生物质资源及其开发利用

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1、生物质资源及其开发利用生物质资源及其开发利用福建师范大学化学与材料学院福建师范大学化学与材料学院 陈清松陈清松2010-062010-061一、生物质资源的概念与资源潜力一、生物质资源的概念与资源潜力二、利用生物质资源是可持续经济发展的趋势二、利用生物质资源是可持续经济发展的趋势三、生物质资源利用的途径三、生物质资源利用的途径四、生物质高分子材料简介四、生物质高分子材料简介五、美国生物质计划五、美国生物质计划生物质资源及其开发利用 2一、生物质资源的概念与资源潜力3生物质和生物质产业生物质是指由植物、动物或微生物生命体所合成得到的物 质的总称，它直接或间接地来源于植物的光合作用而产生的各 种有

2、机体。u生物质资源属于可再生而不会枯竭的资源。u主要包括:*农作物、树木和木材废弃物及剩余物；*植物（含水生植物）、草及其残留物；*纤维和动物废弃物；*可分类的城市垃圾和其它废弃材料。u生物质产业是指利用上述可再生的生物质原料，通过工业性加 工转化，进行生物基产品(biobased products)和生物质能源 (bioenergy)生产的一种新兴产业。u在生物质能源方面又可分为生物质发电（biopower）和生物 质燃油（biofuel）。4l各种速生的能源林、薪炭林、经济林、用材林、 灌木林，木材及森林工业废弃物；l农业废弃物,如农作物秸秆、稻壳、玉米芯、蔗 渣等；l水生植物；l油料植物

3、；l城市和工业有机废弃物；l动物粪便。煤、石油和天然气等化石能源也是由 生物质能转变而来的。 生物质包括以下几个方面：5生物经济、生物产业农业 林业 动物 微生物生物质能源 食品 饲料 药品 日用工业品 环境6中国生物质资源的特点 中国生物质资源的构成及其能源潜力l每年的生物质能源总量达4.87亿吨油当量，其中有约3.7亿吨可用 于发电和供热，占总量的76%，其余的1.17亿吨在农村地区则用作 饲料、粪肥等其他用途。 农业废弃物 （稻谷、麦子和玉米三大粮食作物的生物质比例占70%）农业废弃物产量及能源潜力（百万吨油当量）7林业生物质资源潜力 u林区主要分布在东北、西南、西北和南部丘陵地区。u据

4、2004年完成的第六次国家森林资源调查（19992003），林 木生物质总资源量近200亿吨 。u可获得的林木质资源种类为：薪炭林、林业三剩物（采伐剩余 物、造材剩余物和加工剩余物）、森林抚育间伐、灌木林平茬 复壮、苗木截杆、经济林和城市绿化修枝，总量约 8-10 亿吨 。u木材的消耗主要为三部分：44.2%用于制造木制品，32.1%由木材厂和农场自身消耗，其余用于生活燃料。u薪柴及木材废弃物估计约2亿多吨，合1亿吨油当量。然而，由于过度采伐，实际消费量要大得多。8中国森林资源类型以及生物量测算表林木生物质能类型蓄积/面积 (亿m3 / 万hm2)总生物量 （亿吨）可获得生物量（亿吨/年）1

5、森林124.6/14,200 15316667（用材、防护、特有和能源林） 成熟、过熟林27.4 / 1470364033.5（采伐剩物和死木清理） 近成熟林50 / 354062661.82（抚育修枝） 中龄林34.3/ 4430404211.2（抚育间伐） 幼龄12.9/ 476015180.20.3（抚育） 2 各种林地/33009120.40.8 经济 林/2140670.10.2（修剪） 竹林/500120.10.2（剩余物） 四旁、散生、疏林/660230.20.4（抚育修枝等） 3 灌木林4529.68340.81（隔年轮平茬） 4 其 他Others15180.81.2 林下灌

