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内容简介

　　生物质能本质上是绿色植物通过光合作用转换和储存下来的太阳能，也是一种具有碳源的可再生能源。生物质热解技术由于具有工艺过程短、原料适应性强、反应迅速、转化率高、易于工业化等诸多优点而备受人们的广泛关注。为进一步推动该项技术的研究与应用，编者基于多年的研究积累撰写成《生物质热解原理与技术》。《生物质热解原理与技术》内容共分7章，分别讲述了我国的能源形势和生物质能特点，生物质的组成、结构和性质，生物质的热解原理，生物质的热解炭化、热解气化和热解液化，以及生物油的性质与应用等，《生物质热解原理与技术》较好地构成了一套完整的生物质热解技术体系。

内页插图

目录

目录
《21世纪新能源丛书》序
前言
第1章 概述 1
1.1 能源的基本概念 1
1.2 绿色植物光合作用 3
1.3 生物质资源与分类 6
1.4 生物质的物理性质 10
1.4.1 生物质的含水率 10
1.4.2 生物质的密度 10
1.4.3 堆积角、内摩擦角和滑落角 11
1.4.4 生物质炭的机械强度 12
1.4.5 生物质的比表面积 13
1.4.6 生物质的孔隙率 13
1.4.7 生物质的比热容 13
1.4.8 生物质的导热系数 13
1.5 生物质的燃料特性 14
1.5.1 生物质的燃烧 14
1.5.2 生物质的发热量 15
1.5.3 生物质燃料的化学当量比 17
1.6 生物质能源转换技术 18
参考文献 22
附录1-1 我国农作物秸秆资源及其分布 22
附录1-2 固体生物质燃料全水分测定方法 27
第2章 生物质的组成与结构 30
2.1 生物质的组成和结构 30
2.2 生物质的元素分析 36
2.3 生物质的工业分析 41
参考文献 47
附录2-1 纤维素聚合度的测定方法及常见生物质原料的组成成分 48
附录2-2 常见生物质原料的分析结果 56
第3章 生物质的热解原理 80
3.1 纤维素热解机理 80
3.1.1 纤维素热解机理概述 80
3.1.2 纤维素热解液体产物组成 81
3.1.3 LG的形成 81
3.1.4 其他脱水糖衍生物的形成 90
3.1.5 呋喃类产物的形成 93
3.1.6 小分子醛酮类产物的形成 94
3.1.7 纤维素快速热解的整体反应途径 97
3.2 半纤维素热解机理 100
3.2.1 半纤维素热解机理概述 100
3.2.2 半纤维素热解液体产物组成 100
3.2.3 脱水糖衍生物以及呋喃类产物的形成 100
3.2.4 小分子物质的形成 104
3.2.5 木聚糖快速热解的整体反应途径 104
3.3 木质素热解机理 107
3.3.1 木质素热解机理概述 107
3.3.2 木质素模型化合物及其热解机理 107
3.4 生物质热解的主要影响因素 118
3.4.1 加热速率的影响 118
3.4.2 热解温度的影响 118
3.4.3 热解时间的影响 122
3.4.4 原料种类的影响 122
3.4.5 原料性质的影响 123
3.4.6 其他因素的影响 124
参考文献 125
第4章 生物质的热解炭化 130
4.1 概述 130
4.2 生物质热解炭化原理 130
4.3 生物质热解炭化装置 132
4.3.1 传统生物质热解炭化装置 133
4.3.2 新型生物质热解炭化装置 140
4.4 生物质炭的性质与应用 146
4.4.1 生物质炭的组成 146
4.4.2 生物质炭的性质 147
4.4.3 生物质炭的应用 149
4.5 醋液与焦油的性质与应用 152
4.5.1 醋液的组成与性质 152
4.5.2 醋液的应用 156
4.5.3 焦油的组成与性质 157
4.5.4 焦油的应用 159
参考文献 160
第5章 生物质的热解气化 165
5.1 概述 165
5.2 生物质气化技术分类 167
