生物质能源

3.1 生物质能源3.1.1生物质：构成动、植物机体的材料，植物主要是由淀粉纤维素组成的，动物主要是由脂肪、蛋白质组成的，它们统称为生物质。

简单地说，生物质就是生物体中的有机物。

人类在生物圈中的基本需求主要来自生物质，人类的生存繁衍主要靠消耗生物质。

3.1.2生物质能是蕴藏在生物质中的能量，是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内部的能量。

煤、石油和天然气等化石能源也是由生物质能转变而来的。

地球上只要有太阳光和植物，光合产物就不断产生，能的转化作用就持续下去，因此，它通常包括以下几个方面：一是木材料及森林工业废弃物；二是农业废弃物；三是水生植物；四是油料植物；五是城市和工业有机废弃物；六是动物粪便。

在世界能耗中，生物质约占14％，在不发达地区占60％以上。

在全世界约25亿人所用的生活能源中90％以上是生物质能。

生物质的优点是燃烧容易，污染少，灰分较低；缺点是热值及热效率低，体积大而不易运输。

直接燃烧生物质的热率仅为10％～30％。

目前世界各国正逐步采用如下方法利用生物质能：①热化学转换法，获得木炭、焦油和可燃气体等品位高的能源产品，该方法又按其热加工的方法不同，分为高温干馏、热解、生物质液化等方法；②生物化学转换法，主要指生物在微生物的发酵作用下，生成沼气、酒精等能源产品；③利用油料植物所产生的生物油；④把生物质压制成型状燃料(如块型、棒型燃料)，以便集中利用和提高热效率。

生物质能一直是人类赖以生存的重要能源，它是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第四位的能源，在整个能源系统中占有重要地位。

有关专家估计，生物质能极有可能成为未来可持续能源系统的组成部分，到21世纪中叶，采用新技术生产的各种生物质替代燃料将占全球总能耗的40％以上。

3.1.3生物质能的特性能源问题在世界经济中具有战略意义。

据预测，地球上可利用的石油将在今后几十年内耗竭，从长远看液体燃料短缺仍将是困扰人类发展的大问题。

在此背景下，生物质能作为可转化为液体燃料的可再生资源，正日益受到重视。

随着煤、石油和天然气在21世纪逐步面临枯竭，能源乃至化工原料等重要经济架构从化石导向型逐步转化为生物质导向型，将成为不可逆转的发展趋势。

一些发达国家早已把生物质资源利用作为21世纪科技发展的战略重点。

《中国二十一世纪人口、环境与发展白皮书》已明确指出：“中国要实现经济的快速发展，就必须将开发利用新资源和新能源放到国家能源发展战略的优先地位，加强生物质能源的开发”。

