生物质能循环经济技术

前言

能源在人类社会实践和生产实践中扮演着重要的角色：一方面，能源的利用形式及其数量和规模体现了人类文明的进步和昌盛，特别是现代经济紧密地依赖现代能源；另一方面，经济危机、现代战争、领土和领海争端也常常因能源所致，当今的环境问题更与能源特别是碳能源的不合理使用直接有关，化石碳能的过度开采已经到了即将消耗殆尽的时刻，如果没有相应的措施和新的能源利用形式及替代能源出现，世界经济将因能源而一落千里。

目前全世界能源总消费量每年约为130×108t（标准煤），其中化石能源占80%以上。由于能源生产对环境和生态的影响，德国宪法决定，至2023年德国关闭所有核电站；美国已关闭了一些水电站，拆坝还河。联合国统计数据表明，世界石油储量只能维持到2035年，到2060年天然气也将消耗殆尽。面对即将到来的能源危机，工业国家能源消费经历由煤炭向优质能源（石油、天然气）转变，再进一步向可再生能源过渡。为实现可持续发展，欧洲、日本等正大力发展风电、太阳能、生物质能等可再生能源，每年增长率达30%以上。

在可再生能源中，生物质能最具有发展前景。因为，化石能源也是生物质能衍变而来的，都是利用太阳能将大自然中的CO2和H2O通过光合作用固定在植物上的碳氢化合物，成为自然界中重要的碳氢资源。地球上每年通过光合作用固定在植物上的生物质能大约相当于全世界每年能源消耗量的10倍，目前只用了7%。因此，本书中的能源其实是地表碳氢资源和化石碳氢资源的总称，并包括它的能源功能和材料功能；其中，地表碳氢资源是介绍的重点。

生物质能的能源功能主要通过燃烧实现，生物质能的材料功能主要是通过天然和人工合成碳氢化合物实现的。

在生物质能的能源功能方面，光合作用是碳氢燃烧的逆反应，自然界的碳氢资源依靠这对反应进行循环。在工业革命刚开始时，地球上的森林覆盖率在60%以上，碳氢燃烧和光合作用是平衡的，地表碳氢资源处于良性循环，生态系统完好。随着工业程度的不断发展，人工建筑不断增多，森林砍伐严重，地球森林覆盖率下降到20%左右，自然界光合作用反应器生产能力锐减。与此同时，工业发展由于依靠能源作为动力，不断燃烧化石能源和碳氢燃料，CO2排放量锐增。森林的锐减和工业CO2排量锐增，使碳氢燃烧和光合作用失衡，大气中CO2含量增加，进而导致全球气候变暖，海平面升高，陆地面积减少，海洋事故增多。例如，1800年大气中的CO2含量为280×10-6，2000年增加到400×10-6，1880～1980年短短的100年，大气增温约05℃，海平面升高约80mm。科学家预计，2025年大气中的CO2含量将达到440×10-6，大气增温15～45℃；21世纪末，海平面升高1m，许多岛屿将消失。

在材料利用方面，碳氢资源为人类生活和工业生产提供了食品、布料、日用化工品、建筑材料和工程材料。由于不合理的消费活动和材料生产，人类向水体和大气中排放了大量的剩余碳氢物资，如生活污水、垃圾渗滤液、含油废水、化工废水、化工废气等。本来属于能源和材料资源的碳氢物质被稀释到水体和大气中，成为了环境的污染物并直接危害人类的健康。

工业生产和现代生产使碳氢资源循环失衡，并导致了严重生态环境问题和能源资源问题。然而，人类绝不会因此减缓工业生产和改变生活方式而回到工业革命前的生产和生活；而正相反，人类还会加大工业生产，进一步提高生活的物质消费量。解决办法应是依靠先进的科学技术和科学管理，走可持续发展的道路；同时，科学技术和科学管理必须服从经济规律。因此，全世界大力提倡循环经济，实质上就是物质资源的科学利用，也就是再生利用、清洁利用和创新利用；其中，生物质能（碳氢资源）是循环经济最活跃、最紧迫、最关键的部分，它与目前世界上最突出的科学问题——能源需求与能源资源、工业生产与环境污染这两大尖锐矛盾密切相关。我国2020年的发展目标是以能源翻一番实现GDP翻两番，可见生物质能循环经济技术直接关系到我国的可持续发展。

因此，本书着重介绍生物质能循环经济的技术问题，主要围绕生物质能资源开发、生物质能循环经济原则及生物质能利用新技术等几个中心思想进行介绍。希望能为读者对生物质能循环经济和生物质能资源开发利用技术提供一些有益的参考。

本书是在我们长期从事生物质能循环经济和生物质能资源开发利用技术研究和实践成果的积累及教学经验总结的基础上编写而成，可供能源、化工、材料、环境、生物等领域的科研院所的工程技术、管理人员及各层次的科技爱好者参阅，也供高等院校相关专业师生参考。参与本书编写的主要成员有肖波（华中科技大学教授）、周英彪（华中科技大学副教授）、杨国正（华中农业大学副教授）、杨家宽（华中科技大学副教授）、钱晓良（华中科技大学教授）、李建芬（武汉工业学院副教授，华中科技大学博士生）、江建方、史晓燕、陈英明、马承荣、阮渊、邹先枚、郭勇、魏刚等。同时，本书还吸收和借鉴了国内外该领域有关的研究成果，作者在此对给予本书以启示及参考的有关文献著作者深表谢意。

