生物質能是綠色植物將太陽能轉化為化學能而儲存在生物質內部的能量。發展高效生物質能部分替代化石能源，已成為世界各國保障能源安全的重要戰略措施。然而，開發高效、環境友好、低成本的生物質能源技術并研究相關的理論依舊是亟待解決的國際性難題。在此背景下，《生物質能源技術與理論》系統、、深入地介紹了生物質能利用技術及理論，并通過工程案例對當前主流技術、相關機理、環境效益、政策法規以及發展趨勢進行明晰的闡釋。《生物質能源技術與理論》共分為五部分(11章)。部分(第1章)主要介紹《生物質能源技術與理論》的撰寫背景和主要思路。第二部分(第2~8章)主要介紹生物質能利用的主流技術和理論，包括生物質制氣、生物質制油、生物質發電與供熱、生物質成型燃料、生物質制氫、生物質能源前沿技術、生物質煉制與高值化利用等7章。第三部分(第9章)主要介紹生物質能源利用的環境生態社會效應。第四部分(第10章)主要介紹管理政策與公眾參與。第五部分(第11章)主要介紹生物質能源技術發展與應用挑戰。
生物、能源、環境、化工等相關領域的研究生及高年級本科生,相關領域科研工作者
目錄
第1章 緒論 1
1.1 本書撰寫背景 1
1.2 本書框架思路與主要內容 2
1.3 編寫本書的重要性和必要性 3
第2章 生物質制氣 5
2.1 生物質燃氣熱解氣化技術制備 5
2.1.1 制備技術分類 5
2.1.2 生物質熱解技術 8
2.1.3 生物質氣化技術 12
2.1.4 氣體凈化及重整變換技術 26
2.1.5 生物質氣化過程模擬 28
2.1.6 超臨界氣化技術 32
2.2 生物合成氣制備 33
2.3 生物質燃氣厭氧消化技術制備 37
2.3.1 生物沼氣簡介 37
2.3.2 生物沼氣的制備 37
2.3.3 生物沼氣的提純 42
2.3.4 生物沼氣的應用前景 49
2.4 生物質燃氣利用及工程案例 49
2.4.1 生物質氣化集中供氣工程實例 49
2.4.2 生物質氣化集中供熱工程案例 51
2.4.3 沼氣發電工程案例 53
2.4.4 生物質氣化多聯產技術工程案例 59
參考文獻 77
第3章 生物質制油 80
引言 80
3.1 燃料乙醇制備 80
3.1.1 乙醇的物理性質 82
3.1.2 燃料乙醇原料 82
3.1.3 燃料乙醇工藝 85
3.2 生物柴油制備101
3.2.1 生物柴油的特點 101
3.2.2 生物柴油的原料 102
3.2.3 生物柴油的制備方法 104
3.2.4 生物柴油生產工藝 111
3.2.5 生物柴油發展歷程 113
3.3 生物油制備 118
3.3.1 生物油特征 118
3.3.2 生物質熱解方法 119
3.3.3 生物質快速熱裂解液化機理與工藝流程 123
3.3.4 快速熱解反應器 129
3.3.5 熱解的影響因素 132
3.3.6 生物油的理化性質及分析方法 134
3.3.7 生物油精制高品位油品 138
3.4 生物質汽油/柴油制備 146
3.5 航空生物燃油制備 148
3.5.1 航空燃油的特性 148
3.5.2 航空燃油的等級 151
3.5.3 生物航油合成技術 153
3.5.4 生物航油原料 155
3.5.5 生物航油的生產方法 157
3.6 生物質液體利用與工程案例 158
3.6.1 燃料乙醇工藝實例介紹 158
3.6.2 生物油工程實例介紹 165
3.6.3 生物航油實用工程案例 169
參考文獻 172
第4章 生物質發電與供熱 179
4.1 生物質發電 179
4.1.1 生物質直燃發電 180
