生物能源.docx

1、生物质能学：是一门研究和利用生物质能能源，通过遗传改良和生物转化技术，提高生物质生物量及其资源利用率，促进生物质能的科学开发与利用，实现生物质能产业化发展和商业化运用的学科。光合作用：指绿色植物吸收光能，同化二氧化碳和水，制造有机物质并释放氧气的过程。生物质：一种通过大气、水、土地以及阳光产生的可再生的和可循环的有机物质，是一种可持续性资源，包括农作物、树木和其他植物及其残体。生物质能：以生物质为载体的能量，即把太阳能以化学能形式固定在生物质中的一种能量形式。能源植物：指那些具有合成较高还原性烃能力的、并可产生接近石油成分或可替代石油的产品的植物，以及富含油脂或碳水化合物的植物。草本能源植物：

2、包括甜高粱、甘蔗、耶路撒冷菜蓟、薯类和玉米等，其在生物质能方面的用途主要是制取燃料乙醇。能源微生物：利用微生物生产的能源物质主要为甲烷、酒精和氢气，在这些能源物质生产过程中起主导作用的微生物。育种目标（能源植物遗传改良目标）：所要育成的新品种在具有一定自然条件、生产条件及经济条件下的地区栽培时，应具备的优良性状的指标。包括具备较高的生物量、良好的品质（油脂、淀粉、纤维素、半纤维素和木质素等） ，而且要有较强的抗逆性（耐盐碱性、抗病虫性和抗旱性等） 。能源农场：专门从事能源生物种质资源保存、品种鉴定、选育并大规模培育生物质等能源生物的开发与利用功能 性较强的生物质生产基地。生物质压缩成型：将分散

3、、形体轻、储运困难、使用不方便的纤维素生物质，轻压缩成型和碳化，加工成燃料，能提高容量和热值，改善燃烧性能，成为商品能源。生物质压缩成型的原理：生物质原料的结构通常都比较疏松，密度较小，生物质原料在受到一定的外部压力后，原料颗粒先后经历重新排列位置关系、颗粒机械变形和塑性流变等阶段，体积大幅度减小，密度显著增大。种质：指亲代通过生殖细胞或体细胞传递给子代的遗传物质。种质资源：具有种质并能繁殖的生物体，包括品种、类型、野生种及近缘种的植株、种子、无性繁殖器官、花粉甚至单个细胞。蛋白质工程：以蛋白质结构和功能的研究为基础，运用重组 DNA 技术设计并构建具有新性质的蛋白质或酶的过程。代谢工程：通过

4、改变代谢流和代谢途径来提高发酵产品的产量、改善生产过程、构建新的代谢途径和产生新的代谢产物。热值：在一定温度下，单位质量（容积）的燃料完全燃烧后，再冷却至原有温度时所释放的热量，是衡量燃料品质的重要指标。木炭：木材或木质原料经过不完全燃烧或者在隔绝空气的条件下热解所残留的深褐色或黑色多孔固体燃料，是保持木材原来构造和孔内残留焦油的不纯的无定形碳，是木材热解时的主要产品之一。主要成分：固定碳（70-86%） 、水（2-4%） 、灰分。生物质炭化：是生物质在炭窑或烧炭窑中，通入少量空气进行热分解制取木炭的方法。生物质碳化的产品有木炭，主要成分除 C 元素，还有 H 和 O 等元素。生物质热裂解液化

5、技术：是指生物质在缺氧状态下，在极短的时间（0.55s）加热到 500540，然后其产物迅速冷凝的热裂解过程。生物质热裂解液化工艺流程：物料的干燥、粉碎、热裂解、固液分离、气态生物油的冷却和生物油的收集。生物质气化：以生物质为原料，以氧气、水蒸气或氢气等气体为气化剂，在高温条件下通过热化学反应将生物质中可燃烧的部分物质转化成可燃烧气体的过程。沼气：由多种微生物以生物质为底物进行厌氧发酵而产生的一种混合气体，其主要成分为甲烷、二氧化碳，其余为氮气、氢气、一氧化碳和硫化氢等少量气体。该类气体为一种可供发电、供暖、照明等的良好气体燃料，发酵中固形物为很好的优质有机肥。沼气产业化：指通过微生物以充足的

