生态能源技术

   生态能源是指服务于工业社会的能源不仅具备能源的物质功能，而且具备生态的保护功能。生态能源技术是指以生态能源资源为中心的能源生产﹑能源储运﹑能源加工、能源和材料利用的新工业、新技术、新装备体系。它研究生态能源工业体系的新原理﹑新方法﹑新设备、新材料、新思想中的科学技术和哲学理论问题。生态能源发展有四大任务，一是生物质低成本、高效率、高品质能源和材料转化技术与新能源装备发开；二是生物质能源收集、加工、储运与商贸的国家基础构建；三是废弃土地能源植物的种植；四是生态能源论理和生态能源队伍构建。
 《生态能源技术》主要介绍了生态、能源及其生态与能源的关系；揭示了能源的本质，提出“热机器时代”的时代定义；提出了对生态能源定义、含义与内容，生态能源技术定义、含义与内容，分析生态能源的任务和全面替代化石能源的目标；总结了化石能源的作用和重要性及其存在的问题及其对社会观念的影响；分析了当前生物质能源存在的问，介绍了各种生态能源技术，包括生物法制气、制油，直接燃烧、热解气化，热解液化、生物质化工、生态能源种植、加工、储运、基础设施、生物质能源装备等；分析了能源、经济和社会的关系，生态能源发展与社会思想观念的关系。 

本书以生态能源技术为主线，从生态和能源的现状分析入手，重点阐述了生态能源技术理论、能源植物种植及其收运技术、生物质直接燃烧技术、生物质生物转化和热化学转化技术等方面的内容。全书共分8章，包括生态与能源的关系、生态能源技术理论、生态能源植物种植技术、生态能源植物收割与贮运技术、生物质直接燃烧技术、生物质生物转化技术、生物质热化学转化技术、生态能源基础建设。
本书内容丰富，取材新颖，对生态能源技术进行了比较完整和深入的讨论，系统性强，可供能源、化工、材料、环境等领域的工程技术人员、科研人员和管理人员参考，也可供高等院校相关专业师生参阅。

肖波：教授，华中科技大学生态能源研究所所长。多年从事清洁生产和清洁能源的科研与教学工作。共负责承担纵、横向研究项目40余项。获得国家发明专利6项，实用新型专利3项。国内外期刊上发表了包括《Bioresource Technology》和《 International Journal of Hydrogen Energy》在内的论文100余篇。编著《生物质能源循环经济技术》著作一部，获得国家*科技进步三等奖1项，指导毕业和在读硕士生70多名、博士生20名。肖波教授所研究的生物质微米燃料技术在德国、挪威、澳大利亚等国的同行中产生了一定的国家影响影响，目前正在运用微米燃料高温燃烧技术开发垃圾制氢、清洁钢铁冶炼技术。

1生态与能源的关系 001
1.1地球生态系统及其功能 001
1.2生态现状 002
1.2.1 沙漠现状与危害002
1.2.2 盐碱地现状与危害003
1.2.3 石漠化现状与危害005
1.2.4 水土流失现状与危害008
1.2.5 气候变暖及其危害010
1.2.6 国际碳减排计划012
1.3能源现状 015
1.3.1 化石能源现状015
1.3.2 水能的概况及负面影响017
1.3.3 风能现状及其局限性019
1.3.4 太阳能发电及其局限性022
1.3.5 地热能及其局限性024
1.3.6 潮汐发电及其局限性027
参考文献029

2生态能源技术理论 031
2.1生态能源 031
2.2能源的数量概念 031
2.2.1 化石燃料的储量031
2.2.2 生态能源的储量032
2.2.3 生态能源与化石能源的比较032
2.3能源的品质概念 033
2.3.1 能量密度和能流密度033
2.3.2 能源的储量和分布033
2.3.3 能源转化的品位问题033
2.3.4 能源的连续供能和运输问题034
2.4能源的市场概念 034
2.4.1 能源消费预测034
2.4.2 能源市场预测034
参考文献.035

3生态能源植物种植技术 036
3.1能源植物 036
3.1.1 能源植物的定义和特点036
3.1.2 能源植物种类036
3.1.3 能源植物利用037
3.1.4 高效能源植物038
3.2能源植物的使命 044
3.3生态修复与能源植物种植技术 045
3.3.1 沙漠绿化与能源利用046
3.3.2 盐碱地修复与能源利用047
3.3.3 石漠化改造与能源利用052
3.4水生能源植物养殖技术 057
3.4.1 浮萍..057
3.4.2 满江红059
3.4.3 水葫芦061
3.4.4 藻类064
3.5能源植物种植存在问题及研究趋势070
参考文献071

