PDF《生物质能源概述》

y 生物质能源概述 马常耕 苏晓华 ( 中国林业科学研究院林业研究所, 北京 100091) 摘要: 生物质能源是倍受世界各国重视的可再生能源.

文中介绍了生物质能源的优越性、多种转化技术体 系、类别及性能.还着重介绍了木本植物营养体中的组成成分, 指出集约经营短轮伐期乔灌木能源林是发 展生物质能源的基础.同时针对世界生物质能源树木遗传改良研究现状和存在的问题, 提出了我国生物质 能源研究的建议. 关键词: 生物质能源, 树木遗传改良, 建议 中图分类号: S

72714 文献标识码: A 文章编号: 1001-

4241 ( 2005) 06- 0032-

07 The Review on Issues of Biomass Quality Energy Ma Changgeng Su Xiaohua ( Research Institute of Forestry, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China) Abstract: Biomass quality energy, a kind of renewable energy, has aroused great attention in the world. The advantage, conversion technical systems, types and properties of this kind energy are intro - duced in this paper. In addition, the vegetative components of wood plants are also presented in de - tails, and the basic status of short rotation, intensive culture in biomass energy development is indicated as well. Meanwhile, advices for the biomass research in China are proposed according to the current re - search progress and existing problems in the genetic breeding for biomass quality energy in the world1 Key words: biomass quality energy, tree improvement

1 生物质能源的优越性 在包括太阳能、地热、风能、水能 ( 水流、 潮汐、热对流等) 和生物质能的各种可再生能 源中, 相对来讲生物质能源的地区性限制和可 控制性均比其他种类的再生能源有更多优势. 凡是有阳光和水的地方均可通过人工集约培植 获得生物质, 并以多种形式将其转化成清洁、 便于贮藏、运输的可再生能源.由于其比较优 势较多, 生产成本又低, 所以近数十年来倍受 世界各国重视. 我国在2005 年2月28 日颁布了中国可再生 能源法, 其中第

4 条规定: 国家将可再生能源 的开发利用列为能源发展的优先领域.第12 条 又说: 国家将可再生能源开发利用的科学技术 研究和产业化发展列为科技发展与高技术产业 发展的优先领域.这充分体现了可再生能源的 开发将成为我国基本能源国策.生物质能源比 其他几种再生能源有更大的群众参与性、多形 式的可转换性和相对较少的开发投入性, 这是 在多种形式的再生能源中生物质能源被国家优 先给予考虑的原因.从全世界范围看, 生物质 能源利用在各种形式的可再生能源利用的总份 额中所占比重也最大, 北欧一些国家已有大范 围把生物能源转化成电力的经验. 概括起来, 生产生物质能源时要吸收大量 温室气体, 有利于改善环境, 生物质能源材料 虽因含氧量高, 燃烧值低 ( 只相当煤的 1P 2, 燃 油的

1 P 3) , 但热解时挥发分高, 可大量转化成 高值热能.还由于其 N, S 含量比煤、燃油低, 属于清洁和环境友好型能源, 故应加强生物质 能源的研究. y 收稿日期: 2005- 09-

15 第18 卷第6 期世界林业研究Vol118 No16

2005 年12 月World Forestry Research Dec ,

2005 2 生物质能源的多种转化技术体系 概括起来, 生物质能源转化技术和产品如 图1 所示. 图1生物质能源转化技术和产品 气化: 在高温缺氧下与气化剂反应生成小 分子可燃气体. 液化: 用热化学方式将生物质转化成液体, 其中间接转化法是将生物质先热解成气体, 然 后再液化, 或者用水解和生物发酵相结合的方 法, 把生物质中的纤维素及半纤维素首先转化 成单糖或多糖, 再经发酵形成酒精, 而直接液 化法是在高温高压下通过催化剂生成液化油, 以供作汽车燃料. 热解: 是在少量给氧或不给氧的热力作用 下, 使生物质分解转化成气、液和固体三相物 质.其中气、液相物质可制成燃料油, 固体则 为木炭. 固化: 在高压下通过生物质中木素的塑化 粘合把疏松的生物质压成密度极高的成型材料, 以便利用、运输、贮藏和高效率的燃烧. 生物发酵: 是最古老的, 也是最新的一种 生物质能转换技术, 传统的有发酵制酒和沼气. 近代用产氢细菌发酵产氢, 无需光源, 可连续 稳定产氢.由于氢是最清洁能源, 故产氢菌发 酵制氢工艺倍受关注, 并获得实用成果.相关 菌种的筛选和遗传改造是生物转化研究的热点 之一. 在现今化石燃料紧缺和价格居高不下的情 况下, 生物质的热解气化、液化和发酵制氢等 已成为工艺研究的重要领域之一, 为生物质能 源开拓了广阔前景.

