生物質(zhì)能循環(huán)經(jīng)濟技術(shù)

　　主要內(nèi)容能源是國民經(jīng)濟的命脈，能源與人民生活和人類的生存環(huán)境休戚相關(guān)，在社會可持續(xù)發(fā)展中起著舉足輕重的作用。本書以生物質(zhì)能為主線，從化石能源的利用和現(xiàn)狀及能源發(fā)展趨勢入手，以循環(huán)經(jīng)濟為指導思想，重點闡述了生物質(zhì)能循環(huán)經(jīng)濟、生物質(zhì)能資源開發(fā)、生物質(zhì)能利用與轉(zhuǎn)化技術(shù)三大方面的內(nèi)容，并介紹了該領(lǐng)域國內(nèi)外研究進展情況及發(fā)展前景。全書共分7章，包括生物質(zhì)能簡介、生物質(zhì)能循環(huán)經(jīng)濟、生物質(zhì)能資源開發(fā)、生物質(zhì)能的生物轉(zhuǎn)化技術(shù)、生物質(zhì)能的熱轉(zhuǎn)化技術(shù)、生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為電力技術(shù)、生物質(zhì)能利用的發(fā)展前景與展望。 本書取材新穎，內(nèi)容豐富，對生物質(zhì)能的開發(fā)和循環(huán)利用及生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)進行了比較完整和深入的討論，系統(tǒng)性強。本書既可供能源、化工、材料、環(huán)境、生物等相關(guān)領(lǐng)域的工程技術(shù)人員、科研人員和管理人員參閱，也可供高等院校相關(guān)專業(yè)師生參考。 本書前言能源在人類社會實踐和生產(chǎn)實踐中扮演著重要的角色：一方面，能源的利用形式及其數(shù)量和規(guī)模體現(xiàn)了人類文明的進步和昌盛，特別是現(xiàn)代經(jīng)濟緊密地依賴現(xiàn)代能源；另一方面，經(jīng)濟危機、現(xiàn)代戰(zhàn)爭、領(lǐng)土和領(lǐng)海爭端也常常因能源所致，當今的環(huán)境問題更與能源特別是碳能源的不合理使用直接有關(guān)，化石碳能的過度開采已經(jīng)到了即將消耗殆盡的時刻，如果沒有相應的措施和新的能源利用形式及替代能源出現(xiàn)，世界經(jīng)濟將因能源而一落千里。 目前全世界能源總消費量每年約為130×108t（標準煤），其中化石能源占80%以上。由于能源生產(chǎn)對環(huán)境和生態(tài)的影響，德國憲法決定，至2023年德國關(guān)閉所有核電站；美國已關(guān)閉了一些水電站，拆壩還河。聯(lián)合國統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，世界石油儲量只能維持到2035年，到2060年天然氣也將消耗殆盡。面對即將到來的能源危機，工業(yè)國家能源消費經(jīng)歷由煤炭向優(yōu)質(zhì)能源（石油、天然氣）轉(zhuǎn)變，再進一步向可再生能源過渡。為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，歐洲、日本等正大力發(fā)展風電、太陽能、生物質(zhì)能等可再生能源，每年增長率達30%以上。 在可再生能源中，生物質(zhì)能最具有發(fā)展前景。因為，化石能源也是生物質(zhì)能衍變而來的，都是利用太陽能將大自然中的CO2和H2O通過光合作用固定在植物上的碳氫化合物，成為自然界中重要的碳氫資源。地球上每年通過光合作用固定在植物上的生物質(zhì)能大約相當于全世界每年能源消耗量的10倍，目前只用了7%。因此，本書中的能源其實是地表碳氫資源和化石碳氫資源的總稱，并包括它的能源功能和材料功能；其中，地表碳氫資源是介紹的重點。 生物質(zhì)能的能源功能主要通過燃燒實現(xiàn)，生物質(zhì)能的材料功能主要是通過天然和人工合成碳氫化合物實現(xiàn)的。 在生物質(zhì)能的能源功能方面，光合作用是碳氫燃燒的逆反應，自然界的碳氫資源依靠這對反應進行循環(huán)。在工業(yè)革命剛開始時，地球上的森林覆蓋率在60%以上，碳氫燃燒和光合作用是平衡的，地表碳氫資源處于良性循環(huán)，生態(tài)系統(tǒng)完好。