[科普中国]-生质燃料

生质燃料提炼自生物质，所谓的生物质系指有机活体或者有机活体新陈代谢的产物，例如牛粪。不同於石油、煤炭、核能……等传统燃料，这新兴的生质燃料是种可再生燃料。

生质燃料其中一种定义是「至少80%的体积，由十年内生产的有机活体物质所提练出的燃料。」

如同煤炭与石油，生质燃料也是储存太阳能的燃料。太阳的能量经过植物光合作用的「捕捉」，以化学能的形式存於植物中。生质燃料其中一个优於大部分燃料的好处便是它可被生物分解，倘若不小心泼洒到自然环境，相较於其他燃料也较不容易造成环境污染。

原料专门培植为生质燃料原料的作物，有主要在美国出产的玉米和黄豆；主要在欧洲的亚麻籽和油菜籽；巴西的甘蔗；东南亚的椰子油。工业、农业、林业、一般家庭制造出可生物分解的产物都可以作为原料，例如：稻草、麦梗、稻糠、木材、粪便、废水和厨余……等。这些原料经由无氧消化转换为生化气体。制成燃料的生物质，其原料常常是一些未被充分使用的废弃物，像稻秣与动物废弃物。至于木材与草的品质并不直接影响能量产生的多寡。

现在有许多科学家开始研究使用藻类或蓝菌做为另一种生质燃料的原料，应用的层面包括生质柴油、甲醇、乙醇、甲烷，甚至氢燃料。以大麻做为原料的研究也在增加，但大麻的研究还得面对法律方面的问题。

在一些工业化的国家，例如德国，因为一般燃料的课税比食物的高，所以由每单位食物产生能量的价钱较用一般燃料便宜。

未来可能利用藻类(例如海藻) 来生产生质柴油，以增加生质能源效率，和减轻生质能源可能对农产品价格的影响。 不过，技术上还需一些突破，而且于生产的藻类很可能是基因改造品种，因此预防这些藻类混入生态系统也是个课题。

应用早在发现火以来，人类就开始将生质燃料作取暖和煮饭用。当电被发现后，生质燃料原本将被大量用能源生产。然而石化燃料：煤炭、石油、天然气被大量发现与其应用技术的发展，使得生质燃料在能源、交通运输等方面的功能被世人所忽略。

液态生质燃料的应用始于早期的汽车工业。内燃机的发明者，德国的尼古拉斯·奥古斯特·奥图，计划用乙醇做为这项发明的燃料。柴油引擎的发明者，德国的鲁道夫·迪塞尔，打算拿花生油做为它的燃料。由亨利·福特发明的T型福特，完全使用乙醇为燃料。但在宾州与德州的油田被发现后，石油变得很便宜也极易取得，于是汽车便开始改用石油或柴油。

问题生产生质燃料的作物被生物质分解或者烧荒种地，导致需要数十年甚至数个世纪的生物燃料才能补偿所排放的碳[1]。为了生产生质燃料，许多土地被改为农地，尤其是开发新的农地会破坏生态。生质燃料的大量使用也造成粮食价格上涨，并威胁贫穷人口的生存。

为了制造及运输生质燃料会产生污染、二氧化碳排放及使用水资源、化肥。在地生产使用生质燃料可以减少这些问题，但是就算在地生产，生质燃料在环保上可能还是不值得，甚至有些研究显示、一些已经量产的生质酒精在经济上都是不值得──例如制造玉米酒精所需要的能量会超过玉米酒精能提供的能量。

用痳疯树(又名桐油树)可用于生产生质燃料，这些作物可生长在不适于粮食作物生长的荒地、几乎不需施肥，其种子亦不可食用，对粮食生产影响更小。但有些人认为还是要避免以下状况：有些第三世界国家的农民，可能会为了赚钱，而把原本用来生产粮食作物的土地，拿来种植能源作物；就算能源作物本身不可食、也可以在不食之地种植，但是还是有减少粮食生产的危险性。

