2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、填空題（每空2分，共20分）1.生物質(zhì)的主要成分包括纖維素、半纖維素和________。2.生物質(zhì)熱解是指在________條件下，生物質(zhì)熱分解產(chǎn)生生物油、生物炭和可燃?xì)怏w的過(guò)程。3.生物質(zhì)氣化過(guò)程中，水蒸氣裂解反應(yīng)是一個(gè)重要的氣化反應(yīng)，其化學(xué)方程式為_(kāi)_______。4.能夠有效水解纖維素生成葡萄糖的酶主要是________。5.固態(tài)發(fā)酵通常在________的條件下進(jìn)行，利用微生物將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)物。6.生物質(zhì)催化液化（如Fischer-Tropsch合成）的目標(biāo)產(chǎn)物是________。7.在生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，能量集成的主要目的是________。8.生命周期評(píng)價(jià)（LCA）是一種用于評(píng)估產(chǎn)品或服務(wù)在整個(gè)生命周期內(nèi)________的方法論。9.生物質(zhì)直燃發(fā)電的主要缺點(diǎn)是________。10.提高生物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率的技術(shù)手段包括________、增加反應(yīng)接觸面積等。二、名詞解釋?zhuān)款}3分，共15分）1.生物質(zhì)熱解2.生物質(zhì)氣化3.固體成型燃料4.生物燃料5.能量集成三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共25分）1.簡(jiǎn)述生物質(zhì)熱解和氣化過(guò)程的主要區(qū)別。2.比較酸水解和酶水解生物質(zhì)纖維素的優(yōu)缺點(diǎn)。3.簡(jiǎn)述生物質(zhì)氣化過(guò)程中焦油產(chǎn)生的原因及其主要去除方法。4.簡(jiǎn)述生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要考慮的主要因素。5.簡(jiǎn)述生物質(zhì)能利用的意義。四、論述題（每題10分，共30分）1.論述影響生物質(zhì)熱解產(chǎn)物分布的主要因素。2.論述生物質(zhì)厭氧消化技術(shù)用于有機(jī)廢水處理的優(yōu)勢(shì)和面臨的挑戰(zhàn)。3.論述實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)能高效、清潔、可持續(xù)利用的關(guān)鍵技術(shù)方向。五、計(jì)算題（共15分）某生物質(zhì)氣化實(shí)驗(yàn)中，處理干基含量為75%的生物質(zhì)（假設(shè)主要成分為纖維素）5kg（濕基），在氣化爐中完全氣化，產(chǎn)生的燃?xì)饨?jīng)凈化后，測(cè)得其中H2、CO、CH4的摩爾分?jǐn)?shù)分別為0.20、0.50、0.25，其余為N2和水蒸氣。假設(shè)氣化過(guò)程碳轉(zhuǎn)化率為90%，試計(jì)算：（1）理論上完全氣化5kg濕基生物質(zhì)可產(chǎn)生多少摩爾燃?xì)?？?）理論上完全氣化5kg濕基生物質(zhì)可產(chǎn)生多少摩爾水蒸氣？（提示：可基于碳平衡和元素守恒進(jìn)行分析）六、案例分析題（15分）某地區(qū)以農(nóng)業(yè)廢棄物（玉米秸稈）為主，計(jì)劃建設(shè)一套生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）系統(tǒng)。簡(jiǎn)述在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，需要重點(diǎn)考慮哪些技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素和環(huán)境影響問(wèn)題？并說(shuō)明選擇熱電聯(lián)產(chǎn)方式相比于單純發(fā)電或供熱，在能源利用效率和環(huán)境效益方面有何優(yōu)勢(shì)？試卷答案一、填空題（每空2分，共20分）1.木質(zhì)素2.