碳中和技術(shù)概論 課件 第4、5章 氫能、生物質(zhì)能

第4章

氫能CONTENTS目錄氫能基本知識(shí)PART

01氫燃料電池及其應(yīng)用PART

02制氫技術(shù)PART

03氫能基本知識(shí)Part.01氫能基本知識(shí)01氫是人類利用的最輕元素，是世界上已知的密度最小的氣體，在地球上主要以水、碳?xì)浠衔锖透黝愑袡C(jī)化合物等化合態(tài)的形式存在。長(zhǎng)期以來(lái)，氫氣作為工業(yè)原料和燃料劑被利用，廣泛應(yīng)用于化工、冶金等行業(yè)，我國(guó)已經(jīng)成為世界最大的制氫國(guó)，年制氫產(chǎn)量約3300萬(wàn)噸。與傳統(tǒng)燃料相比，氫氣不僅具有熱值高、能量密度大、來(lái)源廣泛等優(yōu)勢(shì)，而且燃料或反應(yīng)后生成的水不會(huì)造成環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)碳零排放，是我國(guó)碳中和目標(biāo)下理想的“清潔能源”，氫能開(kāi)發(fā)與利用已成為國(guó)家能源體系中的重要組成部分。但氫存在的形態(tài)多樣且密度較低，必須通過(guò)制氫技術(shù)使其成為能量密度更高的二次能源載體，才能應(yīng)用于當(dāng)今文明社會(huì)。氫能基本知識(shí)011.氫的燃燒性能氫氣與氧氣燃燒產(chǎn)生的熱量及反應(yīng)方程式為：燃燒性能指標(biāo)氫氣天然氣可燃范圍(當(dāng)量比)/%0.1～0.80.4～1.5可燃范圍(體積分?jǐn)?shù))/%4～755～15最小點(diǎn)火能/MJ0.020.28點(diǎn)火溫度/K858810質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)/(cm2·s-1)0.610.16最大層流火焰速度/(m·s-1)2.80.35絕熱火焰溫度/K23902226最小猝熄距離/mm0.642.03氫氣的物理、化學(xué)性質(zhì)與天然氣（甲烷）有著十分顯著的差異，上表為常溫常壓下氫氣的燃燒特性與天然氣的燃燒特性的對(duì)比。氫氣的點(diǎn)火溫度與天然氣相似，但點(diǎn)火能只有天然氣的7%，這意味著氫氣的自動(dòng)點(diǎn)火時(shí)間要遠(yuǎn)低于天然氣，具有更高的自燃以及爆炸風(fēng)險(xiǎn)。常溫常壓下氫氣與天然氣燃燒特性對(duì)比

氫能基本知識(shí)01電能

氫燃料電池及其應(yīng)用021.氫燃料電池的分類按照基本工作溫度分類：低溫型電池工作溫度一般在100℃以內(nèi)，如質(zhì)子交換膜燃料電池、堿性燃料電池等；中溫型電池工作溫度一般在100~300℃范圍內(nèi)，如磷酸型燃料電池等；高溫型電池工作溫度一般在500℃以上，如熔融碳酸鹽燃料電池或固體氧化物燃料電池等。按照燃料的來(lái)源：第一類是直接式燃料電池，即其燃料直接使用氫氣；第二類是間接式燃料電池，通過(guò)某種方式將甲烷、甲醇或其他烴類化合物轉(zhuǎn)變成氫或富含氫的混合氣后再供給燃料電池；第三類是再生式燃料電池，是將燃料電池生成的水經(jīng)適當(dāng)方法分解成氫氣和氧氣，再輸送給燃料電池使用。按照電解質(zhì)種類：可分為堿性燃料電池、磷酸燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池等。按工作原理分類：燃料電池可分為直接氫燃料電池和間接氫燃料電池。直接氫燃料電池主要有堿性燃料電池、磷酸燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池，熔融碳酸鹽燃料電池，固體氧化物燃料電池等。間接氫燃料電池指以甲醇為原料的燃料電池，稱為直接甲醇燃料電池。氫燃料電池分類02燃料電池的類型堿性燃料電池磷酸燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池固體氧化物燃料電池簡(jiǎn)稱AFCPAFCPEMFCMCFCSOFC電解質(zhì)氫氧化鉀磷酸含氟質(zhì)子膜碳酸鋰/碳酸鉀釔摻雜氧化鋯電解質(zhì)形態(tài)液體液體固體液體固體陽(yáng)極Pt/NiPt/CPt/CNi/Al、Ni/CrNi/YSZ陰極Pt/AgPt/CPt/CLi/NiOSr/LaMnO2工作溫度（℃）50-200150-22060-80~650900-1050啟動(dòng)時(shí)間幾分鐘幾分鐘少于5秒高于10分鐘高于10分鐘應(yīng)用航天、機(jī)動(dòng)車潔凈電站、輕便電源機(jī)動(dòng)車、潔凈電站、潛艇、航天潔凈電站潔凈電站、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電

各種燃料電池的技術(shù)參數(shù)氫燃料電池技術(shù)參數(shù)氫燃料電池及其應(yīng)用021.堿性燃料電池結(jié)構(gòu)及工作原理氫燃料電池的原理與結(jié)構(gòu)堿性燃料電池是燃料電池系統(tǒng)中最早開(kāi)發(fā)并成功獲得應(yīng)用，其工作原理是把氫氣和氧氣分別供給電池的陽(yáng)極和陰極，氫氣在陽(yáng)極的催化劑作用下電解為氫離子并釋放電子，氫離子經(jīng)電解質(zhì)層擴(kuò)散和傳遞到陰極，電子則經(jīng)外電路到達(dá)陰極，氫離子和氧氣在陰極得到電子并發(fā)生反應(yīng)生成水，電子從陽(yáng)極到陰極形成外電路發(fā)電。濃KOH溶液既當(dāng)作電解液，又作為冷卻劑，它起到從陰極到陽(yáng)極傳遞OH-的作用。氫氧化鈉和氫氧化鉀溶液，以其成本低，易溶解，腐蝕性低，而成為首選電解質(zhì)。導(dǎo)電離子為OH-，燃料為氫，堿性染料電池結(jié)構(gòu)及其原理如圖所示。

氫燃料電池及其應(yīng)用022.磷酸燃料電池結(jié)構(gòu)及工作原理磷酸燃料電池使用分散在碳化硅基質(zhì)中的液體磷酸為電解質(zhì)，以貴金屬鉑催化的氣體擴(kuò)散電極為正、負(fù)極的中溫型燃料電池，工作溫度相較于堿性燃料電池的工作溫度要高一些，為150~200℃左右。氫燃料被供應(yīng)到陽(yáng)極，氣體分子在電極表面發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生電子和質(zhì)子。電子穿過(guò)外部電路到達(dá)陰極，磷酸作為良好的離子導(dǎo)體，將質(zhì)子帶到陰極側(cè)。被送到陰極的空氣或氧氣在電極上發(fā)生氧還原反應(yīng)，消耗電子和質(zhì)子。由于磷酸燃料電池的電極反應(yīng)都有氣體參加，自空氣中的氧氣從陰極板一側(cè)進(jìn)入燃料電池單體，燃料氣體氫氣則從陽(yáng)極板一側(cè)進(jìn)入單體，由于二者的爆炸極限范圍極大，因此二者并不能直接接觸進(jìn)行反應(yīng)，而是通過(guò)電解質(zhì)的作用發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。

