《生物质能工程》复习提纲

1、什么是生物质能源？

2、什么是新能源？

3、什么是可再生能源？

4、什么是常规能源？

5、生物质能是可再生的。虽然生物质能是人类应用很久的一种古老的能源，但在能源分类中将其划为新能源。

6、生物质：广义上讲，生物质是各种生命体产生或构成生命体的有机质的总称；

7、生物质所蕴含的能量称为生物质能。

8、百度百科：生物质是指通过光合作用而形成的各种有机体，包括所有的动植物和微生物。而所谓生物质能（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。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，取之不尽、用之不竭，是一种可再生能源，同时也是唯一一种可再生的碳源。生物质能的原始能量来源于太阳，所以从广义上讲，生物质能是太阳能的一种表现形式。

9、

10、生物质原料类型

（1）按分布分：水生 和 陆生 生物，及其代谢产物；

（2）按原料化学性质分：糖类、淀粉、纤维素、脂类、烃类；

（3）按原料来源分：农业生产废弃物、薪柴、农林加工废弃物、人畜粪污、工业有机废弃物、能源植物。

11、生物质资源的特点

（1）环境污染小；（灰分、N、S含量低，C闭合循环。）

（2）生物质能蕴藏量巨大、分布广；

（3）可再生；

（4）能量密度低；

（5）重量轻、体积大，运输不便；

（6）易受风雨雪火等外界因素影响，贮存不便；

12、生物质的化学组成

糖类和淀粉主要由葡萄糖单糖或多糖组成。

农作物秸秆的主要化学元素组成：

C：40~46%；H：5~6%；O：43~50%；N：0.6~1.1%

S：0.1~0.2%；灰分：3~5%；P：1.5~2.5%；

K：11~20%；

薪柴的化学元素组成：

C：49.5%；H：6.5%；O：43%；N：1%；灰分：﹤1%

    此外，生物质中还含有一定量的水分以及Si、Ca、Fe、Al等矿物元素。

13、生物质燃料的热值

高位热值：1kg生物质完全燃烧所放出的热量；

气化潜热：水分在燃烧过程中变为蒸汽（燃料中H燃烧时也生成水蒸汽），吸收的热量；

低位热值：高位热值－气化潜热

计算生物质发热量，一般取低位热值。

14、农作物资源估算是在农作物产量的基础上，以草谷比计算。

15、薪柴资源量估算

（1）森林才伐木和木材加工剩余物，可用作燃料量按原木产量1/3估算；

（2）薪炭林、用材林、防护林、灌木林等按林地面积统计放柴量；

（3）四旁树（田、路、村、河）的剪枝，按树木株数统计；

16、人畜粪便资源

    以人口数、畜禽存栏数、年平均排泄量为基础进行估算；并考虑成幼系数

17、纤维素类生物质资源

纤维素类生物质资源主要由：纤维素、半纤维素、木质素 构成；

植物细胞壁中的纤维素和木质素通过共价键连接成网络结构，纤维素束镶嵌在其中。

18、农作物秸秆

秸秆焚烧：效率低、环境污染、浪费资源、影响交通；

19、禽畜粪污

我国主要禽畜粪污源为猪、牛、鸡等规模化养殖。

2000年全国畜禽粪便可获得资源实物量为3.2亿吨。

河北、山东、河南、四川等地资源量最多。

近年来，畜禽养殖业逐步向规模化、集约化发展。

全国60%以上的养殖场粪污未经处理直接排放，造成水体、土壤、空气等严重污染，畜禽养殖粪污污染已成为我国第一大污染源！

养殖粪污一般用作肥料，仅西藏、青海、宁夏、内蒙古等地将其风干，作为燃料使用。

采用“厌氧+好氧”技术进行处理，是目前粪污处理的发展方向。

20、城市有机垃圾

2001年我国生活垃圾清运量1.18亿吨，按年增长10%左右计算，至2010年，将达到2.3亿吨。

城市生活垃圾的处理途径：堆肥、填埋、焚烧、厌氧发酵、发电、养蚯蚓。

21、工业有机废弃物

分为工业有机固废和有机废水两类。

主要来自木材加工、造纸、制糖、粮食加工等，包括木屑、树皮、蔗渣、谷壳等。

22、糖类原料资源

主要用来生产燃料乙醇

研究及应用最多的为甘蔗。（巴西，美国）

我国甘蔗主要分布在 云南、广西、广东，占全国产量90%以上。

甜高粱、甜菜、糖蜜废水也是重要资源。

23、植物的化学能来源于太阳能——取之不尽、用之不竭，环保可再生。

24、能源植物的内容

广义上讲：光和效率高、生物量大，直接用于提供能源为目的的植物。

通常包括：速生薪炭林、含糖或淀粉类植物、产油植物，可供发酵或产油的藻类及其他植物等。

25、按植物中主要物质化学类别分：

（1）糖类能源植物；

（2）淀粉类能源植物；

（3）纤维素类能源植物；

（4）油料能源植物；

（5）烃类能源植物；（续随子、绿玉树等）

26、光合作用

光合作用的初产物为葡萄糖，生物质是初产物及其各类衍生物的总称，包括：糖类、淀粉、纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质、脂肪等；

