竹类植物的生物质能源利用研究进展

成 亮

(南京林业大学竹类研究所 江苏 南京 210037)

竹类植物的生物质能源利用研究进展

成 亮

(南京林业大学竹类研究所 江苏 南京 210037)

讨论了竹类作为生物质能源植物进行利用的可行性，对竹类植物的能源利用和研究现状进行了概述，并对能源竹的发展前景进行了展望。

生物能源;竹类植物;燃料;裂解

生物质能（Biomass energy），就是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式,即以生物质为载体的能量。所以从广义上讲，也是太阳能的一种表现形式。生物能源多来自生物质如薪柴、秸秆、禽畜粪便和城市垃圾，可通过现代技术将其转化为固态、液态或气态的燃料。在我国，生物质能是仅次于煤炭、石油和天然气的第四位能源[1]。生物质能直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，取之不尽、用之不竭，是一种可再生能源，同时也是唯一一种可再生的碳源。目前，很多国家都在积极研究和开发利用生物质能。作为世界第二大能源消费国，我国能源面临着总量不足、石油紧缺、人均占有量少、能效低、环境污染严重等诸多问题，调整优化能源结构，大力发展可再生资源势在必行。

1 竹类植物的能源利用可行性

全世界竹子大约有70多属1200多种,面积约2200万hm2,广泛分布在亚洲、大洋洲、南美洲、非洲等地区,中国及东南亚地区是竹子的中心分布区。我国是世界上最主要的竹产区,有39属500余种[2]。

将竹类植物作为能源利用植物，有着以下优势。

1.1 生长迅速，生物量大

竹子在生长季节，其日生长量可达30～100cm，一般在2～3个月内即可完成全高生长[3]，其高生长速度是其他任何木本或者草本植物无法比拟的。一般竹种在造林后3～5年即可郁闭成林，具备稳定的生物量生产能力。

对我国各地毛竹林生物量的调查表明,毛竹林生物量往往大于针叶林,福建武夷山[4]、江苏宜兴[5]、浙江奉化[6]和贵州赤水[7]的毛竹林生物量分别达到110.69t/hm2,270.51t/hm2,216.09t/hm2,255.38t/hm2,几乎都高于广东鼎湖山马尾松的64t/hm2、湖南会同杉木的154t/hm2和马尾松的32.89t/hm2[8],经营较好的丛生竹林生物量也分别达到148.82t/hm2和156.41t/hm2[6],高于一般林分。

1.2 种质资源丰富

中国国土面积宽广，跨越了寒带、温带、亚热带和热带等多个气候带，各地区间地理条件和地质结构差异性极大，而这也为各种不同的竹种提供了极具多样性的生境条件可供选择，使得我国成为亚洲竹类植物的分布中心，为竹类的能源利用选种提供了必要的条件和现实可行性。

1.3 可持续性经营

竹类植物除了偶尔通过开花结实进行世代更新的情况外，更为普遍和常态化的繁殖方式是无性繁殖。即通过竹鞭（散生竹）或竹蔸（丛生竹）上分化出芽，萌发成笋，进而生长成为新竹。竹类植物的无性繁殖能力非常强，经过一次造林成功之后，即可通过无性繁殖方式，每年自行萌发新笋繁殖新竹。通过对竹林的经营管理、合理采笋、异龄择伐，每年均可获得稳定的竹笋和竹材产出。

竹子采伐周期短，产量高，而且采伐后对竹林结构、景观和其生态功能不会造成影响，能较好地维持竹林生态系统的稳定，是营造能源林的理想树种[9]。

1.4 不占用耕地

我国国土面积虽大，但人口众多，耕地资源相对匮乏。而目前所利用的生物质能源，其原料在相当大程度上都是农业作物，必须由耕地出产，如用玉米生产燃料乙醇等。因此，生物质能源的深入开发利用必须摆脱单纯依靠农作物产出的现状，否则，势必会和我国的粮食安全大局发生冲突。