6、原料为底物，利用厌氧发酵装置进行生物发酵和相关工艺，规模化、大批量连续生产沼气产品，并形成稳定的沼气产业链的过程。燃料乙醇：指向汽油或柴油中加入一定比例的无水乙醇所构成的新型燃料。生物柴油：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、废餐饮油等为原料油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。运动黏度：指某流体的动力黏度与该流体在同一温度和压力下的密度之比。闪点：油品在规定条件下加热到它的蒸气与火焰接触发生闪火时的最低温度。燃点：抽品在规定条件下加热到能被接触到的火焰点着并燃烧且不少于 5s 时的最低温度。氢能：氢气燃烧放出的化学能。氢生产的途径有：将直

7、流电通过水溶液电解水制氢；用化石燃料及其衍生物提取的矿物燃料制氢；从化工副产氢气的回收制氢；新兴起的生物制氢；由其他含氢物质制氢。可再生能源包括太阳能、风能、生物质能、水能、地热能和潮汐能。是取之不尽，用之不竭的可以自由索取并能循环利用的初级能源。不可再生能源包括煤、石油、天然气、核能。光合作用的基本过程包括两个阶段。一个是光反应阶段，该过程必须要有光能才能在叶绿体基粒的类囊体上进行。首先是水分子光解成氧和氢，释放氧气，然后在光照下将 ADP 和无机磷合成 ATP，从而把光能转变成活跃的化学能并贮存在 ATP 的高能磷酸键中。第二阶段是不需要光能也能进行化学反应的暗反应阶段，该阶段的化学反应主

8、要发生在叶绿体的基质中，首先是二氧化碳的固定，即二氧化碳与五碳化合物结合，形成三碳化合物，某些三碳化合物接受 ATP 等释放的能量经过一系列复杂的变化，形成糖类等有机物，此时，ATP 中活跃的化学能转变为糖类等有机物中稳定的化学能。我国主要生物质资源：1.传统生物质资源，包括农作物秸秆、薪柴、禽畜粪便、工业有机废弃物、城市有机垃圾；2.现代生物质资源，包括薪炭林、草本植物、植物性油料作物、含碳氢化合物植物。生物质资源的特点：1、时空无限性，2、可再生性和减少二氧化碳排放的特性，3、洁净性，4、低能源品味性，5、分散性。生物质的组成成分与化学结构：（1）生物质的组成成分：大致可分为主要成分和少量

9、成分，主要成分是由纤维素、半纤维素和木质素构成，少量成分是指水、水蒸气或有机溶剂提取的物质。（2）生物质的化学组成：化学组成细胞壁 亲水性果胶类物质，纤维素、半纤维素、木质素原生质体 水、无机盐，糖类、蛋白质、脂质、维生素、核酸细胞后含物 蛋白质、淀粉、脂肪、晶体与化石能源相比，生物质能有哪些优缺点？生物质能是唯一可再生的碳源，并可转化成常规的固态、液态和气态燃料，是解决未来能源危机最有潜力的途径之一。生物质能的优点是易燃烧，污染少，灰分较低；缺点是热值和热效率低，体积大不易运输，直接燃烧生物质的热效率仅为 10%-30%。另外，生物质能与化石能源均属以碳氢为基本组成的化学能源，这种化学组成上

10、的相似性也带来了利用方式的相似性，故生物质能的利用、转化技术可在已经成熟的常规能源技术的基础上发展、改进，但是生物质的组成多为木质素、纤维素之类难降解有机物，因此利用、转化技术也更为复杂多样，特别是利用生物催化、转化的技术更为重要。生物质能的主要资源：1.林业生物质能，薪炭林、林业废弃物；2.农业生物质能，农作物秸秆、禽畜粪便、稻壳等农加工废弃物；3.工业有机废水，浆造纸业废水、制革业废水、酿酒业废水、禽畜加工废水；4.城市固体废弃物。能源植物分类：（1）按照使用功能，能源植物可分为：1.富含糖类、淀粉和纤维素等碳水化合物的能源植物，甜菜、甘蔗；2.富含油脂的能源植物，油菜、向日葵；3.富含类

