生物质能利用简述

(四川大学 四川 成都 610065)

生物质能是指以自然界的生物质为载体，直接或间接利用植物的光合作用将太阳能以化学能的形式储存在生物质中的一种持续可再生能源[1]。生物质能可通过燃烧法、物理化学法、生化法和热化学法等技术，将其转化为二次能源，分别为热量或电力、固体燃料(如木炭)、液体燃料(如生物柴油和乙醇)和气体燃料(如沼气)。目前人们已将目光投向了持续可再生的生物质能，以缓解国内外石油价格的上涨和自然界化石燃料的逐渐枯竭的状况。

一、生物质能的研究历史

生物质能有传统与现代之分，传统的生物质能具有极其悠久的历史和广泛的利用，但其种类和利用的形式相对简单，主要包括薪柴、草本植物、木炭、动物粪便、生物质油脂等，可通过炉灶进行直接燃烧。传统生物质能具有燃烧工艺简单的优点，但其热值及利用效率较低，且体积大，不宜大量储藏和远距离运输。

真正的新能源则是指在现代新技术的基础上开发利用的非传统生物质能，即现代生物质能。这也是本文论述的对象。自20世纪70年代以来，世界各国政府开始高度关注生物质能的研发和利用，以应对日益突显的能源危机和气候变化问题，并提出了明确的发展目标和制定了相关的法律法规和产业政策。目前我国的生物质能的利用技术水平在不断地提高，相关产业的规模也在逐渐扩大。生物质能的利用可以促进我国的能源结构多元化发展和实现可持续发展。中国能源储备量较少、产量较低，而需求却在逐渐增大，导致供需矛盾不断突显。开发利用生物质能不仅能缓解能源供求紧张的形势，同时也能拓展农民就业和促进农民增收。

二、生物质能的现状

(一)中国生物质能资源种类

中国生物质能资源种类繁多、数量可观、分布广阔，其中适合于能源利用的主要有五大类。第一类是农业生物质能，主要包括农作残留物之一的秸秆如玉米秸、麦秸等，以及农副产品加工过程中产生的废弃物诸如麦壳、稻壳等。这些在过去基本被抛弃或极少被利用的农业生物质能在现代生物技术的作用下将成为可利用的能源资源；第二类是畜禽粪便，因为畜禽养殖业的发展产生了大量的粪便和垫料，而这些排泄物主要是粮食、牧草和农作物秸秆的转化形式，是一种常见且丰富的生物质能；第三类是林业生物质资源，尽管现在政府已实施了封山育林的生态保护政策来保护森林植被不被过度开发，然而在森林繁育和林业生产过程中可通过收集利用无法利用的部分作为生物质能源。

据统计，每年我国农村农作物秸秆产量近7亿吨，其中仅一半得到了有效利用，剩余的均处于浪费状态；每年全国畜禽的粪便排放量可达30多亿吨，其干重就近5亿吨；林木砍伐和木材加工过程每年产生约4000万立方的剩余物[2]。综上所述，经核算上述生物质废弃物所包含的生物质能总量可以转化能源的潜力合计约为8亿～10亿吨标准煤[3]。由此可见，高效地提取、利用这些生物质体内贮藏的生物质能，对于缓解当前我国的化石能源短缺是十分有利的。

(二)我国生物质能源分布[4]

我国农业废弃物主要集中分布于我国华东、华中、东北、华北、西南、西北、华南地区的主要农区，其中华东、华中、东北、华北4个地区是作物秸秆资源分布最集中的区域，约占我国总量的70%。我国畜禽粪便资源主要集中于西南、华中和华东地区，三地区共占资源总量的约57%。四川、河南、山东、内蒙古、湖南、云南六省的畜禽粪尿数量最大，6省共占全国畜禽粪尿资源总量的40%。我国林木生物质资源主要分布在我国华东、华南、西南3地区，三者所占林业剩余物资源量最大，约占我国林业资源总量的65.89%。我国生活废水和生活垃圾的分布情况受影响的因素较多，具有与当代社会各地区或城市的城镇化和工业化程度、经济发展水平以及人口等因素密切相关的特点，主要集中在我国东部地区。

三、生物质能的转化技术

(一)生物质液化技术

生物质液化是将有机大分子物质通过水解、催化或热解等方法转化成低碳链的小分子化合物的过程。生物质液化的产物包括燃料乙醇、甲醇、生物油等。在一定条件下，利用生物发酵或水解技术可将生物质转化加工成乙醇，供汽车或其他工业使用；通过热解可将生物质转化加工成生物油，在一定程度上可代替石油用做燃料油，同时由于生物油中含有大量的化学品，可从生物油中提取化学产品带来一定的经济效益。

(二)制备生物柴油

生物柴油可通过酯化反应以动植物油脂、餐饮地沟油脂以及其他废油等作为原料制得。生物柴油具有环境友好，含硫量低、空气污染排放量少，可作为化工材料、易生物降解等诸多优点。生物柴油主要有物理法、化学法和生物法三种制备方法。物理法有常见的直接混合法和微乳液法；化学法主要有裂解法、酯交换法和酯化法等；生物法主要是指生物酶催化剂合成生物柴油技术[5]。

(三)发酵制沼气

沼气发酵是指农作物秸秆、人畜粪便以及工农业排放废水中所含的有机质在厌氧及其他适宜的条件下，在微生物的作用下，最终转化为以甲烷为主要成分的混合可燃气体的过程。通过合理利用沼气，其具有可替代柴火及化石燃料的功能。沼气发酵一般分三个阶段，分别是消化阶段、产酸阶段(先酸化再乙酸化)、产甲烷阶段。

(四)制备燃料乙醇

生活中常见的各种绿色植物(如玉米芯、甜菜、高粱、秸秆、稻草等及许多富含纤维素的原料)都可用作提取乙醇的原料。制取乙醇是指以上述生物质为原料通过酶催化或者化学预处理联合生物发酵的方式将生物质蕴藏的化学能转化成作为燃料用的乙醇(又叫生物质乙醇)。目前，乙醇的制备技术主要有分别以淀粉为主的多糖生物质以及木质纤维素为主要原料的制备技术，其中以木质纤维素为主要原料的技术应用更为广泛。

四、结语

生物质能源的开发跟利用具有节约资源、改善环境等正面效益，将是我国能源结构调整转型的大势所趋。我国国土辽阔，拥有丰富的生物质资源。目前在化石能源在逐渐稀缺过程中，供需矛盾不断突显，能源成本越来越高，而生物质能在依靠科学技术不断进步开发，其成本则在不断降低，可以预见，不久的将来生物质能将大有作为。