生物質(zhì)能利用原理與技術 - 第二章生物質(zhì)能資源與植物

生物質(zhì)能利用原理與技術劉燦西南林業(yè)大學目錄第一章總論第二章

生物質(zhì)能資源與能源植物第三章

生物質(zhì)直接燃燒技術第四章

厭氧過程與沼氣技術第五章生物質(zhì)壓縮成型燃料技術第六章生物質(zhì)氣化技術第七章生物質(zhì)燃料乙醇技術第八章生物質(zhì)熱裂解技術第九章生物質(zhì)制氫與間接液化技術第十章植物油與生物柴油技術第十一章城市有機垃圾能源第二章生物質(zhì)能資源與能源植物第一節(jié)生物質(zhì)能的物質(zhì)基礎第二節(jié)生物質(zhì)資源量的估算方法第三節(jié)我國生物質(zhì)能資源第四節(jié)能源植物第一節(jié)生物質(zhì)能的物質(zhì)基礎生物質(zhì)：廣義上是各種生命體產(chǎn)生或構成生命體的有機質(zhì)的總稱。生物質(zhì)包括所有的植物、微生物以及以植物、微生物為食物的動物及其生產(chǎn)的廢棄物。生物質(zhì)的特點：可再生性、低污染性、廣泛分布性。生物質(zhì)能：生物質(zhì)能是太陽能以化學能形式貯存在生物中的一種能量形式，直接或間接來源于植物的光合作用。能夠作為能源而利用的統(tǒng)稱為生物質(zhì)能源。一、生物質(zhì)資源原料類型按原料的化學性質(zhì)分：糖類、淀粉、木質(zhì)纖維素物質(zhì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢棄物薪柴、枝杈柴、柴草農(nóng)林加工廢棄物谷殼、果殼按原料來源分：人畜糞便和生活有機垃圾工業(yè)有機廢棄物能源植物二、生物質(zhì)能資源的特點與礦物質(zhì)比環(huán)境污染小煤的含氮、含硫量一般為0.5%-1.5%，而生物質(zhì)一般為0.2%一下。生物質(zhì)能蘊藏量巨大，可再生。生物質(zhì)能具有普遍性，容易獲取。可再生能源在，生物質(zhì)能是唯一可儲存于運輸?shù)哪茉础Ｉ镔|(zhì)碳活性高、易燃，400℃時能量可完全釋放，而煤是800℃時釋放30%。質(zhì)量密度低，運輸成本高。能量密度低。受環(huán)境影響大。三、生物質(zhì)化學組成1、碳：燃料中的主要元素，其含量多少決定燃料發(fā)熱值的高低。2、氫：常以碳氫化合物存在，量越多，越容易燃燒。四、生物質(zhì)燃料的熱值熱值（calorificvalue），又稱卡值或發(fā)熱量。在燃料化學中，表示燃料質(zhì)量的一種重要指標。單位質(zhì)量（或體積）的燃料完全燃燒時所放出的熱量。1kg生物質(zhì)完全燃燒所放出的熱量，稱為為高位熱值。高位熱值減去氣化潛熱值得到的熱量，即為1kg生物質(zhì)的低位熱值國內(nèi)計算燃燒值常取低位熱值（不注明的情況下）常見生物質(zhì)熱值常用燃料的熱值含水量與熱值的關系第二節(jié)生物質(zhì)資源量估算方法農(nóng)作物資源的估算薪材資源和面積有關人畜糞便資源，以人口數(shù)、禽畜存欄數(shù)、年平均排泄量為基礎計算。草資源和面積濕度有關。S：產(chǎn)量D：產(chǎn)率第三節(jié)我國的生物質(zhì)能資源三北地區(qū)，農(nóng)業(yè)林業(yè)剩余物，邊際土地的木質(zhì)林能源植物東部沿海地區(qū)，作物秸稈、畜禽糞便、生活和工業(yè)垃圾西南地區(qū)，油料作物、薯類作物一、農(nóng)作物秸稈農(nóng)作物秸稈與畜爭飼問題在局部地區(qū)或今后更為突出：

