生物质能：概念与应用

4.1.1.1　生物质与生物质能

1.生物质

地球上能量的终极来源,除了形成之初集聚的核能与地热之外,与我们关系最密切的是地球形成后来自太阳的持续辐射。在绿色植物出现之前,辐射能尽散失于大气,只有绿色植物可以利用日光,将它吸收的二氧化碳(CO2)和水(H 2 O)合成碳水化合物,将光能转化为化学能并储存下来。绿色植物是地球上最重要的光能转换器和能源之源。碳水化合物是光能储藏库,生物质是光能循环转化的载体,此外,煤炭、石油和天然气也是地质时代的绿色植物在地质作用影响下转化而成的。

生物质是一种绿色植物通过大气、水、土地,以及阳光所产生的可再生的和可循环的有机物质,是一种持续性资源,包括农作物、树木和其他植物及其残体。生物质如果不能通过能源或物质方式被利用,微生物就会将它分解成水、二氧化碳及热能。因此,人类利用生物质作为能源来源,无论是作为粮食、取暖、发电或生产燃料,都是符合大自然的循环体系的。

生物质这个词汇真正超越其物质本身,并被大家所不断地关注,不断地定义是在石油危机爆发以后,当时能源短缺对经济发展的制约越来越明显,世界各国开始寻找新的替代能源。近年来,能源短缺问题已经成为全世界普遍关注的问题。大气污染、温室效应等环境问题日益突出,人们迫切需要找出一个能源安全的根本途径和替代方法。在太阳能、风能、生物质能这三大可再生自然能源中,生物质能是最具可存储性、特异性、可机性,并是唯一物质性的能源。

生物质是指生物体通过光合作用生成的有机物,包含所有动物、植物、微生物,以及由这些生命体排泄和代谢所产生的有机物质,是地球上存在最广泛的物质。生物质的种类繁多,植物类中有杂草、藻类、农林业废弃物(如秸秆、谷壳、薪柴、木屑等)；非植物类中有畜禽粪便、城市有机垃圾及工业废水等(表4.1)。

表4.1　生物质种类及其可能利用率

从有效利用资源的角度,生物质资源的分类如图4.1所示。

图4.1　生物质资源的分类

2.光合作用产生生物质

绿色植物(包括光合细菌)吸收光能,同化二氧化碳和水,制造有机物质并释放氧气(O2)。人们对植物光合作用这一重要生命现象的发现,以及对光合作用的认识,经历了由表及里的漫长过程。

光合作用对整个生物界具有巨大的作用,它不仅是植物体内最重要的生命活动过程,也是地球上最重要的化学反应过程。光合作用一是把无机物转变成有机物。每年约合成5×1011 t有机物,可直接或间接作为人类或动物界的食物。据估计,地球上的自养植物一年中通过光合作用同化约2×1011 t碳元素,其中40%是由浮游植物同化的,余下的60%是由陆生植物同化的。二是将光能转变成化学能。绿色植物在同化二氧化碳的过程中,把太阳光能转变为化学能,并蓄积在形成的有机化合物中。人类所利用的能源,如煤炭、天然气、木材等都是过去或现在的植物通过光合作用所形成的。三是维持大气中氧气和二氧化碳的相对平衡。在地球上,由于生物呼吸和生物质燃烧,每年大约消耗3.15×1011 t氧气,如果按照这样的速度计算,大气层中所含的氧气将在3000年左右就被耗尽。然而,绿色植物在吸收二氧化碳的同时每年也释放出5.35×1011 t氧气,所以大气中氧气的含量仍然基本维持在21%。由此可见,光合作用是地球上规模最大的把太阳能转变为可储存的化学能的过程,也是规模最大的将无机物合成有机物并释放氧气的过程。从物质转变和能量转变的过程来看,光合作用是地球生命活动中最基本的物质代谢和能量代谢的过程。

生物质是太阳能最主要的吸收器和储存器。太阳能照射到地球后,一部分转化为热能,一部分被植物吸收,转化为生物质能。转化为热能的太阳能能量密度很低,不容易收集,只有少量能被人类所利用,其他大部分热能存于大气和地球上的其他物质中。生物质通过光合作用,能够把太阳能富集起来,储存有机物中,这些能量是人类发展所需能源的源泉与基础。根据这种独特的形成过程,生物质能既不同于常规的矿物能源,又有别于其他新能源,兼有两者的特点和优势,因此,它是人类最主要的可再生能源之一。

各种生物质都有一定的能量,人们肉眼虽看不到微生物,但其能量却很惊人,由生物质产生的能量称为生物质能。科学家们从研究中发现,尽管生物质千变万化,形态不一,然而其产生都离不开太阳的辐射能。这就找到了能源之本。据气象学家分析,进入大气层的太阳辐射能,起码有0.02%是被植物吸收进行了光合作用。这万分之几,其实折算起来就有400多亿千瓦的能量。然而,人类自从发现火以来,至今仍在大量消耗薪柴等生物质,特别是发展中国家的农村,由于技术落后,生物质能的利用率极低,每年白白浪费了很多生质能。从目前世界总能耗的比重来看,生物质能按能量计算仅占14%左右。但是生物质资源巨大,技术潜力更大,并且是生生不息的可再生能源,足够人类很好地开发利用。