竹类植物的种植经营则无需占用耕地。许多竹种在不宜耕种的高山、坡地，河谷、滩涂等区域都能够生长良好。在这些地域进行能源用竹林的营造，既可在不占用耕地资源的情况下获取生物质能源原料，也使当地群众有了新的增收途径，又在一定程度上改善了该区域的生态环境，在获取经济利益的同时也获取了生态效益。

2 竹类植物能源利用研究及应用

2.1 能源竹种的选择

表1 亚热带几种林分类型生物量比较[13]

竹类植物进行能源利用，其利用的部位主要是竹材。竹材的化学成分类似于木材，但又区别于木材。竹茎主要由纤维素、半纤维素和木素组成，一般来讲，整竹由50%～70%的全纤维素、30%的戊聚糖和20%～25%的木素组成[10]。杜瑛等以毛竹为材料测定其主要化学成分[11]，结果表明毛竹中纤维素、半纤维素、木素的总质量分数在70%左右，其中纤维素和半纤维素的含量为48%～55%，由于此两者比木素更容易降解，因此毛竹是一种很好的进一步转化的原料。通过比较不同生长期毛竹的成分发现，1年生、2年生和多年生的毛竹化学组成变化不大，表明毛竹在短时期内(1年)就可基本生长成熟，作为可再生原料前景乐观。

作为能源植物，最重要的一点就是要有大的净生物量的积累。陈先刚等[12]通过归纳整理国内学者对竹林生物量的研究结果，得出毛竹林平均生物量为159.86Mg/hm2(1Mg=106g),与亚热带几种森林类型比较, 仅低于成熟的天然常绿阔叶林,而高于人工常绿阔叶林、杉木中幼林和马尾松中幼林,并与亚热带落叶阔叶混交林、常绿阔叶中幼林和杉木成熟林接近(表1)。其它竹类的林分生物量，较高的还有绿竹（Dendrocalamopsis oldhami）、苦竹（Pleioblastus amarus）、慈竹（Neosinocalamus affinis）等。通过总结各竹种的生物量研究成果[12]，得出包括刚竹（Phyllostachys viridis）、绿竹（Dendrocalamopsis oldhami）、慈竹（Neosinocalamus affinis）、茶秆竹（Pseudosasa amabilis）、苦竹（Pleioblastus amarus）、肿节少穗竹（Oligostachyum oedogonatum）等除毛竹外的21个常见竹种的竹林单位面积生物量平均值为95.36Mg/hm2。可见竹林的生物量产出与其它林种相比并无逊色。

能源竹种的选择，既要考虑到竹种自身生物量预期产量的高低，还要考虑到竹种在引种地的适应性问题。因此，要使竹类能源利用技术得到推广，必须选育出适应不同地域的高产量能源竹种。目前国内对不同竹种的生物量研究较多，而在能源竹良种选育方面，鲜有报道。

2.2 竹材能源利用的方式

2.2.1 竹类植物发电技术

生物质直燃发电技术诞生于20世纪80年代，其主要的燃料来自于各种农作物秸秆及各种农林废弃物。由于其可再生性和环境污染小等特点，在未来可持续能源系统中占有重要地位。

目前，我国稻壳发电技术[16]是利用粮食加工过程中产生的废弃稻壳为原料，在煤气发生炉中燃烧产生煤气，然后将气体用水过滤、净化成纯净气体，再把纯净气体送入煤气发电机中燃烧做功，以此为动力带动发电机发电,通过控制屏输出。其工艺流程如下：

稻壳——煤气发生炉高温热解成可燃气体——净化器净化——燃气内燃机——发电机——控制屏——输出

但在实际运行中，国内企业运用稻壳发电技术存在以下问题[14]:

(1)稻壳煤气中的煤焦油问题。目前煤焦油通过循环用水处理，清洗、过滤、沉淀收集后再掺入稻壳燃烧，这只是一种机械的处理方法，不能彻底解决煤焦油综合利用问题，需要定期清理发电机组。

