生物质能是绿色植物将太阳能转化为化学能而储存在生物质内部的能量。发展高效生物质能部分替代化石能源，已成为世界各国保障能源安全的重要战略措施。然而，开发高效、环境友好、低成本的生物质能源技术并研究相关的理论依旧是亟待解决的国际性难题。在此背景下，《生物质能源技术与理论》系统、、深入地介绍了生物质能利用技术及理论，并通过工程案例对当前主流技术、相关机理、环境效益、政策法规以及发展趋势进行明晰的阐释。《生物质能源技术与理论》共分为五部分(11章)。部分(第1章)主要介绍《生物质能源技术与理论》的撰写背景和主要思路。第二部分(第2~8章)主要介绍生物质能利用的主流技术和理论，包括生物质制气、生物质制油、生物质发电与供热、生物质成型燃料、生物质制氢、生物质能源前沿技术、生物质炼制与高值化利用等7章。第三部分(第9章)主要介绍生物质能源利用的环境生态社会效应。第四部分(第10章)主要介绍管理政策与公众参与。第五部分(第11章)主要介绍生物质能源技术发展与应用挑战。
生物、能源、环境、化工等相关领域的研究生及高年级本科生,相关领域科研工作者
目录
第1章 绪论 1
1.1 本书撰写背景 1
1.2 本书框架思路与主要内容 2
1.3 编写本书的重要性和必要性 3
第2章 生物质制气 5
2.1 生物质燃气热解气化技术制备 5
2.1.1 制备技术分类 5
2.1.2 生物质热解技术 8
2.1.3 生物质气化技术 12
2.1.4 气体净化及重整变换技术 26
2.1.5 生物质气化过程模拟 28
2.1.6 超临界气化技术 32
2.2 生物合成气制备 33
2.3 生物质燃气厌氧消化技术制备 37
2.3.1 生物沼气简介 37
2.3.2 生物沼气的制备 37
2.3.3 生物沼气的提纯 42
2.3.4 生物沼气的应用前景 49
2.4 生物质燃气利用及工程案例 49
2.4.1 生物质气化集中供气工程实例 49
2.4.2 生物质气化集中供热工程案例 51
2.4.3 沼气发电工程案例 53
2.4.4 生物质气化多联产技术工程案例 59
参考文献 77
第3章 生物质制油 80
引言 80
3.1 燃料乙醇制备 80
3.1.1 乙醇的物理性质 82
3.1.2 燃料乙醇原料 82
3.1.3 燃料乙醇工艺 85
3.2 生物柴油制备101
3.2.1 生物柴油的特点 101
3.2.2 生物柴油的原料 102
3.2.3 生物柴油的制备方法 104
3.2.4 生物柴油生产工艺 111
3.2.5 生物柴油发展历程 113
3.3 生物油制备 118
3.3.1 生物油特征 118
3.3.2 生物质热解方法 119
3.3.3 生物质快速热裂解液化机理与工艺流程 123
3.3.4 快速热解反应器 129
3.3.5 热解的影响因素 132
3.3.6 生物油的理化性质及分析方法 134
3.3.7 生物油精制高品位油品 138
3.4 生物质汽油/柴油制备 146
3.5 航空生物燃油制备 148
3.5.1 航空燃油的特性 148
3.5.2 航空燃油的等级 151
3.5.3 生物航油合成技术 153
3.5.4 生物航油原料 155
3.5.5 生物航油的生产方法 157
3.6 生物质液体利用与工程案例 158
3.6.1 燃料乙醇工艺实例介绍 158
3.6.2 生物油工程实例介绍 165
3.6.3 生物航油实用工程案例 169
参考文献 172
第4章 生物质发电与供热 179
4.1 生物质发电 179
4.1.1 生物质直燃发电 180
4.1.2 生物质气化发电 185
4.1.3 生物质混合燃烧发电 190
4.1.4 生物质燃烧对系统运行和排放的影响 196
4.2 生物质供热 200
4.2.1 生物质供热国内外发展现状 200
4.2.2 生物质燃料供热 202
4.2.3 生物质气化供热 212
4.3 生物质发电供热利用及工程 214
4.3.1 生物质直燃发电工程案例 214
4.3.2 生物质气化发电工程案例 216
4.3.3 生物质与煤共燃发电工程案例 218
4.3.4 沼气发电工程案例 222
4.3.5 生物质直燃供热工程案例 223
参考文献 225
第5章 生物质成型燃料 230
