第1章概述生物质能源课件12011929

生物质能源ForestWoodResiduesAgriculturalResiduesEnergyCropsEnergywoodsWaste1本章内容生物质能源概述生物质的利用与转化技术生物质的气化生物质液化生物质制氢生物燃料电池2生物质能源生物质能利用与转化第1章生物质能概述3Biomass生物质:生物质能源生物质能概述Biologicalmaterialderivedfromliving,orrecentlylivingorganisms有机体.Inthecontextofbiomassforenergythisisoftenusedtomeanplantbasedmaterial,butbiomasscanequallyapplytobothanimalandvegetablederivedmaterial.木材，杂草，藻类;能源植物;有机废弃物;各种农、林废弃物：农作物杆、稻草、谷壳等4Biomass生物质vs.fossilfuels化石燃料生物质能源生物质能概述Thevital主要differencebetweenbiomassandfossilfuels:timescale周期ontheformationandusage；Biomassmaintainsaclosedcarboncyclewithnonetincrease净增长inatmospheric大气层CO2levels5Whatisbiomassenergy?生物质能源生物质能概述生物质能是蕴藏在生物质中的能量，是绿色植物通过光合作用将太阳能转化为化学能而贮存起来的能量。通过光合作用，植物每年转化约2000亿吨的C02中的碳为碳水化合物，并存储了3ⅹ1013GJ的太阳能，相当于目前世界能源消耗量的10倍左右。CO2+H2O{CH2O}+O26生物质能源光合作用植物水+二氧化碳-----有机体+氧太阳能internalleafstructure内部结构Chloroplasts叶绿体外膜outermembrane内膜innermembrane光合作用7生物质能源生物质能概述光合作用的总过程光化学反应电子传递↓↓太阳光能------→电能-------→活跃化学能（同化力）·h·eATP，NADPH2（光反应）↓CO2＋H2O-----→稳定化学能C6H12O6（暗反应，酶促反应）↓↓↓生物质：n(C6H12O6)8光合效率生物质能源生物质能概述光合作用过程中，每分解一个水分子，释放一个O2分子，需转移4个电子，而每个电子的转移要通过两个受激发的色素系统（光系统I&II）接力进行，因而理论上需要8个以上的光量子。每个摩尔的波长为680纳米的红光和波长为420纳米的紫光分别含能180千焦耳和297千焦耳，都形成含热量46.89千焦耳的1摩尔碳水化合物（CH2O），其能量利用率分别为26％和16％。白光包括从380～720纳米的各种波长的光量子，其能量利用率约为20％。这是叶绿素所吸收的光量子的理论最高能量利用率。田间作物植被在光合层建成后的最佳期间，日光能的利用率可达3～4％，整个植物生长季的光能利用率约为1～2％，全球表面平均则为0.1％，9生物质的元素组成生物质能源生物质能概述10生物质的物质组成生物质能源生物质能概述纤维素，半纤维素，木质素，水分，挥发分，灰分，类脂物，蛋白质，单糖、淀粉，等等45%5%25%25%LigninOtherCellulose(Chainsofglucosesugar)Hemicellulose(Chainsofxyloseandarabinoseinhardwoods;mannoseandxyloseinsoftwoods)(Youngcleancoal)11生物质主要成分的物质结构生物质能源生物质能概述OOOOHOHOHHOHOOHOOOOOHOHOHHOHOOHOOOOOHOHOHHOHOOHOOOOOHOHOHHOHOOHOOOOOHOHOHHOHOOHOOOOOHOHOHHOHOOHOOOOOHOHOHHOHOOHOOOOOHOHOHHOHOOHOOHOHOH3COOHOCH3OCH3OOOOHOCH3OCH3H3COOOHOH3COHOOCH3OCH3OHOHOH3COOHOCH3OCH3OOOHOCH3OCH3OCH3OOOOHHOOOOOOHHOOHOHOOOOHHOOHOHOOOOHHOOHOHOOOOHOHOHHOHOOHOOOOOHOHOHHOHOOHOOOOOHOHOHHOHOOHOOOOOHOHOHHOHOOHOOOOOHOHOHHOHOOHOOOOOHOHOHHOHOOHOOOOOHOHOHHOHOOHOOOOOHOHOHHOHOOHOLignin:15-25%（由苯基丙烷结构单元通过碳-碳键和氧桥键连接而成的的芳香族聚合物）Cellulose:38-50%（葡萄糖分子通过以β-苷键形式的氧桥键连接而成的聚合物）Hemicellulose:23-32%（两种或两种以上单糖通过氧桥键连接而成的聚合物）12生物质能源、资源的特点生物质能源生物质能概述挥发组分高，易燃，燃烧相对充分；生物质的大部分挥发组分可在400C左右释放出，而煤在800C才释放出30％左右的挥发组分；燃烧过程污染相对低生物质灰分含量低于煤，氮、硫含量通常低于煤；容易气化储量大、分布广泛、易于获得地球上每年生物质能总量约1400-1800亿吨(干重），相当于目前每年总能耗的十倍属于可再生能源生物质能量密度低，燃料热值低13能源植物——以提供能源为目的的植物生物质能源生物质能概述糖类能源植物：可直接发酵生产燃料乙醇。如甘蔗、甜高梁、甜菜等。淀粉类能源植物：经水解后发酵生产燃料乙醇。如玉米。薯类作物等。纤维素类能源植物：经水解后发酵生产燃料乙醇；也可转化为气体、液体和固体燃料。如速生林木、芒草等。油料类能源植物：提取油脂后生产生物柴油。如油菜、花生等油料作物。烃类能源植物：提取含烃汁液，产生接近石油成分的燃料。14人类能源利用史生物质能源生物质能概述生物质煤炭天然气、石油15生物质能的利用与转化技术16热化学转化与利用技术技术WoodAgriculturalwasteOrganicwasteThermo-chemicalConversionprocessDirectcombustionBiomassfeedstockGasificationPyrolysisMethanolProductionHeatSteamElectricityProducerGas(LowormediumBtu)Syntheticfueloil,CharcoalMethanolTECHNOLOGIESENDUSESENERGYorPRODUCT生物质能源生物质能利用与转化17生物质能源生物质能利用与转化第2章生物质燃烧技术18生物质燃烧可能涉及的过程生物质能源生物质燃烧(1)生物质中水的蒸发过程；即使经过数年干燥的木材,其细胞结构中仍含有15%～20%的水;(2)挥发分（低分子量物质）的释放、燃烧；(3)纤维素与半纤维素等受热分解、气化、燃烧；(4)过渡阶段：木质素高温炭化、着火。(4)固定碳的燃烧：在完全燃烧条件下，能量完全释放，生物质完全转变为灰烬。19生物质直接燃烧生物质能源生物质燃烧20生物质燃烧模式生物质能源生物质能利用与转化固体燃料转化燃烧路径及相应的DTG曲线模式I,O———分别在惰性和氧气气氛下21生物质能源生物质能利用与转化生物质燃烧模式不同的生物质的燃烧模式不同22生物质能源生物质能利用与转化生物质燃烧动力学)(fAedtdRTE---转化率)(f---挥发分热解释放函数E---表观活化能生物质的燃烧过程是从挥发分的着火燃烧开始，燃烧过程受挥发分的热解释放过程控制A（固）B（固）+C(气)23生物质能源生物质能利用与转化固定碳的燃烧C+O2=CO2＋408.86KJ/molC+1/2O2