出版時(shí)間:2013-4 出版社:化學(xué)工業(yè)出版社
前言
當(dāng)前,人類面臨著經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和環(huán)境保護(hù)的雙重壓力。能源是現(xiàn)代社會(huì)賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ),清潔燃料的供給能力關(guān)系著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展,是國(guó)家戰(zhàn)略安全保障的基礎(chǔ)之一。我國(guó)是能源消耗大國(guó),2010年,能源消費(fèi)總量達(dá)32.5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,比2009年增長(zhǎng)5.9%,據(jù)預(yù)計(jì),到2050年我國(guó)需要年消耗能源51.7億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。改變能源的生產(chǎn)方式和消費(fèi)方式,用現(xiàn)代技術(shù)開發(fā)利用包括生物質(zhì)能在內(nèi)的可再生能源資源,對(duì)于建立持續(xù)發(fā)展的能源系統(tǒng),促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的改善具有重大意義。生物質(zhì)能是可再生能源的重要組成部分,我國(guó)的生物質(zhì)資源非常豐富,我國(guó)目前現(xiàn)有生物質(zhì)能資源折合約5.4億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,可用生物質(zhì)能資源量約為2.9億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。今后隨著造林面積的擴(kuò)大和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,估計(jì)2050年我國(guó)可供清潔能源化利用的生物質(zhì)能資源潛力最高可達(dá)8.9億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。開發(fā)利用我國(guó)豐富的生物質(zhì)能資源,對(duì)于我國(guó)能源結(jié)構(gòu)多元化、緩解化石能源供應(yīng)壓力、保障能源安全具有極其重要的作用。生物質(zhì)能具有儲(chǔ)量巨大、易儲(chǔ)存運(yùn)輸和使用的特點(diǎn),能夠在所有國(guó)家和地區(qū)較廉價(jià)地獲得,在其利用過程中不會(huì)形成大量的SOx和NOx,且CO2零排放,對(duì)環(huán)境造成的污染較小,其高效潔凈利用能夠大幅度減低大氣污染物及溫室氣體的排放,有助于解決化石能源消耗帶來的環(huán)境問題。2011年我國(guó)石油凈進(jìn)口2.51億噸,是世界上第一大石油凈進(jìn)口國(guó),同時(shí)也是僅次于美國(guó)的第二大石油消費(fèi)國(guó)。據(jù)估計(jì)到2020年,我國(guó)石油對(duì)外依存度將達(dá)到60%。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和人民生活水平提高,液體燃料的安全保障越來越重要。生物質(zhì)能是唯一可以直接轉(zhuǎn)換生產(chǎn)含碳液體燃料的可再生能源,其利用技術(shù)和化石燃料的利用方式具有很大的兼容性。從改善我國(guó)能源結(jié)構(gòu)、增加稀缺能源品種供應(yīng)的角度考慮,發(fā)展生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)應(yīng)該優(yōu)先。