生物质转化.ppt
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生物质转化生物质转化能源概念和分类能源是自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源能源是自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源按形成条件,能源分为一次能源和二次能源按形成条件,能源分为一次能源和二次能源一次能源指自然界中现成存在,可直接取用的能源一次能源指自然界中现成存在,可直接取用的能源一次能源又可分为可再生能源和非再生能源一次能源又可分为可再生能源和非再生能源二次能源指由一次能源加工转换成的另一种形态的能源二次能源指由一次能源加工转换成的另一种形态的能源能源按来源分可分为三类能源按来源分可分为三类太阳能太阳能地球能地球能引力能引力能能源概念和分类化石资源是化石资源是现代工业和现代文明现代工业和现代文明的物质基础的物质基础石油、煤炭、天然气不仅提供了石油、煤炭、天然气不仅提供了基本的能源,而且提供了基本的能源,而且提供了99%的的有机工业原料有机工业原料。
3019902000202020302010205020752100年年0510152025我国在世界我国在世界CO2排放中的比例排放中的比例(%)普京总统签署正式批准普京总统签署正式批准京都议定书之联邦法令京都议定书之联邦法令即使京都议定书不生效,即使京都议定书不生效,欧盟都会坚守承诺欧盟都会坚守承诺我们愿意做到超越我们愿意做到超越京都议定书的要求京都议定书的要求全球暖化的威胁全球暖化的威胁超过恐怖主义超过恐怖主义环境问题经济观点全球影响化石经济,付出了巨大的环境代价化石经济,付出了巨大的环境代价(白色污染和温室效应等)(白色污染和温室效应等)生物质作为化学化工原料的优点1.生物质可给出结构多样的产品材料,通常具有特定的立体结构和光学特性结构,使用者可在合成过程中利用这些已有的结构因素。
葡萄糖C6H12O62.生物质的机构单元通常比原油的结构单元复杂,如能在最终产品中利用这种结构单元的复杂性,则可减少副产物的生成;3.原油的结构单元衍生所得产物,在其中引入氧的方法极其有限。
而由生物质衍生所得物质常常已经是氧化产物,无需再通过氧化反应引入氧;生物质作为化学化工原料的优点4.增大生物质的使用量可增长原油的使用时间,为可持续发展做出贡献,为一些必须使用原油为原料的产品的生产提供保证;5.使用生物质可减少大气中CO2浓度的增加,从而延缓温室效应;生物质作为化学化工原料的优点6.化学工业使用更多的可再生资源可是其本身在原料上各有保障;由于原油仅产于世界少数国家和地区,因而其价格易随国际关系的变化而变化,进而使化学工业本身受到大的影响7.生物质资源比原油有更大的灵活性。
原油的组成和性质与一系列地理因素有关,生物质的结构单元具有结构多样性,可用于生产不同的产品。
生物质作为化学化工原料的缺点1.在经济上没有竞争力。
石油工业已经相当成熟,已经形成了大规模。
高效率的生产系统。
利用生物质作原料的化学工业体系仍处于研发阶段。
2.生物质生产的季节性很强。
植物的生长有季节性,难以为化学工业提供稳定的原料供应,对于现代化学工学的工艺流程提出新的要求生物质作为化学化工原料的缺点3.在考虑用作化学化工原料的生物质是传统的粮食,把粮食原料改作化学化工原料是否合适?
生物质的获取需要土地,大面积的种植对环境有何影响?
生物质不太可能在一小面积区域内集中种植并大量获得。
4.生物质的组成极其复杂,不同种类的生物质,其组成和性质都不尽相同,对这些生物质的利用较为困难生物质是巨大的可再生能源库生物质资源来自于太阳能(通过植物的光合作用)生物质能在全球能源供应中的历史地位人类利用生物质人类利用生物质能的历史长达百能的历史长达百万年,贯穿人类万年,贯穿人类的文明发展史的文明发展史19世纪世纪煤炭利煤炭利用兴起用兴起20世纪以来石世纪以来石油天然气成为油天然气成为主要能量来源主要能量来源一百多年的高强度开采消费使化一百多年的高强度开采消费使化石能源渐趋枯竭,其对环境的沉石能源渐趋枯竭,其对环境的沉重压力也引起国际社会的极大忧重压力也引起国际社会的极大忧虑。
自上世纪虑。
自上世纪9090年代以来年代以来“可持可持续发展续发展”成为时代的最强音。
生成为时代的最强音。
生物质能重新成为可再生能源的亮物质能重新成为可再生能源的亮点!
点!
