獲得生物能源的生物學原理與基礎(chǔ)

【專家解說】：1 生物質(zhì)能簡介 植物 水 + 二氧化碳 -----> 有機體 + 氧 太陽能 生物能是太陽能以化學能形式貯存在生物中的一種能量形式，一種以生物質(zhì)為載體的能量，它直接或間接地來源于植物的光合作用，在各種可再生能源中，生物質(zhì)是獨特的，它是貯存的太陽能，更是一種唯一可再生的碳源，可轉(zhuǎn)化成常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料。生物質(zhì)所含能量的多少與下列諸因素有密切的關(guān)系：品種、生長周期、繁殖與種值方法、收獲方法、抗病抗災(zāi)性能、日照的時間與強度、環(huán)境的溫度與濕度、雨量、土壤條件等，在太陽能直接轉(zhuǎn)換的各種過程中，光合作用是效率最低的，光合作用的轉(zhuǎn)化率約為0.5％-5％，據(jù)估計溫帶地區(qū)植物光合作用的轉(zhuǎn)化率按全年平均計算約為太陽全部輻射能的0.5％-2.5％，整個生物圈的平均轉(zhuǎn)化率可達3％-5％。生物質(zhì)能潛力很大，世界上約有250000種生物，在提供理想的環(huán)境與條件下，光合作用的最高效率可達8～15%，一般情況下平均效率為0.5%左右。 據(jù)估計地球上每年植物光合作用固定的碳達2x1011t，含能量達3x1021J，因此每年通過光合作用貯存在植物的枝、莖、葉中的太陽能，相當于全世界每年耗能量的10倍。生物質(zhì)遍布世界各地，其蘊藏量極大，僅地球上的植物，每年生產(chǎn)量就像當于目前人類消耗礦物能的20倍，或相當于世界現(xiàn)有人口食物能量的160倍。雖然不同國家單位面積生物質(zhì)的產(chǎn)量差異很大，但地球上每個國家都有某種形式的生物質(zhì)，生物質(zhì)能是熱能的來源，為人類提供了基本燃料。 生物能具備下列優(yōu)點: * 提供低硫燃料； * 提供廉價能源(於某些條件下)； * 將有機物轉(zhuǎn)化成燃料可減少環(huán)境公害(例如，垃圾燃料)； * 與其他非傳統(tǒng)性能源相比較，技術(shù)上的難題較少。 至於其缺點有: *小規(guī)模利用； *植物僅能將極少量的太陽能轉(zhuǎn)化成有機物； *單位土地面的有機物能量偏低； *缺乏適合栽種植物的土地； *有機物的水分偏多(50%～95%)。 生物能大致可以分為兩類——傳統(tǒng)的和現(xiàn)代的?，F(xiàn)代生物能是指那些可以大規(guī)模用于代替常規(guī)能源亦即礦物類固體、液體和氣體燃料的各種生物能。巴西、瑞典、美國的生物能計劃便是這類生物能的例子。現(xiàn)代生物質(zhì)包括：1、木質(zhì)廢棄物（工業(yè)性的）；2、甘蔗渣（工業(yè)性的）；2、城市廢物；3、生物燃料（包括沼氣和能源型作物）。傳統(tǒng)生物能主要限于發(fā)展中國家、廣義來說它包括所有小規(guī)模使用的生物能，但它們也并不總是置于市場之外。第三世界農(nóng)村燒飯用的薪柴便是其中的典型例子。傳統(tǒng)生物質(zhì)包括：1、家庭使用的薪柴和木炭；2、稻草，也包括稻殼；3、其他的植物性廢棄物；4、動物的糞便。 世界上生物質(zhì)資源數(shù)量龐大，形式繁多，其中包括薪柴，農(nóng)林作物，尤其是為了生產(chǎn)能源而種植的能源作物，農(nóng)業(yè)和林業(yè)殘剩物，食品加工和林產(chǎn)品加工的下腳料，城市固體廢棄物，生活污水和水生植物等等（中國生物質(zhì)資源主要是農(nóng)業(yè)廢棄物及農(nóng)林產(chǎn)品加工業(yè)廢棄物、薪柴、人畜糞便、城鎮(zhèn)生活垃圾等四個方面），下面舉一些例子說明： 薪柴:至今仍為許多發(fā)展中國家的重要能源，仍需依賴柴薪來滿足大部分能量需求.