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生物质资源转化与利用第一章生物质及生物质能概述沈阳化工大学贾松岩1.1能源能源亦称能量资源或能源资源。是指可产生各种能量（如热量、电能、光能和机械能等）或可作功的物质的统称。是指能够直接取得或者通过加工、转换而取得有用能的各种资源。能源的分类来源分类产生分类性质分类污染分类使用类型分类商品非商品分类再生可再生分类形态分类按来源分类1.1.1能源的分类来自地球外部天体除直接辐射外，并为风能、水能、生物能和矿物能源等的产生提供基础。地球本身蕴藏地球内部的热能有关的能源和与原子核反应有关的能源，如原子核能、地热能等。地球与其他天体相互作用如潮汐能。按产生分类一次能源：煤炭、原油、天然气、煤层气、水能、核能、风能、太阳能、地热能、生物质能等；二次能源：电力、热力、成品油；以及其他新能源和可再生能源。按性质分类燃烧型：煤炭、石油、天然气、泥炭、木材等；非燃烧型：水能、风能、地热能、海洋能等。按污染分类污染型：煤炭、石油等；清洁型：水力、电力、太阳能、风能以及核能等。按使用分类常规能源：煤炭、石油、天然气；新型能源：太阳能、风能、地热能、海洋能、生物能、氢能以及用于核能发电的核燃料等。按形态分类固体燃料液体燃料气体燃料其他：水能、电能、太阳能、生物质能、风能、核能、海洋能和地热能。按商品非商品分类商品型：进入能源市场作为商品销售的如煤、石油、天然气和电等；非商品型：指薪柴和农作物残余（秸秆等）。按再生可再生分类可再生：凡是可以不断得到补充或能在较短周期内再产生的能源称为再生能源；风能、水能、海洋能、潮汐能、太阳能和生物质能等。不可再生煤、石油和天然气等是非再生能源；地热能基本上是非再生能源，但从地球内部巨大的蕴藏量来看，又具有再生的性质。1.1.2能源的储量与消费世界石油探明储量22.2%24.4%数据来源：BP世界能源统计年鉴（2015年6月）世界天然气探明储量31.4%19.6%数据来源：BP世界能源统计年鉴（2015年6月）世界煤炭探明储量12.5%1.9%数据来源：BP世界能源统计年鉴（2015年6月）世界各区域能源消费格局传统能源还能用多久？石油30~50年（40年BP数据）煤炭100~200年（155年BP数据）天然气60~80年（65年BP数据）新开发能源？页岩油？（技术是否足够成熟？）可燃冰？（可能引发生态危害？）开发绿色、可再生能源，支撑社会的可持续发展！1.2生物质概述什么是生物质？什么是生物质能？为什么利用生物质能？如何利用生物质？1.2.1生物质（Biomass）定义：一般是指任何形式（除化石燃料及其衍生物）的有机物质，包括所有的动物、植物和微生物，以及由这些生命体所派生、排泄和代谢出来的各种有机物质，如农林作物及其残体、水生植物、人畜粪便、城市生活和工业有机废弃物等。生物质的分类分类举例种植生产的生物质（能源作物）陆生生物质甘蔗、木薯、玉米、甜菜、油菜子、甜高粱、能源林等水生生物质海藻、微生物等未利用的生物质（残余物）农业残余物秸秆、稻壳、花生壳、蔬菜残余物等林业残余物伐木残余物、木材加工废弃物、建筑废物等渔业残余物渔业加工残余物工业残余物究竟、酿酒、制糖、食品、制药、造纸废水等动物粪便禽畜粪便、屠场废弃物等城市废弃物生活垃圾、有机废水等生物质的组成和结构目前供使用的生物质主要来源于植物，因此以植物生物质为例对生物质的组成和结构进行分析。植物生物质主要是木质纤维素(lignocellulose)，具体来说，主要成分为纤维素(cellulose)、半纤维素(hemicellulose)、木质素(lignin)，木质纤维素组分大约75%以碳水化合物的形式存在。