生物质能技术课件.ppt
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1、 生物质能源利用主要技术生物质能源利用主要技术物理转化生物转化热量电力直接燃烧气化热化学法热解直接液化生物质燃气木炭或生物油液化油化学法间接液化直接液化甲醇、醚生物柴油水解发酵乙醇沼气技术甲烷固体燃料生生物物质质化学转化2.3 微生物能量转化技术2.3.1 生物质液化2.3.2 产油微生物高产烃的丛粒藻2.3.1 生物质液化生物质液化:是指通过热化学或生物化学方法将生物 质部分或全部转化为液体燃料。包括:间接液化:指通过微生物作用或化学合成方法生成液体燃料。eg:甲醇、乙醇 直接液化:指采用机械方法,用压榨或提取等工艺获得可燃烧的油品。eg:棉籽油等植物油燃料乙醇燃料乙醇燃料乙醇:乙醇又称酒精
2、,是由C、H、O三种元素组成的有机化合物,乙醇分子式C2H5OH,相对分子质量为46.07。常温常压下,乙醇是无色透明的液体,具有特殊的芳香味和刺激味,吸湿性很强,可与水以任何比例混合并产生热量。乙醇易挥发、易燃烧。工业乙醇含乙醇约95%,含乙醇达99.5%以上的酒精称为无水乙醇。燃料乙醇应用状况燃料乙醇应用状况:燃料乙醇的生产工艺已经比较成熟,目前巴西、美国等国家的燃料乙醇生产已经实现规模化、产业化;在燃料乙醇主要生产国家,其应用也已经达到初步普及。简介燃料乙醇优缺点燃料乙醇的优点燃料乙醇的优点 可作为新的燃料,减少对石油的消耗。燃料乙醇作为可再生能源,可直接作为液体燃料或者同汽油混合使用,
3、可减少对石油的依赖,保障本国能源的安全。可直接作为液体燃料或者同汽油混合使用,而不用更换发动机。汽油中加入燃料乙醇可大大提高汽油的辛烷值,有效地提高汽油的抗爆性。作为汽油添加剂,可减少汽油消耗量,增加燃烧的含氧量,使汽油更充分燃烧。乙醇是可再生能源,若采用甜高粱、小麦、玉米、稻谷壳、薯类、甘蔗、糖蜜等生物质发酵生产乙醇,其燃烧所排放的CO2和作为原料的生物源生长所消耗的CO2 在数量上基本持平,这对减少大气污染及抑制温室效应意义重大。燃料乙醇的缺点燃料乙醇的缺点 乙醇汽油的保质期只有一个月。过了保质期的乙醇汽油容易出现的分层现象,在油罐油箱中容易变浑浊,打不着火。乙醇汽油对环境要求非常高,非常
4、怕水,保质期短,因此销售乙醇汽油要比普通汽油在调配、储存、运输、销售各环节要严格得多。甘蔗生产燃料乙醇的工艺流程 1木薯 木薯起源于热带美洲,约有4000年的栽培历史,学名Manihot esculenta Crant,多年生亚灌木,地下部结薯,结构似甘薯,称树薯、木(番)薯,为世界三大薯类(木薯、甘薯、马铃薯)之一。木薯属大戟科,植株高23m,叶片呈掌形。其块根(薯)呈柱形或纺锤形,直径515cm,长30.80cm,每株4到6个。在中国主要用作饲料和提取淀粉。一名参观者在广西区农业厅展厅观看重49公斤公斤的“木薯王”2木薯生产燃料乙醇的工艺流程其工艺特点:(1)湿法粉碎工艺(2)蒸煮、糖化采
5、用诺维信(NOVOZYMES)热蒸汽喷射管道维持中温双酶法工艺(3)大罐固定化酵母糖化连续发酵(或活性干酵母)法,罐外冷却连续发酵(4)五塔差压蒸馏工艺生产优质酒精(5)脱水生产燃料乙醇(分子筛法)分子筛法分子筛法工艺流程工艺流程2.3.1.3纤维素生产燃料乙醇的技术 1酶解生产燃料乙醇的工艺2纤维素酶解液发酵工艺(图220)2.3.2 产油微生物产油微生物高产烃的丛粒藻高产烃的丛粒藻 丛粒藻,呈串状集落生,又译为葡萄藻,是一种在温带、热带和大陆性气候的陆地、淡水和微咸湖水等地广为分布的单细胞绿色微藻。由于在一些石油沉积层中几乎全部有机质都是丛粒藻形成的,故美其名为“油藻”。在培养物中,其产烃