4生态能源植物收割与贮运技术 074
4.1收割技术 074
4.1.1 农作物秸秆收割技术074
4.1.2 水生植物收割技术079
4.1.3 林木收割082
4.2生物质预加工085
4.2.1 生物质破碎086
4.2.2 生物质干燥091
4.2.3 生物质成型093
4.3生物质运输 097
4.3.1 车辆运输097
4.3.2 其他运输方式098
4.4生物质的贮存 099
4.4.1 生物质贮存存在的问题099
4.4.2 生物质贮存模式100
4.4.3 生物质的贮存安全管理100
参考文献102

5生物质直接燃烧技术 103
5.1生物质直接燃烧技术现状103
5.1.1 层燃技术104
5.1.2 浮悬燃烧技术104
5.1.3 流化床技术105
5.1.4 生物质直燃发电技术106
5.2生物质固体成型燃料技术109
5.2.1 生物质成型燃料109
5.2.2 生物质成型燃料应用技术112
5.2.3 生物质成型燃料推广及经济效益分析113
5.3生物质微米燃料高温燃烧技术 115
5.3.1 生物质微米燃料燃烧原理115
5.3.2 生物质微米燃料116
5.3.3 生物质微米燃料121
5.3.4 生物质微米燃料高温燃烧技术128
参考文献134

6生物质生物转化技术 137
6.1沼气转化技术 137
6.1.1 沼气的产生137
6.1.2 沼气发酵原理137
6.1.3 沼气发酵工艺控制因素研究138
6.1.4 沼气发酵工艺139
6.1.5 沼气应用技术145
6.2生物柴油技术 149
6.2.1 生物柴油特点149
6.2.2 生物法生产生物柴油149
6.2.3 提高生物酶法的生产效率的方法150
6.2.4 生物酶法存在的问题及解决办法153
6.3生物乙醇技术153
6.3.1 燃料乙醇产业发展状况154
6.3.2 生物乙醇的原料155
6.3.3 发酵法生产生物乙醇155
6.3.4 木质纤维素类生物质制取乙醇159
6.4生物制氢 165
6.4.1 制氢方法165
6.4.2 生物制氢165
6.4.3 产氢细菌的种类及产氢机理168
6.4.4 生物制氢存在问题及发展前景170
参考文献171

7生物质热化学转化技术 174
7.1生物质热解技术 174
7.1.1 生物质热裂解的概念174
7.1.2 生物质热裂解反应机理175
7.1.3 热解反应动力学176
7.1.4 热解工艺178
7.1.5 热解产物179
7.2生物质气化技术 180
7.2.1 生物质气化的原理及工艺180
7.2.2 气化工艺180
7.2.3 气化反应器182
7.2.4 生物质气化制备燃气.188
7.2.5 生物质气化技术的应用196
7.3生物质液化技术 200
7.3.1 生物油的特性200
7.3.2 生物质液化技术——热化学法202
7.4热化学转化技术的比较 208
7.4.1 原料供应要求209
7.4.2 技术工艺比较210
7.4.3 产品性质及其用途比较210
参考文献212

8生态能源基础建设 216
8.1生态能源基础设施建设的必要性216
8.1.1 化石能源基础设施216
8.1.2 生态能源基础设施建设的必要性218
8.2生态能源硬件基础建设 219
8.2.1 能源植物种植基础建设219
8.2.2 收集基础建设220
8.2.3 贮藏基础建设220
8.2.4 运输基础建设221
8.2.5 其他基础设施221
8.3生态能源软件基础建设 222
8.3.1 生态能源软件基础建设现状222
8.3.2 中国生态能源产业软件基础设施建设着重需要加强几个方面224
8.4生态能源商贸与管理225
8.4.1 生态能源原料的商品与管理225
8.4.2 生态能源产品的商贸与管理227
8.5生态能源队伍建设227
8.5.1 生态能源队伍建设的必要性227
8.5.2 生态能源队伍建设面临的主要问题228
8.5.3 加快生态能源队伍建设的意见及对策230
参考文献230

