生物圈與生物質(zhì)能

1、Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University 生物圈生物圈 生物質(zhì)能生物質(zhì)能 有機(jī)廢物有機(jī)廢物 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University 生物圈生物圈 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University 生物圈生物圈 生物圈存在基本條件：太陽(yáng)能、水生物圈存在基本條件：太陽(yáng)能、水 Xian Jiaoto

2、ng UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University 據(jù)估計(jì)地球上每年植物光合作用固定的碳達(dá)2x1011t，含能量 達(dá)3x1021J，因此每年通過(guò)光合作用貯存在植物的枝、莖、葉 中的太陽(yáng)能，相當(dāng)于全世界每年耗能量的10倍。 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University 以生物質(zhì)資源代

3、替化石燃料，一方面減少了以生物質(zhì)資源代替化石燃料，一方面減少了 化石燃料的供應(yīng)量，另一方面可以減少化石燃料的供應(yīng)量，另一方面可以減少COCO2 2、 SOSO2 2、NONOX X等污染物排放，改善環(huán)境質(zhì)量。例如：等污染物排放，改善環(huán)境質(zhì)量。例如： 每利用一萬(wàn)噸秸桿替代煤炭，將減少二氧化每利用一萬(wàn)噸秸桿替代煤炭，將減少二氧化 碳排放碳排放1.41.4萬(wàn)噸，二氧化硫排放萬(wàn)噸，二氧化硫排放4040噸，煙塵排噸，煙塵排 放放100100噸。消化利用秸桿，已經(jīng)成為改善環(huán)境噸。消化利用秸桿，已經(jīng)成為改善環(huán)境 的迫切需求。的迫切需求。 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaoto

4、ng UniversityXian Jiaotong University 理想的生物質(zhì)能利用方式理想的生物質(zhì)能利用方式 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University 生物質(zhì)能源成本 技術(shù)技術(shù)目前能源成目前能源成 本本 未來(lái)能源成未來(lái)能源成 本本 生物質(zhì)生物質(zhì) 發(fā)電發(fā)電 5-15（美分（美分 / /度電）度電） 4-10（美分（美分 / /度電）度電）

5、 生物質(zhì)生物質(zhì) 供熱供熱 1-5（美分（美分/ / 度電）度電） 1-5（美分（美分/ / 度電）度電） 乙醇乙醇8-25 美元美元 /GJ/GJ 6-10美元美元 /GJ/GJ 天然氣天然氣6-13美元美元 /GJ/GJ 10-20美元美元 /GJ/GJ Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University 木質(zhì)原料發(fā)電需要的種植土地面積 （假定干木熱含量為 20,200 KJ/kg） 發(fā)電廠規(guī)模 MW 能源植物效率 木材生長(zhǎng)速率 %/ 總土地量 公頃 2528.411.310,520 5032.51

6、1.318,400 15034.111.352,610 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University 61 26222 666CHOOC OHO 61263222 52424304212C HONOHCOH ON 2 61264222 269123312C H OSOHCOH SHSH O 61 2624 33CHOC OC H 61 26232 22CHOC OC HC HO H 好氧氧化好氧氧化 (Aerobic oxidation)(Aerobic oxidation) 反硝化反硝化 (D

7、enitrification) 硫還原硫還原 (Sulfate reduction)(Sulfate reduction) 產(chǎn)生甲烷產(chǎn)生甲烷 (Methanogenesis)(Methanogenesis) 乙醇發(fā)酵乙醇發(fā)酵 (Ethanol Fermentation)(Ethanol Fermentation) 圖3.1 生物質(zhì)在生物圈的主要轉(zhuǎn)化化學(xué)式 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University 按技術(shù)分類按技術(shù)分類 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong

