EnergyChemistry08010203

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1、能源化学能源化学 第八章第八章 生物质能生物质能Biomass Energy主要内容主要内容1.生物质生物质最古老的能源最古老的能源2.生物质能资源生物质能资源3.生物质能在能源系统中的地位生物质能在能源系统中的地位4.生物质的利用生物质的利用5.生物质发电生物质发电6.“绿色燃油绿色燃油”作物作物第八章第八章 第一节第一节 生物质生物质最古老的能源最古老的能源Biomass the oldest energy思考题思考题1.什么是生物质？什么是生物质能？什么是生物质？什么是生物质能？2.生物质资源可分为哪两类？生物质资源可分为哪两类？3.生物质能的特点？生物质能的特点？4.生物质的组成元素有

2、哪些？生物质的组成元素有哪些？5.生物质组成物质有哪些？生物质组成物质有哪些？6.生物质利用有哪些方法？生物质利用有哪些方法？1 生物质生物质（Biomass）一切有生命的可以生长的有机物质统称为生物质，主一切有生命的可以生长的有机物质统称为生物质，主要包括薪柴、农林作物、农作物残渣、动物粪便和生要包括薪柴、农林作物、农作物残渣、动物粪便和生活垃圾等。活垃圾等。Wood WasteAgriculturalEnergy Crops一切有生命的或失去生命的生物体都是生物质一切有生命的或失去生命的生物体都是生物质2 生物质能生物质能（Biomass energy）生物质能是以生物质为载体的能量，即蕴

3、藏在生物质中的生物质能是以生物质为载体的能量，即蕴藏在生物质中的能量，是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而储能量，是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而储存在生物质内部的能量。存在生物质内部的能量。生物质能直接或间接地来源于植物的光合作用。生物质能直接或间接地来源于植物的光合作用。3 光合作用与生物质光合作用与生物质（photosynthesis）广义上讲，一切生物质都源自于绿色植物的光合作用。广义上讲，一切生物质都源自于绿色植物的光合作用。光合作用是绿色植物吸收日光能还原二氧化碳并释放氧光合作用是绿色植物吸收日光能还原二氧化碳并释放氧气的过程，该过程的总反应式为气的过程，该过程的总

4、反应式为2222CHOOOHCO光绿色植物出现前，辐射能尽散失于大气，惟有绿色植物可绿色植物出现前，辐射能尽散失于大气，惟有绿色植物可利用日光能将它吸收的二氧化碳和水合成为有机物利用日光能将它吸收的二氧化碳和水合成为有机物碳水碳水化合物，将光能转化为化学能并储存下来。绿色植物是光化合物，将光能转化为化学能并储存下来。绿色植物是光能转换器和能源之源，碳水化合物是光能储藏库，生物质能转换器和能源之源，碳水化合物是光能储藏库，生物质是光能循环转化的载体，连煤炭、石油和天然气也是地质是光能循环转化的载体，连煤炭、石油和天然气也是地质时代的绿色植物在地质作用影响下转化而成的。时代的绿色植物在地质作用影响

5、下转化而成的。4 生物质资源分类生物质资源分类 传统生物质传统生物质 包括家庭使用的薪柴、木炭和稻草包括家庭使用的薪柴、木炭和稻草（也包括稻壳也包括稻壳）、其、其他植物性废弃物和动物的粪便。他植物性废弃物和动物的粪便。传统生物能主要在发展中国家使用，广义上包括所有小传统生物能主要在发展中国家使用，广义上包括所有小规模使用的生物能，但也并不总是置于市场之外。第三规模使用的生物能，但也并不总是置于市场之外。第三世界农村烧饭用的薪柴便是其中的典型例子。世界农村烧饭用的薪柴便是其中的典型例子。现代生物质现代生物质 由生物质转化成的现代能源载体，如气体燃料、液体燃由生物质转化成的现代能源载体，如气体燃料

6、、液体燃料或电能，可大规模用来代替常规能源。现代生物质包料或电能，可大规模用来代替常规能源。现代生物质包括工业性的本质废弃物、甘蔗渣括工业性的本质废弃物、甘蔗渣（工业性的工业性的）、城市废、城市废物、生物燃料物、生物燃料（包括沼气和能源型作物包括沼气和能源型作物）。巴西、瑞典、美国的生物能计划便是这类生物能的例子。巴西、瑞典、美国的生物能计划便是这类生物能的例子。5 植物生物质所含能量的影响因素植物生物质所含能量的影响因素l品种；品种；l生长周期；生长周期；l繁殖与种植方法；繁殖与种植方法；l收获方法；收获方法；l抗病抗灾性能；抗病抗灾性能；l日照时间与强度；日照时间与强度；l环境温度与湿度；