無(wú)氧或缺氧3.C+H2O→CO+H24.纖維素酶5.無(wú)氧或微氧6.油和氣（或合成氣）7.提高能源利用效率8.環(huán)境影響9.燃燒效率低、污染物排放量大10.溫度控制二、名詞解釋?zhuān)款}3分，共15分）1.生物質(zhì)熱解：生物質(zhì)在無(wú)氧或缺氧條件下，通過(guò)熱作用發(fā)生熱分解，產(chǎn)生生物油、生物炭和可燃?xì)怏w的過(guò)程。2.生物質(zhì)氣化：生物質(zhì)在高溫（通常>700°C）和水蒸氣或空氣的存在下，發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為含有CO、H2、CH4等可燃?xì)怏w的過(guò)程。3.固體成型燃料：將松散的生物質(zhì)（如秸稈、林業(yè)廢棄物）通過(guò)物理或化學(xué)方法（如壓縮、干燥、添加粘結(jié)劑等）加工成具有一定形狀（如棒、塊、顆粒）、密度和燃燒性能的固體燃料。4.生物燃料：由生物質(zhì)轉(zhuǎn)化而成的可燃燃料，包括生物乙醇、生物柴油、沼氣等。5.能量集成：在能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過(guò)優(yōu)化工藝流程和設(shè)備匹配，最大限度地回收和利用過(guò)程中產(chǎn)生的余熱、余壓等能量，以提高整體能源利用效率的技術(shù)。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共25分）1.簡(jiǎn)述生物質(zhì)熱解和氣化過(guò)程的主要區(qū)別。答：主要區(qū)別在于反應(yīng)條件、產(chǎn)物分布和目的不同。熱解通常在較低溫度（200-700°C）下無(wú)氧或缺氧進(jìn)行，主要產(chǎn)物是生物油、生物炭和少量氣體；氣化通常在較高溫度（>700°C）有氧或富氧（水蒸氣）條件下進(jìn)行，主要產(chǎn)物是富含CO、H2的可燃?xì)怏w、生物炭和少量液體。熱解側(cè)重于分解和產(chǎn)炭/油，氣化側(cè)重于轉(zhuǎn)化為燃?xì)狻?.比較酸水解和酶水解生物質(zhì)纖維素的優(yōu)缺點(diǎn)。答：酸水解優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)速度快、成本相對(duì)較低；缺點(diǎn)是條件苛刻（高溫高壓）、會(huì)產(chǎn)生較多副產(chǎn)物（如木質(zhì)素衍生物、糖酸），且對(duì)纖維素和半纖維素的破壞較大，影響后續(xù)應(yīng)用。酶水解優(yōu)點(diǎn)是條件溫和（常溫常壓、水相）、選擇性高、對(duì)纖維素破壞小、副產(chǎn)物少、環(huán)境友好；缺點(diǎn)是反應(yīng)速度慢、成本較高（酶價(jià)格）、受抑制劑影響大。3.簡(jiǎn)述生物質(zhì)氣化過(guò)程中焦油產(chǎn)生的原因及其主要去除方法。答：焦油產(chǎn)生的原因是在氣化過(guò)程中，生物質(zhì)中的大分子有機(jī)物（如木質(zhì)素、纖維素）熱解和裂解后生成的小分子有機(jī)物（酚類(lèi)、羧酸類(lèi)等）在相對(duì)較低的溫度區(qū)域能夠冷凝聚合形成的液態(tài)或固態(tài)焦油。主要去除方法包括：提高氣化溫度使焦油進(jìn)一步裂解；使用合適的氣化劑（如空氣、富氧、水蒸氣）促進(jìn)焦油裂解；采用催化氣化技術(shù)；物理方法如洗滌（水洗、堿洗）、吸附（活性炭、分子篩）等。4.簡(jiǎn)述生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要考慮的主要因素。答：主要因素包括：原料特性與預(yù)處理；選擇合適的轉(zhuǎn)化技術(shù)（熱化學(xué)、生物化學(xué)、化學(xué)轉(zhuǎn)化）；反應(yīng)器類(lèi)型與設(shè)計(jì)；能量回收與集成（余熱、余壓利用）；產(chǎn)物分離與提純；系統(tǒng)匹配與優(yōu)化（各單元操作銜接）；經(jīng)濟(jì)效益分析（投資、運(yùn)行成本、產(chǎn)品售價(jià)）；環(huán)境影響評(píng)估（排放物、生命周期評(píng)價(jià)）；安全性與可靠性；政策與市場(chǎng)環(huán)境。5.簡(jiǎn)述生物質(zhì)能利用的意義。