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1、第二章第二章 生物质能材料生物质能材料本章学习的主要任务：本章学习的主要任务：（1 1）了解）了解生物质、生物质能、生物质材料的基本概念生物质、生物质能、生物质材料的基本概念（2）了解生物质材料的分类）了解生物质材料的分类（3）掌握将生物质能材料转换成能量的技术及原理）掌握将生物质能材料转换成能量的技术及原理 包括：气化、固化、燃烧、厌氧发酵等（重点）包括：气化、固化、燃烧、厌氧发酵等（重点）生物质生物质是指直接或间接利用大气、水、土地等通过光合作用而产生的各种有机体。广义而言广义而言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。狭义上狭义上主要是指农林业生产过程
2、中除粮食、果实以外的秸秆、树木、加工废料、农林废弃物及动物的废弃物等物质（无生命、废弃物无生命、废弃物）。特点：特点：可再生性、天然性、广泛性。2.1 基本概念生物质、生物质能、生物质能材料2.1 基本概念生物质、生物质能、生物质能材料生物质能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后固定和贮藏在生物质体内的能源。特点特点：大量，广泛，可再生，可持续。：大量，广泛，可再生，可持续。通过复杂的光合作用，每年贮存在植物的枝、茎、叶、根中的太阳能相当于全世界每年耗能量的几倍；它还是唯一的可再生碳源，具有可持续性，是是减减排排COCO2 2的的最最重重要要的的途途径径；可转换
3、成常规的固态、液态和气态燃料，使用方便。生物质能材料：生物质能材料：主要指以绿色植物及其加工剩余物和动植物废弃物为原材料，通过直接利用或物理、化学和生物学等技术手段进行加工，以有效获取生物质能的材料。2.1 基本概念生物质、生物质能、生物质能材料特点：特点：生物质材料由C、H、O、N、S、P等元素组成，还包括少量的K、Na、Ca、Mg、Fe、Zn、Cu、Co、Se等元素，是空气中CO2、水和太阳光通过光合作用产生的生物质，成本低廉；其挥发性高，炭活性高；N、S含量低，灰分低。生物质能材料种类繁多，有多种利用技术种类繁多，有多种利用技术。燃料的工业分析燃料的工业分析：燃料=水分+挥发分+灰分+固
4、定碳燃料的工业分析燃料的工业分析：燃料=水分+挥发分+灰分+固定碳水分：挥发分：实验中将煤样在隔绝空气条件下高温（900.C）加热，从煤中有机质分解出来的液体和气体的总量中减去水分，就得出挥发分。灰分：灰分是指煤完全燃烧后剩下来的残渣。这些残渣几乎全部来自煤中的矿物质。固定碳：是指除去水分、灰分、挥发分后的残留物，从100%减去煤的水分、灰分和挥发分后的差值即为煤的固定碳含量。固定碳的化学组分，主要是为碳元素，另外还有一定数量的氢、氧、氮、硫等其它元素。2.2 生物质能材料种类n生物质材料非常广泛 用于生产能量的生物质材料包括范围非常广泛，来自农场和天然林地的薪柴，为获取能量而种植的农林作物、
5、农业、工业的废弃物、城市固体废物、水生植物、微藻等都可以利用作为生物质能材料。1.木材燃料：由人工森林、天然森林和天然林地提供的薪柴、木炭等各种形式的燃料。受国家林木保护政策的限制，这种形式的利用目前较少了。2.2 生物质能材料种类2、农业废弃物：农业方面每年都产生大量的废弃物，但其中大部分都没有得到充分利用。一般说来，干的农产品中25%的物质是废弃物。2.2 生物质能材料种类农业废弃物的利用生物质原料破碎干燥成型后处理综合而言，把农业废弃物用作能源是非常有前景的，在我国，每年大量的农业废弃物不能有效利用，农民进行焚烧，导致雾霾天气等诸多问题，因地制宜，因材施技，是一个具有挑战性的课题。2.2