引言 230
5.1 生物质颗粒制备 232
5.1.1 颗粒成型过程及影响颗粒成型的因素 232
5.1.2 颗粒成型机理的研究 233
5.1.3 成型设备的介绍 235
5.2 生物质块状燃料制备 236
5.2.1 生物质粘结机制及碾切成型机理 236
5.2.2 生物质固化成型影响因素分析 238
5.2.3 生物质压块成型工作原理 239
5.3 生物质燃料棒制备 241
5.3.1 环模辊压式棒状成型 241
5.3.2 平模式棒(块)状成型机 242
5.3.3 液压活塞冲压式成型机 244
5.4 垃圾衍生燃料制备 246
5.4.1 垃圾衍生燃料 246
5.4.2 RDF分类组成及特性 246
5.4.3 RDF的制备工艺 248
5.4.4 存在问题 249
5.5 污泥衍生燃料制备 250
5.5.1 污泥的特性 250
5.5.2 污泥的分类 250
5.5.3 污泥衍生燃料的制备、方法与工艺 251
5.5.4 污泥衍生燃料制备的影响因素 260
5.6 生物质成型燃料利用及工程案例 262
5.6.1 北京联合优发能源技术有限公司徐州生物质成型项目 262
5.6.2 河南省科学院能源研究所有限公司万吨级秸秆成型燃料生产项目 265
参考文献 268
第6章 生物质制氢 270
引言 270
6.1 热解气化制氢 270
6.1.1 生物质热解制氢定义 270
6.1.2 热解生物质常用原料性质 272
6.1.3 热解法生物质制氢工艺流程 272
6.1.4 热解法生物质制氢原理 274
6.1.5 热解过程的热分析方法 277
6.1.6 热解动力学研究 278
6.1.7 生物质热裂解制氢技术的研究 279
6.2 生物油制氢 281
6.2.1 生物油气化制氢 281
6.2.2 生物质水相重整制氢 287
6.3 超临界转化制氢 296
6.3.1 生物质在超临界状态下制氢的基本概念 296
6.3.2 超临界转化制氢机理 296
6.3.3 太阳能化学和生物转化制氢在超临界转化制氢方面的应用 300
6.3.4 超临界转化制氢国内外研究 302
6.4 生物质化学链气化制氢 305
6.4.1 基于生物质的甲烷制氢 305
6.4.2 基于生物质的甲醇转化制氢 305
6.4.3 基于生物质的乙醇转化制氢 305
6.4.4 基于生物质的热解气化制氢 306
6.5 光合生物产氢 306
6.5.1 生物质光合产氢 306
6.5.2 光合生物制氢技术国内外研究进展 308
6.6 生物质制氢利用与工程案例 310
参考文献 312
第7章 生物质能源前沿技术 322
引言 322
7.1 能源植物与作物 322
7.1.1 能源植物与作物种类 323
7.1.2 几种重要能源植物及其开发和利用现状 327
7.1.3 几种重要能源作物及其开发和利用现状 349
7.1.4 能源植物与作物利用发展趋势 370
7.2 能源微藻 373
7.2.1 微藻生物能源技术的形成与发展 376
7.2.2 能源微藻利用形式 377
7.2.3 能源微藻生产系统——采样与预培养 391
7.2.4 分离和筛选技术 393
7.2.5 藻种保藏技术 397
7.2.6 藻种培养技术 400
7.2.7 微藻规模化培养技术 408
7.2.8 微藻油脂的提取及转酯化制备生物柴油 419
7.2.9 微藻生物能源发展趋势 421
7.3 海洋生物质能源 423
7.3.1 海洋微藻生物能源 424
7.3.2 大型海藻生物能源 425
7.4 合成气发酵制油 427
7.4.1 热解气 432
7.4.2 气化气 434
7.4.3 沼气 436
7.5 微生物电池 439
7.5.1 微生物燃料电池的基本原理 439
7.5.2 MFC发展历史与现状 443
7.5.3 MFC产电微生物 446
7.5.4 MFC各组件对电池性能的影响 449
7.5.5 MFC的发展方向及应用前景 453
7.6 生物质气化与燃料电池联合发电 454
7.6.1 简述 454
7.6.2 国内外发展现状 456
7.6.3 技术工艺分析 460
7.6.4 面临的主要问题分析 462
7.7 生物质化学链气化 463
