什么叫“生物能”？

【專家解說(shuō)】：　　以生物質(zhì)為載體的能量.生物界一切有生命的可以生長(zhǎng)的有機(jī)物質(zhì),包括動(dòng)植物和微生物.所有生物質(zhì)都有一定的能量,而作為能源利用的主要是農(nóng)林業(yè)的副產(chǎn)品及其加工殘余物,也包括人畜分糞便和有機(jī)廢棄物.生物質(zhì)能為人類提供了基本燃料。 生物能具備下列優(yōu)點(diǎn): (1)提供低硫燃料， (2)提供廉價(jià)能源(於某些條件下)， (3)將有機(jī)物轉(zhuǎn)化成燃料可減少環(huán)境公害(例如，垃圾燃料)， (4)與其他非傳統(tǒng)性能源相比較，技術(shù)上的難題較少。 至於其缺點(diǎn)有: (1)植物僅能將極少量的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成有機(jī)物， (2)單位土地面的有機(jī)物能量偏低， (3)缺乏適合栽種植物的土地， (4)有機(jī)物的水分偏多(50%～95%) 　　生物能是太陽(yáng)能以化學(xué)能形式貯存在生物中的一種能量形式。它直接或間接地來(lái)源于植物的光合作用，其蘊(yùn)藏量極大，僅地球上的植物，每年生產(chǎn)量就像當(dāng)于目前人類消耗礦物能的20倍，或相當(dāng)于世界現(xiàn)有人口食物能量的160倍。 　　生物能的開(kāi)發(fā)和利用具有巨大的潛力。目前主要從三個(gè)方面研究開(kāi)發(fā)： 　　一是建立以沼氣為中心的農(nóng)村新的能量，物質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)，使秸桿中的生物能以沼氣的形式緩慢地釋放出來(lái)，解決燃料問(wèn)題； 　　二是建立“能量林場(chǎng)”，“能量農(nóng)場(chǎng)”，“海洋能量農(nóng)場(chǎng)”。建立以植物為能源的發(fā)電廠。變“能源植物”為“能源作物”，如“石油樹(shù)”，綠玉樹(shù)，續(xù)隨子； 　　三是種植柑蔗，木薯，海草，玉米，甜菜，甜高粱等，既有利于食品工業(yè)的發(fā)展，植物殘?jiān)挚梢灾圃炀凭源媸汀? 　　生 物 能 資 源 　　有機(jī)物的來(lái)源 　　牲畜糞便:牲畜的糞便，經(jīng)干燥可直接燃燒供應(yīng)熱能。若將糞便經(jīng)過(guò)厭氧處理(anaerobic treatment)，會(huì)產(chǎn)生甲烷和可供肥料使用之淤渣(slurry)。若用小型厭氧消化糟(anaerobic digestor)，僅需三至四頭牲畜之的糞便即能滿足發(fā)展中國(guó)家中小家庭每天能量的需要。 　　農(nóng)作物殘?jiān)?農(nóng)作物殘?jiān)z留於耕地上也有水土保持與土壤肥力固化的功能，因此，農(nóng)作物殘?jiān)豢珊翢o(wú)限制地供作能源轉(zhuǎn)換。 　　柴薪:至今仍為許多發(fā)展中國(guó)家的重要能源，仍需依賴柴薪來(lái)滿足大部分能量需求。不過(guò)由于日益增加薪柴的需求，將導(dǎo)致林地日減，需適當(dāng)規(guī)劃與植林方可解決這一問(wèn)題。 　　制糖作物:對(duì)具有廣大未利用土地的國(guó)家而言，如將制糖作物轉(zhuǎn)化成乙醇將可成為一種極富潛力的生物能。制糖作物最大的優(yōu)點(diǎn)，在於可直接發(fā)酵(fermentation)變成乙醇。 　　城市垃圾:一般城市垃圾主要成分紙屑（占40％）、紡織費(fèi)料（占20%）和廢棄食物（占20%）。將城市垃圾直接燃燒可產(chǎn)生熱能,或是經(jīng)過(guò)熱解體(Pyrolysis)處理而制成燃料使用。 　　