8、 UniversityXian Jiaotong University 按技術(shù)分類按技術(shù)分類 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University 生物轉(zhuǎn)換 發(fā)酵甲烷氣 水解發(fā)酵 乙醇 化學(xué)轉(zhuǎn)化 直接燃燒 熱氣流 高壓蒸汽 液化 直接液化 間接液化 燃料油 化工產(chǎn)品 乙醇 甲醇 氫氣 氣化 水煤氣 合成 氫氣 甲醇 熱解 木炭 水煤氣 木焦油、木醋液 燃料油 物理轉(zhuǎn)換團(tuán)體成型燃料 生 物 質(zhì) 生物質(zhì)轉(zhuǎn)化及轉(zhuǎn)換技術(shù)概覽 按按 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 換換 方方 式式 分分 類類 Xian Jiaotong Universi

9、tyXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University 中南美洲發(fā)電燃料來(lái)源：中南美洲發(fā)電燃料來(lái)源： 高比例的可再生能源高比例的可再生能源 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University 生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化的現(xiàn)狀生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化的現(xiàn)狀 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong Univ

10、ersityXian Jiaotong University 原料（玉米）凈玉米干胚芽 淀粉漿 糖化醪 二氧化碳 發(fā)酵成熟醪 燃料乙醇稀酒精 產(chǎn)品 酸、堿、酶等 以玉米為原料生產(chǎn)乙醇的工藝流程以玉米為原料生產(chǎn)乙醇的工藝流程 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University 纖維素類物質(zhì)生產(chǎn)乙醇的工藝流程示意圖纖維素類物質(zhì)生產(chǎn)乙醇的工藝流程示意圖 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University Xian

11、Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University C2H5OH Alcohol Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University Resources Recycle Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University 生物乙醇及混合成品性質(zhì)生物乙醇及混合成品性質(zhì) PropertyEthanolE85GE15D Carbon

12、 content mass %52.256 - 58- Hydrogen content mass %13.113 - 14- Oxygen content mass %34.829 - 305 Water content mass %6.22.9 - 6.6- Sulfur content ppm-257- Stoichiometric air/fuel ratio mass99.9- Lower heating/calorific value MJ/kg25 - 2726 - 27- Flash point temperature C13-20 Vapor pressure 38C kPa

13、15.948 - 103- Vapor flammability limits volume %4.3 - 19- Research Octane number RON108.6107- Motor Octane number MON89.789- Latent heat of vaporisation 1bar kJ/kg923836- Specific heat kJ/kg-K2.42.3- Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University Xian Jiaotong UniversityXia

14、n Jiaotong UniversityXian Jiaotong University Gasoline vs. Alcohol - Price difference Nor is all ethanol created equal. Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University Sugar cane harvesting Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University Cane sugar f

15、ermented to make ethanol Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University Nor is all ethanol created equal In Brazil, ethanol made from sugar cane has an energy balance of 8-to-1 - that is, when you add up the fossil fuels used to irrigate, fertilize, grow, transport and refi

16、ne sugar cane into ethanol, the energy output is eight times higher than the energy inputs. Thats a better deal than gasoline, which has an energy balance of 5-to-1. In contrast, the energy balance of corn ethanol is only 1.3-to-1 - making it practically worthless as an energy source. Xian Jiaotong

17、UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University 生物柴油生物柴油(Biodiesel)(Biodiesel)是指以油料作物、野生油料植物和工程是指以油料作物、野生油料植物和工程 微藻等水生植物油脂以及動(dòng)物油脂、餐飲垃圾油等為原料油微藻等水生植物油脂以及動(dòng)物油脂、餐飲垃圾油等為原料油 通過(guò)酯交換工藝制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料。通過(guò)酯交換工藝制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料。 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong Universi

