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1、第四章可再生能源与环境保护4.3 生物质能本次课主要内容4.3 生物质能什么是生物质能？生物质能的利用方式有哪些？生物质发电的基本原理是什么？4.4 风能 讲述风能的基本含义；风能资源；风力发电的基本原理；4.3 生物质能一、概述生物质通过光合作用而直接或间接形成的各种有机体，包括所有的动物、植物和微生物等等。含量巨大：每年植物光合作用固定的碳所含能量是世界4能耗的10倍。城市垃圾：100亿吨/年有机废水：4500亿吨/年动物粪便：100亿吨/年生物质的物质组成纤维素，半纤维素，木质素，水分，挥发分，灰分，类脂物，蛋白质，单糖、淀粉，等等能源植物 以提供能源为目的的植物糖类能源植物：可直接发酵
2、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。6 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。生物质能（biomass energy）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。是唯一一种可再生的碳源。是太阳能的一种表现形式。生物质能源、资源的特点挥发组分高，易燃，燃烧相对充分；生物质的大部分挥发组分可在400C左右释放出，而煤在800C 才释放出
3、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，燃料热值低生物质直接燃烧(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1 5%20%的水;(2)挥发分（低分子量物质）的释放燃烧16(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。(5)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生物质能直接燃烧
4、技术城市固体废弃物的燃烧垃圾燃烧供暖、发电欧洲国家垃圾发电的装机容量占世界总量的一半生物质能直接燃烧技术城市固体废弃物燃烧发电的现状迫于公众的压力，得不到发展环保组织鼓励循环利用减少污染优于垃圾直接填埋方式1、微生物转化1）沼气原料：农业废弃物，秸秆，杂草，树叶等，家畜粪便农、工业的废水废物，如酒糟，糖渣等19农、工业的废水废物，如酒糟，糖渣等沼气发酵的原理：沼气发酵是指有机物在厌氧条件下，被沼气微生物分解代谢，最后形成以甲烷和二氧化碳为主的混合气体，是一个生物化学过程。沼气成分主要成分：甲烷50-70%,CO 2 30-40%，少量H 2，N 2，CO，H 2 S和NH 3广泛分布于大自然中
5、：沼泽、积水粪坑、池塘、江河底部气泡沼气必要条件沼气成分20优良的沼气细菌严格厌氧条件充足发酵原料适宜的发酵温度合适的料液浓度中性适度的pH值各种原料的比较：农业废物沼气发酵时的分解率一般只有50左右。秸秆由木质素、纤维素、半纤维素、果胶和蜡质等化合物组成。进行沼气发酵秸秆难于消化，其中木质素不能被分解，纤维索分解也慢。可溶性原料就较容易消化沼气发酵时废水中可溶性有机质往往可去除90以上。21沼气发酵时废水中可溶性有机质往往可去除90以上。秸秆表面有蜡质，不容易被微生物破坏，所以要预先处理动物粪便是富氮性原料。其CN251。粪便类原料颗粒较细，合有较多低分子化合物，分解产气速度快，不需预处理。
6、厌氧发酵产气影响因素A）原料：人畜粪便、稻草、麦草、玉米秸秆、青杂草比较快：秸秆原料木质素含量高，C/N比高，分解速度慢，粪便类原料C/N比低，分解快。B）温度：8-65C都可以产气，温度越高，速度越快。22C）酸碱度：最适宜pH范围6.8-7.58发酵受到抑制，甚至停止产气。D）压力：双重影响，可以影响成分和总产气量CO 2 可溶于水，而甲烷不能，所以压力增加，CO 2 含量减少，相当于甲烷含量增加了。生物质发酵制酒精1、酒精的性质化学分子式：C 2 H 5 OH无色透明，易挥发燃烧，无污染。有醇香。2、微生物发酵制取酒精工业合成酒精在饮料，医药和食品方面难以取代发生物质发酵制酒精25工业合
7、成酒精在饮料，医药和食品方面难以取代发酵酒精。3、按照原料不同，可以分为：淀粉质原料发酵：甘薯，木薯，玉米，马铃薯，大麦、大米，高梁等糖蜜原料发酵：糖厂废蜜，甘蔗蜜，甜菜糖蜜，甜高粱等纤维素水解制酒精：木屑水解26纤维素水解制酒精：木屑水解4、原理生物质热化学转化三种：热干馏（炭、燃气）热裂解气化（可燃气）不足供氧情况下，“焖”出煤气(CO)热裂解液化生物质热化学转化27 热裂解液化中温闪速热裂解，“生物油”干燥阶段：120-150度以下预炭化阶段：150-275度以下，半纤维素等不稳定成分分解为二氧化碳，一氧化碳，少量醋酸液等物质。炭化阶段：275-450度以下，甲烷，乙烯等可燃气体，醋酸，
