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1、生物质能转化过程原理的综述 【摘要】生物质能是指直接或间接地通过绿色植物的光合作用，把太阳能转化 为化学能后固定和储藏在生物体内的能量。作为研究对象的生物质，通常是指 农业和林业废弃物，如秸秆、稻壳、锯屑、甘蔗渣、花生壳、动物粪便及城市 垃圾等。生物质由 C、H、O、N、S、P 等元素组成，被誉为即时利用的绿色 煤炭。生物质能是唯一既具有矿物燃料属性，又具有可储存、运输、再生、转 换的特点，并较少受自然条件限制的能源。 【关键字】生物质，生物质能，生物质能转化过程原理 前言 生物质 生物质是指通过光合作用而形成的各种有机体，包括所有的动植物和微生 物。而所谓生物质能（biomass energ
2、y ），就是太阳能以化学能形式贮存在生 物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于绿色植 物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，取之不尽、用之不竭， 是一种可再生能源，同时也是唯一一种可再生的碳源。生物质能的原始能量来 源于太阳，所以从广义上讲，生物质能是太阳能的一种表现形式。 生物质能的利用 生物质能一直是人类赖以生存的重要能源，它是仅次于煤炭、石油和天然 气而居于世界能源消费总量第四位的能源，在整个能源系统中占有重要地位。 有关专家估计，生物质能极有可能成为未来可持续能源系统的组成部分，到下 世纪中叶，采用新技术生产的各种生物质替代燃料将占全球总能耗的 40
3、以上。 目前人类对生物质能的利用，包括直接用作燃料的有农作物的秸秆、薪柴 等；间接作为燃料的有农林废弃物、动物粪便、垃圾及藻类等，它们通过微生 物作用生成沼气，或采用热解法制造液体和气体燃料，也可制造生物炭。生物 质能是世界上最为广泛的可再生能源。据估计，每年地球上仅通过光合作用生 成的生物质总量就达 14401800 亿吨( 干重 )，其能量约相当于 20 世纪 90 年代初全世界总能耗的 38 倍。但是尚未被人们合理利用，多半直接当薪柴 使用，效率低，影响生态环境。现代生物质能的利用是通过生物质的厌氧发酵 制取甲烷，用热解法生成燃料气、生物油和生物炭 ，用生物质制造乙醇和甲醇 燃料，以及利
4、用生物工程技术培育能源植物，发展能源农场。生物质能的分类 依据来源的不同，可以将适合于能源利用的生物质分为林业资源、农业资 源、生活污水和工业有机废水、城市固体废物和畜禽粪便等五大类。 林业资源：林业生物质资源是指森林生长和林业生产过程提供的生物质能 源，包括薪炭林、在森林抚育和间伐作业中的零散木材、残留的树枝、树叶和 木屑等；木材采运和加工过程中的枝丫、锯末、木屑、梢头、板皮和截头等； 林业副产品的废弃物，如果壳和果核等。 农业资源：农业生物质能资源是指农业作物(包括能源作物)；农业生产过 程中的废弃物，如农作物收获时残留在农田内的农作物秸秆（玉米秸、高粱秸、 麦秸、稻草、豆秸和棉秆等）；农
5、业加工业的废弃物，如农业生产过程中剩余 的稻壳等。能源植物泛指各种用以提供能源的植物，通常包括草本能源作物、 油料作物、制取碳氢化合物植物和水生植物等几类。 生活污水和工业有机废水：生活污水主要由城镇居民生活、商业和服务业 的各种排水组成，如冷却水、洗浴排水、盥洗排水、洗衣排水、厨房排水、粪 便污水等。工业有机废水主要是酒精、酿酒、制糖、食品、制药、造纸及屠宰 等行业生产过程中排出的废水等，其中都富含有机物。 城市固体废物：城市固体废物主要是由城镇居民生活垃圾，商业、服务业 垃圾和少量建筑业垃圾等固体废物构成。其组成成分比较复杂，受当地居民的 平均生活水平、能源消费结构、城镇建设、自然条件、传