（1）光合作用机理

6CO2+3H2O+太阳能→ → C6H6O5+O2→ → n（C6H6O5 ）（生物质）

（2）生物质能原理用则是其逆过程：

n（C6H6O5 ）（生物质） → → →CO2+H2O+能量

（3）光合效率

最终净光能利用效率不到5%！

27、能源植物的品种改良技术

（1）杂交育种；

（2）物力诱变育种；

    离子注入诱变；太空育种；物力高压育种；

（3）化学诱变育种；

（4）细胞工程；

（5）基因工程；

28、重要能源植物

（1）甜高粱；

（2）能源甘蔗、能源玉米；

（3）油料植物

草本油料：大豆、油菜、花生、棉籽、向日葵、芝麻；

木本：油棕榈、黄连木、油桐、麻风树（小桐子）、桉树、光皮树、油茶、橄榄等；

产油藻类。

（4）石油植物

桉树、大戟科乔木、苏木科油楠属、霍霍巴、马尾松、苦配巴、香槐、黄鼠草等；

（5）草本植物

芒属作物。（芒草、皇竹草等）

29、薪炭林

（1）薪炭林的类型

a、短轮期平茬采薪型（纯薪型）；3~5年一个轮伐周期；

b、柴薪型；用材树（1/5）与薪柴树（4/5）混种；

c、薪草型；林业与畜牧业相结合；

d、薪材经济型；生产燃料同时兼收果、核、种子、叶等；如山杏，沙棘 等；

e、头木育新型；路、河、沟、塘边种植萌生力强的乔木，每4~5年砍伐一次，获薪柴及木材；如桉树、刺槐、铁刀木 等；

（2）发展薪炭林的途径

a、人工营造；b、封山育林；c、改造残次林；d、退耕还林；

30、生物质燃料的特点：

（1）含碳量较少；（2）含氢量稍多；

（3）含氧量多； （4）密度小。

31、生物质燃料的燃烧过程

    强烈的放热化学反应；

    燃料、热量和空气供给；

    连锁反应过程。

生物质的燃烧过程可以分作：预热与干燥、挥发分析出燃烧及木炭形成、木炭（固定碳）燃烧等阶段；

C的燃烧，根据O2量的不同，会产生下列2种反应：

    C+ O2==CO2+408.86kJ

    2C+ O2==2CO+246.45kJ

当温度较高（超过700℃）时，生成的CO向外扩散，遇O2再燃烧：

    2CO+ O2==2CO2+570.87kJ

水煤气（生物质气化）反应：C+2H2O==CO2+2H2    C+2H2O==CO+H2    C+2H2==CH4

32、产生火焰的燃烧分为两个阶段：挥发分析出燃烧和固定碳燃烧，前者约占燃烧时间10%，后者占90%；

生物质燃料在燃烧过程种的特点：

（1）温度较低时挥发分分解即非常活跃，空气供应不足易造成黑烟或黄烟；

（2）焦炭燃烧时，强通风会造成黑絮，降低燃烧效率；

（3）焦炭燃烧受到灰分包裹，易有残碳遗留。

（4）燃烧过程空气供给量变化较大，在炉灶中不易解决。

高密度的压缩成型生物质燃料，由于其压缩密实，限制了挥发分逸出速度，加之空气流通有一定的通道而且比较均匀，燃烧过程较为稳定，可以改善燃烧状态。