7.7.1 载氧体 465
7.7.2 基于载氧体Fe2O3的生物质化学链气化 465
参考文献 467
第8章 生物质炼制与高值化利用 489
引言 489
8.1 生物丁醇的制备与利用 489
8.1.1 生物丁醇概述 489
8.1.2 生物丁醇的应用 490
8.1.3 生物丁醇生产工艺 492
8.1.4 生物丁醇的研究现状 494
8.2 生物基润滑油的制备与利用 495
8.2.1 生物基润滑油概述 495
8.2.2 生物基润滑油的应用 496
8.2.3 生物基润滑油生产工艺 497
8.2.4 生物基润滑油研究现状 500
8.3 生物炭的制备与利用 501
8.3.1 生物炭概述 501
8.3.2 生物炭的应用 501
8.3.3 生物炭生产工艺 503
8.3.4 生物炭研究现状 505
8.4 生物基高值聚合物制备与利用 506
8.4.1 生物基高值聚合物概述 506
8.4.2 生物基高值聚合物的应用 507
8.4.3 生物基高值聚合物的生产工艺 510
8.4.4 生物基高值聚合物研究现状 512
参考文献 513
第9章 生物质能源利用的环境生态社会效应 517
引言 517
9.1 环境效应 517
9.1.1 减少使用传统化石能源造成的大气污染和温室气体排放 517
9.1.2 为解决能源和环境矛盾提供了一个新的发展方向 517
9.1.3 避免了秸秆露天焚烧的污染 518
9.1.4 避免了垃圾焚烧厂带来的二次污染 518
9.1.5 避免了垃圾填埋产生渗滤液的污染 519
9.1.6 生物质气化产生焦油对环境的负效应 521
9.2 生态效应 522
9.2.1 生物质能源利用中的能源植物优势 522
9.2.2 生物质能源利用中的能源植物对生物多样性的影响 522
9.2.3 大规模利用秸秆造成的土壤养分缺失 524
9.2.4 对于微藻废水的生物质利用与水生态系统 524
9.3 社会效应 525
9.3.1 刺激经济发展，增加就业525
9.3.2 培育新的农产品市场，促进农村发展 526
9.3.3 生物质能源发展对世界粮食供求的影响 527
9.4 生物质能源的碳减排效应与应对气候变化 528
参考文献 529
第10章 管理政策与公众参与 530
引言 530
10.1 管理制度 530
10.1.1 废物管理制度 530
10.1.2 生物质能管理制度 538
10.2 政策法规 542
10.2.1 固体废物政策法规 542
10.2.2 生物质能政策法规 549
10.3 公众参与 559
10.3.1 公众参与的概念与内涵 559
10.3.2 公众参与对生物质废物利用制度建立的价值 560
第1章 绪论
1.1 本书撰写背景
生物质能一直是人类赖以生存的重要能源，是仅次于煤炭、石油和天然气居世界能源消费总量第四位的能源，在能源系统中占有重要地位。据预测，到21世纪中叶，采用新技术生产的各类生物质替代燃料将占全球总能耗的40%以上。
生物质能源技术的研究与开发已成为国际热门课题之一，受到各国政府与科学家、工业界的关注。许多国家和地区都制订了相应的开发研究计划，如日本的阳光计划、印度的绿色能源工程、美国的能源农场、巴西的酒精能源计划和欧盟的生物质燃料替代行动计划等，其中生物质能源的开发利用占有相当大的比重。欧盟确定了2020年可再生能源消费占欧盟总能源消费结构至少20%的能源战略目标，欧盟第二代生物质能源消费预计到2020年将达到1.32 亿吨石油当量。目前，国外的生物质能技术和装置已多数达到商业化应用程度，实现了规模化产业经营。以美国、瑞典和奥地利为例，生物质转化为高品位能源利用已具有相当可观的规模，分别占该国一次能源消耗量的4%、16%和10%。在美国，生物质能发电的总装机容量已超过10000MW ，单机容量达10～25MW ；美国纽约的斯塔藤垃圾处理站投资2000 万美元，采用湿法处理垃圾，回收沼气，用于发电，同时生产肥料。巴西是燃料乙醇开发应用有特色的国家，实施了世界上规模的乙醇开发计划，目前燃料乙醇已占该国汽车燃料消费量的50%以上。美国开发出利用纤维素废料生产酒精的技术，示范工厂年产酒精2500 吨。