7、环境温度与湿度；l雨量；雨量；l土壤条件等土壤条件等 6 生物质能的特点生物质能的特点优点优点l资源丰富、分布广泛、廉价易取资源丰富、分布广泛、廉价易取l低污染：提供低硫燃料；低污染：提供低硫燃料；释放少量二氧化碳，可被植物吸收，做到释放少量二氧化碳，可被植物吸收，做到二氧二氧化碳零排放化碳零排放l可再生：通过自然界的碳循环不断再生可再生：通过自然界的碳循环不断再生l是可再生能源中唯一可以贮存与运输的是可再生能源中唯一可以贮存与运输的生物质能的特点生物质能的特点不足不足l 是能量密度较低的低品位能源：热值及热效率低是能量密度较低的低品位能源：热值及热效率低l 生物质重量轻，体积大，不易运输生物

8、质重量轻，体积大，不易运输l 由于风、雨、雪、火等外界因素，对它的保存带由于风、雨、雪、火等外界因素，对它的保存带来不利条件。来不利条件。l 小规模利用小规模利用7 生物质组成和结构生物质组成和结构生物质的组成元素生物质的组成元素生物质的元素组成通常仅指其有机质的元素组成。生物质的元素组成通常仅指其有机质的元素组成。一般认为植物生物质主要由碳、氢、氧、氮硫五种元一般认为植物生物质主要由碳、氢、氧、氮硫五种元素组成，其中木材主要由碳、氢、氧、氮四种元素组素组成，其中木材主要由碳、氢、氧、氮四种元素组成，它们的含量约为：碳成，它们的含量约为：碳49.5%、氢、氢6.5%、氧、氧43%、氮氮1%；秸

9、秆主要由碳、氢、氧、氮、硫五种元素组成，；秸秆主要由碳、氢、氧、氮、硫五种元素组成，它们的含量约为：碳它们的含量约为：碳40%46%、氢、氢5%6%、氧、氧43%50%、氮、氮0.6%1.1%、硫、硫0.1 0.2%。生物质的组成物质生物质的组成物质一般而言，木质纤维素一类的生物质主要有三种聚合体纤维一般而言，木质纤维素一类的生物质主要有三种聚合体纤维素、半纤维素和木质素以及少量的灰分和提取物组成。素、半纤维素和木质素以及少量的灰分和提取物组成。植物生物质基本组成物及石油、煤的碳、氢、氧原子比植物生物质基本组成物及石油、煤的碳、氢、氧原子比品名品名CHO纤维素纤维素11.61半纤维素半纤维素1

10、1.61木质素木质素11.30.3淀粉淀粉120.8植物油等植物油等120.1石油石油11.60.05煤煤10.80.08 碳水化合物碳水化合物纤维素和半纤维素是由碳水化合物构成的，木质素、淀粉和纤维素和半纤维素是由碳水化合物构成的，木质素、淀粉和植物油则是由碳水化合物通过一系列生物化学反应合成的。植物油则是由碳水化合物通过一系列生物化学反应合成的。碳水化合物分子是由碳和水构成的。碳水化合物分子是由碳和水构成的。碳水化合物分布广泛，在自然界无处不在。碳水化合物分布广泛，在自然界无处不在。葡萄糖葡萄糖（C6H12O6）是人们发现的第一个简单的碳水化合是人们发现的第一个简单的碳水化合物，其组成被认

11、为是物，其组成被认为是“碳水化合物碳水化合物”，H:O =2:1，C6(H2O)6。碳水化合物依其水解性质可分为三类碳水化合物依其水解性质可分为三类碳碳水水化化合合物物单糖单糖 多羟基醛或酮，不能再被水解的碳水化合物。多羟基醛或酮，不能再被水解的碳水化合物。如葡萄糖、果糖等。如葡萄糖、果糖等。特点：白色结晶，一般有甜味，可溶于水。特点：白色结晶，一般有甜味，可溶于水。低聚糖低聚糖（寡糖寡糖）水解后能生成水解后能生成2 10个单糖。以二糖最为个单糖。以二糖最为 重要。重要。如如 蔗糖蔗糖 1分子葡萄糖分子葡萄糖 +1分子果糖分子果糖水解水解麦芽糖麦芽糖 2分子葡萄糖分子葡萄糖水解水解多糖多糖 水

