生物質(zhì)能源如何實(shí)現(xiàn)高值化利用？

　　提到再生能源，人們總會(huì)先想到太陽(yáng)能、風(fēng)能，但有這么一種物質(zhì)，它隨處可見(jiàn)被隨意丟棄，但只要加以利用，就會(huì)變廢為寶。如今，我國(guó)大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，生物質(zhì)的利用迎來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇。生物質(zhì)能源低碳環(huán)保，可從根基上改變目前能源使用的現(xiàn)狀，創(chuàng)造出巨大的財(cái)富。

　　一、生物質(zhì)資源總量估算

　　生物質(zhì)資源主要分為5大類，見(jiàn)表1。

表1、我國(guó)生物質(zhì)資源總量估算

　　第一類是農(nóng)作物秸稈（玉米秸、稻草、麥稈、高粱秸、豆桿、棉花桿、谷殼等），這類生物質(zhì)資源雖然較多（7-9億t），但還考慮到農(nóng)作物秸稈在回田、飼料以及作為工業(yè)原料等方面的應(yīng)用，余下可用于生物質(zhì)能和生物基化學(xué)品的有3.1億t，折合1.5億噸標(biāo)煤。

　　第二類是林業(yè)廢棄物，約占4000萬(wàn)t/a；

　　第三類畜禽糞便，這類生物質(zhì)資源豐富，達(dá)到干中5億t，可產(chǎn)沼氣2200億m3；

　　第四類是生活污水和工業(yè)有機(jī)廢水，其中含固體廢渣2500萬(wàn)t；

　　第五類是城市固體廢物，可利用的量約為1億t。

　　這五類合起來(lái)，構(gòu)成了中國(guó)目前主要生物質(zhì)資源的分布，總量達(dá)到了8-10億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。

　　生物質(zhì)的重要成分是碳水化合物，其中含氧量過(guò)高是生物質(zhì)的最大特點(diǎn)之一（表2）。

表2、BiomassCompositions（干基）

　　從表2中看出，光合作用的產(chǎn)物——碳水化合物中氧占的比重高達(dá)40%，因此天然狀態(tài)下的碳水化合物的能量密度很低，凈熱效率（LHV）只有16%左右。為此，在設(shè)計(jì)高效利用生物質(zhì)資源時(shí)，必須要優(yōu)先考慮以下2個(gè)問(wèn)題：

　　1、生物質(zhì)資源要轉(zhuǎn)化為能量密度更高（叫做碳?xì)涓患蛎撗踹^(guò)程）、方便攜帶和運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)形式；

　　2、在生物質(zhì)從天然狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰棵芏容^高的物質(zhì)形式中時(shí)，盡量減少轉(zhuǎn)化步驟、減少損失。

　　二、生物質(zhì)能源高值化利用的可行途徑

　　當(dāng)前，人類開(kāi)發(fā)利用生物質(zhì)資源的技術(shù)有6大類，它們分別是：直接燃燒、厭氧消化（沼氣）、糖發(fā)酵（產(chǎn)生物乙醇）、油料提取及生物柴油、熱解（產(chǎn)生物油）、氣化（產(chǎn)合成氣）。目前來(lái)說(shuō)，比較可行的生物質(zhì)能源高值化開(kāi)發(fā)利用的途徑有三個(gè)。

　　1、生物甲烷的生產(chǎn)生物甲烷（沼氣）的生產(chǎn)是通過(guò)沼氣發(fā)酵過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)，這個(gè)實(shí)質(zhì)上是微生物的物質(zhì)代謝和能量轉(zhuǎn)換過(guò)程。在分解代謝過(guò)程中沼氣微生物獲得能量和物質(zhì)，以滿足自身生長(zhǎng)繁殖，同時(shí)大部分物質(zhì)轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳。

　　科學(xué)測(cè)定分析表明：有機(jī)物約有90%被轉(zhuǎn)化為沼氣。10%被沼氣微生物用于自身的消耗。發(fā)酵原料生成沼氣實(shí)際上是通過(guò)一系列復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

　　從能源產(chǎn)生的角度來(lái)理解，可以這樣認(rèn)為：沼氣發(fā)酵過(guò)程的本質(zhì)，是利用微生物群落的代謝功能，通過(guò)分子和原子的重排，將含氧量高達(dá)40%左右的生物質(zhì)（通過(guò)分子式為：CH1.4O0.6）去氧，實(shí)現(xiàn)碳、氫兩元素的富集化的過(guò)程，產(chǎn)物是能量密度比出發(fā)原料（生物質(zhì)）高得多的碳?xì)浠衔?mdash;—甲烷。

