生物質熱解原理與技術（簡體書）

《21世紀新能源叢書》序
前言
第1章概述
1.1能源的基本概念
1.2綠色植物光合作用
1.3生物質資源與分類
1.4生物質的物理性質
1.4.1生物質的含水率
1.4.2生物質的密度
1.4.3堆積角、內摩擦角和滑落角
1.4.4生物質炭的機械強度
1.4.5生物質的比表面積
1.4.6生物質的孔隙率
1.4.7生物質的比熱容
1.4.8生物質的導熱系數 《21世紀新能源叢書》序
前言
第1章概述
1.1能源的基本概念
1.2綠色植物光合作用
1.3生物質資源與分類
1.4生物質的物理性質
1.4.1生物質的含水率
1.4.2生物質的密度
1.4.3堆積角、內摩擦角和滑落角
1.4.4生物質炭的機械強度
1.4.5生物質的比表面積
1.4.6生物質的孔隙率
1.4.7生物質的比熱容
1.4.8生物質的導熱系數
1.5生物質的燃料特性
1.5.1生物質的燃燒
1.5.2生物質的發熱量
1.5.3生物質燃料的化學當量比
1.6生物質能源轉換技術
參考文獻
附錄1—1我國農作物秸稈資源及其分布
附錄1—2固體生物質燃料全水分測定方法
第2章生物質的組成與結構
2.1生物質的組成和結構
2.2生物質的元素分析
2.3生物質的工業分析
參考文獻
附錄2—1纖維素聚合度的測定方法及常見生物質原料的組成成分
附錄2—2常見生物質原料的分析結果
第3章生物質的熱解原理
3.1纖維素熱解機理
3.1.1纖維素熱解機理概述
3.1.2纖維素熱解液體產物組成
3.1.3LG的形成
3.1.4其他脫水糖衍生物的形成
3.1.5呋喃類產物的形成
3.1.6小分子醛酮類產物的形成
3.1.7纖維素快速熱解的整體反應途徑
3.2半纖維素熱解機理
3.2.1半纖維素熱解機理概述
3.2.2半纖維素熱解液體產物組成
3.2.3脫水糖衍生物以及呋喃類產物的形成
3.2.4小分子物質的形成
3.2.5木聚糖快速熱解的整體反應途徑
3.3木質素熱解機理
3.3.1木質素熱解機理概述
3.3.2木質素模型化合物及其熱解機理
3.4生物質熱解的主要影響因素
3.4.1加熱速率的影響
3.4.2熱解溫度的影響
3.4.3熱解時間的影響
3.4.4原料種類的影響
3.4.5原料性質的影響
3.4.6其他因素的影響
參考文獻
第4章生物質的熱解炭化
4.1概述
4.2生物質熱解炭化原理
4.3生物質熱解炭化裝置
4.3.1傳統生物質熱解炭化裝置
4.3.2新型生物質熱解炭化裝置
4.4生物質炭的性質與應用
4.4.1生物質炭的組成
4.4.2生物質炭的性質
4.4.3生物質炭的應用
4.5醋液與焦油的性質與應用
4.5.1醋液的組成與性質
4.5.2醋液的應用
4.5.3焦油的組成與性質
4.5.4焦油的應用
參考文獻
第5章生物質的熱解氣化
5.1概述
5.2生物質氣化技術分類
5.2.1按氣化壓力進行分類
5.2.2按氣化溫度進行分類
5.2.3按氣化劑進行分類
5.2.4按加熱方式進行分類
5.2.5按氣化爐結構進行分類
5.3生物質熱解氣化原理
5.3.1氣化基本原理
5.3.2氣化反應動力學
5.3.3氣化反應平衡分析
5.3.4氣化主要影響因素
5.3.5氣化主要評價參數
5.4典型氣化爐及其設計舉例
5.4.1生物質氣化裝置的構成
5.4.2下吸式固定床氣化爐
5.4.3上吸式固定床氣化爐
5.4.4氣化爐設計計算舉例
5.5生物質氣化氣體的凈化
5.5.1燃氣中焦油的特點及其危害
5.5.2傳統的焦油去除方法
5.5.3催化裂解去除焦油方法
5.6生物質氣化技術的應用
5.6.1生物質氣化供熱
5.6.2生物質氣化集中供氣
5.6.3生物質氣化發電
5.6.4生物質氣化制氫
5.6.5生物質氣化合成液體燃料
參考文獻
附錄5—1生物質氣化集中供氣站建設標準一
第6章生物質的熱解液化
6.1概述
6.2生物質原料預處理
6.2.1破碎預處理
6.2.2干燥預處理
6.3生物質進料系統
6.3.1螺旋進料系統概述
6.3.2螺旋進料系統的動力學分析
6.3.3螺旋進料器的設計
6.4熱解液化反應器
6.4.1流化床式熱解反應器
6.4.2非流化床式熱解反應器
6.4.3典型熱解反應器的設計計算
6.5熱解產物氣同分離
6.5.1概述
6.5.2旋風分離器
6.5.3過濾式除塵器
6.5.4氣固分離裝置的發展趨勢
6.6熱解氣冷凝與生物油收集
6.6.1熱解氣的組成
6.6.2熱解氣的冷卻與冷凝
6.6.3噴霧降膜冷凝的機理
參考文獻
第7章生物油的性質與應用
7.1概述
7.2生物油的化學組成及其分離與分析
7.2.1生物油的化學組成
7.2.2生物油的分離與分析
7.3生物油的理化性質
7.3.1生物油的微觀多相性
7.3.2生物油的水分
7.3.3生物油的相溶性
7.3.4生物油的熱值
7.3.5生物油的黏度和流變特性
7.3.6生物油的閃點
7.3.7生物油的傾點和濁點
7.3.8同體顆粒和灰分
7.3.9生物油的揮發降解特性
7.3.10生物油的潤滑性
7.3.11生物油的腐蝕性
7.3.12生物油的安定性
7.3.13生物油的毒性
7.3.14生物油的降解性
7.3.15小結
7.4生物油的化工應用
7.4.1分離高附加值化學品
7.4.2制備特定化學品
7.4.3生物油氣化制備合成氣
7.4.4生物油重整制備氫氣
7.4.5生物油化工應用前景
7.5生物油的燃燒應用
7.5.1生物油的基本燃燒特性
7.5.2生物油的霧化燃燒特性
7.5.3生物油的燃燒應用
7.5.4生物油燃燒應用前景
參考文獻
附錄7—1生物油性質的分析方法
索引

