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《21世紀(jì)新能源叢書》序

物質(zhì)、能量和信息是現(xiàn)代社會(huì)賴以存在的三大支柱。很難想象沒有能源的世界是什么樣子。每一次能源領(lǐng)域的重大變革都帶來(lái)人類生產(chǎn)、生活方式的革命性變化，甚至影響著世界政治和意識(shí)形態(tài)的格局。當(dāng)前，我們又處在能源生產(chǎn)和消費(fèi)方式發(fā)生革命的時(shí)代。

從人類利用能源和動(dòng)力發(fā)展的歷史看，古代人類幾乎依靠可再生能源，人工或簡(jiǎn)單機(jī)械已經(jīng)能夠適應(yīng)農(nóng)耕社會(huì)的需要。近代以來(lái)，蒸汽機(jī)的發(fā)明喚起了及時(shí)次工業(yè)革命，而能源則是以煤為主的化石能源。這之后，又出現(xiàn)了電和電網(wǎng)，從小規(guī)模的發(fā)電技術(shù)到大規(guī)模的電網(wǎng)，支撐了與大工業(yè)生產(chǎn)相適應(yīng)的大規(guī)模能源使用。石油、天然氣在內(nèi)燃機(jī)、柴油機(jī)中的廣泛使用，奠定了現(xiàn)代交通基礎(chǔ)，也把另一個(gè)重要的化石能源引入了人類社會(huì)；燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)進(jìn)步使飛機(jī)突破聲障，進(jìn)入了超聲速航行的時(shí)代，進(jìn)而開始了航空航天的新紀(jì)元。這些能源的利用和能源技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步適應(yīng)了高度集中生產(chǎn)的需要。

但是化石能源的過(guò)度使用，將造成嚴(yán)重環(huán)境污染，而且化石能源資源終將枯竭。這就嚴(yán)重地威脅著人類的生存和發(fā)展，人類必然再一次使用以可再生能源為主的新能源。這預(yù)示著人類必將再次步入可再生能源時(shí)代——一個(gè)與過(guò)去不同的建立在當(dāng)代高新技術(shù)基礎(chǔ)上創(chuàng)新發(fā)展起來(lái)的嶄新可再生能源時(shí)代。一方面，要滿足大規(guī)模集中使用的需求；另一方面，由于可再生能源的特點(diǎn)，同時(shí)為了提高能源利用率，還必須大力發(fā)展分布式能源系統(tǒng)。這種能源系統(tǒng)使用的是多種新能源，采用高效、潔凈的動(dòng)力裝置，用微電網(wǎng)和智能電網(wǎng)連接。這個(gè)時(shí)代，按照里夫金《第三次工業(yè)革命》的說(shuō)法，是分布式利用可再生能源的時(shí)代，它把能源技術(shù)與信息技術(shù)緊密結(jié)合，甚至可以通過(guò)一條管道來(lái)同時(shí)輸送一次能源、電能和各種信息網(wǎng)絡(luò)。

為了反映我國(guó)新能源領(lǐng)域的較高科研水平及近期研究成果，為我國(guó)能源科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人才培養(yǎng)提供必要的資源支撐，中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)聯(lián)合科學(xué)出版社共同策劃出版了這套《 21世紀(jì)新能源叢書》。叢書邀請(qǐng)了一批工作在新能源科研一線的專家及學(xué)者，為讀者展現(xiàn)國(guó)內(nèi)外相關(guān)科研方向的較高水平，并力求在太陽(yáng)能熱利用、光伏、風(fēng)能、氫能、海洋能、地?zé)?、生物質(zhì)能和核能等新能源領(lǐng)域，反映我國(guó)當(dāng)前的科研成果、產(chǎn)業(yè)成就及國(guó)家相關(guān)政策，展望我國(guó)新能源領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

本叢書可以為我國(guó)在新能源領(lǐng)域從事科研、教學(xué)和學(xué)習(xí)的學(xué)者、教師、研究生提供實(shí)用系統(tǒng)的參考資料，也可為從事新能源相關(guān)行業(yè)的企業(yè)管理者和技術(shù)人員提供有益的幫助。

中國(guó)科學(xué)院院士 2013年 6月

前言

能源是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。縱觀人類社會(huì)發(fā)展歷史，從人類學(xué)會(huì)使用火開始，到工業(yè)化的今天，人類文明的每一次重大進(jìn)步都伴隨著能源技術(shù)的改進(jìn)和提升。

