生物质能工程》复习提纲

《生物质能工程》复习提纲

1、什么是生物质能源？

2、什么是新能源？

3、什么是可再生能源？

4、什么是常规能源？

5、生物质能是可再生的。虽然生物质能是人类应用很久的一种古老的能源，但在能源分类中将其划为新能源。

6、生物质：广义上讲，生物质是各种生命体产生或构成生命体的有机质的总称；

7、生物质所蕴含的能量称为生物质能。

8、：生物质是指通过光合作用而形成的各种有机体，包括所有的动植物和微生物。而所谓生物质能（Biomass Energy ），就是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，取之不尽、用之不竭，是一种可再生能源，同时也是一种可再生的碳源。生物质能的原始能量来源于太阳，所以从广义上讲，生物质能是太阳能的一种表现形式。

9、

10、生物质原料类型

（1）按分布分：水生 和 陆生 生物，及其代谢产物；

（2）按原料化学性质分：糖类、淀粉、纤维素、脂类、烃类；

（3）按原料来源分：农业生产废弃物、薪柴、农林加工废弃物、人畜粪污、工业有机废弃物、能源植物。

11、生物质资源的特点

（1）环境污染小；（灰分、N、S含量低，C闭合循环。）

（2）生物质能蕴藏量、分布广；

（3）可再生；

（4）能量密度低；

（5）重量轻、体积大，运输不便；

（6）易受风雨雪火等外界因素影响，贮存不便；

12、生物质的化学组成

糖类和淀粉主要由葡萄糖单糖或多糖组成。

农作物秸秆的主要化学元素组成：

C：40~46%；H：5~6%；O：43~50%；N：0.6~1.1%

S：0.1~0.2%；灰分：3~5%；P：1.5~2.5%；

K：11~20%；

薪柴的化学元素组成：

C：49.5%；H：6.5%；O：43%；N：1%；灰分：﹤1%

    此外，生物质中还含有一定量的水分以及Si、Ca、Fe、Al等矿物元素。

13、生物质燃料的热值

高位热值：1kg生物质完全燃烧所放出的热量；

气化潜热：水分在燃烧过程中变为蒸汽（燃料中H燃烧时也生成水蒸汽），吸收的热量；

低位热值：高位热值－气化潜热

计算生物质发热量，一般取低位热值。

14、农作物资源估算是在农作物产量的基础上，以草谷比计算。

15、薪柴资源量估算

（1）森林才伐木和木材加工剩余物，可用作燃料量按原木产量1/3估算；

（2）薪炭林、用材林、防护林、灌木林等按林地面积统计放柴量；

（3）四旁树（田、路、村、河）的剪枝，按树木株数统计；

16、人畜粪便资源

    以人口数、畜禽存栏数、年平均排泄量为基础进行估算；并考虑成幼系数

按类型（如湿地、岭坡、山间、草原等）及产量进行叠加统计。

17、纤维素类生物质资源

纤维素类生物质资源主要由：纤维素、半纤维素、木质素 构成；

植物细胞壁中的纤维素和木质素通过共价键连接成网络结构，纤维素束镶嵌在其中。

18、农作物秸秆（万吨）

表2-10 1998年我国秸秆消费流向

图2-4 我国2001年农作物秸秆资源分布

秸秆焚烧：效率低、环境污染、浪费资源、影响交通；

19、禽畜粪污

我国主要禽畜粪污源为猪、牛、鸡。

图2-7 2000年全国畜禽粪便可获得资源实物量为3.2亿吨。

图2-8 河北、山东、河南、四川等地资源量多。

近年来，畜禽养殖业逐步向规模化、集约化发展。

全国60%以上的养殖场粪污未经处理直接排放，造成水体、土壤、空气等严重污染，畜禽养殖粪污污染已成为我国大污染源！

养殖粪污一般用作肥料，仅西藏、青海、宁夏、内蒙古等地将其风干，作为燃料使用。

采用“厌氧+好氧”技术进行处理，是目前粪污处理的发展方向。

20、城市有机垃圾

2001年我国生活垃圾清运量1.18亿吨，按年增长10%左右计算，至2010年，将达到2.3亿吨。

表2-12 我国生活垃圾清运量历史数据（至2000年）

表2-13 我国典型城市生活垃圾的组成

城市生活垃圾的处理途径：堆肥、填埋、焚烧、厌氧发酵、发电、养蚯蚓。

21、工业有机废弃物

分为工业有机固废和有机废水两类。

主要来自木材加工、造纸、制糖、粮食加工等，包括木屑、树皮、蔗渣、谷壳等。

22、糖类原料资源

主要用来生产燃料乙醇

研究及应用多的为甘蔗。（巴西，美国）

我国甘蔗主要分布在 云南、广西、广东，占全国产量90%以上。

甜菜、糖蜜废水也是重要资源。

23、植物，其化学能来源于太阳能——取之不尽、用之不竭，环保可再生。

24、能源植物的内容

通常包括：速生薪炭林、含糖或淀粉类植物、产油植物，可供发酵或产油的藻类及其他植物等。

广义上讲：光和、生物量大，直接用于提供能源为目的的植物。

25、按植物中主要物质化学类别分：

（1）糖类能源植物；

（2）淀粉类能源植物；

（3）纤维素类能源植物；

（4）油料能源植物；

（5）烃类能源植物；（续随子、绿玉树等）

26、光合作用

光合作用的初产物为葡萄糖，生物质是初产物及其各类衍生物的总称，包括：糖类、淀粉、纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质、脂肪等；

