第二章 农业生物环境工程与设施农业农业工程概论 教学ppt课件3 .ppt
生物环境工程与设施农业,Generality of Agricultural Engineering,1,第二章 农业生物环境工程与设施农业,Agro-biological Environment Engineering and Facility-agriculture,农业建筑与农业生物环境工程温室与环境工程果蔬贮藏保鲜建筑与环境工程 禽养殖建筑与环境工程农村能源工程,生物环境工程与设施农业,Generality of Agricultural Engineering,2,2-6 农村能源工程Rural Energy Engineering,（一）农业与能源,1.农业有史以来始终是劳动力密集的产业，随工业化发展，机械动力、电力及农业化学品的投入愈来愈多，农业又同时成为能源密集型产业。,投入农业的能源转换效率仍然很低，它是农业成本很难降低的重要原因之一。,一、农村能源系统,生物环境工程与设施农业,Generality of Agricultural Engineering,3,2.但从另一角度出发，农业既是一个能源的巨大消费者，又是一个能源的巨大生产者。,我国辐射到地面上的太阳能强度平均可达到586837kJcm2，这是一种取之不尽、用之不竭的丰富自然能源，世界上目前还只有绿色植物能够在大面积上将太阳能通过光合作用转变为生物质能。但它的效率不足12，何况人们往往只利用作物的杆实和部分茎、叶，把其它都做为废弃物处理，这实在是一种能源的巨大浪费。,生物环境工程与设施农业,Generality of Agricultural Engineering,4,3.农业的任务近年来已发生了明显的变化，农业已从单纯追求温饱的农业，发展为生产性农业(Production Agriculture)、加工性农业(Processing Agriculture)，生态性农业(Ecological Agriculture)三足鼎立的格局。这三者构成了完整的锁链，而能源的投入与转换是这一锁链的重要环节。,生物环境工程与设施农业,Generality of Agricultural Engineering,5,（二）农村能源系统现状,1.电能 电能是最廉价、最清洁、最方便可靠的能源。可以高效率、大功率、远距离输送到广大农村的各个角落，但电力建设需要巨大的投资。电能可以从煤炭等矿物性燃料、水力、风力、太阳能、核能等转变而来。,生物环境工程与设施农业,Generality of Agricultural Engineering,6,2.化石能源(石油、煤炭、天然气等）在农业生产用能方面，石油占主要地位，仅按我国现有农用内燃机及拖拉机保有量计算，每年需消耗农用柴油约1500万2000万吨。由于电能在运输、田间移动和作业方面尚未解决的现状下，柴油和汽油的消耗占了较大的比例。,生物环境工程与设施农业,Generality of Agricultural Engineering,7,3.生物质能 广大农村生活用能在大部分地区目前仍不得不直接燃烧秸秆、草皮、树木、畜粪等生物质燃料，但热量利用效率很低，并对农业环境保护已构成了严重威胁。,生物环境工程与设施农业,Generality of Agricultural Engineering,8,2.大量农村剩余劳动力向农业外转移是必然趋势，其中的大部分将在农村地区就地消化，发展乡镇企业及农村工业、第三产业，不仅需要资金、原料、技术和市场，更重要是要有能源，这必然会使农村能源的需求状况及其结构发生巨大变化。,（三）农村能源发展趋势 1.随着农业机械化电气化程度提高、农村经济发展及农民生活条件改善，不管是农业生产用能还是农村生活用能都将大大增加。,生物环境工程与设施农业,Generality of Agricultural Engineering,9,3.我国农村能源缺口较大 我国仅农村人口就是美国人口的4倍，而可能供应农村的商品性能源(电力、石油及煤炭)尚不及美国的16。