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1、生物质能利用原生物质能利用原理与技术理与技术刘灿刘灿西南林业大学西南林业大学目录第一第一章章 总论总论第二第二章章 生物质能资源与能源植物生物质能资源与能源植物第三第三章章 生物质直接燃烧技术生物质直接燃烧技术第四第四章章 厌氧过程与沼气技术厌氧过程与沼气技术第五第五章章 生物质生物质压缩成型燃料技术压缩成型燃料技术第第六六章章 生物质生物质气化技术气化技术第七章第七章 生物质燃料乙醇技术生物质燃料乙醇技术第八章第八章 生物质热裂解技术生物质热裂解技术第九章第九章 生物质制氢与间接液化技术生物质制氢与间接液化技术第十章第十章 植物油与生物柴油技术植物油与生物柴油技术第十一章第十一章 城市有机垃
2、圾能源城市有机垃圾能源第二章 生物质能资源与能源植物第一节 生物质能的物质基础第二节 生物质资源量的估算方法第三节 我国生物质能资源第四节 能源植物第一节 生物质能的物质基础生物质：生物质：广义上是各种生命体产生或构成生命体的有机质广义上是各种生命体产生或构成生命体的有机质的总称。生物质包括所有的植物、微生物以及以植物、微的总称。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。生物为食物的动物及其生产的废弃物。生物质的特点：生物质的特点：可再生性、低污染性、广泛分布性。可再生性、低污染性、广泛分布性。生物质能：生物质能：生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物中生物质
3、能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式，直接或间接来源于植物的光合作用。的一种能量形式，直接或间接来源于植物的光合作用。能能够作为能源够作为能源而利用的统称为生物质能源。而利用的统称为生物质能源。一、生物质资源原料类型按原料的化学性质分：糖类、淀粉、木质纤维素物质u农业生产废弃物u薪柴、枝杈柴、柴草u农林加工废弃物谷壳、果壳按原料来源分：按原料来源分：u人畜粪便和生活有机垃圾u工业有机废弃物u能源植物二、生物质能资源的特点与矿物质比环境污染小煤的含氮、含硫量一般为0.5%-1.5%，而生物质一般为0.2%一下。生物质能蕴藏量巨大，可再生。生物质能具有普遍性，容易获取。可再生能源在，生
4、物质能是唯一可储存于运输的能源。生物质碳活性高、易燃，400时能量可完全释放，而煤是800时释放30%。u质量密度低，运输成本高。u能量密度低。u受环境影响大。三、生物质化学组成1、碳：燃料中的主要元素，其含量多少决定燃料发热值的高低。2、氢：常以碳氢化合物存在，量越多，越容易燃烧。四、生物质燃料的热值热值（热值（calorific value），），又称卡值或发热量。在燃料化学中，表示燃料质量的一种重要指标。单位质量（或体积）的燃料完全燃烧时所放出的热量。1kg生物质完全燃烧所放出的热量，称为为高位热值高位热值。高位热值减去气化潜热值得到的热量，即为1kg生物质的低位热值低位热值国内计算燃烧
5、值常取低位热值（不注明的情况下）国内计算燃烧值常取低位热值（不注明的情况下）常见生物常见生物质热值质热值常用燃料的热值常用燃料的热值含水量与热值的关系含水量与热值的关系第二节 生物质资源量估算方法农作物资源的估算薪材资源 和面积有关人畜粪便资源，以人口数、禽畜存栏数、年平均排泄量为基础计算。草资源 和面积湿度有关。S：产量D：产率第三节 我国的生物质能资源三北地区，农业林业剩余物，边际三北地区，农业林业剩余物，边际土地的木质林土地的木质林能源植物能源植物东部沿东部沿海地区，海地区，作物秸作物秸秆、畜秆、畜禽粪便、禽粪便、生活和生活和工业垃工业垃圾圾西南地区，油料西南地区，油料作物、薯类作物作物