由于编者水平有限，书中肯定存在一些不成熟的地方，也难免有疏漏和不妥之处，恳请专家与读者予以批评指正。



编者

2005年6月


	 
	 
	 

能源是国民经济的命脉，能源与人民生活和人类的生存环境休戚相关，在社会可持续发展中起着举足轻重的作用。本书以生物质能为主线，从化石能源的利用和现状及能源发展趋势入手，以循环经济为指导思想，重点阐述了生物质能循环经济、生物质能资源开发、生物质能利用与转化技术三大方面的内容，并介绍了该领域国内外研究进展情况及发展前景。全书共分7章，包括生物质能简介、生物质能循环经济、生物质能资源开发、生物质能的生物转化技术、生物质能的热转化技术、生物质能转化为电力技术、生物质能利用的发展前景与展望。

本书取材新颖，内容丰富，对生物质能的开发和循环利用及生物质能的转化利用技术进行了比较完整和深入的讨论，系统性强。本书既可供能源、化工、材料、环境、生物等相关领域的工程技术人员、科研人员和管理人员参阅，也可供高等院校相关专业师生参考。
	 
	 
	 

目录

1生物质能简介1

11生物质能的来源及概况1

12生物质能资源2

13生物质的组成和结构3

131碳水化合物3

132纤维素的结构4

133半纤维素的结构5

134木质素6

14生物质能的开发与研究意义8

15生物质能的利用与转化9

参考文献9

2生物质能循环经济11

21循环经济的概念及技术特征11

211循环经济的概念11

212循环经济的运行机理及特征11

22生物质能中的碳循环13

221碳循环13

222生物质能中的碳循环14

23生物质能循环经济15

231生物质能循环经济的提出15

232生物质能循环经济符合社会可持续发展的要求23

233生物质能循环经济对我国有重要的战略意义25

234发展生物质能循环经济的政策27

24生物质能循环经济模式——生态农业30

241生态农业30

242几种模式32

参考文献33

3生物质能资源开发34

31能源植物34

311能源植物利用的发展进程35

312能源植物的种类38

313能源植物的利用43

32能源植物的高产技术46

321光合作用及能量转变46

322植物光合作用特点53

323植物光合作用影响因素54

324能源植物高产技术58

33能源农场62

331国内外发展情况62

332能源农场的构建65

34能源植物与环境生态65

341荒地能源植物开发65

342能源植物尾矿复垦66

35生物废弃物的利用68

参考文献69

4生物质能的生物转化技术71

41生物质燃料酒精71

411前言71

412纤维素原料性质72

413酸水解73

414酶水解76

415发酵81

416工艺流程和经济核算85

417应用现状和前景90

42农村沼气技术91

421沼气发酵概述91

422农村沼气发酵工艺93

423农村沼气池设计与施工101

424农村沼气池管理104

425沼气与农业生产105

426沼气与农村环境卫生106

427沼气的综合效益108

43大中型沼气工程技术109

431大中型沼气工程的定义109

432大中型沼气工程的发酵原料110

433大中型沼气工程的调控指标111

434传统消化池、农村沼气池的缺陷112

435提高厌氧消化装置效率的途径113

436大、中型沼气工程工艺简介114

437大、中型沼气工程的设计119

438大、中型沼气工程的启动121

439大、中型沼气工程运行管理与维护保养124

4310大、中型沼气工程安全防护126

参考文献127

5生物质能的热转化技术128

51生物质气化技术128

511生物质气化基本原理129

512气化过程的热量平衡131

513气化反应的化学平衡132

514气化过程的反应动力学133

515气化过程的几个基本参数136

516气化过程中的综合影响因素137

517气化技术分类138

518生物质气化燃气的特点139

519生物质气化设备及工作原理142

5110生物质气化技术的应用143

52生物质热解液化技术153

521生物质热解反应机理154

522影响生物质热解过程及产物组成的因素155

523热解液化工艺流程158

524生物质热解液化技术研究及开发现状159

525生物油的特性及应用160

53生物质炭化技术162

参考文献163

6生物质能转化为电力技术164

61生物质直接燃烧发电164

611生物质直接燃烧技术164

612生物质直接燃烧发电原理164

613生物质直接燃烧设备分类及现状165

614生物质直接燃烧发电现状167

615影响生物质直接燃烧发电发展的主要制约因素167

616典型工艺简介——丹麦Benson型生物质锅炉发电系统在火电厂的应用168

617生活垃圾焚烧发电169

62生物质气化发电技术175

621生物质气化发电原理与过程175

622生物质气化发电的特点175

623生物质气化发电系统的分类176

624生物质气化发电的关键技术177

625我国生物质气化发电商业化的障碍183

626对我国生物质气化发电发展建议183

627典型的生物质气化发电系统简介183

63沼气发电187

631沼气发电原理与流程187

632沼气发电动力装置188

633沼气发动机的类型及工作原理188

634沼气发动机发电机组系统191

635发电用沼气的特性192

636建沼气电站应注意的安全问题192

637国内外沼气发电技术的发展现状193

638典型沼气工程实例分析193

639沼气发电产业化可行性分析196

64生物质燃料电池197

641燃料电池简介197

642生物质气固体氧化物燃料电池200

643沼气燃料电池201

644生物燃料电池203

65生物质发电展望204

参考文献205

7生物质能利用的发展前景与展望207

71生物质能源的地位208

72生物质能利用的现状208

721研究开发技术概况208

722国内生物质能的利用现状和主要方法209

723国外生物质能的利用现状和主要方法211

73生物质能的发展前景与展望214

731国外发展前景214

732国内发展前景215

参考文献218