11、似石油成分的能源植物，麻疯树、绿玉树；4.速生丰产薪炭林，银合欢、沙枣。 （2）按形态和生活环境，可分为木本植物、草本植物、水生植物。简述重要能源植物及其重要生物学特性。草本能源植物包括甜高粱、甘蔗、耶路撒冷菜蓟、薯类和玉米等，其在生物质能方面的用途主要是制取燃料乙醇。1.甜高粱（草本） ，特性：生育期短、种植方式简单、抗逆性适应性强、生长速度快、生物产量高；2.甘蔗（草本） ，特性：生物产量高，占用土地少，光合效率高，抗旱、耐盐碱、耐瘠薄，甘蔗根系发达，根细胞具有较高的渗透压，从土壤中吸收水分能力强；3.麻疯树（油料） ，特性：抗旱耐瘠的速生树种，全株有毒，茎、叶、树皮均有丰富的白色乳汁，内

12、含大量毒蛋白、麻疯酮等抗病毒、抗 AIDS、抗肿瘤成分，可开发作医药、生物农药和生物杀虫剂等。种子含油量很高，除榨取能源油外，其油渣、油饼可作农药、饲料或肥料等；4.蓖麻（油料） ，特性：蓖麻是一种高效能源作物和特种工业油料作物，是世界十大油料作物之一。其种子含油率高达 46-56%，蛋白质和碳水化合物各 20，灰分 30。蓖麻油具有在 500-600高温下不变质、不燃烧，零下 18的低温下不凝固等特性。5.绿玉树（碳氢） ，特性：绿玉树喜高温高湿，不耐寒，夏季生长迅速，喜光照，能耐半荫，生长快，纤维含量高，茎枝富含乳汁（含有丰富的烯、枯、醇、异大戟二烯醇、天然橡胶、三十一(碳)烷和三十一烷醇

13、等 12 种烃类物质，其成分接近石油，不含硫） 。能源生物遗传改良的主要技术方法有哪些？以及各自优缺点？有杂交育种、诱变育种、分子育种、细胞工程育种。（1）杂交育种：以基因型不同的植物种或品种进行交配或结合形成杂种，通过培育选择，获得新品种的育种方法。特点：杂交引起基因重组和超亲分离，产生加性效应或产生优良性状基因，为新品种选用提供物质基础。（2）诱变育种：利用理化因素诱发种子变异，再通过选择而培育新品种的育种方法。特点：诱导的突变率较高；有效地改良品种单一性状；诱变品种性状稳定快；诱发突变的方向和性质难掌握。（3）分子育种：以分子生物学、生物化学、微生物学等多种学科为基础，在分子水平上进行操

14、作的一种新兴育种方法，它是能源生物遗传改良的一种重要育种途径。包括分子标记辅助育种和基因工程育种。特点：分子育种技术较为复杂。要求高，但是它具有常规育种所不具备的优势，可利用基因资源、育种方法和育种途径等的拓展，为人类创造新生物开辟了新途径。（4）细胞工程育种：以细胞为基本单位，在体外条件下进行培养、繁殖或人为地使细胞某些生物学特性按人们的意愿生产某种物质的过程。能源微生物有产甲烷微生物、产酒精微生物、产氢微生物，产油微生物、产脂肪酶微生物、产微生物电池微生物。细胞工程技术包括花药培养和单倍体育种、体细胞的无性系变异及筛选、植物原生质体培养与融合（采用纤维素酶和果胶酶的混合液，在较高渗透压的条