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《21世紀新能源叢書》序<br> 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么樣子。每一次能源領域的重大變革都帶來人類生產、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，我們又處在能源生產和消費方式發生革命的時代。<br> 從人類利用能源和動力發展的歷史看，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，蒸汽機的發明喚起了第一次工業革命，而能源則是以煤為主的化石能源。這之后，又出現了電和電網，從小規模的發電技術到大規模的電網，支撐了與大工業生產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，奠定了現代交通基礎，也把另一個重要的化石能源引入了人類社會；燃氣輪機的技術進步使飛機突破聲障，進入了超聲速航行的時代，進而開始了航空航天的新紀元。這些能源的利用和能源技術的發展，進一步適應了高度集中生產的需要。<br> 但是化石能源的過度使用，將造成嚴重環境污染，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。一方面，要滿足大規模集中使用的需求；另一方面，由于可再生能源的特點，同時為了提高能源利用率，還必須大力發展分布式能源系統。這種能源系統使用的是多種新能源，采用高效、潔凈的動力裝置，用微電網和智能電網連接。這個時代，按照里夫金《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合，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。<br> 為了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才培養提供必要的資源支撐，中國工程熱物理學會聯合科學出版社共同策劃出版了這套《 21世紀新能源叢書》。叢書邀請了一批工作在新能源科研一線的專家及學者，為讀者展現國內外相關科研方向的最高水平，并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、產業成就及國家相關政策，展望我國新能源領域未來發展的趨勢。<br> 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、研究生提供實用系統的參考資料，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。<br> <br> 中國科學院院士 2013年 6月<br> <br> 前言<br> 能源是人類社會賴以生存和發展的重要物質基礎。縱觀人類社會發展歷史，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。<br> 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產國，并已接近成為世界上第一大能源消費國。另一方面，我國人均能源資源擁有量在世界上卻處于較低水平，其中煤炭資源人均擁有量相當于世界平均水平的 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。<br> 生物質能本質上是綠色植物通過光合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制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產品，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。<br> 本人于 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后研究，在聆聽了浙江大學岑可法院士來學校所做的關于能源利用技術的學術報告后，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后的研究方向。時光荏苒， 17年悄然已過，本人在生物質熱解領域從啟蒙到了解，從小試到中試，再從中試到示范，一直沒有停止對該項技術的探索和創新。<br> 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朱清時院士。朱清時先生于 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面所做的工作。為支持和加快學校在生物質能領域的研究，朱先生于 2001年發起成立了中國科學技術大學生物質潔凈能源實驗室，并親自兼任實驗室主任。朱先生除了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家 973計劃等重大項目。朱先生對科學與真理的執著追求，一直深深地影響著本人。<br> 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<br> 祥院士。先生每當獲悉本人在生物質熱解研究方面取得的進展時，總是給予勉勵。在本人的生物質熱解液化技術第一次產業化示范開始不久，先生于 2007年 5月蒞臨現場指導，并欣然命筆題詞：“官產學研結合，發展生物質可再生能源”。<br> 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、轉化率高和無污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，本人基于多年的研究積累撰寫了本書。全書內容共 7章，分別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了一套完整的生物質熱解技術體系，但在生物質熱解機理方面的敘述還不夠深入，在生物質熱解技術方面的敘述還不夠深刻。如果本書能夠對讀者有所啟發，本人將感到莫大的欣慰。<br> 本書能列入“十二五”國家重點圖書出版規劃項目《 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。<br> 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，期間共計發表了 27篇學術論文， 2010年畢業時榮獲中國科學院院長優秀獎。