18、ty 生物柴油是生物質(zhì)能的一種，它是生物質(zhì)利用熱裂解等技術(shù)得生物柴油是生物質(zhì)能的一種，它是生物質(zhì)利用熱裂解等技術(shù)得 到的一種長(zhǎng)鏈脂肪酸的單烷基酯。生物柴油是含氧量極高的復(fù)到的一種長(zhǎng)鏈脂肪酸的單烷基酯。生物柴油是含氧量極高的復(fù) 雜有機(jī)成分的混合物，這些混合物主要是一些分子量大的有機(jī)雜有機(jī)成分的混合物，這些混合物主要是一些分子量大的有機(jī) 物，幾乎包括所有種類的含氧有機(jī)物，如：醚、酯、醛、酮、物，幾乎包括所有種類的含氧有機(jī)物，如：醚、酯、醛、酮、 酚、有機(jī)酸、醇等。生物柴油是一種優(yōu)質(zhì)清潔柴油，可從各種酚、有機(jī)酸、醇等。生物柴油是一種優(yōu)質(zhì)清潔柴油，可從各種 生物質(zhì)提煉，因此可以說(shuō)是取之不盡，用之不竭的

19、能源，在資生物質(zhì)提煉，因此可以說(shuō)是取之不盡，用之不竭的能源，在資 源日益枯竭的今天，有望取代石油成為替代燃料。源日益枯竭的今天，有望取代石油成為替代燃料。 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University 從生物質(zhì)到生物柴油從生物質(zhì)到生物柴油 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiao

20、tong University Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University 脂肪酸甲酯脂肪酸甲酯 FAME: 油菜甲酯油菜甲酯 RME, 大豆甲酯大豆甲酯 SME, Palm methyl ester PM

21、E CH3OH + Rape seed triglyceride RME + glycerol CH3OH + Soybean triglyceride SME + glycerol Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University Palm seeds Palm oil Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University Oil palm is the worlds most productive oil

22、 seed. A single hectare of oil palm may yield 5,000 kilograms of crude oil, or nearly 6,000 liters of crude. Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University 生物柴油車尾氣中有毒有機(jī)物排放量?jī)H為礦物柴油生物柴油車尾氣中有毒有機(jī)物排放量?jī)H為礦物柴油1/10，顆粒物為，顆粒物為20%， CO2和和CO排放量?jī)H為排放量?jī)H為10%。 生物柴油通?？膳c石油基柴油調(diào)合使用，現(xiàn)一般調(diào)入生物柴油通?？膳c石油

23、基柴油調(diào)合使用，現(xiàn)一般調(diào)入20%。調(diào)合油的效益。調(diào)合油的效益 是：含硫很低（是：含硫很低（024PPm）、高十六烷值（）、高十六烷值（4670，如采用加氫裂化工藝，如采用加氫裂化工藝 為為100）。調(diào)合油甚至優(yōu)于歐）。調(diào)合油甚至優(yōu)于歐柴油。柴油。 調(diào)合調(diào)合20%生物柴油的調(diào)合油，可減少排放如下：總的未燃盡烴類生物柴油的調(diào)合油，可減少排放如下：總的未燃盡烴類20%、 CO12%、顆粒物質(zhì)、顆粒物質(zhì)12%、硫酸鹽、硫酸鹽20%、多環(huán)芳烴、多環(huán)芳烴13%、硝化多環(huán)芳烴、硝化多環(huán)芳烴50%、 特定烴類的潛在臭氧量特定烴類的潛在臭氧量10%。 生物柴油為清潔燃料，幾乎不含硫、無(wú)芳烴、含氧約生物柴油為清潔

24、燃料，幾乎不含硫、無(wú)芳烴、含氧約10%（有助于充分燃（有助于充分燃 燒）。柴油機(jī)無(wú)需改造，不像其他替代燃料如燒）。柴油機(jī)無(wú)需改造，不像其他替代燃料如CNG、LNG和乙醇調(diào)合油需和乙醇調(diào)合油需 改造發(fā)動(dòng)機(jī)。另外，可改進(jìn)潤(rùn)滑性，生物柴油的長(zhǎng)鏈脂肪酸的酯類是噴射改造發(fā)動(dòng)機(jī)。另外，可改進(jìn)潤(rùn)滑性，生物柴油的長(zhǎng)鏈脂肪酸的酯類是噴射 系統(tǒng)極好的潤(rùn)滑劑。石油基柴油脫硫過(guò)程也大大損害了潤(rùn)滑性（特別是含系統(tǒng)極好的潤(rùn)滑劑。石油基柴油脫硫過(guò)程也大大損害了潤(rùn)滑性（特別是含 硫從硫從500PPm減少到減少到50/10PPm）。加入極少量（）。加入極少量（12%）生物柴油的調(diào)合）生物柴油的調(diào)合 油就可使?jié)櫥蕴岣咛岣哂途涂?/p>