5.2.1 按气化压力进行分类 167
5.2.2 按气化温度进行分类 168
5.2.3 按气化剂进行分类 168
5.2.4 按加热方式进行分类 169
5.2.5 按气化炉结构进行分类 170
5.3 生物质热解气化原理 174
5.3.1 气化基本原理 174
5.3.2 气化反应动力学 176
5.3.3 气化反应平衡分析 179
5.3.4 气化主要影响因素 181
5.3.5 气化主要评价参数 184
5.4 典型气化炉及其设计举例 186
5.4.1 生物质气化装置的构成 186
5.4.2 下吸式固定床气化炉 187
5.4.3 上吸式固定床气化炉 188
5.4.4 气化炉设计计算举例 189
5.5 生物质气化气体的净化 191
5.5.1 燃气中焦油的特点及其危害 191
5.5.2 传统的焦油去除方法 192
5.5.3 催化裂解去除焦油方法 193
5.6 生物质气化技术的应用 196
5.6.1 生物质气化供热 196
5.6.2 生物质气化集中供气 197
5.6.3 生物质气化发电 198
5.6.4 生物质气化制氢 199
5.6.5 生物质气化合成液体燃料 200
参考文献 207
附录5-1 生物质气化集中供气站建设标准 207
第6章 生物质的热解液化 215
6.1 概述 215
6.2 生物质原料预处理 216
6.2.1 破碎预处理 216
6.2.2 干燥预处理 219
6.3 生物质进料系统 225
6.3.1 螺旋进料系统概述 225
6.3.2 螺旋进料系统的动力学分析 227
6.3.3 螺旋进料器的设计 229
6.4 热解液化反应器 231
6.4.1 流化床式热解反应器 231
6.4.2 非流化床式热解反应器 235
6.4.3 典型热解反应器的设计计算 237
6.5 热解产物气固分离 242
6.5.1 概述 242
6.5.2 旋风分离器 243
6.5.3 过滤式除尘器 246
6.5.4 气固分离装置的发展趋势 248
6.6 热解气冷凝与生物油收集 249
6.6.1 热解气的组成 249
6.6.2 热解气的冷却与冷凝 249
6.6.3 喷雾降膜冷凝的机理 251
参考文献 257
第7章 生物油的性质与应用 259
7.1 概述 259
7.2 生物油的化学组成及其分离与分析 259
7.2.1 生物油的化学组成 259
7.2.2 生物油的分离与分析 266
7.3 生物油的理化性质 272
7.3.1 生物油的微观多相性 272
7.3.2 生物油的水分 274
7.3.3 生物油的相溶性 275
7.3.4 生物油的热值 276
7.3.5 生物油的黏度和流变特性 276
7.3.6 生物油的闪点 277
7.3.7 生物油的倾点和浊点 277
7.3.8 固体颗粒和灰分 278
7.3.9 生物油的挥发降解特性 279
7.3.10 生物油的润滑性 279
7.3.11 生物油的腐蚀性 280
7.3.12 生物油的安定性 280
7.3.13 生物油的毒性 281
7.3.14 生物油的降解性 281
7.3.15 小结 281
7.4 生物油的化工应用 282
7.4.1 分离高附加值化学品 282
7.4.2 制备特定化学品 287
7.4.3 生物油气化制备合成气 288
7.4.4 生物油重整制备氢气 291
7.4.5 生物油化工应用前景 294
7.5 生物油的燃烧应用 294
7.5.1 生物油的基本燃烧特性 294
7.5.2 生物油的雾化燃烧特性 297
7.5.3 生物油的燃烧应用 298
7.5.4 生物油燃烧应用前景 302
参考文献 304
附录7-1 生物油性质的分析方法 308
索引 314

精彩书摘