答：生物質(zhì)能利用的意義在于：1）可再生能源：生物質(zhì)是可再生能源，其利用有助于保障能源安全，減少對(duì)化石燃料的依賴；2）減少溫室氣體排放：生物質(zhì)碳循環(huán)特性使其燃燒時(shí)相比化石燃料凈碳排放量較低，有助于應(yīng)對(duì)氣候變化；3）改善環(huán)境質(zhì)量：有效處理農(nóng)業(yè)廢棄物、林業(yè)廢棄物和城市有機(jī)廢物，減少焚燒或填埋帶來(lái)的環(huán)境污染；4）促進(jìn)農(nóng)業(yè)和農(nóng)村發(fā)展：為農(nóng)民提供增收途徑，促進(jìn)生物質(zhì)資源化利用；5）推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)多元化：豐富能源供應(yīng)來(lái)源，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)。四、論述題（每題10分，共30分）1.論述影響生物質(zhì)熱解產(chǎn)物分布的主要因素。答：影響生物質(zhì)熱解產(chǎn)物（生物油、生物炭、燃?xì)猓┓植嫉闹饕蛩匕ǎ?1)原料特性：生物質(zhì)種類(lèi)（草本、木本）、水分含量、熱值、元素組成（C、H、O、N、S含量）、纖維結(jié)構(gòu)（纖維素、半纖維素、木質(zhì)素比例）等都會(huì)顯著影響熱解過(guò)程和產(chǎn)物分布。例如，木質(zhì)素含量高的原料通常產(chǎn)炭率較高。(2)熱解溫度：溫度是影響產(chǎn)物分布最關(guān)鍵的因素。低溫?zé)峤猓?lt;300°C）主要產(chǎn)生生物油和生物炭；中溫?zé)峤猓?00-500°C）生物油產(chǎn)量達(dá)到峰值；高溫?zé)峤猓?gt;500°C）生物油產(chǎn)量下降，燃?xì)夂蜕锾慨a(chǎn)量增加。(3)熱解氣氛：無(wú)氧或缺氧條件下進(jìn)行的是熱解（Pyrolysis），主要產(chǎn)物是生物油和生物炭；在富氧或空氣條件下進(jìn)行的是氣化（Gasification），主要產(chǎn)物是燃?xì)夂蜕锾俊?4)加熱速率：快速加熱有利于在物質(zhì)汽化之前使其熱解，可能獲得更多的生物油和較少的生物炭；慢速加熱則有利于熱解和碳化反應(yīng)的平衡，可能獲得更多的生物炭。(5)反應(yīng)器類(lèi)型與設(shè)計(jì)：不同反應(yīng)器（固定床、流化床、旋轉(zhuǎn)錐、腔式等）的結(jié)構(gòu)（如停留時(shí)間、傳熱傳質(zhì)效率、溫度分布）會(huì)直接影響熱解過(guò)程和產(chǎn)物分布。綜合調(diào)控這些因素，可以優(yōu)化熱解過(guò)程，獲得目標(biāo)產(chǎn)物。2.論述生物質(zhì)厭氧消化技術(shù)用于有機(jī)廢水處理的優(yōu)勢(shì)和面臨的挑戰(zhàn)。答：生物質(zhì)厭氧消化技術(shù)用于有機(jī)廢水處理的優(yōu)勢(shì)：(1)能源回收：厭氧消化過(guò)程產(chǎn)生的沼氣（主要成分為甲烷和二氧化碳）可以回收利用，用于發(fā)電、供熱或作為燃?xì)馐褂?，?shí)現(xiàn)廢物資源化，降低處理成本。(2)污泥減量化：厭氧消化可以顯著減少污泥的體積（約50-80%）和重量（約60-70%），降低后續(xù)污泥處理處置的負(fù)擔(dān)和成本。(3)處理高濃度有機(jī)廢水：特別適用于處理高濃度的有機(jī)廢水，如食品加工廢水、屠宰廢水等，負(fù)荷高時(shí)仍能穩(wěn)定運(yùn)行。(4)環(huán)境友好：相比好氧處理，厭氧消化能耗較低，產(chǎn)生的污泥量少。沼氣燃燒后主要排放CO2，相比好氧處理產(chǎn)生的總碳量少。面臨的挑戰(zhàn)：(1)處理效率相對(duì)較低：厭氧消化速度慢，對(duì)COD的去除率通常低于好氧處理（一般60-80%），出水COD濃度相對(duì)較高，可能需要后續(xù)好氧處理。(2)對(duì)抑制劑敏感：廢水中某些物質(zhì)（如氨氮、硫化合物、酚類(lèi)等）會(huì)抑制產(chǎn)甲烷菌活性，影響消化效率。(3)啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)：建立穩(wěn)定的厭氧菌種群需要較長(zhǎng)時(shí)間，系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷變化的適應(yīng)能力相對(duì)較差。