6、统习惯以及季节变化 等因素影响。 畜禽粪便：畜禽粪便是畜禽排泄物的总称，它是其他形态生物质（主要是 粮食、农作物秸秆和牧草等）的转化形式，包括畜禽排出的粪便、尿及其与垫 草的混合物。第二章 生物质能的特点 1) 可再生性生物质能属可再生资源,生物质能由于通过植物的光合作用可以再 生,与风能、太阳能等同属可再生能源 ,资源丰富,可保证能源的永续利用； 2) 低污染性 生物质的硫含量、氮含量低、燃烧过程中生成的 SOX、NOX 较少；生物 质作为燃料时，由于它在生长时需要的二氧化碳相当于它排放的二氧化碳的 量，因而对大气的二氧化碳净排放量近似于零，可有效地减轻 温室效应； 3) 广泛分布性 缺乏煤
7、炭的地域，可充分利用生物质能； 4) 生物质燃料总量十分丰富 生物质能是世界第四大能源,仅次于煤炭、石油和天然气。根据生物学家估 算,地球陆地每年生产10001250亿吨生物质;海洋年生产500亿吨生物质。生 物质能源的年生产量远远超过全世界总能源需求量,相当于目前世界总能耗的 10倍。我国可开发为能源的生物质资源到2010年可达3亿吨。随着农林业的 发展,特别是炭薪林的推广,生物质资源还将越来越多。 应用：沼气、压缩成型固体燃料、气化生产燃气、气化发电、生产燃料酒 精、热裂解生产生物柴油等。 生物质能的利用 生物质能一直是人类赖以生存的重要能源，它是仅次于煤炭、石油和天然 气而居于世界能源消
8、费总量第四位的能源，在整个能源系统中占有重要地位。 有关专家估计， 气化燃烧锅炉生物质能极有可能成为未来可持续能源系统的组成部分，到下世纪中叶， 采用新技术生产的各种生物质替代燃料将占全球总能耗的40%以上。 目前人类对生物质能的利用，包括直接用作燃料的有农作物的秸秆、薪柴 等；间接作为燃料的有农林废弃物、动物粪便、垃圾及藻类等，它们通过微生 物作用生成沼气，或采用热解法制造液体和气体燃料，也可制造生物炭。生物 质能是世界上最为广泛的可再生能源。据估计，每年地球上仅通过光合作用生 成的生物质总量就达14401800亿吨( 干重 )，其能量约相当于20世纪90年 代初全世界总能耗的38倍。但是尚
9、未被人们合理利用，多半直接当薪柴使用， 效率低，影响生态环境。现代生物质能的利用是通过生物质的厌氧发酵制取甲 烷，用热解法生成燃料气、生物油和生物炭 ，用生物质制造乙醇和甲醇燃料， 以及利用生物工程技术培育能源植物，发展能源农场。 生物质能的载体生物质是以实物的形式存在的，相对比风能、水能、 太阳能和潮汐能等，生物质能是惟一可存储和运输的可再生能源。生物质的组 织结构与常规的化石燃料相似，它的利用方式与化石燃料类似。常规能源的利 用技术无需做大的改动，就可以应用于生物质能。但生物质的种类繁多，分别 具有不同特点和属性，利用技术远比化石燃料复杂与多样，除了常规能源的利 用技术以外，还有其独特的利
10、用技术。 生物质能转化利用途径主要包括燃烧、热化学法、生化法、化学法和 物理化学法等如图，可转化为二次能源，分别为热量或电力、固体燃料(木炭或 成型燃料)、液体燃料(生物柴油、生物原油、甲醇、乙醇和植物油等)和气体燃 料(氢气、生物质燃气和沼气等)。生物质燃烧技术是传统的能源转化形式，是人类对能源的最早利用。 生物质燃烧所产生的能源可应用于炊事、室内取暖、工业过程、区域供热、发 电及热电联产等领域。炊事方式是最原始的利用方式，主要应用于农村地区， 效率最低，一般在15一20左右。人们通过改进现有炉灶，以提高燃烧效率 及热利用率。室内取暖主要应用于室内加温，此外还有装饰及调节室内气氛等 作用。工
11、业过程和区域供暖主要采用机械燃烧方式，适用于大规模生物质利用， 效率较高；配以汽轮机、蒸汽机、燃气轮机或斯特林发动机等设备，可用于发 电及热电联产。 压缩成型是利用木质素充当黏合剂将农业和林业生产的废 弃物压缩为成型燃料，提高其能源密度，是生物质预处理的一种方式。生物质 压缩成型的设备一般分为螺旋挤压式、活塞冲压式和环模滚压成型。将松散的 秸秆、树枝和木屑等农林废弃物挤压成固体燃料，能源密度相当于中等烟煤， 可明显改善燃烧特性。生物质成型燃料应用在林业资源丰富的地区、木材加工 业、农作物秸秆资源量大的区域和生产活性炭行业等。 热化学法包括热解、气化和直接液化。热解是指在隔绝空气或通人少量空 气