33、炕连灶的综合热效率

旧式柴灶的热效率一般只有12%左右；

炕连灶的综合热效率一般为45%左右。

34、省柴灶与节柴炉

（1）省柴灶

a、设有灶箅与灰室；

b、设有可关的灶门；

c、燃料离锅底近，吊火高度小（12~16cm）；

d、有拦火圈与回烟道；

e、增加灶体保温措施。

（2）节柴炉

通过增加二次进风道，增设附炉膛等措施，炉子效率。

35、旧式炕的改进

    一是改变炕洞的形式，让烟气在炕洞中迂回流动；

    二是尽可能减少支撑炕面的炕洞中砖的数量。

36、架空炕

37、节能地炕

    热效率65%~70%。

38、锅炉燃用的生物质燃料

林业采伐的枝杈、不能成材的树木、木材加工和造纸厂废弃物、稻壳、蔗渣、农作物秸秆等。

39、燃用生物质锅炉的应用

（1）奥地利Arbesthal集中供热系统；

（2）巴西的锅炉燃用生物质发电；

（3）美国宾夕法尼亚州Viking木材发电厂。

40、生物质成型原料主要有：锯末、木屑、稻壳、秸秆等纤维素类原料；

纤维素类生物质包含：纤维素、半纤维素、木质素（占植物体成分2/3以上）。

    纯纤维素程白色，密度1.5~1.56g/cm3，比热0.32~0.33kJ/（kg·K）；

    半纤维素，穿插于纤维素和木质素之间，结构复杂，酸性、加热条件下能发生水解，产物为单糖；

    木质素，是一类以苯基丙烷为骨架，具有网状结构的无定形高分子化合物，不同植物木质素含量、组成不尽相同。木质素不易溶于水及任何有机溶剂，非晶体，没有熔点，70~110℃左右软化，黏合力增加，此；200~300 ℃时软化程度加剧，施加一定压力，无需黏结剂，即可得到与挤压模具形状一致的成型燃料。

41、生物质成型的原理

    （1）一般植物在10%左右以下含水率时，需施加较大的压力，使其非弹性或黏弹性的纤维分子之间相互缠绕、胶合，进而固化成型；

（2）对于木质素等黏弹性组分含量较高的原料，若温度达到木质素的软化点，则可施加一定的压力，制备成型燃料；

    （3）被粉碎的生物质粒子，在外力和黏结剂的作用下，重新组合成具有一定形状的生物质成型块。

42、压缩成型的工艺类型

根据主要工艺特征的差别，可划分为湿压成型、热压成型、炭化成型三种基本类型；

 （1）湿压成型

 湿压成型燃料块密度较低，设备简单，易操作，但部件磨损较快，烘干费用高，且多数产品燃烧性能较差。

（2）热压成型

热压成型机械主要有：螺旋挤压成型机、机械（液压）驱动活塞式成型机，如图5-4、图5-5；

（3）炭化成型工艺

        首先将生物质原料炭化或部分炭化，然后再加入一定量的黏结剂挤压成型；若不使用黏结剂，成型燃料容易破损、开裂；

43、生物质成型常用黏结剂

为了使成型块在运输储存和使用时不致破损、开裂，并具有良好的燃烧性能，理想的黏结剂必须能够保证成型块具有足够的强度和抗潮解性，并且在燃烧时不产生烟尘和异味，最好黏结剂本身也可以燃烧。