(4)運(yùn)行管理要求高：對(duì)溫度、pH、堿度、C/N比、攪拌等運(yùn)行參數(shù)要求嚴(yán)格，需要專(zhuān)業(yè)的運(yùn)行管理。(5)設(shè)備投資較高：厭氧消化設(shè)備（如消化罐）通常體積較大，投資成本相對(duì)較高。3.論述實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)能高效、清潔、可持續(xù)利用的關(guān)鍵技術(shù)方向。答：實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)能高效、清潔、可持續(xù)利用的關(guān)鍵技術(shù)方向主要包括：(1)高效、清潔的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)：*熱化學(xué)轉(zhuǎn)化：開(kāi)發(fā)更高效的氣化、熱解、焦油轉(zhuǎn)化和合成技術(shù)，提高能量轉(zhuǎn)換效率，減少污染物排放。發(fā)展流化床、等離子體等先進(jìn)反應(yīng)器技術(shù)。*生物化學(xué)轉(zhuǎn)化：提高纖維素和半纖維素的酶解效率，降低酶成本，開(kāi)發(fā)高效、耐久的纖維素酶。優(yōu)化發(fā)酵工藝，提高目標(biāo)產(chǎn)物（如乙醇、乳酸）的產(chǎn)率和選擇性。探索更多種類(lèi)的產(chǎn)甲烷菌和高效共生體系。*化學(xué)轉(zhuǎn)化：深入研究催化液化（Fischer-Tropsch等）的催化劑和工藝，提高油品產(chǎn)率和質(zhì)量。開(kāi)發(fā)生物質(zhì)制氫的高效、低成本方法（如光催化、電催化、化學(xué)裂解）。(2)生物質(zhì)資源化與高值化利用：開(kāi)發(fā)高效、低成本的生物質(zhì)收集、儲(chǔ)存和預(yù)處理技術(shù)。將生物質(zhì)與其他廢棄物（如餐廚垃圾、工業(yè)廢水）協(xié)同處理。發(fā)展生物質(zhì)基新材料（如生物塑料、生物復(fù)合材料）和高附加值化學(xué)品，提升生物質(zhì)利用的經(jīng)濟(jì)效益。(3)能源系統(tǒng)優(yōu)化與集成：發(fā)展生物質(zhì)能與其他能源（如太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮埽┑幕パa(bǔ)利用技術(shù)，構(gòu)建多元化、高彈性的可再生能源供應(yīng)體系。研究和應(yīng)用生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的能量集成技術(shù)，最大限度地利用余熱、余壓，提高整體能源利用效率。發(fā)展智能控制系統(tǒng)，優(yōu)化運(yùn)行管理。(4)環(huán)境友好型技術(shù)：開(kāi)發(fā)高效的生物質(zhì)燃燒后處理技術(shù)（脫硫、脫硝、除塵、碳捕集等），減少污染物排放。開(kāi)展生物質(zhì)能利用的環(huán)境影響評(píng)估和生命周期評(píng)價(jià)，從全生命周期角度優(yōu)化技術(shù)路線，降低環(huán)境足跡。(5)規(guī)?；c成本控制：降低生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)的建設(shè)和運(yùn)行成本，提高發(fā)電、供熱、供氣的經(jīng)濟(jì)性。發(fā)展適應(yīng)不同地區(qū)、不同資源條件的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、規(guī)?；镔|(zhì)能技術(shù)和裝備。五、計(jì)算題（共15分）（1）計(jì)算理論上完全氣化5kg濕基生物質(zhì)可產(chǎn)生多少摩爾燃?xì)猓焊苫繛?5%，則5kg濕基生物質(zhì)中干基質(zhì)量為5kg*75%=3.75kg。假設(shè)生物質(zhì)主要成分為纖維素（C6H10O5），其摩爾質(zhì)量約為162g/mol。3.75kg纖維素的摩爾數(shù)為3750g/162g/mol≈23.17mol。理論上完全氣化時(shí)，根據(jù)元素守恒和常見(jiàn)氣化反應(yīng)（如C+H2O->CO+H2，C+1/2O2->CO，CH4等），每摩爾纖維素中的碳原子大部分轉(zhuǎn)化為CO、H2、CH4等燃?xì)?，氫原子轉(zhuǎn)化為H2，氧原子轉(zhuǎn)化為H2O和CO2。