我國(guó)政府和社會(huì)公眾對(duì)生物質(zhì)能源給予了高度重視,出于能源、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)發(fā)展等不同角度的考慮,我國(guó)政府自2000年開始就在積極推動(dòng)生物燃料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,先后制定了《可再生能源法》、《可再生能源發(fā)展專項(xiàng)資金管理暫行辦法》、《B100生物柴油標(biāo)準(zhǔn)》等法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)和管理辦法來規(guī)范行業(yè)的發(fā)展。根據(jù)2006年公布的《生物燃料乙醇及車用乙醇汽油“十一五”發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃》,發(fā)改委還專門制定了《車用乙醇汽油擴(kuò)大試點(diǎn)工作實(shí)施細(xì)則》以規(guī)范生物乙醇產(chǎn)業(yè)。2007年國(guó)務(wù)院發(fā)布的《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》中,把生物液體燃料技術(shù)作為生物質(zhì)能利用的重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)之一,并明確規(guī)劃到2020年生物燃料乙醇年利用量達(dá)到1000萬噸,生物柴油年利用量達(dá)到200萬噸。“十一五”期間,我國(guó)發(fā)展以生物質(zhì)為原料的生物能源已成為必然趨勢(shì),其中能源植物、燃料乙醇、生物柴油以及生物質(zhì)發(fā)電和供熱已列為重點(diǎn)專項(xiàng)。預(yù)計(jì)到2020年,我國(guó)生物燃料消費(fèi)量將占到全部交通燃料的15%左右,建立起具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的生物燃料產(chǎn)業(yè)。本書共分7章,從生物質(zhì)液化獲得生物液體燃料入手,重點(diǎn)闡述了生物質(zhì)直接液化的原理及技術(shù)應(yīng)用,其中包括生物質(zhì)快速熱裂解液化、生物質(zhì)加壓液化、傳統(tǒng)燃料乙醇與非糧燃料乙醇、生物柴油和海洋藻類生物質(zhì)合成液體燃料技術(shù)。系統(tǒng)地對(duì)生物質(zhì)的概念、生物質(zhì)直接液化技術(shù)進(jìn)行了介紹,闡述了各技術(shù)的基本原理,并提供了國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)提出的與商業(yè)實(shí)踐的技術(shù)路線,分析了其發(fā)展方向,理論與實(shí)踐應(yīng)用分析相結(jié)合,有助于讀者的理解;其中還穿插了寫作團(tuán)隊(duì)幾年來在相關(guān)領(lǐng)域的最新研究成果。在相關(guān)技術(shù)介紹的基礎(chǔ)上,對(duì)國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)液體燃料發(fā)展的政策、規(guī)劃與發(fā)展路線進(jìn)行了介紹,使讀者了解生物質(zhì)直接液化技術(shù)在世界范圍內(nèi)發(fā)展的總體概況和未來發(fā)展趨勢(shì)。編者在編著過程中注重基本原理與最新研發(fā)利用相結(jié)合,力求采用最新的數(shù)據(jù),充分體現(xiàn)生物質(zhì)直接液化技術(shù)的系統(tǒng)性、時(shí)效性,使讀者全面了解相關(guān)液化技術(shù)的基本原理、最新的研究動(dòng)態(tài)與發(fā)展方向,為讀者提供有價(jià)值的參考。本書適用于生物質(zhì)能源化利用研究領(lǐng)域的教學(xué)科研人員、石油化工和農(nóng)林能源行業(yè)的科研及管理人員閱讀、參考。