(2)燃烧后的炭化稻壳处理和再利用问题。目前不完全燃烧的炭化稻壳主要用作钢厂的保温材料，但大面积推广稻壳发电技术后，炭化稻壳用作保温材料的市场有限；完全燃烧后的稻壳灰可用作白炭黑、活性炭、硅锰酸钾、涂料和预制混凝土等行业的填充剂，但投资成本高，回收期长。

(3)发电稳定性问题。籼稻壳热值高于粳稻壳，其使用效率高于粳稻壳。粳稻壳中焦质含量大，在燃烧中易结块，稻壳炭不易清出，同时产气不均匀，影响内燃机正常生产发电。

竹子发电技术原理和稻壳发电技术基本类似[15,16]，但竹材热分解产物与稻壳不同，主要是可燃性挥发物、焦油和竹炭，经过进一步热分解后，焦油最终可转变为挥发物和炭；有氧条件下可燃挥发物发生燃烧，竹炭（热值为30000～33000kJ/kg，1kg竹炭的热值相当于10～11kg标准煤）则在表面氧化炽热，发生无焰燃烧。与稻壳煤气中的煤焦油相比较[16]，竹焦油基本不会对环境造成污染，清理也更方便，其提炼物竹油还可用作药材；竹材热解后剩余的竹炭或竹灰具有较高的应用价值和经济价值，回收利用成本也相对较低。

另外，如果能做到长期用同一种竹子或同一比例的几种竹子作为发电原料，其各化学组分含量的比例大致相同，则能够保证内燃机组的稳定工况，从而保证整个发电机组的运行稳定性。竹材不但热值高、产量大，而且与其他农作物秸秆相比，可以长期储存而没有热值的损失，具备电厂燃料所要求的耐储存的特性。

2006年7月29日，《印度教徒报》报道[17]，印度科学家研究出用竹子进行发电的技术并投入了实际应用，印度将在其东北部的米拉佐姆邦建立一家用竹子发电的发电厂，拟投资2850万卢比（约合63万美元）。作为可再生的植物资源，利用竹子发电，不仅成本较低，而且有利于保护环境。

2006年，台湾工业技术研究院研究出“竹炭生物质能源发电”技术[18]，2m3木竹材炭化过程中产生的气体可产生最大5kW的电量。

目前，我国内地的生物直燃发电项目正在兴起阶段，但竹材作为一种理想的直燃发电燃料却未得到应有的重视，相关的科研及工艺设计工作有待进一步开展。

2.2.2 竹材废弃物作为工业锅炉燃料

我国在竹类资源的传统制作和工业加工过程中，竹材质量利用率[19]低于40%，有60%以上的竹材成为加工剩余物。这些余材被当做废料,或闲置堆放、或焚烧销毁，未能得到有效的工业化利用。

从竹材的元素分析来看[20]，竹材的含氮量低于0.60%，含硫量低于0.05%，灰分含量低于1%，低位热值大于14 MJ/kg(含水量小于24%时)。而目前工业锅炉燃用的洁净煤质燃料，如水煤浆,其典型的煤质指标为水分30%～35%，灰分6%，硫分0.5%，低位热值19 MJ/kg；洁净煤粉，其典型的煤质指标为硫含量0.5%，水分12%，灰分6%，低位热值24 MJ/kg，与这些洁净煤质燃料相比，竹材的硫和灰分含量仅仅为其1/5～1/3[21]。可见，竹材废料是一种非常洁净的燃料，燃烧过程基本不产生SO2，基本无灰尘排放。

在竹材的锅炉燃烧利用方面，肖刚等[22]进行了竹材流化床气化试验研究。试验表明，在400～700℃、过量空气系数0.2～0.8的试验工况范围内，竹材流化床气化产生的油碳混合物占原料热量的百分比随反应温度和过量空气系数的增加而急剧下降；气化效率随反应温度的增加呈上升趋势，而随过量空气系数的增加先提高后下降；气化气产率与过量空气系数呈线性正相关，而与反应温度关系不大；当过量空气系数达到0.6以上、反应温度达到500℃以上时，碳转化率达到85%以上。从整体上看，竹材流化床气化规律与木材相似，但竹材的气化反应活性稍高于木材。