（1）光合作用机理

6CO2+3H2O+太阳能→ → C6H6O5+O2→ → n（C6H6O5 ）（生物质）

（2）生物质能原理用则是其逆过程：

n（C6H6O5 ）（生物质） → → →CO2+H2O+能量

（3）光合效率

图2-10 光合作用过程中能量损耗（25℃）

终净光能利用效率不到5%！

27、能源植物的品种改良技术

（1）杂交育种；

（2）物力诱变育种；

    离子注入诱变；太空育种；物力高压育种；

（3）化学诱变育种；

（4）细胞工程；

（5）基因工程；

28、重要能源植物

（1）甜高粱；

（2）能源甘蔗；

（3）油料植物

草本油料：大豆、油菜、花生、棉籽、向日葵、芝麻；

木本：油棕榈、黄连木、油桐、麻风树（小桐子）、桉树、光皮树、油茶、橄榄等；

产油藻类。

（4）石油植物

桉树、大戟科乔木、苏木科油楠属、霍霍巴、马尾松、苦配巴、香槐、黄鼠草等；

（5）草本植物

芒属作物。（芒草）

29、薪炭林

（1）薪炭林的类型

a、短轮期平茬采薪型（纯薪型）；3~5年一个轮伐周期；

b、柴薪型；用材树（1/5）与薪柴树（4/5）混种；

c、薪草型；林业与畜牧业相结合；

d、薪材经济型；生产燃料同时兼收果、核、种子、叶等；如山杏，沙棘 等；

e、头木育新型；路、河、沟、塘边种植萌生力强的乔木，每4~5年砍伐一次，获薪柴及木材；如桉树、刺槐、铁刀木 等；

（2）发展薪炭林的途径

a、人工营造；b、封山育林；c、改造残次林；d、退耕还林；

30、生物质燃料的特点：

（1）含碳量较少；（2）含氢量稍多；

（3）含氧量多； （4）密度小。

31、生物质燃料的燃烧过程

    强烈的放热化学反应；

    燃料、热量和空气供给；

    连锁反应过程。

生物质的燃烧过程如图3-1所示，可以分作：预热、干燥（水分蒸发）、挥发分析出和焦炭（固定碳）燃烧等阶段；

C的燃烧，根据O2量的不同，会产生下列2种反应：

    C+ O2==CO2+408.86kJ

    2C+ O2==2CO+246.45kJ

当温度较高（超过700℃）时，生成的CO向外扩散，遇O2再燃烧：

    2CO+ O2==2CO2+570.87kJ

水煤气（生物质气化）反应：C+2H2O==CO2+2H2    C+2H2O==CO+H2    C+2H2==CH4

32、产生火焰的燃烧分为两个阶段：挥发分析出燃烧和焦炭燃烧，前者约占燃烧时间10%，后者占90%；

生物质燃料在燃烧过程种的特点：

（1）温度较低时挥发分分解即非常活跃，空气供应不足易造成黑烟或黄烟；

（2）焦炭燃烧时，强通风会造成黑絮，降低燃烧效率；

（3）焦炭燃烧受到灰分包裹，易有残碳遗留。

（4）燃烧过程空气供给量变化较大，在炉灶中不易解决。

高密度的压缩成型生物质燃料，由于其压缩密实，限制了挥发分逸出速度，加之空气流通有一定的通道而比较均匀，燃烧过程较为稳定，可以改善燃烧状态。

33、炕连灶的综合热效率

旧式柴灶的热效率一般只有12%左右；

炕连灶的综合热效率一般为45%左右。

34、省柴灶与节柴炉

（1）省柴灶

a、设有灶箅与灰室；

b、设有可关的灶门；

c、燃料离锅底近，吊火高度小（12~400px）；

d、有拦火圈与回烟道；

e、增加灶体保温措施。

（2）节柴炉

通过增加二次进风道，增设附炉膛等措施，炉子效率。

35、旧式炕的改进

    一是改变炕洞的形式，让烟气在炕洞中迂回流动；

    二是尽可能减少支撑炕面的炕洞中砖的数量。

36、架空炕

    书上4个特点。

37、节能地炕

    热效率65%~70%。

38、锅炉燃用的生物质燃料

林业采伐的枝杈、不能成材的树木、木材加工和造纸厂废弃物、稻壳、蔗渣、农作物秸秆等。

39、燃用生物质锅炉的应用

（1）奥地利Arbesthal集中供热系统；

（2）巴西的锅炉燃用生物质发电；

（3）美国宾夕法尼亚州Viking木材发电厂。

40、什么是沼气？

41、沼气的发展历史？

42、沼气的来源有什么？有什么用途？

有机物在厌氧和其他适宜条件下，经沼气发酵微生物分解代谢，产生以CH4和CO2为主的混合气体，称为沼气。

沼气发酵是一个由多种类群细菌参与完成的，通过分解有机物并产生以CH4和CO2为主要产物的，复杂的微生物学过程。

热利用、光利用、肥料利用、生防制剂利用。（综合利用）

43、19世纪人们就知道沼气的产生是一个微生物学过程；

1965年美国微生物学家Hungate教授创立了严格厌氧微生物培养技术，人们逐步开始认识到沼气发酵的本质（微生物学原理）：沼气发酵过程由多个生理类群的微生物在无氧条件下共同参与完成，是微生物为适应缺氧环境，利用不同类群的不同分解作用，构成完整的生化反应系列，逐步将有机质降解，终形成甲烷、氢气和二氧化碳，即沼气。