6、量为生物质量干重的0376,通常为2540,大大高于其他微生物的含烃量几乎都低于1。1丛粒藻的形态和分类 在光学显微镜下,丛粒藻的集落为大小不一的细胞串,有时达lmm,互相间以透明的折射细丝相连。细胞梨形,一般多13m7m,包在基质中,老龄细胞的叶绿体中有淀粉粒,是Chlorophyceae(绿藻纲)的典型特征之一。细胞质网有油质。在透射电子显微镜下可见,围绕着细胞基部的厚基质结构是由连续的细胞分裂产生的外壁所构成,借以将集落粘合起来。图22l 图A为光学显微镜下的丛粒藻英国藻种,化学种A。图中一些折射的脂类球状4是盖玻片所压出的图;图B是象牙海岸的化学种L的透视电子显微镜切面显示出连续的外壁
7、包围着细胞。图C为化学种B的非常大的藻群的扫描电子显微镜图。丛粒藻丛粒藻丛粒藻的分类:丛粒藻的分类:分类依据:产生的烃的不同三个化学种:A、B和L。化学种A产生直链的奇数C23C31的n-二烯烃和三烯烃,偶尔有较短的n-链烃。化学种B产生丛粒藻烯,一种分枝的C30C37,三萜烯,该种的密度小,易浮于水面;产烃量较高,多为其干重的2540,可用过滤法收集;且可耐含量为18的NaCl,有利于防止杂菌污染。化学种L产生C40的Lycopadiene(四萜烯)。该产物是一类罕见的四类萜烃,它的存在从地球化学的观点是值得注意的。而丛粒藻烷是化学种B的独有代谢产物,是丛粒烯彻底还原的衍生物,己在茂名油页岩
8、中发现。2丛粒藻的人工培养 (2)环境条件的需求(1)营养条件的需求(3)烃的回收 1、在细胞基部周围厚的外壁中的胞外烃可用 轻微机轻微机械处理械处理 回收,其产物呈乳状液,细胞可重新用于培养。2、用n-已烷 从过滤的湿细胞提取从过滤的湿细胞提取,烃的回收率可达70。丛粒藻化学种A和B的胞内产物用HCl-MeOH萃取萃取。3、Inoue等用 热化学液化热化学液化 法回收化学种B的Berkely株产生的丛藻烯。4、用5碳酸钠催化碳酸钠催化,在2000C、10132.5kPa条件下液化的油中,丛粒烯的最高回收率为78,在300。C条件下回收率更高,得到的油可作为汽油的代用品。2.4 生物质气化技术
9、2.4.1 生物质原料2.4.2 生物质气化原理2.4.3 气化介质2.4.4 气化过程的的反应动力学2.4.1 生物质原料2.4.1.1 生物质及资源 生物质包括植物、动物及其排泄物、垃圾及有机废水等几大类。从广义上讲,生物质是植物通过光合作用生成的有机物,它的能量最初来源于太阳能,所以生物质能是太阳能的一种,它的生成过程如下:生物质种类:1、植物类:木材、农作物、杂草、藻类等2、非植物类:动物粪便、动物尸体、废水垃圾中的有机成分生物质的潜力:地球上:每年生长的生物能总量约14001800亿t(干重),相当于目前世界总能耗的10倍。我国 :07年的秸杆量约6.5亿t,2010年达7.26亿t
10、,相当于5亿t标煤。柴薪和林业废弃物数量也很大,林业废弃物(不包括炭薪林),每年约达3700m3,相当于2000万t标煤。如果考虑日益增多的城市垃圾和生活污水、禽蓄粪便等其他生物质资源,我国每年的生物质资源达6亿t标煤以上,扣除了一部分做饲料和其他原料,可开发为能源的生物质资源达3亿t标煤。2.4.1.2 生物质热化学特性生物质的热化学特性:元素分析成分、工业分析成分和发热值。生物质的主要成分:纤维素、半纤维素和木质素。元素分析:各组成元素、水分和灰分的百分比含量。碳(C)、氢(H)、氧(O)、氮(N)、硫(s)、水分(M)、灰分(A)。工业分析:水分(M)、灰分(A)、固定碳(FC)、挥发分
