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可再生能源论文(一)
可再生能源论文
华东理工大学2008—2009学年第二学期
《 可再生能源的现状与前景 》课程论文 2008.4
班级 学号 姓名
开课学院 任课教师 成绩
生物质制多元醇等化学原料及发电简述
摘 要：当前，日益严重的全球性能源和环境问题促使开发利用可再生的生物质资源成为研
究热点。在可再生资源中，生物质多元醇以其来源多样、应用广泛备受人们关注。概述了生物质多元醇的来源、合成和应用方面的最新进展，同时介绍了我国生物质发电的必要性和可行性，我国生物质发电的现状以及生物质发电的前景.
关键词：生物质；多元醇；燃料和化学品 ;生物质发电;
我国生物质能资源非常丰富，全国生物质能的理论资源总量接近15亿吨标煤。如果到2020年，生物质能开发利用量达到5亿吨标煤，就相当于增加15％以上的能源供应。与传统化石燃料相比，生物质能属于清洁能源，其燃烧后二氧化碳排放属于自然界的碳循环，不形成污染。并且生物质能含硫量极低，仅为3％。，不到煤炭含硫量的1／4。发展生物质发电，实施煤炭替代，可显著减少二氧化碳和二氧化硫排放，产生巨大的环境效益。另一方面，多元醇在化学化工行业有着非常重要的意义。如乙二醇不仅是生产涤纶和炸药的原料，在食品和医药行业也应用广泛；甘油不仅是制备炸药的原料，在塑料、化妆品等行业也应用颇多。目前，作为新一代能源平台的多元醇的作用更加突显。传统的多元醇制备原料多源于石油和天然气等资源，但随着石油、天然气等资源的日渐短缺和人们环保意识的增强，且相当一部分可再生的生物质资源可以用来制备多元醇，使得生物质多元醇的研究越来越多地受到人们的关注。作者在此先概述了生物质多元醇的来源、合成和应用方面的最新进展。
l .生物质多元醇以及发电原料的来源
目前制备多元醇的生物质原料主要有蔗糖及淀粉、纤维素及木质素、植物油、松香等。按制备原理一般可以分为两类：将生物质降解制备多元醇和将生物质连接到多元醇上制备生物基多元醇。如淀粉和纤维素主要是通过降解制备多元醇，而植物油、松香等主要是通过将其连接在不同的多元醇上制备生物基多元醇。[10]我国农作物播种面积有18亿亩，年产生物质约7亿吨，除部分用于造纸和畜牧饲料外，剩余部分都可做燃料使用。另一方面，我国现有森林面积约1．75亿公顷．森林覆盖率18．21％ ．每年通过正常的灌木平茬复壮、森林抚育间伐、果树绿篱修剪，以及收集森林采伐、造材、加工剩余物等，可获得生物质资源量约8亿～10亿吨．同时还有4600多万公顷宜林地，可以结合生态建设种植农能源植物．这些是我国发展生物质多项产业的优势。
2 .生物质多元醇的合成方法
2．1 蔗糖、淀粉多元醇
淀粉含有大量的极性基团一OH，理论上可制备多元醇。作为多元醇原料的淀粉一般是原淀粉、物理或化学改性淀粉，主要采用糖化后发酵的方法。Yao等[1]用玉米淀粉、聚丙二醇(相对分子质量200、羟值560 mg/g )、硫酸溶液制备了羟值为420 mg/g 的多元醇，此多元醇与其它多元醇具有良好的混溶性。Carr等也用类似的方法制取了液化淀粉，再与环氧丙烷反应得到羟值为470 mg/g 的多元醇。
2．2 植物纤维素、木质素多元醇
植物纤维最主要的化学成分是纤维素和半纤维素，其中纤维素分子链上存在大量高反应性的羟基，具有多种化学反应性能，可作为制备生物质多元醇的原料。常用作多元醇原料
的植物纤维一般为木材、甘蔗渣、粮作物秸秆、麦草、枯叶等。主要采用热裂解、催化裂化、氢化、催化脱水等方法制备。
2．2．1 热裂解
热裂解为人类较早采用的利用生物质制备多元醇及其能源产品的方法。所谓热裂解是指在无氧或缺氧的条件下，将纤维素等生物质加热到高温状态，利用热能切断生物质大分子的化学键，使之转变为低分子物质的过程。目前，人们更多的是通过热裂解工艺，将纤维素等生物质转化为多元醇的下游能源产品，如可燃气、生物碳和生物油等。