8、甲醇和木焦油等，放出大量热量。在釜内隔绝空气加热，得到液体木醋酸，木煤气和炭木材干馏过程28甲醇和木焦油等，放出大量热量。煅烧阶段：450-500度，排除残留挥发份。木质素：310-420分解最快纤维素：300-375 半纤维素：225-325 生物质热化学转化生物质热裂解气化原理：在一定热力学条件下，在只提供有限氧的情况下，生物质不完全燃烧，生成一氧化碳、氢气和低分子烃气体等可燃气的过程。工艺过程：进料气化反应器净化系统后处理系统生物质气化 将生物质转化为CH 4、CO、H 2 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
9、体。30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生物质气化技术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(Low CV)：46MJ/Nm 3使空气33使用空气中热值(Medi um CV)1218MJ/Nm 3使用氧气或水蒸汽高热值(Hi gh CV)40MJ/Nm 3使用氢气干燥区（100 250 C）水分蒸发热解区（250 C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（1000
10、C以上）高温热解气体产物和焦炭与氧气发生燃烧反应34气化反应过程原理图燃烧反应还原区（700900 C）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、H 2、CH 4、CmHn、CO 2 等。生物质气化过程中焦油的生成当生物质被加热到250 C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500 C时焦油的产量最高随着温度的升36 温度为500 C时焦油的产量最高，随着温度的升高和停留时间的增加，焦油的含量会明显地减少。在600 C以上时，焦油以气体的形式存在于热解气中，在低温下则以液体的状
11、态存在。焦油难以完全燃烧，容易产生碳黑等颗粒，对燃气利用设备等损害严重生物质燃气的净化干式净化利用旋风除尘器和扩散除尘器进行两级净化，而后再利用冷凝器将气体冷却；降温困难高温气态焦油难以去除37湿式净化器结构原理图降温困难，高温气态焦油难以去除，因此焦油含量较高。湿式净化方式湿式净化效果较好，但设备复杂，运行费用高生物质的热解原理 生物质在基本无氧的环境中受热分解，生成固体炭、液体燃料和气体的过程干燥阶段在150C左右，蒸出物料中的水分。预热解阶段38 预热解阶段在150300C左右，物料化学组成开始发生变化，不稳定成分（如半纤维素）分解成CO 2、CO和少量醋酸等物质。固体分解阶段在3006
12、00C左右，生成醋酸、木焦油和甲醇等液体和CO 2、CO、CH 4、H 2 等气体物质。此阶段放热生物质快速热裂解液化：原理：生物质快速热解液化是在传统裂解基础上发展起来的一种技术，相对与传统裂解，它采用超高加热速率（102-104K/s），超短产物停留时间及适中的裂解温度，使生物质中的有机高聚物分子在隔绝空气的条件下迅速断裂为短链分子，使焦炭和产物气降到最低限度，从而最大限度获得液体产品。生物质热裂解液化技术40得液体产品。生物油：这种液体产品被称为生物质油(bio-oil)，为棕黑色黏性液体，热值达20 MJ/kg左右，可直接作为燃料使用，也可经精制成为化石燃料的替代物。生物油的特性：高密
13、度（约1200Kg/m 3）；酸性（pH值为2.83.8）；生物质热裂解液化技术41 酸性（pH值为2.83.8）；高水分含量（15%30%）；较低的发热量（1420MJ/Kg）。影响因素1）温度350-500是生物质热裂解液化最有意义的温度段，碳产量随温度升高而减少液体产量在该范围达到最大。温度进一步升高，液体分子被分解成更小的气体分子。发生生物油二次反应。2）升温速率和滞留期422）升温速率和滞留期常规热裂解温度较低，升温速率较低，滞留期在数分钟，快速（闪速）热裂解滞留期很短，几秒，甚至几百毫秒。如果主要产物目标是气体和液体，则采用高升温速率的快速热裂解和闪速热裂解。3）生物质颗粒大小生物
14、质颗粒的传热传质决定了生物质热裂解过程。颗粒的大小是影响热裂解速率的决定性因素粒径小于1mm，动力学速率控制热裂解过程粒径大于1mm，热裂解过程受动力学和传热传质现象共同控制1压缩成型的意义单位容积的热值和密度增加，一般的农林废弃物压缩后，密度可达1.2-1.4t/m 3，热值达到16744kJ/kg，体积缩小6-8倍。热性能优于木材，相当于中值烟煤。1）部分有机质软化为粘结剂2）外表面形成光滑碳化层，不至于粘结在模具内1）破坏原有物相结构，组成新物相提供加热的目的提供压力的目的461）破坏原有物相结构，组成新物相2）提高成型强度和刚度3）提供成型动力英国在建生物质发电厂高85米，以棕榈壳为原
15、料。供十万多户家庭热量和能源使用。生物质塑料利用玉米粉、土豆粉、木薯粉，甚至橘皮等生物淀粉类农业产品与聚乙烯、聚丙烯、偶连剂、添加剂等化工基产品混合，通过电子、化工、生物工程和机械加工等多学科交叉工艺生产的生物质塑料合成树脂。其生物质含量可达到53叉工艺生产的生物质塑料合成树脂。其生物质含量可达到30%70%，具有化工塑料树脂的全部功能，可制造成薄膜类、发泡填充类和硬片等上百种生物质塑料环保制品，这些生物质塑料制品还可以通过环境微生物的作用降解。”生物自毁塑料“美国密茨根大学生物学家提出了“种植”可分解塑料的设想，他们用土豆和玉米为原料，植入塑料的遗传基因，使它们能在人工控制下生长出不含有害成
