新能源与分布式发电技术07生物质能及其利用2017

生物质长期以来为人类提供了最基本的燃料。 在不发达地区，生物质能在能源结构中的比例较高，例如在 非洲有些国家高达60%以上。 在当今世界能源消费结构中，仅次于煤炭、石油和天然气， 被称为“第四能源”。
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§7.1.3 生物质能及其特点
作为一种能源资源，生物质能具有如下特点： （1）可循环再生 （2）可存储和运输 （3）资源分散 （4）大多来自废物
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有机化合物除少数以外，一般都能燃烧。和无机物相比， 它们的热稳定性比较差，电解质受热容易分解。有机物的 熔点较低，一般不超过400℃。有机物的极性很弱，因此大 多不溶于水。有机物之间的反应，大多是分子间反应，往 往需要一定的活化能，因此反应缓慢，往往需要催化剂等 手段。而且有机物的反应比较复杂，在同样条件下，一个 化合物往往可以同时进行几个不同的反应，生成不同的产 物。 无机物即无机化合物。一般指碳元素以外各元素的化合物 ，如水、食盐、硫酸、石灰等。但一些简单的含碳化合物 如一氧化碳、二氧化碳、碳酸、碳酸盐和碳化物等，由于 它们的组成和性质与无机物相似，因此也作为无机物来研 究。绝大多数的无机物可以归入氧化物、酸、碱、盐四大 类。
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沼气是有机物质在厌氧环境中，在一定的温度、 湿度、酸碱度的条件下，通过微生物发酵作 用，产生 的一种可燃气体。由于这种气体最初是在沼泽、湖泊 、池塘中发现的，所以人们叫 它沼气。 沼气含有多种气体，主要成分是甲烷（CH4）。沼 气细菌分解有机物，产生沼气的 过程，叫沼气发酵。 根据沼气发酵过程中各类细菌的作用，沼气细菌可以 分为两大类。第一类细菌叫做分解菌，它的作用是将 复杂的有机物分解成简单的有机物和二氧化碳（CO2） 等 。它们当中有专门分解纤维素的，叫纤维分解菌； 有专门分解蛋白质的，叫蛋白分解菌；有专门分解脂 肪的，叫脂肪分解菌；第二类细菌叫含甲烷细菌，通 常叫甲烷菌，它的作用是把 简单的有机物及二氧化碳 氧化或还原成甲烷。
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有机物的特点： 多数有机化合物主要含有碳、氢两种元素，此外也常含 有氧、氮、硫、卤素、磷等。 和无机物相比，有机物数目众多，可达几千万种。有机 化合物的碳原子的结合能力非常强，互相可以结合成碳 链或碳环。碳原子数量可以是1、2个，也可以是几千、 几万个，许多有机高分子化合物甚至可以有几十万个碳 原子。此外，有机化合物中同分异构现象非常普遍，这 也是造成有机化合物众多的原因之一。
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§7.3.1 固体生物质燃料
（2）固体成型燃料
其能源密度相当于中等烟煤，热值显著提高，便于储运。
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§7.3.2 气体生物质燃料
气体燃料的优点包括： ① 既可直接燃烧，又能用来驱动发动机和涡轮机； ② 能量转化效率比生物质直接燃烧高； ③ 便于运输；等等。 （1）木煤气 可燃的生物质在高温条件下经过干燥、干馏热解、氧化还原 等过程后，能产生可燃性混合气体，称为生物质燃气，俗称 “木煤气” 。 主要成分有CO、H2、CH4、CmHn等可燃气体和CO2、O2、N2 等不可燃气体及少量水蒸气。另外，还有由多种碳氧化合物 组成的大量煤焦油。
（2）林木生物质 林木生物质资源大多分布在我国的主要林区，其中西藏、四 川、云南三省区的蕴藏量越占全国总量的一半。 （3）禽畜粪便 主要来源是大牲畜和大型畜禽养殖场，集约化养殖所产生的 畜禽粪便就有4亿吨左右。 主要分布在河南、山东、四川、河北等养殖业和畜牧业较为 发达的地区。 （4）城市垃圾和废水 工业有机废水排放量高达20多亿吨(不含乡镇工业)。每年城 市垃圾产量不少于1.5亿吨，有机物的含量约为37.5％。
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气化炉流程示意图
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§7.3.2 气体生物质燃料
（2）沼气 人畜粪便、农林废弃物、有机废水等，在密封装置中利用特 定微生物分解代谢，能产生可燃的混合气体，称为沼气。 主要成分是甲烷(CH4)，通常体积占60%～70%。 甲烷的发热值很高，完全燃烧时仅生成CO2和H2O，并释放热能， 是一种清洁燃料。 1m3 沼气的含热量相当于0.8kg标准煤。
此外，海洋和湖泊也提供大量生物质。
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桉树 梧桐
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苜蓿草牧草之王
