1、生物圈與生物質(zhì)能,生命物質(zhì)、生物生成性物質(zhì)、生物惰性物質(zhì),生物圈存在的4個(gè)基本條件,生物質(zhì)能,生物質(zhì)包括植物、動(dòng)物及其排泄物、垃圾及有機(jī)廢水等幾大類。（生物質(zhì)是有機(jī)物質(zhì)） 植物通過光合作用而將太陽能以生物質(zhì)形式儲(chǔ)存為生物化學(xué)能 實(shí)際上就是固碳過程，所以生物質(zhì)能是太陽能的 一種,生物質(zhì)能優(yōu)勢,生物質(zhì)能是唯一能大規(guī)模替代石油燃料的能源產(chǎn)品，而水能、風(fēng)能、太陽能、核能及其他新能源只適用于發(fā)電和供熱。 生物質(zhì)能的“物質(zhì)性”，可以像石油和煤炭那樣生產(chǎn)塑料、纖維等各種材料以及化工原料等物質(zhì)性的產(chǎn)品，形成龐大的生物化工生產(chǎn)體系。這是其他可再生能源和新能源不可能做到的,生物燃料具有對原油價(jià)格的“抑制性”。生物

2、燃料將使“原油”生產(chǎn)國從目前的20個(gè)增加到200個(gè)，通過自主生產(chǎn)燃料，抑制進(jìn)口石油價(jià)格，并減少進(jìn)口石油花費(fèi)，使更多的資金能用于改善人民生活。,生物質(zhì)能的載體是有機(jī)物，所以這種能源是以實(shí)物的形式存在的，是唯一一種可儲(chǔ)存和可運(yùn)輸?shù)目稍偕茉?。而且它分布最廣, 不受天氣和自然條件的限制，只要有生命的地方即有生物質(zhì)存在。 從化學(xué)的角度上看，生物質(zhì)的組成是C-H化合物，它與常規(guī)的礦物燃料，如石油、煤等是同類。由于煤和石油都是生物質(zhì)經(jīng)過長期轉(zhuǎn)換而來的，所以生物質(zhì)是礦物燃料的始祖，被喻為即時(shí)利用的綠色煤炭。正因?yàn)檫@樣，生物質(zhì)的特性和利用方式與礦物燃料有很大的相似性，可以充分利用已經(jīng)發(fā)展起來的常規(guī)能源技術(shù)開發(fā)

3、利用生物質(zhì)能。,(1)玉米脫胚制漿 玉米經(jīng)水或酒糟離心清液在一定溫度下進(jìn)行浸泡, 浸泡后的玉米經(jīng)破碎, 分離出胚芽。脫胚后的玉米淀粉漿含有淀粉、蛋白質(zhì)和纖維等物質(zhì)送人液化工段,(2)液化、糖化和發(fā)酵 淀粉在高溫下糊化, 物料的粘度降低, 這一過程 稱為液化。液化后的醒液稱為液化醪。液化醪加人糖化酶進(jìn)行糖化。糖化的目的是將液化醪中的淀粉水解成酵母能發(fā)酵的糖類主要是單糖及部分二糖及三糖, 如葡萄糖、麥芽糖、蔗糖等, 糖化后的醪液稱為糖化醪。通過酵母對糖化醪進(jìn)行連續(xù)發(fā)酵。在發(fā)酵過程中, 酵母將糖轉(zhuǎn)化成乙醇和CO2, 同時(shí)釋放出熱量。,燃料乙醇至今已有30多年的發(fā)展歷史，上世紀(jì)70 年代，巴西利用甘蔗

4、、美國利用玉米分別制造出了燃料乙醇。目前，全球有近3000 萬噸的燃料乙醇年產(chǎn)規(guī)模，預(yù)計(jì)2010年將達(dá)到5000 萬噸。并且，玉米已成為燃料乙醇最主要的原料，數(shù)據(jù)顯示，2001 年國內(nèi)酒精原料中玉米所占的比重為59%，到2005 年已經(jīng)上升為76%。據(jù)專家介紹，我國 生物質(zhì)能源十分豐富，開發(fā)生物質(zhì)能源潛力巨大，其中燃料乙醇是發(fā)展生物質(zhì)能源的首選產(chǎn)品。,在玉米轉(zhuǎn)化為乙醇的過程中，能量轉(zhuǎn)化的效率是否足夠高？ 轉(zhuǎn)化技術(shù)是否已經(jīng)成熟并可以投入大規(guī)模生產(chǎn)中？ 乙醇燃料是不是真的環(huán)保？而且玉米的產(chǎn)量是不是足夠？ 作為一種糧食作物，玉米過多地用于能源生產(chǎn)上勢必會(huì)造成更加嚴(yán)重的饑餓問題。,生物質(zhì)熱解,生物質(zhì)熱