常用的黏结剂分无机、有机和纤维类三种；

无机的包括：水泥、黏土、水玻璃等（灰分增大，热值降低）；

有机的包括：焦油、沥青、糖浆（30%）、树脂、淀粉（4%）等，有异味。

 纤维类包括：废纸浆、水解木纤维等工业废弃物。

44、生物质压缩成型及炭化工艺类型

45、生物质压缩成型工艺流程

46、国内外常见的成型机技术主要包括三大类：

 螺旋挤压技术、活塞冲压技术、压辊式成型技术。

47、成型生物质燃料的物理特性及燃烧性能

 （1）密度

        提高几倍乃至几十倍，至1.1~1.4t/m3，形状规则，便于储存运输

（2）热值：16300~20900kJ/kg；

 （3）强度

轴向压缩最大破坏载荷可达几吨至十几吨，横向压缩最大破坏载荷为0.26~0.98t，与生物质原料相比，强度大幅提高。

 （4）吸湿性

无论哪种生物质成型燃料都不能直接和水接触，否则会很快膨胀、软化、松散。

（5）燃烧性能

        a、成型燃料密度大，从而限制了挥发物的逸出速度，延长了挥发物的燃烧时间；

        b、成型燃料质地密实，炭燃烧更加完全充分；

        c、整个燃烧过程O2的供应趋于平衡，燃烧效率高，过程稳定；

48、影响生物质成型燃料制备的主要因素

   （1）原料含水率

        过高则加热时产生大量水蒸气，造成表面开裂，严重时产生爆鸣；太低时因水分对木质素具有软化、塑化的作用，则生物质难以成型。

      原料含水率对成型的影响，一般在6~12%。

   （2）成型温度

      温度对不同物料成型的影响，木屑240~260℃，秸秆220~260 ℃；

（3）原料种类

   （4）原料粒度

粒径越小，形变越大，越有利于压缩，通常要求原料粒径小于5mm

（5）成型压力与模具尺寸

49、乙醇的理化性质

        做燃料是称为燃料乙醇，分子式：C2H5OH，CH2CH3OH，偏酸；

        无色，透明，易流动，具有独特醇香，辛辣，刺激性强，易挥发，易燃烧，可与水互溶，爆炸极限3.5%~18%（体积分数）；

        相对密度0.79，沸点78.3℃，凝固点-130 ℃，燃点424 ℃，高位热值26780kJ/kg；

        根据浓度和杂质含量高低，可分为4种类型：

      1、高纯度乙醇，浓度≥96.2%，中性，无杂质，国防、电子、试剂；

      2、精馏乙醇，浓度≥95.5%，杂质少，国防、化工；

      3、医药乙醇，浓度≥95%，杂质少，医药及酒类生产；

      4、工业乙醇，浓度达到95%，无其他要求，燃料，稀释剂；

50、乙醇的用途

    1、化学工业：重要的化工品原料，用来制造合成橡胶、冰醋酸、乙醚、有机酸、酯类等；

    2、国防工业：参与制造炸药、雷汞；

    3、农业：用于制造农药；

    4、医药工业：医疗消毒、药剂生产；

    5、溶剂工业：常用的有机溶剂，广泛用于香料、燃料、树脂、油漆等生产；

    6、食品工业：配制、加工多种饮料酒；

    7、燃料工业：工业锅炉燃料；作为汽油添加剂，或部分替代汽油，供发动机使用；

51、乙醇生产的主要方法

        乙醇生产的方法可概括为两大类：发酵法和化学合成法；燃料乙醇生产以发酵法为主；

（1）发酵法生产乙醇

    发酵法生产乙醇：利用微生物，主要是酵母菌，在无氧条件下将糖类、淀粉类或纤维素类物质转化为乙醇的过程。

    根据发酵原料不同，发酵法又可分为：淀粉质原料生产乙醇、糖质原料生产乙醇、纤维素类原料生产乙醇、工业废液生产乙醇；

    纤维素              淀粉（多糖）             糖类              乙醇

（2）化学合成法生产乙醇

        用石油裂解产生乙烯合成，有乙烯直接水合法、硫酸吸附法和乙炔法；

        CH2=CH2+H2O             C2H5OH

52、用于乙醇生产的主要原料

  （1）淀粉质原料

     甘薯（又名地瓜、红薯）、木薯、玉米（×）、马铃薯（土豆）、大麦（×）、小麦（×）、大米（×）、高粱（×）；

  （2）糖质原料

        甘蔗、甜菜、糖蜜；

  （3）纤维素类原料

        所有植物，是地球上最有潜力的燃料乙醇（生物质能）资源；

  （4）其他原料

        纸浆废液、淀粉渣、食品工业副产物（果皮、蔗渣等）。

53、乙醇发酵的生化反应过程

      1、水解反应

       （1）淀粉原料的水解反应

（C6H10O5）n           α-1，4-寡聚葡萄糖             nC6H12O6（葡萄糖）

       （2）纤维素类原料的水解反应

（C6H10O5）n（纤维素）           β-1，4-寡聚葡萄糖              nC6H12O6（葡萄糖）

（C5H8O4）m（半纤维素）              mC6H12O6（木糖）

      2、糖酵解

      乙醇发酵过程实质上是酵母等乙醇发酵微生物在无氧条件下利用其特定酶系统所催化的一系列有机质分解代谢的生化反应过程。反应底物可以是糖类、有机酸或氨基酸，其中最重要的是糖类，包括五碳糖和六碳糖。

      由葡萄糖降解为丙酮酸的过程称为糖酵解，包括四种途径：EMP途径、HMP途径、ED途径和磷酸解酮酶途径，其中EMP途径最重要，一般乙醇生产所用的酵母菌都以此途径发酵生产乙醇。