6、 生物质能材料种类3.3.能源作物能源作物2.2 生物质能材料种类高糖类草本作物高糖类草本作物 高粱、玉米、木薯、甘蔗等草本作物可用作生产糖和酒精的原料。短轮伐期林木短轮伐期林木 能源造林与造纸用林没有实质上太大的区别，二者的目标都是既要产量高又要使生长期短。植植物物性性油油料料作作物物 植物油本身（或与柴油混用）可用作内燃机的燃料。可提取植物油材料包括：大豆、花生、葵花子、棉籽、蓖麻子等。2.2 生物质能材料种类作物生物质材料可以带来很多好处，如一旦需要便可迅速增加生产，常常只需一个生长季度的准备时间，守守护护18亿亿亩亩耕耕地地红红线线，阳阳光光、空空气气、土土地地是是生生物物质质材材料料
7、的的原原料料。习习总书记总书记“金山银山金山银山”理论理论.4.城市废物、废液城市废物、废液：城城市市固固体体废废物物 城市固体废料是指家庭、商业活动、机关和工业部门所产生的固体废料。城市固体废料必须进行处置，可以通过焚烧的方式使其发电和供热，也可用于发酵生产副产品甲烷气。2.2 生物质能材料种类垃圾分类回收有利于利用城市固废作为生物质能材料。垃圾分类回收有利于利用城市固废作为生物质能材料。需需要要指指出出，燃烧固体废料会可能导致大气污染，所产生的污染物应特别予以注意。可能会产生二恶英、含氮、硫氧化物以及重金属等，必须加以控制。废废液液（污污水水）人类日常生活中产生的污水具有可观的能源潜力。污
8、水经过厌氧发酵可产生甲烷气。在污水厌氧处理方面已有多年的实践经验。厌氧生物发酵时，要注意材料的营养成分调配。生物质能材料分类5、还还有有一一些些有有潜潜在在价价值值的的水水生生植植物物，繁殖蔓延相当快，在有污水和工业废水的地方，或从肥沃田地里排出的水里，这种植物的密度最高。它们繁殖迅速和易于收获的特点，使其成为一种适合进行厌氧发酵的碳原料。过度繁殖过度繁殖的水葫芦的水葫芦2.3 生物质材料转化为能源的技术通常把生物质材料能通过一定方法或手段转变为燃料物质的技术称为生物质能转换技术生物质能转换技术。生物质能材料转化为能源可根据利用方式分为两类传统的和现代的。现代生物质能现代生物质能是指那些可以大
9、规模用于代替常规能源即矿物性固体、液体和气体燃料的各种生物质能。传统生物质能它包括所有小规模使用的生物质能，主要限于发展中国家。2.3生物质能化学转换技术直接燃烧1、直接燃烧：生物质直接燃烧是最普通的生物质能转换技术。把生物质的化学能转化为热能。生物质能化学转换技术：直接燃烧直接燃烧可以表示为如下反应：有机物质+O2 CO2+H2O+能量此过程是光合作用的逆反应过程。在燃烧过程中，将贮存的化学能转变成热能释放出来。除了碳的氧化外，此过程中还有硫、磷等微量元素的氧化。直接燃烧的主要目的是取得能量。燃烧过程中所产生的热可用于发电，也供热给需要热量的地方。生物质能化学转换技术：直接燃烧燃烧过程产生热
10、量的多少，除因有机物质种类不同而不同外，还与氧气（空气）的供给量有关。可以进行直接燃烧的设备形式很多，有普通的炉灶，也有各种锅炉，复杂的内燃机（用于燃烧植物油）等。生物质的燃烧过程是强烈的放热化学反应。燃烧的进行除了有燃料本身之外，还必须有足够的温生物质能化学转换技术：直接燃烧度和适当的空气供应，燃烧过程可以分为预热、水分蒸发、析出挥发物和焦炭燃烧等几个阶段。几个阶段是连续进行的，当挥发物着火燃烧后，气体便不断向上流动，边流动边反应形成扩散火焰。扩散火焰中，由于空气与可燃气体混合比例不同，因而形成温度不同的火焰。比例适当，燃烧好，温度高；比例不恰当的燃烧不好，温度低，生物质能化学转换技术：直接