隨著工業(yè)程度的不斷發(fā)展，人工建筑不斷增多，森林砍伐嚴重，地球森林覆蓋率下降到20%左右，自然界光合作用反應器生產(chǎn)能力銳減。與此同時，工業(yè)發(fā)展由于依靠能源作為動力，不斷燃燒化石能源和碳氫燃料，CO2排放量銳增。森林的銳減和工業(yè)CO2排量銳增，使碳氫燃燒和光合作用失衡，大氣中CO2含量增加，進而導致全球氣候變暖，海平面升高，陸地面積減少，海洋事故增多。例如，1800年大氣中的CO2含量為280×10-6，2000年增加到400×10-6，1880～1980年短短的100年，大氣增溫約05℃，海平面升高約80mm?？茖W家預計，2025年大氣中的CO2含量將達到440×10-6，大氣增溫15～45℃；21世紀末，海平面升高1m，許多島嶼將消失。 在材料利用方面，碳氫資源為人類生活和工業(yè)生產(chǎn)提供了食品、布料、日用化工品、建筑材料和工程材料。由于不合理的消費活動和材料生產(chǎn)，人類向水體和大氣中排放了大量的剩余碳氫物資，如生活污水、垃圾滲濾液、含油廢水、化工廢水、化工廢氣等。本來屬于能源和材料資源的碳氫物質(zhì)被稀釋到水體和大氣中，成為了環(huán)境的污染物并直接危害人類的健康。 工業(yè)生產(chǎn)和現(xiàn)代生產(chǎn)使碳氫資源循環(huán)失衡，并導致了嚴重生態(tài)環(huán)境問題和能源資源問題。然而，人類絕不會因此減緩工業(yè)生產(chǎn)和改變生活方式而回到工業(yè)革命前的生產(chǎn)和生活；而正相反，人類還會加大工業(yè)生產(chǎn)，進一步提高生活的物質(zhì)消費量。解決辦法應是依靠先進的科學技術(shù)和科學管理，走可持續(xù)發(fā)展的道路；同時，科學技術(shù)和科學管理必須服從經(jīng)濟規(guī)律。因此，全世界大力提倡循環(huán)經(jīng)濟，實質(zhì)上就是物質(zhì)資源的科學利用，也就是再生利用、清潔利用和創(chuàng)新利用；其中，生物質(zhì)能（碳氫資源）是循環(huán)經(jīng)濟最活躍、最緊迫、最關(guān)鍵的部分，它與目前世界上最突出的科學問題——能源需求與能源資源、工業(yè)生產(chǎn)與環(huán)境污染這兩大尖銳矛盾密切相關(guān)。我國2020年的發(fā)展目標是以能源翻一番實現(xiàn)GDP翻兩番，可見生物質(zhì)能循環(huán)經(jīng)濟技術(shù)直接關(guān)系到我國的可持續(xù)發(fā)展。 因此，本書著重介紹生物質(zhì)能循環(huán)經(jīng)濟的技術(shù)問題，主要圍繞生物質(zhì)能資源開發(fā)、生物質(zhì)能循環(huán)經(jīng)濟原則及生物質(zhì)能利用新技術(shù)等幾個中心思想進行介紹。希望能為讀者對生物質(zhì)能循環(huán)經(jīng)濟和生物質(zhì)能資源開發(fā)利用技術(shù)提供一些有益的參考。 本書是在我們長期從事生物質(zhì)能循環(huán)經(jīng)濟和生物質(zhì)能資源開發(fā)利用技術(shù)研究和實踐成果的積累及教學經(jīng)驗總結(jié)的基礎(chǔ)上編寫而成，可供能源、化工、材料、環(huán)境、生物等領(lǐng)域的科研院所的工程技術(shù)、管理人員及各層次的科技愛好者參閱，也供高等院校相關(guān)專業(yè)師生參考。參與本書編寫的主要成員有肖波（華中科技大學教授）、周英彪（華中科技大學副教授）、楊國正（華中農(nóng)業(yè)大學副教授）、楊家寬（華中科技大學副教授）、錢曉良（華中科技大學教授）、李建芬（武漢工業(yè)學院副教授，華中科技大學博士生）、江建方、史曉燕、陳英明、馬承榮、阮淵、鄒先枚、郭勇、魏剛等。同時，本書還吸收和借鑒了國內(nèi)外該領(lǐng)域有關(guān)的研究成果，作者在此對給予本書以啟示及參考的有關(guān)文獻著作者深表謝意。 由于編者水平有限，書中肯定存在一些不成熟的地方，也難免有疏漏和不妥之處，懇請專家與讀者予以批評指正。 