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內容簡介

　　生物質能本質上是綠色植物通過光閤作用轉換和儲存下來的太陽能，也是一種具有碳源的可再生能源。生物質熱解技術由於具有工藝過程短、原料適應性強、反應迅速、轉化率高、易於工業化等諸多優點而備受人們的廣泛關注。為進一步推動該項技術的研究與應用，編者基於多年的研究積纍撰寫成《生物質熱解原理與技術》。《生物質熱解原理與技術》內容共分7章，分彆講述瞭我國的能源形勢和生物質能特點，生物質的組成、結構和性質，生物質的熱解原理，生物質的熱解炭化、熱解氣化和熱解液化，以及生物油的性質與應用等，《生物質熱解原理與技術》較好地構成瞭一套完整的生物質熱解技術體係。

內頁插圖

目錄

目錄
《21世紀新能源叢書》序
前言
第1章 概述 1
1.1 能源的基本概念 1
1.2 綠色植物光閤作用 3
1.3 生物質資源與分類 6
1.4 生物質的物理性質 10
1.4.1 生物質的含水率 10
1.4.2 生物質的密度 10
1.4.3 堆積角、內摩擦角和滑落角 11
1.4.4 生物質炭的機械強度 12
1.4.5 生物質的比錶麵積 13
1.4.6 生物質的孔隙率 13
1.4.7 生物質的比熱容 13
1.4.8 生物質的導熱係數 13
1.5 生物質的燃料特性 14
1.5.1 生物質的燃燒 14
1.5.2 生物質的發熱量 15
1.5.3 生物質燃料的化學當量比 17
1.6 生物質能源轉換技術 18
參考文獻 22
附錄1-1 我國農作物秸稈資源及其分布 22
附錄1-2 固體生物質燃料全水分測定方法 27
第2章 生物質的組成與結構 30
2.1 生物質的組成和結構 30
2.2 生物質的元素分析 36
2.3 生物質的工業分析 41
參考文獻 47
附錄2-1 縴維素聚閤度的測定方法及常見生物質原料的組成成分 48
附錄2-2 常見生物質原料的分析結果 56
第3章 生物質的熱解原理 80
3.1 縴維素熱解機理 80
3.1.1 縴維素熱解機理概述 80
3.1.2 縴維素熱解液體産物組成 81
3.1.3 LG的形成 81
3.1.4 其他脫水糖衍生物的形成 90
3.1.5 呋喃類産物的形成 93
3.1.6 小分子醛酮類産物的形成 94
3.1.7 縴維素快速熱解的整體反應途徑 97
3.2 半縴維素熱解機理 100
3.2.1 半縴維素熱解機理概述 100
3.2.2 半縴維素熱解液體産物組成 100
3.2.3 脫水糖衍生物以及呋喃類産物的形成 100
3.2.4 小分子物質的形成 104
3.2.5 木聚糖快速熱解的整體反應途徑 104
3.3 木質素熱解機理 107
3.3.1 木質素熱解機理概述 107
3.3.2 木質素模型化閤物及其熱解機理 107
3.4 生物質熱解的主要影響因素 118
3.4.1 加熱速率的影響 118
3.4.2 熱解溫度的影響 118
3.4.3 熱解時間的影響 122
3.4.4 原料種類的影響 122
3.4.5 原料性質的影響 123
3.4.6 其他因素的影響 124
參考文獻 125
第4章 生物質的熱解炭化 130
4.1 概述 130
4.2 生物質熱解炭化原理 130
4.3 生物質熱解炭化裝置 132
4.3.1 傳統生物質熱解炭化裝置 133
4.3.2 新型生物質熱解炭化裝置 140
4.4 生物質炭的性質與應用 146
4.4.1 生物質炭的組成 146
4.4.2 生物質炭的性質 147
4.4.3 生物質炭的應用 149
4.5 醋液與焦油的性質與應用 152
4.5.1 醋液的組成與性質 152
4.5.2 醋液的應用 156
4.5.3 焦油的組成與性質 157
4.5.4 焦油的應用 159
參考文獻 160
第5章 生物質的熱解氣化 165
5.1 概述 165
5.2 生物質氣化技術分類 167