11、燃烧进入炉膛的空气过多或过少时都会造成扩散火焰的熄灭。C 的燃烧，理论上可按下列二式进行：C+O2 CO2；2C+O2 2CO而实际上在高温下，氧与炽热的焦炭表面接触时，CO与CO2同时产生，基本上按下列方式进行：生物质能化学转换技术：直接燃烧4C+3O2 2CO2+2CO；3C+2O2 CO2+2COCO2与CO的多少由温度和空气的供给量决定，900-1200主要按照前式进行，1450以上主要按后式反应。温度更高，则CO2 在扩散过程中与炽热的焦炭发生C的气化反应，这是一种会促进固定碳的燃烧的还原反应。生物质能化学转换技术：直接燃烧由于炉膛中有水蒸汽存在，它也会向焦炭表面扩散，当它与炽热焦炭
12、相遇时，同样会发生碳的气化，产生 H2 或甲烷气体，反应式如下：C+2H2O CO2+2H；C+H2O CO+H2；C+2H2 CH4水蒸汽对碳的气化比二氧化碳的作用快，所以炉膛中有适量的水蒸汽，可促进固定碳的燃烧。生物质能化学转换技术：热化学过程2、生物质气化及热解（热化学过程）：利用空气中的氧气或水蒸汽将固体燃料中的碳和氢转换成更有价值或是更方便的产品的基本热化学过程是高温分解。在此过程中，还伴随有碳与氢的反应。分解后通常形成混合气体、油状液体和纯焦炭。这些产品的比例取决于原料、反应温度和压力、在反应区停留的时间和加热速度等。生物质能化学转换技术：气化热化学过程主要有三大类：气化、低温分解
13、（生产木炭），直接催化液化法（利用生物质生产液体燃料和化学物质的方法）。气化 气化技术是一种常规技术。它的首次商业化可追溯到1830年。气化是为了增加气体产量而在高温状态下进行的热解过程。生物质能化学转换技术：气化生物质气化的装置称为气化器。气化器有多种形式的，常见的是底座固定型的立式气化器。理论上讲，气化和燃烧都是有机物与氧反应，但燃烧的主要产物是二氧化碳和水，并放出大量的热，所以燃烧是将原料的化学能转换成热能；气化反应放出的热量要少得多，气化主要是将化学能的载体由固体变为气体，气化后的气体燃烧时再释放生物质能化学转换技术：气化出大量的热量。使用中，气态燃料比固态燃料具有许多优良性能：燃烧容
14、易控制，不需要大的过量空气，燃烧炉具比较简单，燃烧过程中没有颗粒物排放且气体污染较小。气化过程主要由高温氧化和还原反应构成，还有固体燃料的干燥与干馏过程。固体燃料气化时所应用的设备称为气化炉。生物质气化炉与煤气气化炉类似，下面以煤气发生炉为例，说明气化的基本过程。煤气发生炉是一个钢板作成的直立圆桶，内用耐火砖或耐火泥。通过上面料斗加料，燃料支在炉栅上，炉栅下鼓风，得到的燃气从燃料层上面的出气口引出，渣和灰结集在炉栅上，经隙缝落下去。生物质能化学转换技术：气化发生炉工作时，在炉栅附近的燃料遇到炉栅下通过的空气而全部燃烧。在炉栅上形成灰渣。空气经过灰渣层略为加热后，进入燃烧层（氧化层），这里氧气与
15、碳反应，生产二氧化碳，也有一小部分一氧化碳。氧化层上方是还原层，在这里，由于遇到炽热的燃料，二氧化碳被还原成一氧化碳，水被还原成氢气。炽热的气体再向上走把燃料中的挥发生物质能化学转换技术：气化物蒸馏出来，形成干馏层（热解）。这里加入炉子的燃料逐渐由半焦变为全焦，干馏产物也混合在煤气中，这里出来的煤气还有很高的温度，再把上面的燃料加以干燥。发生炉可分为四层，从下向上依次是：1）氧氧化化层层 氧气在这里烧完生成大量的二氧化碳，温度达到1200-1500，甚至更高。生物质能化学转换技术：气化同时，有一部分碳，由于氧气（空气）的供应量不足，便生成一氧化碳，放出一部分热量。2C+O2 2CO在此层中主要