25、使?jié)櫥蕴岣咛岣?5%。 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University 生物柴油工藝路線圖 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University 生物柴油煉油化工廠路線示意圖 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong Unive

26、rsityXian Jiaotong University 由脂肪酸甲酯作原料加工的部分化工產(chǎn)品及路線 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University R2O O R1 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University Xian Jiaotong Univer

27、sityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University 第二代生物柴油第二代生物柴油 芬蘭國(guó)營(yíng)的油公司NESTE Oil Corp. 則是此技術(shù)的領(lǐng)先者 NExBTL Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University 第三代生物柴油第三代生物柴油 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University 沼沼 氣氣 Xian Jiaotong University

28、Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University 沼氣，是各種有機(jī)物質(zhì)，在隔絕空氣（還原條件），并 必適宜的溫度、濕度下，經(jīng)過(guò)微生物的發(fā)酵作用產(chǎn)生的 一種可燃燒氣體。 沼氣的主要成分是甲烷，約占所產(chǎn)生的各種氣體的60%一 80%。 甲烷是一種理想的氣體燃料，無(wú)色無(wú)味，與適量空氣混 合后即可燃燒。每立方米純甲烷的發(fā)熱量為 34000J，每 立方米沼氣的發(fā)熱量約為2080023600J。即1立方米沼 氣完全

29、燃燒后，能產(chǎn)生相當(dāng)于0.7kg無(wú)煙煤提供的熱量。 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University 生生 物物 制制 氫氫 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University 太陽(yáng)能分解水制氫太陽(yáng)能分解水制氫 Xian Jiaotong UniversityXia

30、n Jiaotong UniversityXian Jiaotong University 光生物水解制氫 以水為原料，利用具有光合作用的細(xì)菌或藻類，將 水分解為氫，將光能轉(zhuǎn)化為氫能 優(yōu)勢(shì)：在光能收集系統(tǒng)的自組織、能量的自發(fā)積累 和定向轉(zhuǎn)化上具有其它制氫技術(shù)無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì) Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University 微藻光生物水解制氫的微藻光生物水解制氫的 生物化學(xué)原理生物化學(xué)原理 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jia

31、otong University 微藻光生物水解制氫 思想出現(xiàn)在100年前，但有意義的工作是在近二十多年 微藻光水解制氫可以分為兩個(gè)步驟。 第一步，微藻通過(guò)光合作用系統(tǒng)（PS）光解水，產(chǎn)生 質(zhì)子和電子，并釋放氧氣。 2H2O 4H + 4e- + O2 第二步，藍(lán)藻通過(guò)固氮酶系、綠藻通過(guò)可逆氫酶系，還原質(zhì) 子為氫氣。 固氮酶制氫 可逆產(chǎn)氫酶或雙向氫酶制氫 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University 固氮制氫固氮制氫 前二十多年的主要研究體系 已取得的研究進(jìn)展 高產(chǎn)氫藻種篩選 藍(lán)藻制氫機(jī)理物質(zhì)、

32、能量代謝 藻內(nèi)吸氫酶吸氫作用的摘除 固氮酶遺傳發(fā)育特性 藍(lán)藻細(xì)胞的異型化發(fā)育 室外實(shí)驗(yàn)，4.35L，10h，產(chǎn)氫156ml/h，0.2光能轉(zhuǎn) 化效率 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University 藍(lán)藻利用固氮酶把氮?dú)廪D(zhuǎn)化為氨，同時(shí)產(chǎn)生氫氣，反應(yīng)式藍(lán)藻利用固氮酶把氮?dú)廪D(zhuǎn)化為氨，同時(shí)產(chǎn)生氫氣，反應(yīng)式 如下：如下： N2 + 8H+ + 8e- + 16ATP 2NH3 + H2 + 16ADP + 16Pi ATP代謝能的消耗，用于產(chǎn)氫質(zhì)子只占代謝能的消耗，用于產(chǎn)氫質(zhì)子只占25，光能利用率低，光能利