15、件下处理根尖、叶片组织、培养的愈伤组织或悬浮培养细胞，使细胞壁被酶所消化，从而可获得大量的无壁球形原生质体，并可通过原生质体培养再生新的植株。在原生质体培养的基础上，可以进行原生质体融合的体细胞杂交及基因工程的研究。 ） 。能源植物优良品种的选育过程：资源保存资源繁殖特征、特性鉴定遗传改良（杂交、诱变育种、细胞工程、基因过程）新品种选育稳定品系鉴定&新品种试验、繁殖新品种栽培技术新品种。我国能源植物开发利用的优势有：1.能源植物资源丰富；2.我国的山地丘陵多，山地资源丰富。存在问题：1.石油植物资源不清；2. 能源植物品种良莠不齐，缺乏高品位生物石油植物优良品种；3. 我国生物石油的开发利用还

16、处于发展初期，缺乏大面积栽培，尚未进行产业化规模发展；4.对一些生物石油的提取、加工仍处于初试阶段，与发达国家之间差距较大。解决策略：1.收集、引种和筛选产业化前景好的国内外能源植物品种，建立迁地保育基地和能源种质资源圃，评估潜在能源植物的生物学性状和经济参数；2.开展规模化种植和规范化种植能源植物的关键技术研究和生产生态评价，建立我国能源植物研究平台；3.研究能源植物代谢调控网络及其调控机制，阐明能源植物的能量转化、富集和分配的分子调控机理；4.利用现代生物技术手段通过调控功能基因的表达进行产量品质和抗性的分子定向改良，达到降低生产能耗，提高生物质产量与质量以及扩大能源植物适应环境的目的；5

17、.加强能源植物的品种改良、遗传转化、生态安全评价、能源植物营造与退化生态系统耦合机理的以及；6.国家应尽早制定相关政策，鼓励清洁的可再生能源产业的发展。生物质成分分析：（1）生物质元素分析成分：由可燃的、不可燃的无机矿物质及水混合而成的。可燃质是多种复杂的高分子有机化合物的混合物，主要由 C、H、O、N 和 S 等元素所组成，其中 C、H 和 O 是生物质的主要成分。（2）生物质工业分析成分：固定碳、挥发分（H 2、CH 4、O 2、N 2、CO 2） 、灰分、水。生物质燃烧的条件：（3 要素）一定的温度、合适的空气量及燃料的良好结合，足够的反应时间和反应空间。挥发分：在隔绝空气的条件下对燃料

18、进行加热，首先是水分蒸发逸出，然后燃料中的有机物开始热分解并逐渐析出各种气态产物。主要含有 H2、CH 4 等可燃气体和少量的 O2、N 2、CO 2 等不可燃气体。木炭的燃烧过程分两个阶段：1.木炭的表面吸附氧气进行氧化反应生成一氧化碳和二氧化碳；2.二氧化碳与碳吸热并还原生成一氧化碳；同时，一氧化碳进行氧化反应再生成二氧化碳并放出热量。生物质压缩成型：将分布散、形体轻、储运困难、使用不方便的纤维素生物质，经压缩成型和炭化，加工成燃料，能提高容量和热值，改善燃烧性能，成为商品能源。生物质热裂解的概念？原理？过程？产物？技术？（1）生物质热裂解：指在隔绝空气或通入少量空气的条件下，利用热能切断

19、生物质大分子中的化学键，使之转变为低分子物质的过程。（2）生物质热裂解的原理：生物质热裂解是复杂的热化学反应过程，包含分子键断裂、异构化和小分子聚合等反应。木材、林业废弃物和农业废弃物的主要组分是纤维素、半纤维素和木质素。热重分析表明纤维素在 325时开始热分解，至 350-370时降解为低分子碎片。（3）生物质热裂解产物固体炭、可燃性气体和液体油。（4）生物质热裂解技术有裂解液化、干馏和制炭。（5）生物质热裂解的过程分为 4 个阶段：1.干燥阶段，温度 150时，蒸发出物料中的水分，物料的化学组成几乎不变；2.预热裂解阶段，温度 150300时，不稳定的成分(如半纤维素)分解成C02、CO