2．2．2 催化裂化
催化裂化即一定条件下，利用催化剂作用于纤维素制备多元醇。专利报道，温度高于150℃ 时，纤维素在Fe和Pt族催化剂作用下，得到了甘油和葡萄糖等产物。
2．2．3 氢化
纤维素氢化的方法较多，主要有纤维素直接氢化、酸水解氢化和催化氢化等。目前主要集中于水解加氢和催化氢化的研究。文献报道了水解耦合氢化一步转化碳水化合物制备多元醇，获得超过53%的丙三醇、2O%的1，2一丙二醇和15%的赤藻糖醇。Robinson等[3]报道了伴随着催化分解的木材酸性水解过程，在0．35 ～1．5 磷酸、185℃ 、5 MPa以及存在Ru／C催化剂和H 的条件下反应3～6 h，可以产生5碳和6碳多元醇(木糖醇和山梨醇)以及脱水醇(山梨聚糖)。
2．2．4 催化脱水
纤维素或大部分碳水化合物可催化脱水制备多元醇。Vanessa等[2]将碳水化合物在亚临界或超临界水(SCW)中通过生物和化学催化合成了多种多元醇，并研究了多元醇在SCW 环境中的变化和反应。结果表明，通过将碳水化合物生物催化即可直接得到简单的二醇，如1，2一丙二醇可以由单糖(葡萄糖、果糖、甘露糖等)加人梭菌制得；而1，3一丙二醇则可由丙三醇加人梭菌、克雷伯氏菌或者乳酸菌制得。木质素是数量上仅次于纤维素的第二大类天然芳
香族高分子材料，资源非常丰富，也是制备多元醇的重要资源。木质素合成多元醇的原理和纤维素类似，主要是将其液化后制备多元醇。Thomasl5]研究了木质素作为聚合物单体的可能性，同时考察了3种不同木材的木质素合成的多元醇。同样也可以通过改性木质素来提高其羟基含量，进而提高其反应活性。
2．3 植物油基多元醇
植物油的主要成分为脂肪酸甘油酯等不饱和脂肪酸，从结构上看羧基、酯基和不饱和脂肪酸的双键都可以通过一定的反应引人羟基，一般是通过环氧化或者臭氧化处理，然后在催化剂作用下与醇或酸等有活性氢的化合物进行羟基化反应引入羟基，制备出具有一定官能团和相对分子质量的多元醇。
2．3．1 环氧化、羟基化法
该方法制备植物油基多元醇是由植物油经过环氧化和羟基化2步连续反应制得的。此过程中，植物油先与过醋酸反应生成环氧植物油，再与醇、水和一定量的催化剂反应制得植物油基多元醇。在羟基化反应过程中，催化剂的选择是关键。常用的催化剂有硫酸、磷酸、盐酸等无机酸和甲苯磺酸等有机酸。修玉英等[4]用TMN一450与环氧大豆油反应，制备出羟值较高的大豆油多元醇。
2．3．2 过渡金属催化羰基化法
植物油双键可在氢、一氧化碳、催化剂铑或钴配合物催化氧化作用下发生羰基化反应而生成支链醛基，同时在Raney—Ni的催化下加氢还原为多元醇。
2．3．3 臭氧氧化法
臭氧氧化法是直接将植物油双键切断而产生伯羟基，这种切断氧化方式决定其多元醇产物的官能度只有2．5～2．8，但因为端位伯羟基的聚合活性更强，聚合反应转化率接近定量，更适应生产需要。PetrovicEs对含不饱和双键的植物油进行氧化处理得到它们的臭氧化物，然后在氢化锂铝或硼氢化钠的催化作用下还原得到多元醇，几乎所有的羟基均为伯羟基，具有较高的反应活性。
2．3．4 其它途径
植物油还可直接进行醇解或酯交换得到不同羟值、官能度和相对分子质量的酯多元醇。天然农副产品蓖麻油是一种含多个羟基的化合物，通过加入乙二醇、甘油、三羟甲基丙烷、季戊四醇、山梨醇甚至低相对分子质量的聚醚多元醇进行醇解和酯交换，可得到不同羟值、官能度和相对分子质量的蓖麻油衍生物。同样，也可以将多羟基化合物引入植物油分子中制备植物油基多元醇。Badri等将高官能度的多羟基化合物引入棕榈油结构中制成多元醇。 。
3 生物质多元醇的应用
3．1 制备聚氨酯材料