5.2.1 按氣化壓力進行分類 167
5.2.2 按氣化溫度進行分類 168
5.2.3 按氣化劑進行分類 168
5.2.4 按加熱方式進行分類 169
5.2.5 按氣化爐結構進行分類 170
5.3 生物質熱解氣化原理 174
5.3.1 氣化基本原理 174
5.3.2 氣化反應動力學 176
5.3.3 氣化反應平衡分析 179
5.3.4 氣化主要影響因素 181
5.3.5 氣化主要評價參數 184
5.4 典型氣化爐及其設計舉例 186
5.4.1 生物質氣化裝置的構成 186
5.4.2 下吸式固定床氣化爐 187
5.4.3 上吸式固定床氣化爐 188
5.4.4 氣化爐設計計算舉例 189
5.5 生物質氣化氣體的淨化 191
5.5.1 燃氣中焦油的特點及其危害 191
5.5.2 傳統的焦油去除方法 192
5.5.3 催化裂解去除焦油方法 193
5.6 生物質氣化技術的應用 196
5.6.1 生物質氣化供熱 196
5.6.2 生物質氣化集中供氣 197
5.6.3 生物質氣化發電 198
5.6.4 生物質氣化製氫 199
5.6.5 生物質氣化閤成液體燃料 200
參考文獻 207
附錄5-1 生物質氣化集中供氣站建設標準 207
第6章 生物質的熱解液化 215
6.1 概述 215
6.2 生物質原料預處理 216
6.2.1 破碎預處理 216
6.2.2 乾燥預處理 219
6.3 生物質進料係統 225
6.3.1 螺鏇進料係統概述 225
6.3.2 螺鏇進料係統的動力學分析 227
6.3.3 螺鏇進料器的設計 229
6.4 熱解液化反應器 231
6.4.1 流化床式熱解反應器 231
6.4.2 非流化床式熱解反應器 235
6.4.3 典型熱解反應器的設計計算 237
6.5 熱解産物氣固分離 242
6.5.1 概述 242
6.5.2 鏇風分離器 243
6.5.3 過濾式除塵器 246
6.5.4 氣固分離裝置的發展趨勢 248
6.6 熱解氣冷凝與生物油收集 249
6.6.1 熱解氣的組成 249
6.6.2 熱解氣的冷卻與冷凝 249
6.6.3 噴霧降膜冷凝的機理 251
參考文獻 257
第7章 生物油的性質與應用 259
7.1 概述 259
7.2 生物油的化學組成及其分離與分析 259
7.2.1 生物油的化學組成 259
7.2.2 生物油的分離與分析 266
7.3 生物油的理化性質 272
7.3.1 生物油的微觀多相性 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 生物油的熱值 276
7.3.5 生物油的黏度和流變特性 276
7.3.6 生物油的閃點 277
7.3.7 生物油的傾點和濁點 277
7.3.8 固體顆粒和灰分 278
7.3.9 生物油的揮發降解特性 279
7.3.10 生物油的潤滑性 279
7.3.11 生物油的腐蝕性 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 小結 281
7.4 生物油的化工應用 282
7.4.1 分離高附加值化學品 282
7.4.2 製備特定化學品 287
7.4.3 生物油氣化製備閤成氣 288
7.4.4 生物油重整製備氫氣 291
7.4.5 生物油化工應用前景 294
7.5 生物油的燃燒應用 294
7.5.1 生物油的基本燃燒特性 294
7.5.2 生物油的霧化燃燒特性 297
7.5.3 生物油的燃燒應用 298
7.5.4 生物油燃燒應用前景 302
參考文獻 304
附錄7-1 生物油性質的分析方法 308
索引 314

精彩書摘