16、是产生二氧化碳，一氧化碳的生成量不多，水分也很少分解。2）还还原原层层 此时没有氧气存在，二氧化碳和水蒸汽被还原成一氧化碳和氢气，进行吸热反应，生物质能化学转换技术：气化温度开始降低，一般在 700-900。CO2+C 2CO；C+H2O CO+H2；C+2H2O CO2+2 H2；CO+H2O CO2+H2；3）干干馏馏层层 燃料中挥发物质进行蒸馏，温度保持在450 左右，蒸馏出的挥发物混入煤气中。生物质能化学转换技术：气化4）干干燥燥层层 燃料中的水分蒸发，吸收热量，使煤气温度降到100-300。氧化层与还原层总称为有效层，气化过程主要是在这里进行的。干馏层和干燥层合称为准备层。需要指出的
17、是，实际上是观察不到清楚划分的燃料层的，层与层之间是参差不齐的。上述燃料层的划分只是为了指明气化过程中几个大的区段。生物质能化学转换技术：气化煤气中一氧化碳和氢气的含量越多越好，而它们主要产生在还原层内，因此还原层是影响煤气品质和产量的最重要的地区。实验证明，温度越高，则二氧化碳还原成一氧化碳的过程进行得越顺利，还原层的温度应保持在700-900。另外，使二氧化碳与炽热的碳接触的时间越长，则还原作用进行得越完全，得到的一氧化碳量也越多。生物质能化学转换技术：气化煤气发生炉由于原料不同而气化产物有差异外，气化时吹入的气体不同，所得到的可燃性气体成分也不同。与煤原料气化相比较，生物质作为气化原料有
18、如下优点：生物质挥发成分高，70-80%为挥发物。在较低的温度（约400）时大部分挥发物被释放，煤在800左右时才释放30%的挥发物；生物质能化学转换技术：气化生物质炭反应活性高。生物质炭在较低的温度下，以较快的速度与二氧化碳及水蒸汽进行气化反应；生物质炭灰分少（一般不超过3%），而且灰分不易粘结，简化了除灰设备；生物质含硫量低，不必设气体脱硫装置，降低了成本，也有利于保护环境。生物质能化学转换技术：气化煤气发生炉可按照鼓风方法不同和煤气相对于燃料流动方向不同分为逆流式、顺流式、横流式（也称为上吸式、下吸式、平吸式）及流化床式。应根据被气化的燃料类型正确选择适用的气化器。生物质气化炉的分类生物
19、质能化学转换技术：气化上吸式煤气发生炉燃料自煤气炉上面加入而逐渐下降，空气或空气与蒸汽混合气体自炉栅下面通入并逐渐上升，形成的煤气与燃料干馏产物混合在一起由下向上被吸到炉外。特点是煤气顺热气流方向吸出，不需要很大吸力，起动容易；煤气中混有干馏出来的挥发物，发热量一般较高；燃料燃烧后产生的灰分落在炉栅下面，不会被出口煤气带走，生物质能化学转换技术：气化煤气中灰分较少；同时煤气流经上面各层被吸出时，实际上已进行了初步过滤，也可使煤气的灰分减少。上吸式煤气发生炉一般适用于燃用含焦油较少的燃料，因为富有焦油的燃料气化时，干馏产物混于煤气中，在流经煤气管道、混合器、发动机进气门时会发生凝结污染这些部件；
20、这种炉子燃烧时所生物质能化学转换技术：气化需的空气是通过炉栅空隙进入炉内的，故空气流速较低，相应地燃烧速度也就低，燃烧温度也不高，不适用于不易燃烧的燃料；在操作方面，不能连续运行，添加燃料时必须打开上盖，使设备停机。生物质气化炉生物质能化学转换技术：气化下吸式煤气发生炉 燃料自上部加入，靠自身的重量逐渐下降。在炉身的一定高度处，空气自炉壁或炉中央送入，使燃料燃烧，煤气流过下面的还原层从炉栅下吸出，氧化层位于空气入口处附近，还原层在氧化层下面。下吸式煤气发生炉的最大特点是干燥和干馏产物全部经过氧化层，焦油可在高温下分解，水分也生物质能化学转换技术：气化可参加反应生成水煤气；由于它的有效高度几乎不