氫燃料電池及其應(yīng)用氫燃料電池的原理與結(jié)構(gòu)023.質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)及工作原理質(zhì)子交換膜燃料電池使用具有特殊官能基團(tuán)的聚合物膜作為電池的質(zhì)子交換膜傳遞質(zhì)子，以氫氣（或甲醇）為燃料，氧氣作為氧化劑，選用鉑/碳作為電池的催化劑。由陰陽(yáng)雙極板、氣體擴(kuò)散層、催化層、質(zhì)子交換膜構(gòu)成。質(zhì)子交換膜：選擇透過(guò)性膜，為氫離子提供傳輸通道的同時(shí)隔離兩端的反應(yīng)氣體。為了電池的有效運(yùn)行，質(zhì)子交換膜應(yīng)具備以下特點(diǎn)：高質(zhì)子電導(dǎo)率；不滲透氣體；可以實(shí)現(xiàn)水的平衡運(yùn)輸；較高的熱穩(wěn)定和化學(xué)穩(wěn)定性。催化層：氣體氧化還原反應(yīng)場(chǎng)所，由催化劑和粘結(jié)劑組成。催化劑可以降低氣體反應(yīng)所需的活化能，加快電化學(xué)反應(yīng)速率。擴(kuò)散層：介于催化層和極板之間的微孔層，是電池中氣體傳輸分配的通道，電子在電極與催化層間輸送的通道，還有收集電流以及支撐電池具有一定的抗壓強(qiáng)度的作用。雙極板：陰陽(yáng)兩極的極板通常合在一起形成雙極板。起到分隔氧化劑與還原劑、收集電流和傳導(dǎo)反應(yīng)的熱量等作用。雙極板材料應(yīng)具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性及耐腐蝕性等特點(diǎn)，并滿足低成本、易加工、體積小和接觸電阻低等實(shí)用要求。氫燃料電池及其應(yīng)用氫燃料電池的原理與結(jié)構(gòu)023.質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)及工作原理

PEMFC具有常溫下快速啟動(dòng)、低噪聲、低排放、高比功率和高電流密度等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以滿足新能源電動(dòng)汽車的高功率需求，而且適用于低功率的便攜式電子設(shè)備。PEMFC性能是影響工程實(shí)踐的重要因素，并受操作條件、流場(chǎng)設(shè)計(jì)等方面的較大影響。氫燃料電池及其應(yīng)用氫燃料電池的原理與結(jié)構(gòu)024.熔融碳酸鹽燃料電池結(jié)構(gòu)及工作原理熔融碳酸鹽燃料電池由陽(yáng)極、陰極、介于兩電極之間的電解質(zhì)和隔膜這幾部分構(gòu)成，在600~650℃的溫度范圍內(nèi)使用氫氣和氧氣作為燃料工作，在生成水的同時(shí)生成電和熱。電池電極的厚度通常為幾百毫米。電池的電解質(zhì)一般為熔融碳酸鉀和碳酸鋰混合物（Li2CO3、K2CO3），它們?cè)陔姵氐墓ぷ鳒囟认伦優(yōu)槿廴趹B(tài)。隔膜采用多孔LiAlO2膜，用于承載熔融態(tài)的電解質(zhì)，構(gòu)成電池的電介質(zhì)層。電介質(zhì)層的厚度接近電極層厚度，其可以作為碳酸根離子的良導(dǎo)體將碳酸根離子由陰極傳輸至陽(yáng)極。對(duì)于不帶電荷的分子，如氫分子和氧分子，電介質(zhì)層將成為絕緣體阻止它們通過(guò)。

氫燃料電池及其應(yīng)用氫燃料電池的原理與結(jié)構(gòu)025.固體氧化物燃料電池結(jié)構(gòu)及工作原理固體氧化物燃料電池主要由陰極、陽(yáng)極及致密的固體氧化物電解質(zhì)疊加組成，形狀如“三明治”結(jié)構(gòu)。其中，具有適當(dāng)氣孔率的陰極和陽(yáng)極主要負(fù)責(zé)氣體的吸附-解離，催化燃料氣體、導(dǎo)通電子，減少燃料輸送、尾氣的排放阻力。而中間的陶瓷固體氧化物電解質(zhì)在微觀結(jié)構(gòu)上需足夠致密，以將兩側(cè)的燃料與氧化劑隔絕，避免在工作溫度下兩種氣體發(fā)生反應(yīng)，其次電解質(zhì)材料需具備較高的離子導(dǎo)電性，能使電極催化產(chǎn)生的載流子定向并快速地遷移至對(duì)側(cè)電極。根據(jù)電解質(zhì)材料傳導(dǎo)的載流子可以將固體氧化物燃料電池分為氧離子導(dǎo)體基固體氧化物燃料電池(O-SOFC)和質(zhì)子導(dǎo)體基固體氧化物燃料電池(PCFC)。(a)氧離子傳導(dǎo)型；(b)質(zhì)子傳導(dǎo)型氫燃料電池及其應(yīng)用氫燃料電池的原理與結(jié)構(gòu)025.固體氧化物燃料電池結(jié)構(gòu)及工作原理

氫燃料電池及其應(yīng)用氫燃料電池的原理與結(jié)構(gòu)制氫技術(shù)03氫能源產(chǎn)業(yè)鏈復(fù)雜，主要包括氫能端和應(yīng)用端。氫能端主要分為制氫和儲(chǔ)運(yùn)，而制氫技術(shù)是產(chǎn)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)氫能最終應(yīng)用非常的一環(huán)。在產(chǎn)業(yè)鏈的結(jié)構(gòu)成本中制氫端占比最高，因此制氫技術(shù)的發(fā)展對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。中國(guó)在2019年以前，氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展還處于萌芽階段，產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)成本、創(chuàng)新能力、技術(shù)裝備水平、產(chǎn)業(yè)資金及政策等仍在探索與嘗試。2019年3月，氫能首次被寫進(jìn)《政府工作報(bào)告》，要求“推進(jìn)充電、加氫等設(shè)施建設(shè)”，由此引發(fā)資本市場(chǎng)關(guān)注。作為氫氣制備生產(chǎn)工業(yè)雄厚的中國(guó)，2020年至2022年氫氣年產(chǎn)量平均增速超20%，穩(wěn)居氫氣產(chǎn)量第一大國(guó)寶座。制氫技術(shù)主要指以含氫的天然或合成的化合物質(zhì)為原料，通過(guò)化學(xué)的過(guò)程生成氫氣的各種方法和技術(shù)。根據(jù)原料來(lái)源不同，制氫技術(shù)可分為灰氫、藍(lán)氫及綠氫?；覛湟詡鹘y(tǒng)化石燃料為原料制取氫氣，是用于大規(guī)模制氫的高碳且較為成熟的技術(shù)，經(jīng)濟(jì)效益較高，但存在能耗高、二氧化碳排放量大等問(wèn)題，因此被稱為“灰氫”。藍(lán)氫是在灰氫的基礎(chǔ)上，利用碳捕捉、碳利用和儲(chǔ)存（CCUS）技術(shù)來(lái)避免二氧化碳直接排放到大氣中的技術(shù)，是灰氫過(guò)渡到綠氫的重要階段，其經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益均處于中等水平。綠氫是通過(guò)使用可再生能源（如太陽(yáng)能、風(fēng)能等）及核能驅(qū)動(dòng)水電解反應(yīng)生產(chǎn)氫氣，全生產(chǎn)周期內(nèi)不產(chǎn)生溫室氣體及其他污染物，被稱為“綠氫”，具有較高的能源效益和環(huán)境友好性，對(duì)溫室氣體的減排具有非常重要的意義。制氫技術(shù)031.煤焦化制氫在900至1000℃的隔離空氣條件下的焦化裝置中，由煤生產(chǎn)焦炭，副產(chǎn)品為焦?fàn)t煤氣。1噸焦炭的生產(chǎn)則大概產(chǎn)生430m3的焦?fàn)t煤氣。焦?fàn)t煤氣主要成分為氫氣（55-60%）、甲烷（23-27%），以及少量的一氧化碳（5-8%）、烷烴（2%～4%）、二氧化碳（1.5%～3%）、氮?dú)猓?%～7%）和氧氣（0.3%～0.8%)。煤焦化制氫則是利用焦化過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)氣體制氫，焦?fàn)t煤氣中含有約60%的氫氣，目前工業(yè)上主要是通過(guò)物理法分離法制氫：變壓吸附制氫、膜分離制氫、深冷法分離制氫。煤制氫制氫技術(shù)03變壓吸附制氫變壓吸附的原理是利用吸附劑對(duì)不同氣體的吸附能力隨壓力變化的特性，升壓時(shí)吸附劑吸附雜質(zhì)組分，降壓時(shí)雜質(zhì)組分被脫附，吸附劑再生，整個(gè)過(guò)程中H2幾乎不會(huì)被吸附，實(shí)現(xiàn)快遞連續(xù)分離H2的目的。第1道工藝為壓縮煉焦廠產(chǎn)生的焦?fàn)t煤氣，壓力由5~12kPa提升至變壓吸附所需壓力0.6~1.8MPa；第2道工藝為預(yù)處理與凈化，焦?fàn)t煤氣經(jīng)冷卻進(jìn)入預(yù)凈化裝置，預(yù)脫除有機(jī)物、硫化氫、氨等雜質(zhì)。再通過(guò)變溫吸附（TSA）工藝進(jìn)一步脫除易使吸附劑中毒的組分，如焦油、萘、硫化物。第3道工藝為變壓吸附，也是整個(gè)工藝的核心，用于除去H2以外的絕大部分雜質(zhì)氣體。第４道工藝為H2精制，進(jìn)一步分離H2中含有的少量O2和水分，通過(guò)該工藝生產(chǎn)的氫氣純度可達(dá)99.999%。煤制氫變壓吸附制氫工藝流程制氫技術(shù)03(2)膜分離制氫該技術(shù)借助隔離膜兩側(cè)的壓力差迫使氫分子選擇性透過(guò)隔膜，從而富集在一側(cè)收集，雜質(zhì)氣體則停留在初始側(cè)，達(dá)到分離H2的目的。膜分離效果與3個(gè)參數(shù)有關(guān)：膜兩側(cè)各體組分的分壓差、膜面積、膜選擇性。理論上壓差越大，H2分離純度越高，最終達(dá)到上限值，但壓力增加會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)能耗大幅提升。氣體的相對(duì)滲透速度為：H2O＞H2＞He＞H2S>CO2＞O2＞Ar＞CO＞CH4＞N2。經(jīng)過(guò)冷凝除水后焦?fàn)t煤氣中的H2優(yōu)先穿過(guò)膜，在低壓側(cè)形成富氫。與變壓吸附相比，膜分離技術(shù)獲得的H2純度較低，只有80~90%，H2收率為50~85%。煤制氫

