碳 燃 料 电 池 技 术27页PPT

根据温度和原料特性，控制炭化时间在30分钟至数小时，确保有机物完全转化成 生物质炭。
炭化产物收集与处理
产物收集
收集生成的生物质炭，进行初步的冷 却和除尘处理。
产物处理
根据应用需求，对生物质炭进行破碎 、筛分和表面改性等处理，以提高其 性能。
炭化过程的安全与环保措施
安全措施
在炭化过程中，采取相应的安全措施， 如设置安全警示标识、配备灭火器材等 ，确保操作安全。
化工领域
生物质炭化技术可以用于生产炭黑、活性炭、石墨烯等炭材料，这些材料在化工、环保、 新能源等领域有广泛的应用前景。
02
生物质炭化技术原理
生物质炭化基本原理
01
生物质炭化是将生物质在缺氧或绝氧条件下热解，生成炭、挥 发分和少量热解油的过程。
02
生物质炭化过程中，生物质中的氢、氧等元素以水蒸气、二氧
化碳等形态释放出来，而碳以固定碳的形式保留下来。
生物质炭化技术可以应用于生产炭基肥料、土壤改良剂、生物
03
质炭吸附剂等方面。
生物质炭化过程中的化学反应
生物质炭化过程中的化学反应主要包括热解、裂解、氧化和 缩聚等。
热解是指生物质在高温下发生分解，产生挥发分和炭。裂解 是指挥发分在高温下进一步分解成小分子物质。氧化是指生 物质与氧气反应生成二氧化碳和水。缩聚是指生物质中的大 分子聚合物在高温下发生交联反应，形成炭。
《生物质炭化技术》 ppt课件
目录
• 生物质炭化技术概述 • 生物质炭化技术原理 • 生物质炭化技术工艺流程 • 生物质炭化技术优势与挑战 • 生物质炭化技术应用案例
01
生物质炭化技术概述
定义与特点
定义
生物质炭化技术是指将生物质原料在缺氧或绝氧条件下热解，生成生物质炭、 可燃气和生物质焦油等产物的过程。

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二、循环流化床运行中几个重要参数
三、煤的筛分特性
2. 燃煤粒径变化对CFB锅炉运行的影响 (五) 加强燃煤制备设备的选择和管理 对燃煤粒度分布的具体 1) 燃料的粒度分布。保证燃料粒度、保证在已确定的流化速
度条件下，有足够的细颗粒吹入悬浮段，确保燃烧室上部(稀相区 )的燃烧份额、保证形成足够的循环床料。
(二) 燃煤粒径对燃烧效率的影响求
锅炉燃烧热损失中较大的一项是固体不完全燃烧损失q4。对CFB，一 般床底渣的含碳量≤2.0%，低于煤粉燃烧锅炉。但是，飞灰含碳量高于 10%的偏多，高于煤粉炉，特别对燃煤中细颗粒偏多的情况，当燃煤热值 较高、挥发分含量较低时(烟煤)，飞灰含碳量高达20％~30％。严重影响 了锅炉燃烧效率。
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二、循环流化床运行中几个重要参数
二、燃尽时间8.77 109
exp(0.01276Tb
)
d 1.16 p
由此可见：
1. 流化床碳粒子的燃尽时间与床温有关，床温越 高，燃尽时间缩短；
2. 燃尽时间与碳粒子直径的1.16次方成正比。粒 子越大，燃尽时间越长。
粗粒子份额 (δ)
0.5
0.4
停留时间(min) 6.2 12.4 18.6 19.84 24.8 29.76
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二、循环流化床运行中的重要参数
二、燃尽时间和停留时间
燃烧六种热值不同的煤的时粗粒子 在密相床内的平均停留时间
1. 燃烧热值低的煤，煤粒在密 相区内停留时间短；烧高热 值煤，煤粒在密相区内停留 时间长；
煤粒尺寸(mm) 0.80 1.00 2.00 4.00 8.00 10.00
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燃尽时间(s) 280.14 362.90 810.92 1812.07 4049.21 5245.48

