2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——生物質(zhì)能源的轉(zhuǎn)化與利用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、填空題（每空2分，共20分）1.生物質(zhì)的主要組成成分包括纖維素、______、和木質(zhì)素。2.水熱液化（HTL）通常在高溫（>250°C）和高壓的______條件下進行，可以將木質(zhì)纖維素生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為富含______的液體燃料。3.生物質(zhì)熱解過程通常在______缺乏的條件下進行，主要產(chǎn)物包括生物油、生物炭和______。4.生物質(zhì)氣化技術(shù)的主要目的是將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為富含氫氣和一氧化碳的______，該氣體可進一步用于合成氣化學(xué)或發(fā)電。5.沼氣發(fā)酵是一種通過______在無氧條件下分解有機物的生物化學(xué)過程，其主要產(chǎn)物是甲烷和二氧化碳的混合物，即沼氣。6.生物質(zhì)能源的碳減排潛力主要源于其______的特性，即在生長過程中吸收了大氣中的二氧化碳。7.將生物質(zhì)熱解油通過費托合成等工藝轉(zhuǎn)化為液體燃料的技術(shù)，通常需要首先將其轉(zhuǎn)化為______。8.生物質(zhì)能源開發(fā)利用過程中需要關(guān)注其對土地利用、水資源消耗和______等潛在環(huán)境影響。9.生物柴油通常是通過動植物油脂或廢棄油脂與______發(fā)生酯交換反應(yīng)制備得到的。10.生物質(zhì)能源的可持續(xù)發(fā)展需要綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟性、環(huán)境效益和社會可接受性，即實現(xiàn)______。二、名詞解釋（每題4分，共20分）1.生物質(zhì)能源2.熱解3.合成氣4.沼氣發(fā)酵5.可持續(xù)發(fā)展三、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化和生物化學(xué)轉(zhuǎn)化的主要區(qū)別。2.比較水熱液化、熱解和氣化三種主要熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)的產(chǎn)物特性和主要應(yīng)用。3.沼氣發(fā)酵過程中，影響產(chǎn)氣率和甲烷含量的主要因素有哪些？4.簡述生物質(zhì)能源在替代化石能源、改善環(huán)境方面的主要優(yōu)勢。5.提出生物質(zhì)能源發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)之一，并簡述應(yīng)對策略。四、計算題（共15分）某生物質(zhì)樣品經(jīng)熱解實驗，得到生物油、生物炭和水蒸氣。干基分析結(jié)果如下：纖維素含量45%，半纖維素含量30%，木質(zhì)素含量25%。假設(shè)纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的元素組成（干基）分別為：纖維素(C43.3%,H6.2%,O50.5%)；半纖維素(C41.3%,H6.7%,O51.0%)；木質(zhì)素(C51.0%,H6.2%,O42.8%)。假設(shè)熱解過程中各組分完全轉(zhuǎn)化，且碳元素分配如下：生物油碳收率25%，生物炭碳收率35%，其余碳元素以CO、CO2和H2等氣體形式損失。計算該生物質(zhì)樣品熱解產(chǎn)生的生物油的碳含量（干基）和氫含量（干基）分別是多少？五、論述題（共15分）結(jié)合當前能源轉(zhuǎn)型和碳中和目標，論述發(fā)展生物質(zhì)能源的重要性及其在能源結(jié)構(gòu)中的潛在角色和面臨的機遇與挑戰(zhàn)。試卷答案一、填空題1.半纖維素2.水相；生物油3.缺氧；焦油4.合成氣5.厭氧微生物6.可再生7.合成氣8.生物多樣性9.甲醇10.多元性二、名詞解釋1.生物質(zhì)能源：指利用生物質(zhì)（如植物、動物糞便、有機廢棄物等）轉(zhuǎn)化獲得的能源，是一種可再生能源。2.熱解：指在無氧或缺氧條件下，通過加熱使生物質(zhì)發(fā)生熱分解的反應(yīng)過程，生成生物油、生物炭和焦油等產(chǎn)物。3.合成氣：主要成分為一氧化碳（CO）和氫氣（H2）的混合氣體，是多種化學(xué)合成和能源轉(zhuǎn)化的重要原料。