21、变，工作稳定性好，工作中也可随时填料。但具有因煤气流方向与热气流方向相反，吸出煤气时需要消耗较多的能量，煤气经灰分层和存灰室吸出，含灰量高，煤气出炉温度也较高等缺点。生物质能化学转换技术：气化 流化床式煤气发生炉 是近年来发展起来的一种炉子。与固定床相比，流化床没有炉栅，一个简单的流化床由燃烧室、布风板组成。气化剂通过布风板进入流化床反应器中。根据气固流动特性，流化床分为鼓泡流化床、循环流化床和双床等。生物质气化炉生物质能化学转换技术：气化鼓泡流化床有一个热砂床，燃烧和气化在热砂上进行，空气通过热砂床形成泡状，造成一种“流动”，使燃料与空气彻底混合，提高燃烧效率。燃烧开始时，砂子需要预热。由于
22、砂子能保温较长时间，在中断后燃烧能很快重新开始。鼓泡流化床气体流动速度相对较低，几乎没有固体颗粒从流化床中逸出。生物质能化学转换技术：气化循环流化床中流态化速度相对较高，从流化床中携带出的颗粒在通过旋风分离装置收集后重新回到流化床中进行气化反应。双流化床与循环床相似，不同的是第一级反应器的流化介质被第二级反应器加热，在第一级反应器中进行裂解反应，在第二级中进行燃烧，以提高碳转化率。生物质气化炉流化床与固定床对比固定床与流化床都有着各自的优缺点和一定的适用范围。从技术性能上看，前者结构简单，坚固耐用；后者结构较复杂，安装后不易移动，但占地面积小，启动快，容量比固定床容量大。启动时，固定床加热比较
23、缓慢，需较长时间达到反应温度，流化床加热迅速，便于频繁起停。流化床与固定床对比运行过程中，固定床温度分布不均匀，固体在床内停留时间较长，气体停留时间短，压力降较低；流化床床温均匀，气固接触混合良好，气固停留时间都较短，压力降较高。固定床可在设计负荷的20-110%间变动，流化床中气流速度必须满足流化条件的需要，因此只能工作负荷在设计负荷的50-120%之间变化。流化床与固定床对比流化床对原料的要求较低。固定床的产物主要是低热值煤气，含有焦油、油脂等需要分离和净化处理的杂质。流化床产生的气体成分、热值稳定，焦油和氨的含量较低，但飞灰含量明显高于固化床燃气飞灰含量。流化床的投资成本要高于固化床，但
24、运行成本低于固化床。思考题：n1、燃料的挥发分、固定炭、灰分的概念n2、生物质燃料气化和燃烧的区别n3、简述上吸式气化炉的结构及功能生物质能化学转换技术：炭化3、炭化 通过炭化生物质可提高单位质量的能量密度，降低运输成本。由于木炭燃烧不冒烟，因此成为一种适合于家庭使用的燃料，在工业方面被用于一些对燃料有特殊要求的部门。与气化一样，炭化过程也是在隔绝空气或只通入少量空气的条件下使生物质受热发生分解反应。生物质能化学转换技术：炭化在烘制木炭过程中，一部分燃料燃烧保持热解所需要的温度，当温度达到280时，燃烧过程变成放热过程，即可停止向窑中供应氧气。根据木材炭化过程的温度变化和生成大致划分为 4 个
25、阶段：1）干燥阶段）干燥阶段 温度在125-150 以下，热解的生物质能化学转换技术：炭化速度非常缓慢，主要是靠外部供给的热量来蒸发木材中所含水分，木材的化学成分基本不变。2）预预炭炭化化阶阶段段 温度在150-275木材的热分解反应比较明显，木材的化学组成开始发生变化，木材中比较不稳定的成分（如半纤维素）分解成二氧化碳、一氧化碳和少量醋酸等物质。生物质能化学转换技术：炭化以上两个阶段都要求外界供给热量来保证热解温度上升，又称吸热分解阶段。3）炭炭化化阶阶段段 温度在 275-450，木材在此温度段进行急剧热分解，生成大量的液体分解产物，包括醋酸、甲醇和木焦油等；气体产物中二氧化碳量逐渐减少，