　　《21世纪新能源丛书》序　　物质、能量和信息是现代社会赖以存在的三大支柱。很难想象没有能源的世界是什么样子。每一次能源领域的重大变革都带来人类生产、生活方式的革命性变化，甚至影响着世界政治和意识形态的格局。当前，我们又处在能源生产和消费方式发生革命的时代。　　从人类利用能源和动力发展的历史看，古代人类几乎完全依靠可再生能源，人工或简单机械已经能够适应农耕社会的需要。近代以来，蒸汽机的发明唤起了第一次工业革命，而能源则是以煤为主的化石能源。这之后，又出现了电和电网，从小规模的发电技术到大规模的电网，支撑了与大工业生产相适应的大规模能源使用。石油、天然气在内燃机、柴油机中的广泛使用，奠定了现代交通基础，也把另一个重要的化石能源引入了人类社会；燃气轮机的技术进步使飞机突破声障，进入了超声速航行的时代，进而开始了航空航天的新纪元。这些能源的利用和能源技术的发展，进一步适应了高度集中生产的需要。　　但是化石能源的过度使用，将造成严重环境污染，而且化石能源资源终将枯竭。这就严重地威胁着人类的生存和发展，人类必然再一次使用以可再生能源为主的新能源。这预示着人类必将再次步入可再生能源时代——一个与过去完全不同的建立在当代高新技术基础上创新发展起来的崭新可再生能源时代。一方面，要满足大规模集中使用的需求；另一方面，由于可再生能源的特点，同时为了提高能源利用率，还必须大力发展分布式能源系统。这种能源系统使用的是多种新能源，采用高效、洁净的动力装置，用微电网和智能电网连接。这个时代，按照里夫金《第三次工业革命》的说法，是分布式利用可再生能源的时代，它把能源技术与信息技术紧密结合，甚至可以通过一条管道来同时输送一次能源、电能和各种信息网络。　　为了反映我国新能源领域的最高科研水平及最新研究成果，为我国能源科学技术的发展和人才培养提供必要的资源支撑，中国工程热物理学会联合科学出版社共同策划出版了这套《 21世纪新能源丛书》。丛书邀请了一批工作在新能源科研一线的专家及学者，为读者展现国内外相关科研方向的最高水平，并力求在太阳能热利用、光伏、风能、氢能、海洋能、地热、生物质能和核能等新能源领域，反映我国当前的科研成果、产业成就及国家相关政策，展望我国新能源领域未来发展的趋势。　　本丛书可以为我国在新能源领域从事科研、教学和学习的学者、教师、研究生提供实用系统的参考资料，也可为从事新能源相关行业的企业管理者和技术人员提供有益的帮助。　　中国科学院院士 2013年 6月　　前言　　能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。纵观人类社会发展历史，从人类学会使用火开始，到工业化的今天，人类文明的每一次重大进步都伴随着能源技术的改进和提升。　　改革开放以来，随着我国经济和社会的快速发展，我国能源消耗平均以 6%~7%的年增长率快速增长，现已成为世界上第一大能源生产国，并已接近成为世界上第一大能源消费国。另一方面，我国人均能源资源拥有量在世界上却处于较低水平，其中煤炭资源人均拥有量相当于世界平均水平的 50%，石油和天然气的人均资源量仅为世界平均水平的 5%~6%。因此，在我国大力研究和开发应用包括生物质能在内的各种可再生能源，意义十分重大。　　生物质能本质上是绿色植物通过光合作用转换和储存下来的太阳能，也是唯一一种具有碳源的可再生能源。我国生物质资源非常丰富，主要有农作物秸秆、薪柴和森林废弃物、能源植物、工业有机废弃物和生活有机垃圾等。采用热解等现代生物炼制技术将这些可再生的生物质资源转化为具有较高品质的能源产品，既可以减少石油等化石资源的消耗，又能够在保护生态环境的同时，开拓新的经济增长点和促进美好乡村的建设。　　本人于 1997年年底开始从事生物质能研究。当时本人即将结束在中国科学技术大学的博士后研究，在聆听了浙江大学岑可法院士来学校所做的关于能源利用技术的学术报告后，更加坚信生物质能是很有应用前景的一种可再生能源，故决定选择生物质热解作为自己留校工作后的研究方向。时光荏苒， 17年悄然已过，本人在生物质热解领域从启蒙到了解，从小试到中试，再从中试到示范，一直没有停止对该项技术的探索和创新。　　