生物质燃料和化石燃料特性比较.docx
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生物质燃料和化石燃料特性比较
课程设计（论文）
课程名称
文献检索
题目
生物质燃料与化石燃料特性比较
院（系）（系）
材料与矿资学院
专业班级
材料工程1301班
姓名
韩园园
学号
130502133
指导教师
杨康
2016年6月24日
西安建筑科技大学课程设计（论文）任务书
专业班级：
材料工程1301班学生姓名：
韩园园指导教师（签名）：
一、课程设计（论文）题目
生物质燃料与化石燃料特性比较
二、本次课程设计（论文）应达到的目的
掌握文献检索的方法，了解科技论文的基本特征和写作过程，掌握科技论文各部分的撰写格式和撰写方法。
掌握文献资料的整理和归纳总结，熟悉综述性科技论文的写作要求和写作方法。
三、本次课程设计（论文）任务的主要内容和要求（包括原始数据、技术参数、设计要求等）
主要内容：
根据题目选定关键词，查阅国内外相关文献，归纳总结文献资料，深入了解本课题的研究进展情况及存在的问题，撰写一篇不少于6000字的综述性科技论文。
要求：
1.论文格式严格按照《西安建筑科技大学本科课程设计（论文）管理规定（试行）》执行；2.科技论文中要包括标题、署名、摘要、关键词、引言、正文、结论、致谢、参考文献，各部分语言表达和格式要符合科技论文规范；3.参考文献不少于20篇，其中外文文献不少于5篇。
四、应收集的资料及主要参考文献：
[1]王晓钢.生物质与煤掺烧燃烧特性的实验研究[J].可再生能源,2014-1,32
（1）:
87-92.
[2]罗君.生物质燃料热风干燥特性及干燥系统方案研究[D].浙江,浙江大学,2016-3,13.
[3]VassilevS,BaxterD,AndersenL,VassilevaC.Anoverviewofthechemicalcompositionofbiomass.Fuel2010,89:
913–33.
[4]VassilevS,BaxterD,AndersenL,VassilevaC,MorganT.Anoverviewoftheorganicandinorganicphasecompositionofbiomass.Fuel2012,94:
1–33.
[5]VassilevS,BaxterD,AndersenL,VassilevaC.Anoverviewofthecompositionandapplicationofbiomassash.Part1.Phase–mineralandchemicalcompositionandclassification.Fuel2013,105:
40–76.
五、审核批准意见
教研室主任（签字）
生物质燃料与化石燃料特性比较
班级：
材料工程1301班姓名：
韩园园
*******
摘要
本文从全球能源使用现状为背景，介绍了生物质燃料和化石燃料的定义和分类，简述了评价燃料的常用性能指标；从生物质燃料和煤的化学组成，分析了各自的物理特性和燃烧特性，通过工业分析、灰分分析、灰熔融性测试、其它性能分析等30余项特性对比，分析了煤和生物质燃料各自的优缺点。
最后，通过可持续生物质资源生产生物质燃料的可用性讨论，得出生物质的生物燃料和生物化学应用的缺点大于优势；但是，它产生的环境、经济和社会效益可以弥补由生物质组成和性质导致的技术性缺陷和其他缺点。
关键词：
生物质燃料，化石燃料，煤，特性比较，优点和缺点
ABSTRACT
Fromtheglobalsituationofenergyuseasthebackground,theauthorintroducedthedefinitionandclassificationofbiomassfuelsandfossilfuelsanddescribedtheevaluationindexoffuelperformance;fromchemicalcompositionofbiomassandcoalfuels,theauthoranalyzedtheirphysicalcharacteristicsandcombustion;throughindustryanalysis,ashanalysis,morethan30characteristicsoftheashfusiontests,otherperformanceanalysis,theauthorcomparedandanalyzedadvantagesanddisadvantagesofcoalandbiomassfuels.
Finally,adiscussionabouttheavailabilityofsustainablebiomassresourcesforproductionofbiofuelsandbiochemicalsisgiven.Itwasfoundthatthedisadvantagesofbiomassforbiofuelandbiochemicalapplicationsprevailovertheadvantages;however,themajorenvironmental,economicandsocialbenefitsappeartocompensatethetechnologicalandotherbarrierscausedbytheunfavourablecompositionandpropertiesofbiomass.