4.1.2 生物質氣化發電 185
4.1.3 生物質混合燃燒發電 190
4.1.4 生物質燃燒對系統運行和排放的影響 196
4.2 生物質供熱 200
4.2.1 生物質供熱國內外發展現狀 200
4.2.2 生物質燃料供熱 202
4.2.3 生物質氣化供熱 212
4.3 生物質發電供熱利用及工程 214
4.3.1 生物質直燃發電工程案例 214
4.3.2 生物質氣化發電工程案例 216
4.3.3 生物質與煤共燃發電工程案例 218
4.3.4 沼氣發電工程案例 222
4.3.5 生物質直燃供熱工程案例 223
參考文獻 225
第5章 生物質成型燃料 230
引言 230
5.1 生物質顆粒制備 232
5.1.1 顆粒成型過程及影響顆粒成型的因素 232
5.1.2 顆粒成型機理的研究 233
5.1.3 成型設備的介紹 235
5.2 生物質塊狀燃料制備 236
5.2.1 生物質粘結機制及碾切成型機理 236
5.2.2 生物質固化成型影響因素分析 238
5.2.3 生物質壓塊成型工作原理 239
5.3 生物質燃料棒制備 241
5.3.1 環模輥壓式棒狀成型 241
5.3.2 平模式棒(塊)狀成型機 242
5.3.3 液壓活塞沖壓式成型機 244
5.4 垃圾衍生燃料制備 246
5.4.1 垃圾衍生燃料 246
5.4.2 RDF分類組成及特性 246
5.4.3 RDF的制備工藝 248
5.4.4 存在問題 249
5.5 污泥衍生燃料制備 250
5.5.1 污泥的特性 250
5.5.2 污泥的分類 250
5.5.3 污泥衍生燃料的制備、方法與工藝 251
5.5.4 污泥衍生燃料制備的影響因素 260
5.6 生物質成型燃料利用及工程案例 262
5.6.1 北京聯合優發能源技術有限公司徐州生物質成型項目 262
5.6.2 河南省科學院能源研究所有限公司萬噸級秸稈成型燃料生產項目 265
參考文獻 268
第6章 生物質制氫 270
引言 270
6.1 熱解氣化制氫 270
6.1.1 生物質熱解制氫定義 270
6.1.2 熱解生物質常用原料性質 272
6.1.3 熱解法生物質制氫工藝流程 272
6.1.4 熱解法生物質制氫原理 274
6.1.5 熱解過程的熱分析方法 277
6.1.6 熱解動力學研究 278
6.1.7 生物質熱裂解制氫技術的研究 279
6.2 生物油制氫 281
6.2.1 生物油氣化制氫 281
6.2.2 生物質水相重整制氫 287
6.3 超臨界轉化制氫 296
6.3.1 生物質在超臨界狀態下制氫的基本概念 296
6.3.2 超臨界轉化制氫機理 296
6.3.3 太陽能化學和生物轉化制氫在超臨界轉化制氫方面的應用 300
6.3.4 超臨界轉化制氫國內外研究 302
6.4 生物質化學鏈氣化制氫 305
6.4.1 基于生物質的甲烷制氫 305
6.4.2 基于生物質的甲醇轉化制氫 305
6.4.3 基于生物質的乙醇轉化制氫 305
6.4.4 基于生物質的熱解氣化制氫 306
6.5 光合生物產氫 306
6.5.1 生物質光合產氫 306
6.5.2 光合生物制氫技術國內外研究進展 308
6.6 生物質制氫利用與工程案例 310
參考文獻 312
第7章 生物質能源前沿技術 322
引言 322
7.1 能源植物與作物 322
7.1.1 能源植物與作物種類 323
7.1.2 幾種重要能源植物及其開發和利用現狀 327