我国既是典型的人口大国，又是经济快速发展的国家，面临着经济增长和环境保护的双重压力。因此改变能源生产和消费方式，开发利用生物质能等可再生的清洁能源对建立可持续的能源系统，促进国民经济可持续发展和环境保护具有重大意义。
开发利用生物质能对我国农村和村镇建设更具特殊意义。我国40%人口生活在农村，秸秆和薪柴等生物质能是农村的主要生活燃料。尽管煤炭等商品能源在农村的使用迅速增加，但生物质能仍占有重要地位。我国每年产生农作物秸秆约7 亿吨，约40%可用于能源开发。发展生物质能源技术，为农村和乡镇地区提供生活和生产用能，是帮助这些地区改善生活质量、提高生活水平的一项重要任务，也是城镇化建设的一个重要措施。
生物质能高效转换技术不仅能够大大加快村镇居民实现能源现代化进程，满足农民富裕后对品质能源的迫切需求，同时也可在乡镇企业等生产领域中得到应用。由于我国地广人多，常规能源不可能满足广大村镇日益增长的需求，而且由于国际上正在制定各种有关环境问题的公约，限制CO2等温室气体排放，这对我国以煤炭为主的能源结构是很不利的。因此，立足于村镇现有的生物质资源，研究新型转换技术，开发新型装备，既是村镇发展的迫切需要，又是减少排放、保护环境、实施可持续发展战略的需要。
综上所述，作为新兴产业，生物质能源的发展关乎着未来国家经济可持续发展的战略，是未来替代能源极其重要的组成部分。生物质能的合理利用将为国家能源和经济结构转型带来革命性变化，但是生物质能源开发利用与农业农村、环境生态高度相关，因此适度有序开发生物质能源技术至关重要。遗憾的是，至今为止，缺乏一本系统、详尽阐述生物质能源利用技术及相关关注点的专著。本书对各种生物质能源利用技术做了详细分析，对生物质能源的发展方向提出了明确的思路。
1.2 本书框架思路与主要内容
本书按以下框架展开(图1-1)。
图1-1 本书内容框架
本书第2章至第6章地介绍了生物质能源利用技术(图1-2)，阐述了生物质能源利用技术的基础理论，介绍了各种工艺、技术的机理。本书涵盖了当前主流的生物质能源利用技术，包括直接燃烧、混合燃烧、气化、发电供热、热解制油、沼气发酵、生物质制氢、酒精发酵、生物柴油与航空生物燃油制备。第7章重点介绍了前沿技术，包括能源植物与作物、微藻、微生物电池等。第8章围绕生物质炼制与高值化，重点介绍了生物基平台化学品合成与应用、生物基高值聚合物制备与产业化发展、木塑复合材料、生物基碳材料的发展前景。第9章阐述了生物质能源利用的环境生态社会效应。第10章介绍了生物质能利用的管理制度、政策法规以及公众参与等过程。第11章提出生物质能源技术发展与应用挑战，合理展望未来，为将来的生物质能的利用与发展提出了美好蓝图和建议。
图1-2 生物质能源技术路线
1.3 编写本书的重要性和必要性
我国政府及有关部门对生物质能源的利用一直很重视，国家科技部已连续在五年计划中将生物质能源技术的研究与应用列为重点内容。在此背景下，涌现出了一批的科研成果和成功的应用范例，如户用沼气池、禽畜粪便沼气技术、生物质气化发电和集中供气、生物质压块燃料等，取得了较好的社会效益和经济效益。同时，我国已组建了一支高水平的科研队伍，拥有一批致力于生物质能源技术研究与开发的专家学者，具备一定的产业和技术基础。虽然我国在生物质能源开发方面取得了巨大成绩，但应该清醒地认识到，我国的生物质能源发展整体水平与发达国家相比仍存在一定差距。
1) 技术单一，开发力度不够
我国早期的生物质能利用主要集中在小型沼气开发上，近年逐渐重视热解气化技术的开发应用，也取得了一定突破，但其他技术进展依然缓慢，包括木质纤维素生产酒精、热解液化、大规模生物质燃气的工业化技术和速生林能源的培育等，还没有取得突破性进展。
2) 标准欠缺，管理存在缺位
在秸杆气化供气与沼气工程开发上，没有明确的技术标准与准入机制以及严格的技术监督，不具备优势技术力量的单位和个人参与了沼气工程承包和秸杆气化供气设备的生产，造成项目技术不过关，运行不稳定，达不到预期目标，甚至带来安全问题，给后续生物质能源利用工程应用的开展带来了很大的负面影响，甚至影响到产业化推进。
3) 规模较小，效益较低
由于资源分散，收集手段相对落后，我国生物质能源工程的规模较小，大部分工程采用简单工艺和设备，设备利用率及转换效率较低，造成投资回报率低，难以形成规模效益。此外，环境生态效益缺乏研究，综合效益没有形成。