不過由于日益增加薪柴的需求，將導致林地日減，需適當規(guī)劃與植林方可解決這一問題。 農(nóng)作物殘渣:農(nóng)作物殘渣遺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)作物殘渣不可毫無限制地供作能源轉(zhuǎn)換。 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)過厭氧處理，會產(chǎn)生甲烷和可供肥料使用之淤渣。若用小型厭氧消化糟，僅需三至四頭牲畜之的糞便即能滿足發(fā)展中國家中小家庭每天能量的需要。 制糖作物:對具有廣大未利用土地的國家而言，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，在於可直接發(fā)酵變成乙醇。 水生植物:如一些水生藻類，主要包括海洋生的馬尾藻、巨藻、海帶等，淡水生的布袋草、浮萍、小球藻等。利用水生植物化成燃料也為增加能源供應(yīng)方法之一。 光合成微生物：如硫細菌、非硫細菌等等。 城市垃圾:將城市垃圾直接燃燒可產(chǎn)生熱能,或是經(jīng)過熱解體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。下水道污泥有望成為厭氧消化槽的主要原料。 生物質(zhì)不同的用途使生物質(zhì)有不同的價值，因此如要統(tǒng)一確定生物質(zhì)的經(jīng)濟性是十分困難，大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用生物質(zhì)會對其他市場，如食品市場和造紙市場產(chǎn)生重大影響。在評價生物質(zhì)的經(jīng)濟性時，必須考慮生產(chǎn)生物質(zhì)的成本和能源投資，所需的水和肥料以及開發(fā)利用生物質(zhì)對土地利用和人口分布形式的總體影響等。生物質(zhì)常常最適于分散應(yīng)用，如在人口密度低的地區(qū)使用。典型的生物質(zhì)能開發(fā)利用設(shè)備均比較小。生物質(zhì)是到2020年唯一能極大地影響運輸行業(yè)（不包括電車）燃料利用狀況的可再生能源，然而，若大規(guī)模開發(fā)利用生物質(zhì)資源，必須注意保護生物多樣性，保護自然風景區(qū)和環(huán)境敏感區(qū)，同時還要注意控制廢水和廢氣。 生物能的開發(fā)和利用具有巨大的潛力。下面的技術(shù)手段目前看來是最有前途： 直接燃燒生物質(zhì)來產(chǎn)生熱能、蒸汽或電能。 利用能源作物生產(chǎn)液體燃料。目前具有發(fā)展?jié)摿Φ哪茉醋魑铮ǎ嚎焖俪砷L作物樹木、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。 生產(chǎn)木炭和炭 生物質(zhì)（熱解）氣化后用于電力生產(chǎn)，如集成式生物質(zhì)氣化器和噴氣式蒸汽燃氣輪機（BIG/STIG）聯(lián)合發(fā)電裝置。 對農(nóng)業(yè)廢棄物、糞便、污水或城市固體廢物等進行厭氧消化，以生產(chǎn)沼氣和避免用錯誤的方法處置這些物質(zhì)，以免引起環(huán)境危害。 而根據(jù)生物質(zhì)能的作用和我國的現(xiàn)狀，目前重點發(fā)展的項目如下： （1）近期優(yōu)先發(fā)展項目 生物質(zhì)氣化供氣 生物質(zhì)氣化發(fā)電 大型沼氣工程 生物質(zhì)直接燃燒供熱 （2）中長期化發(fā)展項目 生物質(zhì)高度氣化發(fā)電項目（BIG/CC） 生物質(zhì)制氫等優(yōu)質(zhì)燃氣 生物質(zhì)熱解液化制油 2 生物質(zhì)能資源 一、 森林能源 森林能源是森林生長和林業(yè)生產(chǎn)過程提供的生物質(zhì)能源，主要是薪材，也包括森林工業(yè)的一些殘留物等。