黑龍江：據(jù)專家推算，全省秸稈利用情況如下：燃料占40%，飼料占30%，還田10%，工業(yè)原料及其它占20%左右。但近年來，畜牧業(yè)發(fā)展迅速。新疆：小麥、玉米秸稈基本用于飼料，對這些秸稈用途的預測結果是，今后這類秸稈將全部用作飼料，無法進行能源的規(guī)?；谩６?、林木生物質(zhì)按照能源利用方式可分為木質(zhì)生物質(zhì)能資源和油料生物質(zhì)能資源兩大類。木質(zhì)生物質(zhì)能資源主要包括：薪炭林、林業(yè)剩余物、灌木林平茬復壯以及經(jīng)濟林修剪、造林苗木截干、城市綠化樹和綠籬修剪產(chǎn)生的枝條等。油料生物質(zhì)能資源主要包括：木本油料樹種，其種實可以用來生產(chǎn)生物柴油。黑龍江調(diào)研顯示，當?shù)亓謽I(yè)剩余物資源供應比較分散，以人工為收集主，尤其是對于林業(yè)剩余物的收集方面更為突出。對于采伐過程中的剩余物，枝椏有一部分回土，一部分被群眾自己收集用于燒柴，樹根一般都留在山上。對于林產(chǎn)加工過程中的剩余物，例如鋸末和邊角碎料，一般用作燒柴或廢棄了。②油料生物質(zhì)能資源

木本油料林的主要樹種包括麻風樹、黃連木、油桐、烏桕等方省區(qū)，在南方和北方地區(qū)都有分布。據(jù)估算，全國主要油料樹種果實產(chǎn)量為224.5萬噸，但目前加工利用量僅為54.7萬噸。今后，通過集約經(jīng)營，還可以大幅度提高油料樹種果實產(chǎn)量，其中一部分適宜發(fā)展生物柴油的油料林可以改造為油料能源林，還有大量荒山荒坡土地可以考慮種植油料植物。三、畜禽糞便畜禽糞便主要來自牛、豬和雞，可按其存欄數(shù)及不同月齡確定糞便產(chǎn)量。中國農(nóng)業(yè)以家庭為基礎，戶用沼氣是對散養(yǎng)畜禽糞便收集和利用的最好方式。畜禽糞便的規(guī)模化開發(fā)主要在大中型養(yǎng)殖場。四、城市生活垃圾城市垃圾產(chǎn)生量隨人口和城市化進程而快速增加，2005年全國垃圾生成量已經(jīng)超過1.5億噸。目前垃圾無害化處理的比例仍然很小，2005年全國垃圾無害化處理量僅為8107.8萬噸，約占垃圾生成量的54％。處理方法主要是衛(wèi)生填埋、堆肥和焚燒發(fā)電三種方式城市生活垃圾中含有大量有機物，可以作為一種能源資源，我國城市生活垃圾的熱值約為900－1500kcal/kg。全國每年垃圾生成量按15000萬噸計，則垃圾資源量可折合標準煤2357萬噸。五、工業(yè)有機垃圾中國農(nóng)副產(chǎn)品及食品加工業(yè)可產(chǎn)生大量有機廢棄物，如糧食、食品、制糖、造紙、釀酒、淀粉等在生產(chǎn)中都會產(chǎn)生大量的有機廢渣和廢水。工業(yè)廢棄物的利用途徑有堆肥、焚燒以及厭氧發(fā)酵等處理方式，有機廢水的處理方式主要為厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣。據(jù)估計，中國農(nóng)產(chǎn)品加工產(chǎn)生的有機廢棄物可生產(chǎn)500億立方米沼氣，相當于3500萬噸標煤的能量。隨著城市化進程和居民生活水平的提高，城市有機垃圾資源量可望快速增加。六、能源作物/植物