膜法H2分離技術(shù)原理制氫技術(shù)03(3)深冷法分離制氫深冷法分離制氫又稱低溫精餾法制氫，利用不同氣體的沸點(diǎn)差異，通過(guò)降溫使除H2外其他氣體組分液化，從而達(dá)到分離目的。焦?fàn)t煤氣中各氣體組分的沸點(diǎn)如圖4-10所示，H2的沸點(diǎn)為-252.6℃，遠(yuǎn)低于其他組分氣體，通過(guò)逐級(jí)降溫操作，雜質(zhì)氣體在不同階段冷凝分離，該技術(shù)的工作壓力在2.0~4.0MPa，隨操作壓力提升，溫度降低。而壓力越高，相應(yīng)能耗越高，H2損失隨之增加。這種技術(shù)分離得到的H2純度并不高，約為83~88%，通常與變壓吸附聯(lián)用進(jìn)行深度提純。煤制氫焦?fàn)t煤氣各組分沸點(diǎn)制氫技術(shù)032.煤氣化制氫將煤和水蒸氣或氧氣，在高溫、高壓條件下，反應(yīng)生成H2和CO，之后CO繼續(xù)與水氣反應(yīng)，獲得H2和CO2。技術(shù)主要有兩種技術(shù)路線，外部供熱制氫和內(nèi)部供熱制氫。煤制氫

煤氣化制氫工藝流程制氫技術(shù)032.煤氣化制氫內(nèi)部供熱是通過(guò)燃燒一部分煤來(lái)提供自身反應(yīng)需要的熱量實(shí)現(xiàn)煤的氣化反應(yīng)，這部分燃燒量約占總煤量的1/4，降低了煤的利用率。同時(shí)該體系還需通入大量的氧氣，不僅增加了工藝的復(fù)雜程度，降低了生產(chǎn)的安全性，而且產(chǎn)生了大量CO2氣體，增加了后續(xù)氣體處理量。該工藝的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在技術(shù)成熟、目前的大多數(shù)氣化方式都是采用這種方法，已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化和規(guī)模化。外部供熱則是通過(guò)外部間接提供體系反應(yīng)需要的熱量來(lái)實(shí)現(xiàn)煤的氣化反應(yīng)，該工藝沒(méi)有燃料內(nèi)部體系的煤，可以提高系統(tǒng)煤炭的轉(zhuǎn)化率。該方法不需要氧氣參與，并且體系自身不需要氧氣，只有水蒸氣和煤反應(yīng)，產(chǎn)生CO和O2，之后CO通過(guò)水煤氣變換反應(yīng)轉(zhuǎn)化成H2和CO2，使得復(fù)雜的工藝得以簡(jiǎn)化。該工藝的關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)熱量有效地供給反應(yīng)體系中的煤炭和水蒸氣，使反應(yīng)順利進(jìn)行，如何實(shí)現(xiàn)工藝的規(guī)?；凸I(yè)化。煤制氫制氫技術(shù)03

煤制氫制氫技術(shù)033.煤的超臨界水氣化制氫同其他煤制氫方法相比，超臨界水氣化制氫有著以下的優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換完全：超臨界水制氫能夠?qū)⒚禾恐械臍淙哭D(zhuǎn)化為氫氣，同比條件下制氫效率更高。污染較小：超臨界水氣化過(guò)程中，硫、氮等元素將會(huì)以沉淀物形式存在，不會(huì)額外產(chǎn)生空氣污染物。工藝簡(jiǎn)單：煤的超臨界水氣化過(guò)程能夠直接生成高壓氫氣，可以直接用在工業(yè)反應(yīng)之中，節(jié)約操作步驟，降低生產(chǎn)成本。能量可控易回收：超臨界水氣化過(guò)程釋放的熱量可以回收用來(lái)發(fā)電。對(duì)煤炭種類要求較低：對(duì)于大部分的煤炭來(lái)說(shuō)，均能滿足其制氫要求。煤制氫制氫技術(shù)03

天然氣制氫作為一種較為普遍的制氫技術(shù)，很早就發(fā)展成為工業(yè)中主流的氫氣制備技術(shù)，在制氫技術(shù)中占據(jù)主導(dǎo)地位。天然氣的主要成分為甲烷，是各類化合物中氫原子質(zhì)量占比最大的化合物，同時(shí)由于化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，主要通過(guò)水蒸氣、氧氣與甲烷反應(yīng)，先生成合成氣，再經(jīng)過(guò)化學(xué)轉(zhuǎn)化與分離制取氫氣。天然氣制氫技術(shù)包括蒸汽重整技術(shù)（SMR）、部分氧化重整技術(shù)、自熱重整技術(shù)、CH4/CO2

重整技術(shù)以及近年來(lái)熱門的催化裂解技術(shù)。

天然氣制氫制氫技術(shù)03在眾多工藝中，天然氣水蒸氣重整反應(yīng)是采用最多且技術(shù)最成熟的工藝。加氫脫硫步驟是使有機(jī)硫加氫反應(yīng)轉(zhuǎn)化為H2S，采用氧化鋅（ZnO）與H2S反應(yīng)生成ZnS以深度除S。因?yàn)樵陬A(yù)重整和蒸汽重整步驟中使用的催化劑（Ni/Al2O3）和中溫水氣變化的催化劑（Fe3O4/Cr2O3

或ZnO/ZnAl2O4）易被硫化物中毒失活，因此需要在預(yù)重整之前深度脫除天然氣中的硫化物，保護(hù)下游過(guò)程的催化劑，維持整個(gè)制氫體系長(zhǎng)周期的穩(wěn)定運(yùn)行。預(yù)重整過(guò)程是將C2+飽和烴轉(zhuǎn)化為C1和H2，避免過(guò)高的進(jìn)料溫度導(dǎo)致C2+熱分解積炭，使預(yù)重整后的C1和H2可以預(yù)熱到更高溫度。預(yù)重整還可以進(jìn)一步脫除原料中的微量硫，保護(hù)后續(xù)催化劑。此外，預(yù)重整的部分原料為合成氣（CO和H2），可降低后續(xù)高溫蒸汽重整的負(fù)荷，提高整個(gè)裝置的生產(chǎn)能力。中溫水氣變換是將蒸汽重整后混合氣中存在CO盡可能多的轉(zhuǎn)化為H2和CO2，提高氫氣產(chǎn)率。最后通過(guò)變壓吸附提純H2。甲烷蒸汽重整主要反應(yīng)：

