2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——生物質(zhì)能化學(xué)轉(zhuǎn)化與利用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每題3分，共15分）1.生物質(zhì)能2.生物質(zhì)熱解3.快速熱解4.生物質(zhì)氣化5.生物柴油二、填空題（每空1分，共20分）1.生物質(zhì)主要由________、________和________組成。2.生物質(zhì)熱解通常在________氣氛下進(jìn)行，主要產(chǎn)物包括生物油、炭和水煤氣。3.生物質(zhì)氣化技術(shù)可以將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為富含________和________的合成氣。4.生物質(zhì)液化技術(shù)根據(jù)反應(yīng)介質(zhì)不同，主要分為________液化和________液化。5.用于催化生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的催化劑，根據(jù)相態(tài)不同，主要分為________催化劑和________催化劑。6.生物柴油的主要成分是________與長(zhǎng)鏈脂肪酸甲酯的混合物。7.沼氣的主要成分是________，通常含甲烷約為________%。8.影響生物質(zhì)熱解過程的主要因素包括原料性質(zhì)、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間和________。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述生物質(zhì)熱解和氣化在產(chǎn)物組成上的主要區(qū)別。2.與傳統(tǒng)化石燃料相比，生物質(zhì)能利用具有哪些優(yōu)勢(shì)？3.生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化通常面臨哪些挑戰(zhàn)？4.簡(jiǎn)述厭氧消化技術(shù)將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為沼氣的基本原理。四、論述題（每題10分，共30分）1.論述提高生物質(zhì)熱解生物油產(chǎn)率和質(zhì)量的途徑。2.比較生物質(zhì)氣化技術(shù)和液化技術(shù)在產(chǎn)物多樣性、能量密度和環(huán)境影響方面的差異。3.結(jié)合當(dāng)前能源和環(huán)境問題，論述發(fā)展生物質(zhì)能化學(xué)轉(zhuǎn)化的意義和面臨的挑戰(zhàn)。五、計(jì)算題（每題10分，共20分）1.某生物質(zhì)樣品經(jīng)快速熱解實(shí)驗(yàn)，得到生物油質(zhì)量為15克，炭質(zhì)量為25克，水蒸氣質(zhì)量為5克，未轉(zhuǎn)化原料殘留為5克。假設(shè)系統(tǒng)總水汽化率為0.1（即反應(yīng)消耗了0.1倍于原料質(zhì)量的理想水蒸氣），試估算該生物質(zhì)樣品的原始質(zhì)量，并計(jì)算生物油產(chǎn)率和炭產(chǎn)率。（注：計(jì)算中可假設(shè)原料元素組成大致為C:50wt%,H:6wt%,O:44wt%,N:0.5wt%，且所有氫原子最終轉(zhuǎn)化為生物油中的氫或水蒸氣）。2.某生物質(zhì)氣化爐產(chǎn)生的水煤氣（主要成分為CO和H2）流量為100標(biāo)米3/小時(shí)（標(biāo)準(zhǔn)狀況下）。已知該水煤氣中CO體積分?jǐn)?shù)為30%，H2體積分?jǐn)?shù)為60%，CO2體積分?jǐn)?shù)為5%，N2體積分?jǐn)?shù)為5%。試計(jì)算：（1）每小時(shí)產(chǎn)生的CO、H2、CO2和N2的質(zhì)量各為多少千克？