12、解后生成水解后生成10个以上的单糖。个以上的单糖。如如 淀粉、纤维素。淀粉、纤维素。单糖结构单糖结构OCH2OHOHHOHOHOOCH2OHOHHOHOHO-D-D-（+）-葡萄葡萄糖糖-D-D-（-）-葡萄葡萄糖糖OCH2OHHHOHHOHHOHHOHOCH2OHHHOHHOHHOHOHHCH2OHOHOHOHOHOOHOCH2OHHOH2CHO-1,2苷键苷键 -2,1苷键苷键蔗糖结构蔗糖结构OOHHOHHHOHHCH2OHHO-1-2-苷键CH2OHHOHOHHCH2OHHO自然界中最自然界中最重要的多糖重要的多糖淀粉淀粉 是植物体内储存养分，是我们是植物体内储存养分，是我们 人人 类的

13、主要食物之一。类的主要食物之一。纤维素纤维素 是木材和许多天然纤维素的是木材和许多天然纤维素的 主要成分。主要成分。多糖多糖（polysaccharide）纤维素纤维素（Cellulose）纤维素在自然界分布很广，是大自然中存量最丰富的碳水纤维素在自然界分布很广，是大自然中存量最丰富的碳水化合物化合物，广泛分布于棉花，广泛分布于棉花（93%）、亚麻、亚麻（80%）、木、木材材（50%）、竹子、芦苇、稻草、野草等植物中。是构成、竹子、芦苇、稻草、野草等植物中。是构成植物结构的主要物质植物结构的主要物质。纤维素的分子式为纤维素的分子式为（C6H10O5）n，分子量在，分子量在25 200万万（随着

14、纤维素来源不同而异随着纤维素来源不同而异）(C6H10O5)n (C6H10O5)4 (C6H10O5)3 H2OH+,加压加压进一步进一步水解水解纤维素纤维素纤维四糖纤维四糖纤维三糖纤维三糖(C6H10O5)2 C6H12O6进一步进一步水解水解进一步进一步水解水解纤维二糖纤维二糖D D-葡萄糖葡萄糖纤维素结构是没有支链的链状分子，分子中的纤维素结构是没有支链的链状分子，分子中的D-葡萄糖是葡萄糖是以以-1,4-苷键相连。苷键相连。OOHOHHOCH2OHO OOHOHCH2OHOOHOHCH2OHO OOHOHCH2OH-OHO nOOHOHHOCH2OHO OOHOHCH2OHOOHOH

15、CH2OHO OOHOHCH2OH-OHO n纤维素纤维素-1,4苷键苷键D-(+)-纤维二糖纤维二糖特性：特性：固体纤维状物质，不溶固体纤维状物质，不溶 于水，不溶于水，不溶 于有机溶剂，加热于有机溶剂，加热分解，不熔化。糖苷键对酯不稳定，对碱比较稳定。分解，不熔化。糖苷键对酯不稳定，对碱比较稳定。半纤维素半纤维素（Hemicellulose）半纤维素大量存在于植物的茎、干、皮等组织中。半纤维素大量存在于植物的茎、干、皮等组织中。半纤维素是通过半纤维素是通过-1,4糖苷键连接起来的由己糖和戊糖聚糖苷键连接起来的由己糖和戊糖聚合而成的多聚物的总称。合而成的多聚物的总称。半纤维素降解后生成己糖和

16、戊糖。半纤维素降解后生成己糖和戊糖。纤维素和半纤维素的比较纤维素和半纤维素的比较150 200项目项目纤维素纤维素半纤维素半纤维素糖基糖基单一糖基，葡萄糖基单一糖基，葡萄糖基多种糖基多种糖基，如 D-葡萄糖、D-半乳糖、D-木糖、D-甘露糖、L-阿拉伯糖、4-氧-甲基-D葡萄糖醛酸。聚合度聚合度7000 10000链形链形直链线形直链线形线形，常带各种支链线形，常带各种支链结晶性结晶性结晶区和无定形区，结晶区和无定形区，细胞壁的骨架物质细胞壁的骨架物质无结晶，基体物质无结晶，基体物质吸湿性吸湿性更大更大化学反应性化学反应性更大更大 木质素木质素（lignin）木质素是自然界除纤维素外最多的多糖