天然氣制氫甲烷蒸汽重整制氫工藝流程

制氫技術(shù)03

天然氣制氫

制氫技術(shù)03天然氣制氫

制氫技術(shù)03工業(yè)副產(chǎn)氫工業(yè)副產(chǎn)氫指在某些化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，副產(chǎn)出H2，通過(guò)變壓吸附等技術(shù)將H2分離提純的制氫技術(shù)。工業(yè)副產(chǎn)氫主要存在于煤炭企業(yè)（焦?fàn)t煤氣）、氯堿工業(yè)、煉油廠副產(chǎn)氫、冶金工業(yè)副產(chǎn)氫這四種工業(yè)，目前我國(guó)工業(yè)副產(chǎn)氫的產(chǎn)量較大，但存在副產(chǎn)純度不高、雜質(zhì)較多的問(wèn)題，所以工業(yè)副產(chǎn)氫的主要研究方向是對(duì)于不同工業(yè)副產(chǎn)氫的提純技術(shù)的改進(jìn)，降低提純成本，提高H2產(chǎn)率。我國(guó)工業(yè)副產(chǎn)氫具有以下三點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：①副產(chǎn)氫產(chǎn)能整體靠近能源負(fù)荷中心，有效降低氫能儲(chǔ)運(yùn)成本；②我國(guó)具備良好的副產(chǎn)氫產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)；③極低的碳排放量以及丙烷脫氫和乙烷裂解副產(chǎn)制氫具備發(fā)展?jié)摿徑鈿淠茉葱枨髩毫?。制氫技術(shù)03甲醇制氫甲醇具有原料豐富、可再生、燃燒產(chǎn)物污染少、安全性好、廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)最有希望的替代燃料之一，同時(shí)，甲醇本身高氫含量、低含碳量的優(yōu)點(diǎn)，是一種非常有前途的制氫方式。甲醇制氫的常用方法主要有三種：甲醇裂解制氫(decompositionofmethanol,DM)、甲醇部分氧化重整制氫(partialoxidationofmethanol,POM)以及甲醇水蒸氣重整制氫(steamreformingofmethanol,SRM)。制氫技術(shù)03甲醇制氫

甲醇裂解制氫相較于傳統(tǒng)制氫工藝技術(shù)而言，有三方面優(yōu)勢(shì)：①成本優(yōu)勢(shì)：該工藝技術(shù)成本及能耗低；②原料優(yōu)勢(shì)：該技術(shù)所使用的主要原料為甲醇，在常壓下為穩(wěn)定的液體，儲(chǔ)存、運(yùn)輸都比較方便；③純度優(yōu)勢(shì)：甲醇的純度高，使用前不需要凈化處理就可以直接參與反應(yīng)，且反應(yīng)流程較傳統(tǒng)制氫工藝簡(jiǎn)單。制氫技術(shù)03甲醇制氫

相較于甲醇裂解制氫工藝，甲醇水蒸氣重整制氫技術(shù)存在以下缺點(diǎn)：①整體反應(yīng)為強(qiáng)吸熱反應(yīng)，需要外部供應(yīng)大量的熱；②反應(yīng)體系受熱質(zhì)傳輸?shù)南拗疲摲磻?yīng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較慢，影響實(shí)際生產(chǎn)效率。相較于甲醇裂解制氫工藝，甲醇水蒸氣重整制氫技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要在于：條件相對(duì)溫和，反應(yīng)溫度一般低于573K，產(chǎn)物中H2含量高、CO含量（體積分?jǐn)?shù)低于2%）低，可選催化劑種類多價(jià)格便宜。制氫技術(shù)03甲醇制氫