=CO＋123.45KJ/mol2CO+O2=CO2＋570.87KJ/mol（高于700ºC）水蒸气的反应C+H2O+118kJ/mol→CO+H2C+2H2O+76kJ/mol→CO2+H2C+2H2→CH4+75kJ/mol24空气供给量生物质能源生物质燃烧单位质量燃料的理论需要空气量:V0=010889Cy+01256Hy+010333(Sy+Oy）m3/kg燃料空气过量系数0VV常见生物质燃料的理论需要空气量为:4~5m3/kg燃料25生物质能源生物质能利用与转化生物质直接燃烧技术——炉灶燃烧炉灶燃烧操作简便、投资较省，主要问题是低效率。溢出的火苗和可燃烧气体使绝大多数的热无法利用而白白浪费。以木材燃烧制沸水过程而言,1m3干木材含10GJ能量,而使1L水提高1℃需要412KJ的热能,所以煮沸1L水需要少于400KJ的能量,数值上仅相当于40cm3的木材——仅仅是一根小树枝而已。可实际上在一个小的火炉上,大概需要至少50倍的木材,即效率不超过2%。26生物质能源生物质能利用与转化锅炉燃烧采用先进的燃烧技术，把生物质作为锅炉的燃料燃烧，以提高生物质的利用效率，适用于相对集中、大规模地利用生物质资源。生物质燃料锅炉的种类很多，按照锅炉燃用生物质品种的不同可分为：木材炉、薪柴炉、秸秆炉、垃圾焚烧炉等；按照锅炉燃烧方式的不同又可分为流化床锅炉、层燃炉等。生物质直接燃烧技术——锅炉燃烧27生物质能源生物质能利用与转化生物质与煤的联合燃烧：可以改善煤的着火性能生物质的挥发分初析温度远低于煤,使得着火燃烧提前，最大燃烧速率前移的趋势，获得更好的燃尽特性。可以提高煤的利用率生物质在燃烧的过程中放热比较均匀，而单一煤燃烧放热几乎全部集中于燃烧后期。煤中与生物质混和,可以改善燃烧放热的分布状况,对于燃烧前期的放热有增进作用。28生物质能源生物质能利用与转化第3章生物质气化技术29生物质能源生物质能利用与转化生物质气化——将生物质转化为CH4、CO、H2等可燃气体基本原理是在不完全燃烧条件下，将生物质原料加热，使较高分子的有机碳氢化合物裂解成较低分子量的高品位可燃气体。根据气化机理可分为热解气化和反应性气化,其中后者又可根据气化剂的不同分为空气气化、水蒸气气化、氧气气化、氢气气化及其这些气体的混合物的气化。根据采用的气化反应器的不同又可分为固定床气化、流化床气化和气流床气化30生物质能源生物质能利用与转化生物质气化反应器31生物质能源生物质能利用与转化生物质的反应性气化在气化过程中使用不同的气化剂,可以得到三种不同质量的气化产品气，低热值(LowCV)：4～6MJ/Nm3使用空气中热值(MediumCV)12～18MJ/Nm3使用氧气或水蒸汽高热值(HighCV)40MJ/Nm3使用氢气32生物质能源生物质能利用与转化生物质的空气气化气化反应过程原理图干燥区（100～250ºC）水分蒸发热解区（250ºC以上）生成固体焦炭、气体挥发分、焦油、木醋酸和热解水等氧化区（1000ºC以上）高温热解气体产物和焦炭与氧气发生燃烧反应还原区（700～900ºC）氧化区所生成的高温气体与高温炭层发生非均相的还原反应，生成含有CO、H2、CH4、CmHn、CO2等。33生物质能源生物质能利用与转化生物质气化的基本热化学反应C+O2→CO2＋408.86KJ/molC+1/2O2→CO＋123.45KJ/molCO+O2→1/2CO2＋286KJ/molCO2+C→2CO－162KJ/molC+H2O→CO+H2-118kJ/molC+2H2O→CO2+2H2-76kJ/molC+2H2→CH4+75kJ/mol34生物质能源生物质能利用与转化生物质气化过程中焦油的生成当生物质被加热到250ºC以上时，纤维素、木质素、半纤维素等成分发生热分解，生成焦炭、木醋酸、焦油、气体等。焦油的成分十分复杂，大部分是苯的衍生物。温度为500ºC时焦油的产量最高，随着温度的升高和停留时间的增加，焦油