44、沼气的理化性质

混合气体，无色，略有臭味，主要成分见表4-1，其中CH4占总体积50%~70%，CO2占25%~45%，除此之外还有少量的H2、N2、H2S、O2、CO、NH3等。

45、厌氧沼气发酵的主要反应历程

（1）两阶段学说：1936年由Barker提出，简要描述了沼气的发酵过程，该理论认为沼气发酵可分为两个阶段，即产酸阶段和产甲烷阶段；

（2）三阶段理论和四阶段理论

1979年，Bryant等人提出，将沼气发酵过程分成由三大代谢类群微生物引起的三阶段理论，即水解阶段、产酸阶段和产甲烷阶段；

与Bryant等人提出三阶段理论同时，Zeikus等人提出了沼气发酵四阶段理论，该理论在三阶段理论的基础上增加了耗氢产乙酸过程，即由耗氢产乙酸菌把H2和CO2转化为乙酸（CH3COOH），形成了：水解阶段、发酵（或酸化）阶段、产乙酸阶段、产甲烷阶段；

46、沼气发酵的微生物类群

（1）发酵性细菌

水解纤维素、蛋白质、脂类为可溶性糖类、肽、氨基酸和脂肪酸等。

水解菌（大多为厌氧菌，也有兼性菌）：梭状芽孢杆菌、拟杆菌、丁酸菌、嗜热双歧杆菌、产气梭状芽孢杆菌、产琥珀酸梭状菌、北京丙酸杆菌和产氢螺旋体等。

（2）产氢产乙酸菌

将上述分解物（主要为有机酸）进一步分解为乙酸、H2和CO2

（3）耗氢产乙酸菌

将H2和CO2合成为乙酸，以及代谢糖类产生乙酸。

（4）产甲烷菌

甲烷形成是由一群生理上高度专化的细菌——产甲烷菌所引起的。产甲烷菌是厌氧消化过程中所形成的食物链中的后一组成员。

将乙酸和H2/CO2转化为沼气。

47、沼气发酵工艺条件

（1）严格厌氧环境

（2）发酵温度（8 ℃ ~65℃），发酵温度对沼气发酵产气效率的影响如下图：

  ，其中

常温：15~30 ℃

中温：35 ℃左右

高温：55 ℃左右

（3）发酵原料

粪便、秸秆等农业有机废弃物及酒糟、糖渣、高浓度有机肥水等工业有机废弃物。

基本概念：TS、VS、灰分（图4-3）。

（4）料液浓度（以TS浓度计算）

6%~12%，南方偏低、北方偏高，夏天偏低、冬天偏高。

（5）酸碱度

沼气微生物适宜的pH值范围是6.8~7.5。

（6）产气量、产气速度、产气率

产气量：完全分解产生沼气的总量（产气潜力），m3；

产气速度：单位时间的产气量，m3/h；

产气率：单位时间、单位体积的产气量， m3/h·m3

（7）C、N、P等营养元素比例

    C：N一般（20~30）：1为佳；

    C：N：P比例以10：4：0.8为宜。

（8）添加剂和抑制剂

（9）搅拌

（10）接种物（正常发酵沼气池发酵液、阴沟底泥或自行培养等厌氧环境下的微生物体系。）

48、小型户用沼气池发展历史及现状

    起步阶段：20世纪初，罗国瑞式水压沼气池；

    探索阶段：20世纪70年代；

    发展阶段：20世纪80年代；

    推广沼气综合利用阶段：20世纪90年代至今。

49、小型沼气池类型（按集气方式分类）

    （1）水压式沼气池

    （2）浮罩式沼气池

    （3）气袋式沼气池

50、沼气发酵原料

  （1）富氮原料：主要指人、畜和家禽粪便，C/N小于25：1；

  （2）富碳原料：主要指农作物秸秆，C/N 30：1以上。

       原料收集、预处理（铡短或粉碎、堆沤）、配料（调节C/N、TS浓度等）。

51、小型沼气池发酵工艺类型

   （1）半连续投料沼气发酵

   （2）分层满装料沼气发酵

   （3）批量投料沼气发酵

   （4）干发酵工艺（TS：20%~30%）

   （5）两步发酵工艺（产酸、产甲烷阶段分离）

52、小型沼气池配套设施

（1）输配气系统

    输气管、集水器、三通、弯头、接头、脱硫器、压力计等。

（2）沼气炊具

    灶具、灯具等。

53、安全使用小型沼气设施

 （1）进入沼气池前后注意事项

    通风、严禁使用明火、防止砸伤。

 （2）平时使用沼气注意事项

 （3）日常注意事项

本部分内容可参考书上相关内容及上课讲述与视频内容。

54、大中型沼气工程：是指发酵装置或日产气量具有一定规模的沼气发酵系统。

       参考农业部标准：《NY-T 667-2003 沼气工程规模分类》

       大型沼气工程：300m3以上

       中型沼气工程：50m3~300m3

       小型沼气工程：20m3~50m3

55、大中型沼气工程现状与发展（大中型厌氧反应器类型及发展历程）：

   早：单罐发酵，效率低；

   20世纪40年代：澳大利亚，连续搅拌反应器（Continuously Stirred Tank Reactor, CSTR）；

20世纪50年代：美国，Coulter、斯坦福大学P. L. McCarty等，厌氧滤池（Anaerobic Filter, AF），采用卵石等填料，具有里程碑式意义；