4.1.1.2　生物质能

1.生物质能的种类

在世界的能耗中,生物质能约占14%,在不发达地区占60%以上。全世界约25亿人的生活能源90%以上是生物质能。生物质能的优点是容易燃烧,污染很少,灰分较低；相对而言,缺点是热值及热效率比较低,体积大而不易运输,直接燃烧生物质的热效率为10%～30%。另外,生物质能与化石能源均属于以碳(C)、氢(H)元素为基本组成的化学能源,这种化学组成上的相似性也带来了利用方式的相似性,因此生物质能的利用、转化技术需要在已经成熟的常规能源技术的基础上发展与改进,合理利用生物质能现代化开发与利用技术,有效地发挥生物质能的可再生性。生物质能的分类见表4.2。

表4.2　生物质能的分类

注：1.一次能源是从自然界取得后未经加工的能源。
2.二次能源是指经过加工与转换而得到的能源。

2.常见的生物质能

生物质能资源的种类繁多,分布很广泛,常见的生物质能主要有以下几种：

(1)薪柴和林业废弃物,是以木质为主体的生物质材料,是人类生存、发展过程中利用的主要能源,目前,它还是许多发展中国家的重要能源,是生物质气化转化的主要原料。

(2)农作物残渣和秸秆,是最常见的农业生物质资源。农作物残渣具有水土保持与土壤肥力固化的功能,一般不作为能源利用。秸秆大多用于饲料,目前是生物质气化和沼气发酵的重要原料。(www.xing528.com)

(3)养殖场牲畜粪便,是一种富含氮元素(N)的生物质材料,可作为有机肥加工的重要原料,干燥后可以直接燃烧供热,与秸秆一起构成沼气发酵的两大主要原料。

(4)水生植物,是一种还未被充分认识和利用的生物质燃料,主要有水生藻类、浮萍等各种水生植物。国内许多淡水湖泊因营养化而滋生大量水生植物与藻类,如能有效结合水体的治理,大规模收集水生植物并转化,对能源的再利用具有十分重要的意义。

(5)制糖工业与食品工业的作物残渣,大多为纤维类生物质,相对比较集中,便于利用。特别是制糖作物残渣(如甘蔗渣)是世界各国都在重点利用的生物质能原料。

(6)工业有机废物、城市有机垃圾的利用早已被世界各国所关注。目前,直接焚烧供热、气化发电,以及发酵用于生产沼气等技术已日趋成熟。

(7)城市污水,是唯一属于非固体型的生物质能原料,通过发酵技术可在治理废水的同时获得以液体或气体为载体的二次能源。

(8)能源植物,是以直接燃料为目标的栽培植物。与普通的生物质材料相比较,能源植物一般都由人工进行规模化种植。所选择的植物经过筛选、嫁接、驯化、培育以提高产量,产能效率。薪柴林也是一种能源林,美国、巴西、瑞典都有大规模的薪柴林场。可以作为薪柴种植的植物有很多,一般以速生树木为主,三五年即能收获。例如,在中国南方地区种植的桉树、竹柳等,中国具有丰富的荒山荒坡和边际性土地资源,应以发展能源植物作为目标进行能源种植。

3.我国主要的生物质资源

我国有丰富的生物质能源,据统计,我国理论生物质能资源50亿t左右。有资料表明,我国的生物质资源主要来自农林废弃物、薪柴、禽畜排泄物、城市有机垃圾和工业有机垃圾(如谷物加工厂、造纸厂、木材厂、糖厂、酒厂和食品厂等产生的)等,每年新增总量达4.87亿t。其中约有相当于3.7亿t的生物质资源用于发电和供热,占总量的76%。中国有丰富的林业生物质资源。有宜林荒山荒坡和灌木林1亿hm2,“十二五”天然林抚育面积1.2亿hm2,可产生9亿t林业剩余物。

4.1.1.3　传统生物质资源

1.农作物秸秆

我国作为世界农业大国,农作物的种类很多,而且数量也较大。水稻、玉米和小麦是三种主要的农作物,其产生的废弃物秸秆是我国主要的生物质资源之一。秸秆是一种有机物,由可燃质、无机物和水分组成,主要含有碳、氢、氧元素及少量的氮、硫等元素,并含有灰分。作物秸秆的集中产区与主要粮食产区是一致的,按照省(自治区)的前十名排序是河南、山东、黑龙江、河北、吉林、江苏、四川、湖南、湖北和内蒙古,多在我国东部产粮区。

2.薪柴

薪柴是几个世纪以来人类所用的主要能源,它不仅可应用于家庭,还可广泛应用于工业,至今仍是许多发展中国家的重要能源。能够提供薪柴的树木不只是薪柴林,其他如用材林、防护林、灌木林及周边散生林等均可提供一定数量的薪柴。我国每年的薪柴产量大约8860万t,大约占农村生活用能的40%,并大多在粗放式使用。但是由于薪柴的需求导致林地日减,今后应该适当规划与广泛植林。

