《能源环境学》课程教学资源（课件讲稿）第4章 可再生能源与环境保护 4.3 生物质能与环境保护

二、转化技术和利用原理HydrogenWater-gas shiftGasolineMethanolMeOH SynthesisOlefinsSyn-gasGasificationCO + H,AlkanesFischer-Tropsch SynthesisSteam-ReformingAromatics,hydrocarbonsHydrodeoxygenationBio-oilsBiomass FeedstocksFast PyrolysisZeolite UpgradingAromatics,light alkanes,coke(Sugars, Acids,Cellulosic BiomassLiquefactionAldehydes,(wood,woodwastesDirect UseEmulsionsAromatics)corn Stover,switchgrass,agriculturalAlkyl benzenes,phenolswaste,straw, etc.)HydrodeoxygenationLigninChemical Structure:(coumaryl,Aromatics, cokecellulose,Zeolite upgradingconiferyl andhemicellulose,sinapylC-Crs n-Alkanes,AlcoholsAignina'ceasligarsAquPhase ProcFurfurajDehydrationHydrogenationMTHF(Methyltetrahydrofuran)(Xylose)Corn StoverPretreatmentLevulinicC6 SugarsBagasseLevulinic Esters4HydrolysisEsterificationDehydration1AcidCornMTHFHydrogenationCornC6 SugarsGrain Bydrolysis(Glucose, FructoseEthanol, ButanolFermentation(90%)SucroseSugarcaneAllSugarsC-Cg n-AlkanesGlucose (10 %)APD/HAromatics, alkanes,cokeZeoliteHydrogenAlkyl esters(Bio-diesel)Aqueous or S. C. ReformingTransesterificationC,-Cy Alkanes/AlkenesTriglyceridesZeolite/Pyrolysis(VegetableGreendiesel/greenjetOils,Algae)HydroprocessingDirect UseBlending/Direct UseG.WHuber,S.Iborra,A.Corma;ChemicalReviews106,4044(2006)

Biomass Feedstocks Cellulosic Biomass (wood, wood wastes, corn Stover, switch grass, agricultural waste, straw, etc.) Chemical Structure: cellulose, hemicellulose, lignin Gasification Fast Pyrolysis Liquefaction Pretreatment & Hydrolysis Syn-gas CO + H2 Bio-oils (Sugars, Acids, Aldehydes, Aromatics) Lignin (coumaryl, coniferyl and sinapyl alcohols) C5 Sugars (Xylose) C6 Sugars (Glucose, Fructose) Corn Hydrolysis Sugarcane Triglycerides (Vegetable Oils, Algae) Water-gas shift MeOH Synthesis Fischer-Tropsch Synthesis Hydrogen Methanol Alkanes Hydrodeoxygenation Zeolite Upgrading Emulsions Gasoline Olefins Steam-Reforming Hydrodeoxygenation Zeolite upgrading Fermentation Ethanol, Butanol Corn Stover Sucrose (90%) Glucose (10 %) Corn Grain Bagasse Aromatics, hydrocarbons Aromatics, light alkanes, coke Direct Use All Sugars Furfural Dehydration MTHF (Methyltetrahydrofuran) C6 Sugars Alkyl benzenes, phenols Aromatics, coke Transesterification Zeolite/Pyrolysis Aqu. Phase Proc. C8-C13 n-Alkanes, Alcohols Hydrogenation Levulinic Acid MTHF Esterification Levulinic Esters Hydrogenation Dehydration APD/H C1-C6 n-Alkanes Zeolite Aromatics, alkanes, coke Aqueous or S.C. Reforming Hydrogen Hydroprocessing Alkyl esters (Bio-diesel) C1-C14 Alkanes/Alkenes Green diesel/green jet Blending/Direct Use Direct Use G.W. Huber, S. Iborra, A. Corma; Chemical Reviews 106, 4044 (2006). 二、转化技术和利用原理

生物质转化技术燃烧（热量）热裂解（油液碳气）热化学转化(Thermchem.）水热转化（油液碳气）溶剂热解（油气）发酵乙醇（燃料）厌氧消化（沼气/甲烷）生化转化(Biochem.)生物光解（氢气）生物质（MFC)微生物燃料电池(Biomass)压缩成型（颗粒燃料/板材）物理转化压榨（汁液/油料）(Physical)造纸（Paper）生物柴油(Biodiesel)多种过程(MutiProcess)生物制氢气(H2)

生物质转化技术 生物质 (Biomass) 生化转化 (Biochem.) 热化学转化 (Thermchem.) 物理转化 (Physical) 发酵乙醇 (燃料) 生物柴油 (Biodiesel) 厌氧消化(沼气/甲烷) 生物光解 (氢气) 燃烧 (热量) 热裂解 (油液碳气) 水热转化 (油液碳气) 造纸 (Paper) 压缩成型 (颗粒燃料/板材) 微生物燃料电池 (MFC) 多种过程 (MutiProcess) 溶剂热解 (油气) 压榨(汁液/油料) 生物制氢气(H2)