聚氨酯(PU)由各种不同的多元醇与异氰酸酯发生缩聚反应而制得，其性能优异、用途广泛。随着人们能源意识和环保意识的增强，越来越多地利用天然可降解的多元醇部分或全部代替合成的多元醇制得可降解的聚氨酯材料。其中，植物油基多元醇与异氰酸酯直接作用合成聚氨酯材料，被誉为聚氨酯发展中最重要的技术创新之一。植物油基聚氨酯材料不但机械性能可与由相应石油化学品多元醇合成的材料媲美，其耐热分解与热氧化性能也很好，广泛用于制作各种涂料、聚氨酯泡沫塑料、快速成型材料和纤维增强复合材料，应用于包装 材料、绝缘材料等众多领域。谢晖等[4]用丙烯海松酸聚酯多元醇合成丙烯海松酸聚醚多元醇，进而制备不同类型的丙烯海松酸型聚氨酯涂料用于防腐和绝缘，所得涂料光泽较好，具有较强的耐热性、耐水性及耐化学品性，漆膜符合使用要求。Jin等用马来海松酸与二甘醇、乙二醇合成松香改性聚酯多元醇，进而制备硬质聚氨酯泡沫塑料，该聚氨酯泡沫塑料与同类型的工业品相比具有较高的尺寸稳定性和较低的热传导系数，在高温裂解过程中具有很高的活化能。
3．2 制备氢气
由多元醇为起始原料制备氢气早有研究，如采用Au／TiO2光解乙二醇和甲醇等制氢 ，但反应效率很低。2002年，Cortright等通过山梨酸和甘油等生物质多元醇经水汽重整得到氢气，反应温度为225℃和265℃ ，催化剂为Pt／Al2O3，225℃ 时山梨醇水汽重整制氢的选择性为66%、烷烃的选择性为15%。该体系的优点是反应温度较低，能耗相对较小，副产物烷烃可用作燃料，制得的氢气中CO 的含量较低(<0.103%)，可为燃料电池提供高纯氢。由于伴随着很多平行反应(如费托合成反应、甲烷化反应和水汽迁移反应)的发生，造成了氢气的消耗，因此，提高主反应的选择性和转化率是必须考虑的问题。此后，Shabaker等逐渐改进并完善了这一反应体系，实现了高浓度糖的高效水汽重整制氢；2003年，Huber等采用廉价的Sn／Ni催化剂代替昂贵的金属Pt，降低了反应成本并为工业化提供了可能。
3．3 制备烷烃
2004年，Shabaker等成功地以山梨醇为原料制得了烷烃。采用酸性分子筛担载的Pt金属催化剂，山梨醇水汽重整可以一步得到1C ～6C 烷烃，其中以丁烷、戊烷、己烷为主。该反应非常复杂，同时发生多种平行反应和串联反应。
3．4制备化学品或化学中间体
对于多元醇催化转化为化学品或化学中间体，主要采用选择性氧化或选择性加氢(氢解)反应。目前最钯和金等金属，也可以直接使用氧气作为氧化剂。Kimura小组集中研究了甘油氧化合成二羟基丙酮。结果发现，以Pt为催化剂的性能明显要优于以Pd、Ru等为催化剂，但是单金属Pt／C催化剂的选择性仍然比较低，如当甘油转化率为37%时，二羟基丙酮的选择性只有10%。通过添加含有P电子的Bi或Pb等组分，可以明显提高仲羟基的选择性。同时他们还发现，在中性或者碱性条件下，Pt／C具有较好的甘油酸选择性，pH值为7时，在90%的甘油转化率下，甘油酸的选择性可以达到55%。近年，Carrettin等[8]利用纳米Au催化剂首次实现了甘油高选择性氧化合成甘油酸。甘油等氢解可以生成丙二醇、乙二醇、甲醇和甲烷等产物，其中选择性氢解脱去一个伯羟基或者仲羟基可得到1，2一丙二醇和1，3-丙二醇等目标产物。所得产物丙二醇除了可以作为溶剂、抗冻剂、保护剂以及药物中问体外，还是合成聚酯的重要原料，特别是1，3一丙二醇，以其为原料合成的PTT，性能优良，在塑料、服装和地毯等行业应用很广泛。
4.发电
除制备化学原料多远醇外，生物质在发电领域也有相当好的前景。生物质是传统的可再生能源，在工业革命以前．一直是支撑人类社会发展的主要能源。由于化石能源的出现．目前生物质能利用量已经很小。但随着能源资源和能源环境问题的日益突出．生物质能利用又重新成为人类的选择，但利用技术将会更加先进．生产的能源产品可以替代目前的电力、石油、天然气等所有现代能源。因此．生物质能的利用要统筹兼顾，在生物质能丰富的地区，如粮食主产区、大型粮食加工企业、林区、大型木材加工厂等，可以因地制宜建设一些生物质发电站，但在大部分资源分散的农村地区，应结合解决农村用能问题， 推广应用生物质成型颗粒燃料技术或沼气技术．