17、。木质素是自然界除纤维素外最多的多糖。木质素是由羟基丙烯酚为单位组成的无定形三维芳香族多木质素是由羟基丙烯酚为单位组成的无定形三维芳香族多聚物。聚物。木质素的主要官能团有三个木质素的主要官能团有三个甲氧基甲氧基（OCH3）：是木质素最重要的是木质素最重要的特性基团之一，位于苯环上，而不是位于特性基团之一，位于苯环上，而不是位于苯基丙烷结构单体的三碳侧链上。苯基丙烷结构单体的三碳侧链上。羟基羟基（OH）：木质素中的羟基分两类，木质素中的羟基分两类，一类为酚羟基一类为酚羟基（位于苯环上位于苯环上），另一类，另一类为脂肪族羟基为脂肪族羟基（位于侧链上位于侧链上）。）。羰基羰基（=C=O）：主要位于侧

18、链上。主要位于侧链上。8 生物质利用方法生物质利用方法 直接燃烧法直接燃烧法 热化学转换法热化学转换法 将固体生物质转换成木炭、焦油和可燃气体等品位高的能将固体生物质转换成木炭、焦油和可燃气体等品位高的能源产品。源产品。按热加工的方法不同分为按热加工的方法不同分为 高温干馏高温干馏热解热解生物质液化等方法生物质液化等方法 生物化学转换法生物化学转换法 主要指生物质在微生物的发酵作用下生成沼气、酒精等能主要指生物质在微生物的发酵作用下生成沼气、酒精等能源产品。源产品。沼气是有机物质在一定温度、湿度、酸碱度和厌氧条件下沼气是有机物质在一定温度、湿度、酸碱度和厌氧条件下经各种微生物发酵及分解作用产生

19、的一种混合可燃气体。经各种微生物发酵及分解作用产生的一种混合可燃气体。利用油料植物产生的生物油利用油料植物产生的生物油 把生物质压制成型状燃料把生物质压制成型状燃料 把粉碎烘干的生物质在一定温度和压力下压成密度较高的把粉碎烘干的生物质在一定温度和压力下压成密度较高的块型或棒型燃料，以便集中利用和提高热效率。块型或棒型燃料，以便集中利用和提高热效率。Forest and agriculture crops&residuesMunicipal&Industrial wasteCollection&storage Pre-treatmentSolid biofuelsCombustion for h

20、eat andElectricityLiquid BiofuelsEthanol(hydrolysis and fermentation)Bio-diesel(extraction/purification/modification)BiochemicalsFermentation(Thermochemical(pyrolysis,HTU,syngas)9 生物质供给和加工链生物质供给和加工链（Biomass Supply and process chain）10 碳循环碳循环（The Carbon Cycle）第八章第八章 第二节第二节 生物质能资源生物质能资源Biomass energy

21、resources1 森林能源森林能源 森林能源是森林生长和林业生产过程提供的生物质能源，森林能源是森林生长和林业生产过程提供的生物质能源，主要是薪材，也包括森林工业的一些残留物等。主要是薪材，也包括森林工业的一些残留物等。Wood ResidueWood Chips&Sawdust2 农作物桔秆农作物桔秆 农作物桔秆是农业生产的副产品，也是我国农村的传统燃料。农作物桔秆是农业生产的副产品，也是我国农村的传统燃料。秸秆资源与农业种植业的生产关系十分密切。秸秆资源与农业种植业的生产关系十分密切。农作物秸秆除了作为饲料、工业原料之外，其余大部分可农作物秸秆除了作为饲料、工业原料之外，其余大部分可作

22、为农户炊事、取暖燃料。作为农户炊事、取暖燃料。作为能源的农作物秸秆利用效率低，直接在柴灶上燃烧，作为能源的农作物秸秆利用效率低，直接在柴灶上燃烧，其转换效率仅为其转换效率仅为10%20%左右。左右。AlfalfaWheat Straw3 禽畜粪便禽畜粪便（Animal Manure）禽畜粪便也是一种重要的生物质能源。禽畜粪便也是一种重要的生物质能源。除在牧区有少量的直接燃烧外，禽畜除在牧区有少量的直接燃烧外，禽畜粪便主要是作为沼气的发酵原料。在粪便主要是作为沼气的发酵原料。在粪便资源中，大中型养殖场的粪便便粪便资源中，大中型养殖场的粪便便于集中开发、规模化利用。于集中开发、规模化利用。4 生活