26、甲烷、乙烯等可燃性气体增多，此反应阶段放出大量反应热，称为放热反应阶段。生物质能化学转换技术：炭化4）煅煅烧烧阶阶段段 温度上升到 450-500 oC，这个阶段仍靠外部供给热量进行木炭的燃烧，排出残留在木炭中的挥发物质，提高木炭中固定碳的含量。此时，生成的液体产物已经很少。牛粪制备活性炭的工艺流程作业：n介绍一种或几种利用牛粪制备活性炭的技术要求：同学们课后查找资料，做10-15页ppt，讲清楚为技术的研究意义，研究方法，研究结果。发送邮箱：生物质能化学转换技术：催化液化 4、催化液化 液化是液体状态下低温、高压热化学转化过程，通常具有较高的氢分压并加入催化剂，以提高反应速度（或改善过程的选
27、择性）。同热解方法相比，这种方法可以生产出物理稳定性和化学稳定性都更好的液体产品，只需稍作改进就可以生产适合市场需求的碳氢化合物产品。生物质能物理转换技术固化5、生物质固化：所谓生物质固化就是将生物质粉碎成一定的颗粒，不添加胶黏剂，在高压条件下，挤压成一定形状。其粘结力主要靠挤压过程中所产生的热量，使生物质中的木质素产生塑化粘结。生物质固化解决了生物质能形状各异、堆积密度下且较松散，运输和储存不方便的问题。生物质能物理转换技术固化生物质固化是将秸杆、稻壳、锯末、木屑等有机废弃物，用机械加压的方法，使原来松散、无定型、低发热量的生物质原料压制成具有一定形状、密度较高的固体成型燃料，其大致工艺见图
28、3-4。生物质固化分为加粘结剂成型工艺和不加粘结剂成型工艺两大类。目前研制的机械多为不加粘结剂的加热成型工艺。生物质能物理转换技术固化生物质固化是将秸杆、稻壳、锯末、木屑等有机废弃物，用机械加压的方法，使原来松散、无定型、低发热量的生物质原料压制成具有一定形状、密度较高的固体成型燃料，其大致工艺见图3-4。生物质固化按生产工艺分为加粘结剂成型、压缩成型和热压成型等工艺。目前研制的机械多为不加粘结剂的压缩和热压成型工艺。生物质原料破碎干燥成型后处理图3-4 生物质压缩成型工艺生物质能物理转换技术生物质固化按成型物形状分为圆柱块状、棒状和颗粒成型等。用于生物固化成型的设备有螺旋挤压式、活塞冲压式和
29、环模滚压式等。生物质压缩成型技术生物质压缩成型技术生物质能生物转换技术：6、生物转换过程是利用原料的生物化学作用和微生物的新陈代谢作用生产气体和液体燃料，如生物乙醇、沼气等。（1）厌氧发酵（沼气发酵）这是一种用途多而又相对简单的技术。利用这种技术可有效而可靠地生产气体燃料。最常见的厌氧发酵是对动物粪便、农业废弃物和家庭垃圾的发酵处理。在厌氧发酵过程生物质能生物转换技术：沼气发酵中，有机物质完全被分解成气体，其基质中所含的能量有90%存留在甲烷气中。厌氧发酵的温度不同，出现的产甲烷细菌的种类也不同。嗜热性细菌在温度为45-60的发酵作用中最活跃，相比之下，嗜温性细菌在30-45时最活跃，而喜冷性
30、细菌则是在0-30时活跃。生物质能生物转换技术：厌氧发酵沼气是一种混合气体，其成分不仅取决于发酵原料的种类极其相对含量，而且随发酵条件及发酵阶段的不同而变化。当沼气池处于正常稳定发酵阶段时，沼气的体积组成大致为甲烷50-70%，二氧化碳30-40%，此外，还有少量的一氧化碳、硫化氢、氧气、氮气等气体。生物质能生物转换技术：厌氧发酵沼气发酵是一个复杂的微生物学过程。沼气发酵在自然界中广泛存在，传统的污水发酵反应器就是典型的沼气发生器，它主要包括一个连续运行的、完全混合的一次性处理过程，固体物质不循环使用。由于产甲烷的细菌单位增长速度慢，因此在常规反应器中废物需要在里面停留很长时间才能得到有效的发