本書的編著者是具有多年從事相關(guān)領(lǐng)域研究及開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)人員。第1章和第5章由駱仲泱編寫;第2章和第4章由王樹榮編寫;第3章和第6章由王琦編寫;第7章由周勁松編寫。本書的撰寫得到了浙江大學(xué)能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室老師和同學(xué)的大力支持。在編寫過程中,李信寶、周巖、尹倩倩、郭文文、茹斌、王相宇、郭金鳳、王譽(yù)蓉等參與了資料收集、插圖編排和文字校核工作。在此,一并致以衷心的感謝。由于編著時(shí)間及編著者專業(yè)方面的局限,書中疏漏之處在所難免,敬請(qǐng)有關(guān)專家和廣大讀者批評(píng)指正。編著者2012年10月
內(nèi)容概要
《生物質(zhì)液化原理及技術(shù)應(yīng)用》重點(diǎn)闡述了生物質(zhì)直接液化的原理及技術(shù)應(yīng)用,其中包括生物質(zhì)快速熱裂解液化、生物質(zhì)加壓液化、傳統(tǒng)燃料乙醇與非糧燃料乙醇、生物柴油和海洋藻類生物質(zhì)合成液體燃料技術(shù)。系統(tǒng)地對(duì)生物質(zhì)的概念、生物質(zhì)直接液化技術(shù)進(jìn)行了介紹,闡述了各技術(shù)的基本原理,并提供了國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)提出的與商業(yè)實(shí)踐的技術(shù)路線,分析了其發(fā)展方向,理論與實(shí)踐應(yīng)用分析相結(jié)合,書中還穿插了作者在相關(guān)領(lǐng)域的最新研究成果。在相關(guān)技術(shù)介紹的基礎(chǔ)上,對(duì)國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)液體燃料發(fā)展的政策、規(guī)劃與發(fā)展路線進(jìn)行了介紹,使讀者了解生物質(zhì)直接液化技術(shù)在世界范圍內(nèi)發(fā)展的總體概況和未來發(fā)展趨勢(shì)。
《生物質(zhì)液化原理及技術(shù)應(yīng)用》適用于生物質(zhì)能源化利用研究領(lǐng)域的高校師生和科研人員、石油化工和農(nóng)林能源行業(yè)的科研及管理人員。
書籍目錄
第1章生物質(zhì)液化概述 1.1生物質(zhì)基本概念 1.1.1生物質(zhì) 1.1.2生物質(zhì)能簡(jiǎn)介 1.1.3生物質(zhì)能開發(fā)利用的意義 1.1.4生物質(zhì)能利用技術(shù)分類 1.2生物質(zhì)資源利用狀況 1.2.1國(guó)外生物質(zhì)資源利用現(xiàn)狀 1.2.2中國(guó)生物質(zhì)資源利用現(xiàn)狀 1.3生物質(zhì)能源化利用展望 1.3.1國(guó)外生物質(zhì)能源利用展望 1.3.2中國(guó)生物質(zhì)能源利用展望 1.4液化技術(shù)分類 參考文獻(xiàn) 第2章生物質(zhì)熱裂解液化制取生物油 2.1生物質(zhì)快速熱裂解液化技術(shù) 2.1.1生物質(zhì)熱裂解基本概念 2.1.2生物質(zhì)熱裂解類型 2.1.3生物質(zhì)熱裂解的工藝過程 2.1.4生物質(zhì)快速熱裂解液化反應(yīng)器 2.2生物質(zhì)快速熱裂解液化原理 2.2.1生物質(zhì)快速熱裂解液化反應(yīng)原理 2.2.2影響生物質(zhì)熱裂解過程及產(chǎn)物組成的因素 2.3生物質(zhì)快速熱裂解生物油特性及應(yīng)用 2.3.1生物油的理化特性 2.3.2生物油的燃料特性及應(yīng)用 2.3.3生物油精制改性 2.4生物質(zhì)熱裂解液化技術(shù)研究及開發(fā)現(xiàn)狀 2.4.1國(guó)內(nèi)外快速熱裂解技術(shù)的研究現(xiàn)狀 2.4.2生物質(zhì)快速熱裂解液化技術(shù)商業(yè)化進(jìn)展 