生物质绿色多元化转化工艺及应用

生物资源的综合开发利用是我国的一项既定国策，我国政府历来高度重视，尤其是在“双碳”战略目标的指引及新能源产业高速发展的情形下，更是如此。生物资源中蕴藏着不可估量的潜力，国内外科技工作者对生物资源的开发利用已经做了大量的研究工作，取得了丰硕的成果。近年来，随着生命科学、生物技术、营养学、现代化工、食品科学等学科的不断发展，对生物资源中的活性成分有了新的认识，为生物资源的开发利用拓宽了思路，注入了新的活力，展现了广阔的前景。

利用低品位的自然资源获取经济建设所需要的物质，是未来科技发展的重点领域，也是人类物质文明总的发展趋势。相对于化石碳氢能源，生物质就是一种低品位的碳氢资源。生物质与化石能源相比，它们的主体成分都是碳和氢，这在科学原理及物质本质上决定了生物质具备转化为与化石能源同品质燃料和同品质材料的可行性，决定了未来能源和有机材料的出路。导致生物质燃料品质低的原因是其较高的含氧量和含水量，以及体积大且不规则的物理特性，是科学技术发展所处的阶段问题，可以通过不断进步的科学技术和方法予以解决。利用低品位资源维持人类的生存，才是人类实践活动的常态。越早掌握将低品位资源转换为高品质材料的科学技术，就能越早占据未来发展的主动。

生物质能是一种可再生的新型清洁能源，具有环保节能、低碳排放的特点。生物质能的含硫量、含氮量低，燃烧过程中生成的硫氧化物、氮氧化物较少。生物质在生长时需要的二氧化碳相当于它作为燃料时排放的二氧化碳，因而对大气的二氧化碳的净排放量近似于零，可有效地减轻温室效应。因此生物质产业是人类实现可持续发展的一条重要途径。本书是作者长期从事生物质转化技术研究和实践成果的积累，同时在本书的写作过程中还吸收和借鉴了该领域有关的研究成果，在此对给予本书以启示及参考的有关文献著作者深表谢意。

由于作者水平有限，书中难免有疏漏和不足之处，诚请专家与读者予以批评指正。

笔者   

2022年7月

《生物质绿色多元化转化工艺及应用》共8章。第1章引出生态系统中的生物质资源，对生物质以及利用进行简单介绍；第2章～第7章重点介绍生物质绿色多元化转化工艺，主要包括生物质燃料制备及燃烧技术、生物质热解液化技术、生物质气化技术、生物质燃料乙醇制备技术、生物柴油技术、生物质沼气发酵技术；第8章对生物质开发利用技术进行展望。全书力图全面、系统地介绍基本原理和基本方法，论述简明扼要。本书可供高等学校相关专业研究生、本科生选择性地使用，也可供从事生物质科学和工程相关工作的科技人员和对生物质工程感兴趣的广大读者阅读。

《生物质绿色多元化转化工艺及应用》共8章。第1章引出生态系统中的生物质资源，对生物质以及利用进行简单介绍；第2章～第7章重点介绍生物质绿色多元化转化工艺，主要包括生物质燃料制备及燃烧技术、生物质热解液化技术、生物质气化技术、生物质燃料乙醇制备技术、生物柴油技术、生物质沼气发酵技术；第8章对生物质开发利用技术进行展望。全书力图全面、系统地介绍基本原理和基本方法，论述简明扼要。本书可供高等学校相关专业研究生、本科生选择性地使用，也可供从事生物质科学和工程相关工作的科技人员和对生物质工程感兴趣的广大读者阅读。

肖瑞瑞，博士，枣庄学院，教学：化工专业负责人，负责山东省一 流本科专业（化学工程与工艺）建设，负责化工专业工程教育认证工作，做好信息化教学，努力做到春风化雨，深化专业育人。主要讲述《化工原理》《煤化学》等课程，主持校教改重点项目两项、枣庄学院课程思政建设示范课程一项；获枣庄学院首届课程思政比赛一等奖一次，枣庄学院青教赛三等奖多次、枣庄学院教师教学创新大赛三等奖、枣庄学院课程分析比赛三等奖；主持《化工设计》精品课程；发表教改论文四篇，以副主编出版教材一部。 科研：曲阜师范大学兼职硕士生导师，山东省煤化工专业委员会委员，中国能源研究会会员，企业联合培养博士后。主要从事生物质高值化绿色转化工艺研究；主持山东省自然科学基金1项、枣庄市重大专项1项、横向课题1项；参与国家自然科学基金面上项目1项、山东省重点研发计划1项；获枣庄市生物质资源绿色转化及高值化利用技术创新中心一个。在《Energy》《Applied Energy》《Bioresource Technology 》《Renewable Energy》等学术期刊共发表20篇论文，其中SCI、EI论文13篇，（ SCI论文影响因子累计42.537;影响因子大于8的4篇;一区高水平论文5篇），SCI论文总引用300余次，授权发明专利1项，实用新型专利3项，获山东省高校科学技术奖三等奖1项、枣庄市自然科学优秀学术成果奖一等奖2项。指导国创3项，省创1项；枣庄学院 “挑战杯”大学生创业计划竞赛银奖1项；枣庄学院大学生科技创新大赛二等奖1项。