由生物质转化而来的燃料比较干净，有利于环境保护。

生物质能是通过光合作用以生物形态储存的太阳能，可作为能源利用的生物质包括林产品下脚料、薪柴、农作物秸秆及城市垃圾中的生物质废弃物等。

（1）生物质工业煤固硫燃烧特性我国煤炭消费结构中约30％的煤炭直接以散煤形式燃烧，散煤成型后燃烧与散煤直接燃烧相比，可以提高煤的利用率，减少燃煤带来的环境污染。

但型煤也存在着着火困难、燃烧不充分的弱点，低挥发分煤种尤为突出。

生物质工业型煤就是在原煤中添加一定比例的植物(如稻草、木屑、锯末等)、粘结剂、固硫剂后压制出来的新型燃料。

由于型煤的表面积比散煤要小得多，其着火性能不及散煤，炉内燃烧时，散煤着火迅速；而型煤则容易发生脱火现象，在燃烧低挥发分煤种时，脱火更甚。

生物质一般属于低燃点燃料，型煤掺入生物质可以降低着火温度，对型煤的燃烧极为有利。

（2）生物柴油随着大城市交通的迅速膨胀，汽车尾气污染逐渐成为城市大气污染物的主要来源，柴油在各类石油产品的消费中占有相当大的比例。

因此增加可再生能源的使用，是控制城市大气污染的有效手段。

生物柴油的研究最早是从20世纪70年代开始的，美国、法国、意大利等国相继设立了专门的生物柴油研究机构。

目前意、法、德等国建成或在建的生物柴油的生产装置有12座。

规模最大的年产量达57万吨。

而且美国、德国和澳大利亚已制定了生物柴油的品质标准。

生物柴油主要的成分是软脂酸、硬脂酸、油酸、亚油酸等长链饱和与不饱和脂肪酸同甲醇或乙醇所形成的酯类化合物。

以蓖麻油和甲醛为原料制取的生物柴油为例，作为柴油替代品的理想物质应当具有如下的分子结构：①拥有较长的碳直链；②拥有一个以上的双链，并且双链位于碳分子链的末端或者是均匀分布在碳分子链中；③含有一定量的氧元素，最好是酯类、醚类、醇类化合物；④分子结构尽可能没有或只有很少的碳支链存在。

人们一般将理想的柴油替代品的分子式表示为：C19H36O2，蓖麻油生物柴油的分子结构基本上与理想的柴油替代品的分子结构相类似。

作为柴油的替代燃料，生物柴油具备以下几方面的性能：①良好的发火性能；②适当的粘度和良好的低温流动性；③安全性好；④对发动机没有腐蚀。

生物柴油的十六烷值与2号柴油相差不大，表明生物柴油具有良好的发动性和适当的粘度。

而且，生物柴油的闪点比2号柴油高130℃左右，这使得生物柴油在存储、运输和使用时有良好的安全性。

此外，生物柴油的酸值约为KOH0.5mg/g，对发动机的腐蚀性很小。

由于生物柴油中含有11％～14％的氧元素，因此它的热值要比矿物柴油稍低6．3％～8．5％。

但是，由于氧元素的存在，又对生物柴油的燃烧起到一定的促进作用，这种轻微的能量损失可以由此而获得一定程度的补偿。

根据A．Isigigiur等人对生物柴油和矿物柴油的对照性试验研究，发现在不同的发动机转速下，生物柴油的热效率比矿物柴油的热效率比矿物柴油的热效率高5％～8％，两者在发动机功率上并没有太大的差异。

香港大学的D．Y．C．Leung等在不同的生物柴油与矿物柴油混合比的条件下，对使用该混合燃料的发动机的各项参数进行了测定，结果表明：在引擎的力矩和马力都没有太大改变的情况下，燃料的消耗量仅提高1．75％～3％，而且无须对发动机做任何的改进。