5、解是指生物質(zhì)在沒有氧化劑（空氣、氧氣、水蒸氣等）存在或只提供有限氧的條件下，加熱到逾500，通過熱化學(xué)反應(yīng)將生物質(zhì)大分子物質(zhì)（木質(zhì)素、纖維素和半纖維素）分解成較小分子的燃料物質(zhì)（固態(tài)炭、可燃?xì)?、生物油）的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)方法。生物質(zhì)熱解的燃料能源轉(zhuǎn)化率可達(dá)95.5%，最大限度的將生物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化為能源產(chǎn)品，物盡其用。,從化學(xué)反應(yīng)的角度對其進(jìn)行分析， 生物質(zhì)在熱解過程中發(fā)生了復(fù)雜的熱化學(xué)反應(yīng)，包括分子鍵斷裂、異構(gòu)化和小分子聚合等反應(yīng)。木材、林業(yè)廢棄物和農(nóng)作物廢棄物等的主要成分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素。熱重分析結(jié)果表明，纖維素在52時(shí)開始熱解，隨著溫度的升高，熱解反應(yīng)速度加快，到350370時(shí)，分解

6、為低分子產(chǎn)物。,從物質(zhì)遷移、能量傳遞的角度對其進(jìn)行分析，在生物質(zhì)熱解過程中，熱量首先傳遞到顆粒表面，再由表面?zhèn)鞯筋w粒內(nèi)部。熱解過程由外至內(nèi)逐層進(jìn)行，生物質(zhì)顆粒被加熱的成分迅速裂解成木炭和揮發(fā)分。其中，揮發(fā)分由可冷凝氣體和不可冷凝氣體組成，可冷凝氣體經(jīng)過快速冷凝可以得到生物油。一次裂解反應(yīng)生成生物質(zhì)炭、一次生物油和不可冷凝氣體。,干燥階段（溫度為120150），生物質(zhì)中的水分進(jìn)行蒸發(fā)，物料的化學(xué)組成幾乎不變。 預(yù)熱解階段（溫度為150275），物料的熱反應(yīng)比較明顯，化學(xué)組成開始變化。上述兩個(gè)階段均為吸熱反應(yīng)階段。 固體分解階段（溫度為275475），熱解的主要階段，物料發(fā)生了各種復(fù)雜的物理、化學(xué)

7、反應(yīng)，產(chǎn)生大量的分解產(chǎn)物。這個(gè)階段要放出大量的熱。 煅燒階段（溫度為450500），為放熱階段。,熱解工藝及影響因素,熱解工藝類型 從對生物質(zhì)的加熱速率和完成反應(yīng)所用時(shí)間的角度來看，生物質(zhì)熱解工藝基本上可以分為兩種類型：一種是慢速熱解，一種是快速熱解。 根據(jù)工藝操作條件，生物質(zhì)熱解工藝又可分為慢速、快速和反應(yīng)性熱解三種。,慢速熱解（又稱干餾工藝、傳統(tǒng)熱解）工藝具有幾千年的歷史，是一種以生成木炭為目的的炭化過程，低溫干餾的加熱溫度為500580，中溫干餾溫度為660750， 高溫干餾的溫度為9001100。將木材放在窯內(nèi)，在隔絕空氣的情況下加熱，可以得到占原料質(zhì)量30%35%的木炭產(chǎn)量。,快速熱

8、解是將磨細(xì)的生物質(zhì)原料放在快速熱解裝置中，嚴(yán)格控制加熱速率（一般大致為10200/s）和反應(yīng)溫度（控制在500左右）， 生物質(zhì)原料在缺氧的情況下，被快速加熱到較高溫度，從而引發(fā)大分子的分解，產(chǎn)生了小分子氣體和可凝性揮發(fā)分以及少量焦炭產(chǎn)物。可凝性揮發(fā)分被快速冷卻成可流動(dòng)的液體，成為生物油或焦油，其比例一般可達(dá)原料質(zhì)量的40%60%。,為什么快速熱解會(huì)產(chǎn)生液態(tài)產(chǎn)物（生物油）？ 與慢速熱解相比，快速熱解的傳熱反應(yīng)過程發(fā)生在極短的時(shí)間內(nèi)，強(qiáng)烈的熱效應(yīng)直接產(chǎn)生熱解產(chǎn)物，再迅速淬冷，通常在0.5s內(nèi)急冷至350以下，最大限度地增加了液態(tài)產(chǎn)物（油）。,常規(guī)熱解是將生物質(zhì)原料放在常規(guī)的熱解裝置中，在低于600