7.1.3 幾種重要能源作物及其開發和利用現狀 349
7.1.4 能源植物與作物利用發展趨勢 370
7.2 能源微藻 373
7.2.1 微藻生物能源技術的形成與發展 376
7.2.2 能源微藻利用形式 377
7.2.3 能源微藻生產系統——采樣與預培養 391
7.2.4 分離和篩選技術 393
7.2.5 藻種保藏技術 397
7.2.6 藻種培養技術 400
7.2.7 微藻規模化培養技術 408
7.2.8 微藻油脂的提取及轉酯化制備生物柴油 419
7.2.9 微藻生物能源發展趨勢 421
7.3 海洋生物質能源 423
7.3.1 海洋微藻生物能源 424
7.3.2 大型海藻生物能源 425
7.4 合成氣發酵制油 427
7.4.1 熱解氣 432
7.4.2 氣化氣 434
7.4.3 沼氣 436
7.5 微生物電池 439
7.5.1 微生物燃料電池的基本原理 439
7.5.2 MFC發展歷史與現狀 443
7.5.3 MFC產電微生物 446
7.5.4 MFC各組件對電池性能的影響 449
7.5.5 MFC的發展方向及應用前景 453
7.6 生物質氣化與燃料電池聯合發電 454
7.6.1 簡述 454
7.6.2 國內外發展現狀 456
7.6.3 技術工藝分析 460
7.6.4 面臨的主要問題分析 462
7.7 生物質化學鏈氣化 463
7.7.1 載氧體 465
7.7.2 基于載氧體Fe2O3的生物質化學鏈氣化 465
參考文獻 467
第8章 生物質煉制與高值化利用 489
引言 489
8.1 生物丁醇的制備與利用 489
8.1.1 生物丁醇概述 489
8.1.2 生物丁醇的應用 490
8.1.3 生物丁醇生產工藝 492
8.1.4 生物丁醇的研究現狀 494
8.2 生物基潤滑油的制備與利用 495
8.2.1 生物基潤滑油概述 495
8.2.2 生物基潤滑油的應用 496
8.2.3 生物基潤滑油生產工藝 497
8.2.4 生物基潤滑油研究現狀 500
8.3 生物炭的制備與利用 501
8.3.1 生物炭概述 501
8.3.2 生物炭的應用 501
8.3.3 生物炭生產工藝 503
8.3.4 生物炭研究現狀 505
8.4 生物基高值聚合物制備與利用 506
8.4.1 生物基高值聚合物概述 506
8.4.2 生物基高值聚合物的應用 507
8.4.3 生物基高值聚合物的生產工藝 510
8.4.4 生物基高值聚合物研究現狀 512
參考文獻 513
第9章 生物質能源利用的環境生態社會效應 517
引言 517
9.1 環境效應 517
9.1.1 減少使用傳統化石能源造成的大氣污染和溫室氣體排放 517
9.1.2 為解決能源和環境矛盾提供了一個新的發展方向 517
9.1.3 避免了秸稈露天焚燒的污染 518
9.1.4 避免了垃圾焚燒廠帶來的二次污染 518
9.1.5 避免了垃圾填埋產生滲濾液的污染 519
9.1.6 生物質氣化產生焦油對環境的負效應 521
9.2 生態效應 522
9.2.1 生物質能源利用中的能源植物優勢 522
9.2.2 生物質能源利用中的能源植物對生物多樣性的影響 522
9.2.3 大規模利用秸稈造成的土壤養分缺失 524
9.2.4 對于微藻廢水的生物質利用與水生態系統 524
9.3 社會效應 525
9.3.1 刺激經濟發展，增加就業525
9.3.2 培育新的農產品市場，促進農村發展 526
9.3.3 生物質能源發展對世界糧食供求的影響 527