6、丛890.40.5 苗圃苗木340.20.3（截杆） 城市绿化、绿篱450.20.3（抚育修剪等） 总 计136.2 / 2,2030180200810 9l禽畜排泄物 2000年，中国禽畜的组成为：1.515亿头大型动物如马、牛、驴、 骡和骆驼等，4.47亿头猪，2.9亿头羊，52.8亿头家禽。由此产生的 排泄物总量干重达3.2亿吨，合1.1亿吨油当量。 禽畜排泄物生物质能量增长趋势10l城市生活垃圾 l 年产出量约1.5亿吨，约合1500万吨油当量，并以每年10%左右的增长率递增l 垃圾成分和产量受很多因素的影响：城市人口、居民收入、燃料结构、饮食习惯、城市建设以及季节变化等 l有机成分的

7、含量：发达城市的垃圾有机成分高，南方城市的垃圾 有机成分普遍高于北方城市 l 城市生活垃圾热值：北京、广州、上海、深圳等发达城市为4500 kJ/kg以上，其他多数地区为3400kJ/kg左右 11l工业废弃物 粮食加工厂、造纸厂、木材厂、酿酒厂、糖厂和食品厂等的工业生 产过程中产生的固体废弃物。每年估计达4800万吨油当量。 l 农作物谷壳l 大米和小麦加工中大约可产生8100万吨谷壳。其中有30%左右的谷 壳被用作生活燃料、乙醇发酵和动物饲料，可作为能源利用的约 5500万吨，相当于1800万吨油当量。l 造纸废弃物l 造纸厂约10000家，多数规模较小。产生的生物质估计为320万吨， 合

8、110万吨油当量（其中有103万吨生物质由木材纸浆产生，合30万 吨油当量）。l 木材废弃物l 1999年木材厂废弃物产量为0.37亿立方米，合600万吨油当量。据 估算，中国木材年需求量超过3亿立方米，国内供应量只能满足需求 的50%，其余则需从国外进口，木材需求量不断增加。 12狭义生物质资源概念13中国的生物质能结构（%）中国能源消耗结构14二、利用生物质资源是可持续经济发展的趋势15二、利用生物质资源是可持续经济发展的趋势1利用生物质资源是当前经济发展的趋势我国是化石资源短缺的国家，尤其是石油资源2004年石油进口达到1.2亿吨,2020年将突破2亿吨将成为长期制约我国经济发展和国防安

9、全的障碍化石资源不可再生，化石产品会造成严重的环境污染鉴于资源与环境压力,迫使人们寻找新型可再生资源目前生物质资源被认为是替代化石资源的最佳选择1620世纪是石油化学经济发展的时代。我国是一个石油资源不足的国家，石油储量仅为世 界的2%，而消费量却为世界第二，石油进口由1994 年的300万t增加到2004年的1.2亿t，进口依存度达 40%。发展生物质产业对我国经济发展具有重要的现实意 义和战略意义。1利用生物质资源是当前经济发展的趋势17美国计划2020年生物基产品和生物能源较2000年增加20倍 可以减少碳排放量1亿吨和增加农民收入200亿美元壳牌石油公司估计21世纪前50年生物质将提供

10、世界化学品和燃料的30% 市场份额达到1500亿美元巴斯福公司2003年宣布将生物质资源作为化学品生产的主要原料杜邦公司将2010年销售额的25%定位于生物质产品生物质资源将有可能替代化石资源成为所有化学品的来源1利用生物质资源是当前经济发展的趋势182生物质资源的特点（1） 资源丰富（2） 品种多样 （3） 用途广泛二、利用生物质资源是可持续经济发展的趋势19（1） 资源丰富我国生物质来源广泛，储量大有高等植物3万多种，居世界第三位木本植物最丰富的国家之一，特有森林植物1000多种每年还有7亿吨作物秸秆 2亿多吨林地废弃物和木材加工剩余物未被利用数百万吨的树木果实和天然树脂数百万吨的废弃生物

11、油脂就总资源量，我国可开发生物质资源总量为8亿吨标煤这些资源为我们提供了可靠的原料保证2生物质资源的特点20（2） 品种多样现在已知世界上的生物多达25万多种生物的多样性，决定了生物质的多样性任何一种生物都有可能为人类提供一种或多种生物质水稻可以提供淀粉、木质素和纤维素树木可以提供纤维素、木质素、单糖及多糖、松脂、单宁、生漆、植物油脂等 2生物质资源的特点21（3） 用途广泛n利用生物质可以生产清洁燃料，如生物酒精、生物柴油等 n可以用于开发出适应未来市场且环境友好的生物基产品如生物质高分子材料,生物质精细化学品等n生物质在生产及使用过程中与环境友好 2生物质资源的特点22（1）缓解能源危机，