6、、薯类作物一、农作物秸秆农作物秸秆与畜争饲问题在局部地区或今后更为突出：p黑龙江：据专家推算，全省秸秆利用情况如下：燃料占40%，饲料占30%，还田10%，工业原料及其它占20%左右。但近年来，畜牧业发展迅速。p新疆：小麦、玉米秸秆基本用于饲料，对这些秸秆用途的预测结果是，今后这类秸秆将全部用作饲料，无法进行能源的规模化利用。二、林木生物质二、林木生物质u按照能源利用方式可分为木质生物质能资源木质生物质能资源和油料生物质油料生物质能资源能资源两大类。木质生物质能资源主要包括：薪炭林、林业剩余物、灌木林平茬复壮以及经济林修剪、造林苗木截干、城市绿化树和绿篱修剪产生的枝条等。油料生物质能资源主要包
7、括：木本油料树种，其种实可以用来生产生物柴油。黑龙江调研显示，当地林业剩余物资源供应比较分散，以人工为收集主，尤其是对于林业剩余物的收集方面更为突出。对于采伐过程中的剩余物，枝桠有一部分回土，一部分被群众自己收集用于烧柴，树根一般都留在山上。对于林产加工过程中的剩余物，例如锯末和边角碎料，一般用作烧柴或废弃了。油料生物质能资源n木本油料林的主要树种包括麻风树、黄连木、油桐、乌桕等方省区，在南方和北方地区都有分布。n据估算，全国主要油料树种果实产量为224.5万吨，但目前加工利用量仅为54.7万吨。n今后，通过集约经营，还可以大幅度提高油料树种果实产量，其中一部分适宜发展生物柴油的油料林可以改造
8、为油料能源林，还有大量荒山荒坡土地可以考虑种植油料植物。三、畜禽粪便三、畜禽粪便畜禽粪便主要来自牛、猪和鸡，可按其存栏数及不同月龄确定粪便产量。中国农业以家庭为基础，户用沼气是对散养畜禽粪便收集和利用的最好方式。畜禽粪便的规模化开发主要在大中型养殖场。四、城市生活垃圾四、城市生活垃圾城市垃圾产生量随人口和城市化进程而快速增加，2005年全国垃圾生成量已经超过1.5亿吨。目前垃圾无害化处理的比例仍然很小，2005年全国垃圾无害化处理量仅为8107.8万吨，约占垃圾生成量的54。处理方法主要是卫生填埋、堆肥和焚烧发电三种方式城市生活垃圾中含有大量有机物，可以作为一种能源资源，我国城市生活垃圾的热值
9、约为9001500kcal/kg。全国每年垃圾生成量按15000万吨计，则垃圾资源量可折合标准煤2357万吨。五、工业有机垃圾中国农副产品及食品加工业可产生大量有机废弃物，如粮食、食品、制糖、造纸、酿酒、淀粉等在生产中都会产生大量的有机废渣和废水。工业废弃物的利用途径有堆肥、焚烧以及厌氧发酵等处理方式，有机废水的处理方式主要为厌氧发酵生产沼气。据估计，中国农产品加工产生的有机废弃物可生产500亿立方米沼气，相当于3500万吨标煤的能量。随着城市化进程和居民生活水平的提高，城市有机垃圾资源量可望快速增加。六、能源作物/植物能源植物：是指直接用于提供能源为目的的植物。能源植物分类广泛，按植物学分类
10、、地域分类、化学分成分类等。按按化化学学成成分分分分类类糖糖 类类淀粉类淀粉类油料类油料类纤维素纤维素 类类烃类能源植物烃类能源植物甘蔗、甜高粱、甜菜甘蔗、甜高粱、甜菜玉米、甘薯、木薯玉米、甘薯、木薯大豆、油菜、向日葵、花生大豆、油菜、向日葵、花生亚麻、速生林、芒草亚麻、速生林、芒草续随之、绿玉树、银胶菊、西谷椰子续随之、绿玉树、银胶菊、西谷椰子含烃汁液含烃汁液能源作物的改良大部分能源植物是自然生长的，收集困难，产量稳定。为了满足对能源植物不断增加的需求量，需要对能源植物以下方面进行改进：栽培方法抗病抗灾性能产量的稳定程度繁殖，育种稳定、难易程度光合效率生长周期长短1.杂交育种杂交育种2.物理
