生物質清潔能源的來源和分類

史海東 才曉泉

(浙江省寧波市鄞州中學 315101)

我國的能源消費一直以煤和石油為主，燃燒這些能源會使空氣中CO2、SO2、粉塵等有害氣體含量急劇增加。據預測，2030—2040年石油資源將成為我國經濟發(fā)展的瓶頸[1]。

為保障能源安全，尋找、開發(fā)新能源和可再生能源已成為新的挑戰(zhàn)。生物質是繼煤炭、石油和天然氣之后，世界第四大能源資源。我國的生物質資源非常豐富，生物質能對于緩解能源供應緊張、調整能源結構以及改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量等方面具有重要的戰(zhàn)略意義。

1 生物質和生物質能

生物質即一切生命體中所包含的有機物質。廣義上講，生物質包括所有的植物、微生物以及以它們?yōu)槭澄锏膭游锛捌渖a的廢棄物。生物質的狹義概念是指農林業(yè)生產過程中除糧食、果實以外的秸稈、樹木等木質纖維素、農產品加工業(yè)下腳料、農林廢棄物以及畜牧業(yè)生產過程中的禽畜糞便和廢棄物等物質。生物質的特點是可再生、低污染和分布廣泛。生物質能是太陽能以化學能形式貯存在生物質中的能量形式，即以生物質為載體的能量。它直接或間接地來源于綠色植物的光合作用，可轉化為常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料。生物質能的特性為可再生性，清潔、低碳、替代優(yōu)勢，原料豐富。所以，生物質能又稱作生物質清潔能源。

2 生物質清潔能源的來源

2.1 秸稈 農作物通過光合作用固定的太陽能中，有一部分會留在秸稈中未能被人類利用。據統(tǒng)計，2007年全國九大作物產量得出的秸稈總量是7. 04×108t，總產能是3. 55×108t標煤。排在前三位的是玉米、小麥和稻谷[2]。目前，秸稈除少量用于傳統(tǒng)燃料、墊圈、喂養(yǎng)牲畜，部分用于堆漚肥外，大部分都作廢棄物燒掉。秸稈在柴灶上燃燒，轉換效率僅為10%～20%。如今許多地區(qū)廢棄秸稈量逐年增大，已占秸稈產量的60%以上，加快秸稈的優(yōu)質化轉換利用勢在必行。

2.2 薪柴 薪柴生物質包括森林采伐剩余物、木材加工剩余物、清林育林剪枝剩余物以及專門提供薪柴的薪炭林。許多國家生物質資源利用的來源均以林業(yè)廢棄物和薪炭林為主。制定長期林業(yè)規(guī)劃，合理、有計劃地進行砍伐與造林，將有利于解決供需矛盾及生態(tài)問題。

2.3 禽畜糞便 禽畜的糞便也是一種重要的生物質能源，其經干燥可直接燃燒供應熱能，還可與秸稈混合作為沼氣的發(fā)酵原料。2007年畜禽糞便實物量為1.2 47×109t，可開發(fā)量為8. 84×108t，其中主要來源分別為牛、豬、雞，其糞便量可折算年產能(標煤)1. 098×108t標煤[3]。

2.4 城鎮(zhèn)垃圾及工業(yè)有機廢棄物 城鎮(zhèn)垃圾是居民生活垃圾、商業(yè)和服務業(yè)垃圾以及少量建筑垃圾等廢棄物構成的混合物，成分比較復雜，其直接燃燒可產生熱能，或經熱解處理制成燃料使用。全國生活垃圾清運量1. 52×108t(約含有機垃圾30%)，設可用率為10%，可用資源量為1.6×107t，折標煤2.5×106t[3]。食品/農產品加工業(yè)的有機廢水廢渣和城市污水是重要的有機物污染源，也是生物質原料資源。有資料估計，中國農產品加工生產的有機廢棄物可產生5.0×1010m3沼氣，相當于3.5×107t標煤的產能。2007年我國工業(yè)和城市污水每年排放總量5.57×1010t，所含化學需氧量(COD)總量接近2.0×107t，可產沼氣1.10×1010m3[3]。

3 生物質清潔能源的分類

主要的生物質清潔能源可分為三類：液體燃料、氣體燃料和固體燃料。

3.1 生物質液體燃料 生物質液體燃料包括燃料乙醇、生物柴油和“綠色汽油”。

3.1.1 燃料乙醇 燃料乙醇是以甘蔗、小麥等作物為原料，通過酶技術制取。目前，國際上已開發(fā)出多種高效酶提升燃料乙醇的生產效益，燃料乙醇已進入初步商業(yè)化生產階段。燃料乙醇可以與汽油混合使用，車用乙醇汽油就是一種通過特定工藝混配而成的新一代清潔環(huán)保型車用燃料。一般情況下，原料可占燃料乙醇生產成本的60%，以非糧食類生物質制取燃料乙醇已成為未來發(fā)展趨勢。非糧作物主要有兩類：一類是木質纖維原料，如速生林、草類；另一類是含糖豐富的植物原料，也可選用農業(yè)廢棄物，如高粱秸、玉米秸、制糖廢渣等[4]。

