn)化等。熱解技術(shù)操作溫度相對較低，產(chǎn)物多樣，但熱值和能量效率通常不高，且產(chǎn)物分離和利用技術(shù)尚需完善。氣化技術(shù)可以將生物質(zhì)高效轉(zhuǎn)化為富含氫和一氧化碳的合成氣，該合成氣可用于生產(chǎn)化學(xué)品、燃料或發(fā)電，技術(shù)靈活性較高，但氣化過程復(fù)雜，對催化劑和操作條件要求較高。生物轉(zhuǎn)化技術(shù)利用微生物或酶將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為乙醇、methane等，過程條件溫和，環(huán)境友好，但通常反應(yīng)速率較慢，產(chǎn)物純化難度大，且受菌種性能和發(fā)酵條件限制。當(dāng)前生物質(zhì)化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)包括：原料預(yù)處理成本高、轉(zhuǎn)化效率有待提高、產(chǎn)物分離純化技術(shù)瓶頸、規(guī)?；瘧?yīng)用經(jīng)濟(jì)性不足、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化和集成優(yōu)化、以及與現(xiàn)有能源系統(tǒng)的兼容性等。未來發(fā)展方向應(yīng)著重于：開發(fā)低成本、高效的生物質(zhì)預(yù)處理技術(shù)；研發(fā)高性能、高選擇性的催化劑和生物催化劑，提升熱解、氣化、生物轉(zhuǎn)化等核心技術(shù)的能量