12、的条件下，利用热能切断生物质大分子中的化学键，使之转变为低分子物质 的热化学反应。热解的产物包括醋酸、甲醇、木焦油抗聚剂、木馏油和木炭等产品。其中，快速热解是一种尽可能获得液体燃料的热解方法，其产物在常温 下具有一定的稳定性，在存储、运输和热利用等方面具有一定的优势。 气化是以氧气(空气、富氧或纯氧)、水蒸气或氢气等作为气化剂，在高温 的条件下通过热化学反应将生物质中可燃部分转化为可燃气(主要为一氧化碳、 氢气和甲烷等)的热化学反应。气化可将生物质转换为高品质的气态燃料，直接 应用作为锅炉燃料或发电，产生所需的热量或电力，或作为合成气进行间接液 化以生产甲醇、二甲醚等液体燃料或化工产品。 液化
13、是把固体状态的生物 质经过一系列化学加工过程，使其转化成液体燃料(主要是指汽油、柴油、液化 石油气等液体烃类产品，有时也包括甲醇、乙醇等醇类燃料)的清洁利用技术， 根据化学加工过程的不同技术路线，液化可分为直接液化和间接液化。直接液 化是把固体生物质在高压和一定温度下与氢气发生反应(加氢)，直接转化为液 体燃料的热化学反应过程。与热解相比，直接液化可以生产出物理稳定性和化 学稳定性都更好的液体产品。 间接液化是指将生物质气化得到的合成气(CO十H2)，经催化合成为液体燃 料(甲醇或二甲醚等)。合成气是指由不同比例的CO和H2，组成的气体混合物。 生产合成气的原料包括煤炭、石油、天然气、泥炭、木
14、材、农作物秸秆及城市 固体废物等。生物质问接液化主要有两个技术路线，一个是合成气甲醇汽 油(MTG)的Mobil工艺，另一个是合成气费托（Fischer-Tropsch)合成。 生化法是依靠微生物或酶的作用，对生物质能进行生物转化，生产出如乙 醇、氢、甲烷等液体或气体燃料。主要针对农业生产和加工过程产生的生物质， 如农作物秸秆、畜禽粪便、生活污水、工业有机废水和其他农业废弃物等。 酯化是指将植物油与甲醇或乙醇在催化剂和230250温度下进行酯化反应， 生成生物柴油，并获得副产品甘油。生物柴油可单独使用以替代柴油，又 可以一定比例(230)与柴油混合使用。除了为公共交通车、卡车等柴油机 车提供替
15、代燃料外，又可为海洋运输业、采矿业、发电厂等具有非移动式内燃 机行业提供燃料。 生物质分布的极为分散，形态各异，能量密度低，给收集、运输、存储和 利用带来了一定的困难，必须采取一定的预处理措施或转换技术。在目前情况 下与化石能源相比，明显缺乏足够的竞争力，并且限制了它大规模的应用。有 些生物质含水率较高，在热利用过程中需预先进行干燥处理，耗费了额外的能 源。另外，生物质的供应具有季节性和周期性，增加了存储的空间与成本。生物质能的利用途径 生物质能的利用主要有直接燃烧、热化学转换和生物化学转换等 3 种 途径。生物质的直接燃烧在今后相当长的时间内仍将是我国生物质能利用的 主要方式。当前改造热效率
16、仅为 10%左右的传统烧柴灶，推广效率可达 20%- 30%的节柴灶这种技术简单、易于推广、效益明显的节能措施，被国家列为农村新能源建设的重点任务之一。生物质的热化学转换是指在一定的温度和 条件下，使生物质汽化、炭化、热解和催化液化，以生产气态燃料、液态燃 料和化学物质的技术。生物质的生物化学转换包括有 生物质能木质压缩颗粒 生物质-沼气转换和生物质-乙醇转换等。沼气转化是有机物质在厌氧环 境中，通过微生物发酵产生一种以甲烷为主要成分的可燃性混合气体即沼气、 乙醇转换是利用糖质、淀粉和纤维素等原料经发酵制成乙醇。 生物质能利用现状2006 年底全国已经建设农村户用沼气池 1870 万口，生活污水净化 沼气池 14 万处，畜禽养殖场和工业废水沼气工程 2,000 多处，年产沼气约 90亿立方米，为近 8000 万农村人口提供了优质生活燃料。 中国已经开发出多种固定床和流化床 气化炉，以秸秆、木屑、稻 壳、树枝为原料生产燃气。 2006 年用于木材和农副产品烘干的有 800
