生物質能利用簡述

(四川大學 四川 成都 610065)

生物質能是指以自然界的生物質為載體，直接或間接利用植物的光合作用將太陽能以化學能的形式儲存在生物質中的一種持續可再生能源[1]。生物質能可通過燃燒法、物理化學法、生化法和熱化學法等技術，將其轉化為二次能源，分別為熱量或電力、固體燃料(如木炭)、液體燃料(如生物柴油和乙醇)和氣體燃料(如沼氣)。目前人們已將目光投向了持續可再生的生物質能，以緩解國內外石油價格的上漲和自然界化石燃料的逐漸枯竭的狀況。

一、生物質能的研究歷史

生物質能有傳統與現代之分，傳統的生物質能具有極其悠久的歷史和廣泛的利用，但其種類和利用的形式相對簡單，主要包括薪柴、草本植物、木炭、動物糞便、生物質油脂等，可通過爐灶進行直接燃燒。傳統生物質能具有燃燒工藝簡單的優點，但其熱值及利用效率較低，且體積大，不宜大量儲藏和遠距離運輸。

真正的新能源則是指在現代新技術的基礎上開發利用的非傳統生物質能，即現代生物質能。這也是本文論述的對象。自20世紀70年代以來，世界各國政府開始高度關注生物質能的研發和利用，以應對日益突顯的能源危機和氣候變化問題，并提出了明確的發展目標和制定了相關的法律法規和產業政策。目前我國的生物質能的利用技術水平在不斷地提高，相關產業的規模也在逐漸擴大。生物質能的利用可以促進我國的能源結構多元化發展和實現可持續發展。中國能源儲備量較少、產量較低，而需求卻在逐漸增大，導致供需矛盾不斷突顯。開發利用生物質能不僅能緩解能源供求緊張的形勢，同時也能拓展農民就業和促進農民增收。

二、生物質能的現狀

(一)中國生物質能資源種類

中國生物質能資源種類繁多、數量可觀、分布廣闊，其中適合于能源利用的主要有五大類。第一類是農業生物質能，主要包括農作殘留物之一的秸稈如玉米秸、麥秸等，以及農副產品加工過程中產生的廢棄物諸如麥殼、稻殼等。這些在過去基本被拋棄或極少被利用的農業生物質能在現代生物技術的作用下將成為可利用的能源資源；第二類是畜禽糞便，因為畜禽養殖業的發展產生了大量的糞便和墊料，而這些排泄物主要是糧食、牧草和農作物秸稈的轉化形式，是一種常見且豐富的生物質能；第三類是林業生物質資源，盡管現在政府已實施了封山育林的生態保護政策來保護森林植被不被過度開發，然而在森林繁育和林業生產過程中可通過收集利用無法利用的部分作為生物質能源。

據統計，每年我國農村農作物秸稈產量近7億噸，其中僅一半得到了有效利用，剩余的均處于浪費狀態；每年全國畜禽的糞便排放量可達30多億噸，其干重就近5億噸；林木砍伐和木材加工過程每年產生約4000萬立方的剩余物[2]。綜上所述，經核算上述生物質廢棄物所包含的生物質能總量可以轉化能源的潛力合計約為8億～10億噸標準煤[3]。由此可見，高效地提取、利用這些生物質體內貯藏的生物質能，對于緩解當前我國的化石能源短缺是十分有利的。

(二)我國生物質能源分布[4]

我國農業廢棄物主要集中分布于我國華東、華中、東北、華北、西南、西北、華南地區的主要農區，其中華東、華中、東北、華北4個地區是作物秸稈資源分布最集中的區域，約占我國總量的70%。我國畜禽糞便資源主要集中于西南、華中和華東地區，三地區共占資源總量的約57%。四川、河南、山東、內蒙古、湖南、云南六省的畜禽糞尿數量最大，6省共占全國畜禽糞尿資源總量的40%。我國林木生物質資源主要分布在我國華東、華南、西南3地區，三者所占林業剩余物資源量最大，約占我國林業資源總量的65.89%。我國生活廢水和生活垃圾的分布情況受影響的因素較多，具有與當代社會各地區或城市的城鎮化和工業化程度、經濟發展水平以及人口等因素密切相關的特點，主要集中在我國東部地區。

三、生物質能的轉化技術

(一)生物質液化技術

生物質液化是將有機大分子物質通過水解、催化或熱解等方法轉化成低碳鏈的小分子化合物的過程。生物質液化的產物包括燃料乙醇、甲醇、生物油等。在一定條件下，利用生物發酵或水解技術可將生物質轉化加工成乙醇，供汽車或其他工業使用；通過熱解可將生物質轉化加工成生物油，在一定程度上可代替石油用做燃料油，同時由于生物油中含有大量的化學品，可從生物油中提取化學產品帶來一定的經濟效益。

(二)制備生物柴油

生物柴油可通過酯化反應以動植物油脂、餐飲地溝油脂以及其他廢油等作為原料制得。生物柴油具有環境友好，含硫量低、空氣污染排放量少，可作為化工材料、易生物降解等諸多優點。生物柴油主要有物理法、化學法和生物法三種制備方法。物理法有常見的直接混合法和微乳液法；化學法主要有裂解法、酯交換法和酯化法等；生物法主要是指生物酶催化劑合成生物柴油技術[5]。

(三)發酵制沼氣

沼氣發酵是指農作物秸稈、人畜糞便以及工農業排放廢水中所含的有機質在厭氧及其他適宜的條件下，在微生物的作用下，最終轉化為以甲烷為主要成分的混合可燃氣體的過程。通過合理利用沼氣，其具有可替代柴火及化石燃料的功能。沼氣發酵一般分三個階段，分別是消化階段、產酸階段(先酸化再乙酸化)、產甲烷階段。

(四)制備燃料乙醇

生活中常見的各種綠色植物(如玉米芯、甜菜、高粱、秸稈、稻草等及許多富含纖維素的原料)都可用作提取乙醇的原料。制取乙醇是指以上述生物質為原料通過酶催化或者化學預處理聯合生物發酵的方式將生物質蘊藏的化學能轉化成作為燃料用的乙醇(又叫生物質乙醇)。目前，乙醇的制備技術主要有分別以淀粉為主的多糖生物質以及木質纖維素為主要原料的制備技術，其中以木質纖維素為主要原料的技術應用更為廣泛。

四、結語

生物質能源的開發跟利用具有節約資源、改善環境等正面效益，將是我國能源結構調整轉型的大勢所趨。我國國土遼闊，擁有豐富的生物質資源。目前在化石能源在逐漸稀缺過程中，供需矛盾不斷突顯，能源成本越來越高，而生物質能在依靠科學技術不斷進步開發，其成本則在不斷降低，可以預見，不久的將來生物質能將大有作為。