(四川大學(xué) 四川 成都 610065)

生物質(zhì)能是指以自然界的生物質(zhì)為載體，直接或間接利用植物的光合作用將太陽能以化學(xué)能的形式儲存在生物質(zhì)中的一種持續(xù)可再生能源[1]。生物質(zhì)能可通過燃燒法、物理化學(xué)法、生化法和熱化學(xué)法等技術(shù)，將其轉(zhuǎn)化為二次能源，分別為熱量或電力、固體燃料(如木炭)、液體燃料(如生物柴油和乙醇)和氣體燃料(如沼氣)。目前人們已將目光投向了持續(xù)可再生的生物質(zhì)能，以緩解國內(nèi)外石油價格的上漲和自然界化石燃料的逐漸枯竭的狀況。

一、生物質(zhì)能的研究歷史

生物質(zhì)能有傳統(tǒng)與現(xiàn)代之分，傳統(tǒng)的生物質(zhì)能具有極其悠久的歷史和廣泛的利用，但其種類和利用的形式相對簡單，主要包括薪柴、草本植物、木炭、動物糞便、生物質(zhì)油脂等，可通過爐灶進行直接燃燒。傳統(tǒng)生物質(zhì)能具有燃燒工藝簡單的優(yōu)點，但其熱值及利用效率較低，且體積大，不宜大量儲藏和遠距離運輸。

真正的新能源則是指在現(xiàn)代新技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)利用的非傳統(tǒng)生物質(zhì)能，即現(xiàn)代生物質(zhì)能。這也是本文論述的對象。自20世紀(jì)70年代以來，世界各國政府開始高度關(guān)注生物質(zhì)能的研發(fā)和利用，以應(yīng)對日益突顯的能源危機和氣候變化問題，并提出了明確的發(fā)展目標(biāo)和制定了相關(guān)的法律法規(guī)和產(chǎn)業(yè)政策。目前我國的生物質(zhì)能的利用技術(shù)水平在不斷地提高，相關(guān)產(chǎn)業(yè)的規(guī)模也在逐漸擴大。生物質(zhì)能的利用可以促進我國的能源結(jié)構(gòu)多元化發(fā)展和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。中國能源儲備量較少、產(chǎn)量較低，而需求卻在逐漸增大，導(dǎo)致供需矛盾不斷突顯。開發(fā)利用生物質(zhì)能不僅能緩解能源供求緊張的形勢，同時也能拓展農(nóng)民就業(yè)和促進農(nóng)民增收。

二、生物質(zhì)能的現(xiàn)狀

(一)中國生物質(zhì)能資源種類

中國生物質(zhì)能資源種類繁多、數(shù)量可觀、分布廣闊，其中適合于能源利用的主要有五大類。第一類是農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能，主要包括農(nóng)作殘留物之一的秸稈如玉米秸、麥秸等，以及農(nóng)副產(chǎn)品加工過程中產(chǎn)生的廢棄物諸如麥殼、稻殼等。這些在過去基本被拋棄或極少被利用的農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能在現(xiàn)代生物技術(shù)的作用下將成為可利用的能源資源；第二類是畜禽糞便，因為畜禽養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了大量的糞便和墊料，而這些排泄物主要是糧食、牧草和農(nóng)作物秸稈的轉(zhuǎn)化形式，是一種常見且豐富的生物質(zhì)能；第三類是林業(yè)生物質(zhì)資源，盡管現(xiàn)在政府已實施了封山育林的生態(tài)保護政策來保護森林植被不被過度開發(fā)，然而在森林繁育和林業(yè)生產(chǎn)過程中可通過收集利用無法利用的部分作為生物質(zhì)能源。

據(jù)統(tǒng)計，每年我國農(nóng)村農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量近7億噸，其中僅一半得到了有效利用，剩余的均處于浪費狀態(tài)；每年全國畜禽的糞便排放量可達30多億噸，其干重就近5億噸；林木砍伐和木材加工過程每年產(chǎn)生約4000萬立方的剩余物[2]。綜上所述，經(jīng)核算上述生物質(zhì)廢棄物所包含的生物質(zhì)能總量可以轉(zhuǎn)化能源的潛力合計約為8億～10億噸標(biāo)準(zhǔn)煤[3]。由此可見，高效地提取、利用這些生物質(zhì)體內(nèi)貯藏的生物質(zhì)能，對于緩解當(dāng)前我國的化石能源短缺是十分有利的。