城市污水:一般城市污水約含有0.02～0.03%固體與99%以上的水分。下水道污泥(sewage sludge)有望成為厭氧消化槽的主要原料。 　　水生植物:利用水生植物化成燃料也為增加能源供應(yīng)方法之一。 　　種植能源作物增加生物能:目前具有發(fā)展?jié)摿Φ哪茉醋魑铮ǎ?快速成長(zhǎng)作物樹(shù)木糖與淀粉作物（供制造乙醇）含有碳氧化的合作物草本作物水生植物農(nóng)林廢料供應(yīng)的能量是十分可觀的。據(jù)Putnam氏的看法，將近全世界總消費(fèi)量的20%，或約為木材貢獻(xiàn)的四倍。在美國(guó)這些費(fèi)料的熱含量約為木材消費(fèi)量的3.5 倍。但此等費(fèi)料的收集、運(yùn)輸、及轉(zhuǎn)變?yōu)榭勺魃唐返娜剂弦痊F(xiàn)在石油產(chǎn)品的價(jià)格要高幾倍呢。 　　能 量 轉(zhuǎn) 化 過(guò) 程 　　一、生化轉(zhuǎn)化過(guò)程 ： 　　1.厭氧消化 　　厭氧消化為一生化轉(zhuǎn)化過(guò)程，依靠不需氧微生物將固體有機(jī)物轉(zhuǎn)化成甲烷、二氧化碳、氫及其他產(chǎn)物，整個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程可分成三個(gè)步驟。 首先將不可溶復(fù)合有機(jī)物轉(zhuǎn)化成可溶化合物； 　　然后可溶化合物再轉(zhuǎn)化成短鏈（Short chain）酸與乙醇； 　　最后,二步驟的產(chǎn)物再經(jīng)各種厭氧菌（不需氧生物）轉(zhuǎn)化成氣體，一般最后的產(chǎn)物含有50～80%的甲烷，最典型產(chǎn)物為含65%的甲烷與35%的二氧化碳。 　　其主要優(yōu)點(diǎn)為可利用水分含量達(dá)90%的有機(jī)物，可小規(guī)模利用，淤渣能充當(dāng)農(nóng)作物的肥料。至于主要缺點(diǎn)為大量廢水需適當(dāng)處理，氣體產(chǎn)品儲(chǔ)藏費(fèi)用高。 　　2.乙醇發(fā)酵 　　糖類作物發(fā)酵可制成乙醇。一般所謂的乙醇整批制程（batch　process），先將發(fā)酵物（糖類作物）稀釋至糖分約為20%（重量），且酸化至Ph4～5，再加入酵母菌（約５％，），再將液體施以分留和精煉。一般2.5加倫糖或5.85 公斤糖（約　2184Kcal）可制造１加倫的乙醇（3.79升，21257Kcal），因此在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中幾無(wú)能量損失。 　　若使用淀粉作物（例如，玉米、大麥）做發(fā)酵物，必須先將淀粉轉(zhuǎn)化成可發(fā)酵糖分，然后再進(jìn)行發(fā)酵。可供發(fā)酵制造乙醇的作物，包括甘蔗、番薯,甜菜等。 　　由作物發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的費(fèi)用約為每公升0.34美元，其高生產(chǎn)成本是由于制程為整批式而非連續(xù)的，最終產(chǎn)物（乙醇）含有酵母需再精煉處理。這種產(chǎn)量不足以克服高度工業(yè)化的需求。現(xiàn)在美國(guó)的消費(fèi)量將近30億桶，以能含量計(jì)約為四十億桶的酒精（酒精的熱能約為汽油的70%）。在美國(guó)木材地區(qū)此等數(shù)字作比較，總計(jì)約為70萬(wàn)平方里（＝1.8百萬(wàn)平方公里），其三分之一即約16億畝是有的賣的，且實(shí)際可用的約為35億畝，我們認(rèn)為，像美國(guó)這樣的國(guó)家的燃料需求還不能由發(fā)酵酒精來(lái)克服。 　　二、熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程 　　1.