改革開放以來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，我國(guó)能源消耗平均以 6%~7%的年增長(zhǎng)率快速增長(zhǎng)，現(xiàn)已成為世界上及時(shí)大能源生產(chǎn)國(guó)，并已接近成為世界上及時(shí)大能源消費(fèi)國(guó)。另一方面，我國(guó)人均能源資源擁有量在世界上卻處于較低水平，其中煤炭資源人均擁有量相當(dāng)于世界平均水平的 50%，石油和天然氣的人均資源量?jī)H為世界平均水平的 5%~6%。因此，在我國(guó)大力研究和開發(fā)應(yīng)用包括生物質(zhì)能在內(nèi)的各種可再生能源，意義十分重大。

生物質(zhì)能本質(zhì)上是綠色植物通過(guò)光合作用轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存下來(lái)的太陽(yáng)能，也是一種具有碳源的可再生能源。我國(guó)生物質(zhì)資源非常豐富，主要有農(nóng)作物秸稈、薪柴和森林廢棄物、能源植物、工業(yè)有機(jī)廢棄物和生活有機(jī)垃圾等。采用熱解等現(xiàn)代生物煉制技術(shù)將這些可再生的生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化為具有較高品質(zhì)的能源產(chǎn)品，既可以減少石油等化石資源的消耗，又能夠在保護(hù)生態(tài)環(huán)境的同時(shí)，開拓新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)和促進(jìn)美好鄉(xiāng)村的建設(shè)。

本人于 1997年年底開始從事生物質(zhì)能研究。當(dāng)時(shí)本人即將結(jié)束在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的博士后研究，在聆聽了浙江大學(xué)岑可法院士來(lái)學(xué)校所做的關(guān)于能源利用技術(shù)的學(xué)術(shù)報(bào)告后，更加堅(jiān)信生物質(zhì)能是很有應(yīng)用前景的一種可再生能源，故決定選擇生物質(zhì)熱解作為自己留校工作后的研究方向。時(shí)光荏苒， 17年悄然已過(guò)，本人在生物質(zhì)熱解領(lǐng)域從啟蒙到了解，從小試到中試，再?gòu)闹性嚨绞痉?，一直沒有停止對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的探索和創(chuàng)新。

本人能夠在生物質(zhì)熱解領(lǐng)域追夢(mèng)至今，當(dāng)要感謝原中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)校長(zhǎng)朱清時(shí)院士。朱清時(shí)先生于 19世紀(jì) 20年代初倡導(dǎo)綠色化學(xué)研究， 1999年開始關(guān)注本人在生物質(zhì)熱解轉(zhuǎn)化方面所做的工作。為支持和加快學(xué)校在生物質(zhì)能領(lǐng)域的研究，朱先生于 2001年發(fā)起成立了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)生物質(zhì)潔凈能源實(shí)驗(yàn)室，并親自兼任實(shí)驗(yàn)室主任。朱先生除了對(duì)我們的研究工作給予學(xué)術(shù)指導(dǎo)外，更是以堅(jiān)韌不拔的毅力帶領(lǐng)我們申請(qǐng)國(guó)家 973計(jì)劃等重大項(xiàng)目。朱先生對(duì)科學(xué)與真理的執(zhí)著追求，一直深深地影響著本人。

本人能夠在生物質(zhì)熱解領(lǐng)域追夢(mèng)至今，還要感謝導(dǎo)師、原中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)路甬

祥院士。先生每當(dāng)獲悉本人在生物質(zhì)熱解研究方面取得的進(jìn)展時(shí)，總是給予勉勵(lì)。在本人的生物質(zhì)熱解液化技術(shù)及時(shí)次產(chǎn)業(yè)化示范開始不久，先生于 2007年 5月蒞臨現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)，并欣然命筆題詞："官產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，發(fā)展生物質(zhì)可再生能源"。

生物質(zhì)熱解技術(shù)因具有工藝過(guò)程短、原料適應(yīng)性強(qiáng)、反應(yīng)迅速、轉(zhuǎn)化率高和無(wú)污染物排放等諸多優(yōu)點(diǎn)而備受人們的廣泛關(guān)注。為進(jìn)一步推動(dòng)該項(xiàng)技術(shù)的研究與應(yīng)用，本人基于多年的研究積累撰寫了本書。全書內(nèi)容共 7章，分別講述我國(guó)的能源形勢(shì)和生物質(zhì)能特點(diǎn)，生物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，生物質(zhì)的熱解原理，生物質(zhì)的熱解炭化、熱解氣化和熱解液化，以及生物油的性質(zhì)與應(yīng)用等。全書雖然較好地構(gòu)成了一套完整的生物質(zhì)熱解技術(shù)體系，但在生物質(zhì)熱解機(jī)理方面的敘述還不夠深入，在生物質(zhì)熱解技術(shù)方面的敘述還不夠深刻。如果本書能夠?qū)ψx者有所啟發(fā)，本人將感到莫大的欣慰。