16、分的生物塑料。荷兰科学家发明一种塑料，植入体内大约两年便自行分解，54荷兰科学家发明一种塑料，植入体内大约两年便自行分解，变成二氧化碳和水。还有一种线状生物自毁塑料，可以代替传统的医用外科手术线缝合伤口。这种塑料手术线，可被身体逐渐吸收，免除拆线之苦恼。此外，用生物自毁塑料制成的药用胶囊，在体内会慢慢溶解，并且可控制药物进入血管的速度。2008年三星手机E200 ECO是完全基于环保技术的要素而设计的，利用生物塑料作为材料制造，该生物塑料35%的原材料由非石油加工的天然材质构成，因而减少了工厂在制作过程中燃料的消耗和碳排放量。此次采用的这种材料取自玉米等谷物，具有水溶性，同时又不含有如铅、汞和
17、镉等重金属元素，更容易在自然环境中分解，不会造成生物质塑料55污染。4.4 风能风能就是空气运动的动能，是指风所负载的能量。风能的大小决定于风速和空气的密度。由于风压与风速的二次方成正比，风能与风速三次方成正比，因此，风速越大，能量越高。什么是风？地球上任何地方都在吸收太阳的热量，但是由于地面每个部位受热的不均匀性，空气的冷暖程度就不一样，于是，暖空气膨胀变轻后上升；冷空气冷却变重后下降，这样冷暖空气便产生流动，自转转59形成了风。而且由于地球自转、公转的力量及地形之不同也更加强风力和风向之变化多端。其成因缘于地球自转及太阳热辐射不均引起的空气循环流动。风能特点四大优点：1)蕴量巨大；2)可以
18、再生；3)分布广泛；4)没有污染。三大弱点：1)密度低由于风能来源于空气的流动，而空气的密度是很小的，因此风能是利用风力机将风能转化为电能、热能、机械能等各种形式的能量，用于发电、提水、助航、制冷和制热等。62由于风能来源于空气的流动，而空气的密度是很小的，因此风力的能量密度也很小，只有水力的1/1000。风能特点三大弱点：2）不稳定由于气流瞬息万变，因此风的脉动、日变化、季变化以至年际的变化都十分明显，波动很大，极不稳定。633）地区差异大由于地理位置和地形的影响，风力的地区差异非常明显。即使在一个邻近的区域，有利地形下的风力，往往是不利地形下的几倍甚至几十倍。一、风能资源据估计到达地球的太
19、阳能中虽然只有大约2转化为风能，其总量仍十分可观。全球的风能约为2.74 10 9 MW，其中可利用风能为2 10 7 MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。64球上可开发利用的水能总量还要大10倍。我国风能资源较丰富，全国风能密度100Wm 2，风能资源总储量约1.6 10 5 MW；风能作为一种高效清洁的新能源日益受到重视。我国风能的分布风能最佳区：指风速3米秒以上超过半年。6米秒以上超过2200小时的地区。包括西北的克拉玛依、甘肃的敦煌、内蒙的二连等地，沿海的大连。威海、嵊泗、舟山、平潭一带。70 风能较佳区：指一年内风速超过3米秒在4000小时以上，6米秒以上的多于1500小
20、时的地区。包括西藏高原的班戈地区。唐古拉山，西北的奇台、塔城，华北北部的集宁、锡林浩特、乌兰浩特；东北的嫩江、牡丹江、营口以及沿海的塘沽、烟台、莱州弯、温州一带。我国风能的分布风能可利用区：指一年内风速大于6米秒的时间为1000小时，风速3米秒以上，超过3000小时的地区。包括新疆的乌鲁木齐、吐鲁番、哈密、甘肃的酒泉、宁夏的银川以太北京沈济南海合等71及太原、北京、沈阳、济南、上海、合肥等地区。三、我国风能利用情况中国现代风力发电机技术的开发利用始于20世纪70年代，大风力发电技术的应用起始于20世纪80年代，风力发电技术的商业化发展则是90年代初期。2004年全国在建项目的装机容量约150万
21、千76期。2004年全国在建项目的装机容量约150万千瓦。2005年底并网风力发电装机容量，名列世界第十，亚洲第三。风能发电的原理 利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。风力发电机：由空气流动转动叶轮以撷取风的动能，进而转换成有用的机械能或电能。小型风力发电系统组成：风力发电机充电器数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；79 机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。风力发电成本与风速有关。当风速超过启动风速（约35m/s）时，风速越快，风力发电成本越低。风力机的分类风力机大都按风能接收装置的结构形式和空间布置来分类，一般分为水平轴结构和垂直轴结构两类。水平轴风力机按叶片形式有双叶式、三叶式和多叶式，按气流方向分顺风式和逆风式，还有扩散器式、集中器式等。垂直轴风力机的分类84风力机有型叶片式、型多叶片式、型风轮、太阳能风力透平、偏导器式等。复习题：什么是生物质能？生物质能的利用方式有哪些？生物质发电的基本原理是什么？什么是风？全球风能资源状况如何？风力发电的原理是什么？