11、诱变育种物理诱变育种3.化学诱变育种化学诱变育种4.细胞工程细胞工程5.基因工程基因工程能源植物种子改良技术1.杂交育种2、物理诱变育种是不同种类的射线（射线是离子，就是质子；射线是电子；射线是电磁波；X射线，10100nm的电离射线）对植物种子进行照射，引起：自身不能修复的DNA断裂修复时造成染色体缺失染色体重复染色体倒位染色体易位就会引起种子基因突变。1.离子注入诱变育种离子注入诱变育种2.太空育种太空育种（1）离子注入诱变育种一束离子束射向一块材料时，离子束射到材料以后，受到固体材料的抵抗而速度慢慢减低下来，并最终停留在材料中，这一现象就叫做离子注入。变异率高变异谱宽变异速度快技术稳定可
12、靠，易行。（2）太空育种3、化学诱变育种化学诱变育种是用化学诱变剂处理植物材料，以诱发遗传物质的突变，从而引起形态特征的变异，然后根据育种目标，对这些变异进行鉴定、培育和选择，最终育成新品种例如：秋水仙素特点：特点：诱发突变率较高诱发突变率较高染色体畸形较少染色体畸形较少诱变范围广诱变范围广4、细胞工程全能性原理：在多细胞生物中每个个体细胞的细胞核具有个体发育的全部基因，只要条件许可，都可发育成完整的个体。（1）植物组织培养（2）花药、花粉培育 单倍体培养（小黑麦、水稻等）5、基因工程基因工程（genetic engineering）又称基因拼接技术和DNA重组技术，是以分子遗传学为理论基础，
13、以分子生物学和微生物学的现代方法为手段，将不同来源的基因按预先设计的蓝图，在体外构建杂种DNA分子，然后导入活细胞，以改变生物原有的遗传特性、获得新品种、生产新产品。1.优质丰产及综合性状改良：控制某项指标的基因（如控制淀粉合成美国4060%、脂肪合成、成熟时间、作物产量）2.抗性基因工程育种：抗病、抗虫（抵抗病毒、病菌、抗虫害）例如：苏云金杆菌（BT）3.抗逆基因育种：耐除草剂的基因、抗旱基因仙人掌基因七、重要的能源植物1、甜高粱甜高粱简介雅津甜高粱，雅津甜高粱，平均高度为5m左右，糖锤度平均糖锤度平均在在1623%，耐旱、耐涝、耐盐碱、耐瘠薄，耐旱、耐涝、耐盐碱、耐瘠薄，平均亩产籽粒平均亩
14、产籽粒250kg，秸秆，秸秆5吨左右，成熟期吨左右，成熟期95160天不等，每亩需要种子天不等，每亩需要种子1kg左右，平均左右，平均高度高度35m。雅津甜高粱种子优势 一、耐旱二、耐涝：甜高粱遭洪水浸泡1周，大水退后能很快恢复生长三、耐盐碱：甜高粱可忍受的盐浓度为0.50.9，高于玉米(0.30.7)、小麦(0.30.6)和水稻(0.30.7)等作物。四、耐高温、耐严寒：甜高粱对土壤的适应能力很强，pH值从5.08.5，均能很好生长。适应栽培的区域广泛，10以上积温26004500的地区(从海南岛至黑龙江)，均可栽培。五、耐瘠薄：有作物中的“骆驼”之谓六、糖份含量高：茎秆富含糖份，汁液锤度1
15、523七、高产：甜高粱植株高大（35m），一般茎秆产量75吨/公顷左右，高产记录为168吨公顷，籽粒产量2.256吨公顷。茎秆纤维含量1418，每公顷产纤维达915吨。雅津甜高粱秸秆、籽粒主要用途用途之一：奶牛、肉牛、羊等最佳高能饲料用途之二：乙醇（籽粒也可）用甜高粱生产乙醇的成本只有甘蔗的44%80%用途之三：纯高粱原酒（籽粒也可）用途之四：制糖用途之五：纤维板用途之六：代理煤炭的颗粒燃料用途之七：食用水果甜高粱杆用途之八：制味精用途之九：制醋用途之十：造纸甜高粱同时具备经济、生态、社会效益甜高粱同时具备经济、生态、社会效益经济效益 各国能源、食品、养殖等领域生态效益 充分利用边际非耕地土地
16、资源社会效益：带动地区产业结构，增加农民收入，增加国家、地区财政收入雅津甜高粱种子独有性目前全球甜高粱种子适应性、抗逆性等表现最佳的品种只有中国的雅津甜高粱种子。雅津专家在农业部、科技部领导的带领下，自1976年研究试验改良至1994年比较成型，1995年召开第一届全国甜高粱会议，1997年我们承办了“国际第一届甜高粱会议暨第二届全国甜高粱会议”，1999年后我们的种子开始销售美国、欧盟、东南亚、非洲等国家，1997年后美国、印度、巴西等国基本没有新的品种。2007年10月我们承办了“全国第三届甜高粱会议”。目前已经推广近40个国家和地区。雅津甜高粱种子可以适应印尼到俄罗斯、巴西到美国、南非到