我国常规生物质资源不考虑种植不考虑种植,木质纤维素类生物质(木质纤维素类生物质(LignocelluloseLignocellulose)是我国生物质资源的主体,其中农作物秸秆占一半以上,是我国生物质资源的主体,其中农作物秸秆占一半以上,这是我国生物质资源的重要特征!
这是我国生物质资源的重要特征!
我国农作物秸秆资源情况单位:
百万吨标准煤单位:
百万吨标准煤人工种植能源作物提供淀粉、糖提供淀粉、糖和植物油必然和植物油必然同时大量产出同时大量产出木质纤维素类木质纤维素类生物质生物质我国可供利用的边际性土地约我国可供利用的边际性土地约66千万公顷,能千万公顷,能源作物种植可有效扩大生物质利用规模。
源作物种植可有效扩大生物质利用规模。
蓖麻光皮树麻疯树光棍树甘蔗甘薯象草薪炭林芦竹木木质质纤纤维维素素类类生生物物质质对对土土地地适适应应性性广广,能能量量转转化率最高化率最高木质纤维素类生物质资源无论在目前还无论在目前还是未来,木质是未来,木质纤维素生物质纤维素生物质都是我国生物都是我国生物质转化利用的质转化利用的主要目标对象主要目标对象目目前前,我我国国生生物物质质资资源源主主体体是是每每年年7亿亿多多吨吨秸秸秆秆和和3亿亿多多吨吨林林业业剩剩余余物物为为代代表的木质纤维素类生物质表的木质纤维素类生物质未未来来,考考虑虑利利用用边边际际性性土土地地种种植植各各种种能能源源作作物物,木木质质纤纤维维素素类类生生物物质质作作为为最最主主要要产产物物的的情情况况依依然然不不会改变会改变化学转化化学转化秸秆等纤维类生物秸秆等纤维类生物质总量:
质总量:
2020亿吨亿吨秸秆:
秸秆:
77亿吨亿吨6060简单燃烧、田简单燃烧、田头焚烧、堆放头焚烧、堆放效率低、污染严重效率低、污染严重农村高品位能源严农村高品位能源严重短缺重短缺秸秆类生物质的利用现状和问题我国秸秆消费流向生物质的能源化利用生活用能生活用能液体燃料液体燃料热热/电电生物质生物质秸秆秸秆世界各大国开发生物质能源化的进展11)美国美国生物质能占总能源消耗的生物质能占总能源消耗的4%4%,规划,规划20202020年年将达将达121222)欧洲欧洲生物质约占总能源消费量的生物质约占总能源消费量的2%2%,规划,规划20202020年生物质燃料替代年生物质燃料替代20%20%的化石燃料的化石燃料33)日本日本生物质约占总能源消费量的生物质约占总能源消费量的0.9%0.9%,规划,规划20102010年达年达2%2%44)中国中国工程院预测我国农村商品化生物质能由目工程院预测我国农村商品化生物质能由目前占农村能源的前占农村能源的0.2%0.2%提高到提高到20202020年的年的12.612.6生物质为高品质能源的过程化学转化化学转化生物质化学转化为清洁燃料是生物质能源化利用的重生物质化学转化为清洁燃料是生物质能源化利用的重要技术路线之一要技术路线之一通过生物质直接液化、定向气化、间接液化等生产气通过生物质直接液化、定向气化、间接液化等生产气体燃料、液体燃料及含氧燃料(甲醇、二甲醚等)体燃料、液体燃料及含氧燃料(甲醇、二甲醚等)高品位液体燃料目前石油是我目前石油是我国高品位液体国高品位液体燃料主要来源燃料主要来源我国人均石油储量不到世界我国人均石油储量不到世界平均水平的平均水平的1/101/1020052005年我国石油净进口年我国石油净进口1.361.36亿吨,世界第三大进口国亿吨,世界第三大进口国估计到估计到20202020年,我国石油的年,我国石油的对外依存度将达到对外依存度将达到60%60%液体燃料新来源?
液体燃料新来源?