制氫技術(shù)03電解水制氫目前“綠氫”制取的主要方式為電解水制氫，原理是在直流電作用下，通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)將水電解為H2和O2，由兩個(gè)半反應(yīng)組成，陽(yáng)極的析氧反應(yīng)(OxygenEvolutionReaction,OER)和陰極的析氫反應(yīng)(HydrogenEvolutionReaction,HER)。傳統(tǒng)的電解水裝置主要包含電解液、陰極(cathode)、陽(yáng)極(anode)以及隔膜這幾部分，其中電解液通常依據(jù)PH值的差異分為酸性、中性以及堿性電解質(zhì)溶液；隔膜主要有質(zhì)子交換膜、陰離子交換膜雙極性膜等。電解水裝置示意圖目前電解水技術(shù)主要有堿性(alkaline,ALK)電解水、質(zhì)子交換膜(protonexchangemembrane,PEM)電解水、堿性陰離子交換膜(alkalineanionexchangemembrane,AEM)電解水和固體氧化物(solidoxideelectrolysiscell,SOEC)電解水技術(shù)。制氫技術(shù)03電解水制氫1.堿性電解水技術(shù)堿性電解水技術(shù)成熟，成本較低，操作簡(jiǎn)單，在20世紀(jì)中期就實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，運(yùn)行壽命可達(dá)15年，一般以KOH或NaOH（25%wt-30%wt）的水溶液為電解質(zhì)，鎳基材料為電極，石棉布或聚酯系材料等作為隔膜構(gòu)成。其工作原理是水分子在陰極分解為氫離子和氫氧根離子，氫離子得到電子生成氫原子，并進(jìn)一步生成氫分子，氫氧根離子則在兩電極間的電場(chǎng)力作用下穿過(guò)多孔膈膜，在陽(yáng)極側(cè)失去電子生成水分子和氧分子。由于電解出的氣體會(huì)帶有堿液，需要對(duì)產(chǎn)出的氣體進(jìn)行脫堿霧處理。其工作溫度介于40~80℃，工作壓力介于1~3MPa，能源效率介于59%~70%，電流密度約為0.25A/cm2，制氫能耗介于4.5~5.5kW·h。堿性電解水制氫技術(shù)的主要缺點(diǎn)有以下幾點(diǎn):電解效率低，電源波動(dòng)適應(yīng)性差，同時(shí)堿液存在一定的腐蝕性。堿液易與空氣中的CO2反應(yīng)生成難溶碳酸鹽，堵塞隔膜孔道，阻礙物料傳遞，大大降低電解性能。電解槽關(guān)閉或者啟動(dòng)速度慢，難以快速調(diào)節(jié)制氫速度，導(dǎo)致堿性電解槽難以與具有快速波動(dòng)特性的風(fēng)光等可再生能源直接配合使用。制氫技術(shù)03電解水制氫2.質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)PEM電解槽是PEM電解水制氫裝置的核心部分，電解槽的最基本組成單位是電解池，一個(gè)電解槽包含數(shù)十甚至上百個(gè)電解池。電解池主要由膜電極、雙極板和密封圈、防護(hù)片、端板等組成。其中膜電極由質(zhì)子交換膜、陰陽(yáng)極催化劑層和陰陽(yáng)極多孔傳輸層構(gòu)成。電解槽有單極、雙極兩種形式，雙極結(jié)構(gòu)使用串聯(lián)形式，一個(gè)電解池的陽(yáng)極背面與另一個(gè)電解池的陰極背面通過(guò)雙極板連接；單極結(jié)構(gòu)使用并聯(lián)形式，形成槽式布置。PEM電解槽使用雙極設(shè)計(jì)，可以在跨膜的高壓差下操作。其工作原理是水在陽(yáng)極被分解成氧氣、質(zhì)子和電子，質(zhì)子通過(guò)質(zhì)子交換膜進(jìn)入陰極。電子從陽(yáng)極經(jīng)過(guò)外電路到陰極，在陰極側(cè)兩個(gè)質(zhì)子和電子重新結(jié)合生成氫氣。膜電極結(jié)構(gòu)組示意圖制氫技術(shù)03電解水制氫（1）質(zhì)子交換膜質(zhì)子交換膜是PEM電解槽的核心零部件之一，主要作用是充當(dāng)質(zhì)子交換的通道及防止陰陽(yáng)極產(chǎn)生的H2和O2互相接觸，并為催化劑涂層提供支撐。因此，質(zhì)子交換膜需要具備極高的質(zhì)子傳導(dǎo)率和氣密性，極低的電子傳導(dǎo)率。（2）電極催化劑陰、陽(yáng)極催化劑是電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，尤其是陽(yáng)極處于強(qiáng)酸環(huán)境，過(guò)電位很高，因此催化劑需要具備良好的耐腐蝕性、催化活性、電子傳導(dǎo)率和孔隙率等特點(diǎn)，才能確保PEM電解槽可以有穩(wěn)定運(yùn)行。目前陰極HER反應(yīng)的催化劑主要采用鉑碳催化劑。陽(yáng)極OER反應(yīng)過(guò)電位遠(yuǎn)高于HER反應(yīng)，因而對(duì)陽(yáng)極催化劑的研究可以有效提高電解水制氫效率。陽(yáng)極催化劑主要有Ir、Ru貴金屬/氧化物及以它們摻雜改性的多元氧化物和多孔納米新型結(jié)構(gòu)等材料。制氫技術(shù)03電解水制氫（3）多孔傳輸層多孔傳輸層又稱氣體擴(kuò)散層或集流器，是夾在陰陽(yáng)極和雙極板之間的多孔層。主要作用是連接雙極板和催化劑層，確保氣體和水在雙極板和催化劑層之間的傳輸，并提供電子傳輸通道。因此，氣體傳輸層必須具有適當(dāng)?shù)目紫堵屎涂讖?、良好的?dǎo)電性和穩(wěn)定性才能滿足相應(yīng)的功能。（4）雙極板雙極板屬于外部組件，不但是整個(gè)電池的機(jī)械支撐，也是匯流氣體及傳導(dǎo)電子的重要通道。雙極板主要作用是將多片膜電極串聯(lián)起來(lái)，在反應(yīng)池內(nèi)與集流體配合使用，將電子傳輸?shù)酵怆娐?，并將反?yīng)產(chǎn)生的氣體和未電解的水及時(shí)排出電解池外。因此，雙極板需要具備較高的機(jī)械穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、低氫滲透性和高導(dǎo)電性，目前雙極板主要分為石墨雙極板、金屬雙極板及復(fù)合材料雙極板。相較于ALK電解水技術(shù)，PEM電解水制氫優(yōu)勢(shì)主要在于：①使用純水電解，避免了潛在的環(huán)境污染，對(duì)環(huán)境友好；②質(zhì)子交換膜電阻及氣體滲透率低，使其電流密度、工作效率及氣體純度高；③動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，適應(yīng)可再生能源發(fā)電的波動(dòng)性。制氫技術(shù)03電解水制氫3.固體氧化物電解水技術(shù)固體氧化物電解池中間是致密的電解質(zhì)層，兩端為多孔陰電極層和陽(yáng)電極層。在電解池外部施加一定電壓時(shí)，氫電極處的水分解為H2和O2-，O2-穿過(guò)電解質(zhì)層到達(dá)氧電極后，在催化劑作用下失去電子生成O2。電解質(zhì)的作用是隔開(kāi)氫氣和氧氣，并傳導(dǎo)氧離子或質(zhì)子，因此電解質(zhì)材料需要具備高離子電導(dǎo)率和低電子電導(dǎo)性能。陰極是原料水分解的場(chǎng)所，并提供電子傳導(dǎo)通道。因此陰極材料需要具備良好的電子導(dǎo)電率、氧離子導(dǎo)電率和催化活性，并在還原性氣氛中有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。陽(yáng)極是產(chǎn)生氧氣的場(chǎng)所，陽(yáng)極材料必須要在高溫氧化的環(huán)境下保持穩(wěn)定。為了確保氧氣的順利生成，陽(yáng)極材料必須具備優(yōu)良的電子導(dǎo)電率、氧離子導(dǎo)電率和催化活性。因此陽(yáng)極材料一般采用多孔結(jié)構(gòu)，便于氧氣的流通，為了保持高溫下的機(jī)械穩(wěn)定，陽(yáng)極材料的熱膨脹系數(shù)也必須和電解質(zhì)相匹配。制氫技術(shù)03電解水制氫3.固體氧化物電解水技術(shù)與ALK和PEM技術(shù)相比，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制氫效率高，同時(shí)SOEC可以在較高的溫度（500~850°C）下工作，利用熱能可以顯著降低水分解所需的電能，降低制氫成本。因此SOEC可與核能結(jié)合，利用核能余熱蒸汽進(jìn)行電解制氫，提高核電利用率；也可以布置于合成氨工廠，利用余熱與清潔電力制氫，替代傳統(tǒng)的化石燃料重整制氫，降低碳排放；或者布置在鋼鐵廠就地制氫，替代焦炭進(jìn)行氫冶金。但目前固體氧化物電解水制氫需要采用貴金屬作為催化劑，成本較高，啟動(dòng)速度慢，其次存在電堆衰減、系統(tǒng)構(gòu)建與系統(tǒng)安全等問(wèn)題需要解決，該技術(shù)處于研發(fā)示范階段，尚未商業(yè)化。固體氧化物電解池原理匯報(bào)人：XXX懇請(qǐng)批評(píng)指正！第5章

生物質(zhì)能CONTENTS目錄生物質(zhì)能的基本概況PART

01生物質(zhì)資源PART

02生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)PART

03生物質(zhì)能源的應(yīng)用PART

04PART

05PART

06生物質(zhì)能與低碳經(jīng)濟(jì)生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)與政策生物質(zhì)能的基本概況Part.01生物質(zhì)能的基本概況01生物質(zhì)能作為人類一直賴以生存的重要能源，它是居于世界能源消費(fèi)總量第四位的能源，僅次于煤炭、石油和天然氣，在整個(gè)能源系統(tǒng)中具有重要地位。生物質(zhì)能：利用自然界的植物、糞便及城鄉(xiāng)有機(jī)廢物轉(zhuǎn)化成的能源。固體、液體、氣體多種形態(tài)對(duì)能源作出貢獻(xiàn)的非化石能源；唯一可實(shí)現(xiàn)發(fā)電、非電利用多種形式的能源，是同時(shí)可以提供穩(wěn)定、連續(xù)供應(yīng)的能源，在一定程度上彌補(bǔ)太陽(yáng)能、風(fēng)能供能不穩(wěn)定的波動(dòng)。生物質(zhì)能的基本概況——生物質(zhì)能的特點(diǎn)及分類011.生物質(zhì)能的特點(diǎn)五大特性：可再生性、低污染性、廣泛分布性、總量豐富和廣泛應(yīng)用性。2.生物質(zhì)能的分類依據(jù)來(lái)源的不同，可以將能夠利用的生物質(zhì)能源分為農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源、林業(yè)生物質(zhì)資源、畜禽糞便、生活污水和工業(yè)有機(jī)廢水、城市固體廢物和沼氣六大類。生物質(zhì)能的基本概況01生物質(zhì)能的基本概況——生物質(zhì)能的特點(diǎn)及分類2.生物質(zhì)能的分類（1）農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源包括是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的廢棄物、農(nóng)業(yè)加工業(yè)的廢棄物和能源植物。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的廢棄物：如農(nóng)作物在收獲時(shí)殘留在農(nóng)田內(nèi)的農(nóng)作物秸稈（玉米秸稈、高粱秸稈、麥秸、稻秸、豆秸和棉秸等）；