熱解： 　　熱解也稱為干餾（destructive distillation），指在缺氧條件下的加熱作用。將有機(jī)物熱解會(huì)產(chǎn)生氣體、液體與固產(chǎn)物，大多數(shù)熱解氣體（pyrogas）的主要成分為H2、CO2、CO、CH4與少量碳?xì)浠衔铮ɡ?，乙烷）；熱解液體一般含有乙醇、醋酸、水或焦油（tars）等；至于熱解固體殘余物含有炭（例如，木炭）于灰分等。 　　熱解過(guò)程包括下列處理程序:原料粗碎，烘干粗碎原料，去除雜質(zhì)，原料細(xì)碎，熱解，冷產(chǎn)物，儲(chǔ)存與分配產(chǎn)物。熱解加熱過(guò)程中，固態(tài)有機(jī)物一般于300℃以上開(kāi)始進(jìn)行熱解，某些催化劑（例如，氯化鋅）可降低熱解反應(yīng)的起始溫度。此類熱解反應(yīng)非常復(fù)雜并且產(chǎn)物成分常隨熱解原料與反應(yīng)狀態(tài)有很大變化，通常低溫與緩慢加熱可產(chǎn)生大量固體產(chǎn)物，而快速加熱與高溫將產(chǎn)生較多氣體產(chǎn)物，操作溫度也會(huì)影響氣體產(chǎn)物的品質(zhì)。假若引入空氣以維持燃燒，氣體產(chǎn)物物含有大量的氮，此氮成分將會(huì)形成氧化物，因而降低氣體燃料的熱含量。 　　薪材熱解作用一般指在大氣壓和200℃～600℃溫度之間進(jìn)行，在此狀況下典型的產(chǎn)物包括：木炭30～35% 有機(jī)液體18～20% 氣體20% （產(chǎn)品重量相對(duì)與干燥源料的重量） 如果將薪材加熱至1100℃ ，熱解作用依然存在。在此狀況下，大部分液體與固體分餾物將進(jìn)一步分解，故有較多氣體產(chǎn)物產(chǎn)生. 　　氣化： 有機(jī)物的氣化是熱化學(xué)反應(yīng)將固體燃料轉(zhuǎn)化成可燃?xì)怏w。完全燃燒必須發(fā)生在有充分氧氣的狀況下，而有機(jī)物氧化作用則必須在氧氣不足的狀況下進(jìn)行。 氧化過(guò)程的主要反應(yīng)為： 　　C+ 02 CO　放熱　　　　　　 　　C+H2O CO+H2　　吸熱 　 　　CO+ H2OCO2+H2　放熱 　　C+2 H2 CH4　　　放熱 　　最簡(jiǎn)單的氧化作用方式為空氣氧化（air gasification），有機(jī)物在有限量空氣之下進(jìn)行不完全燃燒反應(yīng)。空氣氧化爐構(gòu)造簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜並且可靠性高，主要缺點(diǎn)在於所產(chǎn)生氣體被空氣中氮?dú)馑♂?，因此氣體產(chǎn)物的熱值低，經(jīng)濟(jì)效益不高。 　　2.液體燃料制造 　　直接液化 　　使用CO或H2作為還原劑，於高溫高壓下將有機(jī)物直接氧化，且均產(chǎn)生油狀液體產(chǎn)物，其可再分餾而充當(dāng)燃料使用。 　　間接液化 　　將有機(jī)物間接液化的主要方法，采用合成氣體制成原料。而最先發(fā)展的間接液化法是處理煤氣液化。 　　A.合成氣體制成乙醇: 　　此過(guò)程在石化工業(yè)上應(yīng)用極廣，多用作乙醇制造。目前可行方法很多，其中最易的方法是將H2與CO在高溫（約300℃）與高壓（約　100Atm）下結(jié)合，並使用催化劑。反應(yīng)方程式為：催化劑　CO+2 H2 ──CH3OH （合成氣體）?。ㄒ掖迹〈朔ㄗ孕讲奶釤捯掖?，產(chǎn)率約為360公斤／噸薪材，能量轉(zhuǎn)換效率約在30～40%之間。顯然乙醇熱含量（ 19.8GJ／噸）低于石油燃料（43.7GL／噸汽油），但其仍可用于發(fā)動(dòng)汽、柴油機(jī)。 　　