17、摩洛哥、埃及、印度等各种气候的土地情况，抗倒伏、抗病、高产、高糖特性比较突出。目前我们已经具备了甜高粱的近180个主要品种和配套的加工甜高粱秸秆饲料、秸秆原酒、秸秆乙醇等中小型设备生产能力。雅津与美国甜高粱种子比较特性美国的甜高粱含糖量逐年降低，一般糖锤度在6-13%，虫害严重，而且容易倒伏，发芽率低于80%，适应范围很狭小。而且不能给予技术转让，也不能提供免费培训。我们的甜高粱，一般糖锤度在16-22%，抗病虫害，抗倒伏，发芽率高于85%，适应区域广泛，关键技术无偿转让，而且提供免费的技术培训。生产乙醇的理想原料近年来，能源危机和环境污染日益严重，越来越多的国家已经认识到可再生绿色能源的重要
18、性。甜高粱就是这样的一种理想的替代资源。雅津甜高粱与其他作物的乙醇生产率的对比作 物crop乙 醇ethanol升/公顷年 Liter/ha/year甜高粱sweet sorghum6106 liters/ha甘 蔗sugarcane4700 liters/ha番 薯yam1790 liters/ha玉 米maize1883 liters/ha甜高粱与甘蔗的乙醇生产的对比甜高粱与甘蔗的乙醇生产的对比作 物crop年周期cyclesa year收获次数Times of harvest总产量Total吨ton 茎秆stem吨/公顷年Ton/ha/year乙醇ethanol升/公顷年Liter/ha
19、/year甘 蔗sugarcane43180-24045-604680210*52*甜高粱sweet sorghum茎 秆stem1245-6046-60412652.5*52.5*籽 粒seeds 3.5-6.53.5-6.519805*5*合 计total 6106饲料的对比Comparison of feedFeedstuff 饲料Total areasin 4 years4年面积合计TotalProductionin 4 years4年产量合计Averageoutput per mu平均亩产Compared with corn与玉米对比 muTon kg(%)Corn玉米18,7741
20、6,825896100Barley 大麦6,2814,80576685SweetSorghum甜高粱 9,91922,1502,234249.2中华人民共和国可再生能源法“国家鼓励清洁、高效地开发利用生物质燃料，鼓励发展能源作物。国家鼓励生产和利用生物液体燃料。石油销售企业应当按照国务院能源主管部门或者省级人民政府规定，将符合国家标准的生物液体燃料纳入其燃料销售体系。”国家发改委“可再生能源中长期发展规划”精神“Renewable Energy Development Plan of Mid-and Long Term by National Development and Reform Co
21、mmission甜高粱制取生物液体燃料流程 甜高粱种植甜高粱种植Sweet sorghumPlantation茎秆收集茎秆收集Stem Collection 生物乙醇生物乙醇Bio Ethanol 酒精废渣酒精废渣Residues 液体燃料市场液体燃料市场Fuel Market 合成燃料合成燃料BTLBTL 牲畜饲料牲畜饲料 FeedstuffFeedstuff 谷物谷物 Corn粮食市场粮食市场Corn MarketProcedure for Liquid Bio-fuel牲牲 畜畜Animals 四家乙醇厂：吉林，河南，黑龙江，安徽 4 Bio-ethanol Plants:Anhui,H