森林能源在我國農(nóng)村能源中占有重要地位，1980年前后全國農(nóng)村消費森林能源約1億噸標煤，占農(nóng)村能源總消費量的30％以上，而在丘陵、山區(qū)、林區(qū)，農(nóng)村生活用能的50％以上靠森林能源。 薪材來源于樹木生長過程中修剪的枝杈，木材加工的邊角余料，以及專門提供薪材的薪炭林。1979年全國合理提供薪材量8885萬噸，實際消耗量18100萬噸，薪材過樵1倍以上；1995年合理可提供森林能源14322.9萬噸，其中薪炭林可供薪材2000萬噸以上，全國農(nóng)村消耗21339萬噸，供需缺口約7000萬噸。 二、農(nóng)作物秸稈 農(nóng)作物秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的副產(chǎn)品，也是我國農(nóng)村的傳統(tǒng)燃料。秸稈資源與農(nóng)業(yè)主要是種植業(yè)生產(chǎn)關(guān)系十分密切。根據(jù)1995年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)計算，我國農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)出量為6．04億噸，其中造肥還田及其收集損失約占15％，剩余5．134億噸?？色@得的農(nóng)作物秸稈5．134億噸除了作為飼料、工業(yè)原料之外，其余大部分還可作為農(nóng)戶炊事、取暖燃料，目前全國農(nóng)村作為能源的秸稈消費量約2.862億噸，但大多處于低效利用方式即直接在柴灶上燃燒，其轉(zhuǎn)換效率僅為10％一20％左右。隨著農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展，農(nóng)民收入的增加，地區(qū)差異正在逐步擴大，農(nóng)村生活用能中商品能源的比例正以較快的速度增加。事實上，農(nóng)民收入的增加與商品能源獲得的難易程度都能成為他們轉(zhuǎn)向使用商品能源的契機與動力。在較為接近商品能源產(chǎn)區(qū)的農(nóng)村地區(qū)或富裕的農(nóng)村地區(qū)，商品能源(如煤、液化石油氣等)已成為其主要的炊事用能。以傳統(tǒng)方式利用的秸稈首先成為被替代的對象，致使被棄于地頭田間直接燃燒的秸稈量逐年增大，許多地區(qū)廢棄秸稈量已占總秸稈量的60％以上，既危害環(huán)境，又浪費資源。因此，加快秸稈的優(yōu)質(zhì)化轉(zhuǎn)換利用勢在必行。 三、 禽畜糞便 禽畜糞便也是一種重要的生物質(zhì)能源。除在牧區(qū)有少量的直接燃燒外，禽畜糞便主要是作為沼氣的發(fā)酵原料。中國主要的禽畜是雞、豬和牛，根據(jù)這些禽畜品種、體重、糞便排泄量等因素，可以估算出糞便資源量。根據(jù)計算，目前我國禽畜糞便資源總量約8.5億噸，折合7840多萬噸標煤，其中牛糞5.78億噸，4890萬噸標煤，豬糞2.59億噸，2230萬噸標煤，雞糞0.14億噸，717萬噸標煤。 在糞便資源中，大中型養(yǎng)殖場的糞便是更便于集中開發(fā)、規(guī)?；玫?。我國目前大中型牛、豬、雞場約6000多家，每天排出糞尿及沖洗污水80多萬噸，全國每年糞便污水資源量1.6億噸，折合1157.5萬噸標煤。 四、 生活垃圾 隨著城市規(guī)模的擴大和城市化進程的加速，中國城鎮(zhèn)垃圾的產(chǎn)生量和堆積量逐年增加。1991和1995年，全國工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量分別為5.88億噸和6.45億噸，同期城鎮(zhèn)生活垃圾量以每年10%左右的速度遞增。1995年中國城市總數(shù)達640座，垃圾清運量10750萬噸。 