（2）該水煤氣的碳?xì)浔葹槎嗌伲柋龋?？試卷答案一、名詞解釋1.生物質(zhì)能：指蘊(yùn)藏在生物質(zhì)中的能量，是太陽能以化學(xué)能形式儲(chǔ)存在生物質(zhì)中的直接體現(xiàn)，是一種可再生能源。2.生物質(zhì)熱解：指在無氧或低氧條件下，生物質(zhì)高溫?zé)岱纸獾幕瘜W(xué)過程，主要生成生物油、生物炭和燃?xì)狻?.快速熱解：指在高溫（通常700-1000°C）和極短停留時(shí)間（秒級(jí)）條件下進(jìn)行的生物質(zhì)熱解過程，旨在最大化生物油產(chǎn)率。4.生物質(zhì)氣化：指在高溫（通常600-1200°C）和水蒸氣或空氣存在下，生物質(zhì)部分氧化轉(zhuǎn)化為一氧化碳、氫氣等氣態(tài)產(chǎn)物的化學(xué)過程。5.生物柴油：指將植物油、動(dòng)物脂肪或廢棄油脂等原料與短鏈醇（主要是甲醇）進(jìn)行酯交換反應(yīng)，生成的脂肪酸甲酯類燃料。二、填空題1.碳水化合物，含氮有機(jī)物，無機(jī)物2.缺氧，合成氣（或CO+H2）3.合成氣（或CO+H2），生物油（或生物湯）4.醇，費(fèi)托5.固體，液體（或漿料）6.脂肪酸甲酯7.甲烷，60-708.反應(yīng)氣氛（或壓力）三、簡(jiǎn)答題1.生物質(zhì)熱解主要在缺氧條件下進(jìn)行，產(chǎn)物中以液態(tài)生物油為主，同時(shí)產(chǎn)生生物炭和燃?xì)狻Ｉ镉统煞謴?fù)雜，含氧量高，類似生物湯。生物質(zhì)氣化通常在高溫和水蒸氣或空氣存在下進(jìn)行，主要產(chǎn)物是富含CO和H2的合成氣，同時(shí)產(chǎn)生生物炭和少量生物油或焦油。2.生物質(zhì)能利用的優(yōu)勢(shì)包括：可再生能源，減少對(duì)化石燃料的依賴；資源豐富，分布廣泛；環(huán)境友好，碳中性或負(fù)排放；促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。3.生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化面臨的挑戰(zhàn)包括：生物質(zhì)原料成分復(fù)雜、性質(zhì)多樣且含水量高，對(duì)催化劑造成污染和中毒；反應(yīng)條件苛刻，易副產(chǎn)焦油等有害物質(zhì)，影響催化劑活性和選擇性；催化劑的成本、壽命、易回收性及規(guī)模化應(yīng)用等。4.厭氧消化是利用特定微生物在無氧或微氧條件下，將有機(jī)生物質(zhì)（如糞便、污水污泥、有機(jī)廢棄物）分解，產(chǎn)生沼氣（主要含甲烷和二氧化碳）和消化液的過程。主要階段包括水解、發(fā)酵（產(chǎn)酸）和甲烷化。四、論述題1.提高生物質(zhì)熱解生物油產(chǎn)率和質(zhì)量的途徑：優(yōu)化熱解工藝參數(shù)，如采用較低的溫度、較短的停留時(shí)間和合適的惰性氣氛，以抑制過度炭化和焦油裂解；預(yù)處理原料，如干燥、粉碎、去灰分，以改善熱解行為；使用添加劑或催化劑，如堿土金屬化合物，以促進(jìn)脫水、脫氧，降低焦油生成，提高生物油質(zhì)量；開發(fā)新型反應(yīng)器，如微通道反應(yīng)器，提高熱傳遞效率，實(shí)現(xiàn)均勻加熱。2.生物質(zhì)氣化技術(shù)與液化技術(shù)比較：*產(chǎn)物多樣性：氣化產(chǎn)物主要是合成氣（CO+H2），相對(duì)單一；液化產(chǎn)物包括生物油（熱解油）、生物甲醇、生物燃料乙醇、費(fèi)托合成油等，產(chǎn)物種類更多樣。*能量密度：氣化產(chǎn)物是氣體，易于輸送和混合，但熱值相對(duì)生物油較低；液化產(chǎn)物（特別是生物柴油、生物汽油）是液體，能量密度高，與化石燃料使用兼容性好。*環(huán)境影響：氣化過程可能產(chǎn)生較多焦油和污染物（如NOx），需要后續(xù)凈化；液化過程（特別是費(fèi)托合成、甲醇制油）可能涉及復(fù)雜工藝和催化劑，環(huán)境影響需綜合評(píng)估。