22、eilongjiang,Henan,Jilin全国年产量：1,020.000 吨/年粮食用量：3,264,000吨/年成本:4702.5元/吨安徽丰原 32万吨/年Anhui 320.000t/yAnhui 320.000t/y 黑龙江金玉10万吨/年 Heilongjiang 100.000t/yHeilongjiang 100.000t/y河南天冠30万吨/年Henan 300.000t/yHenan 300.000t/y 吉林省吉林30万吨/年Jilin 300.000t/yJilin 300.000t/yNational Bio-ethanoloutput：1,020,000 t/yG
23、rain Consumption:3,264,000t/yCost:470Euro/t2、能源甘蔗甘蔗是禾本科甘蔗属植物，产于热带、亚热带地区。茎秆含糖量为干物质重量的5570加工时，将榨出的甜浆汁经浓缩制得的蔗糖结晶，是人类必需的食品在医药、工业各方面有着广泛的用途。蔗渣可以酿酒，制酒精或作饲料和肥料，也是很好的造纸原料和燃料。关于甘蔗的起源，一般有三种说法，一是起源于印度，二是起源于南太平洋的新几内亚，三是起源于中国。中国是世界上古老的甘蔗种植国之一，甘蔗栽培具有悠久的历史。早在公元前四世纪，我国就有种植甘蔗的历史记载。东汉张衡七辩一文已有“沙糖”之称。南朝陶弘景名医别录记有“蔗出江东为胜
24、，庐陵亦有好者。广州一种数年生，皆大如竹，长丈余，取汁为沙糖，甚益人。又有荻蔗节疏而细，亦可啖也。”记载 了甘蔗品种和栽培地区，甘蔗可制砂糖亦可生吃。有关甘蔗的描述在中国古代文献中屡见不鲜。至唐朝大历年间已有制冰糖的记载。福建农林大学甘蔗综合研究所作为国家糖料作物改良甘蔗分中心农业部甘蔗遗传育种重点开放实验室和农业部甘蔗及制品质检中心“十五”国家“863”计划、“948”行业重大项目、国家攻关引导项目、农业部跨越计划、农业结构调整重大技术研究专项、农业部“南方地区能源农业技术试点和产业化示范”、福建省重大科技项目“能源专用甘蔗新品种选育”、福建省跨越计划“能源甘蔗新品种（系）的中试与产业化”等
25、对能源甘蔗的研发继续予以了立项资助。甜菜甜菜3、油料植物食物用油食物用油工业用油工业用油云南油杉马蛋果石栗油葫芦4、石油植物八、薪炭林薪炭林是指以生产薪炭材和提供燃料为主要目的的林木（乔木林和灌木林）。薪炭林是一种见效快的再生能源，没有固定的树种，几乎所有树木均可作燃料。一般以硬材阔叶为主，大多实行矮林作业。特点通常多选择耐干旱瘠薄、适应性广、萌芽力强、生长快、再生能力强、耐樵采、燃值高的树种进行营造和培育经营阔叶树薪炭林阔叶树薪炭林 通常用萌芽力强的树种，特别是栎、栲树、石栎、桉树等树种，直播或植苗造林。其他阔叶树如相思树、木麻黄、刺槐等都可用萌芽更新。轮伐期根据立地条件、树种习性而定。灌木
26、薪炭林灌木薪炭林在中国北部、西北部较为普遍。常用树种有沙棘、小叶锦鸡儿、柳树、紫穗槐、柽柳、梭梭等。造林后34年即可采伐，轮伐期一般以34年为宜。如4年平茬一次,一般土地每公顷每年可产柴1020吨。头木薪炭林头木薪炭林在路、河、沟、塘边栽植萌生力强的乔木，当长高后，砍去树冠，使其萌发新枝，每隔45年砍伐一次，从而获得薪柴。我国薪炭林的发展状况我国从1981年开始实施薪炭林工程1985年全国建立薪炭林试点县100个从1991年开始，“三北”防护林、长江中上游防护林和沿海防护林等重要生态工程，增加薪炭林的内容，每年营造薪炭林20万公顷1996年，原林业部实施了“全国森林能源工程”2014年据第五次林业资源清查，全国林业总面积为12919.94hm2薪炭林445.17hm2，占总面积3.4%