Keywords:
Biomassfuels,Fossilfuels,Coal,Characteristics,Advantagesanddisadvantages
1引言
在踏入全球现代化的步伐20世纪至21世纪中，化石燃料（fossilfuel）潜在着能源短缺的危机，特别是从石油提炼出来的汽油，是引致全球石油危机的一个原因。
现时，全球正趋向发展可再生能源和核能，这可以帮助增加全球的能源所需。
人类不断地燃烧化石燃料而排放二氧化碳，是加快全球变暖的因素之一。
此外，生物燃料中的二氧化碳成份是来自大气层，因此发展生物燃料可以减少在大气层上的二氧化碳，因为可靠种植来减少二氧化碳的含量，从而减低温室效应。
到目前为止，世界各国所用的燃料几乎都是化石燃料，即石油、天然气和煤。
自然界经历几百万年逐渐形成的化石燃料，可能在几百年内全部被人类耗尽。
目前，我国的主要能源供应构成为煤炭、石油和天然气等化石燃料，我国电力生产以煤电特别是煤粉燃烧发电为主。
近年来，因电力需求的急剧增加，煤炭相对短缺的现象相当严重。
而我国生物质能占一次能源比重33%左右，是仅次于煤的第二大能源。
目前生物质作为能源利用的比例并不高，专门用于发电的则更少，因此开发生物质能用于发电在我国具有重要意义[1]。
2013年6月发布的《BP世界能源统计2013》显示，从2009年开始，中国一次能源消费量连续４年位居世界第一，而且能源消费量的增量也位居世界第一。
随着能源消费量的增长，能源利用带来的环境污染问题也日益严重；严重的环境污染也影响了居民生活。
因而，如何处理化石资源的有限性及化石能源开发利用过程中所引起的能源安全、环境污染等问题，促进经济社会的可持续发展，是我国现阶段面临的重大战略问题。
目前，我国正在不断地优化能源结构，降低化石燃料使用，提升可再生能源和新能源在能源结构中的比重。
在这种背景下，生物质这种具有可再生、CO2零排放、资源储量巨大、环境友好型等特点的能源引起了人们的关注[2]。
生物质是一种分布广、资源量丰富的清洁可再生资源，其能源化利用过程可导致CO2零排放，因此生物质能的研究与开发日益受到各国政府、专家、工业界的关注。
目前生物质能的主要开发利用技术包括生物质的固化、气化、液化以及燃烧技术，其能源产品包括成型固体燃料、炊事燃气、液体燃料（生物油、柴油、汽油等）、电、热（或暖气）。
生物质因具有挥发分高、炭活性高，N、S含量低（含N量0.5%～3%、含S量一般仅0.1%～0.5%）,灰分低,生命周期内燃烧过程CO2零排放等特点,特别适合燃烧转化利用，是一种优质燃料。
在我国，发展生物质燃烧技术既能缓解温室效应，又能充分利用废弃生物质资源，改善或提高农民的生活条件，而且对现有的燃烧设备不需作较大改动，因此具有明显的社会意义与经济意义，符合我国现阶段国情和生物质开发利用水平[3]。
2生物质和生物质燃料定义及分类
2.1生物质
生物质是指利用大气、水、土地等通过光合作用而产生的各种有机体，即一切有生命的可以生长的有机物质通称为生物质，它包括植物、动物和微生物。
生物质燃料是通过一定的处理从天然生物质资源生成技术性固体，液体或气体燃料。
根据生物的多样性和来源，生物质固体燃料资源分类见表2-1[4]：
表2-1生物质资源分类[4]
生物组
生物小组，品种和种类
1.木材及木质生物质（WWB）
针叶或落叶;被子植物裸子植物或; 软或硬; 茎，枝，叶，树皮，片，块状，颗粒，煤球，锯屑，锯木等人从不同的木种
2.草本和农业生物质（HAB）
一年生或多年生和场基或加工为基础，例如：
2.1草和花（苜蓿，芦竹，竹，彼岸花，油菜，甘蔗，辛娜拉，芒草，柳枝稷，蒂莫西，其他）
2.2秸秆（大麦，大豆，亚麻，玉米，薄荷，燕麦，油菜，水稻，黑麦，芝麻，葵花，小麦，其他）
2.3其他残余物（水果，壳，皮，壳，坑，点子，谷物，种子，椰壳纤维，秸秆，玉米棒，粒，甘蔗渣，食品，饲料，纸浆，蛋糕，其他）
3.水产生物质
海洋或淡水藻类; 大型藻类（蓝，绿，蓝，绿，棕，红色）或微藻; 紫菜，海带，湖草，水葫芦，其它