生物质是唯一生物质是唯一可以直接转换为高可以直接转换为高品位液体燃料的可品位液体燃料的可再生能源再生能源生物质的热解离生物质热裂解是指以生物质为原料,以氧、空生物质热裂解是指以生物质为原料,以氧、空气、水汽或氢等作为气化剂,气、水汽或氢等作为气化剂,在高温条件下通过热化学反应将生物质中的可燃在高温条件下通过热化学反应将生物质中的可燃部分转化成可燃气的过程。
部分转化成可燃气的过程。
气化是部分燃烧或缺氧燃烧。
是高温下发生气化是部分燃烧或缺氧燃烧。
是高温下发生的热解过程。
可以通过催化剂促进。
的热解过程。
可以通过催化剂促进。
木质纤维素的结构纤维素是植物细胞壁的主要成分,其结构单位是纤维素是植物细胞壁的主要成分,其结构单位是D-D-葡萄糖,无分支链状,结构单位间以糖苷键结葡萄糖,无分支链状,结构单位间以糖苷键结合成长链合成长链半纤维素是由多种糖单元组成的一类多糖,分子半纤维素是由多种糖单元组成的一类多糖,分子链短且带有支链链短且带有支链木质素是苯基类丙烷聚合物,具有复杂的三维结木质素是苯基类丙烷聚合物,具有复杂的三维结构。
构。
木质素最难转化,也难于和纤维素分离木质素最难转化,也难于和纤维素分离气化最大的困难是焦油和碳的生成所以其用到的催化剂如下:
固有或添加的碱金属盐可以抑制焦油的生成但增加灰分固载在CeO2/SiO2或白云石上的贵金属或镍促使焦油减少(重整),但易积碳失活生物质气化制氢生物质的生物质的超临界气化超临界气化生物质在超临界条件下可以被水等介质解离气化,生物质在超临界条件下可以被水等介质解离气化,不需要氧气,但要催化剂不需要氧气,但要催化剂500800高温下,碳就可以作为催化剂高温下,碳就可以作为催化剂350600下就需要下就需要Ru/TiO2催化剂催化剂微藻生物柴油11)微藻是光合效率最高的原始植物,与农作物相比,单)微藻是光合效率最高的原始植物,与农作物相比,单位面积的产率高出数十倍。
微藻也是自然界中生长最为迅位面积的产率高出数十倍。
微藻也是自然界中生长最为迅速的一种植物,通常在速的一种植物,通常在24h24h内,微藻所含生物质可以翻倍;内,微藻所含生物质可以翻倍;22)可不同农作物争地、争水,微藻可以生长在高盐、高)可不同农作物争地、争水,微藻可以生长在高盐、高碱环境的水体中,可充分利用滩涂、盐碱地、沙漠进行大碱环境的水体中,可充分利用滩涂、盐碱地、沙漠进行大规模培养,也可利用海水、盐碱水、工业废水等非农用水规模培养,也可利用海水、盐碱水、工业废水等非农用水进行培养;进行培养;33)产油率高,微藻干细胞的含油量可高达)产油率高,微藻干细胞的含油量可高达7070,微藻没,微藻没有高等植物的根茎叶等细胞分化,是最有前景的产油生物。
有高等植物的根茎叶等细胞分化,是最有前景的产油生物。
44)综合利用价值高,生产微藻生物柴油的同时,还可以)综合利用价值高,生产微藻生物柴油的同时,还可以生产相当数量的藻饼,还可进一步获得蛋白质、多糖、脂生产相当数量的藻饼,还可进一步获得蛋白质、多糖、脂肪酸等高价值产品,可以有效降低微藻生物柴油的成本肪酸等高价值产品,可以有效降低微藻生物柴油的成本。
工程微藻工程微藻一石三鸟一石三鸟替代化石能源替代化石能源减少减少CO2排放排放净化废气与污水净化废气与污水微藻微藻唯一有可能完全替代化石燃料的生物柴油原料唯一有可能完全替代化石燃料的生物柴油原料!
成本问题技术经济成本问题技术经济Calgaeoil=6.910-3CpetroleumCalgaeoil微藻油的价格(微藻油的价格($/L$/L)Cpetroleum石油价格(石油价格($/$/桶)桶)目标:
如果原油价格维持在目标:
如果原油价格维持在9090100100美元美元/桶,则微藻油的成本需维持在桶,则微藻油的成本需维持在0.6210.6210.690.69美元美元/升以下则具有竞争力!
升以下则具有竞争力!