農(nóng)業(yè)加工業(yè)的廢棄物：如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中剩余的稻殼等；能源植物：泛指用以提供能源的植物，通常包括草本能源作物、油料作物、制取碳?xì)浠衔镏参锖退参锏取?1生物質(zhì)能的基本概況——生物質(zhì)能的特點(diǎn)及分類2.生物質(zhì)能的分類（2）林業(yè)生物質(zhì)資源林業(yè)生物質(zhì)資源是指森林生長(zhǎng)和林業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中提供的生物質(zhì)資源，包括薪炭林、在森林撫育和間伐作業(yè)中的零散木材、殘留的樹(shù)枝和樹(shù)葉等；木材采運(yùn)和加工過(guò)程中的枝丫、梢頭、木屑、板皮和截頭等；林業(yè)副產(chǎn)品的廢棄物，如果殼和果核等。（3）畜禽糞便畜禽糞便是畜禽排泄物的總稱，是畜禽排出的糞便、尿及其墊草的混合物，是其它形態(tài)生物質(zhì)（如糧食、作物秸稈和牧草等）的轉(zhuǎn)化形式。在我國(guó)畜禽主要包括豬、牛和雞等，其資源和畜牧業(yè)生產(chǎn)有關(guān)。可根據(jù)這些畜禽的品種、體重、糞便排泄量等因素，估算出畜禽糞便的資源實(shí)物量。01生物質(zhì)能的基本概況——生物質(zhì)能的特點(diǎn)及分類2.生物質(zhì)能的分類（4）生活污水和工業(yè)有機(jī)廢水生活污水主要包括農(nóng)村和城鎮(zhèn)居民生活、商業(yè)和服務(wù)業(yè)的各種排水（如冷卻水、洗浴排水、洗衣排水、廚房排水、糞便污水等）。工業(yè)有機(jī)廢水主要是乙醇、釀酒、制糖、食品、制藥、造紙及屠宰等行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中排出的廢水等，其中含有機(jī)物。（5）城市固體有機(jī)廢棄物城市固體有機(jī)廢棄物主要包括城鎮(zhèn)居民生活垃圾、商業(yè)、服務(wù)業(yè)垃圾等。其組成成分比較復(fù)雜。（6）沼氣

沼氣是有機(jī)物質(zhì)（如人畜糞便、秸稈、污水等）在厭氧條件下，經(jīng)過(guò)微生物的發(fā)酵作用而生成的一種混合氣體，主要成分是甲烷（CH4）。通常可以供農(nóng)家用來(lái)燒飯、照明。生物質(zhì)資源Part.0202生物質(zhì)資源——生物質(zhì)的組成1.纖維素2.半纖維素半纖維素是由幾種不同類型單糖組成的異質(zhì)多聚體，是木糖、甘露糖、葡萄糖等構(gòu)成的一類多糖化合物。主要來(lái)源：植物的木質(zhì)化部分，如秸稈、種皮、堅(jiān)果殼及玉米穗等。用途：生物質(zhì)燃料，如生物煤、生物氣等；半纖維素酸、半纖維素醇等高附加值化學(xué)品纖維素是一種由葡萄糖分子組成的多糖，是植物細(xì)胞壁的主要成分。主要來(lái)源：天然有機(jī)物，麻、麥稈、稻草、甘蔗渣等。用途：燃料酒精、糠醛、乙酞丙酸等液體燃料和化學(xué)品；生產(chǎn)紙張、纖維板、纖維素酸等產(chǎn)品02生物質(zhì)資源——生物質(zhì)的組成

3.木質(zhì)素木質(zhì)素是植物細(xì)胞壁次生代謝產(chǎn)物之一，也是一種復(fù)雜的天然高分子化合物。主要來(lái)源：維管束植物（如裸子植物、被子植物）中，是裸子植物和被子植物所特有的化學(xué)成分。4.淀粉淀粉是由D-葡萄糖分子聚合而成的化合物，以顆粒狀態(tài)存在細(xì)胞中。主要來(lái)源：植物的種子和塊莖5.蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)是由多種氨基酸組成，分子量很大，氨基酸主要由碳、氫、氧3種元素組成，另外還有氮和硫。02生物質(zhì)資源——生物質(zhì)的組成

6.脂類脂類是指不溶于水而溶于非極性溶劑的有機(jī)化合物，是細(xì)胞中單位體積含能量最高的物質(zhì)。主要來(lái)源：植物種子會(huì)儲(chǔ)存脂肪于子葉或胚乳中以供自身使用。用途：植物油7.灰分灰分主要是磷、鉀、硅、鋁、鈣、鐵等元素的氧化物，在纖維素類生物質(zhì)中，稻草與稻殼灰分含量相對(duì)較多（超過(guò)10%），而其他纖維素生物質(zhì)灰分含量基本上小于3%。02生物質(zhì)資源——生物質(zhì)資源的分布

生物質(zhì)產(chǎn)量與氣候、溫度、降水量、土壤、海陸位置等多種原因密切相關(guān)。我國(guó)秸稈資源主要分布在東北、河南、四川等產(chǎn)糧大省，資源總量前五分別是黑龍江、河南、吉林、四川、湖南，占全國(guó)總量的59.9%。畜禽糞便資源集中在重點(diǎn)養(yǎng)殖區(qū)域，資源總量前五分別是山東、河南、四川、河北、江蘇，占全國(guó)總量的37.7%。林業(yè)剩余物資源集中在我國(guó)南方山區(qū)，資源總量前五分別是廣西、云南、福建、廣東、湖南，占全國(guó)總量的39.9%。生活垃圾資源集中在東部人口稠密地區(qū)，資源總量前五分別是廣東、山東、江蘇、浙江、河南，占全國(guó)總量的36.5%。污水污泥資源集中在城市化程度較高區(qū)域，資源總量前五分別是北京、廣東、浙江、江蘇、山東，占全國(guó)總量的44.3%。生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)Part.0303生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)通常是指把生物質(zhì)能通過(guò)一定方法和手段轉(zhuǎn)變成使用起來(lái)更為方便和干凈的燃料物質(zhì)或能源產(chǎn)品的技術(shù)統(tǒng)稱。生物質(zhì)能主要轉(zhuǎn)化利用技術(shù)03生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)1.物理法利用生物質(zhì)材料的力傳導(dǎo)性極差，通過(guò)縮短力傳導(dǎo)距離和對(duì)其加剪切力，使被木質(zhì)素包裹的纖維素分子團(tuán)錯(cuò)位、變形、延展，同時(shí)借助于木質(zhì)素的黏結(jié)性，在較小壓力和較低溫度下，使其相鄰相嵌重新組合成型。生物質(zhì)成型燃料工藝：加黏結(jié)劑成型和不加黏結(jié)劑成型。根據(jù)生物質(zhì)熱處理方式：常溫壓縮成型、熱壓成型和炭化成型三種。提高生物質(zhì)能量、密度；減小了它的體積，便于運(yùn)輸和存儲(chǔ)；提升生物質(zhì)直接燃燒效能。03生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)2.熱化學(xué)法生物質(zhì)的直接燃燒是其最原始、最實(shí)用的利用方式。傳統(tǒng)的燃燒利用方式技術(shù)相對(duì)落后，熱能

