1、生物質能源應用簡介生物質能源應用簡介李先豪李先豪20112011年年1111月月1616日日內容提要內容提要1 生物質能生物質能2 生物質固硫型煤技術生物質固硫型煤技術3 生物質熱解與直接液化技術生物質熱解與直接液化技術4 生物質氣化技術生物質氣化技術5 生物燃料生物燃料6 生物質能開發利用技術展望生物質能開發利用技術展望1.1 1.1 生物質與生物質能生物質與生物質能生物質的廣義概念：生物質包括所有的植物、微生物以及以植物、生物質的廣義概念：生物質包括所有的植物、微生物以及以植物、微生物為食物的動物及其生產的廢棄物。有代表性的生物質如農微生物為食物的動物及其生產的廢棄物。有代表性的生物質如農

2、作物、農作物廢棄物、木材、木材廢棄物和動物糞便。作物、農作物廢棄物、木材、木材廢棄物和動物糞便。生物質的狹義概念：生物質主要是指農林業生產過程中除糧食、生物質的狹義概念：生物質主要是指農林業生產過程中除糧食、果實以外的秸稈、樹木等木質纖維素（簡稱木質素）、農產品加果實以外的秸稈、樹木等木質纖維素（簡稱木質素）、農產品加工業下腳料、農林廢棄物及畜牧業生產過程中的禽畜糞便和廢棄工業下腳料、農林廢棄物及畜牧業生產過程中的禽畜糞便和廢棄物等物質。物等物質。生物質的特點：可再生性、低污染性、廣泛分布性。生物質的特點：可再生性、低污染性、廣泛分布性。生物質能：生物質能是太陽能以化學能形式貯存在生物中的一種

3、生物質能：生物質能是太陽能以化學能形式貯存在生物中的一種能量形式，直接或間接來源于植物的光合作用。地球上的植物進能量形式，直接或間接來源于植物的光合作用。地球上的植物進行光合作用所消費的能量，占太陽照射到地球總輻射量的行光合作用所消費的能量，占太陽照射到地球總輻射量的0.2%，這個比例雖不大，但絕對值很驚人：光合作用消費的能量是目前這個比例雖不大，但絕對值很驚人：光合作用消費的能量是目前人類能源消費總量的人類能源消費總量的40倍。倍。 1.2 1.2 生物質能的轉化利用技術生物質能的轉化利用技術2.1 2.1 生物質固硫型煤生產工藝生物質固硫型煤生產工藝2.2 2.2 生物質固硫型煤燃燒特性生

4、物質固硫型煤燃燒特性1）點火性能）點火性能 可燃基揮發分比原煤高，進入爐膛后，生物質首先燃燒，使型可燃基揮發分比原煤高，進入爐膛后，生物質首先燃燒，使型煤短時間達到著火點，生物質燃料燃燒后體積收縮，使型煤產生煤短時間達到著火點，生物質燃料燃燒后體積收縮，使型煤產生很多孔道及空襲，形成多孔形球體。很多孔道及空襲，形成多孔形球體。2）燃燒機理）燃燒機理 靜態滲透式擴散燃燒靜態滲透式擴散燃燒 燃燒由表面及不斷深入到內部，不會發生熱解析炭冒煙現象。燃燒由表面及不斷深入到內部，不會發生熱解析炭冒煙現象。3）固硫特性）固硫特性 生物質比煤先燃燒，形成的空隙起到了膨化疏松作用，使固硫生物質比煤先燃燒，形成的

5、空隙起到了膨化疏松作用，使固硫劑劑CaO顆粒內部不易發生燒結，可使空襲率增加，增大顆粒內部不易發生燒結，可使空襲率增加，增大SO2和和O2向向CaO顆粒內的擴散作用，提高鈣的利用率。顆粒內的擴散作用，提高鈣的利用率。 可在較低的可在較低的Ca/S下，使固硫率達到下，使固硫率達到50%以上。以上。3.1 3.1 生物質熱化學轉換生物質熱化學轉換3.2 3.2 生物質熱解技術生物質熱解技術燒炭：少量空氣進行熱分解制取木炭的方法。燒炭：少量空氣進行熱分解制取木炭的方法。 干餾（低溫干餾干餾（低溫干餾500-580 0C，中溫干餾，中溫干餾660-750 0C，高溫干餾，高溫干餾900-1100 0C