　　《21世紀新能源叢書》序　　物質、能量和信息是現代社會賴以存在的三大支柱。很難想象沒有能源的世界是什麼樣子。每一次能源領域的重大變革都帶來人類生産、生活方式的革命性變化，甚至影響著世界政治和意識形態的格局。當前，我們又處在能源生産和消費方式發生革命的時代。　　從人類利用能源和動力發展的曆史看，古代人類幾乎完全依靠可再生能源，人工或簡單機械已經能夠適應農耕社會的需要。近代以來，蒸汽機的發明喚起瞭第一次工業革命，而能源則是以煤為主的化石能源。這之後，又齣現瞭電和電網，從小規模的發電技術到大規模的電網，支撐瞭與大工業生産相適應的大規模能源使用。石油、天然氣在內燃機、柴油機中的廣泛使用，奠定瞭現代交通基礎，也把另一個重要的化石能源引入瞭人類社會；燃氣輪機的技術進步使飛機突破聲障，進入瞭超聲速航行的時代，進而開始瞭航空航天的新紀元。這些能源的利用和能源技術的發展，進一步適應瞭高度集中生産的需要。　　但是化石能源的過度使用，將造成嚴重環境汙染，而且化石能源資源終將枯竭。這就嚴重地威脅著人類的生存和發展，人類必然再一次使用以可再生能源為主的新能源。這預示著人類必將再次步入可再生能源時代——一個與過去完全不同的建立在當代高新技術基礎上創新發展起來的嶄新可再生能源時代。一方麵，要滿足大規模集中使用的需求；另一方麵，由於可再生能源的特點，同時為瞭提高能源利用率，還必須大力發展分布式能源係統。這種能源係統使用的是多種新能源，采用高效、潔淨的動力裝置，用微電網和智能電網連接。這個時代，按照裏夫金《第三次工業革命》的說法，是分布式利用可再生能源的時代，它把能源技術與信息技術緊密結閤，甚至可以通過一條管道來同時輸送一次能源、電能和各種信息網絡。　　為瞭反映我國新能源領域的最高科研水平及最新研究成果，為我國能源科學技術的發展和人纔培養提供必要的資源支撐，中國工程熱物理學會聯閤科學齣版社共同策劃齣版瞭這套《 21世紀新能源叢書》。叢書邀請瞭一批工作在新能源科研一綫的專傢及學者，為讀者展現國內外相關科研方嚮的最高水平，並力求在太陽能熱利用、光伏、風能、氫能、海洋能、地熱、生物質能和核能等新能源領域，反映我國當前的科研成果、産業成就及國傢相關政策，展望我國新能源領域未來發展的趨勢。　　本叢書可以為我國在新能源領域從事科研、教學和學習的學者、教師、研究生提供實用係統的參考資料，也可為從事新能源相關行業的企業管理者和技術人員提供有益的幫助。　　中國科學院院士 2013年 6月　　前言　　能源是人類社會賴以生存和發展的重要物質基礎。縱觀人類社會發展曆史，從人類學會使用火開始，到工業化的今天，人類文明的每一次重大進步都伴隨著能源技術的改進和提升。　　改革開放以來，隨著我國經濟和社會的快速發展，我國能源消耗平均以 6%~7%的年增長率快速增長，現已成為世界上第一大能源生産國，並已接近成為世界上第一大能源消費國。另一方麵，我國人均能源資源擁有量在世界上卻處於較低水平，其中煤炭資源人均擁有量相當於世界平均水平的 50%，石油和天然氣的人均資源量僅為世界平均水平的 5%~6%。因此，在我國大力研究和開發應用包括生物質能在內的各種可再生能源，意義十分重大。　　生物質能本質上是綠色植物通過光閤作用轉換和儲存下來的太陽能，也是唯一一種具有碳源的可再生能源。我國生物質資源非常豐富，主要有農作物秸稈、薪柴和森林廢棄物、能源植物、工業有機廢棄物和生活有機垃圾等。采用熱解等現代生物煉製技術將這些可再生的生物質資源轉化為具有較高品質的能源産品，既可以減少石油等化石資源的消耗，又能夠在保護生態環境的同時，開拓新的經濟增長點和促進美好鄉村的建設。　　本人於 1997年年底開始從事生物質能研究。當時本人即將結束在中國科學技術大學的博士後研究，在聆聽瞭浙江大學岑可法院士來學校所做的關於能源利用技術的學術報告後，更加堅信生物質能是很有應用前景的一種可再生能源，故決定選擇生物質熱解作為自己留校工作後的研究方嚮。時光荏苒， 17年悄然已過，本人在生物質熱解領域從啓濛到瞭解，從小試到中試，再從中試到示範，一直沒有停止對該項技術的探索和創新。　　本人能夠在生物質熱解領域追夢至今，當要感謝原中國科學技術大學校長硃清時院士。