(二)我國生物質(zhì)能源分布[4]

我國農(nóng)業(yè)廢棄物主要集中分布于我國華東、華中、東北、華北、西南、西北、華南地區(qū)的主要農(nóng)區(qū)，其中華東、華中、東北、華北4個地區(qū)是作物秸稈資源分布最集中的區(qū)域，約占我國總量的70%。我國畜禽糞便資源主要集中于西南、華中和華東地區(qū)，三地區(qū)共占資源總量的約57%。四川、河南、山東、內(nèi)蒙古、湖南、云南六省的畜禽糞尿數(shù)量最大，6省共占全國畜禽糞尿資源總量的40%。我國林木生物質(zhì)資源主要分布在我國華東、華南、西南3地區(qū)，三者所占林業(yè)剩余物資源量最大，約占我國林業(yè)資源總量的65.89%。我國生活廢水和生活垃圾的分布情況受影響的因素較多，具有與當(dāng)代社會各地區(qū)或城市的城鎮(zhèn)化和工業(yè)化程度、經(jīng)濟發(fā)展水平以及人口等因素密切相關(guān)的特點，主要集中在我國東部地區(qū)。

三、生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化技術(shù)

(一)生物質(zhì)液化技術(shù)

生物質(zhì)液化是將有機大分子物質(zhì)通過水解、催化或熱解等方法轉(zhuǎn)化成低碳鏈的小分子化合物的過程。生物質(zhì)液化的產(chǎn)物包括燃料乙醇、甲醇、生物油等。在一定條件下，利用生物發(fā)酵或水解技術(shù)可將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化加工成乙醇，供汽車或其他工業(yè)使用；通過熱解可將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化加工成生物油，在一定程度上可代替石油用做燃料油，同時由于生物油中含有大量的化學(xué)品，可從生物油中提取化學(xué)產(chǎn)品帶來一定的經(jīng)濟效益。

(二)制備生物柴油

生物柴油可通過酯化反應(yīng)以動植物油脂、餐飲地溝油脂以及其他廢油等作為原料制得。生物柴油具有環(huán)境友好，含硫量低、空氣污染排放量少，可作為化工材料、易生物降解等諸多優(yōu)點。生物柴油主要有物理法、化學(xué)法和生物法三種制備方法。物理法有常見的直接混合法和微乳液法；化學(xué)法主要有裂解法、酯交換法和酯化法等；生物法主要是指生物酶催化劑合成生物柴油技術(shù)[5]。

(三)發(fā)酵制沼氣

沼氣發(fā)酵是指農(nóng)作物秸稈、人畜糞便以及工農(nóng)業(yè)排放廢水中所含的有機質(zhì)在厭氧及其他適宜的條件下，在微生物的作用下，最終轉(zhuǎn)化為以甲烷為主要成分的混合可燃氣體的過程。通過合理利用沼氣，其具有可替代柴火及化石燃料的功能。沼氣發(fā)酵一般分三個階段，分別是消化階段、產(chǎn)酸階段(先酸化再乙酸化)、產(chǎn)甲烷階段。

(四)制備燃料乙醇

生活中常見的各種綠色植物(如玉米芯、甜菜、高粱、秸稈、稻草等及許多富含纖維素的原料)都可用作提取乙醇的原料。制取乙醇是指以上述生物質(zhì)為原料通過酶催化或者化學(xué)預(yù)處理聯(lián)合生物發(fā)酵的方式將生物質(zhì)蘊藏的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成作為燃料用的乙醇(又叫生物質(zhì)乙醇)。目前，乙醇的制備技術(shù)主要有分別以淀粉為主的多糖生物質(zhì)以及木質(zhì)纖維素為主要原料的制備技術(shù)，其中以木質(zhì)纖維素為主要原料的技術(shù)應(yīng)用更為廣泛。

四、結(jié)語

生物質(zhì)能源的開發(fā)跟利用具有節(jié)約資源、改善環(huán)境等正面效益，將是我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整轉(zhuǎn)型的大勢所趨。我國國土遼闊，擁有豐富的生物質(zhì)資源。目前在化石能源在逐漸稀缺過程中，供需矛盾不斷突顯，能源成本越來越高，而生物質(zhì)能在依靠科學(xué)技術(shù)不斷進步開發(fā)，其成本則在不斷降低，可以預(yù)見，不久的將來生物質(zhì)能將大有作為。