轉(zhuǎn)換效率較低?，F(xiàn)代的生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)：生物質(zhì)直接燃燒流化床技術(shù)和生物質(zhì)直接燃燒層燃技術(shù)；主要用于發(fā)電或集中供熱。熱解技術(shù)是指通過(guò)熱解的方法將生物質(zhì)可轉(zhuǎn)化為生物油、生物質(zhì)炭和可燃?xì)獾募夹g(shù)。根據(jù)反應(yīng)溫度和加熱速率的不同，生物質(zhì)熱解工藝可分成慢速、常規(guī)、快速熱解等工藝。（1）直接燃燒技術(shù)（2）熱解技術(shù)03生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)2.熱化學(xué)法氣化技術(shù)是在高溫的條件下，以氧氣、水蒸氣或氫氣等作為氣化劑，通過(guò)熱化學(xué)反應(yīng)將生物質(zhì)中可燃部分轉(zhuǎn)化為可燃?xì)猓ㄖ饕獮镃O、H2和CH4等）的技術(shù)。生物質(zhì)液化技術(shù)是通過(guò)一系列化學(xué)加工過(guò)程把固態(tài)的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成液體燃料的清潔利用技術(shù)。根據(jù)化學(xué)加工過(guò)程不同，液化可分為直接液化和間接液化。（3）氣化技術(shù)（4）液化技術(shù)高品質(zhì)的氣態(tài)燃料鍋爐燃料或發(fā)電甲醇、二甲醚等液體燃料或化工產(chǎn)品。03生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)3.生物化學(xué)法生物質(zhì)可以通過(guò)生物轉(zhuǎn)化的方法制備乙醇。比如利用淀粉類或糖類生物質(zhì)通過(guò)發(fā)酵的方式制備燃料乙醇。沼氣是在厭氧條件下，人畜糞便、工業(yè)有機(jī)廢液和農(nóng)作物秸稈等生物質(zhì)經(jīng)過(guò)微生物的發(fā)酵生成的一種混合氣體。沼氣一般含甲烷50%～70%，其余為二氧化碳和少量的氮?dú)?，氫氣和硫化氫等。?）生物乙醇技術(shù)（2）沼氣技術(shù)4.化學(xué)法生物柴油制備主要以化學(xué)法為主，在酸性、堿性或生物酶等催化劑作用下，植物油（或動(dòng)物油）與甲醇或乙醇進(jìn)行交換反應(yīng)，生成相應(yīng)的脂肪酸甲酯或乙酯燃料油。生物質(zhì)能源的應(yīng)用Part.0404生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物天然氣1.生物質(zhì)燃?xì)獾闹苽浞椒ㄉ镔|(zhì)燃?xì)馐侵敢陨镔|(zhì)為原料通過(guò)微生物或熱化學(xué)途徑轉(zhuǎn)化而來(lái)的燃?xì)?，包括沼氣和生物質(zhì)氣化氣。生物質(zhì)燃?xì)獾纳a(chǎn)方法：熱化學(xué)和生物轉(zhuǎn)化。生物質(zhì)在高溫缺氧條件下，發(fā)生不完全燃燒和熱解，從而產(chǎn)生可燃?xì)怏w，主要成分是CO、H2、N2等，主要副產(chǎn)物為焦油。去除焦油是熱化學(xué)法制備生物質(zhì)燃?xì)鈨艋闹饕繕?biāo)。去除焦油的方法有三種：濕法、干法及裂解法。主要原料：農(nóng)作物和農(nóng)業(yè)有機(jī)殘余物、林木和森林工業(yè)殘余。（1）熱化學(xué)法04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物天然氣1.生物質(zhì)燃?xì)獾闹苽浞椒ㄕ託獍l(fā)酵的三個(gè)階段：水解階段、酸化階段和產(chǎn)甲烷階段。原始沼氣中二氧化碳含量占比20%以上，且還混有硫化氫、水分、鹵化物等雜質(zhì)成分。去除二氧化碳的方法：水洗、聚乙二醇洗滌、變壓吸附和膜分離。脫硫的方法：生物脫硫、濕法脫硫和干法脫硫。脫水：冷凝和吸附干燥的方法。（2）生物法制備生物質(zhì)燃?xì)?4生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物柴油優(yōu)勢(shì)：良好的生物降解性，其降解速度比石化柴油快四倍。在淡水環(huán)境中，經(jīng)過(guò)28天，生物柴油就能降解77%～89%，而石化柴油只能降解18%。具有更好的潤(rùn)滑性能減輕環(huán)境壓力、控制城市大氣污染生物柴油是指植物油（如菜籽油、大豆油、花生油、玉米油、棉籽油等）、動(dòng)物油（如魚(yú)油、豬油、牛油、羊油等）、廢棄油脂或微生物油脂與甲醇或乙醇經(jīng)酯轉(zhuǎn)化而形成的脂肪酸甲酯或脂肪酸乙酯。04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物柴油在不改變?cè)辖Y(jié)構(gòu)的情況下，將植物油、柴油、降凝劑和添加劑按一定比例直接混合，從而以此降低植物油黏度，得到生物柴油。物理法包括直接混合法和微乳液法；化學(xué)法包括高溫?zé)崃呀夥ê王ソ粨Q法。1.生物柴油的制備方法（1）直接混合法缺點(diǎn)：易被氧化發(fā)生聚合不能充分燃燒而易形成積炭油脂黏度、閃點(diǎn)和酸值偏高熱值低，低溫啟動(dòng)性差04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物柴油利用低黏度乳化劑，將植物油稀釋，降低其黏度，并改善其霧化性，從而滿足其作為燃料使用的要求。1.生物柴油的制備方法（2）微乳液法缺點(diǎn)：受到環(huán)境限制，易乳化（3）高溫?zé)崃呀夥ㄔ诟邷睾痛呋瘎┑墓餐饔孟?，?dòng)植物油脂在空氣或氮?dú)庵锌焖倭呀?，得到的產(chǎn)品與普通柴油性質(zhì)相近。缺點(diǎn)：高溫裂化的工藝流程比較復(fù)雜殘?zhí)?、灰分等相?duì)較高04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物柴油酯交換法是用各種動(dòng)植物油脂與甲醇等低碳醇類物質(zhì)在催化劑作用下反應(yīng)而生成。1.生物柴油的制備方法（4）酯交換法酯交換法包括：酸或堿催化法、生物酶法、工程微藻法和超臨界法。①酸或堿催化法油脂在酸或堿的催化條件下與低碳醇進(jìn)行酯化和酯交換反應(yīng)，反應(yīng)后除去下層粗甘油，上層經(jīng)洗滌、干燥即得生物柴油。②生物酶法以酶為催化劑，使動(dòng)、植物油脂與低碳醇發(fā)生酯交換反應(yīng)。04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物柴油1.生物柴油的制備方法（4）酯交換法③工程微藻法先通過(guò)基因工程技術(shù)構(gòu)建微藻生產(chǎn)油脂，再進(jìn)行酯交換反應(yīng)。④超臨界法超臨界酯交換工藝甲醇在超臨界狀態(tài)下，無(wú)需催化劑進(jìn)行酯交換反應(yīng)制備生物柴油的一種方法。生產(chǎn)能力高，不含硫，燃燒產(chǎn)生的氣體可被微生物降解。對(duì)原料要求不高，無(wú)需催化劑，收率高，后處理簡(jiǎn)單04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物柴油2.生物柴油的發(fā)展趨勢(shì)04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物柴油2.生物柴油的發(fā)展趨勢(shì)1、利好政策陸續(xù)出臺(tái)，生物柴油未來(lái)發(fā)展提速2、產(chǎn)能利用率不斷提升，市場(chǎng)供應(yīng)得到保障04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物燃料乙醇1.生物燃料乙醇的制備方法第一代：以玉米、小麥等糧食作物為生產(chǎn)原料；第二代：以非糧作物為生產(chǎn)原料；第三代：以木質(zhì)纖維素作為原料來(lái)進(jìn)行乙醇生產(chǎn)。第三代生物乙醇技術(shù)的開(kāi)發(fā)是當(dāng)前生物能源開(kāi)發(fā)的攻關(guān)重點(diǎn)。依據(jù)生產(chǎn)原料的不同，燃料乙醇生產(chǎn)技術(shù)主要分為三代:04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物燃料乙醇1.生物燃料乙醇的制備方法第一階段是木質(zhì)纖維素的預(yù)處理。第二階段是乙醇生成的階段。第三階段是通過(guò)將乙醇蒸餾回收、脫水處理后，得到無(wú)水燃料乙醇。利用木質(zhì)纖維素制備燃料乙醇主要分為三個(gè)環(huán)節(jié)：04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物燃料乙醇1.生物燃料乙醇的制備方法機(jī)械粉碎、微波處理、高能輻射和高溫分解等方法。（1）木質(zhì)纖維素預(yù)處理方法①物理法②