2.4.3生物質(zhì)快速熱裂解液化技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性分析 參考文獻(xiàn) 第3章生物質(zhì)加壓液化技術(shù) 3.1生物質(zhì)加壓液化技術(shù)的基本概念 3.2生物質(zhì)加壓水熱液化 3.2.1臨界區(qū)域水的性質(zhì) 3.2.2生物質(zhì)加壓水熱液化的機(jī)理 3.2.3生物質(zhì)加壓水熱液化的影響因素 3.2.4生物質(zhì)加壓水熱液化的產(chǎn)物 3.3生物質(zhì)加壓液化技術(shù)的研究與應(yīng)用進(jìn)展 3.3.1國(guó)外研究與應(yīng)用進(jìn)展 3.3.2國(guó)內(nèi)研究與應(yīng)用進(jìn)展 參考文獻(xiàn) 第4章生物質(zhì)生化轉(zhuǎn)化制取燃料乙醇技術(shù) 4.1乙醇燃料 4.1.1乙醇的特性及應(yīng)用 4.1.2乙醇汽油 4.1.3燃料乙醇的原料來源 4.2淀粉類生物質(zhì)原料生化轉(zhuǎn)化制取燃料乙醇的基本原理 4.2.1淀粉類生物質(zhì)的特性 4.2.2淀粉類原料的預(yù)處理 4.2.3粉碎后原料的蒸煮 4.2.4淀粉糖化 4.2.5糖發(fā)酵制取乙醇 4.3木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)制取燃料乙醇的基本原理 4.3.1木質(zhì)纖維素原料的預(yù)處理 4.3.2纖維素和半纖維素的水解及發(fā)酵制取燃料乙醇 4.3.3木質(zhì)素的分解 4.4乙醇的提純制取 4.4.1乙醇的蒸餾特性 4.4.2雜質(zhì)的分離 4.4.3乙醇蒸餾工藝流程 4.5生物質(zhì)生化轉(zhuǎn)化制取乙醇的副產(chǎn)物的應(yīng)用 4.6生物質(zhì)制取燃料乙醇的經(jīng)濟(jì)性分析 參考文獻(xiàn) 第5章生物質(zhì)轉(zhuǎn)酯化制取生物柴油 5.1生物柴油的特性及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 5.1.1生物柴油的特性 5.1.2生物柴油的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 5.2制取生物柴油的原料 5.2.1原料的種類 5.2.2原料的加工 5.3生物柴油制備技術(shù)方法 5.3.1直接混合法 5.3.2微乳法 5.3.3高溫?zé)崃呀夥?5.3.4酯交換法 5.3.5生物酶法 5.3.6超臨界法 5.4轉(zhuǎn)酯化制取生物柴油技術(shù) 5.4.1轉(zhuǎn)酯化制取生物柴油的基本原理 5.4.2轉(zhuǎn)酯化技術(shù)的常用催化劑 5.4.3不同的轉(zhuǎn)酯化方法的基本原理 5.5轉(zhuǎn)酯化制取生物柴油生產(chǎn)工藝 5.5.1間歇法生物柴油生產(chǎn)工藝 5.5.2連續(xù)法生物柴油生產(chǎn)工藝 5.6生物柴油高值化技術(shù)發(fā)展 5.6.1生物柴油原料高值化技術(shù) 5.6.2生物柴油產(chǎn)品品質(zhì)改良 5.6.3生物柴油加工衍生產(chǎn)品 5.6.4副產(chǎn)品甘油高值化技術(shù) 5.7生物質(zhì)轉(zhuǎn)酯化制取生物柴油的經(jīng)濟(jì)性分析 參考文獻(xiàn) 第6章藻類生物質(zhì)制取液體燃料 6.1藻類生物質(zhì) 6.1.1藻類生物質(zhì)的特點(diǎn) 6.1.2藻類制取燃料的歷史和面臨的挑戰(zhàn) 6.2微藻的種類及生物結(jié)構(gòu) 6.2.1微藻的種類 6.2.2產(chǎn)油微藻的概念和種類 6.2.3產(chǎn)油微藻的篩選 6.2.4產(chǎn)油微藻合成油脂途徑 6.3微藻培養(yǎng)技術(shù) 6.3.1自養(yǎng) 6.3.2異養(yǎng) 6.3.3兼養(yǎng) 6.4微藻培養(yǎng)反應(yīng)器 6.4.1敞開式培養(yǎng)系統(tǒng) 