采用废弃食用油来生产生质柴油不会占用食物来源，被认为是目前真正值得推广的生质燃料，但是废油中含有许多无用物质，会增加生产问题。

纤维素乙醇是采用人体无法消化的部位，因此比较不会降低粮食生产，也可以减少新农地的需求，但是由于植物的细胞壁（纤维素主要存在的位置）构造相当复杂，且含有许多不同物质，因此以现在的技术来说，生产成本较高；此外，农业废弃物同时也是一种良好而且重要的有机肥料，因此纤维素乙醇的大量使用也是有环保上的疑虑。

生物质燃料生物质燃料：是指将生物质材料燃烧作为燃料，一般主要是农林废弃物（如秸秆、锯末、甘蔗渣、稻糠等）[1]。主要区别于化石燃料。在目前的国家政策和环保标准中，直接燃烧生物质属于高污染燃料，只在农村的大灶中使用，不允许在城市中使用。生物质燃料的应用，实际主要是生物质成型燃料（BiomassMouldingFuel，简称"BMF"），是将农林废物作为原材料，经过粉碎、混合、挤压、烘干等工艺，制成各种成型（如块状、颗粒状等）的，可直接燃烧的一种新型清洁燃料。

2017年10月27日，世界卫生组织国际癌症研究机构公布的致癌物清单初步整理参考，生物质燃料（主要是木材），家用燃料燃烧的室内排放在2A类致癌物清单中。[2]

简介生物质能是指利用自然界的植物、粪便以及城乡有机废物转化成

光合作用

的能源。生物质，除去其在地球生态环境中所起的美学价值外，对人类还是便利的经济的可再生能源。 生物质通过光合作用将 CO2和水结合形成碳氢化合物(糖)以构件生物质的骨架，并在此过程中将太阳能储存在生物体内结构化合物的化学键中。 在这一过程中伴随着大量植被的繁衍生息为人类的发展建设提供了可长期利用的能量材料。 而当它们被利用时，构成生物的基本元素 (C、O、H、N 等) 又为新生生物所用，而储存在其化学键中的能量被释放出来或转化成其他形式的能量。

人类发现了煤、石油— —石化了的生物质，这类化石能源是生物质(主

化学键

要是糖聚合物) 向类木质素片断化合物的缓慢转化过程的产物。 而这一过程历经上亿年，所以他们普遍被作为非可再生能源。

在生物质和石化资源被利用的过程中，它们最突出的区别是它们对环境的影响不同 ：当生物降解，它释放的大多数化学物质返回环境被生物体再利用 ；然而，石化资源长期深埋地下，在未被开采及利用前，能较稳定的存在，且对环境的影响较小，但是当它燃烧时，大量的石化过程中沉积的如硫、重金属等物质被释放出来且很难为生物体利用，由此造成严重的环境污染，如酸雨等。 所以，相对于石化能源，生物质燃料具有许多特有的环境价值。 它能减少气候变化，土壤侵蚀、水污染和垃圾堆积的压力、提供野生生物居住

环境和帮助维持更好的生态健康等 ;在生物利用和再生的碳循环中，生物燃烧不会产生净 CO2的释放，所以对温室效应的影响也比较小 ；燃料后产生较少生物残滞，且还可以用作生物化肥。

表 1 罗列了生物资源的一些基本数据。巨大生物潜能的开发可以通过提高已存资源的利用率和增加植物的生产率来实现。 尤其是前者，由于当今热机能量利用率低，大量的生物潜能被浪费。 为了解决这一问题，原始生物燃料被转化为其它的符合现代需要的、高效的、容易利用和运输储藏的能量形式，如电能，液体或气体燃料，或者经过处理的固体燃料。这样更多的