6、）：隔絕空氣的環境加熱，制取醋酸、甲醇、木焦油抗聚劑、木餾油和木）：隔絕空氣的環境加熱，制取醋酸、甲醇、木焦油抗聚劑、木餾油和木炭等產品。炭等產品。 快速熱解：在缺氧的情況下快速加熱，然后迅速將其冷卻為液態生物原油快速熱解：在缺氧的情況下快速加熱，然后迅速將其冷卻為液態生物原油的熱解方法。盡可能獲得更多的液體產物。的熱解方法。盡可能獲得更多的液體產物。3.3 3.3 生物質熱解過程與原理生物質熱解過程與原理1）生物質熱解過程和產物）生物質熱解過程和產物過程過程-a. 干燥階段：干燥階段：120-150 0C，水分蒸發。，水分蒸發。 b. 預炭化階段：預炭化階段：150-275 0C，木材化學組

7、成發生變化，不穩定組分分解，木材化學組成發生變化，不穩定組分分解為為CO2、CO和少量醋酸。和少量醋酸。 c. 炭化階段：炭化階段：275-450 0C，木材急劇熱分解，產生大量產物，發出大量，木材急劇熱分解，產生大量產物，發出大量的反應熱。的反應熱。 d. 煅燒階段：煅燒階段：450-500 0C，進行木炭的煅燒，排除殘留在木炭中的揮發，進行木炭的煅燒，排除殘留在木炭中的揮發物質，提高木炭中固定碳含量。物質，提高木炭中固定碳含量。產物產物-固體：木炭固體：木炭 液體：粗木醋酸，包括液體：粗木醋酸，包括200種以上有機物，酸類、醇類、醛類、酯類、種以上有機物，酸類、醇類、醛類、酯類、酚類、芳香

8、化合物、雜環化合物及胺類等。酚類、芳香化合物、雜環化合物及胺類等。 氣體：氣體：CO2、CO、CH4、C2H4 和和H2 2）生物質熱解的原理）生物質熱解的原理包括分子鍵斷裂，異構化和小分子聚合等反應。包括分子鍵斷裂，異構化和小分子聚合等反應。3）影響生物質熱解的因素）影響生物質熱解的因素 a.熱解的最終溫度：木炭產量隨溫度升高逐漸降低熱解的最終溫度：木炭產量隨溫度升高逐漸降低 木醋酸組成在木醋酸組成在270-400 0C變化較大，變化較大，4000C變化變化不顯著。不顯著。 b. 升溫速率：加熱速率加快，木炭產量下降，焦油產量增加，最大可升溫速率：加熱速率加快，木炭產量下降，焦油產量增加，最

9、大可達達80%的生物原油產率的生物原油產率 c. 壓力：在壓力：在1.33Pa的真空下熱解，不釋放熱量，的真空下熱解，不釋放熱量，3.15MPa熱解，放大熱解，放大量的熱。量的熱。 d. 含水率：含水率過高，熱解所需時間較長。較干的木材熱解會放熱含水率：含水率過高，熱解所需時間較長。較干的木材熱解會放熱較快，降低木炭產量較快，降低木炭產量 e. 木炭的形態：沿纖維方向的熱導率比纖維垂直方向的熱導率大。木炭的形態：沿纖維方向的熱導率比纖維垂直方向的熱導率大。 f. 反應的氣氛：采用過熱蒸汽處理，可得到酸率反應的氣氛：采用過熱蒸汽處理，可得到酸率8%。 3.4 3.4 生物質快速熱解技術生物質快速

10、熱解技術1）生物質快速熱解）生物質快速熱解 生物質在缺氧的狀態下，在極短的時間（生物質在缺氧的狀態下，在極短的時間（0.5-5s）加熱到）加熱到500-540 0C，然后其產物迅速冷凝的熱解過程。然后其產物迅速冷凝的熱解過程。2）快速熱解工藝）快速熱解工藝 3.5 3.5 生物原油的燃料特性及應用生物原油的燃料特性及應用1）相對密度）相對密度 液體燃料在液體燃料在20 0C下的密度與下的密度與4 0C水的密度之比，生物燃油為水的密度之比，生物燃油為1.2，柴，柴油為油為0.85，熱值相當于，熱值相當于40%相同質量的燃油。相同質量的燃油。2）熱穩定性）熱穩定性 加熱到加熱到100 0C以上時，