能源植物：是指直接用于提供能源為目的的植物。能源植物分類廣泛，按植物學分類、地域分類、化學分成分類等。按化學成分分類糖類淀粉類油料類纖維素類烴類能源植物甘蔗、甜高粱、甜菜玉米、甘薯、木薯大豆、油菜、向日葵、花生亞麻、速生林、芒草續(xù)隨之、綠玉樹、銀膠菊、西谷椰子含烴汁液能源作物的改良大部分能源植物是自然生長的，收集困難，產(chǎn)量穩(wěn)定。為了滿足對能源植物不斷增加的需求量，需要對能源植物以下方面進行改進：栽培方法抗病抗災性能產(chǎn)量的穩(wěn)定程度繁殖，育種穩(wěn)定、難易程度光合效率生長周期長短雜交育種物理誘變育種化學誘變育種細胞工程5.基因工程能源植物種子改良技術雜交育種2、物理誘變育種是不同種類的射線（α射線是α離子，就是質(zhì)子；β射線是電子；γ射線是電磁波；X射線，10~100nm的電離射線）對植物種子進行照射，引起：自身不能修復的DNA斷裂修復時造成染色體缺失染色體重復染色體倒位染色體易位就會引起種子基因突變。離子注入誘變育種太空育種（1）離子注入誘變育種一束離子束射向一塊材料時，離子束射到材料以后，受到固體材料的抵抗而速度慢慢減低下來，并最終停留在材料中，這一現(xiàn)象就叫做離子注入。變異率高變異譜寬變異速度快技術穩(wěn)定可靠，易行。（2）太空育種

3、化學誘變育種化學誘變育種是用化學誘變劑處理植物材料，以誘發(fā)遺傳物質(zhì)的突變，從而引起形態(tài)特征的變異，然后根據(jù)育種目標，對這些變異進行鑒定、培育和選擇，最終育成新品種例如：秋水仙素特點：誘發(fā)突變率較高染色體畸形較少誘變范圍廣4、細胞工程全能性原理：在多細胞生物中每個個體細胞的細胞核具有個體發(fā)育的全部基因，只要條件許可，都可發(fā)育成完整的個體。（1）植物組織培養(yǎng)（2）花藥、花粉培育

單倍體培養(yǎng)（小黑麥、水稻等）5、基因工程基因工程（geneticengineering）又稱基因拼接技術和DNA重組技術，是以分子遺傳學為理論基礎，以分子生物學和微生物學的現(xiàn)代方法為手段，將不同來源的基因按預先設計的藍圖，在體外構建雜種DNA分子，然后導入活細胞，以改變生物原有的遺傳特性、獲得新品種、生產(chǎn)新產(chǎn)品。優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)及綜合性狀改良：控制某項指標的基因（如控制淀粉合成——美國40—60%、脂肪合成、成熟時間、作物產(chǎn)量）抗性基因工程育種：抗病、抗蟲（抵抗病毒、病菌、抗蟲害）例如：蘇云金桿菌（BT）抗逆基因育種：耐除草劑的基因、抗旱基因—仙人掌基因七、重要的能源植物1、甜高粱甜高粱簡介

雅津甜高粱，平均高度為5m左右，糖錘度平均在16—23%，耐旱、耐澇、耐鹽堿、耐瘠薄，平均畝產(chǎn)籽粒250kg，秸稈5噸左右，成熟期95—160天不等，每畝需要種子1kg左右，平均高度3—5m。雅津甜高粱種子優(yōu)勢

