[科普中国]-生物质燃料

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。

生物转化制能沼气沼气的生产和使用是最早的通过生物转化提供能量的过程。 沼气，主要成分甲烷(CH4) 是由甲烷产气菌在厌氧条件下将有机物分解转化而成。 甲烷产生菌由于其细胞中不含触酶和过氧化歧化酶，所以它是严格的厌氧细菌 — — — 氧对其有致死作用。 另外，它们对碳 - 能源的类型有特殊的要求，可利用的基质分为三类：

(1) 含有 1～6 个炭原子的短链脂肪酸；

(2)含 1～5 个碳原子的正或异醇类；

(3) 三种气体：H2 、CO和 CO2 。

由于这种特殊的底物要求给甲烷的大规模生产提出了技术和经济上的问题。

乙醇乙醇是最重要的醇类燃料。 乙醇作为能源具有诸多优良的特性 ，如发酵底物范围广 ，几乎包括各种原始生物材料；优良的燃烧特性；燃料无残滞和高的辛烷比；有益于环境的无污染燃料 ，特别是无铅、CO2、CO、SO2、粒子和其它碳氢化合物；可以直接与石油天然气混合 (最优条件下 ，乙醇占 20 %～30 %) 作为内燃机的液体燃料，从而改良燃料性能 ，减少三废的排放。

乙醇的发酵过程与酿酒过程非常相似 ，一般涉及以下 4 个步骤：

(1) 制醇植物的生长、收割和运输；

(2) 预处理 ，将原始的生物材料转化为适合发酵过程的底物；

(3) 发酵过程将底物转化为乙醇 ，并分离提取；

(4) 发酵废渣的处理 ，以减少污染和回收副产物。

可用作乙醇发酵的原料 ，范围很广。 最近利用木质纤维素作为碳源和发酵系统成为了研究的热点[7 ] 。木质纤维素是自然界中广泛存在价格低廉的可再生自然资源 ，它的主要成分是聚多糖 (主要为纤维素和半纤维素) 和木质素。 可以用作制醇原料的是聚多糖，但必须先通过酸和酶水解等前处理手段将其转化成糖才能直接被细胞利用。 而该过程是降低醇制造工业成本的关键步骤。木质素不能被生物转化为乙醇 ，但它同其他发酵废渣可以作为锅炉燃料或用作生物化肥。

传统的乙醇发酵过程是利用酵母，特别是酿酒酵母(S . cerevisiae) ，通过EMP途径将葡萄糖降解为丙酮酸，接着由丙酮酸脱羧酶脱羧和乙醇脱氢酶还原生成乙醇。 现在常用的是利用基因工程技术 ，在大肠杆菌(E. coli) 中整合运用酵单孢菌 (Z. mobilis) 的丙酮酸脱羧酶和乙醇脱氢酶基因 ，发酵制备乙醇4。

在过去的几十年里乙醇发酵技术和效率得到了迅速的提高 ，新技术新工艺不断涌现 ，生产规模也越来越大。 今天 ，在美国每年平均通过发酵制取乙醇2 百亿加仑，提供全美汽车燃油总量的 1 %以上。拉丁美洲，尤其是巴西，是世界上最大的进行乙醇发酵的地区。 在巴西 ，自从 1975 年国家醇储备计划 (theNational Alcohol Programmer ， ProAlcool) 后 ，巴西已经通过甘蔗发酵制取了近 900 亿升的乙醇 ，大量的石化能源被乙醇所代替 ，为石化能源的进口节省了巨额开支。

生物柴油生物柴油是指植物油与甲醇进行酯交换制造的脂肪酸甲酯，是一种洁净的生物燃料。 由于乙醇在柴油机应用中的缺陷 (不能和柴油互溶，无法直接引燃等) ，以及生物柴油自身优良的燃烧特性 ，生物柴油在今天也是生物燃料研究中的热点。 生物柴油的生产 ，一般有如下方法：

(1) 植物油酶法 ，即借助脂酶对废食用油进行酯交换反应 ，生产生物柴油。 最近有报道 ，采用固定化酶技术并在反应过程中分段添加甲醇，使生产效率得到大幅提高并大大增加了酶的使用寿命。

(2) 利用甘蔗渣发酵生产柴油。

(3) 控制脂质累积水平使乙酰辅酶A 羧化酶基因在微藻细胞中的高效表达 ，由此通过培养的微藻来生产柴油5。

氢气氢气是另一种 21 世纪的重要能源。 今天氢气主要从石化工业中生产 ，但由于其过程高能耗、高成本以及污染环境等特性 ，使得生物制氢过程成为研究的热点。 生物制氢主要靠蓝细菌和绿藻的光裂解水制氢 ，或厌氧发酵制氢 ，但是这些过程高额的成本 ，以及氢气作为能源储存运输的难题 ，使得氢气走向实用还为时过早。