　　由于有機(jī)物有近90%可以轉(zhuǎn)化為沼氣，因此這是少有的很高效的轉(zhuǎn)化過(guò)程。沼氣發(fā)酵的能量轉(zhuǎn)換效率其理論值可達(dá)65%以上。這也是為什么最近國(guó)際上極力推崇此技術(shù)的重要原因之一。

　　2、生物質(zhì)發(fā)電

　　生物質(zhì)發(fā)電是指利用生物質(zhì)原料來(lái)代替煤碳，燃燒后推動(dòng)火電廠的汽輪機(jī)組進(jìn)行發(fā)電。生物質(zhì)發(fā)電之所以較為可行，主要是它能夠利用現(xiàn)有火電廠的基礎(chǔ)設(shè)施，使總投資大幅度降低。生物質(zhì)發(fā)電在我國(guó)主要是指生物質(zhì)（例如秸稈、林廢資源）直接燃燒發(fā)電。在國(guó)外，生物質(zhì)發(fā)電的原料來(lái)源分為三塊：

　　1）生物質(zhì)像燒柴火一樣直接燃燒；

　　2）生物質(zhì)“熱解”所得的生物油，可以運(yùn)輸?shù)絼e處，也可以就地燃燒推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電；

　　3）生物質(zhì)“氣化”所得的合成氣（氫氣和一氧化碳），可以燃燒推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。

　　3、纖維素乙醇的低成本生產(chǎn)

　　今后幾十年在找到高效的替代化學(xué)品之前，乙醇依然是生物液體燃料的首選之一，任何想在當(dāng)前的形勢(shì)下拋棄乙醇作為液體燃料的想法都是幼稚的，或者至少是不現(xiàn)實(shí)的。燃料乙醇分為第一代和第二代。

　　第一代主要以淀粉質(zhì)（谷物、薯類等人類糧食）為原料。由于糧食安全原因，各國(guó)現(xiàn)在都轉(zhuǎn)到第二代燃料乙醇，即以纖維素為原料的燃料乙醇。纖維素乙醇當(dāng)前最大問(wèn)題是成本過(guò)高，國(guó)內(nèi)每t成本在9000-12000元之間。造成成本過(guò)高的原因有三個(gè)（除去原料的價(jià)格波動(dòng)、原料運(yùn)輸成本）：

　　1）纖維素原料的前處理成本高；

　　2）纖維素酶的成本高，可達(dá)2000-3500元；

　　3）纖維素水解液的糖度低，發(fā)酵醪液的酒度低，導(dǎo)致蒸餾成本增加。

　　三、生物質(zhì)能源高值化利用要解決的問(wèn)題

　　1、能源轉(zhuǎn)化效率的控制

　　任何能源的形式和使用均需要從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，而部分能量恰恰就損失于各個(gè)轉(zhuǎn)化步驟中。生物質(zhì)能源更是如此。生物質(zhì)能源的根本來(lái)源是生物體對(duì)光能的捕獲。因此，生物質(zhì)能源的基本問(wèn)題之一就是轉(zhuǎn)化效率。

　　生物質(zhì)可以轉(zhuǎn)化能源，也可以轉(zhuǎn)化為化學(xué)品。而轉(zhuǎn)化的基本方法無(wú)非就是兩種：化學(xué)法和生物法。不管是化學(xué)法還是生物法，核心都在于催化劑。催化劑是節(jié)能降耗、提高效率的關(guān)鍵。

　　例如在生物甲烷的生產(chǎn)中，甲烷細(xì)菌群眾有關(guān)酶的活力越高，所用的酶量就越少。在纖維素乙醇的生產(chǎn)中，纖維素氣化過(guò)程產(chǎn)生合成氣（即氫氣和一氧化碳的混合物）欲轉(zhuǎn)化為液體燃料，也必須依賴高效專一的催化劑。

　　2、植物木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)與組分組成的改造

　　改造植物的木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)與組分組成的核心問(wèn)題是如何提高纖維素含量，同時(shí)減少木質(zhì)素含量。這樣對(duì)纖維素乙醇的生產(chǎn)極為有利。相對(duì)含量改變之后，不管是對(duì)前處理還是酒精產(chǎn)率都會(huì)產(chǎn)生正面影響。

　　結(jié)語(yǔ)

　　生物質(zhì)能源的開(kāi)發(fā)利用是個(gè)多學(xué)科交叉、融合的新興研究領(lǐng)域。生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)作為我國(guó)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，受到國(guó)家的大力推行，有技術(shù)密集、資本密集、勞動(dòng)密集、產(chǎn)業(yè)鏈條廠、帶動(dòng)力度強(qiáng)的特點(diǎn)。