20、和少量乙酸等物质；3. 固体分解阶段，温度 300600时，物料发生了各种复杂的物理反应、化学反应，是热裂解的主要阶段。生成的液体产物中含有乙酸、木焦油和甲醇(冷却时析出来)；气体产物有 C02、CO 、CH 4、H 2；4.燃烧阶段 继续加热，C-H、C-O 键进一步裂解，排出残留在木炭中的挥发物质，提高木炭中固定碳含量。生物质的气化过程：是生物质从气化装置入口处进入气化装置后，通过富含氧的气体不完全燃烧而形成可再燃性的气体的过程。气化装置包括干燥、热解、气化和还原 4 个区域。 、生物质的气化的特点：生物质气化技术是一种热化学处理技术，它将固态生态生物质原料通过热化学反应转化成方便。清洁的

21、可燃性气体。其基本原理为生物质通过加热，使高分子量的有机碳氢化合物链产生断裂，转变成低分子量的烃类、CO 和 H2 等，改变了原有的原料形态，使用更加简便，能量转化效率比直接燃烧固态生物质有较大提高。生物质气化燃料的主要化学成分：粗燃气成分 CO2、CO 、CH 4、H 2、H 2O、小分子的碳氢化合物，除此之外，还存在焦油、炭和炭尘、氨、硫化氢、氯化氢和其他微量污染物。沼气的理化性质：一种可燃混合气体，其中主要成分是甲烷，占总体积的 50-70% ，其次是二氧化碳，占 25-45%。除此之外，还含有少量的氮气、氢气、氧气、氨气、一氧化碳和硫化氢等气体。甲烷、氢气和一氧化碳是可以燃烧的气体，主

22、要是利用这部分气体的燃烧来获得能量。沼气的三阶段发酵理论：1.消化阶段，在微生物分泌的胞外酶作用下，固形物被水解为分子量较小的可溶性有机物质。经过水解作用后这些可溶性物质就可以进入微生物体内，被微生物利用；2.酸化阶段，进入微生物体内的可溶性物质，在各种胞内酶作用下，进一步分解代谢，产生各种挥发性有机酸，主要是乙酸，同时也有氨和二氧化碳及少量其他产物；3.产甲烷阶段。产甲烷菌把一些简单的有机物如乙酸、甲酸、氢和二氧化碳等转换成甲烷。利用发酵法生产乙醇的主要原料：谷物、薯类、糖料作物和植物纤维质。发酵法生产的乙醇可分为以下几种：淀粉原料生产乙醇、糖质原料生产乙醇、纤维素原料生产乙醇、工厂废液生产

23、乙醇。沼气池稳定产气条件：1.采用科学合理的设计方案；2.保证沼气池的密闭性；3. 充足的发酵原料；4.足够和优良的接种物；5.保持适宜和稳定的发酵温度；6.保持适宜的酸碱度（PH:6.8-7.4 ） ；7.保持经常性的搅拌；8.合理加料和采用正确的加料方法。燃料沼气应用的主要类型：1、典型农村户用沼气池：我国农村户用沼气的发展模式是在我国地域气候、生态特点的基础上，与废弃物资源化处理、沼气发酵产物综合利用和生态环境保护等农业生产活动密切结合，逐渐形成了以南方“猪-沼- 果” 、北方 “四位一体” 、西北“五配套”为代表的沼气综合利用模式。2、典型大中型沼气池：大中型沼气过程多以大型养殖场的禽

24、畜粪便、工业有机废水和城市垃圾的资源性废弃物为原料，利用多种厌氧消化装置进行沼气发酵，实现能源的多元化利用。发展燃料乙醇的意义：乙醇的燃烧值只是汽油燃烧值的 23，但是乙醇分子中含有氧，燃烧过程中抗爆性能良好。当汽油中乙醇含量不超过 15时，对于汽车的行驶性能无明显影响，但尾气中的CO、NO。化合物和碳氢化合物的含量可明显降低 3050。燃料乙醇不仅解决了增氧抗爆问题，还消除了 MTBE 造成的环境和地下水污染，同时亦部分解决了一次性能源潜在的数量危机问题。生物柴油相对于传统柴油的优势：1.燃烧充分，环保性能优良；2.较好的发动机低温启动性能；3. 生物柴油的长链脂肪酸的酯类是喷射系统极好的润