本書能列入"十二五"國(guó)家重點(diǎn)圖書出版規(guī)劃項(xiàng)目《 21世紀(jì)新能源叢書》，當(dāng)要感謝中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所金紅光院士的大力推薦和殷切勉勵(lì)。金先生在燃料化學(xué)能梯級(jí)利用技術(shù)領(lǐng)域所取得的成就和他那"學(xué)而不厭、誨人不倦"的品格一直鼓舞著本人、激勵(lì)著本人。

本書能夠在不太長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)編撰完成，還要感謝編者之一、現(xiàn)為華北電力大學(xué)副教授的陸強(qiáng)博士。從本科三年級(jí)到博士畢業(yè)， 7年間他一直跟隨本人從事生物質(zhì)熱解技術(shù)的研究，期間共計(jì)發(fā)表了 27篇學(xué)術(shù)論文， 2010年畢業(yè)時(shí)榮獲中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)獎(jiǎng)。他承擔(dān)了本書五分之二的編寫工作。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)生物質(zhì)潔凈能源實(shí)驗(yàn)室的郭慶祥教授、閻立峰教授、傅堯教授、李全新教授等老師和研究生對(duì)于本書的編寫給予了大力支持和熱情幫助。在此謹(jǐn)向他們表示衷心的感謝！

在本書的編寫過(guò)程中，作者廣泛參考了國(guó)內(nèi)外已出版和發(fā)表的相關(guān)資料。在此對(duì)本書所借鑒的研究成果的完成者表示衷心的感謝！

本書研究成果是在過(guò)去十余年時(shí)間內(nèi)持續(xù)攻關(guān)取得的，研究工作得到了國(guó)家 973計(jì)劃(2007CB210203和 2013CB228103)、國(guó)家 863計(jì)劃(2012AA051803)、國(guó)家科技支撐計(jì)劃( 2007BAD34B02)、國(guó)家自然科學(xué)基金( 50576091、50876099和 50930006)、中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程( KGCX2-YW-306-4和 KGCX2-YW-330)和重點(diǎn)部署項(xiàng)目( KGZD-EW-304-3)的寶貴資助。在本書編寫和出版過(guò)程中獲得了同行專家和科學(xué)出版社編輯的很多鼓勵(lì)和幫助，在此一并致以深深的謝意！

限于編者水平，書中難免存在不足之處，懇請(qǐng)讀者不吝賜教。

朱錫鋒

2014年 4月

目錄

《21世紀(jì)新能源叢書》序前言第 1章概述 .... 1

1.1 能源的基本概念 ............................................................. 1

1.2 綠色植物光合作用 .............. 3

1.3 生物質(zhì)資源與分類 ................................................................... 6

1.4 生物質(zhì)的物理性質(zhì) ........................................................... 10

1.4.1 生物質(zhì)的含水率 ..........................................10

1.4.2 生物質(zhì)的密度 ..............................................................................10

1.4.3 堆積角、內(nèi)摩擦角和滑落角 ..........................................................11

1.4.4 生物質(zhì)炭的機(jī)械強(qiáng)度 ....................................................................12

1.4.5 生物質(zhì)的比表面積 ............................13

1.4.6 生物質(zhì)的孔隙率 .........13

1.4.7 生物質(zhì)的比熱容 ..........................................................................13

1.4.8 生物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù) .......................................................................13

1.5 生物質(zhì)的燃料特性 .............................................................................. 14

1.5.1 生物質(zhì)的燃燒 ..............................................................................14

1.5.2 生物質(zhì)的發(fā)熱量 ..........................................................................15

1.5.3 生物質(zhì)燃料的化學(xué)當(dāng)量比 ..............................................................17

1.6 生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)換技術(shù) .......................................................................... 18

參考文獻(xiàn) ............... 22

附錄 1-1我國(guó)農(nóng)作物秸稈資源及其分布 ..... 22

附錄 1-2固體生物質(zhì)燃料全水分測(cè)定方法 ................................................ 27

第 2章生物質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu) ................... 30

2.1 生物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu) ............. 30

2.2 生物質(zhì)的元素分析 ....................... 36

2.3 生物質(zhì)的工業(yè)分析 .............. 41

參考文獻(xiàn) ......... 47

附錄 2-1纖維素聚合度的測(cè)定方法及常見生物質(zhì)原料的組成成分 ............. 48

附錄 2-2常見生物質(zhì)原料的分析結(jié)果 ....................................................... 56

第 3章生物質(zhì)的熱解原理 .........................................................................