朱冬梅，張紅兵

　　【摘要】化石能源的日益緊缺及其衍生的環(huán)境污染問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重。生物質(zhì)能源的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，因其可再生性和環(huán)保性，越來(lái)越受到人們的重視。本文首先介紹了生物質(zhì)能源相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)，然后綜述了生物乙醇與生物柴油的發(fā)展情況，并展望了生物質(zhì)能源的發(fā)展趨勢(shì)。

　　隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)能源的依賴程度逐漸增加，需求與日俱增，目前作為能源主要載體的化石燃料面臨枯竭，油價(jià)飛漲，壓力突出。消耗化石能源引起的污染越來(lái)越嚴(yán)重，不利于環(huán)保要求，必須尋求清潔、安全、可靠、可持續(xù)發(fā)展的新能源體系，從而保護(hù)自然資源和生態(tài)環(huán)境。生物質(zhì)能源是可再生能源的重要構(gòu)成部分，具有產(chǎn)業(yè)化和規(guī)模化發(fā)展趨勢(shì)，也是傳統(tǒng)化石能源的替代品，在未來(lái)的能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化中占據(jù)重要地位，各國(guó)政府無(wú)不關(guān)注，并積極引導(dǎo)相關(guān)專家從事生物質(zhì)能源新技術(shù)的開(kāi)發(fā)研究。

　　一、 生物質(zhì)能源

　　生物質(zhì)能源是指通過(guò)植物光合作用，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為植物體內(nèi)的化學(xué)能。生物質(zhì)能源作為一種可再生能源，它的開(kāi)發(fā)利用可為解決當(dāng)前全球變暖、化石能源成本飛漲和環(huán)境污染等重大問(wèn)題提供新的途徑。

　　(一)生物質(zhì)能源的特點(diǎn)。

　　1.可再生性。可再生能源，儲(chǔ)備多，獲取方便，具有天然的自我再生功能，可以保證能源長(zhǎng)久持續(xù)的使用。

　　2.環(huán)保性。利用生物質(zhì)能源對(duì)降低CO₂排放有突出作用，有助于減緩溫室效應(yīng)，并且在轉(zhuǎn)化過(guò)程的同時(shí)減少硫化物、氮化物和粉塵等的排放。

　　3.兼容性。可直接使用，也可以利用轉(zhuǎn)化工藝作為二次能源使用。生物質(zhì)可以通過(guò)生物，化學(xué)和物理方法轉(zhuǎn)換成生物能源。

　　4.缺點(diǎn)。生物質(zhì)分布不集中、單位體積內(nèi)的能量低、低發(fā)熱量和種類多而雜等。

　　(二)生物質(zhì)能源的主要來(lái)源。

　　目前，主要的生物質(zhì)能源來(lái)源如作物秸稈、林場(chǎng)枝葉廢棄物、畜牧糞便等非糧物質(zhì)。但長(zhǎng)久以來(lái)，人們對(duì)生物質(zhì)資源中的固體廢棄物常用堆肥、填埋、焚燒等方式處理，導(dǎo)致廢物處理時(shí)間久，污染土壤和水資源；雖然焚燒法的熱值高，可是成本高，而且易污染大氣。因此若是能夠高效利用這些廢棄物來(lái)生產(chǎn)新能源物質(zhì)可以增加產(chǎn)業(yè)利潤(rùn)，還可以解決環(huán)境污染的問(wèn)題。

　　1.作物秸稈。農(nóng)作物秸稈，包含其收獲后的剩余物，以及農(nóng)產(chǎn)品加工后的廢棄物，是豐富的可再生生物質(zhì)資源。

　　2.園林、林業(yè)廢棄物。從數(shù)據(jù)看，2011年我國(guó)城市建成區(qū)的綠化占地約40％。隨著城市園林綠化業(yè)的發(fā)展，綠化廢棄物數(shù)不勝數(shù)。

