生物质转化技术复习资料

1. 能源：可再生能源与不可再生能源；清洁能源：风能、太阳能、水能等。

生物质能：是直接或间接地通过绿色植物的光合作用，把太阳能转化为化学能的形式固定和储存在生物体内的能量。

生物质是指利用大气、水、土地等通过光合作用而产生的各种有机体，即一切有生命的可以生长的有机物质通称为生物质。

它包括植物、动物和微生物。

广义概念：生物质包括所有的植物、微生物以及以植物、微生物为食物的动物及其生产的废弃物。

有代表性的生物质如农作物、农作物废弃物、木材、木材废弃物和动物粪便。

狭义概念：生物质主要是指农林业生产过程中除粮食、果实以外的秸秆、树木等木质纤维素、农产品加工业下脚料、农林废弃物及畜牧业生产过程中的禽畜粪便和废弃物等物质。

特点：可再生性。

低污染性。

广泛分布性。

2. 生物质主要化学组成有纤维素、半纤维素和木质素以及少量的灰分和提取物。

纤维素：是由β-D-葡萄糖基通过1，4-β糖苷键连接起来的线型高分子化合物，半纤维素：是由几种不同类型的单糖构成的异质多聚体，这些糖是五碳糖和六碳糖，包括木糖、阿拉伯糖和半乳糖等。

木质素：是苯丙烷类结构单元通过碳-碳键和氧桥键连接而成的的无定型且具有网状结构的芳香族聚合物，半纤维素热性质最不稳定，因为半纤维素有支链结构木质素具有芳环结构，碳元素含量高，因此热稳定性高，热值高热解产物：挥发分；焦炭水解产物：3. 生物质压缩成型：p31-33影响成型的因素：温度、水分、颗粒大小、成型压力、原料种类生物质压缩成型技术按成型加压的方法分，螺旋挤压式、活塞冲压式、辊模碾压式辊模碾压式采用湿压（冷压）成型工艺，螺旋挤压式、活塞冲压式采用热压成型工艺工艺：常温湿压成型、热压成型、炭化成型、冷压成型。

成型燃料燃烧和散状燃烧有什么不同？p41典型热压成型工艺流程：生物质原料→粉碎→干燥→成型→冷却→筛分→包装4. 生物质直接燃烧：秸秆、垃圾等生物质完全燃烧，产生的热量主要用于发电或集中供热生物质燃料燃烧过程p54：1.预热干燥阶段；2.热分解阶段；3.挥发分燃烧阶段；4.固定碳燃烧阶段；5.燃尽阶段。

热分解阶段：即挥发分析出阶段。

半纤维素、纤维素和木质素分解析出挥发分，析出的速度随着时间的增加按指数函数规律递减。

起初析出速度很快，较迅速地析出挥发分的70~80%。

挥发分燃烧阶段：挥发分开始着火的温度称为着火温度。

挥发分中的可燃气体着火燃烧，释放出大量的热能，使气体不断向上流动，边流动边反应形成扩散式火焰。

固定碳燃烧阶段：挥发分燃烧快要终了时，达到固定碳的着火温度后固定碳开始燃烧。

燃尽阶段：灰分不断产生，包裹未燃尽的炭粒。

燃烧过程的特点：足够的空气供给量；足够的燃烧空间和时间着火容易，燃尽困难；燃烧温度低；碱金属和氯腐蚀问题突出。

过量空气系数：为使燃料燃尽，实际供给的空气量总是要大于理论空气量，实际空气量V与理论空气量V0之比为过量空气系数α，理论空气量：1Kg燃料完全燃烧所需的干空气量，V0（m3/Kg）。

可根据生物质燃料中可燃元素（C、H、S）燃烧时所需要的氧气量扣掉燃料自身所含的氧求得。

过量空气系数是控制燃烧工况和影响燃料利用经济性的重要指标。

α偏大，虽燃烧完全，但会降低炉膛温度，影响燃烧及增大排烟损失；α偏小，使燃烧不完全，损失增大。

发电原料主要包括：典型生物质（农林废弃物、秸秆）直燃发电、生活垃圾焚烧发电成型燃烧燃烧特点：着火温度升高；燃烧速度适中，有利于传热，炭骨架形成层状燃烧核心燃烧稳定燃烧技术：层燃技术，流化床技术5、生物质热解是指生物质在完全没有氧或缺氧条件下热降解，最终生成生物油、木炭和可燃气体的过程。