12、是国民经济可持续发展重要保证（2）促进林业产业的跨越式发展（3）是调整农村产业结构、解决“三农”问题的重要支撑3对我国国民经济建设具有重要的作用二、利用生物质资源是可持续经济发展的趋势233对我国国民经济建设具有重要的作用（1）缓解能源危机，是国民经济可持续发展的重要保证石油储量只是世界储量的2%，消费量高居世界第二位据预测，2020年石油进口依赖度将超过55%电力供应方面也存在较大缺口,1999年人均用电不到1,000度 /人年能源供应安全问题已成为制约我国经济发展的障碍生物质资源经过物理和化学转换技术可以高效地转化成常规 的固态、液态和气态燃料,以及化工原料或产品，替代化石 燃料，缓解资源

13、短缺生物质能属于环境友好的清洁能源，可以避免环境污染 243对我国国民经济建设具有重要的作用（2）促进林业产业的跨越式发展以生物质资源为依托的林业生物产业在推进国家经济发展和 社会进步，实现森林可持续经营具有广阔发展前景充分显示了林业生物产业巨大的发展潜力，顺应了国际贸易 和经济技术发展的潮流，有利于增强我国综合国力和国际市 场竞争力通过生物质产业的发展，可将现有林业总产值2003年林业 总产值5860.33亿元提高两倍以上，从而促进林业产业跨 越式发展253对我国国民经济建设具有重要的作用(3）是调整农村产业结构、解决“三农”问题的重要 支撑我国生物质资源主要分布在农村8亿多农村居民约50生

14、活用能依靠秸秆、薪柴直接燃烧农村秸秆等废弃物严重过剩随地焚烧，又造成了环境污染 发展林业生物质能源，有利于逐步实现农村用能优质化和清 洁化，也有利于农村全面建设小康社会目前我国每年有3亿多吨的农林资源剩余物没有利用若利用其中10%来发电，则可以产生总电量的10%，给农民带 来70多亿元收入，既减少环境污染，同时又提供数百万人就 业机会26三、生物质资源利用的途径生物质资源化学利用主要有三个方面: 1.生物质新材料2.生物质化学品3.生物质能源27木质纤维素n林业和农业废弃物n化学组成:纤维素半纤维素木素提取物28木材细胞壁：纤维素、半纤维素和木素29光合作用光子CO2光反应暗反应6-磷酸-果糖

15、提取物木质素半纤维素纤维素H2O淀粉其它多糖30o-o -o -o -o -o -o - o Enzyme纤维素：生物合成与生物降解EnzymeGlucose-14- linkageo-o -o -o -o -o -o - o31降解产品纤维素、半纤维素： 低聚糖 单糖 糖醇 乙醇 乙烯 膳食纤维 食品饮品的添加剂和增稠剂 药品木质素： 表面活性剂 分散剂 减水剂 油田各种用剂32木质纤维原料的化学利用木质纤维原料的化学利用 u木质纤维原料的化学利用主要是利 用木材的三大组分，即纤维素、半 纤维素和木素。 u从学科领域来看，主要为木材制浆 、木材水解和木材热解。33u近年来在木质纤维原料爆破法

16、予处理、纤维素酶解、戊糖己糖同步发酵方面也都进行了不少工作。u在戊糖利用方面，我国目前有200余家糠醛厂，产能超过30万t。2004年产糠醛20余万t，占世界产量的三分之二以上，是世界上最大的糠醛生产和出口国。 34u以糠醛为原料生产糠醇、呋喃树脂、四氢糠醇、四氢呋喃和聚四氢呋喃等一系列产品均已工业化，在国际上具有重要的地位。在木糖和木糖醇生产方面也已有多家生产厂，具有丰富的生产经验。35木材热解 u我国发展较快的为活性炭生产及其工艺设备和产品开发，已成为世界上最大的活性炭生产国。此外，近年来随着国家对生物质能源的重视，对各种裂解工艺和炉型、生物质气化、成型燃料等也都有广泛的研究和工业化生产。36木素利