54、乙醇发酵的微生物学基础

    1、菌种的概念

    在发酵工业中，菌种的概念就是能够在控制条件下，按工艺设计的速率和产量，转化或生产设计产品的某种微生物。

    与沼气发酵不同，乙醇生产工艺过程中所采用的微生物菌种是纯培养菌种，也就是说水解和发酵两阶段所使用的微生物都属于单一菌种。

    乙醇工业常用的微生物主要有二种：一种是生产水解酶（淀粉酶或纤维素酶）的微生物，一般为霉菌；另一种是乙醇发酵菌种，降解糖类生成乙醇，一般是酵母菌或细菌。

    2、淀粉酶生产

    淀粉原料乙醇生产采用的糖化剂主要是淀粉酶，是由微生物发酵生产，俗称“曲”；“曲”又分为“麸曲”和“液体曲”。

    生产淀粉酶微生物称糖化菌，一般为曲霉菌。主要有米曲霉、黄曲霉、乌沙米曲霉、甘薯曲霉、黑曲霉等；曲霉是好氧菌。

3、纤维素酶生产

    大部分细菌不能分解晶体结构的纤维素，但有些霉菌（如木霉），能分泌水解纤维素所需的全部酶，研究和应用最多的是里氏绿色木霉。

    纤维素酶生产是高度需氧的过程。

    为防止微生物污染，接种发酵钱应对发酵罐和辅助设备进行灭菌消毒，典型的消毒条件为121℃蒸汽处理120min。（巴氏灭菌法）

    牛奶：62-65℃，保持30min；75-90℃，保温15-16s。

    4、乙醇发酵菌

    能进行乙醇发酵的微生物种类很多，包括酵母菌、霉菌和细菌，其中最常用的是酵母菌。

    酵母菌是一种兼性厌氧微生物，单细胞，以出芽繁殖为主，细胞形态有圆形、椭圆形或卵形。

    乙醇发酵的一个重要问题就是选育具有优良性能的酵母。

    酵母生长适宜温度28~35 ℃，pH5.0~5.5 

55、乙醇发酵的工艺类型

    按发酵过程物料存在状态，发酵法可分为固体发酵法、半固体发酵法和液体发酵法；

根据发酵醪液注入发酵罐方式不同，可分为间歇式、半连续式和连续式三种。

目前，固体发酵和半固体发酵在我国主要用于白酒生产，燃料乙醇现代大生产中多采用液体发酵。

56、淀粉质原料的乙醇生产

        基本工艺：

56、原料粉碎

        破坏植物组织，使淀粉从植物细胞中释出。

        干粉碎 和 湿粉碎。粉碎机械。

57、蒸煮糊化

      1、原理及作用

        淀粉是一种亲水胶体，与水接触，水就由渗透膜而进入到淀粉颗粒里面，淀粉颗粒因吸水而膨胀，体积扩大，重量增加，若将吸水后的淀粉加热到60~80 ℃，其体积会随温度的升高而膨胀到50~100倍，此时分子间联系削弱，淀粉颗粒分开，工艺上称之为淀粉糊化。

        将淀粉质原料在吸水后进行高温高压蒸煮，目的是使植物组织和细胞彻底破裂，原料内的淀粉颗粒因吸水膨胀而破坏，使淀粉颗粒变成溶解状态的糊液，易于受淀粉酶的作用，把淀粉水解成可发酵的糖。

        另外，经过高压蒸煮，对微生物和杂菌也起到杀灭作用。

      2、蒸煮糊化条件：150℃，压力300~600kPa，时间60~120min，其能量消耗站乙醇生产总能耗的20~30%。

      3、 蒸煮工艺：间歇蒸煮工艺、连续蒸煮工艺

         P230、P231. 图7-10、图7-11.

58、糖化工艺

        蒸煮醪不能直接被酵母菌利用发酵生成乙醇，必须进行糖化，即将蒸煮醪中的淀粉转化为可发酵性的糖。

        糖化过程所用的催化剂称为糖化剂（曲）。我国多采用曲霉作为糖化剂，欧洲各国则多采用麦芽作为糖化剂。曲分为麸曲和液体曲。此外还有采用酶制剂（如：淀粉酶）做糖化剂。

        糖化工艺：蒸煮醪加水稀释，加入糖化剂（曲，麸5~7%，液15~20%），60 ℃，20~30min。

59、乙醇发酵

    1、原理：

        C6H12O6                       2C2H5OH+2CO2

        乙醇发酵产物主要是C2H5OH和CO2，但同时也伴随着产生40多种发酵副产物，主要是醇、醛、酸、酯4大类。

60、乙醇发酵过程

  （1）前期发酵

   酵母菌繁殖增长期，温度一般不超过30 ℃，延续时间10h左右。

  （2）主发酵期

   酵母细胞大量形成，稳定生长，温度最好30~34 ℃，这是乙醇酵母最适宜生长温度，延续时间12h左右。

（3）后发酵期

   醪液中糖分被消耗殆尽，温度一般30~32 ℃，延续时间按40h左右。

   实际生产过程中以上三个阶段并没有明显的界限，并且随着糖化剂种类、酵母菌性能、接种量、发酵温度等诸多因素的影响，均有实际变化。

61、乙醇提取与精制

    1、原理

    发酵后醪液称为熟醪，其主要成分是乙醇和水，同时包括40多种杂质。乙醇的沸点78.3 ℃，水的沸点100 ℃，因此可利用蒸馏的方法将二者分离。

    2、设备

    蒸馏塔。

    3、无水乙醇的生产方法

    普通蒸馏的酒精，不能作为汽油替代燃料，必须脱水至酒精含量99.5%以上（无水乙醇），并加入改性剂才能作为燃料乙醇。

    （1）化学反应脱水；加入生石灰（CaO）、无水氯化钙（CaCl2）、浓硫酸逆流吸附等；

    （2）分子分离脱水；A4型分子筛、半透膜 等；

62、生物质气化的意义

    优点：改变生物质资源的存在相态；方便运输和利用；环保；改善农村卫生及环境状况，提高农民生活水平；

    问题：安全；热值低；政策及管理；

63、生物质气化的原理

4个反应区：（以上吸式生物质气化炉为例）生物质原料从上部加入，气化剂（空气）从底部吹入，气化炉中参与反应的原料自上而下分成干燥区，热分解区（裂解区），还原区和氧化区。 