6.4.2封閉式光生物反應(yīng)器培養(yǎng)系統(tǒng) 6.4.3微藻培養(yǎng)系統(tǒng)的比較 6.5微藻的收獲和干燥 6.5.1絮凝和沉淀 6.5.2絮凝和氣浮 6.5.3過濾技術(shù) 6.5.4離心技術(shù) 6.5.5其他收獲技術(shù) 6.5.6干燥 6.5.7工藝的集成與優(yōu)化 6.6微藻制取液體燃料技術(shù) 6.6.1微藻制取生物柴油 6.6.2快速熱裂解技術(shù) 6.6.3直接液化技術(shù) 6.6.4超臨界液化技術(shù) 6.6.5微波熱解技術(shù) 6.6.6發(fā)酵制取乙醇技術(shù) 6.7微藻制取液體燃料各種技術(shù)方法的比較 6.8微藻制取液體燃料技術(shù)產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀與經(jīng)濟(jì)性分析 6.8.1產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀與發(fā)展前景 6.8.2經(jīng)濟(jì)性分析 參考文獻(xiàn) 第7章生物質(zhì)液體燃料的政策法規(guī)與發(fā)展規(guī)劃 7.1發(fā)展生物質(zhì)液體燃料的意義 7.2國(guó)外生物質(zhì)液體燃料的政策和發(fā)展現(xiàn)狀 7.2.1各國(guó)生物質(zhì)能源機(jī)構(gòu)介紹 7.2.2各國(guó)生物質(zhì)液體燃料政策與發(fā)展 7.3我國(guó)生物質(zhì)液體燃料的政策和發(fā)展現(xiàn)狀 7.3.1我國(guó)生物質(zhì)液體燃料政策與發(fā)展 7.3.2我國(guó)給予生物質(zhì)液體燃料的財(cái)政支持 7.3.3我國(guó)生物質(zhì)液體燃料存在的主要問題和建議 參考文獻(xiàn)
章節(jié)摘錄
版權(quán)頁: 插圖: 3.2.3.2溫度 反應(yīng)溫度是影響水熱液化過程的重要因素。關(guān)于溫度與生物油產(chǎn)率之間的關(guān)系,目前學(xué)術(shù)界得出的結(jié)論基本一致,即:首先隨著溫度的上升,生物油的產(chǎn)率增大;而當(dāng)溫度超過某一值后—,產(chǎn)率又隨溫度的升高而下降。較高的溫度可以補(bǔ)償斷鍵所需要的能壘,使多數(shù)生物質(zhì)發(fā)生解聚,增加了反應(yīng)體系中自由基的濃度,但同時(shí)也使小分子碎片發(fā)生再聚合。所以溫度對(duì)反應(yīng)的影響可以認(rèn)為是大分子化合物的水解、解聚以及再聚合之間的競(jìng)爭(zhēng)過程。生物質(zhì)的解聚在反應(yīng)的初級(jí)階段占主要作用,而在反應(yīng)的后期,高活性小分子碎片的再聚合占據(jù)主要反應(yīng)。具體而言,一方面,生物質(zhì)主要成分(纖維素、半纖維素及木質(zhì)素)在約250℃時(shí)先分解生成葡萄糖、果糖等單元結(jié)構(gòu)(62),而后在250~300℃時(shí)纖維素和半纖維素率先降解并生成生物油(63);另一方面,溫度升至300℃時(shí),木質(zhì)素的降解速率達(dá)最大。所以在此溫度區(qū)間,生物油產(chǎn)率顯然會(huì)隨著溫度的升高而增大。但是由于木質(zhì)素在裂解后會(huì)再一次發(fā)生聚合反應(yīng),同時(shí)超過300℃后,已生成的生物油組分還會(huì)逐漸通過蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)生成焦炭(64),導(dǎo)致生物油產(chǎn)率的降低,同時(shí)能耗大幅上升,所以過高的溫度反而不利,多數(shù)反應(yīng)的最佳溫度約為略高于300℃。 在大多數(shù)生物質(zhì)的液化反應(yīng)中,就產(chǎn)率而言,最佳的溫度大多在300~350℃附近。當(dāng)然,對(duì)于不同的生物質(zhì)原料,最佳溫度一般不同。