史海東 才曉泉

(浙江省寧波市鄞州中學(xué) 315101)

我國(guó)的能源消費(fèi)一直以煤和石油為主，燃燒這些能源會(huì)使空氣中CO2、SO2、粉塵等有害氣體含量急劇增加。據(jù)預(yù)測(cè)，2030—2040年石油資源將成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸[1]。

為保障能源安全，尋找、開(kāi)發(fā)新能源和可再生能源已成為新的挑戰(zhàn)。生物質(zhì)是繼煤炭、石油和天然氣之后，世界第四大能源資源。我國(guó)的生物質(zhì)資源非常豐富，生物質(zhì)能對(duì)于緩解能源供應(yīng)緊張、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)以及改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等方面具有重要的戰(zhàn)略意義。

1 生物質(zhì)和生物質(zhì)能

生物質(zhì)即一切生命體中所包含的有機(jī)物質(zhì)。廣義上講，生物質(zhì)包括所有的植物、微生物以及以它們?yōu)槭澄锏膭?dòng)物及其生產(chǎn)的廢棄物。生物質(zhì)的狹義概念是指農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中除糧食、果實(shí)以外的秸稈、樹(shù)木等木質(zhì)纖維素、農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)下腳料、農(nóng)林廢棄物以及畜牧業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的禽畜糞便和廢棄物等物質(zhì)。生物質(zhì)的特點(diǎn)是可再生、低污染和分布廣泛。生物質(zhì)能是太陽(yáng)能以化學(xué)能形式貯存在生物質(zhì)中的能量形式，即以生物質(zhì)為載體的能量。它直接或間接地來(lái)源于綠色植物的光合作用，可轉(zhuǎn)化為常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料。生物質(zhì)能的特性為可再生性，清潔、低碳、替代優(yōu)勢(shì)，原料豐富。所以，生物質(zhì)能又稱(chēng)作生物質(zhì)清潔能源。

2 生物質(zhì)清潔能源的來(lái)源

2.1 秸稈 農(nóng)作物通過(guò)光合作用固定的太陽(yáng)能中，有一部分會(huì)留在秸稈中未能被人類(lèi)利用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2007年全國(guó)九大作物產(chǎn)量得出的秸稈總量是7. 04×108t，總產(chǎn)能是3. 55×108t標(biāo)煤。排在前三位的是玉米、小麥和稻谷[2]。目前，秸稈除少量用于傳統(tǒng)燃料、墊圈、喂養(yǎng)牲畜，部分用于堆漚肥外，大部分都作廢棄物燒掉。秸稈在柴灶上燃燒，轉(zhuǎn)換效率僅為10%～20%。如今許多地區(qū)廢棄秸稈量逐年增大，已占秸稈產(chǎn)量的60%以上，加快秸稈的優(yōu)質(zhì)化轉(zhuǎn)換利用勢(shì)在必行。

2.2 薪柴 薪柴生物質(zhì)包括森林采伐剩余物、木材加工剩余物、清林育林剪枝剩余物以及專(zhuān)門(mén)提供薪柴的薪炭林。許多國(guó)家生物質(zhì)資源利用的來(lái)源均以林業(yè)廢棄物和薪炭林為主。制定長(zhǎng)期林業(yè)規(guī)劃，合理、有計(jì)劃地進(jìn)行砍伐與造林，將有利于解決供需矛盾及生態(tài)問(wèn)題。

2.3 禽畜糞便 禽畜的糞便也是一種重要的生物質(zhì)能源，其經(jīng)干燥可直接燃燒供應(yīng)熱能，還可與秸稈混合作為沼氣的發(fā)酵原料。2007年畜禽糞便實(shí)物量為1.2 47×109t，可開(kāi)發(fā)量為8. 84×108t，其中主要來(lái)源分別為牛、豬、雞，其糞便量可折算年產(chǎn)能(標(biāo)煤)1. 098×108t標(biāo)煤[3]。