31、酵。生物质能生物转换技术：厌氧发酵 70年代后，人们增加了对节能型厌氧发酵处理废物的研究兴趣，通过存留活性微生物，可大大减少污水在反应器中的存活时间。沼气发酵分为三个阶段：水解、产酸、产甲烷阶段，水解、产酸阶段合称为不产甲烷阶段。在实际发酵过程中，三个阶段是相互衔接和相互制约的，它们之间保持着动态平衡。图 3-5 沼气发酵的三个阶段生物质能生物转换技术：厌氧发酵沼气发酵的微生物可分为不产甲烷和产甲烷的微生物类群。不产甲烷微生物类群在沼气发酵过程中参与产酸阶段，有专性厌氧菌、好氧性菌和兼性厌氧菌等三类。产甲烷微生物类群是严格厌氧的。产甲烷菌只能利用比较简单的有机化合物和无机化合物。沼气发酵时，产
32、甲烷菌靠其他细菌代谢作用的终产物而生存。生物质能生物转换技术：厌氧发酵与有机物在好氧条件下进行分解代谢相比，沼气发酵的主要特点是：自身耗能少；能处理高浓度的有机废物；受温度影响较大；沼气微生物对营养要求较低，能处理的废物种类也比较多；发酵的主要终产物容易从发酵液中分离出来。这些都为人们利用废料能量创造了条件。生物质能生物转换技术：厌氧发酵沼气发酵的工艺条件要求是：严格的厌氧环境；发酵原料（除矿物油和木质素外）碳、硫、磷的是必需的元素，且要保持适当的碳氮比；温度波动不能过大；PH 值控制在6.5-7.5之间；适当搅拌可使温度均匀、细菌与原料充分接触，加快发酵速度，提高产气量和处理效率；有机负荷量
33、要适度，不能超负荷；沼气池内要保持比较稳定的压力；对生物质能生物转换技术：厌氧发酵一些特殊的废料（农药、重金属离子、氰化物、苯、酸类等）要添加适当的添加剂和抑制剂。生产出来的沼气主要应用方式是直接燃烧和用于内燃机燃料。沼气池的沉渣可用于农业有机肥，玉米酒糟等沼气发酵液可按一定比例加入动物基础饲料中。生物质能生物转换技术：乙醇发酵（2）乙醇发酵：利用糖、粮食、其他淀粉制造酒精被普遍认为是一种重要的潜在替代能源，可用于代替交通运输行业所需的液体。通过发酵来生产乙醇的原料可按碳氢化合物类型分为三类：即糖质材料、淀粉材料和纤维素材料。原料选择很关键，因为原材料成本一般相当于酒精最终售价的55-80%左
34、右。生物质能生物转换技术：乙醇发酵酒精发酵是一个复杂的工艺过程（图3-6）。在酒精发酵之前，还要对原料进行粉碎、蒸煮和糖化等过程。发酵过程是乙醇生产过程的核心。在这个过程中微生物把可发酵的糖转化为乙醇。在进行大规模工业化生产时，目前可使用的微生物只有酵母。现在正在对可替代酵母菌的发酵生物进行广泛研究。生物质 水解 中和 澄清 冷却 发酵 离心分离 粗馏 精馏 杂醇油酒精甲醇 图 3-6 酒精生产工艺流程生物质能生物转换技术：乙醇发酵酵母菌是一类单细胞微生物，繁殖方式以出芽繁殖为主。在自然界中酵母菌的种类很多，酒精发酵的一个重要问题是选育具有优良性能的酵母。酵母菌不能直接利用多糖，只能利用单糖或
35、双糖；大多数酵母菌不能利用硝酸盐。酵母菌能产生多种维生素，但在开始生长时也需要维生素类物质。酵母菌生长的适宜温度是 28-34 之间，它能生物质能生物转换技术：乙醇发酵适应于微酸性的环境中。酵母菌是兼性厌氧性微生物，在畅通空气条件下，酵母菌进行好氧性呼吸，繁殖旺盛，但产生的酒精少；在隔绝空气条件下，进行厌氧性呼吸，繁殖较弱，但产生大量酒精。因此，在酒精发酵初期应适当通气，使酵母细胞大量繁殖，累积大量的活跃细胞，然后再停止通气，使大量活跃细胞进行旺盛的发酵作用，生成酒精。生物质能生物转换技术：乙醇发酵对水和乙醇的混合液分离是生产的最后一个过程。传统的分离方法是在蒸馏塔中进行初步蒸馏，从发酵母液中
36、将乙醇分离出来并浓缩到95%，然后通过恒沸蒸馏阶段将其脱水精馏得到浓度达99%以上的无水纯酒精。此阶段需要一个蒸馏塔和一个回收塔。生物质能生物转换技术：乙醇发酵酒精发酵过程的主要产物是乙醇和二氧化碳，同时也伴随着产生多种副产品，对于发酵的副产品应加强控制和在蒸馏过程中提取，以保证酒精的质量。乙醇发酵过程中产生大量的二氧化碳，它们可被回收、压缩并可用做食品工业和饮料工业的添加剂，另外，它还可以制成干冰用于制冷。生物质能生物转换技术：乙醇发酵发酵后的废液中的酵母和其他不能溶解的成分作为酒糟从蒸馏釜中取出来。当用淀粉作原料时，酒糟中蛋白含量很高，蒸发晾干后可当作家畜饲料出售；糖发酵后的酒糟价值很低，