11、會析出占原有質量以上時，會析出占原有質量50%的木炭。的木炭。 因此需要加氫裂解或水蒸氣裂解因此需要加氫裂解或水蒸氣裂解3）應用）應用 替代燃油在固定場所應用替代燃油在固定場所應用 提取化工原料提取化工原料 3.6 3.6 生物質生物質直接液化技術直接液化技術生物質在高壓下，直接與氫氣發生反應，轉化為液體燃料的熱化學反應過程。生物質在高壓下，直接與氫氣發生反應，轉化為液體燃料的熱化學反應過程。一般需使用催化劑。一般需使用催化劑。熱解與液化的區別熱解與液化的區別熱化學過程熱化學過程催化劑催化劑壓力壓力/MPa主要產物主要產物熱解熱解不需要不需要0.1-0.5生物原油生物原油液化液化需要需要5-2

12、0液化油液化油工藝：工藝：1）一步法催化加氫液化技術）一步法催化加氫液化技術 由德國開發，連續液化（由反應器、熱分離器和冷卻器組成），由德國開發，連續液化（由反應器、熱分離器和冷卻器組成），生物質顆粒與催化劑和循環油混合，反應在生物質顆粒與催化劑和循環油混合，反應在20MPa氫分壓和氫分壓和380 0C下下進行約進行約15 min，進入氣相的液體產品在熱分離器中快速蒸餾，塔底重，進入氣相的液體產品在熱分離器中快速蒸餾，塔底重油用作循環油，其余液體產物冷卻到室溫后得到沸程油用作循環油，其余液體產物冷卻到室溫后得到沸程60-360 0C的油的油品，其中品，其中99%為正己烷可溶物。為正己烷可溶物。

13、2）水中液化）水中液化 日本開發，間歇反應器，以日本開發，間歇反應器，以He為載氣，反應溫度為為載氣，反應溫度為250-400 0C，催化劑為堿金屬的碳酸鹽，產油率為催化劑為堿金屬的碳酸鹽，產油率為50%（采用發酵殘渣為原料）。（采用發酵殘渣為原料）。Na2CO3+H2+2CO-2HCOONa+CO22C6H10O5+2HCOONa-2C2H10O4+H2O+CO2+Na2CO33）煤與生物質共同液化）煤與生物質共同液化 可降低煤的液化溫度，增加低分子量的戊烷可溶物，生物質與煤可降低煤的液化溫度，增加低分子量的戊烷可溶物，生物質與煤相互作用機理不明。相互作用機理不明。 液化油的性質：液化油的性

14、質： 高黏度、高沸點的酸性物質高黏度、高沸點的酸性物質4.1 4.1 氣化的基本原理氣化的基本原理1）氧化層）氧化層C+O2CO22C+O2-2CO2CO+O2-2CO22H2+O22H2O2）還原層）還原層C+H2OCO+H2C+CO22COC+2H2CH4 4.2 4.2 氣化過程的指標氣化過程的指標1）氣體產率）氣體產率單位質量生物質氣化所得的燃氣體積，單位質量生物質氣化所得的燃氣體積，m3/kg2）氣化強度）氣化強度氣化爐中每單位截面積每小時氣化生物質質量氣化爐中每單位截面積每小時氣化生物質質量kg/m2.h 3）氣化效率，又稱冷氣體效率）氣化效率，又稱冷氣體效率單位質量生物質氣化所得

15、到的燃氣在完全燃燒時所放出的熱量與氣化使用的生單位質量生物質氣化所得到的燃氣在完全燃燒時所放出的熱量與氣化使用的生物質發熱量之比，是衡量氣化過程的主要指標。物質發熱量之比，是衡量氣化過程的主要指標。%100kg/kJkg/m)m/kJ(%33）生物質發熱量（）氣體產率（燃氣熱值）氣化效率（4.34.3氣化的分類氣化的分類 無氣化劑無氣化劑 干餾氣化干餾氣化生物質氣化生物質氣化 空氣氣化空氣氣化 氧氣氣化氧氣氣化 有氣化劑有氣化劑 水蒸氣氣化水蒸氣氣化 水蒸氣水蒸氣-空氣氣化空氣氣化 氫氣氣化氫氣氣化4.44.4氣化的設備氣化的設備 下吸式氣化爐（逆流式氣化爐）下吸式氣化爐（逆流式氣化爐） 固定