9、的中等溫度及中等反應(yīng)速率（0.11/s）條件下，經(jīng)過幾個(gè)小時(shí)的熱解，得到占原料質(zhì)量的20%25%的生物質(zhì)炭及10%20%的生物油。,熱解影響因素,溫度 在生物質(zhì)熱解過程中，溫度是一個(gè)很重要的影響因素，生物質(zhì)熱解最終產(chǎn)物中氣、油、炭各占比例的多少，隨反應(yīng)溫度的高低和加熱速度的快慢有很大差異。 一般地說，低溫、長期滯留的慢速熱解主要用于最大限度地增加炭的產(chǎn)量，其質(zhì)量產(chǎn)率和能量產(chǎn)率分別達(dá)到30%和50%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。 溫度小于600的常規(guī)熱解時(shí)，采用中等反應(yīng)速率，生物油、不可凝氣體和炭的產(chǎn)率基本相等；閃速熱解溫度在500650范圍內(nèi)，主要用來增加生物油的產(chǎn)量，生物油產(chǎn)率可達(dá)80%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）；當(dāng)升溫

10、速率極快時(shí)，半纖維素和纖維素幾乎不生成炭。,生物質(zhì)材料的影響 生物質(zhì)種類、分子結(jié)構(gòu)、粒徑及形狀等特性對生物質(zhì)熱解行為和產(chǎn)物組成等有著重要的影響。由于木質(zhì)素較纖維素和半纖維素難分解，因而通常含木質(zhì)素多者焦炭產(chǎn)量較大；而半纖維素多者，焦炭產(chǎn)量較小。 生物質(zhì)粒徑的大小是影響熱解速率的決定性因素。粒徑在1mm以下時(shí)，熱解過程受反應(yīng)動(dòng)力學(xué)速率控制，而當(dāng)粒徑大于1mm時(shí)，熱解過程中還同時(shí)受到傳熱和傳質(zhì)現(xiàn)象的控制。大顆粒物料比小顆粒傳熱能力差，顆粒內(nèi)部升溫要遲緩，即大顆粒物料在低溫區(qū)的停留時(shí)間要長，從而對熱解產(chǎn)物的分布造成了影響。 隨著顆粒的粒徑的增大，熱解產(chǎn)物中固相炭的產(chǎn)量增大。從獲得更多生物油角度看，生

11、物質(zhì)顆粒的尺寸以小為宜,催化劑的影響 有關(guān)研究人員用不同的催化劑摻入生物質(zhì)熱解試驗(yàn)中，不同的催化劑起到不同的效果。如：堿金屬碳酸鹽能提高氣體、碳的產(chǎn)量，降低生物油的產(chǎn)量，而且能促進(jìn)原料中氫釋放，使空氣產(chǎn)物中的H2/CO增大,滯留時(shí)間 滯留時(shí)間在生物質(zhì)熱解反應(yīng)中有固相滯留時(shí)間和氣相滯留時(shí)間之分。固相滯留時(shí)間越短，熱解的固態(tài)產(chǎn)物所占的比例就越小，總的產(chǎn)物量越大，熱解越完全。 氣相滯留時(shí)間越長，生物油的二次裂解發(fā)生的就越嚴(yán)重，二次裂解反應(yīng)增多，放出H2、CH4、CO等，導(dǎo)致液態(tài)產(chǎn)物迅速減少，氣體產(chǎn)物增加。所以，為獲得最大生物油產(chǎn)量，應(yīng)縮短氣相滯留期，使揮發(fā)產(chǎn)物迅速離開反應(yīng)器，減少焦油二次裂解的時(shí)間。

12、,熱解技術(shù)研究現(xiàn)狀,與歐美一些國家相比，亞洲及我國對生物質(zhì)熱解的研究起步較晚。近十幾年來，廣州能源研究所生物質(zhì)能研究中心、浙江大學(xué)、東北林業(yè)大學(xué)等單位做了一些這方面的工作。 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部可再生能源重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室也長期進(jìn)行了生物質(zhì)熱解方面的研究。“YNO4型生物質(zhì)燃?xì)饷摻箼C(jī)” 結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，避免了二次污染，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，維護(hù)費(fèi)用低，經(jīng)濟(jì)效益顯著，適用于各類生物質(zhì)熱解氣化機(jī)組的配套及其商業(yè)化應(yīng)用，已于2001年11月通過省科技廳技術(shù)鑒定，并已在許昌機(jī)電廠投入批量生產(chǎn)。,生物質(zhì)熱解技術(shù)最初的研究主要集中在歐洲和北美。20世紀(jì)90年開始蓬勃發(fā)展，隨著試驗(yàn)規(guī)模大小的反應(yīng)裝置逐步完善，示范性和商業(yè)化運(yùn)行的熱解裝置也被不斷地開發(fā)和建造。歐洲一些著名的實(shí)驗(yàn)室和研究所開發(fā)出了許多重要的熱解技術(shù),傳統(tǒng)的熱解技術(shù)不適合濕生物質(zhì)的熱轉(zhuǎn)化。針對這個(gè)問題，歐洲很多國家己開始研究新的熱解技術(shù)，這就是Hydro Thermal Up