实现利用分散资源解决分散用能问题。对于生物发电产业，我国政府给予了有力支持。[9]今年的中央一号文件明确指出：以生物能源、生物基产品和生物质原料为主要内容的生物质产业是拓展农业功能、促进资源高效用的朝阳产业。“十一五”规划中．还提出建设生物质发电550万千瓦装机容量的发展目标。值得注意的是，作为一种新型产业，跨学科、跨部门、跨行业的联合与协同 以及料需求农村落后生产模式之间矛盾的调和，都是亟待解决的问题。如果克服这些困难．生物质发电将在现代化建设中发挥更大的作用。
4.1 国外生物质发电产业的发展状况
自1990年以来．生物质发电在欧美许多国家开始大发展，特别是2oo2年约翰内斯堡可持续发展世界峰会以来，生物质能的开发利用正在全球加快推进。[11]截至2004年，世界生物质发电装机已达3900万千瓦，年发电量约2000亿千瓦时，可替代7000万吨标准煤，是风电、光电、地热等可再生能源发电量的总和。芬兰是欧盟国家中利用生物质发电最成功的国家之
一． 目前生物质发电量占本国发电量的l1％ 。奥地利成功地推行了建立燃烧木材剩余物的区域供电站的计划．生物质能在总能耗中的比例由原来大约2～3％激增到约25％。德国对生物质直燃发电也非常重视，在生物质热电联产应用方面很普遍。截至2005年，德国拥有140多个区域热电联产的生物质电厂，同时有近8O个此类电厂在规划设计或建设阶段。作为世界头号强国，美国也十分重视生物能源的发展，美国能源部早在1991年就提出了生物发电计划而美国能源部的区域生物质能源计划的第一个实习区域早在1979年就已开始。如今，在美国利用生物质发电已经成为大量工业生产用电的选择．这种巨大的电力生产被美国用于现存配电系统的基本发电量。 目前美国有350多座生物质发电站，美国能源部又提出了逐步提高绿色电力的发展计划，预计到2010年，美国将新增约1100万千瓦的生物质发电装机。
到2020年，西方工业国家15％ 的电力将来自生物质发电．而目前生物质发电只占整个电力生产的1％ 。届时，西方将有l亿个家庭使用的电力来自生物质发电，生物质发电产业还将为社会提供40万个就业机会。
可再生能源论文(二)
新能源与可再生能源论文
新能源与可再生能源论文
风能：
定义1：近地层风产生的动能
定义2：空气流动所具有的能量 定义3：地球表面空气流动所形成的动能。风能是太阳能的一种转化形式。风速愈大，它具有的能量愈大。
生物质能：
定义1：绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能存储在生物质内部的能
量。是太阳能以化学能形式存储在生物质中的能量。
定义2：以生物质为载体、通过光合作用，将太阳能转化为化学能形式。
太阳能：
定义1：太阳以电磁辐射形式向宇宙空间发射的能量。
定义2：太阳内部高温核聚变反应所释放的辐射能，其中约二十亿分之一到达地球大气层，是地球上光和热的源泉。
核能：
定义1：由于原子核内部结构发生变化而释放出的能量
定义2：核反应或核跃迁时释放的能量。例如重核裂变、轻核聚变时释放的巨大能量。
地热能：
定义1：地球内部蕴藏的能量。
定义2：即地球内部隐藏的能量，是驱动地球内部一切热过程的动力源，其热能以传导形式向外输送。【可再生能源论文】
海洋能：
定义1：蕴藏在海洋中的可再生能源。包括潮汐能、波浪能、海流及潮流能、海洋温差能和海洋盐度差能。
定义2：蕴藏在海洋中的可再生能源，包括潮汐能、波浪能、海洋温差能、海浪能、潮流能和海水盐差能，广义还包括海洋能农场。【可再生能源论文】
我省新能源现状：
生物质能：