第1章  生态系统中的生物质资源 1

1.1  自然界的生物质 1

1.2  生物质的功能 1

1.2.1  生物质对温室气体的减排作用 1

1.2.2  生物质对生态环境的保护作用 2

1.3  生物质能的特征及分类 2

1.3.1  生物质能的特征 2

1.3.2  生物质能的分类 4

1.4  自然界生物质——潜在的能源资源 5

1.4.1  陆生植物资源 6

1.4.2  水生植物资源 8

1.4.3  动物资源 10

1.4.4  其他生物质 10

1.5  生物质能源开发利用的必要性 11

1.5.1  生物质能源开发利用与“双碳”目标的实现 11

1.5.2  生物质能源开发与新能源产业 12

1.5.3  生物质能源开发与经济可持续发展 12

1.5.4  生物质能源开发与生态环境保护 12

1.6  国内外生物质能转化技术分析 13

1.6.1  国内外生物质能技术应用现状 13

1.6.2  生物质加工利用技术分析 16

第2章  生物质燃料制备及燃烧技术 19

2.1  概述 19

2.1.1  生物质燃烧 19

2.1.2  燃料来源与性质 20

2.1.3  生物质现代燃烧技术 22

2.2  生物质压缩成型技术 24

2.2.1  生物质压缩成型技术原理 25

2.2.2  生物质颗粒燃料 25

2.2.3  生物质压缩成型工艺流程 26

2.3  生物质燃料燃烧原理 32

2.3.1  燃料干燥阶段 32

2.3.2  挥发分析出及木炭形成阶段 32

2.3.3  挥发分燃烧阶段 32

2.3.4  固定碳燃烧阶段 32

2.4  传统炉灶及其改进 32

2.4.1  传统炉灶 32

2.4.2  省柴灶及其改进 35

2.5  生物质压缩成型燃料化技术应用 39

2.5.1  农村居民生活用能 39

2.5.2  农村区域供热 39

2.5.3  工业用途 40

第3章  生物质热解液化技术 41

3.1  概述 41

3.2  生物质热解液化原理 42

3.2.1  生物质热解的过程和产物 42

3.2.2  生物质热解液化的原理 43

3.3  生物质热解液化原料选择 44

3.3.1  陆生生物质热解液化原料 44

3.3.2  水生生物质热解液化原料 44

3.3.3  塑料垃圾热解液化原料 45

3.3.4  其他生物质热解液化原料 45

3.4  生物质热解液化工艺与设备 46

3.4.1  流化床式 46

3.4.2  循环流化床式 47

3.4.3  喷动流化床式 48

3.4.4  双流化床式 49

3.5  热解辅助技术 50

3.5.1  高温有机蒸气冷凝 50

3.5.2  热解产物气固分离 51

3.6  生物质热解液化技术应用 52

第4章  生物质气化技术 54

4.1  概述 54

4.1.1  生物质气化的概念 54

4.1.2  生物质气化的类型 56

4.1.3  生物质材料气化特点 57

4.2  生物质气化原理 58

4.3  生物质气化过程及其影响因素 60

4.4  生物质气化典型工艺及设备 60

4.4.1  气化机组的构成 60

4.4.2  生物质气化工艺设备 61

4.5  生物质气化技术应用 64

4.5.1  生物质气化发电 64

4.5.2  生物质气化集中供气 64

第5章  生物质燃料乙醇制备技术 66

5.1  概述 66

5.1.1  生物质燃料乙醇的定义 66

5.1.2  我国燃料乙醇产业的发展概况 67

5.2  生物质燃料乙醇的生产原辅料 68

5.2.1  代生物质燃料乙醇生产原料 68

5.2.2  第二代生物质燃料乙醇生产原料 69

5.3  生物质燃料乙醇发酵微生物 71

5.4  生物质燃料乙醇制备原理及工艺 72

5.4.1  乙醇发酵机理 72

5.4.2  乙醇生产的工艺流程 72

5.5  不同原料的乙醇生产应用 79

5.5.1  利用淀粉和其他含糖废液生产乙醇 79

5.5.2  利用亚硫酸盐废液生产乙醇 80

5.6  燃料乙醇生产经济性、环境影响评价 84

5.6.1  生物质生产燃料乙醇的经济性分析 84

5.6.2  生物质燃料乙醇环境影响分析 86

第6章  生物柴油技术 90

