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现代生物质能源与工程技术 本书全面、深入地探讨了生物质能源的转化与利用技术，是理解和应用现代生物质能源工程的权威指南。 --- 第一部分：生物质资源基础与预处理 第一章：全球生物质能源概览与可持续性 本章首先界定了生物质能源的概念范畴，涵盖了农业残余物、林业废弃物、能源作物、城市有机废弃物以及藻类等主要来源。详细分析了全球和区域层面生物质资源的潜力评估方法，包括地理信息系统（GIS）的应用。重点讨论了生物质能源在应对气候变化、保障能源安全以及促进农村经济发展中的战略地位。此外，深入剖析了生物质能源生产与土地利用竞争、水资源消耗、生物多样性保护等可持续性挑战，并提出了生命周期评价（LCA）在决策制定中的核心作用。探讨了政策法规框架对生物质产业发展的驱动与约束机制。 第二章：生物质的结构、性质与分析 精确理解生物质的化学组成是后续转化效率的关键。本章系统阐述了纤维素、半纤维素和木质素这三大主要聚合物的分子结构、交联方式及其对热化学和生物化学反应性的影响。探讨了提取物（如树脂、蜡和挥发性有机物）的性质和去除方法。详细介绍了用于测定生物质热值（高位热值与低位热值）、水分含量、灰分、挥发分和固定碳的国际标准测试方法（如ASTM和ISO标准）。内容涵盖了热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）在表征生物质热解行为中的应用。 第三章：生物质的物理与化学预处理技术 预处理是提高生物质反应效率、降低能耗的必要步骤。本章分系统介绍了不同类型的预处理技术： 1. 物理预处理： 涵盖破碎、粉碎（球磨、锤磨）、研磨等技术，着重分析粒度分布对后续反应速率的影响模型。 2. 物理化学预处理： 重点阐述了蒸汽爆破、湿热处理、酸/碱/氧化剂处理的机理。详细对比了不同介质（如稀硫酸、氢氧化钠）对破坏木质素结构、提高纤维素可及性的效率与选择性。探讨了离子液体和深共熔溶剂（DESs）在溶解和分离生物质组分中的前沿应用。 3. 生物预处理： 介绍了利用真菌（如白腐真菌）和酶制剂对木质纤维素进行选择性降解的优势与局限性，包括反应条件控制和反应器设计考量。 --- 第二部分：生物质热化学转化技术 第四章：生物质的热解与气化原理 本章深入解析了热解（Pyrolysis）过程的动力学模型。区分了快速热解（产生高价值生物油）、慢速热解（产生生物炭）和介导热解的反应条件差异。详细描述了生物油的复杂组分（醛、酮、酸、酚类），及其在储存、稳定性和直接燃烧应用中面临的挑战（如高酸度和含氧量）。 气化部分全面介绍气化炉的设计类型，包括固定层气化炉（上吸式、下吸式）、流化床气化炉和先进的循环流化床技术。讨论了气化过程中的关键热力学平衡（如水煤气变换反应、甲烷化反应），并重点分析了气体的净化过程，如焦油的催化裂解和颗粒物的去除技术，以满足发电或合成燃料对清洁气体的要求。 第五章：生物质热解油的精制与升级 生物油的直接应用受限于其性质。本章集中讲解如何将其转化为可替代的化石燃料或化学品。 1. 催化升级： 详细介绍了加氢脱氧（HDO）技术，包括催化剂的选择（如负载型贵金属、硫化钼基催化剂）和反应器配置（固定床、浆态床）。分析了脱氧过程中水生成、C-C键断裂和芳构化的竞争机制。 2. 酯化与醚化： 探讨了将生物油中的酸性组分通过化学反应转化为生物燃料（如生物柴油或生物乙基醚）的工艺流程和反应条件优化。 第六章：生物质直接燃烧与共燃烧技术 本章侧重于生物质在锅炉中的应用。介绍了生物质锅炉（如层燃锅炉、流化床锅炉）的燃烧特性和设计要求，尤其是处理高水分和高灰分燃料的策略。深入讨论了共燃烧（Co-firing）技术，即生物质与煤炭在现有燃煤电厂中混合燃烧的燃烧效率、污染物排放控制（NOx、SOx）以及对锅炉部件腐蚀和结渣的影响。分析了生物质灰渣的特性及其在农业或建材中的资源化利用途径。 --- 第三部分：生物质生化转化技术 第七章：生物燃料发酵基础与高级糖化技术 本章聚焦于第一代和第二代生物液体燃料的生产。详细阐述了酵母菌、细菌等微生物对不同底物（葡萄糖、木糖、阿拉伯糖）的发酵动力学模型。重点介绍了先进的糖化技术，包括： 1. 酶促水解： 纤维素酶、半纤维素酶的类型、协同作用机制，以及如何通过反应器设计（如高固含量水解）提高酶效率和降低成本。 2. 固态发酵与分批补料发酵： 在生物柴油和生物乙醇生产中的应用与优化。 第八章：厌氧消化与沼气工程 厌氧消化是处理有机废弃物和生产沼气的关键技术。本章系统介绍了厌氧消化的四个阶段（水解、酸化、产乙酸、产甲烷）的微生物群落结构及其相互制约关系。详细比较了不同反应器类型（如UASB、EGSB、CSTR）的适用性、水力停留时间（HRT）和污泥负荷的确定。深入探讨了沼气（甲烷、二氧化碳、硫化氢）的净化、提纯技术（如膜分离、胺吸收法），以及提纯后的生物甲烷并入天然气管网或作为交通燃料的应用。 第九章：生物柴油与生物航空燃料的合成 本章主要讨论油脂类原料（植物油、动物脂肪、废弃食用油）的转化。详细阐述了酯交换反应的催化剂选择（均相、非均相催化剂），反应平衡的控制，以及产物（生物柴油、甘油副产物）的分离提纯过程。对于生物航空燃料（SAF）的生产，重点介绍了通过FT合成（费托合成）或HEFA（加氢处理酯类）路径将生物油或油脂转化为高品质烃类燃料的技术路线和性能评价标准。 --- 第四部分：综合利用与经济分析 第十章：生物质能源系统集成与优化 本章超越单一技术范畴，探讨生物质能源的综合利用模式。介绍了“生物精炼”（Biorefinery）的概念，即最大化利用生物质的每一个组分。详细分析了热电联产（CHP）与热电冷联供（CCHP）系统的设计原理，如何通过热力学整合（如余热回收）提高整体能源利用效率。探讨了系统层面的集成设计方法，包括流程模拟软件（如Aspen Plus）在评估不同工艺路线下的性能指标。 第十一章：生物质能源项目的经济性与环境影响评估 评估生物质项目的商业可行性是成功的关键。本章介绍了主要的经济分析工具，包括净现值（NPV）、内部收益率（IRR）和回收期分析。重点分析了影响项目成本的主要因素，如原料获取与运输成本、资本支出（CAPEX）与运营支出（OPEX）。环境方面，回归生命周期评价（LCA），具体量化了从原料种植/收集到最终能源产品使用的全过程温室气体减排潜力、水足迹和生态毒性，为政策制定者提供科学依据。 附录：生物质能源相关标准与安全规范 索引
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