11、(v)的百分比含量。发热值:每千克生物质原料完全燃烧后放出的热量。分为高位发热值,和低位发热值两种。两者的差别是烟气中水蒸气的汽化潜热。水蒸气来源:1、原料中带入的水分,新鲜的生物质原料含有超过50(质量分数)的大量水分,是不能直接用作汽化和燃烧的,在采伐或收割以后要经过一段时间的干燥,让水分降到1520以下才能使用;2、原料中的氢元素与氧反应生成的水分。netQ)9(25MHQQgrnet 高位发热值和低位发热值之间的换算关系为:高位发热值和低位发热值之间的换算关系为:燃料的低发热值燃料的低发热值H、M氢、水的元素成分(质量分数氢、水的元素成分(质量分数%)发热值计算:发热值计算:已知元素成
12、分时,用门得列夫公式估计低发热值:MSMHCQnet25)(1091030339 收到基和干基的换算:收到基和干基的换算:生物质原料的水分含量变化很大。为了便于分析问题和工程计算,许多文献中给出干基干基(即人为地将水分全部脱除后的原料即人为地将水分全部脱除后的原料)的元素分析成分和发热值。而在生物质气化工程中应用的原料(收到基原料)总要含有一定的水分(一般要求在20以下),因此在使用文献中数据时,必须将干基分析成分和发热值换算到收到基的相应数值,其换算公式为:Xy=Xg(100一一My)100式中 Xy需知的某个应收到成分(质量分数)或发热值(kJkg);Xg一已知的相应干基成分(质量分数)或
13、发热值(kJkg);My原料的收到基水分(质量分数)。部分生物质原料的工业分析结果如表2.2部分生物质原料的元素分析的结果如表2.3所示 与同是固体燃料的煤炭相比,生物质原料的特点:与同是固体燃料的煤炭相比,生物质原料的特点:优点:挥发分高而固定碳低挥发分高而固定碳低:煤炭的挥发分一般为20左右,固定碳为6D左右。而从表二2中可以看出,生物质原料特别是秸秆类原料的固定碳在20以下,挥发分却高达70左右;原料中氧含量高原料中氧含量高,因此在干馏和气化过程中都会产生一氧化碳,不像煤炭干馏时可以产生一氧化碳含量很低的干馏煤气;灰分相对较低:灰分相对较低:木材类原料的灰分极低,只有1.3,秸秆类原料高
14、一些,但总的说来是灰分较低的原料;硫含量低,硫含量低,这是生物质原料的优点之一,它的使用不会像煤炭那样产生大量的二氧化硫,从而造成酸雨一类的环境问题。缺点:发热值明显低于煤炭,发热值明显低于煤炭,一般只相当于煤炭的1223;2.4.1.3 生物质物理特性 1密度和堆积密度密度和堆积密度 密度:密度:指单位体积生物质的质量的真实密度,即我们通常所说的物质的密度。它是指去除颗粒问空隙的密度,需要用专门的方法进行测量;堆积密度堆积密度:即包括颗粒间空隙在内的密度,一般在自然堆积的状态下测量。对固定床气化工艺用得更多的是堆积密度。它反映了单位体积物料的质量。2自然堆积角自然堆积角 当物料自然堆积时会形
15、成一个锥体,锥体母线与底面的夹角叫做自然堆积角(图224)。自然堆积角的本质:自然堆积角的本质:反映物料的流动特性。流动性好的物料颗粒在很小的坡度时就会滚落,只能形成很矮的锥体,因此自然堆积角很小。而流动性不好的物料会形成很高的锥体,自然堆积角较大。碎木材一类原料的自然堆积角一般不超过450,在固定床气化炉中依靠重力向下移动顺畅。当下部原料消耗以后,上部原料自然下落补充,形成充实而均匀的反应层。而铡碎的玉米秸和麦秸堆垛以后,即使底部被掏空,上面的麦秸依然不下落,这时的自然堆积角已经超过了900而成为钝角,在固定床气化炉里容易产生架桥、穿孔现象。3炭的机械强度炭的机械强度 生物质原料加热后很快析
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