9.4 生物質能源的碳減排效應與應對氣候變化 528
參考文獻 529
第10章 管理政策與公眾參與 530
引言 530
10.1 管理制度 530
10.1.1 廢物管理制度 530
10.1.2 生物質能管理制度 538
10.2 政策法規 542
10.2.1 固體廢物政策法規 542
10.2.2 生物質能政策法規 549
10.3 公眾參與 559
10.3.1 公眾參與的概念與內涵 559
10.3.2 公眾參與對生物質廢物利用制度建立的價值 560
第1章 緒論
1.1 本書撰寫背景
生物質能一直是人類賴以生存的重要能源，是僅次于煤炭、石油和天然氣居世界能源消費總量第四位的能源，在能源系統中占有重要地位。據預測，到21世紀中葉，采用新技術生產的各類生物質替代燃料將占全球總能耗的40%以上。
生物質能源技術的研究與開發已成為國際熱門課題之一，受到各國政府與科學家、工業界的關注。許多國家和地區都制訂了相應的開發研究計劃，如日本的陽光計劃、印度的綠色能源工程、美國的能源農場、巴西的酒精能源計劃和歐盟的生物質燃料替代行動計劃等，其中生物質能源的開發利用占有相當大的比重。歐盟確定了2020年可再生能源消費占歐盟總能源消費結構至少20%的能源戰略目標，歐盟第二代生物質能源消費預計到2020年將達到1.32 億噸石油當量。目前，國外的生物質能技術和裝置已多數達到商業化應用程度，實現了規模化產業經營。以美國、瑞典和奧地利為例，生物質轉化為高品位能源利用已具有相當可觀的規模，分別占該國一次能源消耗量的4%、16%和10%。在美國，生物質能發電的總裝機容量已超過10000MW ，單機容量達10～25MW ；美國紐約的斯塔藤垃圾處理站投資2000 萬美元，采用濕法處理垃圾，回收沼氣，用于發電，同時生產肥料。巴西是燃料乙醇開發應用有特色的國家，實施了世界上規模的乙醇開發計劃，目前燃料乙醇已占該國汽車燃料消費量的50%以上。美國開發出利用纖維素廢料生產酒精的技術，示范工廠年產酒精2500 噸。
我國既是典型的人口大國，又是經濟快速發展的國家，面臨著經濟增長和環境保護的雙重壓力。因此改變能源生產和消費方式，開發利用生物質能等可再生的清潔能源對建立可持續的能源系統，促進國民經濟可持續發展和環境保護具有重大意義。
開發利用生物質能對我國農村和村鎮建設更具特殊意義。我國40%人口生活在農村，秸稈和薪柴等生物質能是農村的主要生活燃料。盡管煤炭等商品能源在農村的使用迅速增加，但生物質能仍占有重要地位。我國每年產生農作物秸稈約7 億噸，約40%可用于能源開發。發展生物質能源技術，為農村和鄉鎮地區提供生活和生產用能，是幫助這些地區改善生活質量、提高生活水平的一項重要任務，也是城鎮化建設的一個重要措施。
生物質能高效轉換技術不僅能夠大大加快村鎮居民實現能源現代化進程，滿足農民富裕后對品質能源的迫切需求，同時也可在鄉鎮企業等生產領域中得到應用。由于我國地廣人多，常規能源不可能滿足廣大村鎮日益增長的需求，而且由于國際上正在制定各種有關環境問題的公約，限制CO2等溫室氣體排放，這對我國以煤炭為主的能源結構是很不利的。因此，立足于村鎮現有的生物質資源，研究新型轉換技術，開發新型裝備，既是村鎮發展的迫切需要，又是減少排放、保護環境、實施可持續發展戰略的需要。