B.Mobil法: 　　若利用Mobil法可將乙醇轉(zhuǎn)化成高辛烷值汽油，因此可免修改引擎。此方法在試驗(yàn)室內(nèi)己獲證實(shí)，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)90% 。紐西蘭目前正籌建一座日產(chǎn)量12500噸合成石油工廠，可將天然氣轉(zhuǎn)化為乙醇。 　　C Fisher-Tropseh法: 　　Fisher-Tropsch法利用催化劑將合成氣體制成碳?xì)淙剂稀４朔òl(fā)明于1920年，而二次大戰(zhàn)時(shí)盛行于德國(guó)，以制造合成燃料，今日南非利用此法以轉(zhuǎn)換煤碳，但產(chǎn)物復(fù)雜,目前正研究尋求適當(dāng)催化劑以使產(chǎn)物化單純化。此法若改采用有機(jī)物做原料，則產(chǎn)物的硫含量較低。 目前研究中之另一有機(jī)物間接液化法，是將熱解氣體制成合成石油，其未來(lái)發(fā)展?jié)摿Ρ豢春?。此技術(shù)稱為「China lake process」，其采用先進(jìn)的「快速熱解」步驟，它比標(biāo)準(zhǔn)熱解法可產(chǎn)制含較多幣屬烴（olefins）的氣體產(chǎn)品。此氣體產(chǎn)品再經(jīng)壓力聚合成高分子量碳?xì)浠衔?，?jīng)精煉后即可成為有用燃料。據(jù)估計(jì)總轉(zhuǎn)換率有22%。 　　沼 氣 利 用 　　沼氣:有機(jī)物在厭氧條件下被微生物分解發(fā)酵生成的一種可燃性氣體.有成生物氣其主要可染成分時(shí)甲烷,含量占60%左右,此外,二氧化碳占40%左右,以及其他微量成分.沼氣在農(nóng)村有廣泛的應(yīng)用,探索出多種沼氣利用技術(shù),下面是幾個(gè)應(yīng)用例子: 　　一、豬場(chǎng)糞便沼氣發(fā)酵處理技術(shù)背景與意義 　　隨著人們物質(zhì)生活的日益改善和外向型農(nóng)牧業(yè)的發(fā)展，我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)集約化生產(chǎn)近十年來(lái)發(fā)展迅速，每個(gè)大中型畜禽場(chǎng)日排放糞水上百噸，嚴(yán)重危害城郊環(huán)境衛(wèi)生，同時(shí)成為阻礙養(yǎng)殖業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的重要因素。豬糞水是一優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥源，早先融合于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，進(jìn)入良性生態(tài)循環(huán)，它又是一種良好的生物質(zhì)能資源，通過(guò)沼氣池發(fā)酵回收生物質(zhì)能沼氣，已為人們熟識(shí)，而且回收沼氣的過(guò)程不僅能夠保持糞水的肥料成份，還可以增進(jìn)肥質(zhì)的速效化和腐殖化。農(nóng)業(yè)的集約化生產(chǎn)在顯著提高效率和效益的同時(shí)，不幸伴隨著大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)良性生態(tài)循環(huán)體系的肢解。集約化畜禽業(yè)生產(chǎn)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)脫離，大量的糞水資源未經(jīng)妥善處理而任意排放，而成為社會(huì)注目的公害，因此對(duì)集約化豬場(chǎng)糞便污水進(jìn)行處理意義重大。 　　 　　