本人能够在生物质热解领域追梦至今，当要感谢原中国科学技术大学校长朱清时院士。朱清时先生于 19世纪 20年代初倡导绿色化学研究， 1999年开始关注本人在生物质热解转化方面所做的工作。为支持和加快学校在生物质能领域的研究，朱先生于 2001年发起成立了中国科学技术大学生物质洁净能源实验室，并亲自兼任实验室主任。朱先生除了对我们的研究工作给予学术指导外，更是以坚韧不拔的毅力带领我们申请国家 973计划等重大项目。朱先生对科学与真理的执着追求，一直深深地影响着本人。　　本人能够在生物质热解领域追梦至今，还要感谢导师、原中国科学院院长路甬　　祥院士。先生每当获悉本人在生物质热解研究方面取得的进展时，总是给予勉励。在本人的生物质热解液化技术第一次产业化示范开始不久，先生于 2007年 5月莅临现场指导，并欣然命笔题词：“官产学研结合，发展生物质可再生能源”。　　生物质热解技术因具有工艺过程短、原料适应性强、反应迅速、转化率高和无污染物排放等诸多优点而备受人们的广泛关注。为进一步推动该项技术的研究与应用，本人基于多年的研究积累撰写了本书。全书内容共 7章，分别讲述我国的能源形势和生物质能特点，生物质的组成、结构和性质，生物质的热解原理，生物质的热解炭化、热解气化和热解液化，以及生物油的性质与应用等。全书虽然较好地构成了一套完整的生物质热解技术体系，但在生物质热解机理方面的叙述还不够深入，在生物质热解技术方面的叙述还不够深刻。如果本书能够对读者有所启发，本人将感到莫大的欣慰。　　本书能列入“十二五”国家重点图书出版规划项目《 21世纪新能源丛书》，当要感谢中国科学院工程热物理研究所金红光院士的大力推荐和殷切勉励。金先生在燃料化学能梯级利用技术领域所取得的成就和他那“学而不厌、诲人不倦”的品格一直鼓舞着本人、激励着本人。　　本书能够在不太长的时间内编撰完成，还要感谢编者之一、现为华北电力大学副教授的陆强博士。从本科三年级到博士毕业， 7年间他一直跟随本人从事生物质热解技术的研究，期间共计发表了 27篇学术论文， 2010年毕业时荣获中国科学院院长优秀奖。他承担了本书五分之二的编写工作。　　中国科学技术大学生物质洁净能源实验室的郭庆祥教授、阎立峰教授、傅尧教授、李全新教授等老师和研究生对于本书的编写给予了大力支持和热情帮助。在此谨向他们表示衷心的感谢！　　在本书的编写过程中，作者广泛参考了国内外已出版和发表的相关资料。在此对本书所借鉴的研究成果的完成者表示衷心的感谢！　　本书研究成果是在过去十余年时间内持续攻关取得的，研究工作得到了国家 973计划（2007CB210203和 2013CB228103）、国家 863计划（2012AA051803）、国家科技支撑计划（ 2007BAD34B02）、国家自然科学基金（ 50576091、50876099和 50930006）、中国科学院知识创新工程（ KGCX2-YW-306-4和 KGCX2-YW-330）和重点部署项目（ KGZD-EW-304-3）的宝贵资助。在本书编写和出版过程中获得了同行专家和科学出版社编辑的很多鼓励和帮助，在此一并致以深深的谢意！　　限于编者水平，书中难免存在不足之处，恳请读者不吝赐教。　　朱锡锋　　2014年 4月　　目录　　《21世纪新能源丛书》序前言第 1章概述 1　　1.1 能源的基本概念 1　　1.2 绿色植物光合作用 3　　1.3 生物质资源与分类 6　　1.4 生物质的物理性质 10　　1.4.1 生物质的含水率 10　　1.4.2 生物质的密度 10　　1.4.3 堆积角、内摩擦角和滑落角 11　　1.4.4 生物质炭的机械强度 12　　1.4.5 生物质的比表面积 13　　1.4.6 生物质的孔隙率 13　　1.4.7 生物质的比热容 13　　1.4.8 生物质的导热系数 13　　1.5 生物质的燃料特性 14　　1.5.1 生物质的燃烧 14　　1.5.2 生物质的发热量 15　　1.5.3 生物质燃料的化学当量比 17　　1.6 