绿色化学能源工业的绿色化

第八章能源工业的绿色化

教教学目的：掌握生物质能的研究与开发；可再生能源与可持续发展；理解化石燃料清洁利用技术；清洁能源的开发利用。

教学重点和难点：生物质能的研究与开发；可再生能源与可持续发展；

教学环境：讲授

教学参考资料：见本教案第二页

教学过程

第一节化石燃料清洁利用技术

8.1.1 能源消耗对环境的影响

化石燃料（主要包括石油、天然气、煤等）是目前世界上使用的主要能源，其开采、加工、运输和燃烧耗用对环境都有较大的影响，主要表现如下：

1. 环境污染

化石燃料燃烧产生的污染物主要包括CO、CO2、SO2、H2S、NO X、CH3SH等，另外还包括飞灰、各种微量金属元素、放射性微粒、重金属Hg、Cd、Pb、Zn等。化石燃料燃烧（主要为煤炭燃烧）中所产生的SO2和NO2则是产生酸雨的主要原因。酸雨会以不同的方式影响人类健康和破坏生态系统，危害性极大，已成为全球面临的主要环境问题之一。

2. 温室效应

大气中除了氮气和氧气，还存在着一些微量气体，其中一些微量气体如水汽、CO2等对太阳短波辐射是透明的，而对长波辐射有很强的吸收能力，它们可以吸收地表发出的长波辐射，使一部分地面辐射的热量保留在大气层中，具有像温室一样的保温效果，被称为温室效应。由于CO2在大气中的含量比其他温室气体量大，因此成为目前最主要的温室气体。

温室效应造成的气温升高将会引起和加剧传染病流行，心脏病、高血压和与热有关的疾病发病率和死亡率也随着夏季高温天数的增加而加剧。CO2量的增加还将造成全球大气环流调整和气候带向极地扩展。包括我国北方在内的中纬度地区降水将减少，加上升温使蒸发加大，因此气候将趋干旱化。

8.1.2 煤炭的洁净燃烧与高效利用技术

煤炭是世界上最丰富的化石燃料资源，占世界化石燃料储量的92%，是除石油以外的世界第二大需求能源。煤的碳含量高，氢含量少（只有5%）。此外，还含有少量的氮、硫、

氧等元素以及无机矿物质。煤燃烧后排放的粉尘，SO2、NO x、CO、C x H y、CO2等气体对大气环境造成了严重污染和破坏。

20世纪80年代中期，洁净煤技术在美国兴起，洁净煤技术是指在煤炭开采、加工转化、燃烧和污染控制等方面减少污染和提高利用效率新技术的总称。洁净煤燃烧技术是国际上目前最先进的燃烧技术，该技术能够较好的解决环保问题和节能问题，发展和推广这一新技术，使之作为我国促进以煤为主的能源生产体系向资源节约和环境无害的可持续模式转变的关键战略措施之一，它是改变我国目前能源结构的主要措施，已受到国家的高度重视。

第二节生物质能源的研究与开发

生物质能是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内部的能量。生物质能包括自然界可用作能源用途的各种植物、人畜排泄物以及城乡有机废物转化成的能源，如沼气、生物柴油、林业加工废弃物、农作物秸秆、有机垃圾和其他野生植物等，它的能量始源于太阳能，是一种环境友好型、可再生的“绿色能源”。生物质能具有可再生、低污染、分布广泛和易燃烧灰分低等优点，但亦有分布较为分散、能量密度、热值及热效率低等不足。

8.2.1 国内外生物质能利用现状

1. 国外生物质能利用概况

日本的新阳光计划、印度的绿色能源工程、美国的能源农场和巴西的酒精能源计划等。在德国，生物质被用来和煤混合使用于发电、产气等。英国建立了要在十年之内国家电力需求的10%来自生物质的目标。欧盟在1998年白皮书上提出，到2010年生物质能利用，占能源消耗总量的12%，是1998年的5.6%的2倍还多。法国建立了要在2年之内将生物质燃料的产量提高3倍的目标，使能源作物种植面积达到100万公顷，并最终成为欧洲生物质燃料生产的第一大国。有科学家预言，至2050年，生物质能源将提供世界60%的电力和40%的液体燃料（植物石油、酒精），使全球CO2的排放量大幅度减少，生物质能有可能成为未来可持续发展能源系统中的主要能源。

2. 我国生物质能利用现状

生物质能在我国是仅次于煤炭、石油和天然气的第四位能源资源，占全部能源消耗总量的20%。我国对生物质能源利用极为重视，已连续在4个五年计划将生物质能利用技术的研究与应用列为重点科技攻关项目，开展了生物质能利用新技术的研究与开发，取得了较大的进展。生物质气化方面，近年来国内科研单位取得了明显进展。

8.2.2 生物质能利用技术

1. 生物质热解综合技术

生物质热解综合技术是生物质在反应器中完全缺氧或只提供有限氧和不加催化剂条件下，高温分解为生物炭、生物油和可燃气的热化学反应过程。生物质热解后，其能量的80%～90%转化为较高品位的燃料。

农业、林业废弃生物质热解产生的固体和液体燃料燃烧时不冒黑烟，废气中含硫量低，燃烧残余物很少，减少了对环境的污染。分选后的城市垃圾和废水处理生成的污泥经热解后，体积大为缩小，臭味、化学污染和病原菌被除去，在消除公害的同时，获得了能源。热解所用原料和工艺不同，所得生物炭、生物油和燃料气3种产品的比率及其热值也有差异。

2. 生物质气化技术

3. 生物质液化技术

生物质液化技术是指通过化学方式将生物质转换成液体产品的过程。液化技术主要有直接液化和间接液化两类。直接液化是把生物质放在高压设备中，添加适宜的催化剂，在一定的工艺条件下反应，制成液化油，作为汽车用燃料或进一步分离加工成化工产品。间接液化就是把生物质气化成气体后，再进一步进行催化合成反应制成液体产品。这类技术是生物质的研究热点之一。生物质中的氧含量高，有利于合成气（CO+H2）的生成，其中的N、S含量和等离子体气化气体中几乎无CO2、CH4等杂质存在，极大地降低了气体精制费用，为制取合成气提供了有利条件。

4. 生物化学转化技术

生物质制取燃料酒精：纯酒精或汽油和酒精的混合物都可作一次性燃料。制液体酒精的原料可分为三大类：一是含糖类，如甘蔗；二是含纤维素类，如农作物秸秆、颖壳，木材和其加工剩余物等；三是含淀粉类，如甘薯、玉米、小麦等。根据生物质所含成分的不同，其液化方法也不同，但其技术都已很成熟。

8.2.3 生物柴油

1. 什么是生物柴油

生物柴油是指以大豆、棉籽和油菜籽等油料作物、油棕和黄连木等油料林木果实、工程微藻等油料水生植物以及动物油脂、废餐饮油等为原料与甲醇进行酯交换制成的脂肪酸甲酯，它是一种洁净、可再生的生物燃料，一种优质的石油柴油代用品。柴油分子是由15个左右的碳链组成的，植物油分子则一般由14～18个碳链组成，与柴油分子中碳数相近，因此取名生物柴油。

2. 生物柴油的特性