3 生物质能源的类别及性能 粗略地依能源主体特性把生物质能源原料 分成: ( 1) 草本植物 ))) 低密度营养体的利用. ( 2) 木本植物 ))) 木质营养体的利用. ( 3) 富含油植物)) ) 种子或营养体中富含 油脂物质的利用. ( 4) 富含糖植物)) ) 种子或营养体中富含 淀粉、糖类的利用. ( 5) 动物 ( 家畜、家禽) 粪便) )) 消化后 的残存体, 成分因动物而异. 这5种生物质能源原料中所含成分, 基本 上可分成如下几类: 它们对能的转化技术有不 同的相宜性, 因而主体转化产品也有不同. ( 1) 灰分: 由矿物元素组成, 但不同植物 的组成元素可有较大不同, 如禾本科草类不仅 含灰分比木本植物高, 且其中 SiO2 更多. ( 2) 多种挥发物质: 各种芳香族挥发油、 萜烯类. ( 3) 木素: 主要为碳氢化合物, 属聚酚类 三维网状高分子聚合物.苯丙烷为其基本结构 单元, 又分

3 种基本结构, 即愈创木基 ( 针叶 树木素的主要组成) 、紫丁香基 ( 阔叶树木素的 主要组成) 和对羟苯基 ( 禾草类) .木素本身属 难热解物质, 热解时得炭率高, 它又影响纤维 素的水解. ( 4) 碳水化合物为基础的纤维素: 纤维素 为不溶于水的均一聚糖, 其基本结构单元为 D - 吡喃式葡萄糖基 ( 脱水葡萄糖) , 由成百成千 这种葡萄糖基聚合而成.分子式为 ( C6H10 O5 ) n , 与木素比, 它含较多的氧元素, 更适合水解发 酵生产酒精, 直接燃烧时热值低. ( 5) 半纤维素: 是植物质原料中除木素、

33 第6期马常耕 苏晓华: 生物质能源概述 纤维素、果胶以外含量较高的一种不均一聚糖, 由2 种或

2 种以上的单糖结合而成, 以聚戊糖 为代表.主要结构单元有 LD- 木糖基、D- 甘 露糖基、D- 葡萄糖基、D- 半乳糖基和 L- 阿 拉伯糖基等, 一般阔叶材和草本植物中的半纤 维素高于针叶材, 针叶材叶的木素含量又高于 前者, 故针、阔叶材的能转化产品不同, 最适 合的转化技术方法也不相同.在热解中纤维素 和半纤维素的得炭率低于木素, 而溶解焦油得 率却高些.

4 木本植物营养体中的组成成分 生物质能源以木本植物为主体, 所以有必 要了解木材的主要组分: 表13类主要生物质原料的组成特点 % 成分针叶材 阔叶材 草木植物 纤维素

45 45

42 半纤维素

25 34

40 其中: 葡萄糖- 甘露糖

16 5

0 木糖925

33 木素29

21 17 灰分110 以下

110 左右

11010 以上 通常, 树木干材的纤维素多于树枝和树皮. 相反, 灰分木素、聚戊糖、聚甘露糖、聚半乳 糖及各种提取物又低于树枝和树皮, 所以树皮 在材积中所占比例影响生物质能的转换效果. 表2木材主要成分的元素构成 (干重) % 组分CHONS灰分 纤维素

40182 71

31 51142

0142 0100

0100 半纤维素

40113 61

85 52149

0153 0100

0100 木素

56189 51

75 3417

2166 0100

0100 表3不同树种木素热分解的产物比较 (干重得率) % 产物名称 松木云杉杨木 木炭

50164 451

66 44130 反应水

15175 291

15 30150

34 世界林业研究第18 卷 续表

3 产物名称 松木云杉杨木酸类

1129 11

28 1128 甲醇

0190 01

83 0187 丙酮

0129 01

18 0127 气体

14100 81

04 7105 木焦油

13100 131

83 14125 损失

4113 11

03 1148 表4纤维素和木聚糖 (半纤维素) 热解的产物比较 ( 干重得率) % 产物纤维素 木聚糖 邻乙酰基木聚糖 木炭

510 1010

101 0 反应水

1110 710

141 0 乙醛

115 214

11 0 呋喃

017 痕量

21 2 甲醇

111 113

11 0 糖醛

113 415

21 2 CO2

610 810

81 0 焦油及损失

6610 6410

491 0 * 由于纤维素和半纤维素均属高聚糖, 所以热解产物近似.

5 短轮伐期集约经营乔灌木能源林是发 展生物质能源的基础 生物质能源材料虽多种多样, 但主要仍为

2 大类, 即工农业生产的废弃物和有目的人工培 植的能源林.后者虽然比前者成本高, 但由于 生物质生产过程会吸收大量工农业生产所排放 的CO2 , 又有水土保持、污染土壤生物修复及 景观维护等效应, 所以环境- 生态效益大于其 他形式的可再生能源.它集环境、资源和经济 效益于一体.故在条件允许的情况下, 应优先 开发木本生物质能源, 树种则以广适性、低经 营成本的为宜. 人工专门培植生物质能源的最基本目标是 单位面积和单位时间有最高生物量的产出, 即 低成本生物质能源原料的获得, 故在相当长一 段时期, 研究者都把寻找更适合做能源经营的 树种和如何提高其生物质产量作为研究的重点. 而利用研究则集中在转化技术和工艺方面.这2方面均已取得巨大成就, 但本文将不对此加以 引述.目前存在的关键问题是, 转化加工工艺 的产业化和比较经济效益的不断提升, 使生物 质能源由理论的可能性过渡到产业化可行性方 面来. 我国过去曾有薪炭林方面的研究, 内容着 重生物量的高产栽........