一、耐旱二、耐澇：甜高粱遭洪水浸泡1周，大水退后能很快恢復生長三、耐鹽堿：甜高粱可忍受的鹽濃度為0.5－0.9％，高于玉米(0.3－0.7％)、小麥(0.3－0.6％)和水稻(0.3－0.7％)等作物。四、耐高溫、耐嚴寒：甜高粱對土壤的適應能力很強，pH值從5.0－8.5，均能很好生長。適應栽培的區(qū)域廣泛，10℃以上積溫2600－4500℃的地區(qū)(從海南島至黑龍江)，均可栽培。五、耐瘠薄：有作物中的“駱駝”之謂六、糖份含量高：莖稈富含糖份，汁液錘度15－23七、高產(chǎn)：甜高粱植株高大（3－5m），一般莖稈產(chǎn)量75噸/公頃左右，高產(chǎn)記錄為168噸／公頃，籽粒產(chǎn)量2.25－6噸／公頃。莖稈纖維含量14－18％，每公頃產(chǎn)纖維達9－15噸。雅津甜高粱秸稈、籽粒主要用途用途之一：奶牛、肉牛、羊等最佳高能飼料用途之二：乙醇（籽粒也可）用甜高粱生產(chǎn)乙醇的成本只有甘蔗的44%—80%用途之三：純高粱原酒（籽粒也可）用途之四：制糖用途之五：纖維板用途之六：代理煤炭的顆粒燃料用途之七：食用水果甜高粱桿用途之八：制味精用途之九：制醋用途之十：造紙?zhí)鸶吡煌瑫r具備經(jīng)濟、生態(tài)、社會效益經(jīng)濟效益各國能源、食品、養(yǎng)殖等領域生態(tài)效益充分利用邊際非耕地土地資源社會效益：帶動地區(qū)產(chǎn)業(yè)結構，增加農(nóng)民收入，增加國家、地區(qū)財政收入雅津甜高粱種子獨有性目前全球甜高粱種子適應性、抗逆性等表現(xiàn)最佳的品種只有中國的雅津甜高粱種子。雅津?qū)＜以谵r(nóng)業(yè)部、科技部領導的帶領下，自1976年研究試驗改良至1994年比較成型，1995年召開第一屆全國甜高粱會議，1997年我們承辦了“國際第一屆甜高粱會議暨第二屆全國甜高粱會議”，1999年后我們的種子開始銷售美國、歐盟、東南亞、非洲等國家，1997年后美國、印度、巴西等國基本沒有新的品種。2007年10月我們承辦了“全國第三屆甜高粱會議”。目前已經(jīng)推廣近40個國家和地區(qū)。雅津甜高粱種子可以適應印尼到俄羅斯、巴西到美國、南非到摩洛哥、埃及、印度等各種氣候的土地情況，抗倒伏、抗病、高產(chǎn)、高糖特性比較突出。目前我們已經(jīng)具備了甜高粱的近180個主要品種和配套的加工甜高粱秸稈飼料、秸稈原酒、秸稈乙醇等中小型設備生產(chǎn)能力。雅津與美國甜高粱種子比較特性美國的甜高粱含糖量逐年降低，一般糖錘度在6-13%，蟲害嚴重，而且容易倒伏，發(fā)芽率低于80%，適應范圍很狹小。而且不能給予技術轉讓，也不能提供免費培訓。我們的甜高粱，一般糖錘度在16-22%，抗病蟲害，抗倒伏，發(fā)芽率高于85%，適應區(qū)域廣泛，關鍵技術無償轉讓，而且提供免費的技術培訓。生產(chǎn)乙醇的理想原料

近年來，能源危機和環(huán)境污染日益嚴重，越來越多的國家已經(jīng)認識到可再生綠色能源的重要性。甜高粱就是這樣的一種理想的替代資源。

雅津甜高粱與其他作物的乙醇生產(chǎn)率的對比作物crop乙醇ethanol升/公頃年Liter/ha/year甜高粱sweetsorghum6106liters/ha甘蔗sugarcane4700liters/ha番薯yam1790liters/ha玉米maize1883liters/ha甜高粱與甘蔗的乙醇生產(chǎn)的對比作物crop年周期cyclesayear收獲次數(shù)Timesofharvest總產(chǎn)量Total噸ton莖稈stem噸/公頃年Ton/ha/year乙醇ethanol升/公頃年Liter/ha/year甘蔗sugarcane43180-24045-604680210*52*甜高粱sweetsorghum莖稈stem1245-6046-60412652.5*52.5*籽粒seeds3.5-6.53.5-6.519805*5*合計total

