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结论 46
致谢 47
参考文献 48
1 绪论
1.1 生物质与煤热解的研究背景
由于人口数量的迅速增长和世界经济的持续快速发展，人类对能源的需求正在不断地增加，但目前人类赖以生存的化石能源却在迅速地减少。据预测，可以开发利用的石油化石能源、天然气、煤将分别在40年、60年、220年以内耗竭[1]。化石能源的过度开发利用带来环境污染和全球气候变暖的问题日益突出，生物质能由于其具有对环境的友好性、不断地可再生性和能够抑制全球气候变暖等特点[2,3]，是最可能替代化石能源的可再生能源之一。
图1.1 世界能源消耗状况[1]
生物质能源在目前世界的能源消耗中，仅次于石油、煤炭和天然气，居第四位，占世界总能耗的15%。据预测，到2050年，生物质能用量将占全球燃料直接用量的38%，发电量占全球总电量的17%[4]。在我国农村地区，生物质能的消耗量约占农村总能耗的39%，占全国能源消耗总量的17.4%[5]。在发展中国家，生物质能耗占有较大比重，达到50%以上。
生物质具有炭活性和挥发分高，灰分低、S、N含量低等特点，燃用生物质可降低硫氧化物、氮氧化物及烟尘的含量。由于生物质在燃烧过程中排放出CO2且其生长过程中吸收CO2，所以生物质燃烧对环境基本可实现CO2的零排放[6-8]。同时，由于燃烧生物质剩余物减少了其自然腐烂所产生的CH4，进一步减少温室气体的排放[9,10]，通常认为CH4气体的温室效应是CO2的21倍[11]。
在各种可再生能源中，生物质是唯一可储存和运输的可再生的炭资源，可转化成常规的固态、液态和气态燃料以及其它化工原料或者产品[12]。生物质能潜力巨大，世界上约有250000种生物质，在提供理想的环境与条件下，光合作用的最高效率可达8~15%，一般情况下平均效率为0.5%左右。目前，地球每秒获得的太阳能量相当于燃烧500万吨优质煤产生的能量，每年通过植物太阳能光合作用生成的生物质能总量约为1440~1800亿吨，相当于3×1021 kJ的能量，大约等于现在世界能源消耗总量的10倍左右。据预测，在理想状况下，地球上生产生物质的潜力可达到现实能源消费的180~200倍[13]。
生物质能是蕴藏在生物质中的能量，是绿色植物通过光合作用将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内部的能量。从能量资源看，生物质主要分为木材及森林工业废弃物、农业废弃物、油料植物、水生植物、城市和工业有机废弃物、动物粪便751种。生物质的利用转换方式主要有三种：热化学法、生物化学法、提取法[14]。生物质热化学转换技术是生物质能源转换利用研究中的一个重点，在生物质热化学转换过程中，热解起着重要的作用，生物质热解作为目前世界上生物质能研究开发的前沿技术，不仅是生物质气化或燃烧等转换过程中的必经步骤，而且其本身就是一种产生高能量密度产物的独立工艺。
生物质的基本化学组成元素为C、H、O、N、碱金属元素(Na、K等)及微量元素(Sn、Co等)等。从生物学角度，生物质可分为植物性和非植物性两类[15]。植物性生物质指植物体以及人类利用植物体过程中产生的植物废弃物；非植物性生物质是指动物及其排泄物、微生物体及代谢物。
植物性生物质主要是由纤文素(31~41%)、半纤文素(35~48%)和木质素(15~25%)组成，通过较弱的醚键(R–O–R)结合而成的具有大分子结构的聚合物，近似于聚合树脂中玻璃纤文组织，其结合键能较小(380~420 kJ/mol)，热解过程中容易断裂。纤文素和半纤文素由碳水化合物构成，木质素是由碳水化合物通过一系列生物化学反应合成的，是芳香族化合物。