,商品性能源在农村需求与供应矛盾将长期存在，因此在农村能源的发展战略上不能把眼光局限于扩大商品性能源的供应，需要挖掘其他农村的能源资源。,生物环境工程与设施农业,Generality of Agricultural Engineering,10,在生产粮食及经济作物的同时也生产了大量秸秆 可以利用贫瘠、荒坡土地大量种植速生的薪炭林，这两者加在一起每年约可有6亿吨，其热值约为16747kJkg。但它们同时又是肥料(秸秆还田)、饲料和轻工业原料的重要来源。人、畜粪便每年约有3亿吨，其热值约为17794kJkg，它也是重要的肥料来源。可以生产沼气。,生物环境工程与设施农业,Generality of Agricultural Engineering,11,机械化耕作、灌溉及施用农业化学品的作用首先是将矿物性能源资源转化为人类不可缺少的动、植物营养物质，这至少在目前还不是矿物性资源可以替代的。另一方面，由于机械化耕作、灌溉及施用农业化学品提高作物的太阳能光合作用效率，这要比在自然生态系统中植物利用太阳能的效率高出几十倍甚至上百倍。,生物环境工程与设施农业,Generality of Agricultural Engineering,12,4.提高农业生产的能源转换效率 单纯从能源的转换效率来看，好像农业机械化程度越高及农业化学品施用越多能源的转换效率越低。,例如以人畜力为能源的传统农业，1kJ人畜力当量能量投入可收获16kJ可消耗能量，应用机械化作业后，机械动力消耗的能量比传统农业要高出1015倍，但收获的可消耗能量仅提高12倍。,生物环境工程与设施农业,Generality of Agricultural Engineering,13,二、生物质能源 秸秆、薪柴、人畜粪便等及其沼气、气化、裂解产出物等能源均以生物质为原料，称为生物质能源(Biomass energy)。,目前生物质能源在我国农村能源消耗中约占70，但其中有很大部分是直接烧掉的，其热利用效率只有10左右，如果把它们制成沼气，热利用效率可达到1520，沼渣、沼液还是高质量的肥料，并可改善农村的卫生环境。如对现有的炉灶加以改造，使燃烧更为完全，热能利用更为合理，热利用效率可提高到2025。,生物环境工程与设施农业,Generality of Agricultural Engineering,14,1.生物质能源的产生,6CO2+6H2O+光能C6Hl2O6+6O2,植物通过光合作用吸收太阳能将水和CO2转变成葡萄糖(C6H12O6)、淀粉、维生素、木质素等碳水化合物，将太阳能转变为生物质能贮存在植物体中，再通过呼吸作用将能量释放出来供植物生长、发育、繁殖及活动需要，人畜食用植物的籽实、叶等又将其中的一部分能量贮存在动物体中供动物生长、发育、繁殖及活动需要。动物的排泄物中仍然含有大量的生物质能。如果作为肥料施加到土壤中，又成为土壤微生物的食物，并经微生物分解成易于为植物吸收的营养物质。,生物环境工程与设施农业,Generality of Agricultural Engineering,15,生物质能源除直接燃烧外，可制成沼气、发生炉煤气，或通过热解(pyrolysis)将生物质转变成较高品位的气体或液体燃料，制成酒精、甲醇等代用燃料，或将植物油加以提炼后代替柴油。,生物质能源还包含农、畜产品加工及森林采伐加工时的副产品及废弃物。,生物环境工程与设施农业,Generality of Agricultural Engineering,16,2生物质能源的利用,1）直接燃烧。生物质燃料中可燃烧元素包括，C、H2及K、Na等元素。燃烧后形成CO2、H2O及某些金属的氧化物等。,完全燃烧除的条件：,必须有充分的空气供应外，还需要三个条件，即足够高的空气温度，足够强的空气扰动，以及足够的接触时间(国外有些学者称此为三个“T”，即Temperature、Turbulence、Time)。,生物环境工程与设施农业,Generality of Agricultural Engineering,17,2）气化(发生炉煤气)。生物质燃料(秸秆、木屑、谷物、壳、木炭等)及煤在限制氧供应(如限制在理论需要量的40等)的情况下进行不完全燃烧可产生发生炉煤气。