技術(shù)原理：通過(guò)對(duì)集約化豬場(chǎng)糞水進(jìn)行包括固液分離段、制肥段、厭氧兩步消化段和好氧處理段在內(nèi)的處理過(guò)程，實(shí)現(xiàn)豬糞水的綜合處理，充分回收資源。 　　技術(shù)關(guān)鍵：固液分離技術(shù)，厭氧消化過(guò)程，好氧物化處理。 　　優(yōu)缺點(diǎn)評(píng)價(jià)：(l)從資源回收、綜合利用和產(chǎn)品水水質(zhì)商品化出發(fā)，優(yōu)化組合相關(guān)的科學(xué)技術(shù)，不僅能獲得較高的能源、生態(tài)和環(huán)境效益，而且可獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。(2)因各工藝段的銜接點(diǎn)均設(shè)有緩沖環(huán)節(jié)，運(yùn)行中能夠充分承受豬場(chǎng)糞、水量和 pH等的沖擊，確保系統(tǒng)高產(chǎn)能運(yùn)作和獲取穩(wěn)定的優(yōu)異效果。 　　技術(shù)指標(biāo)及要求條件：日處理存欄6500—7000頭的豬場(chǎng)全部糞水100—200噸舊，日產(chǎn)沼氣約300立方米和商品化有機(jī)復(fù)合肥約1．5噸。主要設(shè)備：產(chǎn)酸池、調(diào)節(jié)池、物化濾池、接觸氧化池、腐化塔、曬道、干燥房。養(yǎng)豬、產(chǎn)氣、積肥多功能戶用沼氣池建設(shè)技術(shù)背景與意義。 　　二、戶用沼氣池技術(shù)背景與意義。 　　我國(guó)目前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式主要以戶為單位，大多數(shù)農(nóng)戶既經(jīng)營(yíng)種植業(yè)也經(jīng)營(yíng)養(yǎng)殖業(yè)，而戶用沼氣池以農(nóng)戶生產(chǎn)和生活中的廢棄物作為發(fā)酵原料，制取沼氣及多種厭氧消化產(chǎn)物，從而解決了農(nóng)戶生活用能，并滿足生產(chǎn)中的某些需求，所以建設(shè)戶用沼氣池在我國(guó)具有良好的發(fā)展前景。本項(xiàng)技術(shù)旨在設(shè)計(jì)一種實(shí)用性強(qiáng)、便于管理的飼、氣、肥多功能沼氣及相應(yīng)配套工藝。技術(shù)描述　 技術(shù)原理：針對(duì)水壓式沼氣池進(jìn)出料難，冬季產(chǎn)氣率低和農(nóng)村能源、飼料、肥料缺乏等問(wèn)題并結(jié)合庭院經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和衛(wèi)生狀況設(shè)計(jì)，冬季利用塑膜溫室為沼氣池和豬舍增溫保溫，使沼氣池正常運(yùn)轉(zhuǎn)，豬安全越冬。夏季利用棚架種植瓜豆、葡萄，為豬舍遮蔭，使豬舍冬暖夏涼。 技術(shù)關(guān)鍵：池型結(jié)構(gòu)，塑膜溫室的建造，秸稈酸化和粗飼料預(yù)處理。 　　優(yōu)缺點(diǎn)評(píng)價(jià)：(1)投資少、見(jiàn)效快、實(shí)用性強(qiáng)，便于施工管理，綜合效益好；(2)秸稈不直接人池，解決了沼氣進(jìn)出料難的問(wèn)題；(3)除貯糞池外，其它設(shè)備均設(shè)在豬圈內(nèi)，豬舍冬暖夏涼，實(shí)現(xiàn)了能源、飼料、肥料種植、養(yǎng)殖、環(huán)保多位一體的良性循環(huán)。 　　技術(shù)指標(biāo)及要求條件： 　　(l)產(chǎn)氣率： 0.3—O.5立方米／立方米·天； 　　(2)用氣時(shí)間：10-12個(gè)月； 　　(3)酸化池容積 1立方米，粗飼料預(yù)處理池容積0.2立方米； 　　(4)貯氣罩容積：接日產(chǎn)氣量的50％設(shè)計(jì)，其它參數(shù)接國(guó)標(biāo)池要求設(shè)計(jì)。