硃清時先生於 19世紀 20年代初倡導綠色化學研究， 1999年開始關注本人在生物質熱解轉化方麵所做的工作。為支持和加快學校在生物質能領域的研究，硃先生於 2001年發起成立瞭中國科學技術大學生物質潔淨能源實驗室，並親自兼任實驗室主任。硃先生除瞭對我們的研究工作給予學術指導外，更是以堅韌不拔的毅力帶領我們申請國傢 973計劃等重大項目。硃先生對科學與真理的執著追求，一直深深地影響著本人。　　本人能夠在生物質熱解領域追夢至今，還要感謝導師、原中國科學院院長路甬　　祥院士。先生每當獲悉本人在生物質熱解研究方麵取得的進展時，總是給予勉勵。在本人的生物質熱解液化技術第一次産業化示範開始不久，先生於 2007年 5月蒞臨現場指導，並欣然命筆題詞：“官産學研結閤，發展生物質可再生能源”。　　生物質熱解技術因具有工藝過程短、原料適應性強、反應迅速、轉化率高和無汙染物排放等諸多優點而備受人們的廣泛關注。為進一步推動該項技術的研究與應用，本人基於多年的研究積纍撰寫瞭本書。全書內容共 7章，分彆講述我國的能源形勢和生物質能特點，生物質的組成、結構和性質，生物質的熱解原理，生物質的熱解炭化、熱解氣化和熱解液化，以及生物油的性質與應用等。全書雖然較好地構成瞭一套完整的生物質熱解技術體係，但在生物質熱解機理方麵的敘述還不夠深入，在生物質熱解技術方麵的敘述還不夠深刻。如果本書能夠對讀者有所啓發，本人將感到莫大的欣慰。　　本書能列入“十二五”國傢重點圖書齣版規劃項目《 21世紀新能源叢書》，當要感謝中國科學院工程熱物理研究所金紅光院士的大力推薦和殷切勉勵。金先生在燃料化學能梯級利用技術領域所取得的成就和他那“學而不厭、誨人不倦”的品格一直鼓舞著本人、激勵著本人。　　本書能夠在不太長的時間內編撰完成，還要感謝編者之一、現為華北電力大學副教授的陸強博士。從本科三年級到博士畢業， 7年間他一直跟隨本人從事生物質熱解技術的研究，期間共計發錶瞭 27篇學術論文， 2010年畢業時榮獲中國科學院院長優秀奬。他承擔瞭本書五分之二的編寫工作。　　中國科學技術大學生物質潔淨能源實驗室的郭慶祥教授、閻立峰教授、傅堯教授、李全新教授等老師和研究生對於本書的編寫給予瞭大力支持和熱情幫助。在此謹嚮他們錶示衷心的感謝！　　在本書的編寫過程中，作者廣泛參考瞭國內外已齣版和發錶的相關資料。在此對本書所藉鑒的研究成果的完成者錶示衷心的感謝！　　本書研究成果是在過去十餘年時間內持續攻關取得的，研究工作得到瞭國傢 973計劃（2007CB210203和 2013CB228103）、國傢 863計劃（2012AA051803）、國傢科技支撐計劃（ 2007BAD34B02）、國傢自然科學基金（ 50576091、50876099和 50930006）、中國科學院知識創新工程（ KGCX2-YW-306-4和 KGCX2-YW-330）和重點部署項目（ KGZD-EW-304-3）的寶貴資助。在本書編寫和齣版過程中獲得瞭同行專傢和科學齣版社編輯的很多鼓勵和幫助，在此一並緻以深深的謝意！　　限於編者水平，書中難免存在不足之處，懇請讀者不吝賜教。　　硃锡鋒　　2014年 4月　　目錄　　《21世紀新能源叢書》序前言第 1章概述 1　　1.1 能源的基本概念 1　　1.2 綠色植物光閤作用 3　　1.3 生物質資源與分類 6　　1.4 生物質的物理性質 10　　1.4.1 生物質的含水率 10　　1.4.2 生物質的密度 10　　1.4.3 堆積角、內摩擦角和滑落角 11　　1.4.4 生物質炭的機械強度 12　　1.4.5 生物質的比錶麵積 13　　1.4.6 生物質的孔隙率 13　　1.4.7 生物質的比熱容 13　　1.4.8 生物質的導熱係數 13　　1.5 生物質的燃料特性 14　　1.5.1 生物質的燃燒 14　　1.5.2 生物質的發熱量 15　　1.5.3 生物質燃料的化學當量比 17　　1.6 生物質能源轉換技術 