2.4 城鎮(zhèn)垃圾及工業(yè)有機(jī)廢棄物 城鎮(zhèn)垃圾是居民生活垃圾、商業(yè)和服務(wù)業(yè)垃圾以及少量建筑垃圾等廢棄物構(gòu)成的混合物，成分比較復(fù)雜，其直接燃燒可產(chǎn)生熱能，或經(jīng)熱解處理制成燃料使用。全國(guó)生活垃圾清運(yùn)量1. 52×108t(約含有機(jī)垃圾30%)，設(shè)可用率為10%，可用資源量為1.6×107t，折標(biāo)煤2.5×106t[3]。食品/農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)的有機(jī)廢水廢渣和城市污水是重要的有機(jī)物污染源，也是生物質(zhì)原料資源。有資料估計(jì)，中國(guó)農(nóng)產(chǎn)品加工生產(chǎn)的有機(jī)廢棄物可產(chǎn)生5.0×1010m3沼氣，相當(dāng)于3.5×107t標(biāo)煤的產(chǎn)能。2007年我國(guó)工業(yè)和城市污水每年排放總量5.57×1010t，所含化學(xué)需氧量(COD)總量接近2.0×107t，可產(chǎn)沼氣1.10×1010m3[3]。

3 生物質(zhì)清潔能源的分類(lèi)

主要的生物質(zhì)清潔能源可分為三類(lèi)：液體燃料、氣體燃料和固體燃料。

3.1 生物質(zhì)液體燃料 生物質(zhì)液體燃料包括燃料乙醇、生物柴油和“綠色汽油”。

3.1.1 燃料乙醇 燃料乙醇是以甘蔗、小麥等作物為原料，通過(guò)酶技術(shù)制取。目前，國(guó)際上已開(kāi)發(fā)出多種高效酶提升燃料乙醇的生產(chǎn)效益，燃料乙醇已進(jìn)入初步商業(yè)化生產(chǎn)階段。燃料乙醇可以與汽油混合使用，車(chē)用乙醇汽油就是一種通過(guò)特定工藝混配而成的新一代清潔環(huán)保型車(chē)用燃料。一般情況下，原料可占燃料乙醇生產(chǎn)成本的60%，以非糧食類(lèi)生物質(zhì)制取燃料乙醇已成為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。非糧作物主要有兩類(lèi)：一類(lèi)是木質(zhì)纖維原料，如速生林、草類(lèi)；另一類(lèi)是含糖豐富的植物原料，也可選用農(nóng)業(yè)廢棄物，如高粱秸、玉米秸、制糖廢渣等[4]。

3.1.2 生物柴油 生物柴油是以大豆和油菜籽等油料作物、油棕和黃連木等油料林木果實(shí)、工程微藻等油料水生植物以及動(dòng)物油脂、廢餐飲油等為原料制成的液體燃料。生物柴油有以下優(yōu)勢(shì)：①使用時(shí)柴油機(jī)不需作任何改動(dòng)或更換零件；②可得到甘油等經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的副產(chǎn)品；③無(wú)腐蝕性，非易燃易爆，比石化柴油的貯存、運(yùn)輸和使用更安全；④熱值高(一般可達(dá)石化燃料油的80% )；⑤一年生的能源作物及多年生的木本植物均可作為原料，可再生；⑥可在自然狀況下實(shí)現(xiàn)生物降解，減少對(duì)人類(lèi)生存環(huán)境的污染。在發(fā)達(dá)國(guó)家，利用豆油、花生油、棉籽油、葵花籽油、油菜籽油、棕櫚油和蓖麻籽油生產(chǎn)生物柴油正在形成產(chǎn)業(yè)。我國(guó)生物柴油產(chǎn)業(yè)化首先在民營(yíng)企業(yè)展開(kāi)，一些公司建成了1.0×104～2.0×104t/a的生產(chǎn)裝置，除生產(chǎn)生物柴油外，還生產(chǎn)一些高附加值的產(chǎn)品。華東理工大學(xué)等正在攻關(guān)利用餐飲業(yè)廢油和非經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)生物柴油的高科技項(xiàng)目[5]。

3.1.3 “綠色汽油” 某些植物在光合作用產(chǎn)生糖類(lèi)等的同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生同石油相似的碳?xì)浠衔?，只要?duì)這些碳?xì)浠衔镞M(jìn)行簡(jiǎn)單加工就可以制成“綠色汽油”，代替柴油作為燃料。能產(chǎn)生“綠色汽油”的植物稱(chēng)為石油植物，主要是一些被子植物和藻類(lèi)。以石油植物作為新能源的資源具有許多優(yōu)點(diǎn)：①其所產(chǎn)“綠色汽油”是新一代的綠色潔凈能源；②石油植物分布面積廣，可因地制宜種植生產(chǎn)，不需勘探、鉆井、采礦及長(zhǎng)途運(yùn)輸；③石油植物可以快速生長(zhǎng)，能通過(guò)規(guī)模化種植保證產(chǎn)量，重點(diǎn)是可再生而非一次性；④“綠色汽油”使用比核電安全，不會(huì)發(fā)生爆炸、泄露等安全事故；⑤開(kāi)發(fā)利用石油植物可減少世界各國(guó)對(duì)石油市場(chǎng)的依賴，對(duì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展具有積極作用。