生态是指地球上一切与生命依存相关的自然循环系统的生存状态。能源是供给热、光和动力等能量的资源。世界能源发展到今天，主导能源并没有发生本质改变，仍然是基于烃类化合物燃烧热做功的能源形式占的主导地位，也就是通过烃类能源的碳、氢与氧的燃烧获得热能，再经过各种能量转换和利用。根据能源的烃类物质特性，人类未来的能源也只能主要依靠烃类物质资源。生态系统在生物变化过程中不断生长和蓄积着取之不尽的生物质烃类资源。低能源品位的生物质烃类资源可以通过能源科技不断进步，转变成为现代工业社会所需的能源。
生态能源是指能源资源不仅具备能源功能，而且具备生态功能，在获取能源的同时，又能保护生态环境，并具有化石能源的材料功能，在化石能源枯竭之日，能够接替其功能。生态能源的具体任务就是让生态系统生长更多的生物质烃类资源，并攻克提升低品位生物质燃料的能源品质等科学问题，通过大农业的能源收割和加工，为工业社会生产需求提供取之不尽的能源，摆脱人类对化石能源的依赖。
人类的生活和生产活动消耗了大量的化石能源。化石能源在开采和使用过程中对生态产生了负面影响，甚至破坏了正常的生态系统，直接威胁地球上生命的生存。科学地开发和利用生态系统中的能源，让生态系统满足人类的能源需求，同时让人类的能源利用不损害生态系统，使能源供给和生态维护达到和谐一致，这是人类可持续发展的一个重大科学问题。在当今能源资源日益紧张，生态环境日益恶化的情况下，人类的生存感受到了一定程度的威胁，与生态相和谐的生态能源技术系统的开发和利用迫在眉睫。
本书站在生态保护的立场上，去开发能源、挖掘能源、规划能源，确立了生态能源的发展方向。运用多学科交叉的方法，去认识能源、研究能源、改变能源，构建生态能源技术的发展框架。
自古以来，人类需要的能源，主要有两类用途：一类是热；另一类是力。热是生活和生产所需要达到的温度；力为生产提供动力、制造产品和运输物质。人类动力的发展经历了两个阶段。阶段是生物动力，依靠人和牲畜的运动产生动力。在人类生物动力阶段，人马决定政权，力气决定胜负。第二阶段是机器动力，依靠燃料燃烧获得机械动力。自从瓦特发明蒸汽机以后，机器动力巨大无比，逐步大规模地取代了生物动力，导致了工业革命。机器动力的应用程度和先进性决定了一个国家的经济发展和国际地位。机器动力在当前和今后一段时间主要依赖于化石能源，自18世纪工业革命以来，化石能源在人类生产力飞跃发展的历程中，发挥了主要作用，化石能源与现代社会已形成了唇齿相连的关系。
然而，化石能源资源有限，开采的高峰期已经过去，资源正在走向匮乏，过度的开采和使用已经造成生态和环境的严重影响，人类应该尽早为“后化石能源时代”做准备。生物质能源和化石能源一样，都是烃类能源。据统计，地球上每年生长的生物质能源是全世界每年能源消耗总量的10倍，无论是从资源角度，还是从能源形式上讲，生物质都有潜力替代化石能源。同时，生物质能源在生长过程中，吸收二氧化碳，产生氧气，防沙固土，调节气候，保护环境和生态。然而，在几十年新能源探索的历程中，生物质能源的开发和应用落于太阳能和风能之后，生物质能源的优势不能发挥。这其中既有科学技术的问题，又有思想方法和社会观念的问题。如何充分发挥生物质能源的优势，需要科学技术、系统工程、战略理论、劳动观念等方面的全面提升，并与生态保护的需求结合起来，充分发挥生物质材料在能源、物质和环境保护等多方面的优越性，建立生态能源理论和技术体系，本书为此进行了初步尝试。
生态能源技术的目标就是要解决当前生物质能利用瓶颈的这一科学问题，通过新技术与装备，将生物质能转变成为能够满足大工业的适用性和经济性要求的工业能源，以工业能源需求带动荒山荒地的能源植物种植业、收割业、加工业、储运业和商贸业的发展，以此促进生态建设，形成生态能源产业链，促成能源-环境-经济的协调统一，保障人类生态和能源的长治久安。
本书是编著者长期从事生态能源技术研究和实践成果的积累。参与本书编著的主要成员有：华中科技大学肖波教授，武汉轻工大学李建芬教授、陈晶晶老师，北京市环境保护科学研究院魏泉源工程师，华中科技大学刘石明老师、胡智泉副教授，华中科技大学博士研究生成功、何丕文、王布匀、程群鹏、刘翠霞、易其国、张乐观、胡沔、郭大兵以及硕士研究生张永光、齐方杰、李倩、江程程、张艳丽等。武汉轻工大学研究生王强胜、路遥等为本书进行资料收集、整理、文字修改和校对做了大量的工作。同时本书还吸收和借鉴了该领域有关的研究成果，作者在此对给予本书以启示及参考的有关文献著作者深表谢意。希望本书能为读者了解和研究生态能源技术提供一些有益的参考。同时本书还吸收和借鉴了该领域有关的研究成果，作者在此对给予本书以启示及参考的有关文献著作者深表谢意。希望本书能为读者了解和研究生态能源技术提供一些有益的参考。
由于编著者水平有限，书中难免有疏漏和不妥之处，敬请专家与读者予以批评指正。

编著者
2016年5月