18　　參考文獻 22　　附錄 1-1我國農作物秸稈資源及其分布 22　　附錄 1-2固體生物質燃料全水分測定方法 27　　第 2章生物質的組成與結構 30　　2.1 生物質的組成和結構 30　　2.2 生物質的元素分析 36　　2.3 生物質的工業分析 41　　參考文獻 47　　附錄 2-1縴維素聚閤度的測定方法及常見生物質原料的組成成分 48　　附錄 2-2常見生物質原料的分析結果 56　　第 3章生物質的熱解原理 80　　3.1 縴維素熱解機理 80　　3.1.1 縴維素熱解機理概述 80　　3.1.2 縴維素熱解液體産物組成 81　　3.1.3 LG的形成 81　　3.1.4 其他脫水糖衍生物的形成 90　　3.1.5 呋喃類産物的形成 93　　3.1.6 小分子醛酮類産物的形成 94　　3.1.7 縴維素快速熱解的整體反應途徑 97　　3.2 半縴維素熱解機理 100　　3.2.1 半縴維素熱解機理概述 100　　3.2.2 半縴維素熱解液體産物組成 100　　3.2.3 脫水糖衍生物以及呋喃類産物的形成 100　　3.2.4 小分子物質的形成 104　　3.2.5 木聚糖快速熱解的整體反應途徑 104　　3.3 木質素熱解機理 107　　3.3.1 木質素熱解機理概述 107　　3.3.2 木質素模型化閤物及其熱解機理 107　　3.4 生物質熱解的主要影響因素 118　　3.4.1 加熱速率的影響 118　　3.4.2 熱解溫度的影響 118　　3.4.3 熱解時間的影響 122　　3.4.4 原料種類的影響 122　　3.4.5 原料性質的影響 123　　3.4.6 其他因素的影響 124　　參考文獻 125　　第 4章生物質的熱解炭化 130　　4.1 概述 130　　4.2 生物質熱解炭化原理 130　　4.3 生物質熱解炭化裝置 132　　4.3.1 傳統生物質熱解炭化裝置 133　　4.3.2 新型生物質熱解炭化裝置 140　　4.4 生物質炭的性質與應用 146　　4.4.1 生物質炭的組成 146　　4.4.2 生物質炭的性質 147　　4.4.3 生物質炭的應用 149　　4.5 醋液與焦油的性質與應用 152　　4.5.1 醋液的組成與性質 152　　4.5.2 醋液的應用 156　　4.5.3 焦油的組成與性質 157　　4.5.4 焦油的應用 159　　參考文獻 160　　第 5章生物質的熱解氣化 165　　5.1 概述 165　　5.2 生物質氣化技術分類 167　　5.2.1 按氣化壓力進行分類 167　　5.2.2 按氣化溫度進行分類 168　　5.2.3 按氣化劑進行分類 168　　5.2.4 按加熱方式進行分類 169　　5.2.5 按氣化爐結構進行分類 170　　5.3 生物質熱解氣化原理 174　　5.3.1 氣化基本原理 174　　5.3.2 氣化反應動力學 176　　5.3.3 氣化反應平衡分析 179　　5.3.4 氣化主要影響因素 181　　5.3.5 氣化主要評價參數 184　　5.4 典型氣化爐及其設計舉例 186　　5.4.1 生物質氣化裝置的構成 186　　5.4.2 下吸式固定床氣化爐 187　　5.4.3 上吸式固定床氣化爐 188　　5.4.4 氣化爐設計計算舉例 189　　5.5 生物質氣化氣體的淨化 191　　5.5.1 燃氣中焦油的特點及其危害 191　　5.5.2 傳統的焦油去除方法 192　　5.5.3 催化裂解去除焦油方法 193　　5.6 生物質氣化技術的應用 196　　5.6.1 生物質氣化供熱 196　　5.6.2 生物質氣化集中供氣 197　　5.6.3 生物質氣化發電 198　　5.6.4 生物質氣化製氫 199　　5.6.5 生物質氣化閤成液體燃料 200　　參考

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