生物质能课件习题集参考答案.docx
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生物质能课件习题集参考答案
1.人类为什么要将生物质能引入到现代能源系统?
1、当前社会能源需求不断增大,而能源结构中比重最大的化石能源储量有限,不可再生,能源危机和环境问题越来越受到人们的重视。
2、生物质能产量巨大,分布广泛,是地球上最丰富的可再生资源。
3、生物质能利用过程中对环境污染小,对大气环境的二氧化碳净排放量为零。
4、生物质能以化学能的形式存在,可转化为能源和化工原料,作为化石能源的替代物。
5、开发生物质能源,可以促进经济发展,提高就业机会,具有经济与社会的双重效益。
6、在贫瘠的或被侵蚀的土地上种植能源作物或植被可以改善土壤,改善生态环境,提高土地的利用程度。
2.为什么光合作用能够把太阳能转变为化学能储存起来?
化合物的能量可看作是由形成化合物的原子之间的化学键所蕴藏的。
叶绿素分子吸收光能后就相互传递并引发一系列化学反应,改变了碳,氧,氢原子的结合,不同原子之间的化学键所蕴藏着的能量不同。
反应后的氧气和碳水化合物里的键能,比反应前二氧化碳和水里的键能要小。
键能小,化学势位高,易往键能大,化学势位低的方向转化,这种转化趋势就是化学能。
3.生物质能资源利用的优势体现在哪几个方面?
1、生物质资源发布十分广泛,远比石油丰富,可再生。
2、内燃机车辆使用从生物质资源提取或生产出的乙醇,液态氢时,有利于保护环境。
生物质含硫和含氮量低,灰分份额小,利用过程中对大气环境的二氧化碳净排放量为零。
3、开发生物质能源,可以促进经济发展,提高就业机会,具有经济与社会的双重效益。
4、在贫瘠的或被侵蚀的土地上种植能源作物或植被可以改善土壤,改善生态环境,提高土地的利用程度。
4.生物质能转换技术包括几种,分别是什么?
5.什么是生物质的应用基、分析基和干燥基?
1、应用基:
按实际进入炉灶的燃料取样分析计算所得到组成成分的质量分数,表示时在该成分符号右上角加“y”。
这种表示方法仅在具体做测试计算时使用,不便作为手册、资料上的数据查用。
2、分析基:
以风干燃料为基准,分析化验计算后所得的各元素组成成分的百分数值,表示时在该成分符号右上角加“f”,这是一般资料上给出的数据。
3、干燥基:
以完全干燥的燃料为基准,进行测定计算的,它是在元素右上角加“g”表示。
6.某地区每年的玉米产量为10万吨,大豆产量为3万吨,棉花产量为6万吨,试计算该地区每年的秸秆总量。
(谷草比,玉米1:
2,大豆1:
1.5,棉花1:
4)
谷草比=谷物的产量÷农作物秸秆产量
10×2+3×1.5+6×4=48.5(万吨)
7.请分别描述两阶段、三阶段厌氧发酵理论。
1、两阶段厌氧发酵理论
第一阶段(产酸阶段、酸性发酵阶段)
复杂有机物(如糖类、脂类、蛋白质等),在产酸菌(厌氧和兼性厌氧菌)的作用下被分解成低分子的中间产物,主要是一些低分子有机酸(如乙、丙、丁酸),醇类,氢气,二氧化碳,NH4+和H2S等产生。
大量脂肪酸的产生使发酵液pH降低。
第二阶段(产甲烷阶段、碱性发酵阶段)
产甲烷菌(专性厌氧菌)将第一阶段产生的中间产物(如有机酸)继续分解成CH4和CO2等,同时系统中存在NH4+,使发酵液的pH不断升高。
2、三阶段厌氧发酵理论(研究相对透彻,相对得到公认)
第一阶段:
水解和发酵
复杂有机物在微生物(发酵菌)作用下进行水解,发酵。
多糖水解为单糖,在通过酵解进一步发酵成乙醇和脂肪酸等。
蛋白质先水解为氨基酸,再经脱氨基作用产生脂肪酸和氨。
脂类转化为脂肪酸和甘油,再转化为脂肪酸和醇类。
第二阶段:
产氢,产乙醇(酸化阶段)
在产氢、产乙酸菌的作用下,把除甲酸、乙酸、甲胺、甲醇外的中间产物等水溶性小分子转化为乙酸、H2和CO2。
第三阶段:
产甲烷
甲烷菌把甲酸、乙酸、甲胺、甲醇和(H2+CO2)等基质通过不同的路径转化为甲烷,其中最主要的基质为乙酸和(H2+CO2)。
厌氧消化过程约有70%甲烷来自乙酸的分解,少量来自H2和CO2的合成。
8.什么是自然温度发酵?