（1）氧化反应

空气由气化炉底部进入，在经过灰渣层时被加热，继而进入氧化区，与炽热的炭发生燃烧反应，生成CO2，放出热量。由于是限氧燃烧，氧气的供给不充分，因而不完全燃烧反应同时发生，生成CO，同时放热。氧化区温度可达1000-1200℃。

（2）还原反应

该区已没有氧气存在，在氧化反应中生成的CO2在这里同炭及水蒸气发生还原反应，生成CO和H2。由于还原反应是吸热反应，还原区的温度相应降低，约为700～900℃。

还原区的主要产物为CO、CO2和H2，这些热气体同在氧化区生成的部分热气体进入上部的裂解区，而没有反应完的炭则落入氧化区。

（3）裂解反应

在氧化区和还原区生成的热气体，在上行过程中经过裂解层，将生物质原料加热，发生裂解反应，其中大部分的挥发分从固体中分离出去。由于裂解需要大量热，在裂解区温度已降到400～600℃。

在裂解反应中还有少量烃类物质的产生。裂解区的主要产物为C、H2、H2O、CO、 CO2、CH4、焦油及其他烃类物质等，这些热气体继续上升，进入到干燥区，而炭则进入下面的还原区。 

（4）干燥反应

最上层为干燥区，从上面加入的物料直接进入到干燥区，物料在这里同下面三个反应区生成的热气体产物进行换热，使原料中的水分蒸发出去，该层温度为 100~300℃。干燥层的产物为干物料和水蒸气，水蒸气随着下面的三个反应区的产热排出气化炉，而干物料则落入裂解区。

上吸式固定床气化炉原理图如下：

64、生物质气化技术的分类

65、生物质气化气的基本组成及特点

    秸秆燃气中的主要成分有一氧化碳（CO）、氢气（H2）、甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）、氮气（N2）、水分（H2O）烃类物质及硫化氢等。

    特点：氮气含量高、热值较低、燃烧所需的理论空气量较少、爆炸极限高。

    热值一般在4200—7560KJ/m3之间，属低热值可燃气。

66、生物质气化的主要技术指标

（1）产气率：单位质量生物质气化所得的燃气体积。

（2）气化强度：气化炉中单位横截面积每小时气化生物质原料的量，或气化炉中单位容积每小时气化生物质原料的量。

（3）气化效率：又称冷气体热效率，指单位重量生物质原料气化所得到的燃气在完全燃烧时放出的热量与气化使用的生物质原料发热量之比，是衡量气化设备工作效率的主要指标。

（4）总热效率：表示所有直接加入到气化过程中热量的利用程度，即生成物的总能量于参与气化的物质总能量之比。

（5）燃气热值：燃气的热值可用气体燃料热计测定。

67、生物质气化设备及其分类

气化炉是气化系统中的核心设备，常见的生物质气化炉按照原料的工作状态可分为固定床和流化床两大类。详细分类如下：

68、固定床气化炉

（1）下吸式固定床气化炉

其优点是：结构比较简单、工作稳定性好、可随时开盖添料、气体中焦油经过高温喉管区时，一部分被裂解为小分子永久性气体，因此燃气焦油含量较低。

其缺点是：抽出气化气时要耗费较大的功率，燃气中灰分多，出炉燃气的温度较高，需要冷却。

（2）上吸式固定床气化炉

其优点是：向下流动的原料被向上流动的热气体烘干、裂解，从而大大提高了炉具的热效率，并且热分解层和干燥层对气化气有一定的过滤作用。

其缺点是：添料不方便；气化气中含焦油较多。 

（3）3、平（侧）吸式固定床气化炉

其特点是：气化剂在炉内停留时间短，出炉燃气的含有诸如气化剂等杂质，焦油灰分含量大。炉体中心温度高，容易造成结块，它主要用于木炭气化。 

69、流化床气化炉

流化床气化炉用于气化具有一定粒度的固体燃料，当气化剂以一定流速度吹入后，燃料颗粒之间的微细颗粒之间会产生分离现象，全部微细颗粒被吹起而悬浮于气流之中而不被吹出，物料颗粒和气化剂充分接触，在炉内呈“沸腾”燃烧状态。

流化床气化反应速度快，气化强度高，气化效率高，适用于大型气化系统。炉内反应均匀一致，反应温度为700-850℃，不能保证焦油的裂解温度，产出气中焦油含量较高，净化设备投资较多。 

（1）鼓泡式流化床气化炉

（Bubbling beg gasifier）最简单的流化床气化炉，生物质原料在分布板上被直接输送到炽热的沙床中分解成炭和挥发分，气化剂从底部吹入，生成的气化燃气中焦油含量一般1-3g/m3，可通过调节气化剂的量控制流化床温度及产气率。