6106飼料的對比Comparison

of

feedFeedstuff

飼料Total

areasin4years4年面積合計TotalProductionin

4

years4年產(chǎn)量合計Averageoutput

per

mu平均畝產(chǎn)Compared

with

corn與玉米對比muTonkg(%)Corn玉米18,77416,825896100Barley

大麥6,2814,80576685SweetSorghum甜高粱9,91922,1502,234249.2《中華人民共和國可再生能源法》

“國家鼓勵清潔、高效地開發(fā)利用生物質(zhì)燃料，鼓勵發(fā)展能源作物。國家鼓勵生產(chǎn)和利用生物液體燃料。石油銷售企業(yè)應當按照國務院能源主管部門或者省級人民政府規(guī)定，將符合國家標準的生物液體燃料納入其燃料銷售體系?！?/p>

國家發(fā)改委“可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃”精神

“RenewableEnergyDevelopmentPlanofMid-andLongTerm"byNationalDevelopmentandReformCommission甜高粱制取生物液體燃料流程

甜高粱種植SweetsorghumPlantation莖稈收集StemCollection

生物乙醇BioEthanol酒精廢渣Residues液體燃料市場FuelMarket

合成燃料BTL

牲畜飼料

Feedstuff

谷物Corn糧食市場CornMarketProcedureforLiquidBio-fuel牲畜Animals

四家乙醇廠：吉林，河南，黑龍江，安徽

4

Bio-ethanolPlants:Anhui,Heilongjiang,Henan,Jilin全國年產(chǎn)量：1,020.000噸/年糧食用量：3,264,000噸/年成本:4702.5元/噸安徽豐原32萬噸/年Anhui320.000t/y

黑龍江金玉10萬噸/年

Heilongjiang100.000t/y河南天冠30萬噸/年Henan300.000t/y

吉林省吉林30萬噸/年Jilin300.000t/yNationalBio-ethanoloutput：1,020,000t/yGrainConsumption:3,264,000t/yCost:470Euro/t2、能源甘蔗甘蔗是禾本科甘蔗屬植物，產(chǎn)于熱帶、亞熱帶地區(qū)。莖稈含糖量為干物質(zhì)重量的55％—70％加工時，將榨出的甜漿汁經(jīng)濃縮制得的蔗糖結晶，是人類必需的食品在醫(yī)藥、工業(yè)各方面有著廣泛的用途。蔗渣可以釀酒，制酒精或作飼料和肥料，也是很好的造紙原料和燃料。

關于甘蔗的起源，一般有三種說法，一是起源于印度，二是起源于南太平洋的新幾內(nèi)亞，三是起源于中國。

中國是世界上古老的甘蔗種植國之一，甘蔗栽培具有悠久的歷史。早在公元前四世紀，我國就有種植甘蔗的歷史記載。東漢張衡《七辯》一文已有“沙糖”之稱。南朝陶弘景《名醫(yī)別錄》記有“蔗出江東為勝，廬陵亦有好者。廣州一種數(shù)年生，皆大如竹，長丈余，取汁為沙糖，甚益人。又有荻蔗節(jié)疏而細，亦可啖也?！庇涊d了甘蔗品種和栽培地區(qū)，甘蔗可制砂糖亦可生吃。有關甘蔗的描述在中國古代文獻中屢見不鮮。至唐朝大歷年間已有制冰糖的記載。

福建農(nóng)林大學甘蔗綜合研究所作為國家糖料作物改良甘蔗分中心農(nóng)業(yè)部甘蔗遺傳育種重點開放實驗室和農(nóng)業(yè)部甘蔗及制品質(zhì)檢中心“十五”國家“863”計劃、“948”行業(yè)重大