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桉树 苜蓿草牧草之王
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苜蓿草牧草之王
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§7.1.2.2 其它形式的生物质
（1）动物粪便 动物粪便是从植物体转化而来的，富含有机物，数量也很大。 发酵释放大量温室气体；若处理不善，还会对水体造成污染。 （2）城市垃圾 城市垃圾成分比较复杂，居民生活垃圾，办公、服务业垃圾， 部分建筑业垃圾和工业有机废弃物都含有大量有机物。 猜一猜：平均每个家庭每年会产生多少垃圾？
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§7.1.4 我国的生物质资源
中国拥有丰富的生物质资源，理论总量有50 亿吨左右。 （1）秸秆等农业生物质 每年农作物秸秆产量达7亿吨，可作为能源的约有3亿吨。此 外，一些大型米厂每年可收集2000万吨左右的稻壳。(分布情 况，详见教材)
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§7.2.2 生物质能利用的形式
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§7.3 生物质燃料
§7.3.1 固体生物质燃料
（1）生物质直接燃烧 直接燃烧是最古老、最广泛的生物质利用方式。
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得到的热量，可直接利用，也可进行后续转换（如发电）。 不过，直接燃烧的转换效率往往很低。
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§7 生物质能及其利用
关注的问题 生物质是怎么形成的，怎样获得？ 生物质资源有何特点？ 我国的生物质资源情况如何？ 沼气是如何形成的？ 垃圾能否被利用？ 生物质燃料的类型和特点？ 生物质发电有哪些方式？ 石油树是什么树？海藻和燃料有什么关系？ 教学目标 了解生物质的概念和资源情况，理解其特点和重要性； 掌握生物质燃料的类型并了解其生成方式； 掌握生物质能发电的原理和主要方式。
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小知识：光合作用
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地球每年经光合作用产生的物质有1730 多吨，其中蕴含的能量相当于全世界能源 消耗总量的20-30倍，但目前的利用率不 到3%
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§7.1.2 生物质的来源
获取生物质的途径大体上有两种情况： 一有机废弃物的回收利用，
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§7.3.2 气体生物质燃料
（2）沼气 利用微生物代谢作用来生产产品的工艺过程称为发酵。 沼气发酵又称为厌氧消化，有机物质在一定的水分、温度和 厌氧条件下，通过多种微生物的分解代谢，最终形成甲烷和 二氧化碳等混合性气体。 沼气池必须符合多种条件（微生物生存、繁殖）： －沼气池要密闭。 －维持20～40℃。 －要有充足的养分。 －发酵原料要含适量水。 －pH值一般控制在7～8.5。
夜来城外一尺雪，晓驾炭车辗冰辙。 牛困人饥日已高，市南门外泥中歇。 翩翩两骑来是谁？黄衣使者白衫儿。 手把文书口称敕，回车叱牛牵向北。 一车炭，千余斤，宫使驱将惜不得。 半匹红绡一丈绫，系向牛头充炭直。
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随着化石燃料的大量开发利用，薪炭能源的比例逐渐下降。 1973年能源危机的爆发及矿物能源的严重污染，使可再生能 源，得到了国际上的广泛重视和发展。
热裂解是指在隔绝空气或空气不足的不完全燃烧条件 下，将生物质原料加热，将生物质大分子中的化学键 切断，使其分解为分子量较低的CO2、H2、CH4等可燃 气体。
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气化炉原理：将原料送入炉内，加燃料后点燃，同 时通过进气口向炉内鼓风，通过一系列氧化还原反 应形成煤气。
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与煤炭相比，生物质燃料的特点为： －碳氢化合物受热分解挥发分多，释放的能量过半； －含氧量多，易点燃，而不需太多氧气供应； －密度小，容易充分烧尽，灰渣中残留的碳量小； －含碳量少，能量密度低，燃烧时间短； －松散，体积大，不便运输。
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（3）有机废水 工业有机废水和生活污水，往往也含有丰富的有机物。