,秸秆气化站,生物环境工程与设施农业,Generality of Agricultural Engineering,18,3）热解(Pyrolysis)。生物质燃料在与空气(或氧)隔绝的情况下加热到一定温度可热解出气体及液体燃料、炭及灰渣等。,4）制成酒精(C2H5OH)。甜高粱、甜玉米、红薯、马铃薯、木屑等含淀粉、糖分、纤维素的生物质原料的籽实、秸秆、块茎、块根等及其加工的副产物可通过切碎、磨细、蒸煮、糖化(酶作用)、生物发酵(酵母作用)、分馏等一系列过程制成酒精。,生物环境工程与设施农业,Generality of Agricultural Engineering,19,5）制成甲醇(CH3OH)。含纤维素的生物质原料可通过热解及分馏产出甲醇，其基本反应如下：CO2+H2CO+H2O CO+2H3CH3OH甲醇的热值低于酒精，可作为内燃机代用燃料。,6）从植物油提炼代用柴油。植物油直接用于柴油机，因其热值相当于农用柴油的7580%。,生物环境工程与设施农业,Generality of Agricultural Engineering,20,3沼气技术 人畜粪便、秸秆、农产品加工废弃物等较潮湿生物质原料可通过厌氧细菌的消化作用产出甲烷及其它气体，沼液和沼渣还可用做肥料或饲料。,沼气的湿法发酵方法,四头猪8立方米1亩果园,生物环境工程与设施农业,Generality of Agricultural Engineering,21,厌氧发酵原料成分,厌氧干发酵中试装置,沼气干法发酵方法,固体物质占总量12以下的发酵过程为湿法发酵；而大于该值的发酵都是干法发酵。,生物环境工程与设施农业,Generality of Agricultural Engineering,22,三、非商品性能源及节能技术,太阳能、地热能、风能、潮汐能、小水力、薪炭林、秸秆、动物粪便等通常都属于非商品性能源。这些能源资源在开发利用后能够在较短时间在自然条件下恢复，因此又称为可再生能源(Renewable Energy)。,生物环境工程与设施农业,Generality of Agricultural Engineering,23,（一）太阳能 太阳能是一种对环境无污染、可以取之不尽用之不竭的能源，其缺点是：能量通量小(地面可利用太阳能辐射密度约为0.51kW/m2)、间断(昼夜、阴晴、季节变化)、受地理位置限制。太阳能可转换为热能、电能、化学能、机械动力等多种形式利用。,研究高效能太阳能集热器、，贮热器、热变换器，是能源技术研究的重要课题之一。,生物环境工程与设施农业,Generality of Agricultural Engineering,24,太阳辐射能进入大气层后受大气层中的臭氧、水蒸汽、CO2及尘埃等吸收及反射或折射，到达地面的只是其中的一部分，这种现象称为大气衰减。,影响太阳能辐射的因素：,生物环境工程与设施农业,Generality of Agricultural Engineering,25,1太阳能热水器。太阳能热水器可对家庭、集体、畜禽舍、农产品加工车间、饲料加工车间等提供生活或生产用热水，或对炉锅给水预热，是一种较普遍的太阳能应用方式。,2太阳灶及聚光式太阳能集热器。,生物环境工程与设施农业,Generality of Agricultural Engineering,26,3太阳能电池,4太阳能建筑,5太阳能干燥,生物环境工程与设施农业,Generality of Agricultural Engineering,27,(二)风能,风能是一种廉价的能源。但要受到季节和地理的限制，可以直接利用风力有机械能进行灌溉、农产品加工等。也可以用风力发电或将风能直接转变为热能利用。在风能资源丰富的地区可以建风力场(Wind Farm)，将若干台风力机布置在一块地区内。,生物环境工程与设施农业,Generality of Agricultural Engineering,28,(四)其它可再生能源,小水力及潮汐能可用于发电，水力机也可以直接做为动力机械驱动作业机械。