简单的生物质燃料使用（燃烧木材产生热）

能量从生物质中抽提出来 ，从而大大提高城乡及乡村的物质经济生活。 这也成为今天生物能源研究的核心[3]。

生物质燃料中较为经济的是生物质成型燃料，多为茎状农作物、花生壳、树皮、锯末以及固体废弃物(糠醛渣、食用菌渣等)经过加工产生的块状燃料，其直径一般为6~8毫米，长度为其直径的4~5倍，破碎率小于1.5%~2.0%，干基含水量小于10%~15%，灰分含量小于1.5%，硫含量和氯含量均小于0.07%，氮含量小于0.5%。若使用添加剂，则应为农林产物，并且应标明使用的种类和数量。

生物燃烧直接燃烧是一种最常用的、直接的和商业可行的从生物质中提取能量的方式。 从

生物燃料

供能植物到农业渣滓和废弃材料，燃烧系统几乎利用了各种形式的生物燃料。 而它们的燃烧过程相当，一般分为 4 个过程 ：

(1) 生物质中水的蒸发过程，即使经过数年干燥的木材，其细胞结构中仍含有 15 %～20 %的水；

(2) 生物质中气/汽化成分的释放，这不仅仅是烟囱中释放的气体，还包括部分可供燃烧的蒸汽混合物和蒸发的焦油；

(3) 释放的气体与空气中的氧在高温下燃烧，并产生高温分解物的喷射 ；

(4) 木材中的剩余物 (主要是碳) 燃烧，在完全燃烧条件下，木材中的能量完全释放，木材完全转变为灰烬。

这一过程的主要问题是低效率。 如上所述，溢出的火苗和可燃烧气体使绝大多

火炉

数的热无法利用而白白浪费。 以木材燃烧制沸水过程而言，1m3干木材含10G J 能量，而使 1L 水提高 1 ℃需要 412K J 的热能，所以煮沸 1L 水需要少于 400K J 的能量，数值上仅相当于 40cm3的木材— — — 仅仅是一根小树枝而已。 可实际上在一个小的火炉上，我们大概需要至少 50 倍的木材，即效率不超过 2 %。

而提高燃烧效率的方法主要有：

(1) 足够高的温度；

(2) 足够的氧；

(3) 充分的燃烧时间；

(4) 较少的能量逃逸。

设计一个高效的火炉或锅炉，为此提供了保证。 在过去的十几年里，锅炉设计取

锅炉

得了长足的发展，以满足更高的效率和更少的释放量 (灰尘和CO)的需要。 特别在燃烧室的设计，燃烧的空气供给和燃烧自动控制过程等方面都取得较大的进步。 手动锅炉，燃机效率已经从 50 %提高到 75 %～90 %，而自动锅炉，从 60 %上升到了 85 %～92 %。

但是由于各种原始的生物燃料都极易降解，所以它们不易用于长时间的储存。 而且由于它们相对较低的能量密度，所以长距离的运输也显得极不经济。再则虽然锅炉在热能利用率上取得一定的进展，但是总的能量利用率仍然很低。 所以通过其他形式从生物质中获取能源，以提高能量的利用率，满足长距离的能量供给和储备在 20 世纪 80 年代后成为了研究的热点。

生物质液体燃料生物质能资源包括农作物秸秆和农业加工剩余物、薪材及林业加工剩余物、禽畜粪便、工业有机废水和废渣、城市生活垃圾和能源植物，可转换为多种终端能源如电力、气体燃料、固体燃料和液体燃料，其中受到最多关注的是生物质液体燃料（生物燃油）。

生物液体燃料生物液体燃料（生物燃油）[1]是中国今后开发利用生物质能的一个主要方向

1.1 生物液体燃料产业的主要驱动因素生物质能资源包括农作物秸秆和农业加工剩余物、[2]薪材及林业加工剩余物、禽畜粪便、工业有机废水和废渣、城市生活垃圾和能源植物，可转换为多种终端能源如电力、气体燃料、固体燃料和液体燃料，其中受到最多关注的是生物质液体燃料（生物燃油）。世界不少国家已经开始发展生物燃油产业（包括生物燃油加工业以及其相关产业，如能源农业和能源林业），其中共同的目的在于保障石油安全。