16、床氣化爐固定床氣化爐 上吸式氣化爐（順流式氣化爐）上吸式氣化爐（順流式氣化爐） 橫吸式氣化爐橫吸式氣化爐生物質氣化爐生物質氣化爐 鼓泡床氣化爐鼓泡床氣化爐 流化床氣化爐流化床氣化爐 循環流化床氣化爐循環流化床氣化爐 雙床氣化爐雙床氣化爐 攜帶床氣化爐攜帶床氣化爐4.54.5生物質燃氣凈化生物質燃氣凈化4.64.6生物質燃氣的主要用途生物質燃氣的主要用途 水洗：除塵、除焦、冷卻三種功能水洗：除塵、除焦、冷卻三種功能 過濾：除塵、除焦過濾：除塵、除焦 靜電除焦：效率可達靜電除焦：效率可達90% 催化裂化：將焦油裂解成小分子氣體。催化裂化：將焦油裂解成小分子氣體。1）提供熱量）提供熱量 直接燃燒，燃

17、料適應性廣。直接燃燒，燃料適應性廣。2）氣化發電）氣化發電3）化工原料）化工原料 制造甲醇制造甲醇 二甲醚二甲醚 合成氨等。合成氨等。 5.15.1概述概述5.25.2生物柴油生物柴油1）定義）定義生物燃料：以生物質為原料生產的液體燃料，如生物柴油、乙醇和二甲醚等。生物燃料：以生物質為原料生產的液體燃料，如生物柴油、乙醇和二甲醚等。2）生物燃料的優勢）生物燃料的優勢可持續發展可持續發展減少溫室氣體排放減少溫室氣體排放促進區域經濟發展促進區域經濟發展a. 能源安全能源安全 1）生物柴油）生物柴油 以植物油（油菜、向日葵、大豆、棕櫚油等）為原料，通過化學方法獲以植物油（油菜、向日葵、大豆、棕櫚油等

18、）為原料，通過化學方法獲得的一種生物燃料。得的一種生物燃料。 2）化學法生產生物柴油）化學法生產生物柴油植物油植物油過濾過濾酯化酯化清洗清洗催化劑催化劑甲醇甲醇/乙醇乙醇甘油混合物甘油混合物生物柴油生物柴油 對于含有游離脂肪酸、聚合物及分解物等雜質的高酸值油質進行酯化前，對于含有游離脂肪酸、聚合物及分解物等雜質的高酸值油質進行酯化前，需進行預處理。兩種方法：需進行預處理。兩種方法：a. 物理精煉物理精煉 將油脂將油脂-水化或磷酸處理水化或磷酸處理-脫出磷脂及膠質脫出磷脂及膠質-預熱脫水、脫氣預熱脫水、脫氣加入過量加入過量蒸汽蒸汽-蒸出游離酸蒸出游離酸b. 甲酯預酯化甲酯預酯化 油脂油脂脫磷脂及

19、膠質脫磷脂及膠質脫水脫水加入乙醇加入乙醇+酸性催化劑酸性催化劑-游離酸聲稱甲酯游離酸聲稱甲酯3）生物柴油的燃料特性）生物柴油的燃料特性生物柴油與常規柴油的特性比較生物柴油與常規柴油的特性比較主要燃料特性主要燃料特性生物柴油生物柴油 常規柴油常規柴油主要燃料特性主要燃料特性生物柴油生物柴油 常規柴油常規柴油相對密度相對密度0.880.83十六烷值十六烷值5649動力粘度動力粘度40 0C/mm2/s4-62-4燃燒功效（柴油燃燒功效（柴油=100%）/%104100閉口閃點閉口閃點/0C10060S（質量分數）（質量分數）/%0.0010.25.35.3生物燃料乙醇生物燃料乙醇1）乙醇的制備方法

20、）乙醇的制備方法 a. 化學合成法化學合成法 乙烯水合法（硫酸水合法、直接水合法），乙醛加氫法乙烯水合法（硫酸水合法、直接水合法），乙醛加氫法 b. 發酵法發酵法 利用微生物的發酵作用將糖份活淀粉轉化為乙醇的方法。利用微生物的發酵作用將糖份活淀粉轉化為乙醇的方法。 世界世界60%乙醇由甜菜發酵而成，乙醇由甜菜發酵而成，7%化學合成，化學合成，33%其他原料，其他原料，1998年統計數據。年統計數據。2）無水乙醇的制備）無水乙醇的制備 a. 吸水劑脫水法吸水劑脫水法 CaO+H2OCa(OH)2 CaO+2CH3COOH(CH3COO)2Ca+H2O 副反應副反應 b. 分子篩法分子篩法 水分可