   1971~1978年：荷兰Wageningen大学Lettinga等人，式厌氧活性污泥反应器（UASB）;

   20世纪80年代后期：荷兰Wageningen大学环境系，膨胀颗粒污泥床反应器（expended granular sludge bed, EGSB）;

荷兰Paques公司，内循环反应器（internal circulation, IC）；

    加拿大人Guiot1984年研制出污泥床过滤器（Upflow Blanker Filter, UBF）；

目前国际沼气工程研究推广应用的发展方向：“沼气发电、余热升温、中温发酵、无储气罐、自动控制、加氧脱硫、沼液施肥、综合利用”

56、活性污泥的概念：活性污泥是微生物群体及它们所依附的有机物质和无机物质的总称。

微生物群体主要包括细菌，原生动物和藻类等，活性污泥基本概念 是由1912年英国人Clark and Cage发现对废水进行长时间曝气会产生污泥并使水质明显改善，其 后Arden and Lackett进一步研究，发现由于实验容器洗不干净，瓶壁留下残渣反而使处理效果提高，从而发现活性微生物菌胶团，定名为活性污泥而来。 活性污泥中复杂的微生物与废水中的有机营养物形成了复杂的食物链。 

57、关于沼气工程的几个基本概念：

HRT，水力滞留时间

SRT，污泥（固体）滞留时间

MRT，微生物滞留时间    

58、常用厌氧消化器

（1）高速消化器（连续搅拌反应器，CSTR）

    图4-28

    恒温连续或半连续投料，HRT15d，常用的厌氧反应器

（2）接触式厌氧工艺

    图4-29

主要用于处理生活污水和工业有机废水，该反应器增加了微生物和废水之间的接触反应，这从根本上解决了控制污泥停留时间的问题，提高了发酵效率，减少了占地面积和投资。

特点是采用污泥沉淀和回流循环。

（3）厌氧过滤器（AF）

    图4-30

    通过微生物在惰性填料的表面积上形成微生物膜的方法来微生物的滞留时间。

    填料一般为不溶解、不腐烂、耐生物降解、比表面积大、填充后空隙率高、、来源广泛的物料，如卵石、炉渣、陶瓷、塑料等。

（4）式厌氧污泥床（UASB）

    图4-33

反应器上部安装有“三相分离器”

（5）两步法厌氧消化器

水解酸化阶段 —— 产甲烷阶段相分离，于两个反应期内进行

（6）其他反应器类型

干发酵、UBF、ABR、EGSB、IC

59、大中型沼气工程设计

（1）明确工程目标

    达标排放？单产沼气？沼气发电？热电肥联产？综合利用？

（2）工程设计注意事项

工程投资；重视沼气、沼液、沼渣综合利用；把实用性与高指标相结合。

（3）工程设计内容

  a、工程设计依据和内容

    国家颁布的沼气相关标准、法规

  b、总体布局设计

  c、工艺流程设计

  d、装置的选型与设计

预处理、中间阶段、后处理阶段

e、输气系统的设计

f、储气罐设计（浮罩式、压力罐式）

g、沼气脱硫

h、安全生产

（4）沼气工程反应器的设计

    微生物学、化工原理、传热学、流体力学、机械原理……

（5）大中型沼气工程系统的启动

A、选择接种物

B、菌种的驯化富集

C、启动运行

（6）大中型沼气工程运行管理

参见书上相关内容。

60、沼气系统综合利用的原理及途径

营养元素（N、P、K）、微量元素（Fe、Mn、Mg、Cu、Se……）、维生素（VB）、氨基酸、各种水解酶类（淀粉酶、脂肪酶、纤维素酶、蛋白质酶等）、植物激素（吲哚乙酸）、抗生素、腐殖酸……

能源、肥料、添加剂、生防制剂

生活、生产、养殖、种植、农产品加工……

炊事、照明、有机肥料、改良土壤、养猪、水产养殖、浸种、防治病虫害、栽培食用菌、无土栽培、花卉保鲜、果品储藏……

61、以沼气为纽带的生态模式

（1）北方农村“四位一体”能源生态模式

温室——沼气——养殖——种植

（2）西北地区“五配套生态果园”模式

    西北农林科技大学 邱凌 教授。

    沼气池——猪舍——厕所——水窖——滴灌系统

（3）南方“猪—沼—果”、“草—牧—沼—果”、“猪—沼—稻—鱼”农业生态模式

    江西赣州、江西泰和、湖南

（4）其他

“猪—沼—酒”、“三位一体（一池三改）”

沼气生态模式的核心及根本：养殖——沼气——种植

62、沼气及沼气工程相关国家标准及法规

63、沼气系统综合利用方式

沼气：气调储藏果蔬、沼气做内燃机燃料、温室气肥、孵卵、照明、炊事、诱捕……

沼液、沼渣：饲料添加剂、浸种、育秧、沼液喷肥、沼渣施肥改土、养鱼、养殖蚯蚓、种蘑菇……

64、生物质固化成型的概念：将分布散、形体轻、储运困难、使用不便的纤维素生物质，经压缩成型和炭化工艺，加工成燃料，能提高容重和热值，改善燃烧性能，称为商品能源。这种技术称作“生物质压缩成型燃料技术”，也称作“压缩致密成型技术”或“致密固化成型技术”。