产成本最低的一种电池，因此可用于小型的固定发电装置。 两电极的反应和总反应分别为：
阳极反应：2H2+4OH- →4H2O+4e阴极反应：O2+2H2O+4e- →4OH-
总反应： 2H2+O2=2H2O
2.3 磷酸燃料电池(PAFC)
磷酸型燃料电池是用氢的纯度极高的天然气或甲醇作燃料，工作温度为 200℃，反应过程用铂作催化剂，发电效率达40％。最初开发磷酸燃料电池是 为了控制发电厂的峰谷用电平衡，近来则侧重于作为向公寓、购物中心、医院 、宾馆等地方提供电和热的现场集中电力系统。
( 3 )要能抵受高温碱性溶液的高度侵蚀环境，燃料电池的外壳必须采用特别 材料。材料技术的进展缓慢，并未能找到适当的材料。
(4) 氢气十分易燃和易爆，因此必须小心处理。在燃料电池的商业应用中， 如何安全配送氢气燃料成为一个主要障碍。兴建氢气配送系统的成本十分高。
(5)氢燃料基础建设不足, 氢气在工业界虽已使用多年且具经济规模，但全 世界充氢站仅约70站 ，仍值示范推广阶。此外，加气时间长，约需时5分钟, 尚跟不上工商时代的步伐。
两电极的反应和总反应分别为：
阳极(负极)：2H2-4e→4H+ 阴极(正极)：O2+4e+4H+→2H2O 总反应： 2H2+O2=2H2O
图2-1 PEMFC装置图
图2-2 PEMFC工作原理图
直接甲醇燃料电池（DMFC）
属于质子交换膜燃料电池(PEMFC)中之一类，系直接使用液态甲醇为燃料
供给来源，而不需透过重组器重组甲醇、汽油及天然气等再取出氢以供发电。
阴极：
O 22C2O 4e 2C3O
阳极：
2 H 2 2 C 3 O 2 C 2 O 2 H 2 O 4 e

专第
题 1
二 单 元
第 3
化
课
学化 时
反学
应能
与与 燃
能电 料
量 变 化
能 的 转
电 池
化
教学目标
1．了解燃料电池的反应原理 及构造。 2．能够写出常见燃料电池的 电极反应。 3．设计简单的燃料电池，实 现能量转化。
核心素养
科学态度与社会责任：增强 科技意识，不断研发新型电 池，满足人类社会发展的需 求。积极回收利用废旧电池， 减少其对环境的污染。
温故知新
常见的化学电源
三种电池构成的共同组成特点是什么?写出负极的电极反应式。
一、燃料电池
1．氢氧燃料电池 (1) 构造
一、燃料电池
(2)工作原理
负极 反应 正极 反应
总反应
酸性电解质(H2SO4) 2H2 － 4e－ == 4H+
碱性电解质(KOH) 2H2 +4OH－－4e－== 4H2O
1．氢氧燃料电池
燃
料
2．形形色色的燃料电池电Biblioteka 池3．制作燃料电池
电极反应式及总反应书写
巩固练习
1．将氢气、甲烷、乙醇等物质在氧气中燃烧时的化学能直接转化为电能的装置叫燃料电
池。燃料电池的基本组成为电极、电解质、燃料和氧化剂。此种电池能量利用率可高达
80%(一般柴油发电机只有40%左右)，产物污染也少。下列有关燃料电池的说法错误的是
酸性介质： 缺氢补H＋ 缺氧补H2O 碱性介质： 缺氢补H2O 缺氧补OH－
二、制作简单燃料电池
1．设计思路 将用学生电源电解稀硫酸得到的氢气(H2)和氧气(O2)在两个石墨电极上反应，使 化学能转化为电能。
2．装置图

还原剂的氧化，从而促进还原剂与NOx反应形成N2 。 分类：由于柴油机采用富氧燃烧技术，导致尾气中 未燃HC的绝对量不足，需要另行添加还原剂。根据 还原剂的不同，分为氨类（尿素）选择性催化还原 NOx与HC选择性催化还原NOx
2.3 柴油机和贫燃汽油机尾气催化净化
氨类选择性还原氮氧化物
分类 NH3-SCR Urea-SCR：(CO(NH2)2),一分子尿素水解可生 成两分子NH3和一分子CO2
此时催化剂表面储存的 硝酸盐会迅速分解，利用尾气 中的HC、CO和H2作为还原剂 将其还原为N2。
2.3 柴油机和贫燃汽油机尾气催化净化
储存-还原技术(NSR技术)的存储过程
碱和碱土金属氧化物为NOx储存材料
贫燃条件下： NO+O→NO2 2NO+3O+BaO→Ba(NO3)2 2NO2+O+BaO→Ba(NO3)2
关键：O2传感器：氧化锆内层涂上白金（Pt）。 原理：大气与废气中的氧负离子在Pu上吸附浓度不
同形成电压差。
2.2 汽油车尾气催化净化
汽油车催化净化反应原理（主反应）：
理论空燃比和贫燃条件下(氧化反应)： CmHn+O2→mCO2+0.5nH2O CO+0.5O2→mCO2 H2+0.5O2→H2O
一氧化碳由呼吸道进入人体的血液后，会和血液里的血 红蛋白Hb结合，形成碳氧血红蛋白，导致携氧能力下降 。
2.1 概述
氮氧化合物
NOx是在内燃机气缸内大部分气体中生成的，生成原因 主要是高温富氧环境。排放的NOx 95%以上可能是一氧 化氮，其余的是二氧化氮。
人受一氧化氮毒害的事例尚未发现，二氧化氮是一种红 棕色呼吸道刺激性气体，气味阈值约为空气质量的1.5倍 ，对人体影响甚大。在浓度为9.4mg/m³的空气中暴露 10分钟，即可造成呼吸系统失调。