生物柴油的使用有利于酸雨的控制。

矿物柴油中均含有一定量的硫，有的甚至高达2％～3％。

因此，柴油的燃烧往往成为s02的主要排放源之一。

使用生物柴油作为发动机的燃料，将有助于酸雨的控制。

生物柴油来自于生命周期较短的植物油或动物油脂，不会增加大气中CO2负荷，可大大缓解温室效应的产生。

据报道，使用生物柴油对温室效应的贡献是矿物柴油的1／5。

生物柴油的使用也可以有效地减少颗粒物质的排放，根据美国密执安技术大学的研究，使用生物柴油所形成的TPM是2号柴油的30％～34％。

同时，生物柴油是一种无毒、生物可降解的燃料。

据研究，水中的生物柴油，在3天内可以降解70％～80％左右。

而在相同的条件下，矿物柴油仅降解了30％。

另外，在合适的发动机转速下，使用生物柴油可以使机动车尾气中排放的HC较2号柴油减少约60％。

由于燃烧完全，使用生物柴油还可以使CO的排放量减少约50％。

此外，生物柴油不含有芳草烃等物质。

据估算，使用生物柴油的机动车尾气含有的芳草烃类物质比矿物柴油少96％。

3.1.4生物质能的转化方法生物能的传统利用方式大多是对薪柴的直接燃烧，这也是目前许多发展中国家依然采取的利用方式，这种方法利用效率很低，并会造成空气污染。

目前生物质的直接燃烧已不能满足人们对能量的需求。

当前国内外在更高水平上开发利用生物能的研究与应用主要集中在生物质转型优化能源技术，即将低品位的生物质转变成气体、液体、固化等形式的优质燃料。

具体方法主要有干馏、气化、厌氧消化、酒精发酵等。

由生物质制取液体燃料将是21世纪有发展潜力的技术。

这些技术中包括生物质水解发酵制燃料乙醇，生物质直接液化及由裂解生成液体燃料等。

此外还可将生物质气化后再由气体产品生产液体燃料。

3.1.4.1生物质制液体燃料原理(1) 生物质制燃料酒精纯酒精或汽油和酒精的混合物都可作一次燃料。

以酒精为燃料的汽车早已开发。

混有20％的酒精的汽油可和标准汽油通用，这种混合油的辛烷值高，且不必对发动机作明显修改。

淀粉类原料生产酒精；本质纤维素原料生产酒精：纤维素乙醇意义：燃料乙醇的主要原料是玉米和小麦。

随着燃料乙醇的快速发展，原料问题日益突出，成为制约燃料乙醇发展的瓶颈；另外，以粮食作物为原料的燃料乙醇产业发展还有可能引发国家粮食安全问题。

因此，中国政府提出生物乙醇坚持非粮之路，即“不与人争粮，不与粮争地”。

经济分析显示，中国发展纤维素乙醇有更大的优势。

木质纤维素是地球上最丰富的可再生资源，也是当前利用率最低的资源，是各国新资源战略的重点。

中国可利用的木质纤维素每年在7亿吨左右，这些丰富而廉价的自然资源主要来源于农林业废弃物、工业废弃物和城市废弃物。

所以，纤维素乙醇是未来发展的必然方向。

水解技术：木质纤维素是由纤维素、半纤维素、木质素和少量的可溶性固形物组成。

纤维素大分子是由葡萄糖脱水，通过β-1,4葡萄糖苷键连接而成的直链聚合体。

在常温下不发生水解，高温下水解也很缓慢。

只有在催化剂的作用下，纤维素的水解反应才显著进行。

常用的催化剂是无机酸或纤维素酶，由此分别形成了酸水解和酶水解工艺。

半纤维素是由不同的多聚糖构成的混合物，这些多聚糖由不同单糖聚合而成，有直链也有支链，上面连接有不同数量的乙酰基和甲基。

半纤维素的水解产物主要有己糖、葡萄糖、半乳糖、甘露糖、戊糖和阿拉伯糖等几种不同的糖。

半纤维素的聚合度较低，相对比较容易降解成单糖。

①酸水解生物质酸水解已有长期历史，水解中以无机酸(常用的是硫酸和盐酸)作为催化剂。

它又可分为浓酸水解和稀酸水解。

因浓酸水解中难以回收，目前主要用的是后者，其酸浓度在0．3％～3％，温度在100～200℃。

由于在酸性条件下半纤维素容易溶解，故水解生产可分两步进行。

第一步用较低的温度，主要得到半纤维素的水解产物五碳糖，第二步用较高的温度，得到纤维素的水解产物葡萄糖。

近年来，人们还研究了助催化剂的作用。

即用某些无机盐(如ZnCl2，FeCl3等)来进一步促进酸的催化作用。

最近华东理工大学进行了以FeCl2催化生物质酸水解的研究，并进行了中试。

FeCl2不但有和FeCl3类似的助催化能力，而且价格低廉，用废盐酸和铁屑就能方便的生产。

②酶水解酶水解是生化反应，与作为化学反应的酸水解相比，它可在常压下进行，微生物的培养与维持仅需较少的原料，减少了过程的能耗。

酶有很高的选择性，可生成单一产物，能得到很高的产率(>95％)。

由于酶水解时基本上不必外加化学药品，且仅生成很少的副产物，所以提纯过程相对简单，也避免了污染。

影响纤维乙醇产业化的主要因素：近年来，国内外对利用木质纤维转化乙醇进行了大量的研究，工艺路线已经打通，但当前要想实现工业化生产，在原料收集、预处理、糖化、发酵和精馏各工艺过程中还存在着制约纤维素乙醇生产的问题，主要表现为以下四个方面：（1）木质纤维素原料分散，季节性强，尤其是农作物秸秆。

（2）木质纤维素预处理技术有待进一步优化和提高。

由于天然纤维素原料的结构复杂的特性，使得其纤维素、半纤维素和木质素三者不能有效分离；另外伴随产生一些中间副产物，实验表明，这些物质抑制酵母的生长和代谢，最终影响乙醇产率。