自然温度发酵又称“常温发酵”,指在自然温度下进行发酵,发酵温度受气温影响而变化。
我国农村户用沼气池基本采用这种工艺,成本低廉,施工容易,不需控温;但同样投料条件下,一年四季产气率相差较大。
低于10°C以下,产气效果很差。
9.在沼气工程启动和运行过程中,主要影响pH值变化的因素是什么?
1、发酵原料里含有大量有机酸,如果在短时间内大量向发酵装置内投入此类原料,会引起发酵装置内pH值的下降。
若向正常运行的发酵装置按装置可承受的负荷投入原料,有机酸会很快被分解,不引起酸化,不必对进料的pH值进行调整。
2、发酵装置启动时投料浓度过高,接种物中的产甲烷菌数量又不足,或在装置运行阶段突然升高负荷,使产酸与产甲烷的速度失调而引起挥发酸的积累,导致pH值下降。
3、进料中混入大量强酸或强碱,直接影响发酵液pH值。
10.在沼气工程中,如果使用秸秆类原料,需要预先进行堆沤,堆沤的用途是什么?
1、在堆沤过程中,原料中带进去的发酵细节大量生长繁殖,起到富集菌种的作用;
2、堆沤腐熟的物料进入沼气池后可减缓酸化作用,有利于酸化和甲烷化的平衡;
3、秸秆原料经堆沤后,纤维素变松散,扩大了纤维素分解菌与纤维素的接触面,大大加速纤维素的分解速度,加速沼气发酵的过程;
4、堆沤腐烂的纤维素原料含水量较大,入池后很快沉底,不易浮面结壳;
5、原料堆沤后体积缩小,便于装池。
11.搅拌对正常的沼气发酵非常重要,搅拌的目的是什么?
主要包括几种搅拌形式?
目的:
使发酵原料分布均匀,增加沼气微生物与原料的接触面,加快发酵速度,提高产气量。
同时也可防止大量原料浮渣结壳,致使原料利用率降低,使产生的沼气释放困难。
搅拌形式:
机械搅拌——在沼气池内安装机械搅拌装置,每1~2d搅拌一次,每次5~10min。
利于沼气释放。
气体搅拌——将沼气池内的沼气抽出,通过输送管道从沼气池下部送进去,使池内产生较强的气体回流,达到搅拌的目的。
液体搅拌——用抽渣器从沼气池的出料间将发酵液抽出,再通过进料管注入沼气池内,产生较强的料液回流以达到搅拌和菌种回流的目的。
12.什么是连续发酵、半连续发酵和批量发酵?
连续发酵
•当沼气池加满料正常运行后,每天分几次或连续不断地加入预先设计的原料,同时也排走相同体积的发酵料液;
•大中型沼气工程通常采用连续进料方式;
•工艺流程先进,发酵装置结构和发酵系统较复杂;
•连续发酵工艺流程需控制进料浓度、水力滞留期、发酵温度;
•目前是沼气工程满足需要的参数设定仍处于依靠“经验”进行设计,距离“最佳化”尚远。
半连续发酵
•在沼气池启动时一次性加入较多原料(一般占整个发酵周期投料总量的四分之一到二分之一),正常产气后,定期、不定量地添加新料;
•到一定阶段后,将大部分料液取走;
•池容产气率、原料产气率只能计算平均值,水力滞留期无法计算。
•半连续发酵工艺流程应控制的主要参数是:
启动含量、接种物比例及发酵周期。
•需经常不断地补充新鲜原料
•池容产气率——系统的每立方米发酵池容积,一昼夜的产气量,单位为m3/(m3·d);
•水力滞留期——指水力学所计算出的原料在沼气池的停留时间,单位是天(d)
批量发酵
•一种简单的沼气发酵类型;
•将发酵原料和接种物一次性装入沼气池,中途不再添加新料;
•产气结束后一次性出料;
•产气特点是初期少,以后逐渐增多,然后产气保持基本稳定,而后产气又逐步减少,直到出料;
•投料启动成功后,不再需要进行管理,简单省事;
•产气分布不均衡,高峰期产气量多,其后产气量低。
•工艺流程应控制的主要参数是:
启动浓度、接种物比例及发酵周期。
•采用该工艺的主要问题:
启动比较困难;进出料不方便。
13.试绘制水压式沼气池的结构简图,并描述各个部件的作用?
P44-45
14.一个消化器的有效容积为500m3,每天进料量为50m3,则水力滞留期为多少?
原料的投配率为多少?
HRT=消化器有效容积÷每天进料量=10d
投配率=每天进料体积÷消化器有效容积×100%=10%
15.根据水力滞留期、固体滞留期和微生物滞留期的不同,厌氧消化器可以分为哪三种类型?
各自的特点是什么?