不同能源转化技术比较FAOLSCHEEREEISSTITODifferent feedstock as sourcefor thesame product:CHPSISNGbiogasNatural gas生物化学地球化学biochemicalthermo chemicalgeologicaldaysMillion yearsseconds10.011001E+081E+101E+121E+141E+16 [s]1E+041E+06SNG:SyntheticNaturalGas,SubstituteNaturalGasOthernamesforRenewableNaturalGas:RNG:RenewableNaturalGasBiomethane,biogas

不同能源转化技术比较 热化学 生物化学 地球化学

2.1.热化学转化燃烧（热量）热裂解军（油液碳气）热化学转化(Thermchem.）水热转化（油液碳气）溶剂热解 (油）

2.1. 热化学转化 热化学转化 (Thermchem.) 燃烧 (热量) 热裂解 (油液碳气) 水热转化 (油液碳气) 溶剂热解 (油)

(1)燃烧生物质燃烧技术一最成熟、最简便可行的方式之一DirectoFertilizerCombustionVehicularFuel片AnaerobicProductionDigestionBiomassPYROLYTICREACTOR-0GASTOPRE-DRYERTOCO-GENERATOIBIOMASSCHARCOALCCharcoalGasificationPyrolysisProduction

(1)燃烧 生物质燃烧技术 — —最成熟、最简便 可行的方式之一

1）生物质燃烧技术生物质直接燃烧生物质和煤混合燃烧生物质的气化燃烧城市垃圾燃烧其他燃烧技术

1) 生物质燃烧技术 l 生物质直接燃烧 l 生物质和煤混合燃烧 l 生物质的气化燃烧 l 城市垃圾燃烧 l 其他燃烧技术

2）生物质燃料燃烧过程四个阶段：（1）预热干燥；（2）干燥阶段；（3）挥发分的析出、燃烧与焦炭形成（干馏，释放热，占70%）：（4）残余焦炭燃烧。燃烧火焰挥发性焦H20C02T利油和气体热分解热量用焦生物质CO2火焰炭燃料燃烧燃烧COCO2干燥H,0灰爆0

2）生物质燃料燃烧过程 四个阶段： （１）预热干燥； （２）干燥阶段； （３）挥发分的析出、燃烧与焦炭形成（干馏，释放热，占70%） ； （４）残余焦炭燃烧

木材燃烧过程描述350°C（半）纤维素分解完全木材500°C200 °C300°℃木质素持半纤维素纤维素剧火焰燃烧续分解分解烈分解没有火焰没有烟，木质素维持燃烧热分解产生的可燃性分解物与空气（氧）的混合气体燃着后开始形成火焰燃烧，放出大量热，约占木材总发热量70%以上

木材燃烧过程描述 木材 200 oC 半纤维素 分解 350 oC （半）纤维 素分解完全 300 oC 纤维素剧 烈分解 500 oC 木质素持 续分解 热分解产生的可燃性分解物与空气（氧）的混合气体燃着后开 始形成火焰燃烧，放出大量热，约占木材总发热量70%以上。 火焰燃烧 没有火焰没有烟， 木质素维持燃烧

3）生物质燃烧的条件要充分的燃烧，必要“3要素”：①一定的温度D合适的空气量及燃料的良好混合足够的反应时间和空间2023/10/27

2023/10/27 9 3）生物质燃烧的条件 要充分的燃烧，必要“3要素”： Ø 一定的温度 Ø 合适的空气量及燃料的良好混合 Ø 足够的反应时间和空间

4）燃烧过程特点8生物质燃料密度小，结构比较松散，挥发分含量高。在生物质燃烧过程中，若空气供应不当。挥发分就会不被燃尽而排出①不论生物质的来源于草本还是林木。其热解后的组成成分基本一致①含水量高且多变，热值低，炉前热值变化快，燃烧组织困难①挥发分高，且析出温度低、析出过程迅速，燃烧组织需与之适应①生物质着火容易，在挥发分燃尽后，燃料剩余物为焦炭，气流运动会将炭粒带人烟道。且固定碳受到灰分包裹，燃烧较难，因此，在固定碳燃烧阶段，气流不宜太强?碱金属和氯腐蚀问题突出燃烧设备的设计与运行方式的选择须从其燃烧特性出发！102023/10/27

2023/10/27 10 4）燃烧过程特点 Ø 生物质燃料密度小，结构比较松散，挥发分含量高。在生物质燃烧过程 中，若空气供应不当。挥发分就会不被燃尽而排出 Ø 不论生物质的来源于草本还是林木。其热解后的组成成分基本一致 Ø 含水量高且多变，热值低，炉前热值变化快，燃烧组织困难 Ø 挥发分高，且析出温度低、析出过程迅速，燃烧组织需与之适应 Ø 生物质着火容易，在挥发分燃尽后，燃料剩余物为焦炭，气流运动会将 炭粒带人烟道。且固定碳受到灰分包裹，燃烧较难，因此，在固定碳燃烧 阶段，气流不宜太强 Ø 碱金属和氯腐蚀问题突出 燃烧设备的设计与运行方式的选择须从其燃烧特性出发！