2004 年中国石油净进口量为1.2 亿吨，消费量为3.1 亿吨，进口依存度达到了38.7%；国际能源署（IEA）预测中国到2010 年、2020 年石油进口依存度将达到61.0%和76.9%。石油进口量和进口依存度的迅速攀升给中国石油安全带来了日益严重的影响；中国的石油安全问题也引起了一些国家的顾虑。国产的石油和石油替代燃料能否“养活中国”呢？与资源有限的煤炭液化和国内油气资源开发等手段相比，资源可再生而且潜力巨大的生物燃油技术也受到了越来越多的关注。巴西生物燃油产业利用蔗糖发酵制取生物乙醇，2002 年消费量达到了104 亿公升，替代率接近40%。

美国和欧盟国家在生物燃油产业方面也有丰富的经验。不过巴西的发展背景与中国更为接近。巴西生物燃油产业（以生物乙醇工程为开端，后来又发展了生物柴油）源于1975 年，起因主要有二：一是出于国家能源安全和经济发展的考虑，在1973-1974 年第一次石油危机中，由于巴西80%的燃料依赖进口，油价暴涨使巴西损失了40 亿美元，经济也受到沉重打击；其次是为了促进国内种植业的发展和保护农民的利益，因为巴西是全球最大的甘蔗种植区。

1.2 发展生物燃油产业将带来显著的环境效益能源农林业的大规模发展可以有效地绿化荒山荒地、减轻土壤侵蚀和水土流失。大量使用生物燃油对中国大气环境的保护和改善也有着突出的意义：与化石燃料相比，生物燃油的使用很少产生NOx 和SOx 等大气污染物；由于生物质CO2的吸收和排放在自然界形成碳循环，其能源利用导致的CO2 排放远低于常规能源。到2050 年生物燃油开发量如果能达到1.05 亿吨（这一数据是基于能源研究所2005 年“中国能源中长期开发利用前景分析”研究项目的生物质能部分的情景分析；情景分析中能源林业以生产生物柴油原料为主，能源农业以生产生物乙醇原料为主；其中2020 年、2030 年、2050 年预计开发量为：生物乙醇0.039、0.079、0.16 亿吨，生物柴油0.15、0.33、0.89 亿吨），则可绿化约3000 万公顷荒山荒地，减排约3.1 亿吨 CO2。

1.3 发展生物燃油产业将为中国“三农”问题做出贡献 建设从能源农林业到生物燃油加工业的生物燃油产业链可以成为中国解决“三农”问题的一个有力手段。

1.3.1 带动农业经济和林业经济2020 年生物燃油开发量预计为1900 万吨左右，初步估算可给国家和地方创产值1000 亿元。到2050 年生物燃油开发量如果能达到1.05 亿吨，将创造5000亿元左右的年产值、吸纳1000 万个以上的劳动力（主要是能源农林业接纳的就业），并为带动农村经济发展起到极大的作用；形成这部分生物燃油产能的初始投资（主要是产业建设投资，荒地改造和树种等费用相对较低）预计可以控制在1.0 万亿元以内：年产值与产能投资的比值（大于1：2）大于某些常规能源产业的比值（例如，火电的年产值与产能投资的比值约为1：2.5）1。

1.3.2 创造大量就业特别是农村地区的就业可以吸纳1000 万个以上的劳动力，其中主要是农村劳动力，这有利于缓解农村大量劳动力闲置的局面。

1·3.3 为中国的城镇化建设提供有力支持一方面，中国的城镇化建设提高了人均能源需求量，特别是人均燃油需求量；另一方面，城镇化建设需要与之相伴的产业建设和就业机会的创造（一定程度上还需要增加在农村的就业机会以缓冲农村向城镇的移民浪潮）：能源农林业（和生物燃油加工业）在这两方面都可以发挥重要作用。

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所