33、用率低 固氮制氫固氮制氫 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University 雙向氫酶制氫 在厭氧光照下，綠藻的可逆產(chǎn)氫酶還原質(zhì)子產(chǎn)生氫 氣，反應(yīng)式如下： 2H+ + 2e H2 相關(guān)研究剛剛起步 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University 雙向氫酶制氫 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University X

34、ian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University IEA的經(jīng)濟(jì)分析報(bào)告 固氮產(chǎn)氫 制氫過(guò)程僅有制氫過(guò)程僅有2525的電子用于還原質(zhì)子釋放氫氣的電子用于還原質(zhì)子釋放氫氣, ,要求要求 大量的代謝能，使?jié)撛诘墓饽芾寐式档鸵话?，太?yáng)大量的代謝能，使?jié)撛诘墓饽芾寐式档鸵话?，太?yáng) 能利用效率不足能利用效率不足1010，沒(méi)有實(shí)際開(kāi)發(fā)意義，沒(méi)有實(shí)際開(kāi)發(fā)意義。 利用可逆氫酶產(chǎn)氫 最有應(yīng)用前景的方向，報(bào)告預(yù)測(cè)，最有應(yīng)用前景的方向，報(bào)告預(yù)測(cè)，200200英畝制氫系統(tǒng)，英畝制氫系統(tǒng)， 太陽(yáng)能效率達(dá)太陽(yáng)能效率達(dá)1010時(shí)

35、，成本可達(dá)時(shí)，成本可達(dá)101015$/GJ H15$/GJ H2 2 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University 國(guó)內(nèi)外綠藻制氫的主要研究概況國(guó)內(nèi)外綠藻制氫的主要研究概況 研究單位研究單位國(guó)國(guó) 別別 工藝路線工藝路線目標(biāo)目標(biāo)進(jìn)展進(jìn)展 Oak ridge National Lab 美國(guó) 直接光解 光解和光合新 機(jī)制 不能連續(xù)進(jìn)行 National renewable energy Lab 美國(guó) 直接光解 抗高氧分壓的 氫酶 僅能抗2的氧氣分壓 夏威夷大學(xué) 美國(guó) 間接光解 光生物反應(yīng)器 系統(tǒng)集成

36、培養(yǎng)反應(yīng)器可規(guī)?；?，制 氫反應(yīng)器未形成 加州大學(xué)伯克利分校美國(guó) 間接光解 遺傳工程和基 礎(chǔ)光合過(guò)程研 究 無(wú)硫條件下，以 2.02.5mL/L藻液的產(chǎn) 氫速度延續(xù)70h 倫敦大學(xué)英皇學(xué)院英國(guó) 藍(lán)藻固氮 酶制氫 異形細(xì)胞比率 達(dá) 20 可連續(xù)運(yùn)行1月，但需要 反應(yīng)器有一定負(fù)壓 University of Marburg 德國(guó)氫酶的遺傳 特征和耐氧 氫酶 對(duì)氧氣不敏感， 能在綠藻中高 效表達(dá) 完成氫酶的基因克隆，剛 開(kāi)展生理生化研究 Uppsala University 瑞典 藍(lán)藻產(chǎn)氫 氫酶失活機(jī)理成功克隆吸氫酶基因，正 在研究失活機(jī)理 大連化學(xué)物理所 中 國(guó) 間接光 解 制氫過(guò)程及其 基礎(chǔ)光合過(guò)程 獲得可產(chǎn)氫海洋藻類，經(jīng)代謝 調(diào)控，產(chǎn)氫速度接近伯克利的 水平，完成氫酶的基因測(cè)序 Xian Ji