4.沼氣發(fā)酵：指利用厭氧微生物在無氧環(huán)境下分解有機物的過程，主要產(chǎn)物是甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）的混合氣體，即沼氣。5.可持續(xù)發(fā)展：指既滿足當代人的需求，又不損害后代人滿足其需求的能力的發(fā)展模式，強調(diào)經(jīng)濟、社會和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。三、簡答題1.簡述生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化和生物化學(xué)轉(zhuǎn)化的主要區(qū)別。答：熱化學(xué)轉(zhuǎn)化是在高溫（通常>150°C）和非生物催化劑（或無催化劑）條件下，通過物理化學(xué)過程將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為目標產(chǎn)物；生物化學(xué)轉(zhuǎn)化是在中低溫（通常<100°C）和無氧（發(fā)酵）或有氧（好氧降解）條件下，通過微生物或酶的催化作用將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為目標產(chǎn)物。兩者使用的條件、催化劑和主要反應(yīng)路徑不同。2.比較水熱液化、熱解和氣化三種主要熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)的產(chǎn)物特性和主要應(yīng)用。答：水熱液化在高溫高壓水相條件下進行，產(chǎn)物主要是富含氧的生物油，可進一步處理得到燃料或化學(xué)品，適用于處理木質(zhì)纖維素生物質(zhì)，但產(chǎn)物穩(wěn)定性差。熱解在缺氧條件下進行，產(chǎn)物包括生物油、生物炭和焦油，反應(yīng)條件相對溫和，但產(chǎn)物分布難以控制。氣化在高溫缺氧條件下進行，主要產(chǎn)物是合成氣（CO+H2），可廣泛用于發(fā)電、合成化學(xué)品，技術(shù)成熟，但需要處理焦油。應(yīng)用上，生物油適合化學(xué)品合成，生物炭可用于吸附材料，合成氣可用于發(fā)電和合成燃料。3.沼氣發(fā)酵過程中，影響產(chǎn)氣率和甲烷含量的主要因素有哪些？答：主要因素包括：生物質(zhì)原料的性質(zhì)（種類、含水率、C/N比等）、微生物群落結(jié)構(gòu)和活性、發(fā)酵溫度、pH值、攪拌程度、氧氣含量等。適宜的C/N比（通常25:1左右）、適宜的溫度和pH、無氧環(huán)境以及豐富的微生物種群是獲得高產(chǎn)氣率和甲烷含量的關(guān)鍵。4.簡述生物質(zhì)能源在替代化石能源、改善環(huán)境方面的主要優(yōu)勢。答：主要優(yōu)勢包括：生物質(zhì)是可再生能源，資源豐富，可持續(xù)利用；生物質(zhì)能源利用過程（特別是燃燒和生物轉(zhuǎn)化）的二氧化碳排放量低于其生長過程中吸收的量，具有碳中性和碳減排潛力；可以有效利用農(nóng)業(yè)廢棄物、林業(yè)廢料和城市有機垃圾等廢棄物，變廢為寶，減少環(huán)境污染和資源浪費；有助于能源結(jié)構(gòu)多元化，提高能源自給率。5.提出生物質(zhì)能源發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)之一，并簡述應(yīng)對策略。答：主要挑戰(zhàn)之一是成本較高。原因包括：原料收集和運輸成本高、轉(zhuǎn)化技術(shù)效率有待提高、規(guī)?；瘧?yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資大等。應(yīng)對策略包括：研發(fā)更高效、低成本的轉(zhuǎn)化技術(shù)（如酶解、催化劑）；優(yōu)化原料預(yù)處理工藝；建立區(qū)域性的生物質(zhì)收集利用體系，提高原料利用效率；政府通過政策扶持（如補貼、稅收優(yōu)惠）降低成本，推動產(chǎn)業(yè)化發(fā)展；加強跨學(xué)科合作，提升技術(shù)水平。四、計算題某生物質(zhì)樣品經(jīng)熱解實驗，得到生物油、生物炭和水蒸氣。干基分析結(jié)果如下：纖維素含量45%，半纖維素含量30%，木質(zhì)素含量25%。假設(shè)纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的元素組成（干基）分別為：纖維素(C43.3%,H6.2%,O50.5%)；半纖維素(C41.3%,H6.7%,O51.0%)；木質(zhì)素(C51.0%,H6.2%,O42.8%)。