3.禽畜粪便

禽畜粪便也是一种重要的生物质资源,其资源量与畜牧业有重要的相关性。从畜禽粪便的可获得性来分析,中国主要的畜禽是牛、猪和鸡。我国禽粪资源大约为每年30亿t。主要分布在河南、山东、四川、河北、湖南等养殖业和畜牧业较为发达的地区,五省共占全国总量的39.5%,从构成上看,畜粪资源主要来源于大牲畜和大型畜禽养殖场。其中牛粪占全部畜禽粪便总量的33.61%,主要来自于养殖场的猪粪则占总量的34.45%。禽畜粪便的收集和利用方式对原料资源的可收集程度关系很大,国家每年有数十亿元补贴农民修建户用沼气池,极为分散的猪粪尿也可以被利用上,无效资源几乎可以忽略不计。户用沼气池有“一池三改”(改猪圈、改厕所、改厨房,修一个沼气池)“四合一(厕所-猪圈-沼气-温室大棚)”“猪、沼、果”等多种模式。

4.工业有机废弃物

工业有机废弃物可以分为工业固体有机废弃物和有机废水两类。在我国,工业固体有机废弃物主要来自于木材加工厂、造纸厂、糖厂和粮食加工厂等,包括木屑、树皮、甘蔗渣、谷壳等。工业有机废水资源主要来自食品、发酵、造纸工业等行业,全国工业有机废水排放量超过25亿t。据统计,全国乡镇企业排放的废渣总量达到14亿t,工业固体废物累计堆存量达到67.5亿t。我国广东、广西一带资源丰富,如在广东地区年产180万t干甘蔗渣,除少量用于造纸和制造糠醛外,大部分作为燃料烧掉。

工业有机废弃物排放集中,易于收集,可与环保治理相结合,利用率高。技术比较成熟,如果技术、设备、资金和政策到位,是一项重要的生物质能源的原料来源。

5.城市有机垃圾

随着经济的快速发展,我国城市化水平迅速提高,城市数量和规模正在不断地扩大,与此同时,我国城镇垃圾的产生量和堆积量也在以年增长率10%的速度逐年增加。城镇生活垃圾主要是由居民生活垃圾、商业垃圾、服务业垃圾和少量建筑垃圾等废弃物所构成的混合物。在我国,垃圾中的有机成分一般在30%～60%之间,最高可达到95%左右。

4.1.1.4　现代生物质能源

现代人们逐渐认识到矿物能源的重大缺陷,即资源的有限性,以及大量使用矿物能源所造成的日益沉重的环境压力。在不久的将来,矿物能源不可避免的退出历史舞台。因此,人类必须寻求新的替代能源,才能维持正常的生存条件,进入更加繁荣发达的未来社会。而这一观念正在成为发展现代生物能源工业的巨大推动力。所谓现代生物质资源主要指专门为能源生产工业提供原料而发展的生物质资源,如能源植物等。事实上,基于能源植物的能源农业和能源林业等概念已经在国内形成,并通过试验、示范逐步成熟。有些现代生物质能源工业技术已经成熟,并进入推广阶段。

(1)薪炭林是以生产燃料为主要目的的林木,树种生长快、适应性和抗逆性强,热能高、易点燃、无恶臭、不释放有毒气体、不易爆裂。据统计,我国现有400多万hm2薪炭林,每年可获得约1亿t高燃烧值(生物量)的薪柴。

(2)草本植物中,甜高粱具有耐干旱、耐水涝、抗盐碱等多重抗逆性,素有“高能作物”之称。亩产300～400kg粮食及4t以上茎秆,茎秆汁液含糖量16%～20%。每16～18t茎秆可产生1t燃料乙醇。目前,全国高粱播种面积为530多万m2(其中甜高粱26万m2),高粱茎秆总产量250多t。2005年,我国木薯种植面积约430万m2,总产量约730万t,可生产燃料乙醇(C2 H 5 OH)约100万t；甘薯种植面积约为5000万m2,总产量1亿多t,其淀粉含量在18%～30%。约8t甘薯可生产1t燃料乙醇；甘蔗种植面积约2000多万亩,总产量为8600多万t。甘蔗主要用于制糖,所产生的副产品糖蜜340多万t,可以生产乙醇燃料80万t左右,折合标准煤110万t左右。

(3)植物性油料作物本身(或与柴油混合)可作为内燃机燃料。绝大多数油料作物都有非常强的适应性和适寒性,种植技术简单,植物油储存和使用安全。我国油料作物的种植面积为1310万hm2,含油籽粒年产量2250万t,但主要为食用。目前我国科学家已经对一些野生油料植物进行能源利用研究。在公布的《外商投资产业指导目录(2011年修订)》中显示,我国将鼓励外商投资油棕、木本使用油料生产,同时鼓励外商进行油菜籽收获机、甘蔗收割机、甜菜收割机等农业机械的研发和生产。

(4)目前已有人建议直接利用植物生产汽油和其他碳氢化合物。我国在“十一五”期间已经开始开展绿玉树的研究工作,试图培育一种能够通过光合作用直接生产液体烃类燃料的植物。