4.动物和人类的生物质废料（AB）
骨头，肉，骨粉，鸡粪，各种肥料，其他
5.生物污染和工业废物生物质（HAR半生物质）
城市生活垃圾，废木料，垃圾衍生燃料，污水污泥，医疗垃圾，纸张纸浆污泥，废纸，废旧纸板，刨花板，纤维板，胶合板，木托盘和箱子，铁路枕木，制革废水，其他
6.生物质混合物
从以上品种的共混物
2.2生物质能
目前，生物质能是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第四位的能源。
生物质能是重要的可再生能源资源，具有资源种类多、分布广的特点，在当今能源日趋紧张的情况下，越来越引起人们的关注。
生物质中硫含量和灰分含量较低，利用过程中对环境污染小，不会增加自然界碳的循环总量，对于未来的能源战略具有深远意义。
根据BP公司2013年统计年鉴可知，世界生物燃料的产量由2002年的11830千吨油当量增加到2011年60286千吨油当量。
根据ELInsights于2010年9月发布的报告，从2010年到2015年，全球生物制造市场预计将从5729亿美元增加至6937亿美元，相当于在此期间的复合年增长率（CAGR）为3.9%[5]。
生物质能：
生物能是从生物质燃料产生的能量，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。
生物质能源的特点[6]：
（1）可再生性
（2）清洁、低碳（3）替代优势（4）原料丰富（5）安全性
2.3生物质能源利用途径
生物质能的利用主要有直接燃烧、热化学转换和生物化学转换等3种途径。
生物质的直接燃烧在今后相当长的时间内仍将是我国生物质能利用的主要方式。
生物质的热化学转换是指在一定的温度和条件下，使生物质汽化、炭化、热解和催化液化，以生产气态燃料、液态燃料和化学物质的技术。
生物质的生物化学转换包括有生物质-沼气转换和生物质-乙醇转换等[7]。
图2.1生物质能利用途径图
近年来我国生物质能源行业发展迅速，主要利用方式有以下5种：
（1）生物质成型燃料
（2）生物质气体燃料①沼气②生物质可燃气（BGF）
（3）生物质发电
（4）生物质液体燃料①生物乙醇②生物柴油③生物质裂解油
3化石燃料定义及分类
3.1化石燃料
化石燃料也称矿石燃料，是一种烃或烃的衍生物的混合物，其包括的天然资源为煤炭、石油和天然气等，是由死去的有机物和植物在地下分解而形成的，是不可再生资源。
3.2化石燃料分类
化石燃料中按埋藏的能量的数量的顺序分有煤炭类、石油、油页岩、天然气、油砂以及海下的可燃冰等。
图3.1化石燃料分类（数量排序）
按照全世界对化石燃料的消耗速度计算，这些能源可供人类使用的时间大约还有：
石油45-50年
天然气50-60年
煤炭200-220年
4生物质燃料与化石燃料性能指标
4.1燃料主要指标
目前，我国燃料主要指标有全水分、灰分、挥发份、全硫、低位发热量等指标。
主要参考执行DB11/T541－2008标准，各指标见表4-1[8]。
表4-1成型燃料工业、元素分析要求
项目
符号
单位
指标
全水分
Mt
%
≤15
灰分
Ad
%
≤10
挥发分
Vd
%
≥60
全硫
St，d
%
≤0.5
低位发热
Qnet,v,ar
MJ/kg
≥13.4
4.2术语及其它指标
表4-2术语及其它指标表[9]
术语命名
中文名
英文名
A
灰分
ashyield
AFT
灰分熔融温度
ash-fusiontemperature
BA
生物质灰
biomassash
daf
干燥无灰基
dry,ash-freebasis
db
干基
drybasis
DTA
差热分析
differential-thermalanalysis
DWR
干水溶性残留
drywater-solubleresidue
EDX
能量分散型X射线分析仪
energydispersiveX-ray
FC
固定碳
fixedcarbon
HHV
高热值
higherheatingvalue