每間豬舍長(zhǎng)4米，寬3米，四面墻體中空8—10厘米，填充保溫材料(珍珠巖粉或蛭石)，前墻高90—100厘米，下留出水孔，后墻高180—190厘米，上部留一小窗，下留通風(fēng)孔，中校高230厘米。圈后設(shè)走廊，寬70厘米，前墻拱架用竹木搭成，采光材料用普通白塑膜，夜間用草簾保溫。豬舍地面南高北低，斜度5’，水泥混凝士澆注，厚3厘米。l1月底或12月初扣棚，4月初拆棚。夏秋為自然溫度發(fā)酵，冬季在豬圈上建溫室為沼氣池增溫保溫。啟動(dòng)原料為牛馬糞，啟動(dòng)后以豬糞為補(bǔ)料，配以人糞尿、秸稈酸化水、粗飼料浸泡酸液等，3—5年大換料一次。資金條件：全套設(shè)備一次投資1300元。主要設(shè)備：主池、秸稈酸化池、粗飼料預(yù)處理池、溢流管、進(jìn)料口、貯氣罩、廁所。 　　使用沼氣應(yīng)注意哪能些安全問(wèn)題： 　　1.沼氣是廣大農(nóng)村目前正大力推廣使用折一種新能源，但由于沼氣池是密封的，空氣不流通，缺氧氣，所以應(yīng)嚴(yán)禁輕易入池，以防止中毒窒息。 進(jìn)料時(shí)，只能從進(jìn)料口和活動(dòng)蓋口進(jìn)料。確需下池?fù)Q料、出料或維修沼氣池時(shí)，須打開(kāi)進(jìn)出料口和活動(dòng)蓋，三天后方可下池。 　　下池前，為防萬(wàn)一，可選取放一只雞或鴨入內(nèi)。觀察數(shù)分鐘，如發(fā)現(xiàn)池中雞鴨出現(xiàn)窒息反應(yīng)，則說(shuō)明池內(nèi)沼氣多氧氣少，千萬(wàn)不能入池。 下池時(shí)，池上要有專人看護(hù)，下池的人可腰系繩子，如發(fā)生中毒窒息征兆，可及時(shí)拉出池外。另外，應(yīng)特別注意不要放含磷高的原料（如菜籽餅、棉餅、磷肥等）入池，因這些原料在池內(nèi)易產(chǎn)生劇毒氣體，會(huì)導(dǎo)致人中毒死亡。 2.防止池體爆炸。 　　沼氣如在沼氣池內(nèi)遇火燃燒，極易引起池體爆炸，因此，嚴(yán)禁在活動(dòng)蓋口和導(dǎo)氣管口點(diǎn)火，否則易將火引入池內(nèi)，使池內(nèi)氣體燃燒，引起爆炸。新建的沼氣要在水泥達(dá)到強(qiáng)度以后才能進(jìn)水試驗(yàn)。進(jìn)水速度要慢，特別當(dāng)水已封門(mén)時(shí)，不能用抽水機(jī)進(jìn)水，以免進(jìn)水速度過(guò)快，池內(nèi)壓力急速上升而脹破池體。另外，還應(yīng)定期檢查并排除輸氣管內(nèi)的積水，否則積水過(guò)多，會(huì)使池內(nèi)氣壓被積水阻隔，不能正常反應(yīng)在壓力表上，就有脹破池身的危險(xiǎn)。 　　3.防止火災(zāi)燒傷。 　　在用沼氣煮飯炒菜時(shí)，要先擦燃火柴，再扭開(kāi)沼氣開(kāi)關(guān)。如先扭開(kāi)關(guān)后點(diǎn)火，沼氣充滿灶內(nèi)，遇火易燒焦頭發(fā)、眉毛，燒傷皮膚。在出料或維修沼氣池時(shí)，千萬(wàn)不能點(diǎn)蠟燭、油燈等明火進(jìn)池，只能用手電，池內(nèi)切忌吸煙。在沼氣池、導(dǎo)氣管、輸氣管周圍嚴(yán)禁燒火，特別不能讓小孩在進(jìn)出料間附近玩火，以免發(fā)生火災(zāi)。當(dāng)聞到室內(nèi)有臭雞蛋味時(shí)，說(shuō)明有沼氣泄漏，應(yīng)立即打開(kāi)門(mén)窗，讓室內(nèi)空氣流通。此時(shí)，絕不能在室內(nèi)點(diǎn)火，要盡快關(guān)掉總開(kāi)關(guān)，找到漏氣設(shè)備的管理，如輸氣管因鼠咬或老化破裂，要及時(shí)進(jìn)行更換。