碳水化合物C6H12O6（六碳糖）C6·6H2OBiomassCellulose(%)Hemicellulose(%)Lignin(%)Softwood（软木）35~4025~3027~30Hardwood（硬木）45~5020~2520~25Wheatstraw（麦秆）33~4020~2515~20Swithgrass（柳枝稷）30~5010~405~20纤维素、半纤维素和木质素在几种常见生物质中的含量百分比~75%硬木和软木之间的区别与植物繁殖有关。所有树木都通过产生种子来进行繁殖，然而种子的构造却不尽相同。硬木树木是被子植物，这类植物产生的种子具有某种包被。这种包被可能是苹果这样的水果，也可能是橡子这样的坚果。软木是裸子植物。这些植物的种子没有包被，直接落向地面。松树属于这一类植物，其种子生长在坚硬的松塔中。在松树这样的针叶树中，这些种子一旦成熟就散落到风中。这让植物的种子传播得更广。植物细胞壁中纤维素、半纤维素和木质素的示意图纤维素纤维素是生物质的骨架结构材料，是由β-D-吡喃葡萄糖通过1,4-糖苷键连接而成的线性高分子化合物(C6H10O5)n，n为聚合度，其值随不同木种的变化而有不同的变化。纤维二糖葡萄糖纤维素的单体—葡萄糖(glucose)葡萄糖是自然界中储量最为丰富的单糖（六碳糖）资源，其化学结构式为C6H12O6，它是一种多羟基醛。纯净的葡萄糖为无色晶体，有甜味但甜味不如蔗糖(一般人无法尝到甜味)，易溶于水，微溶于乙醇，不溶于乙醚。水溶液旋光向右，故属于“右旋糖”。还原糖（reducingsugar）缩醛大多数以环状存在纤维二糖是不是还原糖？还原糖可能有哪些性质？纤维素是不是还原糖？cellobiose半纤维素半纤维素是由多糖单元组成的一类多糖，其主链上由木聚糖、半乳聚糖或甘露糖组成，在其支链上有阿拉伯糖或半乳糖。半纤维素大连存在于植物的木质化部分，不同种类半纤维素的组成差别很大，针叶木中半纤维素主要为聚半乳糖葡萄糖甘露糖。木糖半乳糖甘露糖半纤维素的单体—木糖(xylose)、阿拉伯糖(arabinose)、甘露糖(mannose)、半乳糖(galactose)等半纤维素的单体与葡萄糖的对比半乳糖甘露糖葡萄糖木糖阿拉伯糖C6H12O6C5H10O5木质素木质素是一类复杂的有机聚合物，在植物界中其含量仅次于纤维素，也是自然界中含芳香结构单元最为丰富的物质。木质素的单体是一类具有苯丙烷骨架的多羟基化合物，单体间通过C-C键和C-O-C键形成复杂的无定型高聚物。木质素（lignin）这个词起源于拉丁单词“lignum”，意思为“木材”，瑞士植物学家A.P.Candolle第一次使用了这个单词。松柏醇型芥子醇型对香豆醇型三种主要单体木质素的示意结构复杂！！！木质素单体类型与连接方式LinkagetypeApproximatepercentageβ-O-445-50α-O-46-8β-59-125-518-254-O-54-8β-17-10β-β3其他重要的生物质资源淀粉(starch)淀粉是葡萄糖分子聚合而成的，它是细胞中碳水化合物最普遍的储藏形式，通式是(C6H10O5)n，水解到二糖为麦芽糖，完全水解后得到单糖（葡萄糖。淀粉有直链淀粉和支链淀粉两类。前者为无分支的螺旋结构；后者以24~30个葡萄糖残基以α-1,4-糖苷键首尾相连而成，在支链处为α-1,6-糖苷键。麦芽糖(maltose)甲壳素是一种多糖类生物高分子，在自然界中广泛存在于低等生物菌类，藻类的细胞，节支动物虾、蟹、昆虫的外壳，软体动物（如鱿鱼、乌贼）的内壳和软骨，高等植物的细胞壁等，甲壳素每年生命合成资源可达2000亿吨，甲壳素(chitin)脱乙酰甲壳素—壳聚糖(chitosan)-NH2-NH2生物质的元素组成植物生物质元素组成木材秸秆CHONSPKCHONCHONSC40~46%H5~6%O43~50%N0.6~1.1%S0.1~0.2%秸秆元素含量C生物质有机化合物（H、N、S）单质CH碳氢化合物NCOCO2H2ONONO2有机化合物SSO3SO2O-COOH、-OH、-OCH3硅酸盐、碳酸盐、硫酸盐生物质中元素的终端体现举例生物质的工业分析生物质中的水分生物质中的灰分生物质中的挥发分生物质中的固定碳挥发分+固定碳+水分+灰分=100%水分游离水结晶水Decompositionmoisture外在水分surfacemoisture内在水分inherentmoisture室温60%105~110℃5%200℃?