黑龙江省是全国最大的商品粮生产基地, 每年产生秸秆5000多万吨, 丰富的秸秆资源让这里成为生物质发电的沃土。2007 年11 月, 我省第一家生物质发电厂在望奎县建成投产。至今, 已有国能、国电等电力企业在黑龙江省的巴彦、友谊、龙江、建三江、宝泉岭、宁安等地开始了生物质热电厂的建设或前期立项与考察工作。通过生物质热电厂的建设, 既可利用丰的生物质能资源, 又可增加农民收入, 同时又减少了矿物质能源的消耗, 减少了环境污染物的排放, 对我省的节能减排具有很好的促进作用。由于生物质热电厂的收购的燃料主要为秸秆等农业生产剩余物, 需要建立一个燃料收购系统, 因而通过电厂的运行可形成一个以秸秆生物质燃料为中心的经济圈, 为农民增收的同时, 还可带动如运输等相关产业的发展, 对当地的经济将会起到一定的拉动作用。除了各大电力集团投资建设生物质电厂外, 省内的部分投资者和民营企业家也关注着生物质能的发展的机遇,尤其是粮食加工企业, 它们充分利用粮食加工剩余物( 如稻壳等) , 通过建设单台装机规模1500kW~ 6000kW 的小型发电机组, 利用粮食加工剩余物发电的同时, 也利用其产生的蒸汽用于生产, 实现了良好的循环产业链, 既利用了生物质能资源又增加了经济收入渠道, 也节约了能源降低了生产成本。目前省内的庆安、鹤岗、虎林、建三江等地都建成一批此类电厂, 经济、环保和社会效益均较好。由于此类电厂具有规模小、投资少、建设期短、运行灵活等优势, 发展呈现快速上升趋势
风能：
我省风力资源初步估计约为1723 万kWh。风能资源丰富区主要位于松嫩平原东南部的绥化大部、哈尔滨西部; 位于松花江下游以南、兴凯湖以北的三江平原大部和牡丹江北部个别县; 位于松花江中游两岸的哈尔滨东部数县以及嫩江上游嫩江县附近地区, 年平均风能密度达100~ 140wm2 , 部分地区可达到200wm2 以上。这些地区都是我省重点粮食产区, 人口集中, 农业生产水平较高, 但农村能源供不应求, 直接影响到农业现代化建设的速度。如果充分注意到当地风能资源与农村能源消费之间的良好匹配关系, 把风能资源广泛用于非田间作业将是我省开发利用风能的有利地区。目前国电、大唐和华能等。
我省50米高度年平均风功率密度的分布与风速的分布趋势基本一致，绝大部分地区在200瓦/平方米以上。其中依兰、桦川、桦南、富锦、集贤、宝清、穆棱、鸡东、伊春、萝北、鹤岗以及嫩江、讷河、龙江、泰来等地在300瓦/平方米以上。
太阳能：
我省太阳能资源丰富，年总辐射量为4400兆焦/平方米至5028兆焦/平方米(1222千瓦时/平方米至1397千瓦时/平方米)，资源总储量约为2.30×106亿千瓦时(含加格达奇区和松岭区)，相当于750亿吨标准煤。其总辐射的空间分布趋势为西南部太阳总辐射值最大，中东部和北部地区太阳总辐射相对较少。
我省年平均太阳总辐射量大于5000兆焦/平方米(1389千瓦时/平方米)的面积为0.2263万平方公里，总储能11.6×103亿千瓦时，主要分布于泰来县和齐齐哈尔市;年平均太阳总辐射量在4800兆焦/平方米至5000兆焦/平方米(1333千瓦时/平方米至1389千瓦时/平方米)的面积为14.12万平方公里，对应总储能709.1×103亿千瓦时，主要分布于西南的大部分
地区，包括大庆、齐齐哈尔、绥化、黑河和哈尔滨的部分地区以及牡丹江市;年平均太阳总辐射量在4600兆焦/平方米至4800兆焦/平方米(1278千瓦时/平方米至1333千瓦时/平方米)的面积为22.43万平方公里，对应总储能1080.5×103亿千瓦时，主要分布于中部地区，包括牡丹江、鹤岗、七台河以及佳木斯、双鸭山、伊春、黑河和哈尔滨的大部分地区。年平均太阳总辐射量在4400兆焦/平方米至4600兆焦/平方米(1222千瓦时/平方米至1333千瓦时/平方米)的面积为10.52万平方公里，对应总储能485.2×103亿千瓦时，主要分布在东部地区、大兴安岭和伊春北部。
地热
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