3.1.2 生物柴油 生物柴油是以大豆和油菜籽等油料作物、油棕和黃連木等油料林木果實、工程微藻等油料水生植物以及動物油脂、廢餐飲油等為原料制成的液體燃料。生物柴油有以下優(yōu)勢：①使用時柴油機不需作任何改動或更換零件；②可得到甘油等經濟價值較高的副產品；③無腐蝕性，非易燃易爆，比石化柴油的貯存、運輸和使用更安全；④熱值高(一般可達石化燃料油的80% )；⑤一年生的能源作物及多年生的木本植物均可作為原料，可再生；⑥可在自然狀況下實現生物降解，減少對人類生存環(huán)境的污染。在發(fā)達國家，利用豆油、花生油、棉籽油、葵花籽油、油菜籽油、棕櫚油和蓖麻籽油生產生物柴油正在形成產業(yè)。我國生物柴油產業(yè)化首先在民營企業(yè)展開，一些公司建成了1.0×104～2.0×104t/a的生產裝置，除生產生物柴油外，還生產一些高附加值的產品。華東理工大學等正在攻關利用餐飲業(yè)廢油和非經濟作物生產生物柴油的高科技項目[5]。

3.1.3 “綠色汽油” 某些植物在光合作用產生糖類等的同時還會產生同石油相似的碳氫化合物，只要對這些碳氫化合物進行簡單加工就可以制成“綠色汽油”，代替柴油作為燃料。能產生“綠色汽油”的植物稱為石油植物，主要是一些被子植物和藻類。以石油植物作為新能源的資源具有許多優(yōu)點：①其所產“綠色汽油”是新一代的綠色潔凈能源；②石油植物分布面積廣，可因地制宜種植生產，不需勘探、鉆井、采礦及長途運輸；③石油植物可以快速生長，能通過規(guī)?；N植保證產量，重點是可再生而非一次性；④“綠色汽油”使用比核電安全，不會發(fā)生爆炸、泄露等安全事故；⑤開發(fā)利用石油植物可減少世界各國對石油市場的依賴，對經濟穩(wěn)定發(fā)展具有積極作用。

3.2 生物質氣體燃料 生物質氣體燃料包括沼氣和生物質制氫。

3.2.1 沼氣 人畜糞便、秸稈、污水等各種有機物在密閉沼氣池內，在厭氧條件下被多種沼氣微生物分解轉化，產生沼氣。沼氣的主要成分是甲烷，約占所產氣體的60%～80%。甲烷是一種理想氣體燃料，它無色無味，與適量空氣混合后即可燃燒。甲烷的發(fā)熱量為34000 J/m3，沼氣的發(fā)熱量約為20800～23600 J/m3，1 m3的沼氣完全燃燒能產生相當于0.7kg無煙煤提供的熱量。與其他燃氣相比，其抗爆性能較好，是一種很好的清潔燃料。沼氣除可直接燃燒用于炊事、烘干農副產品、供暖、照明和氣焊等，用沼氣代替汽油、柴油機器的效果也很好。目前，沼氣的應用正在各國廣大農村推廣，中國農村戶用沼氣池數量已達2200萬座[6]。

3.2.2 生物質制氫 氫能是最清潔的能源，生物質可通過氣化和微生物制氫。氣化制氫時，首先將原料柴薪、鋸木、麥秸、稻草等壓制成型，然后在氣化爐中進行氣化或裂解反應，可制得含氫的燃料氣。微生物在常溫下進行酶催化反應也可制取氫氣，主要有化能異養(yǎng)和光合自養(yǎng)兩類產氫微生物。化能異養(yǎng)微生物是各種發(fā)酵類型的厭氧菌和兼性厭氧菌，其基質是各種碳水化合物、蛋白質等。目前，已有利用碳水化合物發(fā)酵制氫的專利，并可利用所產生的氫氣作為發(fā)電的能源[7]。光合自養(yǎng)微生物產氫是利用微型藻類等相關微生物和光合作用的聯(lián)系產氫。在國外，已有利用光合作用設計出細菌產氫的優(yōu)化生物反應器，其規(guī)?？蛇_日產氫2800m3。該方法采用各種工業(yè)和生活廢水、農副產品的廢料為基質進行光合細菌連續(xù)培養(yǎng)，在產氫的同時還凈化廢水和獲得單細胞蛋白，一舉三得，極有發(fā)展前景。

3.3 生物質固體燃料 生物質固體燃料是將具有一定粒度的生物質原料(如秸稈、果殼、木屑、稻草等)經過粉碎，并在一定壓力和溫度下將其擠壓制成棒狀、塊狀或粒狀等各種成型燃料。生物質固體燃料熱性能優(yōu)于木材，能量密度與中質煤相當，點火容易，火力持久，黑煙小，爐膛溫度高，是煤炭的良好替代品[8]。生物質固體燃料不僅適合鍋爐、農村家庭的使用，還可以用來發(fā)電、供熱，提高對煤炭等石化燃料的替代使用率，以削減大氣中CO2和SO2的排放量，減少對環(huán)境的污染。另外，生物質固化成型技術簡單，燃料成型后也便于運輸和儲存。

(* 通訊作者)