21、被沸石分子篩吸附（吸附的水分可被沸石分子篩吸附（吸附的3/4為水，為水，1/4為乙醇）為乙醇） c. 共沸脫水法共沸脫水法 向乙醇水溶液中加入苯或戊烷、環己烷等，形成三元共沸物。向乙醇水溶液中加入苯或戊烷、環己烷等，形成三元共沸物。 d. 真空蒸餾法真空蒸餾法 真空條件下，乙醇真空條件下，乙醇-水的共沸物向乙醇濃度增大的方向發展。水的共沸物向乙醇濃度增大的方向發展。 e. 蒸餾蒸餾-膜脫水法膜脫水法 將蒸餾的酒精通過高分子膜塔制得無水乙醇。將蒸餾的酒精通過高分子膜塔制得無水乙醇。 2）無水乙醇的制備）無水乙醇的制備 f. 加鹽脫水法加鹽脫水法 向乙醇中加入向乙醇中加入CaCl2或或KCl等，改

22、變其平衡狀態，使共沸點消失。等，改變其平衡狀態，使共沸點消失。 g. 有機物吸附脫水法有機物吸附脫水法 應用多糖物質，淀粉、玉米粉、纖維渣等作吸附脫水劑。應用多糖物質，淀粉、玉米粉、纖維渣等作吸附脫水劑。 h. 離子交換脫水法離子交換脫水法 用離子交換樹脂作為吸附劑。用離子交換樹脂作為吸附劑。5.45.4甲醇甲醇1）甲醇性質）甲醇性質 又稱木醇或木精，有毒，飲入又稱木醇或木精，有毒，飲入5-10 ml即雙目失明，大量則至死。在即雙目失明，大量則至死。在汽油中可以摻入汽油中可以摻入25%，提高辛烷值。，提高辛烷值。甲醇的燃料特性甲醇的燃料特性性質性質數值數值性質性質數值數值相對密度（相對密度（2

23、0 0C）0.80餾程餾程/0C65辛烷值辛烷值100熱值熱值/（kJ/kg）19647閃點閃點11汽化潛熱汽化潛熱/（kJ/kg）11052）甲醇生產工藝）甲醇生產工藝 生物質生物質-合成氣的制造合成氣的制造-合成氣凈化合成氣凈化-甲醇合成甲醇合成-甲醇精餾甲醇精餾兩類催化劑：兩類催化劑：ZnO-Cr2O3為基礎的改良氧化物系統催化劑，反應壓力為基礎的改良氧化物系統催化劑，反應壓力34MPa, 溫度溫度 320-380 0C，轉化率，轉化率12-15%。CuO-ZnO/Al2O3的二代催化劑，反應壓力的二代催化劑，反應壓力2-5 MPa，溫度，溫度250-260 0C。3）甲醇轉化制汽油）甲

24、醇轉化制汽油 由美國由美國Mobile公司開發，公司開發，ZSM-5分子篩為催化劑，使甲醇脫水、分子篩為催化劑，使甲醇脫水、低聚和異構化轉化為汽油，可得到含量低聚和異構化轉化為汽油，可得到含量40%，辛烷值為，辛烷值為95的無氮、無硫的無氮、無硫汽油。汽油。 CH3OH+H2OCH3OCH3-脂肪烴、環烷烴、芳香烴。脂肪烴、環烷烴、芳香烴。4）甲醇的應用）甲醇的應用 汽油添加劑、燃料電池、化工原料。汽油添加劑、燃料電池、化工原料。5.55.5二甲醚二甲醚1）二甲醚性質）二甲醚性質 CH3OCH3，低毒，具有麻醉作用。，低毒，具有麻醉作用。1）二甲醚性質）二甲醚性質 CH3OCH3，低毒，具有麻

25、醉作用，是汽油柴油的有力競爭者。，低毒，具有麻醉作用，是汽油柴油的有力競爭者。2）生產工藝）生產工藝甲醇脫水法甲醇脫水法 b. 合成氣合成合成氣合成二甲醚的燃料特性二甲醚的燃料特性性質性質數值數值性質性質數值數值相對密度相對密度/（kg/L）0.75爆炸極限爆炸極限/%3.4-27十六烷值十六烷值55低位發熱量低位發熱量/（MJ/kg）28.9 6.1 6.1一定時期生物質能仍是發展中國家主要能源一定時期生物質能仍是發展中國家主要能源從從1990年起，世界生物質能源的年增長率年起，世界生物質能源的年增長率1.5%。傳統的生物質能利用方式將越來越少，現代的利用方式將逐漸增加。傳統的生物質能利用方式將越來越少，現代的利用方式將逐漸增加。2001年世界初級能源消費狀況年世界初級能源消費狀況1998年世界初級能源消費狀況年世界初級能源消費狀況