燃料电池发电厂没有火力发电厂那样的噪声源，因而工作环境非常安静；
电导率越大则导电性能越强,反之越小。
电池是能量储存装置。 金属/空气电池的历史几乎就是空气电极的历史。
燃料电池的环境友好性是使其具有极强生命力和长远发展潜力的主要原因。
1970年，科尔迪什开发了第一辆燃料电池小汽车。
1896年，雅克研制成功第一个数百瓦（大约300瓦）的煤燃料电池；
1899年，施密特发明第一个空气扩散电极； 1959年，培根和弗洛斯特研制成功6KW碱性燃料电池系 统,并用来驱动叉车、圆盘锯和电焊机； 1959年，艾丽斯-查尔莫斯公司开发出第一辆碱性燃料电 池拖拉机，可以推动3000lb(1lb=0.4536kg)的重物；
(2) 燃料电池发展过程中的重大事件
1960年，通用电气公司开发成功质子交换膜燃料电池； 1962年，质子交换膜燃料电池应用于双子星座飞船； 1965年，碱性燃料电池用于阿波罗登月飞船； 1967年，通用汽车开发成功第一辆碱性燃料电池电动汽 车Electrovan； 1970年，科尔地什组装了第一辆碱性燃料电池-铅酸电池 混合动力轿车； 1972年，杜邦公司和格罗特发明了全氟磺酸质子交换膜； 1979年，在美国纽约完成了4.5MW磷酸燃料电池电厂的 测试； 1986年，洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）开发成功第 一辆磷酸燃料电池公共汽车；
(2) 燃料电池发展过程中的重大事件
1986年，洛斯阿拉莫斯国家实验室开发成功第一辆磷酸燃 料电池公共汽车；
1988年，第一艘碱性燃料电池潜艇在德国出现； 1991年，日本千叶县的11MW磷酸燃料电池试验电厂达 到设计功率； 1993年，巴拉德电力系统公司开发成功第一辆质子交换膜 燃料电池公共汽车； 1996年，美国加利福尼亚州的2MW 熔融碳酸盐燃料电池 试验电厂开始供电；

正极：O2+4e-+4H+=2H2O
2. 碱性条件下
(如电解质溶液为30%的KOH溶液时—碱性环境传递OH-）
负极：2H2+4OH- - 4e-=4H2O 正极：O2+4e-+2H2O=4OH 3、当电解质溶液接近中性时：
正极：O2+4e-+2H2O=4OH负极：2H2-4e-=4H+
2. 按电解质的种类不同，有酸性、碱 性、熔融盐类或固体电解质。
燃料電池的優勢
低污染 燃 發 一 只 因料 電 般 要 為電 主 含 燃池 體 有 料比 所 係 電不 氫一 能 將 池含 原般 提 能 直迴 子發供源接的轉電的貯將化機方藏燃件電石式於料力時能更電中範則源
高效率 為 無 圍 池 如 的清 噪 廣 本 天 化潔 音 泛 體 然 學， 問 中 氣 能(1W若 題 ， 、 轉~1用 ， 待 石 換0氫 若 用 油 成00M氣需完、電W)作散後煤能，為熱即炭，因燃則需等故此料有捨氣不，
电解质
固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC） 属于第三代燃料电池，是一 种等温、直接将储存在燃料 和氧化剂中的化学能高效、 环境友好地转化成电能的全 固态化学发电装置。
专题1. 燃料电池 (Fuel Cell)
主要内容
1. 燃料电池的分类 2. 固态燃料电池的结构和分类 3.
現今发电方式的瓶颈
一般我们熟知的发电方式就是利用燃料(石 油、瓦斯、汽油、核能等)通过化学变化产 生热能之后，间接利用水蒸汽推动发电机来 产生电能。
这样的能量转换过程需要经过许多程序，相 对其转换的过程中也消耗了许多不必要的浪 費，以至于最后变成电能的效率通常都只剩

