生物質能循環(huán)經(jīng)濟技術

　　主要內容能源是國民經(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，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，重點闡述了生物質能循環(huán)經(jīng)濟、生物質能資源開發(fā)、生物質能利用與轉化技術三大方面的內容，并介紹了該領域國內外研究進展情況及發(fā)展前景。全書共分7章，包括生物質能簡介、生物質能循環(huán)經(jīng)濟、生物質能資源開發(fā)、生物質能的生物轉化技術、生物質能的熱轉化技術、生物質能轉化為電力技術、生物質能利用的發(fā)展前景與展望。 本書取材新穎，內容豐富，對生物質能的開發(fā)和循環(huán)利用及生物質能的轉化利用技術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、生物等相關領域的工程技術人員、科研人員和管理人員參閱，也可供高等院校相關專業(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、領土和領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，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年德國關閉所有核電站；美國已關閉了一些水電站，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)質能源（石油、天然氣）轉變，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，生物質能最具有發(fā)展前景。因為，化石能源也是生物質能衍變而來的，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。 生物質能的能源功能主要通過燃燒實現(xiàn)，生物質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消費量。解決辦法應是依靠先進的科學技術和科學管理，走可持續(xù)發(fā)展的道路；同時，科學技術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，實質上就是物質資源的科學利用，也就是再生利用、清潔利用和創(chuàng)新利用；其中，生物質能（碳氫資源）是循環(huán)經(jīng)濟最活躍、最緊迫、最關鍵的部分，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。我國2020年的發(fā)展目標是以能源翻一番實現(xiàn)GDP翻兩番，可見生物質能循環(huán)經(jīng)濟技術直接關系到我國的可持續(xù)發(fā)展。 因此，本書著重介紹生物質能循環(huán)經(jīng)濟的技術問題，主要圍繞生物質能資源開發(fā)、生物質能循環(huán)經(jīng)濟原則及生物質能利用新技術等幾個中心思想進行介紹。希望能為讀者對生物質能循環(huán)經(jīng)濟和生物質能資源開發(fā)利用技術提供一些有益的參考。 本書是在我們長期從事生物質能循環(huán)經(jīng)濟和生物質能資源開發(fā)利用技術研究和實踐成果的積累及教學經(jīng)驗總結的基礎上編寫而成，可供能源、化工、材料、環(huán)境、生物等領域的科研院所的工程技術、管理人員及各層次的科技愛好者參閱，也供高等院校相關專業(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外該領域有關的研究成果，作者在此對給予本書以啟示及參考的有關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生物質能簡介1 11生物質能的來源及概況1 12生物質能資源2 13生物質的組成和結構3 131碳水化合物3 132纖維素的結構4 133半纖維素的結構5 134木質素6 14生物質能的開發(fā)與研究意義8 15生物質能的利用與轉化9 參考文獻9 2生物質能循環(huán)經(jīng)濟11 21循環(huán)經(jīng)濟的概念及技術特征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生物質能中的碳循環(huán)13 221碳循環(huán)13 222生物質能中的碳循環(huán)14 23生物質能循環(huán)經(jīng)濟15 231生物質能循環(huán)經(jīng)濟的提出15 232生物質能循環(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)展生物質能循環(huán)經(jīng)濟的政策27 24生物質能循環(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46 321光合作用及能量轉變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58 33能源農(nóng)場62 331國內外發(fā)展情況62 332能源農(nóng)場的構建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生物質能的生物轉化技術71 41生物質燃料酒精71 411前言71 412纖維素原料性質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生物質能的熱轉化技術128 51生物質氣化技術128 511生物質氣化基本原理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氣化技術分類138 518生物質氣化燃氣的特點139 519生物質氣化設備及工作原理142 5110生物質氣化技術的應用143 52生物質熱解液化技術153 521生物質熱解反應機理154 522影響生物質熱解過程及產(chǎn)物組成的因素155 523熱解液化工藝流程158 524生物質熱解液化技術研究及開發(fā)現(xiàn)狀159 525生物油的特性及應用160 53生物質炭化技術162 參考文獻163 6生物質能轉化為電力技術164 61生物質直接燃燒發(fā)電164 611生物質直接燃燒技術164 612生物質直接燃燒發(fā)電原理164 613生物質直接燃燒設備分類及現(xiàn)狀165 614生物質直接燃燒發(fā)電現(xiàn)狀167 615影響生物質直接燃燒發(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生物質氣化發(fā)電技術175 621生物質氣化發(fā)電原理與過程175 622生物質氣化發(fā)電的特點175 623生物質氣化發(fā)電系統(tǒng)的分類176 624生物質氣化發(fā)電的關鍵技術177 625我國生物質氣化發(fā)電商業(yè)化的障礙183 626對我國生物質氣化發(fā)電發(fā)展建議183 627典型的生物質氣化發(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國內外沼氣發(fā)電技術的發(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生物質燃料電池197 641燃料電池簡介197 642生物質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生物質發(fā)電展望204 參考文獻205 7生物質能利用的發(fā)展前景與展望207 71生物質能源的地位208 72生物質能利用的現(xiàn)狀208 721研究開發(fā)技術概況208 722國內生物質能的利用現(xiàn)狀和主要方法209 723國外生物質能的利用現(xiàn)狀和主要方法211 73生物質能的發(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?，F(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；在國內外期刊上發(fā)表論文70余篇。