23、垃圾生活垃圾 城镇生活垃圾主要是由居民生活垃圾，商业、服务业垃圾和城镇生活垃圾主要是由居民生活垃圾，商业、服务业垃圾和少量建筑垃圾等废弃物所构成的混合物，成分比较复杂，其少量建筑垃圾等废弃物所构成的混合物，成分比较复杂，其构成主要受居民生活水平、能源结构、城市建设、绿化面积构成主要受居民生活水平、能源结构、城市建设、绿化面积以及季节变化的影响。以及季节变化的影响。第八章第八章 第三节第三节 生物质能在能源系统中的地位生物质能在能源系统中的地位The status of biomass energy in the energy system生物质能在能源系统中的地位生物质能在能源系统中的地位人类

24、利用生物质人类利用生物质能的历史长达百能的历史长达百万年，贯穿人类万年，贯穿人类的文明发展史的文明发展史一百多年的高强度开采消费一百多年的高强度开采消费使化石能源渐趋枯竭，其对使化石能源渐趋枯竭，其对环境的沉重压力也引起国际环境的沉重压力也引起国际社会的极大忧虑。自上世纪社会的极大忧虑。自上世纪90年代以来年代以来“可持续发展可持续发展”成为时代的最强音。生物质成为时代的最强音。生物质能重新成为可再生能源的亮能重新成为可再生能源的亮点！点！19世纪世纪煤炭利煤炭利用兴起用兴起20世纪以来世纪以来石油天然气石油天然气成为主要能成为主要能量来源量来源生物质是世界第四大能源，作为能源，在人类历史上曾

25、起过生物质是世界第四大能源，作为能源，在人类历史上曾起过巨大的作用，在现实生产生活中，特别是在农村地区，仍然巨大的作用，在现实生产生活中，特别是在农村地区，仍然占有重要的地位。占有重要的地位。目前，生物质能技术的研究与开发已成为世界重大热门课题目前，生物质能技术的研究与开发已成为世界重大热门课题之一，受到世界各国政府与科学家的关注。许多国家都制定之一，受到世界各国政府与科学家的关注。许多国家都制定了相应开发研究计划。了相应开发研究计划。中国政府也十分重视生物质能源的开发和利用。自中国政府也十分重视生物质能源的开发和利用。自70年代以年代以来，先后实施了一大批生物质能利用研究项目和示范工程，来，

26、先后实施了一大批生物质能利用研究项目和示范工程，涌现了一大批优秀的科研成果和应用范例，并在推广应用中涌现了一大批优秀的科研成果和应用范例，并在推广应用中取得了可观的社会效益和经济效益。取得了可观的社会效益和经济效益。生物质能的作用生物质能的作用转换过程转换过程 能量形式能量形式 燃烧燃烧 热水、蒸汽、电力热水、蒸汽、电力 有氧发酵有氧发酵（转化糖类和淀粉转化糖类和淀粉）乙醇乙醇厌氧分解厌氧分解（转化粪便、杂草及转化粪便、杂草及其它废弃物其它废弃物）甲烷甲烷气化气化 热水、蒸汽、电力、甲烷、热水、蒸汽、电力、甲烷、甲醇、氨气甲醇、氨气化学还原化学还原 油料油料热分解热分解 瓦斯、焦炭瓦斯、焦炭中国可再生能源的发展现状和目标中国可再生能源的发展现状和目标可再生能源中长期发展规划可再生能源中长期发展规划200520102020太阳能热水器的总保有量太阳能热水器的总保有量（亿立方米亿立方米）0.751.53光伏发电累计装机光伏发电累计装机（万千瓦万千瓦）730180风电装机容量风电装机容量（万千瓦万千瓦）1265003000年产沼气年产沼气（亿立方米亿立方米）80190443生物质发电装机容量生物质发电装机容量（万千瓦万千瓦）2005503000燃料乙醇燃料乙醇（万吨万吨/年年）1022001000生物柴油生物柴油（万吨万吨）20200