65、生物质成型原料主要有：锯末、木屑、稻壳、秸秆等纤维素类原料；

纤维素类生物质包含：纤维素、半纤维素、木质素（占植物体成分2/3以上）。

    纯纤维素程白色，密度1.5~1.56g/cm3，比热0.32~0.33kJ/（kg·K）；

    半纤维素，穿插于纤维素和木质素之间，结构复杂，酸性、加热条件下能发生水解，产物为单糖；

    木质素，是一类以苯基丙烷为骨架，具有网状结构的无定形高分子化合物，不同植物木质素含量、组成不尽相同。木质素不易溶于水及任何有机溶剂，非晶体，没有熔点，70~110℃左右软化，黏合力增加，此；200~300 ℃时软化程度加剧，施加一定压力，无需黏结剂，即可得到与挤压模具形状一致的成型燃料。

66、生物质成型的原理

    一般植物在10%左右以下含水率时，需施加较大的压力，使其非弹性或黏弹性的纤维分子之间相互缠绕、胶合，进而固化成型；

对于木质素等黏弹性组分含量较高的原料，若温度达到木质素的软化点，则可施加一定的压力，制备成型燃料；

    被粉碎的生物质粒子，在外力和黏结剂的作用下，重新组合成具有一定形状的生物质成型块。

67、压缩成型的工艺类型

根据主要工艺特征的差别，可划分为湿压成型、热压成型、炭化成型三种基本类型；

 （1）湿压成型

 湿压成型燃料块密度较低，设备简单，易操作，但部件磨损较快，烘干费用高，且多数产品燃烧性能较差。

（2）热压成型

热压成型机械主要有：螺旋挤压成型机、机械（液压）驱动活塞式成型机，如图5-4、图5-5；

（3）炭化成型工艺

        将生物质原料炭化或部分炭化，然后再加入一定量的黏结剂挤压成型；若不使用黏结剂，成型燃料容易破损、开裂；

68、生物质成型常用黏结剂

为了使成型块在运输储存和使用时不致破损、开裂，并具有良好的燃烧性能，理想的黏结剂能够成型块具有足够的强度和抗潮解性，并且在燃烧时不产生烟尘和异味，好黏结剂本身也可以燃烧。