編者 2005年6月 本書目錄1生物質(zhì)能簡介1 11生物質(zhì)能的來源及概況1 12生物質(zhì)能資源2 13生物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)3 131碳水化合物3 132纖維素的結(jié)構(gòu)4 133半纖維素的結(jié)構(gòu)5 134木質(zhì)素6 14生物質(zhì)能的開發(fā)與研究意義8 15生物質(zhì)能的利用與轉(zhuǎn)化9 參考文獻9 2生物質(zhì)能循環(huán)經(jīng)濟11 21循環(huán)經(jīng)濟的概念及技術(shù)特征11 211循環(huán)經(jīng)濟的概念11 212循環(huán)經(jīng)濟的運行機理及特征11 22生物質(zhì)能中的碳循環(huán)13 221碳循環(huán)13 222生物質(zhì)能中的碳循環(huán)14 23生物質(zhì)能循環(huán)經(jīng)濟15 231生物質(zhì)能循環(huán)經(jīng)濟的提出15 232生物質(zhì)能循環(huán)經(jīng)濟符合社會可持續(xù)發(fā)展的要求23 233生物質(zhì)能循環(huán)經(jīng)濟對我國有重要的戰(zhàn)略意義25 234發(fā)展生物質(zhì)能循環(huán)經(jīng)濟的政策27 24生物質(zhì)能循環(huán)經(jīng)濟模式——生態(tài)農(nóng)業(yè)30 241生態(tài)農(nóng)業(yè)30 242幾種模式32 參考文獻33 3生物質(zhì)能資源開發(fā)34 31能源植物34 311能源植物利用的發(fā)展進程35 312能源植物的種類38 313能源植物的利用43 32能源植物的高產(chǎn)技術(shù)46 321光合作用及能量轉(zhuǎn)變46 322植物光合作用特點53 323植物光合作用影響因素54 324能源植物高產(chǎn)技術(shù)58 33能源農(nóng)場62 331國內(nèi)外發(fā)展情況62 332能源農(nóng)場的構(gòu)建65 34能源植物與環(huán)境生態(tài)65 341荒地能源植物開發(fā)65 342能源植物尾礦復墾66 35生物廢棄物的利用68 參考文獻69 4生物質(zhì)能的生物轉(zhuǎn)化技術(shù)71 41生物質(zhì)燃料酒精71 411前言71 412纖維素原料性質(zhì)72 413酸水解73 414酶水解76 415發(fā)酵81 416工藝流程和經(jīng)濟核算85 417應用現(xiàn)狀和前景90 42農(nóng)村沼氣技術(shù)91 421沼氣發(fā)酵概述91 422農(nóng)村沼氣發(fā)酵工藝93 423農(nóng)村沼氣池設(shè)計與施工101 424農(nóng)村沼氣池管理104 425沼氣與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)105 426沼氣與農(nóng)村環(huán)境衛(wèi)生106 427沼氣的綜合效益108 43大中型沼氣工程技術(shù)109 431大中型沼氣工程的定義109 432大中型沼氣工程的發(fā)酵原料110 433大中型沼氣工程的調(diào)控指標111 434傳統(tǒng)消化池、農(nóng)村沼氣池的缺陷112 435提高厭氧消化裝置效率的途徑113 436大、中型沼氣工程工藝簡介114 437大、中型沼氣工程的設(shè)計119 438大、中型沼氣工程的啟動121 439大、中型沼氣工程運行管理與維護保養(yǎng)124 4310大、中型沼氣工程安全防護126 參考文獻127 5生物質(zhì)能的熱轉(zhuǎn)化技術(shù)128 51生物質(zhì)氣化技術(shù)128 511生物質(zhì)氣化基本原理129 512氣化過程的熱量平衡131 513氣化反應的化學平衡132 514氣化過程的反應動力學133 515氣化過程的幾個基本參數(shù)136 516氣化過程中的綜合影響因素137 517氣化技術(shù)分類138 518生物質(zhì)氣化燃氣的特點139 519生物質(zhì)氣化設(shè)備及工作原理142 5110生物質(zhì)氣化技術(shù)的應用143 52生物質(zhì)熱解液化技術(shù)153 521生物質(zhì)熱解反應機理154 522影響生物質(zhì)熱解過程及產(chǎn)物組成的因素155 523熱解液化工藝流程158 524生物質(zhì)熱解液化技術(shù)研究及開發(fā)現(xiàn)狀159 