鼓泡床适用于颗粒较大的生物质原料，但存在飞灰和炭粒夹带严重、运行费用较大等问题，仅适合于大中型气化系统

（2）循环流化床气化炉

与鼓泡床相比，流化速度较高，使产出燃气中含大量固体颗粒，在燃气出口需设旋风分离器或滤袋分离器。

一般生物质气化所需的空气量仅为完全燃烧时的20-30%，所以为保持较高流化速度，一方面气化器相对截面不能太大，另一方面要求生物质颗粒直径较小。

该床是目前商业化应用最多的流化床气化器。

（3）双流床气化炉

由一级反应器和二级反应器两部分组成。一级反应器中，生物质原料发生热分解，生成的可燃气进入后续净化系统，固体炭粒作为原料进入第二级反应器中；在第二级反应器中炭粒进行氧化燃烧，使床层升温，经过加温的高温惰性流化介质（沙子），通过脚管回到第一级反应器，保证第一级反应器内分解气化所需热源和床料浓度。

双流床将燃烧和气化过程分开进行，效率较高。但其中两床间有足够稳定的物料循环量以保证有足够连续的热量供给是其技术关键及难点。

70、生物质气化过程的影响因素

（1）原料的气化特性

生物质原料挥发分高、固定碳低；（煤20%：60%，生物质70%：30%）；

生物质炭的反应性高；较低温度即可以较快速度气化反应。如815℃，2MPa，7min生物质即可80%气化，而褐煤几乎没有反应；

生物质气化灰分少（除稻壳外一般小于3%），且灰分不易粘结；

含硫量低（一般小于0.2%）；

原料的粒度及粒度分布；

（2）气化过程的操作条件

气化温度、反应压力、物料特性、催化剂等都是影响气化过程的主要因素。

（3）气化反应器的构造

71、焦油的成分、危害及去除方法

生物质气化焦油组成十分复杂，有100多种物质，主要为苯（5%以上含量物质有：苯、萘、甲苯、二甲苯、苯乙烯、酚、茚）的衍生物和多环芳烃（PAHs）

危害：降低气化效率，焦油能量占气化总能量的5-15%；堵塞管道；

1）喷淋法。在喷淋塔中将水与气化燃气接触，去除焦油。可在容器中装入玉米芯填充物，起到过滤的作用。此法集除尘、除焦和冷却3项功能于一体，是中小型气化系统采用较多的一项技术。主要缺点是会产生含有焦油的废水，造成能量的浪费和二次污染。

2）机械法；离心分离。

3）鼓泡水浴法。用稀碱（ NaOH ）溶液，对于去除燃气的焦油有较好效果。

4）干式过滤法。在容器内添放粉碎的玉米芯、木屑、谷壳或炭粒，让燃气从中穿过，或让燃气通过陶瓷过滤芯，具有较好的焦油去除效果，但主要缺点是需要经常更换过滤材料，而且部分过滤材料如活性炭成本较高。过滤焦油后，一定要把这些材料用于气化。

5）静电除焦法。首先在高压静电下将生物质气化燃气电离，使焦油小液滴带上电荷，小液滴聚合在一起形成大液滴，在重力作用下从燃气分离出来。静电除焦效率较高，一般可超过90%以上，缺点是能耗高，可操作性不强。

6）催化裂解法。与石油催化理解原理类似，利用木炭、白云石、镍基催化剂等催化剂的作用，在800～900℃发生热解反应，效率达99%以上。催化裂解的产物为可燃气体，可直接利用，避免了二次污染，是较有发展前途的技术。

72、生物质气化集中供气工程工艺流程

73、生物质气化发电的流程

生物质气化发电主要包括三个步骤：

（1）生物质原料热解气化，稳定、高效的供给。

（2）气体净化。去除灰分、焦炭和焦油 等杂质，保证燃气发电设备的正常运行。

（3）燃气发电。

74、植物油/动物油的用途：

食用（直接食用、食品加工）、润滑、制皂、制造油漆、防腐、密封、医用……

75、生物柴油的概念：指以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂，以及动物油脂、餐饮废油等可再生原料通过酯交换工艺制成的甲酯或乙酯燃料，这种燃料可供内燃机使用。 

76、植物油可以直接作为发动机燃料，1895年Rudlf Diesel 发明发动机，1900年巴黎博览会第一次展示时使用花生油作为燃料。

但直接以植物油作为燃料，存在黏度高、十六烷值（CN）低、挥发性差、积炭、结焦等缺点。

77、植物油的理化性质

  （1）植物油脂的化学结构

植物油的来源是存在于植物生物器内的油脂，主要成分是偶碳原子的高级脂肪酸甘油酯，习惯上把常温液态、脂肪酸链上存在不饱和碳键的甘油酯称为油，常温为固态、碳链为饱和键的称为脂。其化学结构为：