薪炭林及农村小煤窑利用荒山荒地种植薪炭林；分散的天然气资源以及再生油潲水油等。城市潲水提出的再生油可以作燃料。,（三）地热能,生物环境工程与设施农业,Generality of Agricultural Engineering,29,四、生物质能源开发利用的意义与发展趋势,(一）生物质开发利用的意义,进入21世纪，生物质产业受到了国际社会的广泛关注，许多国家制定了促进生物质产业发展的相关政策，并投入了大量资金用于研究开发和推广应用，生物质产业正成为朝阳产业。1.在我国发展生物质产业具有深远的意义，不仅有利于解决资源、能源短缺和环境污染问题，更是解决好“三农问题”、加快社会主义新农村建设的战略举措。,生物环境工程与设施农业,Generality of Agricultural Engineering,30,2.农业生物质利用将成为体现农业多功能和农民增收的新亮点，为农村开辟了新的经济发展渠道，使农业资源得到高效利用，变废为宝，既可为我国农村劳动力提供新的就业岗位，又增加了农业和农民收入。大力发展农业生物质产业，对于拓展农业内涵，保障国家能源安全，具有重要的现实意义；通过生物质的资源化利用，可以为农村提供清洁能源，改善农村环境，为新农村建设做出贡献。,生物环境工程与设施农业,Generality of Agricultural Engineering,31,（二）国内生物质能源发展状况 截至2005年底，我国已推广新型节能灶/炕1.8亿户，年节约薪柴、秸秆2亿吨左右；户用沼气达1800多万户，使5000万农民用上了清洁的气体燃料；畜禽养殖场大中型沼气工程2671处，同时有效开展了沼气发电、有机肥料及饲料的资源化利用。2005年开发利用沼气总量约70亿m3，折合标准煤约500万吨；生物质致密成型技术市场初步形成，发展势头强劲；生物质液体燃料（燃料乙醇、植物油/生物柴油、生物原油等）发展良好，我国已颁布变性燃料乙醇和车用乙醇汽油两项产品国家标准。黑龙江、吉林、河南和安徽四省进行示范，燃料乙醇的年生产能力超过100万吨，并由石油部门合成车用乙醇汽油在当地加油站试点推广；生物柴油的研究与开发较晚，但发展速度很快。,生物环境工程与设施农业,Generality of Agricultural Engineering,32,（三)国外生物质能源的发展状况1.目前世界上较为成熟、可规模化开发利用的生物质能技术主要有发电、成型燃料、沼气和液体燃料等。生物质发电在发达国家已受到广泛重视，2005年全世界生物质发电的装机容量约为5000万千瓦，主要集中在北欧和美国。2.生物质固体成型燃料在发达国家通常用来替代煤、燃气等作为民用燃料进行炊事、取暖或区域供热和发电等。美国、欧洲国家的生物质成型燃料产品已进入商业化阶段。,生物环境工程与设施农业,Generality of Agricultural Engineering,33,3.沼气技术已经成熟，欧洲和印度等地建设了大量的户用沼气和大中型沼气工程。德国的大中型沼气工程多采用以畜禽粪便和秸秆为主要原料的厌氧消化工艺，机械化和自动化程度很高，生产出来的沼气主要用于发电。4.生物燃料已实现规模化生产和应用。2005年，全世界生物燃料乙醇的总产量约为3000万吨，主要集中在巴西和美国；生物柴油总产量约220万吨，主要集中在德国。欧盟对生物燃料也很重视，主要以大豆、油菜籽和回收的动植物废油等为原料生产柴油，2005年欧盟15个成员国年产量约200万吨（德国约150万吨），占世界总产量的90%。,生物环境工程与设施农业,Generality of Agricultural Engineering,34,1.美国、欧盟等多国纷纷制定了生物质利用发展目标并制定了多种法规和政策以鼓励和支持生物质利用的发展。,（四）国外生物质能源的发展目标与趋势,由于生物质能源具有可以直接替代液体运输燃料（石油），可以形成固、液、气多种能源形态，可以作物质性生产（生物基产品），高能效、零排放、存储性好，可以促进农村经济发展，原料丰富、可以持续等特点，受到世界各国的高度重视。