常用的黏结剂分无机、有机和纤维类三种；

无机的包括：水泥、黏土、水玻璃等（灰分增大，热值降低）；

有机的包括：焦油、沥青、糖浆（30%）、树脂、淀粉（4%）等，有异味。

 纤维类包括：废纸浆、水解木纤维等工业废弃物。

69、生物质压缩成型及炭化工艺类型

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70、生物质压缩成型工艺流程

71、国内外常见的成型机技术主要包括三大类：

 螺旋挤压技术、活塞冲压技术、压辊式成型技术；常用前2种。

72、成型生物质燃料的物理特性及燃烧性能

 （1）密度

        提高几倍乃至几十倍，至1.1~1.4t/m3，形状规则，便于储存运输

（2）热值

        16300~20900kJ/kg，表5-2 不同成型燃料的性能指标

 （3）强度

        轴向压缩大破坏载荷可达几吨至十几吨，横向压缩大破坏载荷为0.26~0.98t，与生物质原料相比，强度大幅提高。

 （4）吸湿性

        无论哪种生物质成型燃料都不能直接和水接触，否则会很快膨胀、软化、松散。

（5）燃烧性能

        a、成型燃料密度大，从而限制了挥发物的逸出速度，延长了挥发物的燃烧时间；

        b、成型燃料质地密实，炭燃烧更加完全充分；

        c、整个燃烧过程O2的供应趋于平衡，燃烧，过程稳定；

73、影响生物质成型燃料制备的主要因素

   （1）原料含水率

        过高则加热时产生大量水蒸气，造成表面开裂，严重时产生爆鸣；太低时因水分对木质素具有软化、塑化的作用，则生物质难以成型。

        表5-4 原料含水率对成型的影响，一般在6~12%。

   （2）成型温度

        表5-5 温度对不同物料成型的影响，木屑240~260℃，秸秆220~260 ℃；

（3）原料种类

   （4）原料粒度

粒径越小，形变越大，越有利于压缩，通常要求原料粒径小于5mm

（5）成型压力与模具尺寸

    图5-15 生物质颗粒压缩成型过程

74、乙醇的理化性质

        做燃料是称为燃料乙醇，分子式：C2H5OH，CH2CH3OH，偏酸；

        无色，透明，易流动，具有特醇香，辛辣，刺激性强，易挥发，易燃烧，可与水互溶，爆炸极限3.5%~18%（体积分数）；

        相对密度0.79，沸点78.3℃，凝固点-130 ℃，燃点424 ℃，高位热值26780kJ/kg；

        根据浓度和杂质含量高低，可分为4种类型：

      1、高纯度乙醇，浓度≥96.2%，中性，无杂质，、电子、试剂；

      2、精馏乙醇，浓度≥95.5%，杂质少，、化工；

      3、医药乙醇，浓度≥95%，杂质少，医药及酒类生产；

      4、工业乙醇，浓度达到95%，无其他要求，燃料，稀释剂；

75、乙醇的用途

    1、化学工业：重要的化工品原料，用来制造合成橡胶、冰醋酸、乙醚、有机酸、酯类等；

    2、工业：参与制造炸药、雷汞；

    3、农业：用于制造农药；

    4、医药工业：医疗消毒、药剂生产；

    5、溶剂工业：常用的有机溶剂，广泛用于香料、燃料、树脂、油漆等生产；

    6、食品工业：配制、加工多种饮料酒；

    7、燃料工业：工业锅炉燃料；作为汽油添加剂，或部分替代汽油，供发动机使用；

76、乙醇生产的主要方法

        乙醇生产的方法可概括为两大类：发酵法和化学合成法；燃料乙醇生产以发酵法为主；

（1）发酵法生产乙醇

    发酵法生产乙醇：利用微生物，主要是酵母菌，在无氧条件下将糖类、淀粉类或纤维素类物质转化为乙醇的过程。

    根据发酵原料不同，发酵法又可分为：淀粉质原料生产乙醇、糖质原料生产乙醇、纤维素类原料生产乙醇、工业废液生产乙醇；

    纤维素              淀粉（多糖）             糖类              乙醇

（2）化学合成法生产乙醇

        用石油裂解产生乙烯合成，有乙烯直接水合法、硫酸吸附法和乙炔法；

        CH2=CH2+H2O             C2H5OH

77、用于乙醇生产的主要原料

  （1）淀粉质原料

     甘薯（又名地瓜、红薯）、木薯、玉米（×）、马铃薯（土豆）、大麦（×）、小麦（×）、大米（×）、高粱（×）；

  （2）糖质原料

        甘蔗、甜菜、糖蜜；

  （3）纤维素类原料

        所有植物，是地球上有潜力的燃料乙醇（生物质能）资源；

  （4）其他原料

        纸浆废液、淀粉渣、食品工业副产物（果皮、蔗渣等）。

78、乙醇发酵的生化反应过程

      1、水解反应

       （1）淀粉原料的水解反应

（C6H10O5）n           α-1，4-寡聚葡萄糖             nC6H12O6（葡萄糖）

       （2）纤维素类原料的水解反应

（C6H10O5）n（纤维素）           β-1，4-寡聚葡萄糖              nC6H12O6（葡萄糖）

（C5H8O4）m（半纤维素）              mC6H12O6（木糖）

      2、糖酵解

      乙醇发酵过程实质上是酵母等乙醇发酵微生物在无氧条件下利用其特定酶系统所催化的一系列有机质分解代谢的生化反应过程。反应底物可以是糖类、有机酸或氨基酸，其中重要的是糖类，包括五碳糖和六碳糖。

      由葡萄糖降解为丙酮酸的过程称为糖酵解，包括四种途径：EMP途径、HMP途径、ED途径和磷酸解酮酶途径，其中EMP途径重要，一般乙醇生产所用的酵母菌都以此途径发酵生产乙醇。