　　3.畜禽糞便。隨著菜籃子計(jì)劃的實(shí)施，我國(guó)養(yǎng)殖業(yè)逐漸發(fā)展壯大。家養(yǎng)的畜禽糞便不易匯集，會(huì)直接漚肥用于肥田；規(guī)模畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)每年產(chǎn)生大量養(yǎng)殖糞污，且容易集中處理并充分利用，防止有機(jī)物的排放對(duì)環(huán)境和地下水造成污染。

　　(三)生物質(zhì)的利用。

　　植物生物量是地球上最豐富的可再生資源。典型植物生物質(zhì)中包含約40％～50％的纖維素，20％～40％的半纖維素以及20％～35％的木質(zhì)素，它們互相聯(lián)結(jié)形成一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。由于木質(zhì)素具有疏水性和纖維素的結(jié)晶性，纖維素被木質(zhì)素和半纖維素所包裹，所以復(fù)雜的植物材料在進(jìn)一步處理之前需要被解構(gòu)為化學(xué)形態(tài)更簡(jiǎn)單的物質(zhì)。這些中間物的形式包括糖，合成氣，有機(jī)酸和甲烷。通過(guò)形成合成氣來(lái)利用纖維素可以采用熱化學(xué)過(guò)程來(lái)完成，其次是Fischer-Tropsch反應(yīng)和通過(guò)CO₂固定的Wood-Ljungdahl途徑進(jìn)行的微生物轉(zhuǎn)化。木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸或甲烷的混合厭氧培養(yǎng)的過(guò)程類似于瘤胃發(fā)酵。所有這些生物燃料生產(chǎn)的過(guò)程都已經(jīng)進(jìn)行了探索，發(fā)現(xiàn)在微生物，分子和生物化學(xué)的水平上進(jìn)行研究是非常必要的，這樣可以充分發(fā)掘它們?cè)趹?zhàn)略目標(biāo)上取代化石燃料的潛力。

　　1.生物質(zhì)能源的主要應(yīng)用技術(shù)。生物質(zhì)材料主要通過(guò)物理、化學(xué)和生物等方法轉(zhuǎn)變成可直接利用的能源物質(zhì)。

　　(1)物理方法。即改變生物質(zhì)的形態(tài)得到高密度的固體成型燃料，這需要借助外力作用。如通過(guò)高溫／高壓作用將疏松的生物質(zhì)原料壓縮成具有一定形狀和密度的成型物，以減少運(yùn)輸成本，提高燃燒效率。比如固化利用技術(shù)：即把生物質(zhì)粉碎成細(xì)小顆粒，然后特定的溫度、濕度和壓力下，壓縮成型，使其熱值高，密度大，能很好地解決生物質(zhì)本身的缺點(diǎn)。且顆粒燃料的熱值接近煤熱值的60％，可以替代煤和天然氣等。

　　(2)化學(xué)方法。目前生物質(zhì)能應(yīng)用最多的是傳統(tǒng)化學(xué)。以生物發(fā)酵為代表，包括傳統(tǒng)的發(fā)酵制取乙醇和沼氣，也包括現(xiàn)代的ABE(Acetone-Butanol-Ethanol)發(fā)酵技術(shù)制取丁醇和發(fā)酵制氫；以及生物化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)，在微生物的發(fā)酵作用下生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成沼氣、酒精等。

　　(3)生物方法。利用酶等微生物，將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)乙醇及其他化工原料。

　　二、生物質(zhì)能源開(kāi)發(fā)利用情況

　　從2008年開(kāi)始，化石燃料的價(jià)格接連升高，而以糧食轉(zhuǎn)化的第一代生物燃料飽受爭(zhēng)議。當(dāng)下，全球都在探索第二代生物燃料。第二代生物燃料目前主要有以下幾種：發(fā)酵技術(shù)：通過(guò)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇；生物制氫技術(shù)：將生物質(zhì)通過(guò)發(fā)酵生成氫氣；還有生物甲烷，即沼氣技術(shù)。還有生物質(zhì)合成油，用化學(xué)法將生物質(zhì)制成液體燃料(英文簡(jiǎn)稱BTL)。這種液體燃料作為可再生的清潔能源，以及其具有的能源多元化，是新能源技術(shù)的閃光燈。