纖維素C6H10O5中C:H:O原子數(shù)比為6:10:5。23.17mol纖維素含碳原子23.17mol*6=138.02molC。23.17mol纖維素含氫原子23.17mol*10=231.7molH。23.17mol纖維素含氧原子23.17mol*5=115.85molO。根據(jù)題目燃?xì)饨M成H2:CO:CH4=0.20:0.50:0.25，設(shè)產(chǎn)生的總?cè)細(xì)饽枖?shù)為nmol。則n*0.20=CO摩爾數(shù)；n*0.50=CO摩爾數(shù)；n*0.25=CH4摩爾數(shù)?？偺荚訑?shù)=CO摩爾數(shù)+2*CH4摩爾數(shù)=n*(0.50+2*0.25)=n*1.0=138.02mol?？倸湓訑?shù)=2*CO摩爾數(shù)+4*CH4摩爾數(shù)=2*(n*0.50)+4*(n*0.25)=n*(1.0+1.0)=n*2.0=231.7mol。解得n=138.02mol/1.0=138.02mol。所以理論上完全氣化5kg濕基生物質(zhì)可產(chǎn)生約138.02mol燃?xì)狻＃ㄗⅲ捍擞?jì)算基于假設(shè)所有碳轉(zhuǎn)化為CO和CH4，氫轉(zhuǎn)化為H2，氧按給定比例分配，未考慮N2和H2O，且未考慮碳轉(zhuǎn)化率100%，實(shí)際值會(huì)有差異，此解法為一種基于題目給定組成的推算）（2）計(jì)算理論上完全氣化5kg濕基生物質(zhì)可產(chǎn)生多少摩爾水蒸氣：上述計(jì)算中，總?cè)細(xì)饽枖?shù)n=138.02mol。根據(jù)元素守恒，138.02mol碳轉(zhuǎn)化為燃?xì)猓–O、CO2、CH4），消耗的氧氣量為：消耗O2=138.02mol*[(2/3)+(1/2)+(1/4)]=138.02mol*(11/12)≈127.52molO2。231.7mol氫轉(zhuǎn)化為H2，消耗水蒸氣量為：消耗H2O=231.7molH/2=115.85molH2O(水蒸氣)。產(chǎn)生的總?cè)細(xì)庵蠬2占0.20*138.02mol=27.60mol，對(duì)應(yīng)水蒸氣27.60mol/2=13.80mol。產(chǎn)生的總?cè)細(xì)庵蠧H4占0.25*138.02mol=34.50mol，對(duì)應(yīng)水蒸氣34.50mol/4=8.63mol。產(chǎn)生的總?cè)細(xì)庵蠧O占0.50*138.02mol=69.01mol，不產(chǎn)生水蒸氣。產(chǎn)生的CO2占0.50*138.02mol=69.01mol，不產(chǎn)生水蒸氣?？偹魵饬?13.80mol(來(lái)自H2)+8.63mol(來(lái)自CH4)+115.85mol(消耗生成燃?xì)?=138.28mol。另一種思路是考慮氧平衡：總反應(yīng)消耗氧氣127.52mol，產(chǎn)生CO2（假設(shè)少量）和H2O。題目未明確O2來(lái)源，若按水蒸氣計(jì)算，水蒸氣既是反應(yīng)物也是產(chǎn)物。粗略估算：若假設(shè)部分氧氣來(lái)自水蒸氣分解，且氧氣主要消耗于生成CO和CH4，產(chǎn)生的H2O也以水蒸氣形式存在?？偹魵饬恐饕蓺湓愚D(zhuǎn)化而來(lái)，即115.85mol，加上反應(yīng)生成部分，可近似為138.28mol。若假設(shè)氧氣全部來(lái)自水，則水蒸氣量更大，但題目未明確，按氫原子計(jì)算更直接。取近似值：理論上完全氣化5kg濕基生物質(zhì)可產(chǎn)生約138mol水蒸氣。六、案例分析題（15分）在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，建設(shè)生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）系統(tǒng)，需要重點(diǎn)考慮以下技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素和環(huán)境影響問(wèn)題：技術(shù)因素：原料預(yù)處理技術(shù)（如破碎、干燥、粉碎）的適用性和成本；選擇合適的氣化/熱解/燃燒技術(shù)及其規(guī)模；反應(yīng)器設(shè)計(jì)（效率、穩(wěn)定性、耐腐蝕性）；能量轉(zhuǎn)換效率（發(fā)電效率+供熱效率）；余熱回收利用技術(shù)（如熱電聯(lián)產(chǎn)中的熱回收，或用于干燥原料、發(fā)電等）；燃?xì)?/p>