25、滑剂；4.闪点高，在运输、储存、使用方面有较好的安全性能；5.可以节油 1530；6. 使用方便，可与石化柴油以任何比例混兑，对原装发动机不用改装；7.具有可再生性。生物柴油的理化指标：1.良好的燃烧性能（十六烷值） ；2.良好的蒸发性能（馏程及馏出温度） ；3. 良好的常温和低温流动性能（黏度、密度及冷滤点） ；4.良好的安全性（闪点、燃点） ；5.对发动机无腐蚀（酸度及酸值） ；6.良好的动力性能（热值） 。其次，要看受生产原料影响和工艺影响的生物柴油特有指标，如甲醇含量、甘油含量、游离脂肪酸、磷含量等。生物柴油的生产原理：目前生物柴油主要是用酯交换法，即化学法生产，即用动物油脂和植物油脂

26、与甲醇或乙醇等低碳醇在酸性或者碱性催化剂和高温(230250) 下进行转酯化反应，生成相应的脂肪酸甲酯或脂肪酸乙酯，再经洗涤干燥即得生物柴油。生物柴油生产的工艺流程：原料预处理（脱水、脱臭、净化）反应釜（加醇、催化剂，70）搅拌反应 1h沉淀分离排杂回收醇过滤成品。生物质气化制氢的原理：将生物质原料加压成型，通过热化学方式气化或裂解转化为高品质的燃气或合成气。生物质气化制氢可分为：等离子体热解气化制氢、超临界流体中生物质气化制氢、生物质催化气化制氢。其基本化学反应过程与生物质气化相同。甲醇的性质：甲醇是最简单的饱和醇，分子式为 CH3OH，相对分子质量为 32.04，在通常条件下是无色、易流动

27、、易挥发、有毒性的可燃液体，并具有与乙醇相似的气味；密度 0.8g/cm3，沸点 64.7 ，燃点 470，辛烷值 106，燃烧热值为 19920kJ/kg，能与水互溶，在汽油中有较大的溶解度。二甲醚的性质：分子式 CH3-O-CH3，相对分子质量为 46.07.常温下是一种无色气体，具有轻微的醚香味。具有惰性、无腐蚀性、无毒、无致癌性，在空气中长期暴露不会形成过氧化物，火焰略带亮光。沼气发酵综合利用技术：依据生态学原理，以太阳能为动力，以沼气为纽带，集能源、养殖业和种植业为一体，把沼气、生物肥料、生物饲料、生物农药等有机结合起来，通过优化整体农业资源，做到能量多级利用，物质良性循环，将农业增

28、收和农业可持续发展融生物质能与循环经济生物质作为生物质能开发。未来生物质能的发展方向：以农林废弃物、海洋生物和能源植物为主，注重其与生态环境及环境保护相结合、与中低产田改造及农业结构调整相结合，充分发掘我国荒山荒地、西北荒漠、沿海盐碱地、海洋以及其他不适宜粮食种植的土地等资源的生产潜力，缓解农业生态、资源危机，促进能源植物与粮食作物、能源与环境的和谐与可持续发展。能源农业技术体系：广义农业包括农、林、牧、副、渔各业，从原料来源角度看，能源农业是一个很大的范围，能源农业技术体系包括能源植物种植业、能源林业、能源畜牧业和能源农业加工业 4方面内容。能源植物种植业和能源林业属于能源农业中植物性产品的生产范畴；能源畜牧业属于动物性产品的生产范畴；能源农业加工技术包括动植物性产品中油脂的提取技术和植物糖料和淀粉等的提取加工技术以及以这些原料为基础的生物质转化技术。生物质产品：指用生物质生产的燃料、化学品、建筑材料、电力或热能。包括用生物产品或可再生的农业材料和林产材料生产的各种能源、商业产品或工业产品。 （燃料乙醇、生物柴油、生物质发电和工业用能） jj