綜上所述，作為新興產業，生物質能源的發展關乎著未來國家經濟可持續發展的戰略，是未來替代能源極其重要的組成部分。生物質能的合理利用將為國家能源和經濟結構轉型帶來革命性變化，但是生物質能源開發利用與農業農村、環境生態高度相關，因此適度有序開發生物質能源技術至關重要。遺憾的是，至今為止，缺乏一本系統、詳盡闡述生物質能源利用技術及相關關注點的專著。本書對各種生物質能源利用技術做了詳細分析，對生物質能源的發展方向提出了明確的思路。
1.2 本書框架思路與主要內容
本書按以下框架展開(圖1-1)。
圖1-1 本書內容框架
本書第2章至第6章地介紹了生物質能源利用技術(圖1-2)，闡述了生物質能源利用技術的基礎理論，介紹了各種工藝、技術的機理。本書涵蓋了當前主流的生物質能源利用技術，包括直接燃燒、混合燃燒、氣化、發電供熱、熱解制油、沼氣發酵、生物質制氫、酒精發酵、生物柴油與航空生物燃油制備。第7章重點介紹了前沿技術，包括能源植物與作物、微藻、微生物電池等。第8章圍繞生物質煉制與高值化，重點介紹了生物基平臺化學品合成與應用、生物基高值聚合物制備與產業化發展、木塑復合材料、生物基碳材料的發展前景。第9章闡述了生物質能源利用的環境生態社會效應。第10章介紹了生物質能利用的管理制度、政策法規以及公眾參與等過程。第11章提出生物質能源技術發展與應用挑戰，合理展望未來，為將來的生物質能的利用與發展提出了美好藍圖和建議。
圖1-2 生物質能源技術路線
1.3 編寫本書的重要性和必要性
我國政府及有關部門對生物質能源的利用一直很重視，國家科技部已連續在五年計劃中將生物質能源技術的研究與應用列為重點內容。在此背景下，涌現出了一批的科研成果和成功的應用范例，如戶用沼氣池、禽畜糞便沼氣技術、生物質氣化發電和集中供氣、生物質壓塊燃料等，取得了較好的社會效益和經濟效益。同時，我國已組建了一支高水平的科研隊伍，擁有一批致力于生物質能源技術研究與開發的專家學者，具備一定的產業和技術基礎。雖然我國在生物質能源開發方面取得了巨大成績，但應該清醒地認識到，我國的生物質能源發展整體水平與發達國家相比仍存在一定差距。
1) 技術單一，開發力度不夠
我國早期的生物質能利用主要集中在小型沼氣開發上，近年逐漸重視熱解氣化技術的開發應用，也取得了一定突破，但其他技術進展依然緩慢，包括木質纖維素生產酒精、熱解液化、大規模生物質燃氣的工業化技術和速生林能源的培育等，還沒有取得突破性進展。
2) 標準欠缺，管理存在缺位
在秸桿氣化供氣與沼氣工程開發上，沒有明確的技術標準與準入機制以及嚴格的技術監督，不具備優勢技術力量的單位和個人參與了沼氣工程承包和秸桿氣化供氣設備的生產，造成項目技術不過關，運行不穩定，達不到預期目標，甚至帶來安全問題，給后續生物質能源利用工程應用的開展帶來了很大的負面影響，甚至影響到產業化推進。
3) 規模較小，效益較低
由于資源分散，收集手段相對落后，我國生物質能源工程的規模較小，大部分工程采用簡單工藝和設備，設備利用率及轉換效率較低，造成投資回報率低，難以形成規模效益。此外，環境生態效益缺乏研究，綜合效益沒有形成。
4) 投入較少，效果欠佳
相對生物質能源的研究開發內容的復雜性來說，投入偏少，使得研發的技術含量較低，低水平重復研究較多，未能有效解決一些關鍵技術，例如，厭氧消化產氣率低、輔助設備配套性差、設備與管理自動化程度較差；氣化利用中焦油問題沒有徹底解決，給長期應用帶來隱患問題；沼氣發電與氣化發電效率較低，相應的二次污染問題沒有解決，導致許多工程系統常處于維修或故障狀態，降低了系統運行強度和效率；在生物質液化方面雖然有一定研究，但技術離工程化仍有不少差距。
本書正是在此背景下展開的。相信本書的出版對于我國生物質能源技術的發展能起到一定的指導作用，促進社會更好地了解生物質能源技術與應用，形成支持生物質能源發展的局面。