挥发分Volatilematter生物质焦渣有机物Decomposition液体(蒸汽)气体产物芳香族碳氢化合物+O、S、N有机混合物+结晶水自由水灰分ash生物质815+10℃可燃物完全燃烧矿物质分解、化合Al2O3、SiO2、FeO、Fe2O3、CaO、MgO等生物质外在水分内在水分室温105~110℃200℃挥发分815+10℃固定碳灰分焦渣自由水可燃物1.2.2生物质能(BiomassEnergy)定义：就是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，取之不尽、用之不竭，是一种可再生能源，同时也是唯一一种可再生的碳源。优点：转化为热能的太阳能能量密度很低，不容易收集，通过光合作用可以将太阳能富集起来。C6H12O6C6·6H2O生物质能的特征1.产量大、分布普遍、易获取生物质能源是世界的第四大能源，据估计，地球陆地每年生产1×1011~1.25×1011吨干生物质，海洋年生产5×1010吨干生物质。到目前为止，只有约3%--4%的碳水化合物被人类食用或用于其他非食用目的。林木海藻被食用的生物质2.可再生生物质是植物通过光合作用合成的，植物的光合作用是燃烧反应的逆过程。3.洁净性、污染低或无污染可燃部分主要是纤维素、半纤维素、木质素，含硫、氮含量较低，炭活性高，挥发组分高，灰分少，灰尘等排放量比化石燃料小得多。4.易燃性和挥发组分高、炭活性高生物质在400oC左右，大部分挥发组分可释放出。煤在800oC时才释放出30%左右的挥发组分。4.CO2的减排效应生物质作为燃料时，由于它在生长时所需CO2的量与排放量相当，因而对大气的CO2净排放量近似为“零”。=106-108y=101-102yThePetrochemicalCarbonCyclesunlightcombustiongeologicalprocessesplantbiomassCO2photosynthesisfuelschemicalsgeologicalreservoirsoilOilrefinerysunlightplantbiomassCO2agriculture,forestryfuelschemicalscombustionBalancingtheCarbonCycle:IndustrialBiotechnologysugarsbiorefineryindustrialmicrobiology1.2.3生物质转化利用方式生物质热化学法物理化学法压缩成型直接燃烧液化气化微生物法发酵生物化学法固体燃料高压蒸汽、热气流直接液化间接液化共液化氢气、木煤气木炭、生物油、木煤气、醋液氢气沼气、乙醇燃烧供热、木炭燃料油、化工原料甲醇、柴油、二甲醚、氢气化学品、液体燃料热裂解1.物理化学法通过压缩成型将生物质进行转化利用的技术。2.热化学法高温下将生物质转化为其他形式能量的技术。直接燃烧：将生物质完全燃烧放出热量；燃烧过程产生的能量可用来产生电能或供热。（燃烧也是一个氧化过程）气化：在介质氧气、空气或蒸汽等参与的情况下，对生物质进行部分氧化而转化为气体燃料的过程。热解：在没有气体介质的条件下，单纯利用热使生物质中的有机质发生热分解从而脱除挥发性物质，最终转化为高能量密度的气体、固体和液体产物的过程。液化：将固态大分子有机聚合物转化为小分子有机物质。生物质热化学转化技术燃烧气化压缩液化KiOR更名为InaerisTechnologies3.生物化学法生物质在微生物的发酵作用下产生沼气、酒精等能源产品。1.2.4能源作物能源作物是主要为工农业、交通等部门提供动力能量原料的作物,是经济作物中的新类型。种植专门用作能源的作物是一项受到人