IAM
无机非晶态物质
inorganicamorphousmatter
ICP
电感耦合等离子体
inductivelycoupledplasma
IM
无机物
inorganicmatter
LA
激光烧蚀
laserablation
M
水分
moisture
MS
质谱
massspectrometry
OM
有机物
organicmatter
SEM
扫描电子显微镜
scanningelectronmicroscopy
TE
微量元素
traceelement
TGA
热重分析
thermo-gravimetricanalysis
VM
挥发物
volatilematte
XRD
X射线粉末衍射
X-raypowderdiffraction
%
质量百分量
weight%
5生物质燃料与化石燃料特性比较
5.1生物质燃料的基本特性
5.1.1生物质基本成分
生物质燃料中易燃部分主要是纤维素、半纤维素、木质素。
燃烧时纤维素、半纤维素和木质素首先放出挥发分物质，最后转变成炭。
5.1.2燃烧特性
姜淑琴[10]等人实验研究得出生物质的燃烧和热解特性:
生物质的燃烧过程分为四个阶段,即生物质的脱水,生物质热解和挥发物燃烧,挥发物的燃烧与固体碳表面燃烧并存,固体碳的表面燃烧。
不同生物质的放热规律类似,第一个燃烧峰的放热面积小于第二个峰的面积。
挥发物的燃烧速率比碳化物质快。
生物质的纯热解过程有三个阶段,即脱水、热解和碳化。
试验研究发现生物质挥发物的燃烧效率比炭化物质快。
燃料着火前为吸热反应，到着火温度以后，生成气相燃烧火焰和固相表面燃烧的光辉火焰，为放热反应。
具体的燃烧性能见表5-1，部分生物质燃烧特性曲线如图5.1、图5.2[3]所示。
表5-1生物质燃料燃烧性能[10]
生物质
升温速度
/（℃min-1）
初始燃烧温度
/℃
燃烧峰温度
/℃
燃烧末温度
/℃
燃烧峰速率
/（mgmin-1mg-1）
biomass
temperatureraising
beginningtemperature
peaktemperature
endtemperature
peakvelocity
红松pinuskoraiensis
15
414
488
507
0.0463
烟秆tobaccostems
15
367
410
0.1142
稻壳ricehusk
15
386
447
0.0587
蔗渣bagasse
15
398
478
515
玉米芯corncob
15
384
447
508
0.0737
糠醛渣furfuralresidue
15
399
449
506
0.0556
图5.1树枝的燃烧特性曲线图5.2稻壳的燃烧特性曲线
5.2以煤为例的化石燃料的基本特性
5.2.1物理特性
5.2.1.1煤的粉碎性
煤的粉碎性是各种因素的综合结果，但无结构凝胶的含量是决定煤粉碎性的重要因素,从而得到三点结论：
（1）随变质程度，即碳含量、燃烧比和发热量增加，HGI增大，易于粉碎。
（2）从镜质组的平均威氏硬度与平均脆性值和HGI的关系看，与硬度比。
煤的粉碎性与脆性间有更强的依存关系。
随变质程度升高，镜质组的平均脆性值增大。
这是因为无结构凝肢体的脆性显著增大所致。
、
（3）HGI值大的煤中的无结构凝胶体更易粉碎，同时，通过粉碎与分级的组合，可以使无结构凝胶体得到一定程度的浓缩。
5.2.1.2煤的粘结性
秦志宏[11]等利用该混合溶剂对煤的粘结性进行了研究，使用此溶剂对不同煤种进行萃取，发现各种煤的萃取率随煤的粘结性指数GR,I的增加而呈上升趋势。
说明煤的粘结性与煤的可溶性具有紧密内在联系。
由此而将煤分为致粘组分（可溶物）和不粘组分（不溶物）。
致粘组分是煤在CS2-NMP混合剂中的萃取物部分。
不粘组分则是萃余部分；致粘组分主要形成热解中的胶质体液相，其含量决定了液相的多少，不粘组分不产生或产生很少量的液相。
5.2.1.3煤的坚固性