第2章 生物質制氣
2.1 生物質燃氣熱解氣化技術制備
2.1.1 制備技術分類
生物質燃氣熱解氣化制備技術包括生物質熱解、常規氣化、超臨界氣化技術，其有多種分類形式，常用有以下幾種：
1) 按設備運行方式，可分為固定床(也稱移動床)氣化、流化床氣化(包括循環流化床氣化)、氣流床氣化、旋風床氣化、漿態床氣化、雙床氣化。
2) 按氣化爐操作壓力，可分為常壓氣化和加壓氣化。
3) 按供熱方式，可分為內熱式氣化和外熱式氣化。
4) 按氣化介質，可分為不使用氣化介質和使用氣化介質，如圖2-1 所示。①不使用氣化介質時稱為熱解，熱解技術可分為慢速熱解、快速熱解和反應性熱解。根據目標產物的不同，可選擇相應的熱解技術。②使用氣化介質則分為空氣氣化、O2氣化、水蒸氣氣化、水蒸氣-O2混合氣化、H2氣化、CO2氣化等。
圖2-1 生物質燃氣熱解氣化制備技術分類
1) 熱解
熱解，又稱干餾氣化，是在無氧或嚴重缺氧(只提供極有限的氧)的熱作用下，生物質中有機物質發生的熱分解反應。生物質熱解工藝是以熱解為主要反應的工藝，目的是通過有機物質的裂解得到期望的目標產物。為了盡量減少氧化造成的物質損失，熱解工藝通常需要隔絕空氣，有時為減少提升溫度的能源消耗，也供應少量空氣，但整個過程仍以熱解為主。熱解反應是一個吸熱過程，但由于生物質原料中含氧量較高，當溫度升高到一定程度后，這些氧將參加反應從而使溫度迅速提高，進而加速完成熱解反應，減少外部熱源的輸入。按熱解溫度可分為低溫熱解(600℃以下)，中溫熱解(600～900℃)和高溫熱解(900℃以上)。熱解產物成分比例大致為木焦油5%～l0%，木醋液30%～35%，木炭28%～30%，可燃氣25%～30%[1]，其中熱解氣熱值為12～15MJ/Nm3(Nm3 為標準立方米)，為中熱值氣體。該燃氣既可用作燃氣，也可用作化工合成氣的原料。由于熱解氣化是吸熱反應，應在工藝中提供外部熱源使反應連續進行。
2) 空氣氣化
空氣氣化是以空氣為氣化介質的氣化反應。氣化過程中，空氣為燃燒過程提供O2，即與生物質發生氧化反應，氧化反應為氣化反應的其他過程如熱分解和還原過程提供所需熱量和反應物，整個氣化過程是一個自供熱系統。但由于空氣中含有79%的N2，不參加氣化反應，卻稀釋了燃氣中可燃組分的含量，使氣化氣中N2含量可高達50%左右，因而降低了燃氣的熱值。一般氣化氣熱值在5MJ/Nm3 左右。該氣化氣用作燃氣使用時輸送效率較低，作為化工合成氣原料使用時需要進行合成處理。由于空氣可以任意取得，空氣氣化過程又不需外供熱源，因而空氣氣化是所有氣化過程中簡單、經濟、也易實現的形式，故此種氣化技術的應用較普遍。
3) O2氣化
O2氣化是以O2為氣化劑的氣化過程，其氣化過程與空氣氣化相同，但沒有惰性氣體N2，因此在與空氣氣化相同的當量比下，反應溫度提高，反應速率加快，反應器容積減小，熱效率提高，氣化氣熱值提高一倍以上。在與空氣氣化相同反應溫度下，耗氧量減少，當量比降低，因而也提高了燃氣質量。O2氣化所產氣體熱值與城市煤氣相當。在該反應中應控制O2供給量，既保障生物質全部反應所需要的熱量，又不能使生物質同過量的氧反應生成過多的CO2。O2氣化生成的可燃氣體的主要成分為CO、H2及CH4等，其熱值為13～15MJ/ Nm3，為中熱值氣體，既可用作燃氣，也可用作化工合成氣的原料。
4) 水蒸氣氣化
水蒸氣氣化是指水蒸氣在高溫下與生物質發生反應，它不僅包括水蒸氣和碳的還原反應，也包括CO 與水蒸氣的變換反應、甲烷化反應以及生物質在氣化爐內的