2.2.3 制取竹炭

20世纪90年代以来，日本兴起“竹炭热”，进而波及我国，引发了各地竹炭开发大潮。竹炭不仅热值高，可作为清洁燃料使用，而且可用作除臭、调湿、洗浴、净水和电磁波屏蔽的材料，也可作为土壤改良剂[23]。

对于竹炭的制取，刘志坤[19]采用机械式均匀加热干馏釜,以控制釜内料温和不控制料温方式对竹材加工剩余物进行热解,力求获得化学成分较为单纯的竹醋液,同时获得均质粉状竹炭，试验表明: 控制温度，均匀加热干馏竹材加工剩余物可同时获得数量可观、化学成分较为单纯的竹醋液；2种方法都可同时获得约15%的粉状竹炭及大量可燃气体。

2.2.4 生物燃料技术

生物燃料是指通过生物资源生产的燃料乙醇和生物柴油[15]。生物柴油是植物油与醇类(通常是甲醇)进行酯化反应得到的，生物乙醇是从植物中获取的糖经过发酵得到的，多以淀粉类植物为原料。

研究者们正致力于将非粮食类或废弃生物质如秸秆等转化为乙醇，以帮助解决原料供应问题。以木质纤维素为原料生产生物乙醇是技术开发的焦点，而竹材则是优异的开发对象。

邵千钧等[24]研究了竹子在超临界甲醇中的热解工艺参数与技术条件，并运用气质联用仪(GC-MS)分析了生物油产物的组分与含量。结果表明，270～280℃为竹子在超临界甲醇中热解的适宜温度，其液化率达34.3%。催化剂K2CO3对竹子热解具有促进作用，在同等条件下液化率达46.3%。通过GC-MS分析，热解产物中主要含C10以下的醇类、酯类、酮类和醚类，适合作为点燃式内燃机的燃料。

目前世界各国都在研究利用木质纤维素发酵生产乙醇的技术，但是目前还没有实现工业规模利用纤维质原料生产燃料乙醇。其主要障碍是酶解成本过高、缺乏经济可行的发酵技术。因此，需要解决技术路线的优化组合问题、降低生产成本以及综合利用乙醇废糟等问题。

3 前景展望

伴随着化石能源的逐渐消耗殆尽，对能源的需求应从不可再生的化石能源转移到可再生能源上来。而生物质能源是这其中非常重要的一个部分。将竹类作为能源植物加以利用，除了其生物量高、生长迅速等客观优势以外，还能减少森林砍伐、不占用耕地、增加碳汇，起到良好的生态和社会效益。

竹类的能源利用，目前还处于在实验室研究阶段，且研究方向主要是竹材纤维的裂解及产物的利用。如果竹材纤维裂解制取乙醇、脂类等有机物质的工艺能够最终实现低成本产业化发展，其对人类社会的能源乃至食物来源的贡献不可估量。

另外，工艺相对简单的竹材直燃发电技术及工业锅炉燃烧技术在我国并没有得到应有的重视。无论从经济效益还是从生态效益上来看，将竹材及其材质废料进行直燃利用，其效果都远好于各种农作物秸秆。因此，竹材的直燃利用技术有待于大力的提倡和发展。

总体而言，竹类植物的生物质能源利用将是一项非常有潜力的新能源技术，有着广阔的发展前景。

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Research Progress of the Utilization of Bamboo Biomass Energy

Cheng Liang
(Bamboo Research Institute, Nanjing Forestry University Nanjing 210037, Jiangsu)

This paper discussed the feasibility of using bamboo as a biomass energy plant, made an overview of the status of the bamboo-based energy utilization and research, and fi nally prospected the future development of energy bamboo.

biomass energy, bamboo, fuel, cracking

成亮 (1985-)，男，南京林业大学竹类研究所，硕士在读。研究方向为竹类系统发育和竹类能源利用。