37、而且引起很大的废物处理问题。表3-1列出了几种转换技术类型目前所处的发展阶段。2.4 生物质能利用前景:未来展望n生物质的未来展望：评估生物质能转换的技术前景是十分困难的。这其中涉及生物质能的现代利用 和传统利用、工业化经济和非工业化经济、发达国家经济和发展中国家经济之间的区别问题。估计未来生物质能利用情况时，必须考虑到两种相互矛盾的趋势。首先，由于发展中国家的生物生物质能利用前景:未来展望利用正逐渐向矿物性燃料过渡；另一方面，基于以下三条主要原因，生物质能的利用有可能增加：发展中国家的人口增加，那里的人们主要依靠生物质来满足能源需求；工业化国家的环境压力；新的生物质能技术将提高效率和降低成本
38、。中短期内，废物和废弃物将在生物质能中占主要地位，从长远看，能源型作物将占有主要地位，生物质能利用前景：制约因素并将成为与矿物性燃料相等同的可再生能源。n推广利用生物质能的制约因素：制约生物质能的经济因素归纳起来主要有：生物质原料应用在其他领域会创造出更高的价值，因此面临着原料的竞争问题；生物质项目所处的各种外部环境都不如常规能源优越；来自高价值产品的生物质下脚料也会越来越少，并可能再投入到其他生物质能利用前景：制约因素市场循环；需要有鼓励政策，尤其是针对造林计划的鼓励政策；目前可获得的技术不完全成熟，对私人投资者来说要冒一定风险；石油价格很大程度上影响着生物质能的发展速度。人们普遍认为，在目
39、前的经济条件下，生物质能在发达国家是一种昂贵的能源。生物质能利用前景：制约因素伴随着生物质能的普及，将出现的一些重要环境问题和潜在制约因素是：需要保持生物的多样性；需要控制在生物质能生产和利用的过程中的污染物排放，通过合理管理生物质资源，使温室气体的排放和吸收达到平衡；需要保持和进一步保护重要的天然景区、自然风光、生态敏感区和重要的地区以及动、植物种类，还要保护各地的热带雨林和生物质能利用前景：制约因素原始森林、湿地、草原和其他稀有原生物种及迁移性种群赖以生存的环境。大型的生物质能计划也可能对社会造成严重的负面影响，由于人口的迅速增长，现代生物质的发展与食品生产之间将会在土地使用方面发生激烈竞
40、争。不论是从经济意义上来看，还是从社会的角度来看，生物质计划是非常复杂的，需要因地制宜。生物质能利用前景：制约因素从长远来看，下面的技术手段是最有前途的：直接燃烧生物质来生产热能、蒸汽或电能；利用能源作物生产液体燃料；生产木炭；生物质热解（气化）后用于电力生产；对农业废弃物、粪便、污水和城市固体废物进行厌氧消化，以免引起环境危害。生物质能利用前景值得注意的是，从能源角度看，生物质是一种能量分散型资源，适合于小规模利用。对生物质具体利用机遇的预测和分析，只能在局部地区完成和局部的实现。生物质利用的经济性问题取决于具体条件：不仅取决于生物质的可获取性和成本，还取决于在平衡能源、社会（经济）和环境这三者关系之后，把生物质发展放在什么样的社会优先地位。生物质能利用前景在利用生物质能生产燃料过程中，需要处理大量复杂的有机物，从而产生大量的固体、液体和气体废物。生物质能生产过程中会产生大量污染，会将一种污染物变成另一种完全不同的污染。由于缺少大规模的运作经验，污染问题的严重程度还有待确定。生物质能思考题1.生物质、生物质能、生物质材料的定义；2.列举生物质材料的种类及用途；3.化学处理生物质能资源的基本原理（燃烧、气化、炭化、沼气发酵）；