（2）植物油的燃料特性

    a、热值

     按重量计一般为柴油热值的87%~89%，且随着脂肪酸链长度的增加而增加，随脂肪酸链中双键数的增加而减少，C、H元素含量越高，热值越大。

    b、十六烷值（CN）

     衡量燃料在压燃式发动机中燃烧性能好坏的重要指标 。

     过高则致使燃烧不完全，油耗增加，功率下降，冒黑烟；过低则发动机易爆震。

     高速柴油机使用一般应为45~60。植物油CN一般为35~40。

    c、黏度

燃料黏度大，会造成燃料雾化不良，油气混合不均匀，燃烧不完全。

     植物油的黏度一般比柴油高10~20倍以上，蓖麻油为柴油的100倍。

     任何对于油脂改性使其应用于发动机的方法，其主要目的都是降低植物油/动物油的黏度！！

    d、闪点（燃点）

     指油脂加热到一定温度后，蒸汽与空气自然混合，接触火源而闪光（持续燃烧）的最低温度。

     闪点（燃点）是衡量燃料燃烧性能及运输、存储安全性的重要指标。

     柴油一般为60℃，植物油一般为234~293 ℃。

e、凝固点及熔点

     衡量油脂/燃料低温性能的指标。

    f、浊点

     当温度降低时，油脂/燃料发生浑浊时的温度。

78、植物油用作发动机燃料的方法

    （1）混合或稀释法

    20%的精炼（脱水、脱胶、脱酸、脱磷、除蜡、脱色加氢、酯交换等）油脂与80%柴油混合、稀释，可在不改变发动机内部结构和部件的情况下安全使用。

    另外，油脂与甲醇、乙醇、二甲醚等多种有机溶剂混合，也有用于发动机的报道，但长期使用，均存在积炭、结焦等许多问题。

（2）微细乳化

    体积分数：50%的2#柴油+25%的脱胶碱炼大豆油+20%正丁醇+5%乙醇，用于发动机，可无故障运行200h。

79、植物油的制取工艺

    1、压榨

    2、萃取

    3、抽提

4、精炼，主要包括：脱水、脱胶、脱酸、脱磷、除蜡、脱色加氢、酯交换等。

   80、生物柴油生产原理

（1）脂肪酸甘油酯的酯交换反应

（2）脂肪酸的酯化反应

81、生物柴油生产工艺（方法）

  （1）化学法生物柴油生产工艺

    目前，工业生物柴油生产主要采用化学酯化、酯交换方法生产。

    主要流程分3步：预处理（原料除杂、脱水与催化剂配比、混合）、反应（酯化、酯交换）、提纯（洗涤、蒸馏、脱色、干燥）。

    酯化反应催化剂为酸（H2SO4），酯交换催化剂为碱（KOH）。

（2）生物法法生物柴油生产工艺

    所用催化剂为脂肪酶或产脂肪酶的微生物。

    图10-11 固定化脂肪酶连续酯交换工艺流程。

82、发展生物柴油的意义

    （1）有利于保障国家石油安全；

    （2）有利于生态环境保护；

    （3）有利于调整农业产业结构、促进农村经济发展；

    （4）有利于保障食品安全。

83、生物柴油原料

    （1）植物油

        a、草本

        b、木本

    （2）动物油脂

    （3）微生物油脂

        a、产油微生物（细菌、霉菌、酵母菌）

        b、藻类

作业题目汇总：

1、生物质能的概念

2、画图说明生物质能利用技术途径

3、简述：生物质原料的类型和特点；

4、简述：能源植物的概念和分类；

5、参考安徽省统计年鉴，按照草谷比估算安徽省农作物秸秆年产量。

6、简述生物质燃料的特性；

7、简述生物质燃料在燃烧过程的特点。

8、简述生物质成型的原理；

9、简述生物质成型的工艺类型；

10、简述影响生物质压缩成型的主要因素（要求做简要分析）。

11、燃料乙醇的概念；

12、乙醇生产的方法有哪两类？并请简述其各自原理；

13、用于燃料乙醇生产的主要原料有哪几类？并请举例；

14、简述：淀粉质原料发酵生产燃料乙醇的主要工艺流程，并请画图说明；

15、以上吸式生物质气化炉为例论述生物质气化的原理及过程；

16、画图简述生物质气化技术的分类；

17、简述：生物质气化燃气的组成及特点；

18、画图简述生物质气化设备的分类；简述下吸式固定床、鼓泡流化床的结构、原理及优缺点；

19、简述：生物质气化过程的影响因素；

20、简述：生物质气化过程中焦油的危害及去除方法；

21、生物柴油的概念；

22、生物柴油的特点；

23、简述：生物柴油生产的主要方法（做简要说明）；1

24、生物柴油制备的主要原料包括哪些？

本文由生物质燃烧机，木屑颗粒机，撕碎机收集分享，帮忙增加下流量，谢谢