79、乙醇发酵的微生物学基础

    1、菌种的概念

    在发酵工业中，菌种的概念就是能够在控制条件下，按工艺设计的速率和产量，转化或生产设计产品的某种微生物。

    与沼气发酵不同，乙醇生产工艺过程中所采用的微生物菌种是纯培养菌种，也就是说水解和发酵两阶段所使用的微生物都属于单一菌种。

    乙醇工业常用的微生物主要有二种：一种是生产水解酶（淀粉酶或纤维素酶）的微生物，一般为霉菌；另一种是乙醇发酵菌种，降解糖类生成乙醇，一般是酵母菌或细菌。

    2、淀粉酶生产

    淀粉原料乙醇生产采用的糖化剂主要是淀粉酶，是由微生物发酵生产，俗称“曲”；“曲”又分为“麸曲”和“液体曲”。

    生产淀粉酶微生物称糖化菌，一般为曲霉菌。主要有米曲霉、黄曲霉、乌沙米曲霉、甘薯曲霉、黑曲霉等；曲霉是好氧菌。

3、纤维素酶生产

    大部分细菌不能分解晶体结构的纤维素，但有些霉菌（如木霉），能分泌水解纤维素所需的全部酶，研究和应用多的是里氏绿色木霉。

    纤维素酶生产是高度需氧的过程。

    为防止微生物污染，接种发酵钱应对发酵罐和辅助设备进行灭菌消毒，典型的消毒条件为121℃蒸汽处理120min。（巴氏灭菌法）

    牛奶：62-65℃，保持30min；75-90℃，保温15-16s。

    4、乙醇发酵菌

    能进行乙醇发酵的微生物种类很多，包括酵母菌、霉菌和细菌，其中常用的是酵母菌。

    酵母菌是一种兼性厌氧微生物，单细胞，以出芽繁殖为主，细胞形态有圆形、椭圆形或卵形。

    乙醇发酵的一个重要问题就是选育具有优良性能的酵母。

    酵母生长适宜温度28~35 ℃，pH5.0~5.5

80、乙醇发酵的工艺类型

    按发酵过程物料存在状态，发酵法可分为固体发酵法、半固体发酵法和液体发酵法；

根据发酵醪液注入发酵罐方式不同，可分为间歇式、半连续式和连续式三种。

目前，固体发酵和半固体发酵在我国主要用于白酒生产，燃料乙醇现代大生产中多采用液体发酵。

81、间歇式发酵法

    概念：指全部发酵过程始终在一个发酵罐中进行。根据发酵罐容量和操作工艺不同，又可细分为以下几种方法：

        1、一次加满法

        将糖化醪冷却到27~30℃后，接入10%酒母，混合均匀，发酵60~72h，即成熟；

        适用于小型乙醇工厂，操作简便、易于管理，但酒母用量过大。

        2、分次添加法

        生产时先打入发酵罐容积1/3左右糖化醪，接入10%酵母发酵，隔2~3h后，加入第二次糖化醪，再隔2~3h，加入第三次糖化醪，直至加到发酵罐容积90%为止。

        3、连续添加法

        适用于连续蒸煮、连续糖化的乙醇生产厂；

        根据发酵效率及生产能力，确定流加速度。

4、分割主发酵醪法

        适用于卫生管理较好、无菌要求较高的乙醇工厂；

        将处于旺盛主发酵阶段的发酵醪分出1/3~1/2至第二罐，然后两罐同时补加新鲜糖化醪，继续发酵；待第二罐发酵正常，又处于主发酵阶段时，同法再分出1/3~1/2至第三罐，并补充新鲜糖化醪至第二、三罐；以此类推……（倒罐）

        优点：省去了酒母制作过程，相应的减少了酵母生长的前发酵期。

82、半连续发酵

        指主发酵阶段采用连续发酵，后发酵则采用间歇发酵的方式；

        根据醪液的流加方式不同，又分为两种：

        1、一组发酵罐相连，使个罐保持连续发酵状态。P224.

        2、由7~8个罐组成，各罐用管道从上部通入罐底相串联。P224.

83、连续发酵

       多级连续发酵是把发酵过程的不同阶段，分别放在不同的发酵罐中进行。 

为各发酵罐相对稳定条件的建立，对于每个发酵罐中的营养、物质成分，满足：

                     流入 = 消耗 + 流出

        连续发酵工艺： （P226）

        1、循环连续发酵法

        将9~10个罐连成一组，各罐连接方式是从前罐上部流入下罐底部，循环发酵。

        2、多级连续发酵法

        与循环连续发酵法类似，也是用9~10个发酵罐串联，组成发酵系统，料液添加方式也相同，但只在罐中流加糖化醪，并使之处于主发酵状态，从而了酵母菌生长繁殖的优势，拟制了杂菌生长。

        目前我国淀粉质原料连续发酵制乙醇基本上是利用上述方式进行。

        3、双流糖化和连续发酵

        特点是将蒸煮醪按两种糖化方法进行。图7-7。 P227.

84、连续发酵的优点：

      （1）提高了设备利用率；

          15d左右清洗一次罐体（间歇3d），利用率提高20%。

      （2）提高了淀粉利用率；

          发酵醪液始终处于流动状态，提高了出酒率。

      （3）省去了酒母工段；

          15d左右接种一次酒母（间歇发酵1d就要培养几次酒母）。

85、淀粉质原料的乙醇生产

        基本工艺：

        P228. 图7-8 典型的淀粉质原料乙醇生产工艺流程示意图。

86、原料粉碎

        破坏植物组织，使淀粉从植物细胞中释出。

        干粉碎 和 湿粉碎。粉碎机械。

87、蒸煮糊化

      1、原理及作用

        淀粉是一种亲水胶体，与水接触，水就由渗透膜而进入到淀粉颗粒里面，淀粉颗粒因吸水而膨胀，体积扩大，重量增加，若将吸水后的淀粉加热到60~80 ℃，其体积会随温度的升高而膨胀到50~100倍，此时分子间联系削弱，淀粉颗粒分开，工艺上称之为淀粉糊化。

        将淀粉质原料在吸水后进行高温高压蒸煮，目的是使植物组织和细胞破裂，原料内的淀粉颗粒因吸水膨胀而破坏，使淀粉颗粒变成溶解状态的糊液，易于受淀粉酶的作用，把淀粉水解成可发酵的糖。

        另外，经过高压蒸煮，对微生物和杂菌也起到杀灭作用。

      2、蒸煮糊化条件：150℃，压力300~600kPa，时间60~120min，其能量消耗站乙醇生产总能耗的20~30%。

      3、 蒸煮工艺：间歇蒸煮工艺、连续蒸煮工艺

         P230、P231. 图7-10、图7-11.