纯碳与氧反应的表观频率因子 Ko,c仅是碳粒温度与直径的函数，而煤焦反 应的频率因子 Ko,ch K ocf (s) , 表示煤焦比表面积f（s）影响 煤焦反应速率的某一函数，显然f（s）是 个物理因素，它的大小与煤质有关，因此煤焦反应的频率因子与煤质有 关。
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4．实验室研究情况
分析挥发分含量，它是按我国标准规定，将干燥 的煤样放在有盖坩埚内，在900±10℃的马弗炉中 加热7min，煤样所失去的重量。
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2． 煤粉的着火特性
以煤着火机理研究、煤粉的着火特性实验研究及评 判为主要内容
煤粉着火机理的研究已有长达一个多世纪的历程， 其中一个主要的争论是,煤的着火是均相还是非均 相的。
Kd=2.3ФD/（d RTa）
其中，Ф为化学当量系数，与反应机理有关，在
C+O2→2CO时，Ф=2，在C+O2→CO2时Ф=1
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其他影响因素
燃烧速度不仅与边界层扩散有关，而且与氧在孔 内的扩散有关。
孔内扩散系数与焦的孔隙结构密切相关。 煤中矿物组成及含量对煤焦燃烧反应也具有影响。
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傅维标的研究
原因是：在前人处理数据中，将化学因素及物理因素引起对炭粒着火的 影响都归入E、Ko,c 中。其次，在用着火温度来确定反应动力学参数时， 许多研究者常以观察到火焰出现或者炭粒发光作为着火的标志，但此刻 与理论上定义的着火时刻相距较远，所以导致误差也较大。
E应是颗粒表面温度的函数，由煤焦与氧的化学特性决定，而与煤质无 关；
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三、 煤粒着火过程及着火动力学
1．着火的定义 任何燃料的燃烧过程，都有“着火”及“燃烧”两个
阶段，由缓慢的氧化反应转变为剧烈的氧化反应（即 燃烧）的瞬间叫着火，转变时的最低温度叫着火温度。 Essenhigh指出 临界着火的情况下，有的点 dT dt 0, d 2T d 2t 0 出现

• 优点： 操作方便，劳动强度小；正常操作时不需要外加燃料； 果壳炭得率高，为25%～30%；炭化尾气不污染环境。
•
•
出炭率：硬木原料 20%~35%，软木原料
14%~18%。
12
• 比利时兰姆比奥特公司利用立式干馏釜进行连续生产， 由于这种大规模生产投资强度大，所以限制了在发展中 国家的应用。
13
（2）窑烧法
• 程序：烘窑、缺氧闷烧、闷窑。
•
• 出炭率：黑炭15%~20%，白炭比黑炭少
•
1/4~1/3。
•
9
生物炭制造工艺
10
生物质炭化过程中的化学变化
炭化温度/℃ ＜150℃
220℃～270℃ 270℃～360℃ 360℃～400℃
＞400℃
反应与现象
生物有机质分解速度非常缓 慢，主要是水分蒸发 半纤维素开始分解
半纤维素纤维素分解
发生剧烈的热分解，生产大 量的气体
热解产物 化学组分几乎不发生变化
CO2、CO等气体 开始生成醋酸、焦油 CO2和CO逐渐减少，CH4、H2等开始增 多，冷凝液体产物中含有大量的醋 酸、甲醇、焦油等物质
法兰 排烟孔 支撑 釜体
外热式干馏炭化釜
干馏快速炭化窑
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（二）干馏工艺过程及其产物
• 干馏： 干馏是在隔绝空气的条件下，通过加热使生物质发生热分解的过程。
• 干馏产物： 木炭、木焦油、木醋液、可燃气体
• 干馏过程是生物质的热分解过程，是根据不同的受热温度分阶段进行 的。 热分解温度不同，则产物成分也不同。
的冷点、热点及冷却过程； 并通过关闭窑上的进气孔调节和控制窑内温度的平衡，从
而保证木炭的产量及质量。
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3.2 移动式简易炭化炉