　　(一)生物乙醇。糖類、淀粉類和纖維木質(zhì)素類是乙醇生產(chǎn)的主要原料。作為原料，美國(guó)以玉米為主；巴西主要是甘蔗；歐盟主要是小麥和甜菜；中國(guó)則以玉米、小麥、木薯為主。我國(guó)基于“不與人爭(zhēng)糧，不與糧爭(zhēng)地”的認(rèn)知，充分利用非糧原料  發(fā)展生物乙醇。重要的化工產(chǎn)品乙烯，其生產(chǎn)依賴化石能源。化石能源危機(jī)阻礙其生產(chǎn)，而利用生物乙醇制備乙烯則很有發(fā)展?jié)摿ΑＩ龂?guó)等提出生物乙醇制作乙烯是一條可持續(xù)發(fā)展的化工路線。

　　(二)生物柴油。生物柴油主要依靠物理和化學(xué)方法生產(chǎn)。化學(xué)法中的酯交換反應(yīng)應(yīng)用較多，其對(duì)原料要求低，生產(chǎn)成本較低，但反應(yīng)過(guò)程有副產(chǎn)品、二次污染等問(wèn)題，制約著生物柴油的發(fā)展。近些年又提出了微藻生物柴油，第一個(gè)開(kāi)發(fā)利用微藻來(lái)生產(chǎn)生物柴油的國(guó)家是美國(guó)。國(guó)內(nèi)外微藻生物柴油多處于開(kāi)端，限制其產(chǎn)業(yè)化的重要因素是原料成本高。因此，減少微藻產(chǎn)油成本是研究重點(diǎn)。

　　(三)其他生物燃料的研究情況。沼氣由微生物新陳代謝產(chǎn)生，微生物吸取生物質(zhì)能量，產(chǎn)生甲烷(主要)、二氧化碳。秸稈、畜禽糞便等是沼氣生產(chǎn)的主要材料。尹藝冉  等探索生物能源產(chǎn)生的熱值，發(fā)現(xiàn)厭氧產(chǎn)甲烷過(guò)程對(duì)水生植物的資源化更有幫助。另外對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行高溫?zé)峤猓褪巧镔|(zhì)在高溫下(>=700℃)，添加一些空氣(氧氣)，生物質(zhì)就會(huì)熱裂解，生成可燃混合氣體和不可燃?xì)怏w。此氣體是生物質(zhì)燃?xì)猓兓罂晒┸囕v驅(qū)動(dòng)使用。另一種是使用電力和自養(yǎng)生物將CO₂轉(zhuǎn)化成液體的電燃料。與生物光合作用相比，由于光伏技術(shù)的效率更高，因此理論上，電燃料比光合作用產(chǎn)生的燃料具有更高的將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化燃料的效率。此外，對(duì)于光合微生物來(lái)說(shuō)，需要將光反應(yīng)和暗反應(yīng)分離開(kāi)來(lái)繞過(guò)昂貴的培養(yǎng)系統(tǒng)。

　　三、生物質(zhì)能源的發(fā)展趨勢(shì)

　　(一)積極發(fā)展非糧生物燃料。發(fā)展非糧生物質(zhì)能源能充分利用廢棄資源，促進(jìn)環(huán)保和節(jié)能減排。非糧原料生物燃料是生物燃料工業(yè)的發(fā)展趨向。

　　(二)研發(fā)纖維素乙醇。第二代生物燃料正在積極研發(fā)。未來(lái)的燃料乙醇會(huì)以纖維素類生物原料為重點(diǎn)。現(xiàn)在，許多國(guó)家都頒布了鼓勵(lì)發(fā)展纖維素乙醇政策。

　　(三)開(kāi)發(fā)高產(chǎn)油藻，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。微藻能在各種惡劣的環(huán)境中密集生長(zhǎng)，其生產(chǎn)能力強(qiáng)，而且所生產(chǎn)的生物柴油不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。因此，工程微藻是未來(lái)生產(chǎn)生物柴油的重要發(fā)展方向。