4) 投入较少，效果欠佳
相对生物质能源的研究开发内容的复杂性来说，投入偏少，使得研发的技术含量较低，低水平重复研究较多，未能有效解决一些关键技术，例如，厌氧消化产气率低、辅助设备配套性差、设备与管理自动化程度较差；气化利用中焦油问题没有彻底解决，给长期应用带来隐患问题；沼气发电与气化发电效率较低，相应的二次污染问题没有解决，导致许多工程系统常处于维修或故障状态，降低了系统运行强度和效率；在生物质液化方面虽然有一定研究，但技术离工程化仍有不少差距。
本书正是在此背景下展开的。相信本书的出版对于我国生物质能源技术的发展能起到一定的指导作用，促进社会更好地了解生物质能源技术与应用，形成支持生物质能源发展的局面。
第2章 生物质制气
2.1 生物质燃气热解气化技术制备
2.1.1 制备技术分类
生物质燃气热解气化制备技术包括生物质热解、常规气化、超临界气化技术，其有多种分类形式，常用有以下几种：
1) 按设备运行方式，可分为固定床(也称移动床)气化、流化床气化(包括循环流化床气化)、气流床气化、旋风床气化、浆态床气化、双床气化。
2) 按气化炉操作压力，可分为常压气化和加压气化。
3) 按供热方式，可分为内热式气化和外热式气化。
4) 按气化介质，可分为不使用气化介质和使用气化介质，如图2-1 所示。①不使用气化介质时称为热解，热解技术可分为慢速热解、快速热解和反应性热解。根据目标产物的不同，可选择相应的热解技术。②使用气化介质则分为空气气化、O2气化、水蒸气气化、水蒸气-O2混合气化、H2气化、CO2气化等。
图2-1 生物质燃气热解气化制备技术分类
1) 热解
热解，又称干馏气化，是在无氧或严重缺氧(只提供极有限的氧)的热作用下，生物质中有机物质发生的热分解反应。生物质热解工艺是以热解为主要反应的工艺，目的是通过有机物质的裂解得到期望的目标产物。为了尽量减少氧化造成的物质损失，热解工艺通常需要隔绝空气，有时为减少提升温度的能源消耗，也供应少量空气，但整个过程仍以热解为主。热解反应是一个吸热过程，但由于生物质原料中含氧量较高，当温度升高到一定程度后，这些氧将参加反应从而使温度迅速提高，进而加速完成热解反应，减少外部热源的输入。按热解温度可分为低温热解(600℃以下)，中温热解(600～900℃)和高温热解(900℃以上)。热解产物成分比例大致为木焦油5%～l0%，木醋液30%～35%，木炭28%～30%，可燃气25%～30%[1]，其中热解气热值为12～15MJ/Nm3(Nm3 为标准立方米)，为中热值气体。该燃气既可用作燃气，也可用作化工合成气的原料。由于热解气化是吸热反应，应在工艺中提供外部热源使反应连续进行。
2) 空气气化
空气气化是以空气为气化介质的气化反应。气化过程中，空气为燃烧过程提供O2，即与生物质发生氧化反应，氧化反应为气化反应的其他过程如热分解和还原过程提供所需热量和反应物，整个气化过程是一个自供热系统。但由于空气中含有79%的N2，不参加气化反应，却稀释了燃气中可燃组分的含量，使气化气中N2含量可高达50%左右，因而降低了燃气的热值。一般气化气热值在5MJ/Nm3 左右。该气化气用作燃气使用时输送效率较低，作为化工合成气原料使用时需要进行合成处理。由于空气可以任意取得，空气气化过程又不需外供热源，因而空气气化是所有气化过程中简单、经济、也易实现的形式，故此种气化技术的应用较普遍。
3) O2气化
O2气化是以O2为气化剂的气化过程，其气化过程与空气气化相同，但没有惰性气体N2，因此在与空气气化相同的当量比下，反应温度提高，反应速率加快，反应器容积减小，热效率提高，气化气热值提高一倍以上。在与空气气化相同反应温度下，耗氧量减少，当量比降低，因而也提高了燃气质量。O2气化所产气体热值与城市煤气相当。在该反应中应控制O2供给量，既保障生物质全部反应所需要的热量，又不能使生物质同过量的氧反应生成过多的CO2。O2气化生成的可燃气体的主要成分为CO、H2及CH4等，其热值为13～15MJ/ Nm3，为中热值气体，既可用作燃气，也可用作化工合成气的原料。
4) 水蒸气气化
水蒸气气化是指水蒸气在高温下与生物质发生反应，它不仅包括水蒸气和碳的还原反应，也包括CO 与水蒸气的变换反应、甲烷化反应以及生物质在气化炉内的