化學(xué)法將木質(zhì)纖維素浸泡于以酸或堿或有機(jī)溶劑作為的預(yù)處理劑中，質(zhì)纖維素最終降解為能被微生物利用的底物。04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物燃料乙醇1.生物燃料乙醇的制備方法（1）木質(zhì)纖維素預(yù)處理方法④生物法③物理化學(xué)法蒸氣爆破法氨纖維爆破法微生物降解法生物酶法04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物燃料乙醇1.生物燃料乙醇的制備方法（2）生物燃料乙醇的發(fā)酵①直接發(fā)酵工藝：步驟簡(jiǎn)單，成本低廉；缺點(diǎn)是乙醇產(chǎn)率低，產(chǎn)生有機(jī)酸等副產(chǎn)物。②分步水解發(fā)酵工藝：流程簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化③同步糖化發(fā)酵工藝：酶與菌株之間存在溫度耐受性差異。④固定化微生物水解發(fā)酵法：海藻酸鈣、卡拉膠、多孔玻璃等。04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物燃料乙醇1.生物燃料乙醇的制備方法（3）生物乙醇的脫水①恒沸精餾法：苯、環(huán)己烷、戊烷②萃取精餾法：乙二醇③膜分離：有機(jī)膜、無(wú)機(jī)膜和有機(jī)加無(wú)機(jī)復(fù)合膜④分子吸附：石灰、活性炭、離子交換樹(shù)脂、分子篩、硅膠等膜分離法04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物燃料乙醇2.生物燃料乙醇的發(fā)展趨勢(shì)提高乙醇的保質(zhì)期加快推進(jìn)纖維素等非糧生物燃料乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物質(zhì)固體成型1.生物質(zhì)固體成型的制備方法（1）常溫濕壓成型常溫濕壓成型工藝流程設(shè)備比較簡(jiǎn)單，容易操作，但是成型部件磨損較快，烘干費(fèi)用高，多數(shù)產(chǎn)品燃燒性能較差。04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物質(zhì)固體成型1.生物質(zhì)固體成型的制備方法（2）熱壓成型在較高的溫度下發(fā)揮黏結(jié)劑的作用的同時(shí)，使生物質(zhì)中木質(zhì)素軟化，借助壓力作用將粉碎的生物質(zhì)擠壓成型。（3）常溫成型（4）炭化成型在常溫條件下，加入一定黏結(jié)劑，將生物質(zhì)燃料顆粒高壓擠壓成型的過(guò)程即為常溫成型。炭化成型是指將生物質(zhì)原料進(jìn)行炭化或者是部分炭化，再加入一定量的黏結(jié)劑擠壓成一定形狀和尺寸的木炭棒。04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物質(zhì)固體成型2.生物質(zhì)固體成型的發(fā)展趨勢(shì)從成型機(jī)理出發(fā)，通過(guò)技術(shù)研發(fā)提高設(shè)備的生產(chǎn)效率、使用壽命和降低生產(chǎn)能耗，形成規(guī)模適度的成型燃料生產(chǎn)線，從而建設(shè)生物質(zhì)固體成型燃料產(chǎn)業(yè)基地，以推動(dòng)生物質(zhì)成型燃料生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。協(xié)同發(fā)展生物質(zhì)直燃利用、集中式燃?xì)庵苽涞瘸尚腿剂辖K端利用技術(shù)，構(gòu)建生物質(zhì)能開(kāi)發(fā)產(chǎn)業(yè)鏈，使生物質(zhì)成型燃料進(jìn)入商業(yè)化燃料市場(chǎng)。04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物質(zhì)氫能源1.生物質(zhì)氫能源的制備方法生物質(zhì)原料通過(guò)熱化學(xué)技術(shù)制取氫氣熱裂解制氫、催化重整制氫、氣化制氫、超臨界水氣化制氫、高溫等離子體制氫等技術(shù)。利用微生物途徑轉(zhuǎn)化制氫光解水制氫、光發(fā)酵制氫、暗發(fā)酵制氫與光暗耦合發(fā)酵制氫。04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物質(zhì)氫能源1.生物質(zhì)氫能源的制備方法（1）生物質(zhì)熱化學(xué)制氫方法生物質(zhì)熱化學(xué)制氫技術(shù)主要包括熱裂解制氫、催化重整制氫、氣化制氫、超臨界水氣化制氫、高溫等離子體制氫等技術(shù)。①生物質(zhì)熱裂解制氫技術(shù)②生物質(zhì)催化重整反應(yīng)制氫通過(guò)控制裂解溫度、物料停留時(shí)間及熱解氣氛來(lái)達(dá)到制氫目的。生物質(zhì)經(jīng)過(guò)高溫裂解后生成的小分子組分與水蒸氣在催化劑存在下發(fā)生水煤氣變換反應(yīng)生成富氫氣體的過(guò)程。04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物質(zhì)氫能源1.生物質(zhì)氫能源的制備方法（1）生物質(zhì)熱化學(xué)制氫方法③生物質(zhì)氣化制氫④超臨界水氣化制氫生物質(zhì)在高溫下與氣化介質(zhì)發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng)后，獲得富氫氣體。在超臨界條件下，將生物質(zhì)與一定比例的水混合后反應(yīng)，產(chǎn)生含氫量高的氣體和殘?zhí)?，然后進(jìn)行氣體的分離得到氫。⑤高溫等離子體制氫利用高溫等離子將生物質(zhì)熱解制備氫氣的過(guò)程。04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物質(zhì)氫能源1.生物質(zhì)氫能源的制備方法（2）微生物法制氫技術(shù)①光解水制氫在常溫常壓下，微生物的代謝活動(dòng)來(lái)生產(chǎn)氫氣的方法。在藻類或植物細(xì)胞中，微生物通過(guò)光合作用將水分子分解為氫離子和氧氣，產(chǎn)生的氫離子通過(guò)氫化酶轉(zhuǎn)化為氫氣。②光發(fā)酵制氫厭氧光合細(xì)菌通過(guò)小分子有機(jī)物得到還原反應(yīng)，把H+還原為H2。常用的光解水物質(zhì)有：光合細(xì)菌和藍(lán)綠藻。沒(méi)有氧氣產(chǎn)生，轉(zhuǎn)化率很高04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物質(zhì)氫能源1.生物質(zhì)氫能源的制備方法（2）微生物法制氫技術(shù)③暗發(fā)酵制氫把異養(yǎng)型的厭氧菌和固氮菌分解成小分子制氫。④暗耦合發(fā)酵制氫把厭氧光發(fā)酵制氫細(xì)菌與暗發(fā)酵制氫細(xì)菌相結(jié)合，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，從而提高制氫的效率。耦合方式有兩種：一種將暗發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)酸用于光發(fā)酵過(guò)程；二將暗發(fā)酵與光發(fā)酵過(guò)程在包含兩種類型微生物群落的單個(gè)反應(yīng)器中完成。04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物質(zhì)氫能源2.生物質(zhì)氫能源的發(fā)展趨勢(shì)金屬催化劑，提高金屬催化劑的活性，如克服催化劑失活、腐蝕等問(wèn)題。對(duì)于影響發(fā)酵過(guò)程的酸堿度、溫度等各個(gè)因素進(jìn)行機(jī)理研究，從而確定各因素在發(fā)酵過(guò)程中的最佳取值。研發(fā)培養(yǎng)新型混合菌株，利用混合菌株產(chǎn)氫效率高的優(yōu)勢(shì)提高生物制氫技術(shù)產(chǎn)量。優(yōu)化反應(yīng)過(guò)程各環(huán)節(jié)涉及的操作。04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物航空燃料生物航空燃料以動(dòng)植物油脂或農(nóng)林廢棄物等生物質(zhì)為原料，采用加氫法或費(fèi)托合成技術(shù)生產(chǎn)的航空燃料。生物航空燃料經(jīng)歷了三代的發(fā)展：第一代：以可食用的作物和動(dòng)物脂肪為原料第二代：以非食用木本油料作物和木質(zhì)纖維生物質(zhì)為原料第三代：以生物基航空燃料主要以藻類為原料04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物航空燃料1.生物航空燃料的制備方法將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為中間產(chǎn)物（生物質(zhì)油或合成氣），再對(duì)中間產(chǎn)物進(jìn)行改性后制備出生物航空燃料。（1）加氫脫氧法將植物油脂或動(dòng)物油脂通過(guò)深度加氫生成加氫脫氧油。加氫脫氧法工藝流程04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物航空燃料1.生物航空燃料的制備方法（2）氣化-費(fèi)托合成法在高溫、高壓下，生物質(zhì)通過(guò)熱化學(xué)工藝轉(zhuǎn)化為合成氣，合成氣通過(guò)費(fèi)托合成工藝生成各種烴類和含氧有機(jī)化合物，所得產(chǎn)品通過(guò)進(jìn)一步加氫脫氧處理即可制成生物航空燃料。氣化-費(fèi)托合成法工藝流程04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——生物航空燃料2.生物質(zhì)氫能源的發(fā)展趨勢(shì)降成本保證原料的穩(wěn)定供應(yīng)04生物質(zhì)能源的應(yīng)用——能源微藻能源微藻只有在顯微鏡下才能分辨其形態(tài)的微小藻類群被人們稱為微藻。具有很高的藥用價(jià)值，可抗癌、抗衰老、抗