三种产物的比例取决于热裂解工艺和反应条件。

低温慢速热裂解(小于500℃)，产物以木炭为主；高温闪速热裂解(700~1100℃ )，产物以可燃气体为主；中温快速热裂解(500~650℃)，产物以生物油为主。

半纤维素主要在225~350℃分解，纤维素主要在325~375℃分解，木质素在250~500℃分解。

半纤维素和纤维素主要产生挥发性物质，而木质素主要分解为炭。

热解机理p62：生物质热解制炭：慢速热解有限的供给少量氧, 产品：生物质炭、木焦油、木醋液、热解气生物炭无论在低温或高温下，都有稳定的化学性质。

由于在炭化过程中非碳元素分解，会在炭化后的预制体中形成很多孔洞，其表面积很大，其次是比重轻（小于2.0 g/cm3）。

因此具有较强吸附能力和反应能力。

木炭用途：工业方面：用于冶金工业：冶铁，用于有色金属生产中的表面助熔剂；晶体硅的生产：高品质还原剂；制造渗碳剂；制造二硫化碳；用作燃料：木炭具有低挥发分、高热值、燃烧完全、燃烧过程清洁的突出优点。

农业方面：快速热裂解液化制油：中温（500~650℃）、高加热速率（102~104℃/s）、极短气体停留时间（<2s）、产物经快速冷却（通常在0.5s内急冷到350℃以下）；6.生物质气化是指以生物质为原料，以氧、空气、水蒸汽或氢等作为气化剂，在高温条件下通过热化学反应将生物质中的可燃部分转化成可燃气的过程。

气化气主要可燃成份为一氧化碳、氢气、乙烯、甲烷等，气化炉空气气化氧气气化水蒸气气化氢气气化气化剂空气氧气水蒸气氢气热值kJ/m3 4200~7560 10902~18900 22260~26040特点设备简单，自无N2，热值高，热值高，外高质气，需氢供热，热值低高效供热源气，高压高温用途锅炉、干燥合成燃料、合成氨热源、管网气化炉：固定床（上吸式、下吸式、横流式、开心式）p88流化床（鼓泡流化床、循环流化床、双流化床携带床气化炉）焦油含量大体为：上吸式＞下吸式＞流化床；灰分含量大体为：上吸式＜下吸式＜流化床。

上吸式气化器：从上到下，干燥层、热解层、还原层、氧化层、灰室优点:1、气化效率高，热解层与干燥层利用了还原反应后气体的余热；底层为氧化层，利于固体燃料完全燃烧。

2、燃气热值高（热解产物混入可燃气体）缺点:焦油含量高下吸式气化器：干燥层、热解层、氧化层、还原层、灰室优点：燃气焦油含量低缺点：气流下行方向与热气流升力相反，使风机功耗增加；可燃气须经过灰层和储灰室吸出，灰分较高；气体经高温层流出，出炉温度较高。

因此不适于水分大、灰分高且易熔结的物料。

鼓泡流化床：流化速度较低，适用于颗粒度较大物料的气化，一般需增加热载体。

较适合大中型气化系统。

循环流化床：优点：动力学条件好，气化速度快、燃气得率高、焦油含量少。

适用于颗粒度较小物料的气化。

缺点：灰分高、设备复杂、投资大。

双流化床：把燃烧和气化过程分开，是单床和循环的结合，两床之间靠热载体传热，碳转化率较高。

当量比：自供热系统中，单位生物质气化的空气消耗量与其完全燃烧时所需理论空气量之比。

一般当量比φ=0.25~0.3 为宜。

此时燃气成分较好。

当量比不仅直接决定了生物质进料速率与气化剂供给速率之间的匹配关系，而且还间接决定了气化反应器内的温度和压力以及气化气体的热值和气体组分等。

气化炉输出功率：单位时间产出的（燃气）热能。

等于燃气产率与其热值之积。

功率 = 燃气产率[m3/h] × 热值[kJ/m3] 国际标准单位MW。

流化床＞下吸式＞上吸式。

生物质气化发电工艺流程：原料的预处理、气化、净化生物质热电联供：气体燃料通过内燃机或燃气轮机燃烧发电的同时，利用做过功的低品位余热向用户供热，提高生物质发电的综合效益。