开放池养殖开放池养殖光生物反应器光生物反应器规模(吨生物质规模(吨生物质/年)年)1000010000微藻生物质成本微藻生物质成本($/Kg)0.600.47微藻油成本微藻油成本($/L)3.572.8*微藻含油量按30计算按照美国可再生能源国家实验室的测算,通过技术进步微藻生物柴油按照美国可再生能源国家实验室的测算,通过技术进步微藻生物柴油的价格可以控制在的价格可以控制在0.271.16美元美元/L($1.40to$4.40pergallon-1995)开展微藻生物柴油技术研发的开展微藻生物柴油技术研发的开展微藻生物柴油技术研发的开展微藻生物柴油技术研发的意义意义意义意义开辟一项有长远发展前途的新产业,促进我国相关多学开辟一项有长远发展前途的新产业,促进我国相关多学科的基础研究科的基础研究战略性进入可再生能源领域,从根本上解决战略性进入可再生能源领域,从根本上解决“生物原料生物原料”问题问题减少减少COCO22排放可以进入排放可以进入CDMCDM国际交易,具有商业价值,国际交易,具有商业价值,这将进一步提高微藻生物柴油技术项目的经济性这将进一步提高微藻生物柴油技术项目的经济性提前进入温室气体减排运作,提前进入温室气体减排运作,20122012年中国很可能将正式年中国很可能将正式承诺减排协议,这意味着项目潜在的经济性巨大承诺减排协议,这意味着项目潜在的经济性巨大结合废气、污水及废水处理,吸收、固定含结合废气、污水及废水处理,吸收、固定含NN化合物,产化合物,产生更好的社会效益生更好的社会效益ll美国美国:
可再生能源实验室在美国能源部的资助下,于上世可再生能源实验室在美国能源部的资助下,于上世纪纪7070年代末开始了微藻生物柴油的研究年代末开始了微藻生物柴油的研究AquaticSpeciesAquaticSpeciesProgram:
Program:
BiodieselBiodieselfromAlgaefromAlgae广泛收集了美国西部、西北部、东南部、夏威夷等地3000种以上的海藻标本,筛选出300种海藻样品(主要是绿藻和硅藻),作为继续研究的基础深入研究了微藻的生理,发现了影响微藻油脂含量的生理因素发现了乙酰辅酶乙酰辅酶AA羧化酶羧化酶在微藻进行油脂合成的关键代谢步骤中的催化作用,对ACCase辅酶基因进行了全序列克隆研究,开发了相关转基因方法和体系开展了微藻开放池养殖放大试验(1000m2)未解决的难题:
成本!
大规模养殖很难复现实验室结果,效率较低提高油脂含量同时总生物质含量降低,转基因微藻未实现油脂提高微藻种群比较脆弱:
强光、温度波动、密度、O2、机械力容易伤害其生长,造成产率下降我国在大规模养殖螺旋藻类方面走在世界前列1986年国家就正式立项,开展了螺旋藻优良藻种筛选,螺旋藻的培养技术,螺旋藻工厂化中试研究等多项七五重点课题攻关目前已建成近百家工厂,养殖产量达1000t,螺旋藻的养殖1996年超过世界总量的40p针对生物柴油的富油微藻生物学研究相对薄弱l中国:
中国:
以中科院和中国海洋大学为代表的机构承以中科院和中国海洋大学为代表的机构承担了多项国家及省部级微藻育种和保存生物技术担了多项国家及省部级微藻育种和保存生物技术的研究,积累了丰富的经验的研究,积累了丰富的经验光生物反应器技术核心微藻的培养与生产开放池系统:
潜水池、循环池、池塘、跑道池封闭光生物反应器系统:
平板式、柱状气升式、搅拌釜式、浮式薄膜袋、密闭管式Hybird美国能源部,LiveFuels公司GreenFuel&AlgaeLink公司美国GreenStarProducts公司开发了介于开放池与封闭反应器之间的一种新型光生物反应系统:
达到了封闭反应器系统的性能但只有开放池系统的成本;达到了封闭反应器系统的性能但只有开放池系统的成本;规模达规模达40000L(蒙大拿州);(蒙大拿州);已完成第已完成第3阶段阶段“冬季条件冬季条件”下的试验(下的试验(2008年年1月)月)澳大利亚Murdoch大学螺旋管式设计微藻生物柴油加工技术关键环节微藻生物质的收集技术微藻生物质的处理技术生物柴油加工技术过滤分离离心分离其他方式干燥萃取压榨加氢酯交换生物炼厂微藻生物柴油动物饲料精细化学品生物乙醇燃气、电力微藻生物质综合利用技术发展方向微藻生物质综合利用技术发展方向微藻生物质综合利用技术发展方向微藻生物质综合利用技术发展方向总结生物质的转化是一个对人类社会可持续发展具物质的转化是一个对人类社会可持续发展具有重大意义的大命题有重大意义的大命题对于绿色化学而言,也是一个复杂而艰巨的课对于绿色化学而言,也是一个复杂而艰巨的课题。
题。
需要全社会的共同努力。
需要全社会的共同努力。
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- 生物 转化