生物油液化通常比直接燃燒生物質(zhì)更清潔。*技術(shù)成熟度：氣化技術(shù)相對(duì)成熟，已有多套工業(yè)示范裝置；液化技術(shù)（特別是費(fèi)托合成、生物柴油）仍處于發(fā)展和商業(yè)化階段。3.發(fā)展生物質(zhì)能化學(xué)轉(zhuǎn)化的意義和面臨的挑戰(zhàn)：*意義：生物質(zhì)能化學(xué)轉(zhuǎn)化可以將結(jié)構(gòu)復(fù)雜的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高價(jià)值的液體燃料（生物柴油、生物汽油）或化學(xué)品，提高能源利用效率；有助于減少溫室氣體排放和空氣污染物，改善環(huán)境質(zhì)量；促進(jìn)生物基材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)利用；緩解化石能源壓力，保障國(guó)家能源安全。*面臨的挑戰(zhàn)：原料預(yù)處理成本高，效率有待提高；催化劑成本高、壽命短、易失活；部分轉(zhuǎn)化過程（如費(fèi)托合成、生物柴油酯交換）能耗高、選擇性控制難；規(guī)?；瘧?yīng)用的經(jīng)濟(jì)性有待改善；技術(shù)集成和工程化水平需進(jìn)一步提升；政策支持和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系尚不完善。五、計(jì)算題1.解：設(shè)原料原始質(zhì)量為m_g。*熱解產(chǎn)物總質(zhì)量=生物油+炭+水蒸氣+未轉(zhuǎn)化原料=15+25+5+5=50g。*根據(jù)水汽化率定義：消耗水蒸氣質(zhì)量=原料質(zhì)量*水汽化率=m_g*0.1。*系統(tǒng)中水的來源是原料本身含有的水和反應(yīng)消耗的水。設(shè)原料中氫元素100%轉(zhuǎn)化為生物油（簡(jiǎn)化模型）。原料氫質(zhì)量=m_g*6%/(12*1+1*6+16*44+14*0.5)=m_g*0.06/90.7≈0.00066m_g。生物油中氫質(zhì)量=15g*6%/(12*8+1*6+16*2)=15*0.06/122≈0.00738g。水蒸氣中氫質(zhì)量=水蒸氣質(zhì)量*(2/18)=5g*(1/9)≈0.556g。根據(jù)氫守恒（簡(jiǎn)化）：原料氫≈生物油氫+水蒸氣氫，即0.00066m_g≈0.00738g+0.556g=0.56338g。m_g≈0.56338g/0.00066≈855g。*原始原料質(zhì)量估算為855g。*生物油產(chǎn)率=(生物油質(zhì)量/原料原始質(zhì)量)*100%=(15g/855g)*100%≈1.76%。*炭產(chǎn)率=(炭質(zhì)量/原料原始質(zhì)量)*100%=(25g/855g)*100%≈2.93%。**注：此計(jì)算基于簡(jiǎn)化假設(shè)，實(shí)際計(jì)算需更精確的元素分析和物料衡算。*2.解：標(biāo)準(zhǔn)狀況下，1mol氣體體積為22.4L。*(1)各組分摩爾流量：n_CO=(100m3/h*30%)/22.4L/mol≈13.39mol/h。n_H2=(100m3/h*60%)/22.4L/mol≈26.79mol/h。n_CO2=(100m3/h*5%)/22.4L/mol≈2.23mol/h。n_N2=(100m3/h*5%)/22.4L/mol≈2.23mol/h。*各組分質(zhì)量流量：m_CO=n_CO*M_CO=13.39mol/h*28g/mol≈375.3g/h。m_H2=n_H2*M_H2=26.79mol/h*2g/mol≈53.6g/h。m_CO2=n_CO2*M_CO2=2.23mol/h*44g/mol≈98.1g/h。m_N2=n_N2*M_N2=2.23mol/h*28g/mol≈62.2g/h。*(2)碳?xì)浔龋柋龋合到y(tǒng)中