焦油的脱除：焦油的产生、危害及方法水洗、干式过滤、静电捕捉、催化裂解。

生物质气化燃气的用途：气化发电、制氢、合成液体燃料（甲醇、二甲醚、柴油）、合成天然气7. 直接液化包括快速热解、高压直接液化8. 沼气：有机物在厌氧和其他适宜条件下，经沼气微生物分解化解，产生以甲烷和二氧化碳为主体的混合气体。

主要成分是甲烷、二氧化碳，还有少量的氮气、氢、氧、氨、一氧化碳、硫化氢等气体。

原料：农作物桔杆和废弃物、木质废料、甘蔗渣、畜禽养殖厂粪便、酒糟以及有机物含量高的化工制药和食品工业污水。

淀粉：葡萄糖通过糖苷键结合形成的聚合物；沼气发酵原理：水解阶段、产氢产酸阶段、产甲烷阶段。

发酵（水解）菌群：复杂有机物如纤维素、蛋白质、脂类等不能溶解于水,必须首选被发酵性细菌所分泌的胞外酶水解为可溶性糖类、肽、氨基酸和脂肪酸后，才能为微生物所利用。

发酵性细菌将上述可溶性物质吸收进细胞内，经发酵分解，将它们转化为乙酸、丙酸、丁酸等和醇类及一定量H2、CO2。

产氢产乙酸菌群：第一阶段水解产生的有机酸、醇类，除乙酸、甲酸、甲醇外均不能被产甲烷菌利用，必须由产氢产乙酸菌将其转化为乙酸、氢和二氧化碳厌氧耗氢产乙酸菌群: 耗氢产乙酸菌生长速度慢，在沼气发酵过程中的作用可能并不重要。

产甲烷菌群: 在严格的厌氧条件下，产甲烷细菌能将发酵性细菌、产氢产乙酸菌和耗氢产乙酸菌的终产物（乙酸、氢和二氧化碳）转化为甲烷、二氧化碳和水。

在生理上高度专化。

产甲烷菌的特点：在生理上高度专业化，要求严格厌氧，食物简单，生长pH值为中性范围，生长缓慢。

厌氧发酵的条件（1）严格的厌氧环境厌氧条件下氧化还原电位是负值，一般低于-300 mV。

（2）发酵温度46-60℃高温发酵；25-45℃中温发酵；随自然界温度变化而变化是常温发酵。

高温发酵产气率比中温发酵高常温发酵，若使沼气发酵常年稳定运行，必须采取增温保湿措施。

（3）发酵原料；富氮原料、富碳原料（4）料液浓度① 浓度太低时，即含水量太多，有机物含量相对减少，会降低沼气池单位容积中的沼气产量② 浓度太高时，即含水量太少，不利于沼气细菌的活动，发酵料液不易分解，使沼气发酵受到阻碍，产气慢而少。

（5）发酵碱度：最适pH值：6.5～7.5 5.5以下产甲烷菌完全受抑制一个正常发酵的沼气池一般不需要调节PH，靠其自动调节就可以达到平衡。

（6）接种物：菌种富集和培养：（7）搅拌搅拌的目的是使发酵原料分布均匀，增加沼气微生物与原料的接触面，加快发酵速度，提高产气量。

同时也可防止大量原料浮渣结壳，致使原料利用率降低，使产生的沼气释放困难。

搅拌的方法有三种:(1)机械搅拌适合小型沼气池 (2)气搅拌 (3)液搅拌适合大中型沼气池沼气发酵产物包括沼气、沼液、沼渣（简称“三沼”）。

沼气：燃烧供能、二氧化碳施肥、沼气供热孵化、沼气储粮、保鲜水果、蔬菜、猪舍消毒灭菌、仔猪舍供暖加温沼液主要用途：农作物浸种、果蔬叶面施肥、防治病虫害、饲料添加剂：猪、鱼、鸡沼渣：土壤改良剂、农作物基肥和追肥、配制花卉和蔬菜育苗土、养殖蚯蚓、黄鳝等栽培食用菌9. 制燃料乙醇原料（1）糖类（小分子糖）：甘蔗、甜菜、糖蜜；（2）淀粉质：甘薯、木薯、马铃薯、玉米、高粱、小麦、陈化粮等；（3）纤维素原料：最有潜力的乙醇生产原料，主要有农作物秸秆、林业废弃物、甘蔗渣、城市固体废弃物。

（4）其它原料：如造纸厂的硫酸盐纸浆废液、淀粉厂的甘薯淀粉渣和马铃薯淀粉渣、奶酪工业的副产品等。