例如,Yin等(65)考察了亞臨界條件下通過水熱液化將牛糞轉(zhuǎn)化為生物油的過程,結(jié)果發(fā)現(xiàn)無論是在何種氣氛(CO、H2)下,生物油產(chǎn)品的收率均隨溫度升高呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),其中在310℃附近時(shí)收率達(dá)到最大;Beckman等(66)對(duì)楊樹木進(jìn)行加壓液化,結(jié)果發(fā)現(xiàn)生物油產(chǎn)品的收率從250℃開始上升,到320℃時(shí)達(dá)最大,此后又開始下降;He等(50)以豬糞為原料進(jìn)行加壓液化制油也發(fā)現(xiàn)了類似的趨勢(shì),其最佳溫度為295~305℃。 除最佳反應(yīng)溫度范圍外,許多學(xué)者也對(duì)升溫速率對(duì)反應(yīng)的影響進(jìn)行了研究。與生物質(zhì)熱裂解液化相似,較高的反應(yīng)速率可以促進(jìn)生物質(zhì)的分解,同時(shí)抑制焦炭的生成,所不同的是,對(duì)水熱液化產(chǎn)物分布的影響相比熱裂解液化要小得多。其原因在于生物質(zhì)分解產(chǎn)生的小分子碎片在高溫高壓的水中具有很好的溶解度以及穩(wěn)定性,這一點(diǎn)與熱裂解技術(shù)類似,一定量的水分的存在可以抑制焦炭的生成并提高生物油的產(chǎn)率(67)。一般而言,在水熱液化反應(yīng)中,較低的加熱速率會(huì)導(dǎo)致二次反應(yīng),生成焦炭;但過高的加熱速率也會(huì)促使二次反應(yīng)發(fā)生,所不同的是提高了氣體產(chǎn)物的收率,所以,生物油的產(chǎn)率對(duì)加熱速率的變化并不是很敏感。Zhang等(61)考察了加熱速率對(duì)水熱液化反應(yīng)的影響,當(dāng)加熱速率從5℃/min增大至140℃/min時(shí),生物油的產(chǎn)率僅從63%上升到了76%。因此,溫和的加熱速率或許就足以克服傳熱限制并保證生物油的產(chǎn)率。 3.2.3.3壓力 如前所述,在達(dá)到相同溫度的條件下,壓力的提高可以減小熱量的投入,這是因?yàn)槿軇┑南嘧冹孰S著壓力的升高而急劇減小,而在超臨界條件下則為零。在壓力對(duì)反應(yīng)的影響方面,主要體現(xiàn)在高壓階段,尤其是臨界區(qū)域。一般而言,隨著液化反應(yīng)體系的壓力升高,水的密度變大,溶解性增強(qiáng),并能有效地滲透進(jìn)生物質(zhì)組分的分子中,有利于水解反應(yīng)的進(jìn)行(68);而在達(dá)到超臨界后,壓力的影響變得更加顯著,此時(shí)壓力的微小變化將造成流體密度、黏度等性質(zhì)的極大改變,從而對(duì)反應(yīng)常數(shù)產(chǎn)生顯著的影響,實(shí)驗(yàn)表明,微小的壓力變化可使反應(yīng)速率常數(shù)發(fā)生幾個(gè)數(shù)量級(jí)的改變,從而增加生物質(zhì)單位時(shí)間的轉(zhuǎn)化率;同時(shí),由反應(yīng)平衡原理可知,較高的壓力可以抑制氣體產(chǎn)物的生成,從而更有利于獲得液體產(chǎn)物(69)。此外通過改變壓力不僅可以改變反應(yīng)速率,還可以控制產(chǎn)物的溶解度,實(shí)現(xiàn)不同相的分離,以得到目標(biāo)產(chǎn)物。 需要指出的是,壓力的選取還要考慮經(jīng)濟(jì)成本,過高的壓力對(duì)反應(yīng)促進(jìn)程度減弱,更有研究表明,在超臨界區(qū)域,密度的增大會(huì)產(chǎn)生“水籠”效應(yīng),抑制C—C鍵的斷裂,從而不利于生物質(zhì)組分的分解(60);同時(shí),過高的壓力使得能耗顯著升高,從而對(duì)設(shè)備提出更高的要求,導(dǎo)致運(yùn)行和維護(hù)成本的上升。所以綜合考慮反應(yīng)效果與經(jīng)濟(jì)性,一般水熱液化體系的壓力多控制在15~35MPa。
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