城鎮(zhèn)生活垃圾主要是由居民生活垃圾，商業(yè)、服務(wù)業(yè)垃圾和少量建筑垃圾等廢棄物所構(gòu)成的混合物，成分比較復雜，其構(gòu)成主要受居民生活水平、能源結(jié)構(gòu)、城市建設(shè)、綠化面積以及季節(jié)變化的影響。中國大城市的垃圾構(gòu)成已呈現(xiàn)向現(xiàn)代化城市過渡的趨勢，有以下特點：一是垃圾中有機物含量接近1/3甚至更高；二是食品類廢棄物是有機物的主要組成部分；三是易降解有機物含量高。目前中國城鎮(zhèn)垃圾熱值在4.18兆焦/千克（1000千卡/千克）左右。 3生物質(zhì)能發(fā)展現(xiàn)狀 一、沼氣 90年代以來，我國沼氣建設(shè)一直處于穩(wěn)步發(fā)展的態(tài)勢。到1998年底，全國戶用沼氣池發(fā)展到688萬戶，比上年增長7.8%，利用率達到91.7%。全國大中型沼氣工程累計建成748處，城市污水凈化沼氣池累計49300處。以沼氣及沼氣發(fā)酵液在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的直接利用為主的沼氣綜合利用有了長足發(fā)展，達到339萬戶，其中北方“四位一體”能源生態(tài)模式21萬戶，南方“豬沼果” 能源生態(tài)模式81萬戶。 以沼氣利用技術(shù)為核心的綜合利用技術(shù)模式由于其明顯的經(jīng)濟和社會效益而得到快速發(fā)展，這也成為中國生物質(zhì)能利用的特色，如“四位一體”模式，“能源環(huán)境工程”等。所謂“四位一體”就是一種綜合利用太陽能和生物質(zhì)能發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟的模式，其內(nèi)容是在溫室的一端建地下沼氣池，池上建豬舍、廁所。在一個系統(tǒng)內(nèi)既提供能源，又生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品?！澳茉喘h(huán)境工程”技術(shù)是在原大中型沼氣工程基礎(chǔ)上發(fā)展起來的多功能、多效益的綜合工程技術(shù)，既能有效解決規(guī)模化養(yǎng)殖場的糞便污染問題，又有良好的能源、經(jīng)濟和社會效益。其特點是糞便經(jīng)固液分離后液體部分進行厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，厭氧消化液和渣經(jīng)處理后成為商品化的肥料和飼料。 二、薪炭林 1981年我國開始有計劃的薪炭林建設(shè)，至1995年10年間，全國累計營造薪炭林494.8萬公頃，其中“六五”完成205萬公頃，“七五”186.3萬公頃，“八五”103.5萬公頃。根據(jù)這些年全國造林成效調(diào)查，薪炭林成林面積和單位面積年生物量測算，薪炭林年增加薪材量2000-2500萬噸，對緩解農(nóng)村能源短缺起到了重要作用。 三、生物質(zhì)氣化 生物質(zhì)氣化即通過化學方法將固體的生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為氣體燃料。由于氣體燃料高效、清潔、方便。因此生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究和開發(fā)得到了國內(nèi)外廣泛重視，并取得了可喜的進展。在我國，將農(nóng)林固體廢棄物轉(zhuǎn)化為可燃氣的技術(shù)也已初見成效，應(yīng)用于集中供氣、供熱、發(fā)電方面。中國林科院林產(chǎn)化學工業(yè)研究所，從八十年代開始研究開發(fā)了集中供熱、供氣的上吸式氣化爐，并且先后在黑龍江、福建得到工業(yè)化應(yīng)用，氣化爐的最大生產(chǎn)能力達6.3×106kJ／h。