1.常规型消化器
HRT=SRT=MRT结构简单,应用广泛,消化器内无足够微生物,固体物质得不到充分消化,因而效率低。
•常规消化器
•全混合式消化器
•塞流式消化器
2.污泥滞留型消化器
(MRT,SRT)>HRT
采用各种固液分离方式使污泥滞留于消化器内,提高消化器效率,缩小消化器体积。
•厌氧接触工艺
•升流式厌氧污泥床
•膨胀颗粒污泥床
•内循环厌氧反应器
•升流式固体反应器
•折流式反应器
3.附着膜型消化器
MRT>(SRT、HRT)
使微生物附着于安放在消化器内的惰性介质上,是消化器在允许原料中的液体和固体穿流而过的情况下,固定微生物于消化器内。
•厌氧滤器(AF)
•流化床和膨胀床(FBR和EBR)
1、常规厌氧反应器:
该消化器无搅拌装置,原料在消化器内呈自然沉淀状态。
一般分为4层,从上到下依次为浮渣层、上清液层、活性层和沉渣层,其中厌氧消化活动旺盛的场所只限于活性层内,因而效率较低。
多于常温条件下运行。
我国农村最常用的水压式沼气池属常规消化器。
2、全混式反应器:
是在常规消化器内安装了搅拌装置,使发酵原料和微生物处于完全混合状态,与常规消化器相比,活性区遍布整个消化器,其效率比常规消化器有明显提高。
3、塞流式也称推流式消化器:
是一种长方形的非完全混合消化器。
高浓度悬浮固体原料从一端进入,从另一端流出,原料在消化器的流动呈活塞式推移状态。
在进料端呈现较强的水解酸化作用,甲烷的产生随着向出料方向的流动而增强。
由于进料端缺乏接种物,所以要进行污泥回流。
在消化器内应设置挡板,有利于运行的稳定。
16.生产燃料乙醇的淀粉类生物质原料和糖类生物质原料包括什么?
一、生产燃料乙醇的淀粉类生物质原料
•谷类原料,几乎所有含淀粉的谷类籽粒,均可用来发酵生产乙醇;
•薯类原料,甘薯、马铃薯、木薯等;
•野生植物原料,主要有橡子、土茯苓、石蒜、菊芋等
二、生产燃料乙醇的糖类生物质原料
1.甘蔗
•甘蔗属于禾木科,甘蔗属;
•甘蔗产量很高,达75~100t/hm2;
•一类用于制糖,糖分达12%~18%;一类用于水果,为8%~10%左右;
•巴西是利用甘蔗生产燃料乙醇最为成功的国家。
2.甜高粱
3.甜菜
17.生物质中纤维素的主要结构是什么?
纤维素是300~15000个D-葡萄糖以β-1,4糖苷键结合起来的链状高分子化合物,由脱水D-葡萄糖组成的纤维二糖重复单元组成。
18.酵母菌乙醇发酵的代谢途径是什么?
第一步:
D-葡萄糖在葡萄糖磷酸激酶作用下转化为6-磷酸葡萄糖
第二步,6-磷酸葡萄糖在磷酸葡萄糖异构酶催化下,转化为6-磷酸果糖
第三步,6-磷酸果糖在磷酸果糖激酶作用下转化为1,6-二磷酸果糖
第四步,前一步反应使分子失稳,使己糖环可以被醛缩酶分成两个丙糖:
3-磷酸甘油醛、磷酸二羟基丙酮
第五步,磷酸丙糖异构酶将二羟丙酮磷酸转化为3-磷酸甘油醛
第六步,两个丙糖分子被氧化并添加一分子无机磷酸,形成1,3-二磷酸甘油酸(1,3-BPG)。
被脱下的氢用于还原氢载体NAD+,形成NADH。
第七步,1,3-二磷酸甘油酸在磷酸甘油酸激酶作用下,将磷酸基团转移至ATP,形成3-磷酸-甘油酸和1分子ATP
第八步,3-磷酸甘油酸在磷酸甘油酸变位酶催化下形成2-磷酸甘油酸
第九步,2-磷酸甘油酸在烯醇化酶催化下形成2-磷酸烯醇式丙酮酸
第十步,2-磷酸烯醇式丙酮酸在丙酮酸激酶催化下,形成一分子丙酮酸和一分子ATP
19.乙醇发酵微生物的性能?
试列举3种乙醇生产常用的酵母菌菌株?
应该具有高的发酵性能,能快速并完全地将有效糖分转化成乙醇;
繁殖速度快;
具有高的耐高浓度糖和乙醇能力;
抗杂菌能力好;
对复杂成分培养基的适应性强;
对温度、酸度和盐度的突变适应性强、
拉斯2号酵母、拉斯12号酵母、K字酵母、南阳五号酵母(CICC1300)、
20.如何将发酵醪液中含10%的乙醇分离,并获得乙醇体积分数为97.6%的乙醇与水恒沸混合物?
精馏得到95.57%的乙醇与水恒沸混合物,再进行脱水。
21.什么是生物质热裂解?
生物质热裂解是指生物质在完全没有氧或缺氧条件下热降解,最终生成生物油、木炭和可燃气体的过程;三种产物的比例取决于热裂解工艺和反应条件;
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