假設(shè)熱解過程中各組分完全轉(zhuǎn)化，且碳元素分配如下：生物油碳收率25%，生物炭碳收率35%，其余碳元素以CO、CO2和H2等氣體形式損失。計算該生物質(zhì)樣品熱解產(chǎn)生的生物油的碳含量（干基）和氫含量（干基）分別是多少？解析思路：1.計算各組分對生物油、生物炭、氣體產(chǎn)物碳含量的貢獻。2.根據(jù)碳收率計算生物油的碳含量。3.根據(jù)生物油的元素組成（碳氫）計算氫含量。解：1.計算各組分的碳、氫含量：纖維素：C=0.433,H=0.062半纖維素：C=0.413,H=0.067木質(zhì)素：C=0.510,H=0.0622.計算生物質(zhì)樣品中各元素的總質(zhì)量分數(shù)：C總=0.45*0.433+0.30*0.413+0.25*0.510=0.19485+0.1239+0.1275=0.44625H總=0.45*0.062+0.30*0.067+0.25*0.062=0.0279+0.0201+0.0155=0.06353.計算熱解后氣體產(chǎn)物中碳的比例：碳總收率=碳收率(生物油)+碳收率(生物炭)=0.25+0.35=0.60氣體產(chǎn)物碳比例=1-碳總收率=1-0.60=0.40即，碳元素有40%轉(zhuǎn)化為了CO、CO2、H2等氣體。4.計算生物油的碳含量：生物油碳含量（干基）=(原料總碳*碳收率(生物油))/(原料總碳*碳收率(生物油)+原料總碳*碳收率(生物炭)+原料總碳*氣體產(chǎn)物碳比例)=(0.44625*0.25)/(0.44625*0.25+0.44625*0.35+0.44625*0.40)=0.1115625/(0.1115625+0.1561875+0.1785)=0.1115625/0.44625=0.25(或25%)答：生物油的碳含量（干基）為25%。5.計算生物油的氫含量：生物油中氫的質(zhì)量分數(shù)=原料總氫=0.0635生物油氫含量（干基）=(原料總氫*碳收率(生物油))/(原料總碳*碳收率(生物油)+原料總碳*碳收率(生物炭)+原料總碳*氣體產(chǎn)物碳比例)=(0.0635*0.25)/0.44625=0.015875/0.44625=0.035714...(約)=3.57%(保留兩位小數(shù))答：生物油的氫含量（干基）為3.57%。五、論述題結(jié)合當前能源轉(zhuǎn)型和碳中和目標，論述發(fā)展生物質(zhì)能源的重要性及其在能源結(jié)構(gòu)中的潛在角色和面臨的機遇與挑戰(zhàn)。答：在應(yīng)對全球氣候變化和推動能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的背景下，發(fā)展生物質(zhì)能源具有重要的戰(zhàn)略意義。重要性：首先，生物質(zhì)能源是可再生能源的重要組成部分，具有資源無限、本土化分布廣泛的特點，有助于保障能源安全，減少對化石能源的依賴。其次，生物質(zhì)能源利用過程通常具有碳中性特點，通過利用生物質(zhì)生長過程中吸收的二氧化碳，可以在一定程度上減緩全球變暖，是實現(xiàn)碳中和目標的有效途徑之一。此外，發(fā)展生物質(zhì)能源能有效處理農(nóng)業(yè)、林業(yè)和城市有機廢棄物，變廢為寶，減少環(huán)境污染，促進循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展。潛在角色：生物質(zhì)能源在能源結(jié)構(gòu)中可扮演多元化、清潔化的角色。它可以作為發(fā)電、供熱和交通燃料的補充，特別是在農(nóng)村地區(qū)和特定行業(yè)（如水泥、鋼鐵等）具有應(yīng)用優(yōu)勢。生物質(zhì)基化學(xué)品和材料的發(fā)展，則能推動化工行業(yè)向綠色化轉(zhuǎn)型。在交通領(lǐng)域，生物乙醇、生物柴油等可作為汽油、柴油的替代或調(diào)和組分，減少交通運輸碳排放。機遇：當前，全球?qū)沙掷m(xù)發(fā)展和碳中和的共識日益增強，為生物質(zhì)能源發(fā)展提供了良好的政策環(huán)境和社會氛圍。科技進步，如高效轉(zhuǎn)化技術(shù)（如酶解、先進催化、微生物發(fā)酵）、智能化收集物流體系、與碳捕集利用與封存（CCUS）技術(shù)結(jié)合等，為降低成本、提高效率提供了可能。規(guī)模化應(yīng)用和市場拓展也帶來了巨大的發(fā)展?jié)摿?。挑?zhàn)：生物質(zhì)能源發(fā)展仍面臨諸多挑戰(zhàn)。一是成本問題，相比化石能源，生物質(zhì)能源的收集、運輸、轉(zhuǎn)化成本仍然較高，經(jīng)濟性有待