石必明[12]通过研究发现,用落锤法测定时,煤样的水分含量对测定值有很大影响,一般地,随着煤样水分含量的增加,其测值基本上呈线性规律增加；水对煤有一定所谓侵蚀作用，结果使得潮湿煤样干燥后其坚固性系数测值比原始煤样测值偏低；同一煤样，落锤撞击次数不同,其坚固性系数测值也不同，一般地,随撞击次数增多,其坚固性系数测值增大。
5.2.2煤的燃烧特性
随着我国工业的不断发展，工业燃烧用煤越来越多,同时对环境的污染也越来越严重。
因此，为了更加高效清洁地利用煤炭资源,，减少煤燃烧过程中的污染。
近年来科学家对煤的燃烧特性的研究引起了极大的关注。
张小可[13]等利用热失重方法对煤岩和煤阶对煤的燃烧特性的影响进行了研究,从煤的反应性来看。
随着煤阶升高，镜煤比其它富显微组分煤（来自同一岩层并且煤阶相同）有较高的最大失重速率和较低的特征温度，事实上，壳质组的反应性是最高的，但由于它的含量太小，因此其影响不明显。
通过研究发现,从反应性参数来看,显微组分对反应性的影响是显著的。
镜质组和煤阶的影响是最为重要的，其它组分含量虽小其影响不能忽略。
矿物质的影响与惰性组和壳质组具有同等重要性。
路继根[14]等通过对4种煤（大同煤、红阳煤、东胜煤和平朔煤）采用比重液法分别得到大同煤、红阳煤和东胜煤的镜质组富集物和惰质组富集物，通过等密度离心分离技术分离得到平朔煤的镜质组、惰质组和壳质组显微组分。
然后在热天平上进行热重分析和差热分析考察了不同显微组分在燃烧特性方面的差异，认为镜质组显微组分富集物燃烧特征温度基本上低于惰质组显微组分富集物,最大失重速率则高于惰质组。
这表明镜质组具有较好燃烧特性,壳质组显微组分具有高的氢含量和挥发分含量,起燃温度较低,但在燃烧后期,燃烧活性有所下降。
5.3生物质燃料与煤特性比较
现以煤为例与生物质燃料特性做如下比较：
表5-2生物质、生物质灰与煤、煤灰特性比较[15][16][17][18][19][20][21]
生物质相比煤
生物质灰相比煤灰
含量较高
含量高
•Ag,B,Br,Ca,Cl,H,I,K,Mg,Mn,Na,O,P,Rb,Ru,Zn
•Ag,B,Br,Ca,Cl,Cr,Cu,Ga,Hg,I,K,Mg,Mn,Mo,Na,P,Rb,Sr,Te,Zn
•碳水化合物
•干水溶性残留
•碳酸盐
•pH值
•螯合物
•碳酸盐
•氯化物
•氯化物
•干水溶性残留
•氢氧化物
•提取物
•磷酸盐
•轻烃
•水溶性成分
•水分
•有机无机元素
•草酸盐
•含氧官能团（羟基、羧基、醚酮）与高活性功能（-COOH，-OCH3和-OH）
•磷酸盐
•挥发性物质
•水溶性物质
表5-3生物质、生物质灰与煤、煤灰特性比较[15][16][17][18][19][20][21][22][23][24][25][26][27][28]
生物质相比煤
生物质灰相比煤灰
含量较低
含量低
•Al,As,Au,Ba,Be,Bi,C,Cd,Ce,Co,Cr,Cs,Cu,Dy,Er,Eu,F,Fe,Ga,Gd,Ge,Hf,Hg,Ho,In,Ir,La,Li,Lu,Mo,N,Nb,Nd,Ni,Os,Pb,Pd,Pr,Pt,Rh,S,Sb,Sc,Se,Si,Sm,Sn,Sr,Ta,Tb,Te,Th,Ti,Tl,Tm,U,V,W,Y,Yb,Zr
•Al,As,Au,Ba,Be,Bi,Cd,Ce,Co,Cs,Dy,Er,Eu,F,Fe,Gd,Ge,Hf,Ho,In,Ir,La,Li,Lu,Nb,Nd,Ni,Os,Pb,Pd,Pr,Pt,S,Sb,Sc,Se,Si,Sm,Sn,Ta,Tb,Th,Ti,Tl,Tm,U,V,W,Y,Yb,Zr
•芳香性
•熔灰度
•灰分
•容重
•容重
硅酸盐
•固定碳
硫化物
•松散性
•高热值
•碳氢化合物
•初始燃烧温度
•无机物
•燃烧峰最高温度
•pH值
•氢氧化物
•硅酸盐
•硫化物
表5-4煤、煤灰、生物质和生物质灰特性对比分析[15][16][17][18][19][20][21]
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