建成了用枝椏材削片處理，氣化制取民用煤氣，供居民使用的氣化系統(tǒng)。最近在江蘇省又研究開發(fā)以稻草、麥草為原料，應(yīng)用內(nèi)循環(huán)流化床氣化系統(tǒng)，產(chǎn)生接近中熱值的煤氣，供鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民使用的集中供氣系統(tǒng)，氣體熱值約8000kJ／Nm3,氣化熱效率達70％以上。山東省能源研究所研究開發(fā)了下吸式氣化爐,主要用于秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物的氣化,在農(nóng)村居民集中居住地區(qū)得到較好的推廣應(yīng)用，并已形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模,到1998年底，已建成秸稈氣化集中供氣站164處，供氣4572萬立方米，用戶7700戶。廣州能源所開發(fā)的以木屑和木粉為原料，應(yīng)用外循環(huán)流化床氣化技術(shù)，制取木煤氣作為干燥熱源和發(fā)電，并已完成發(fā)電能力為180KW的氣化發(fā)電系統(tǒng)。另外大連環(huán)科院、遼寧能源所、北京農(nóng)機院、浙江大學等單位也先后開展了生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究開發(fā)工作。 四、 生物質(zhì)固化及其它 具有一定粒度的生物質(zhì)原料，在一定壓力作用下(加熱或不加熱)，可以制成棒狀、粒狀、塊狀等各種成型燃料。原料經(jīng)擠壓成型后，密度可達1.1、1.4噸／立方米，能量密度與中質(zhì)煤相當，燃燒特性明顯改善，火力持久黑煙小，爐膛溫度高，而且便于運輸和貯存。 用于生物質(zhì)成型的設(shè)備主要有螺旋擠壓式、活塞沖壓式和環(huán)模滾壓式等幾種主要類型。目前，國內(nèi)生產(chǎn)的生物質(zhì)成型機一般為螺旋擠壓式，生產(chǎn)能力多在100-200千克／B寸之間，電機功率7．5一18千瓦，電加熱功率2-4千瓦，生產(chǎn)的成型燃料為棒狀，直徑50-70毫米，單位產(chǎn)品電耗70一120千瓦時／噸。曲柄活塞沖壓機通常不用電加熱，成型物密度稍低，容易松散。 環(huán)模滾壓成型方式生產(chǎn)的為顆粒燃料，直徑5一12毫米，長度12-30毫米，也不用電加熱。物料水分可放寬至22％，產(chǎn)量可達4噸／小時，產(chǎn)品電耗約為40千瓦時／噸，原料粒徑要求小于 l毫米；該機型主要用于大型木材加工廠木屑加工或造紙廠秸稈碎屑的加工，粒狀成型燃料主要用作鍋爐燃料。 利用生物質(zhì)炭化爐可以將成型生物質(zhì)塊進一步炭化，生產(chǎn)生物炭。由于在隔絕空氣條件下，生物質(zhì)被高溫分解，生成燃氣、焦油和炭，其中的燃氣和焦油又從炭化爐釋放出去，所以最后得到的生物炭燃燒效果顯著改善，煙氣中的污染物含量明顯降低，是一種高品位的民用燃料。優(yōu)質(zhì)的生物炭還可以用于冶金工業(yè)。 遼寧省能源研究所、西北農(nóng)業(yè)大學、中國林科院林產(chǎn)化工研究所、陜西武功輕工機械廠、江蘇東?？h糧食機械廠等10余家單位研究和開發(fā)生物質(zhì)成型燃料技術(shù)和設(shè)備。 沈陽農(nóng)業(yè)大學從國外引進一套流化床快速熱解試驗裝置，研究開發(fā)液化油的技術(shù)，和利用發(fā)酵技術(shù)制取乙醇試驗。另外，中國體科院林化所進行了生物質(zhì)催化氣化技術(shù)研究。華東理工大學還開展了生物質(zhì)酸水解制取乙醇的試驗研究，但尚未達到工業(yè)化生產(chǎn)。