他承擔了本書五分之二的編寫工作。<br> 中國科學技術大學生物質潔凈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于本書的編寫給予了大力支持和熱情幫助。在此謹向他們表示衷心的感謝！<br> 在本書的編寫過程中，作者廣泛參考了國內外已出版和發表的相關資料。在此對本書所借鑒的研究成果的完成者表示衷心的感謝！<br> 本書研究成果是在過去十余年時間內持續攻關取得的，研究工作得到了國家 973計劃（2007CB210203和 2013CB228103）、國家 863計劃（2012AA051803）、國家科技支撐計劃（ 2007BAD34B02）、國家自然科學基金（ 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。在本書編寫和出版過程中獲得了同行專家和科學出版社編輯的很多鼓勵和幫助，在此一并致以深深的謝意！<br> 限于編者水平，書中難免存在不足之處，懇請讀者不吝賜教。<br> 朱錫鋒 <br> 2014年 4月<br> <br> 目錄<br> 《21世紀新能源叢書》序前言第 1章概述 .... 1 <br> 1.1 能源的基本概念 ............................................................. 1 <br> <br> 1.2 綠色植物光合作用 .............. 3 <br> <br> 1.3 生物質資源與分類 ................................................................... 6 <br> <br> 1.4 生物質的物理性質 ........................................................... 10 <br> <br> 1.4.1 生物質的含水率 ..........................................10 <br> <br> 1.4.2 生物質的密度 ..............................................................................10 <br> <br> 1.4.3 堆積角、內摩擦角和滑落角 ..........................................................11 <br> <br> 1.4.4 生物質炭的機械強度 ....................................................................12 <br> <br> 1.4.5 生物質的比表面積 ............................13 <br> <br> 1.4.6 生物質的孔隙率 .........13 <br> <br> 1.4.7 生物質的比熱容 ..........................................................................13 <br> <br> 1.4.8 生物質的導熱系數 .......................................................................13 <br> <br> 1.5 生物質的燃料特性 .............................................................................. 14 <br> <br> 1.5.1 生物質的燃燒 ..............................................................................14 <br> <br> 1.5.2 生物質的發熱量 ..........................................................................15 <br> <br> 1.5.3 生物質燃料的化學當量比 ..............................................................17 <br> <br> 1.6 生物質能源轉換技術 .......................................................................... 18 <br> 參考文獻 ............... 22 <br> 附錄 1-1我國農作物秸稈資源及其分布 ..... 22 <br> 附錄 1-2固體生物質燃料全水分測定方法 ................................................ 27 <br> 第 2章生物質的組成與結構 ................... 30 <br> <br> 2.1 生物質的組成和結構 ............. 30 <br> <br> 2.2 生物質的元素分析 ....................... 36 <br> <br> 2.3 生物質的工業分析 .............. 41 <br> 參考文獻 ......... 47 <br> 附錄 2-1纖維素聚合度的測定方法及常見生物質原料的組成成分 ............. 48 <br> <br> 附錄 2-2常見生物質原料的分析結果 ....................................................... 56 <br> <br> 第 3章生物質的熱解原理 .........................................................................