6.1  概述 90

6.1.1  生物柴油的概念及特点 90

6.1.2  生物柴油原料资源的种类 92

6.2  生物柴油制备的技术原理 96

6.2.1  生物柴油的动力学特性 96

6.2.2  生物柴油的燃烧特性 100

6.3  生物柴油技术的分类 101

6.3.1  物理法 101

6.3.2  化学法 102

6.3.3  生物酶催化法 103

6.4  生物柴油生产工艺 103

6.4.1  间歇法生物柴油生产工艺 103

6.4.2  连续法生物柴油生产工艺 108

6.5  生物柴油技术应用 111

6.5.1  生物柴油技术的应用现状 111

6.5.2  生物柴油副产物甘油的应用 112

第7章  生物质沼气发酵技术 114

7.1  概述 114

7.1.1  沼气的化学成分 114

7.1.2  人工制取沼气 115

7.1.3  我国沼气发展概况 116

7.2  生物质沼气发酵技术原理 117

7.3  生物质沼气发酵基本工艺 119

7.3.1  户用沼气发酵工艺 119

7.3.2  大中型沼气发酵工艺 121

7.3.3  其他沼气发酵工艺 124

7.4  生物质沼气发酵技术应用 126

7.4.1  生活垃圾有机组分两相厌氧发酵技术 126

7.4.2  生活垃圾有机组分干式厌氧发酵技术 127

第8章  生物质开发利用技术展望 128

8.1  生物燃料电池 128

8.1.1  微生物燃料电池 128

8.1.2  酶生物燃料电池 129

8.1.3  生物燃料电池的发展与应用 130

8.2  生物质制氢技术 131

8.2.1  生物质制氢技术研究进展 132

8.2.2  制氢方法 133

8.3  生物质基材料 135

8.4  中国促进生物质能产业发展政策 136

8.4.1  生物质能技术产业化发展的意义 136

8.4.2  生物质能技术产业化发展现状 137

8.4.3  生物质能技术产业化发展面临的主要障碍 139

8.4.4  生物质能技术产业化发展政策和措施 140

8.4.5  生物质能技术产业化优先发展领域 144

参考文献 146

后记 149

《生物质绿色多元化转化工艺及应用》共8章。第1章引出生态系统中的生物质资源，对生物质以及利用进行简单介绍；第2章～第7章重点介绍生物质绿色多元化转化工艺，主要包括生物质燃料制备及燃烧技术、生物质热解液化技术、生物质气化技术、生物质燃料乙醇制备技术、生物柴油技术、生物质沼气发酵技术；第8章对生物质开发利用技术进行展望。全书力图全面、系统地介绍基本原理和基本方法，论述简明扼要。本书可供高等学校相关专业研究生、本科生选择性地使用，也可供从事生物质科学和工程相关工作的科技人员和对生物质工程感兴趣的广大读者阅读。

肖瑞瑞，博士，枣庄学院，教学：化工专业负责人，负责山东省一 流本科专业（化学工程与工艺）建设，负责化工专业工程教育认证工作，做好信息化教学，努力做到春风化雨，深化专业育人。主要讲述《化工原理》《煤化学》等课程，主持校教改重点项目两项、枣庄学院课程思政建设示范课程一项；获枣庄学院首届课程思政比赛一等奖一次，枣庄学院青教赛三等奖多次、枣庄学院教师教学创新大赛三等奖、枣庄学院课程分析比赛三等奖；主持《化工设计》精品课程；发表教改论文四篇，以副主编出版教材一部。 科研：曲阜师范大学兼职硕士生导师，山东省煤化工专业委员会委员，中国能源研究会会员，企业联合培养博士后。主要从事生物质高值化绿色转化工艺研究；主持山东省自然科学基金1项、枣庄市重大专项1项、横向课题1项；参与国家自然科学基金面上项目1项、山东省重点研发计划1项；获枣庄市生物质资源绿色转化及高值化利用技术创新中心一个。在《Energy》《Applied Energy》《Bioresource Technology 》《Renewable Energy》等学术期刊共发表20篇论文，其中SCI、EI论文13篇，（ SCI论文影响因子累计42.537;影响因子大于8的4篇;一区高水平论文5篇），SCI论文总引用300余次，授权发明专利1项，实用新型专利3项，获山东省高校科学技术奖三等奖1项、枣庄市自然科学优秀学术成果奖一等奖2项。指导国创3项，省创1项；枣庄学院 “挑战杯”大学生创业计划竞赛银奖1项；枣庄学院大学生科技创新大赛二等奖1项。