525生物油的特性及應用160 53生物質(zhì)炭化技術(shù)162 參考文獻163 6生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為電力技術(shù)164 61生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電164 611生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)164 612生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電原理164 613生物質(zhì)直接燃燒設(shè)備分類及現(xiàn)狀165 614生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電現(xiàn)狀167 615影響生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電發(fā)展的主要制約因素167 616典型工藝簡介——丹麥Benson型生物質(zhì)鍋爐發(fā)電系統(tǒng)在火電廠的應用168 617生活垃圾焚燒發(fā)電169 62生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)175 621生物質(zhì)氣化發(fā)電原理與過程175 622生物質(zhì)氣化發(fā)電的特點175 623生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)的分類176 624生物質(zhì)氣化發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)177 625我國生物質(zhì)氣化發(fā)電商業(yè)化的障礙183 626對我國生物質(zhì)氣化發(fā)電發(fā)展建議183 627典型的生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)簡介183 63沼氣發(fā)電187 631沼氣發(fā)電原理與流程187 632沼氣發(fā)電動力裝置188 633沼氣發(fā)動機的類型及工作原理188 634沼氣發(fā)動機發(fā)電機組系統(tǒng)191 635發(fā)電用沼氣的特性192 636建沼氣電站應注意的安全問題192 637國內(nèi)外沼氣發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀193 638典型沼氣工程實例分析193 639沼氣發(fā)電產(chǎn)業(yè)化可行性分析196 64生物質(zhì)燃料電池197 641燃料電池簡介197 642生物質(zhì)氣固體氧化物燃料電池200 643沼氣燃料電池201 644生物燃料電池203 65生物質(zhì)發(fā)電展望204 參考文獻205 7生物質(zhì)能利用的發(fā)展前景與展望207 71生物質(zhì)能源的地位208 72生物質(zhì)能利用的現(xiàn)狀208 721研究開發(fā)技術(shù)概況208 722國內(nèi)生物質(zhì)能的利用現(xiàn)狀和主要方法209 723國外生物質(zhì)能的利用現(xiàn)狀和主要方法211 73生物質(zhì)能的發(fā)展前景與展望214 731國外發(fā)展前景214 732國內(nèi)發(fā)展前景215 參考文獻218

　　肖波：1958年生，1994年獲德國克勞斯塔爾大學（TechnischeUniver—sitaetCIausthal）工學博士學位，1994—1996年在華中理工大學材料科學與工程博士后流動站工作。現(xiàn)為華中科技大學教授、博士生導師，華中科技大學環(huán)境科學與工程學院副院長。長期從事資源綜合利用及清潔生產(chǎn)技術(shù)的教學和科研工作，研究固體廢棄物資源化、環(huán)保材料、清潔生產(chǎn)新工藝和設(shè)備。共負責承擔縱、橫向研究項目20多項；榮獲國家教育部科技進步三等獎1項；獲得國家發(fā)明專利2項，實用新型專利2項；在國內(nèi)外期刊上發(fā)表論文70余篇。