另外 ，传统的石化工业中 ，将微生物发酵运用到现代的石油开采技术中来提高原油的回收率也屡有报道，并已经在一些油田中推广使用 ，如胜利油田。 这也表明即使在传统的石化能源中也有生物制能的影子3。

生物制电将生物质中的化学能转变为电能的生物制电过程 ，主要分成两种 ：传统的通过燃烧发电和生物电池。传统的燃烧发电 ，在前文中已有提及 ，可以细分为两种形式 ：

(1) 通过生物质在锅炉中燃烧 ，制蒸汽，再由蒸汽发电 ；

(2) 生物质气化产物燃烧制电。 而生物电池不同 ，其制电过程是在温和条件下 ，通过生物催化直接将化学能转变为电能的过程。

传统的生物发电是通过生物质在锅炉中燃烧产生高密度蒸气 ，再由蒸汽驱动涡轮机发电。 该技术在今天已经获得了很好的发展 ，并且可以利用广泛的可燃原料 ，但是由于其相对的低能量利用率和低操作效率 (而且就长远的角度看两者的提高的潜力极为有限) ，以及由于高蒸汽压力( > 1200atm ，以提高蒸汽温度增加能量利用率) 的需要所带来的操作高危险性 ，这一技术的进一步发展受到限制。 生物气化是一种从生物质中获取电能的新方法。 代替直接的燃烧 ，生物质在首先转变为可燃蒸汽的过程中利用了大约65 % — 70 %的生物质所含能量。 制备的气体 ，和天然气一样 ，可以用于发电、汽车驱动以及被广泛的工业使用。 可以说 ，这种新技术，发展潜力很大。生物电池的发电机制主要有两种 ：

(1) 在反应器中 ，利用微生物发酵将原材料转变为燃料产品 ，如 H2，再由它在串联的发电设备中氧化生电 ，见图 1A ;或者将微生物发酵和制电过程合为一体 ，微生物的代谢产物直接通过电极上的电子传递媒介物同氧化物 (O2 或H2O2) 发生电子传递 ，产生电 ，图 1B 。

(2) 利用固定在电极氧化还原酶，氧化还原专一性的燃料物质和氧化底物 ，从而产生电。 这一过程的基本原理见图 2。

由于大多数的氧化还原酶无法与导电支持物直接发生电子转移，因此一系列的电子传递媒介物被研最近一些新颖的覆盖了单层或多层生物催化酶的功能电极被报道。 组合了具有生物活性的单膜电极 ，在保证生物催化速率的同时 ，大大加快界面电子转移速率 ，减小了电池内阻，为生物电池小巧化、稳定化的发展提供了保证。小巧便携 ，高效稳定和长寿命是生物电池发展的方向。 一种理想的状态是插入式的电池能够利用人体内天然的燃料物质 (如葡萄糖等) 高效持续的产生电能为医疗诊断等目的所用 ，如支持心脏起搏器、体内探针等长期正常的运行3。

优势随着化石能源价格的不断攀升，生物质能的利用价值越来越高，除传统的薪柴、秸秆、蔗渣外，专门作为燃料的高产植物也不断培育成功。

木质废料或植物燃料作为锅炉燃料，替代燃煤或燃油，不仅节约不可再生的化石能源和企业能耗成本，而且由于木质废料中几乎不含硫，对环境的污染更小6。它具有以下优势：

（1）生物质燃料发热量大，发热量在3900~4800千卡/kg左右，经炭化后的发热量高达7000—8000千卡/kg。

（2） 生物质燃料纯度高，不含其他不产生热量的杂物，其含炭量75—85%，灰份3—6%，含水量1—3%

（3）绝对不含煤矸石，石头等不发热反而耗热的杂质，将直接为企业降低成本。

（4） 生物质燃料不含硫磷，不腐蚀锅炉，可延长锅炉的使用寿命，企业将受益匪浅。

（5） 由于生物质燃料不含硫磷，燃烧时不产生二氧化硫和五氧化二磷，因而不会导致酸雨产生，不污染大气，不污染环境。

（6） 生物质燃料清洁卫生，投料方便，减少工人的劳动强度，极大地改善了劳动环境，企业将减少用于劳动力方面的成本。

（7）生物质燃料燃烧后灰碴极少，极大地减少堆放煤碴的场地，降低出碴费用。

（8） 生物质燃料燃烧后的灰烬是品位极高的优质有机钾肥，可回收创利。

（9） 生物质燃料是大自然恩赐于我们的可再生的能源，它是响应中央号召，创造节约性社会，工业反哺农业的急先锋。