生物质能源转换技术 18　　参考文献 22　　附录 1-1我国农作物秸秆资源及其分布 22　　附录 1-2固体生物质燃料全水分测定方法 27　　第 2章生物质的组成与结构 30　　2.1 生物质的组成和结构 30　　2.2 生物质的元素分析 36　　2.3 生物质的工业分析 41　　参考文献 47　　附录 2-1纤维素聚合度的测定方法及常见生物质原料的组成成分 48　　附录 2-2常见生物质原料的分析结果 56　　第 3章生物质的热解原理 80　　3.1 纤维素热解机理 80　　3.1.1 纤维素热解机理概述 80　　3.1.2 纤维素热解液体产物组成 81　　3.1.3 LG的形成 81　　3.1.4 其他脱水糖衍生物的形成 90　　3.1.5 呋喃类产物的形成 93　　3.1.6 小分子醛酮类产物的形成 94　　3.1.7 纤维素快速热解的整体反应途径 97　　3.2 半纤维素热解机理 100　　3.2.1 半纤维素热解机理概述 100　　3.2.2 半纤维素热解液体产物组成 100　　3.2.3 脱水糖衍生物以及呋喃类产物的形成 100　　3.2.4 小分子物质的形成 104　　3.2.5 木聚糖快速热解的整体反应途径 104　　3.3 木质素热解机理 107　　3.3.1 木质素热解机理概述 107　　3.3.2 木质素模型化合物及其热解机理 107　　3.4 生物质热解的主要影响因素 118　　3.4.1 加热速率的影响 118　　3.4.2 热解温度的影响 118　　3.4.3 热解时间的影响 122　　3.4.4 原料种类的影响 122　　3.4.5 原料性质的影响 123　　3.4.6 其他因素的影响 124　　参考文献 125　　第 4章生物质的热解炭化 130　　4.1 概述 130　　4.2 生物质热解炭化原理 130　　4.3 生物质热解炭化装置 132　　4.3.1 传统生物质热解炭化装置 133　　4.3.2 新型生物质热解炭化装置 140　　4.4 生物质炭的性质与应用 146　　4.4.1 生物质炭的组成 146　　4.4.2 生物质炭的性质 147　　4.4.3 生物质炭的应用 149　　4.5 醋液与焦油的性质与应用 152　　4.5.1 醋液的组成与性质 152　　4.5.2 醋液的应用 156　　4.5.3 焦油的组成与性质 157　　4.5.4 焦油的应用 159　　参考文献 160　　第 5章生物质的热解气化 165　　5.1 概述 165　　5.2 生物质气化技术分类 167　　5.2.1 按气化压力进行分类 167　　5.2.2 按气化温度进行分类 168　　5.2.3 按气化剂进行分类 168　　5.2.4 按加热方式进行分类 169　　5.2.5 按气化炉结构进行分类 170　　5.3 生物质热解气化原理 174　　5.3.1 气化基本原理 174　　5.3.2 气化反应动力学 176　　5.3.3 气化反应平衡分析 179　　5.3.4 气化主要影响因素 181　　5.3.5 气化主要评价参数 184　　5.4 典型气化炉及其设计举例 186　　5.4.1 生物质气化装置的构成 186　　5.4.2 下吸式固定床气化炉 187　　5.4.3 上吸式固定床气化炉 188　　5.4.4 气化炉设计计算举例 189　　5.5 生物质气化气体的净化 191　　5.5.1 燃气中焦油的特点及其危害 191　　5.5.2 传统的焦油去除方法 192　　5.5.3 催化裂解去除焦油方法 193　　5.6 生物质气化技术的应用 196　　5.6.1 生物质气化供热 196　　5.6.2 生物质气化集中供气 197　　5.6.3 生物质气化发电 198　　5.6.4 生物质气化制氢 199　　5.6.5 生物质气化合成液体燃料 200　　参考

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