,生物环境工程与设施农业,Generality of Agricultural Engineering,35,2.美国要通过生物质利用到2020年达到每年为农民增加200亿美元收入，取代运输燃料量10%，2030年替代石油消费量30%的目标；生物基化工产品到2025年增加23-29倍；最终满足大于90%的美国有机化学品消耗和50%的液体燃料需要。3.欧盟主要是在热电联产、供热、发电和运输燃料方面，2007年3月欧盟首脑会议提出三个“20”的目标，即到2020年减排20%、提高能效20%、替代液体燃料20%，德国2050年生物质提供50%总能源需要。瑞典目前生物能源已能满足25%的能源需求，2020年将成为世界上第一个不依赖石油的国家。4.目前全球生物能源比重为1.91%，美国为2.76%，中国为0.20%。,生物环境工程与设施农业,Generality of Agricultural Engineering,36,1.国家将农业生物质作为产业来发展农业生物质能产业发展规划：发展重点今后一个时期，农业生物质能产业的发展重点是农村沼气、能源作物和生物质固体成型燃料。基本原则 坚持以人为本，着力提高农民生活质量 坚持不与粮争地，不与人争粮 坚持因地制宜，经济技术可行 坚持综合利用，产业协调推进,（五）中国生物质能源发展目标与趋势,生物环境工程与设施农业,Generality of Agricultural Engineering,37,2.国家已制定可再生能源中长期发展规划根据我国经济社会发展需要和生物质能利用技术状况，重点发展生物质发电、沼气、生物质固体成型燃料和生物液体燃料。到2010年，生物质发电总装机容量达到550万千瓦，生物质固体成型燃料年利用量达到100万吨，沼气年利用量达到190亿立方米，增加非粮原料燃料乙醇年利用量200万吨，生物柴油年利用量达到20万吨。到2020年，生物质发电总装机容量达到3000万千瓦，生物质固体成型燃料年利用量达到5000万吨，沼气年利用量达到440亿立方米，生物燃料乙醇年利用量达到1000万吨，生物柴油年利用量达到200万吨。达到占能源消费量15%的目标。,生物环境工程与设施农业,Generality of Agricultural Engineering,38,总体目标 力争到2010年，关键技术达到国际先进水平，在解决农村地区生活燃料短缺问题的同时，初步实现市场化。到2020年建成一批农业生物质能基地，产业化程度明显提高，开发利用成本降低，生物质能技术创新和产业发展体系基本建成。,生物环境工程与设施农业,Generality of Agricultural Engineering,39,具体目标,生物环境工程与设施农业,Generality of Agricultural Engineering,40,3.2007年中央1号文件提出：推进生物质产业发展。以生物能源、生物基产品和生物质原料为主要内容的生物质产业，是拓展农业功能、促进资源高效利用的朝阳产业。加快开发以农作物秸秆等为主要原料的生物质燃料、肥料、饲料，启动农作物秸秆生物气化和固化成型燃料试点项目，支持秸秆饲料化利用。加强生物质产业技术研发、示范、储备和推广，组织实施农林生物质科技工程。鼓励有条件的地方利用荒山、荒地等资源，发展生物质原料作物种植。加快制定有利于生物质产业发展的扶持政策。,生物环境工程与设施农业,Generality of Agricultural Engineering,41,加快发展农村清洁能源。继续增加农村沼气建设投入，支持有条件的地方开展养殖场大中型沼气建设。在适宜地区积极发展秸秆气化和太阳能、风能等清洁能源，加快绿色能源示范县建设。,生物环境工程与设施农业,Generality of Agricultural Engineering,42,【思考题2-5】1如何看待农村的能源问题？阐述农业与能源的关系？2农村能源系统有哪些类型？3什么是生物质能源？如何产生？如何利用？4.燃烧需要什么条件？5何谓非商品性能源与可再生能源？举例说明 6论述生物质能源开发利用的意义,