3.2 生物質(zhì)氣體燃料 生物質(zhì)氣體燃料包括沼氣和生物質(zhì)制氫。

3.2.1 沼氣 人畜糞便、秸稈、污水等各種有機(jī)物在密閉沼氣池內(nèi)，在厭氧條件下被多種沼氣微生物分解轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生沼氣。沼氣的主要成分是甲烷，約占所產(chǎn)氣體的60%～80%。甲烷是一種理想氣體燃料，它無(wú)色無(wú)味，與適量空氣混合后即可燃燒。甲烷的發(fā)熱量為34000 J/m3，沼氣的發(fā)熱量約為20800～23600 J/m3，1 m3的沼氣完全燃燒能產(chǎn)生相當(dāng)于0.7kg無(wú)煙煤提供的熱量。與其他燃?xì)庀啾?，其抗爆性能較好，是一種很好的清潔燃料。沼氣除可直接燃燒用于炊事、烘干農(nóng)副產(chǎn)品、供暖、照明和氣焊等，用沼氣代替汽油、柴油機(jī)器的效果也很好。目前，沼氣的應(yīng)用正在各國(guó)廣大農(nóng)村推廣，中國(guó)農(nóng)村戶用沼氣池?cái)?shù)量已達(dá)2200萬(wàn)座[6]。

3.2.2 生物質(zhì)制氫 氫能是最清潔的能源，生物質(zhì)可通過(guò)氣化和微生物制氫。氣化制氫時(shí)，首先將原料柴薪、鋸木、麥秸、稻草等壓制成型，然后在氣化爐中進(jìn)行氣化或裂解反應(yīng)，可制得含氫的燃料氣。微生物在常溫下進(jìn)行酶催化反應(yīng)也可制取氫氣，主要有化能異養(yǎng)和光合自養(yǎng)兩類(lèi)產(chǎn)氫微生物?；墚愷B(yǎng)微生物是各種發(fā)酵類(lèi)型的厭氧菌和兼性厭氧菌，其基質(zhì)是各種碳水化合物、蛋白質(zhì)等。目前，已有利用碳水化合物發(fā)酵制氫的專(zhuān)利，并可利用所產(chǎn)生的氫氣作為發(fā)電的能源[7]。光合自養(yǎng)微生物產(chǎn)氫是利用微型藻類(lèi)等相關(guān)微生物和光合作用的聯(lián)系產(chǎn)氫。在國(guó)外，已有利用光合作用設(shè)計(jì)出細(xì)菌產(chǎn)氫的優(yōu)化生物反應(yīng)器，其規(guī)?？蛇_(dá)日產(chǎn)氫2800m3。該方法采用各種工業(yè)和生活廢水、農(nóng)副產(chǎn)品的廢料為基質(zhì)進(jìn)行光合細(xì)菌連續(xù)培養(yǎng)，在產(chǎn)氫的同時(shí)還凈化廢水和獲得單細(xì)胞蛋白，一舉三得，極有發(fā)展前景。

3.3 生物質(zhì)固體燃料 生物質(zhì)固體燃料是將具有一定粒度的生物質(zhì)原料(如秸稈、果殼、木屑、稻草等)經(jīng)過(guò)粉碎，并在一定壓力和溫度下將其擠壓制成棒狀、塊狀或粒狀等各種成型燃料。生物質(zhì)固體燃料熱性能優(yōu)于木材，能量密度與中質(zhì)煤相當(dāng)，點(diǎn)火容易，火力持久，黑煙小，爐膛溫度高，是煤炭的良好替代品[8]。生物質(zhì)固體燃料不僅適合鍋爐、農(nóng)村家庭的使用，還可以用來(lái)發(fā)電、供熱，提高對(duì)煤炭等石化燃料的替代使用率，以削減大氣中CO2和SO2的排放量，減少對(duì)環(huán)境的污染。另外，生物質(zhì)固化成型技術(shù)簡(jiǎn)單，燃料成型后也便于運(yùn)輸和儲(chǔ)存。

(* 通訊作者)