88、糖化工艺

        蒸煮醪不能直接被酵母菌利用发酵生成乙醇，进行糖化，即将蒸煮醪中的淀粉转化为可发酵性的糖。

        糖化过程所用的催化剂称为糖化剂（曲）。我国多采用曲霉作为糖化剂，欧洲各国则多采用麦芽作为糖化剂。曲分为麸曲和液体曲。此外还有采用酶制剂（如：淀粉酶）做糖化剂。

        糖化工艺：蒸煮醪加水稀释，加入糖化剂（曲，麸5~7%，液15~20%），60 ℃，20~30min。

89、乙醇发酵

    1、原理：

        C6H12O6                       2C2H5OH+2CO2

        乙醇发酵产物主要是C2H5OH和CO2，但同时也伴随着产生40多种发酵副产物，主要是醇、醛、酸、酯4大类。

90、乙醇发酵过程

  （1）前期发酵

   酵母菌繁殖增长期，温度一般不超过30 ℃，延续时间10h左右。

  （2）主发酵期

   酵母细胞大量形成，稳定生长，温度好30~34 ℃，这是乙醇酵母适宜生长温度，延续时间12h左右。

（3）后发酵期

   醪液中糖分被消耗殆尽，温度一般30~32 ℃，延续时间按40h左右。

   实际生产过程中以上三个阶段并没有明显的界限，并且随着糖化剂种类、酵母菌性能、接种量、发酵温度等诸多因素的影响，均有实际变化。

91、乙醇提取与精制

    1、原理

        发酵后醪液称为熟醪，其主要成分是乙醇和水，同时包括40多种杂质。乙醇的沸点78.3 ℃，水的沸点100 ℃，因此可利用蒸馏的方法将二者分离。

        图7-15 乙醇平衡浓度曲线

        图7-16 理想状态的乙醇连续蒸馏原理

    2、设备

        蒸馏塔。

    3、无水乙醇的生产方法

        普通蒸馏的酒精，不能作为汽油替代燃料，脱水至酒精含量99.5%以上（无水乙醇），并加入改性剂才能作为燃料乙醇。

       （1）化学反应脱水；加入生石灰（CaO）、无水氯化钙（CaCl2）、浓硫酸逆流吸附等；

       （2）分子分离脱水；A4型分子筛、半透膜 等；

92、植物油/动物油的用途：

        食用（直接食用、食品加工）、润滑、制皂、制造油漆、防腐、密封、医用……

93、生物柴油的概念：指以油料作物、油料植物和工程微藻等水生植物油脂，以及动物油脂、餐饮废油等可再生原料通过酯交换工艺制成的甲酯或乙酯燃料，这种燃料可供内燃机使用。 

94、植物油可以直接作为发动机燃料，1895年Rudlf Diesel 发明发动机，1900年巴黎博览会次展示时使用花生油作为燃料。

        但直接以植物油作为燃料，存在黏度高、十六烷值（CN）低、挥发性差、积炭、结焦等缺点。

95、植物油的理化性质

  （1）植物油脂的化学结构

植物油的来源是存在于植物生物器内的油脂，主要成分是偶碳原子的脂肪酸甘油酯，习惯上把常温液态、脂肪酸链上存在不饱和碳键的甘油酯称为油，常温为固态、碳链为饱和键的称为脂。其化学结构为：

（2）植物油的燃料特性

        表10-1 几种植物油的燃料特性

    a、热值

     按重量计一般为柴油热值的87%~89%，且随着脂肪酸链长度的增加而增加，随脂肪酸链中双键数的增加而减少，C、H元素含量越高，热值越大。

    b、十六烷值（CN）

     衡量燃料在压燃式发动机中燃烧性能好坏的重要指标 。

     过高则致使燃烧不完全，油耗增加，功率下降，冒黑烟；过低则发动机易爆震。

     高速柴油机使用一般应为45~60。植物油CN一般为35~40。

    c、黏度

燃料黏度大，会造成燃料雾化不良，油气混合不均匀，燃烧不完全。

     植物油的黏度一般比柴油高10~20倍以上，蓖麻油为柴油的100倍。

     任何对于油脂改性使其应用于发动机的方法，其主要目的都是降低植物油/动物油的黏度！！

    d、闪点（燃点）

     指油脂加热到一定温度后，蒸汽与空气自然混合，接触火源而闪光（持续燃烧）的低温度。

     闪点（燃点）是衡量燃料燃烧性能及运输、存储安全性的重要指标。

     柴油一般为60℃，植物油一般为234~293 ℃。

e、凝固点及熔点

     衡量油脂/燃料低温性能的指标。

    f、浊点

     当温度降低时，油脂/燃料发生浑浊时的温度。

96、植物油用作发动机燃料的方法

    （1）混合或稀释法

    20%的精炼（脱水、脱胶、脱酸、脱磷、除蜡、脱色加氢、酯交换等）油脂与80%柴油混合、稀释，可在不改变发动机内部结构和部件的情况下安全使用。

    另外，油脂与甲醇、乙醇、二甲醚等多种有机溶剂混合，也有用于发动机的报道，但长期使用，均存在积炭、结焦等许多问题。

（2）微细乳化

    体积分数：50%的2#柴油+25%的脱胶碱炼大豆油+20%正丁醇+5%乙醇，用于发动机，可无故障运行200h。

97、植物油的制取工艺

    1、压榨

    2、萃取

    3、抽提

4、精炼（图10-2），主要包括：脱水、脱胶、脱酸、脱磷、除蜡、脱色加氢、酯交换等。

   98、生物柴油生产原理

（1）脂肪酸甘油酯的酯交换反应

（2）脂肪酸的酯化反应

99、生物柴油生产工艺（方法）

  （1）化学法生物柴油生产工艺

    目前，工业生物柴油生产主要采用化学酯化、酯交换方法生产。

    主要流程分3步：预处理（原料除杂、脱水与催化剂配比、混合）、反应（酯化、酯交换）、提纯（洗涤、蒸馏、脱色、干燥）。

    酯化反应催化剂为酸（H2SO4），酯交换催化剂为碱（KOH）。

    图10-8、图10-9。

（2）生物法法生物柴油生产工艺

    所用催化剂为脂肪酶或产脂肪酶的微生物。

    图10-11 固定化脂肪酶连续酯交换工艺流程。

100、发展生物柴油的意义

    （1）有利于保障国家石油安全；

    （2）有利于生态环境保护；

    （3）有利于调整农业产业结构、促进农村经济发展；

    （4）有利于保障食品安全。

101、生物柴油原料

    （1）植物油

        a、草本

        b、木本

    （2）动物油脂

    （3）微生物油脂

        a、产油微生物（细菌、霉菌、酵母菌）

        b、藻类

生物质燃烧机；木屑颗粒机；模板破碎机；撕碎机；生物质气化站；铡草机；烘干机

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