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垃圾发电技术
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§7.1.3 生物质能及其特点
生物质能，指蕴藏在生物质中的能量，
是直接或间接地通过光合作用，把太阳能转化为化学能后固定 和贮藏在生物体内。
每年生成的生物质总量达1400～1800亿吨，所蕴含的生物质能 相当于目前世界耗能总Fra Baidu bibliotek的10倍左右。
§7.3.1 固体生物质燃料
（2）固体成型燃料 以木质素为黏合剂，将松散的秸秆、树枝和木屑等农林废弃 物挤压成特定形状的固体燃料，即压缩成型。 压缩成型可以解决天然生物质分布散、密度低、松散蓬松造 成的储运困难、使用不便等问题。 原料主要是锯末、木屑、稻壳、秸秆等，其中含有纤维素、 半纤维素和木质素，占植物成分的2/3以上。 一般将原料粉碎到一定细度后，在一定压力、温度和湿度条 件下，挤压成棒状、球状、颗粒状的固体燃料。
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§7.1.4 我国的生物质资源
生物质能的主要分布区在西南、东北、河南、山东等地。
分布情况，详见教材。 我国生物质能的分布与常规能源有一定程度的互补，在一次 能源蕴藏量较低的地区往往有开发生物质能的巨大潜力。
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§7.2 生物质能利用概述
§7.2.1 生物质能利用的历史
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自原始农业社会，秸秆和薪柴就一直是主要的燃料，这就是 传统生物质能，有时统称薪炭。 1860年，薪炭在世界能源消耗中所占比例仍高达73.8%。
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卖炭翁
白居易
卖炭翁，伐薪烧炭南山中。 满面尘灰烟火色，两鬓苍苍十指黑。 卖炭得钱何所营？身上衣裳口中食。
可怜身上衣正单，心忧炭贱愿天寒。
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因此，更为广泛的生物质来源，更多的生物质能利用方式， 逐渐被人类发现并普及应用。
专家估计，到21世纪中叶采用新技术生产的各种生物质替代 燃料将占全球总能耗的很大比重。
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§7.2.2 生物质能利用的形式
生物质能利用，主要是将生物质转变为可直接利用的热能、 电能和可存储的燃料。 生物质的组成与化石燃料大体相同，利用方式也类似。常规 能源的利用技术无需大改，即可应用于生物质能。 但生物质的种类繁多，各有不同的属性和特点，应用方式也 趋于多样，可能远比化石燃料的利用更复杂。
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§7.3.2 气体生物质燃料
（1）木煤气
原料多为原木生产及木材加工的残余物、薪柴、农副产物。 不同的生物质气化所产生的混合气体成分可能稍有差异。
目前常用的生物质燃气发生器，有热裂解装置和气化炉。 生物煤气中可燃气体所占比例较低，热值较低。
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§7.1 生物质和生物质能
§7.1.1 生物质的概念
生物质，是指有机物中除化石燃料外所有来源于动、植物和 微生物的物质， 包括动物、植物、微生物以及由这些生命体排泄和代谢的所 有有机物。
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有机物即有机化合物。含碳化合物（一氧化碳、二氧化碳、碳 酸盐、金属碳化物等少数简单含碳化合物除外）或碳氢化合物 及其衍生物的总称。 有机物是生命产生的物质基础，所有的生命体都含有机化合 物。脂肪、氨基酸、蛋白质、糖、血红素、叶绿素、酶、激 素等。生物体内的新陈代谢和生物的遗传现象，都涉及到有 机化合物的转变。此外，许多与人类生活有密切相关的物质 ，如石油、天然气、棉花、染料、化纤、塑料、有机玻璃、 天然和合成药物等，均与有机化合物有着密切联系。 总之，有机化合物都是含碳化合物，但是含碳化合物不 一定是有机化合物。
一专门培植作为生物质来源的农林作物。
此外，某些光合成微生物也可以形成有用的生物质。
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§7.1.2.1 农林作物形成的生物质
（1）农林作业和加工的废弃物 例如：农作物的秸秆，残渣和谷壳； 林木的残枝、树叶、锯末、果核、果壳等。 （2）专门培植的农林作物 例如：
白杨，梧桐等薪炭林树种，桉树等能源作物，苜蓿等草本 植物。 造酒精的甜高粱，产糖的甘蔗，及向日葵等油料作物。