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  生态科普>>生物质能源



  生物质能源


  生物质从广义上讲,指任何可再生的或可循环的有机物质,包括所有的动物、植物和微生物, 以及由这些生命体排泄和代谢的所有有机物质。对于大多数动物与微生物(除了光能异养型微生物),它们不能直接利用光能作为能源,不能同化CO2,相反是在释放CO2,而植物可以利用太阳能,同化大气中的CO2为生物质,而且不再向大气中释放新的碳,因此,利用植物为可再生生物质相对于利用动物、微生物更有效,所以可再生生物质主要强调世界上所有的植物物质。

  2000年时,美国能源部门估计认为,每年贮藏在植物体内的能源是我们人类年产能量的七倍多,人类年产能来源主要为石油、煤碳、核能、水力发电及少量的可再生能源。大量开发生物质可再生能源以满足人类对能源的大量需求,弥补非可再生能源的日益匮乏,成为迫在眉睫的事情。

  目前生物质能源不能成为主要能源的原因是将生物质转化为能源被证明是一件相当困难至少是耗资很高的事情。种植许多农作物主要是为了获得淀粉、糖、蛋白质、天然油脂和纤维素,以作为高价值的食物和纤维素产品。玉米淀粉已经成为美国发酵生产乙醇的主要碳源,这是目前利用生物质转化为可再生能源的最大的运输燃料来源。开发利用很少利用的高等植物细胞壁成为获得生物质能源的焦点。初生细胞壁中最主要的聚合物是纤维素,其次是半纤维素,最后是果胶质。次生细胞壁中主要是纤维素。在一些成熟和加厚的细胞壁中,常沉积木质素。木质素和半纤维素对纤维素形成了一个保护套,要想有效水解纤维素,需要去掉保护套,这就为纤维素的利用提高了难度,同时纤维素降解本身也是转化生物质的限速步骤。

  国内外生物质能源的利用包括发展农作物秸秆畜禽粪便生产沼气、生物质热裂解制油、生物质能源发电、生物转化法生产生物质液体燃料等。

  将秸秆和粪便有机质通过厌氧发酵, 产生可以燃烧的气体—沼气(包括一氧化碳、甲烷和氢气),这样不仅可以解决农村的燃料问题, 减少了由于直接燃烧利用产生的CO2 、S02 等有害气体对环境的污染,而且为开发清洁能源开辟了一条新的途径, 工程具有明显的能源、生态和社会效益, 同时也具有一定的经济效益。

  生物质热裂解制油是指在无氧化条件或虽有轻度氧化条件存在, 但气化尚不至于大量发生的情况下, 以高的加热速率将生物质加热到中温, 热裂解析出的挥发成分, 在反应器内停留极短的时间即被快速冷却而获得液体产物的过程, 生物质热裂解制油技术能将丰富的低品位生物质能转化为高品质的燃料油和化工原料, 受到世界各国的广泛关注。生物油是复杂的有机成分混合物, 并具有较强的酸性、低硫低氮、高热值和清洁卫生的特点。由于生物油含有糠醛、二甲氧基苯酚、2-甲氧基-4-甲基苯酚、丁子香酚、雪松醇、2-呋喃酮等多种成分, 如果直接利用制得的生物油, 其品质将达不到理想的应用标准,还需进行相应的改性, 如以水或二氧化碳等去除生物油中的氧, 以获得更高的碳氢化合物含量。目前, 常用于生物油改性的办法主要有加氢处理和沸石合成技术,生物质热裂解制油技术有广阔的应用前景。改性后的生物油比原料有非常高的能量密度, 可降低运输和处理费用, 作锅炉及加热设备现有燃料的替用品, 也可替代石油加工产品作为动力燃料, 或在诸如燃气轮机中投人更高级的应用。生物油因低硫低氟等特性在利用过程中不需添加昂贵的净化处理设备。热裂解过程中获得的副产品也具有广泛的用途, 如中热值的炭因低灰、低硫等特性可作为有价值的燃料, 并可用来制取焦炭、碳电极和活性炭等, 甚至可与油或水按一定比例混合制取炭油浆或炭水浆。

  生物质能源发电指利用生物质资源进行的发电。一般分直接燃烧发电技术和气化发电技术。包括农林废弃物直接燃烧发电、农林废弃物气化发电、垃圾焚烧发电、垃圾填埋气发电、沼气发电。世界生物质发电起源于20世纪70年代,当时,世界性的石油危机爆发后,丹麦开始积极开发清洁的可再生能源,大力推行秸秆等生物质发电。自1990年以来,生物质发电在欧美许多国家开始大发展。

  生物转化法生产生物质液体燃料中,乙醇是典型的生物转化为燃料产品。利用淀粉发酵是一方面,利用生物质纤维素转化是一方面。对于淀粉发酵生产乙醇技术已经相当成熟。对于利用生物质纤维素转化需要对生物质用酸或其它方法进行预处理,去掉木质素与半纤维素,再利用酶解纤维素产生乙醇,或者利用能直接降解纤维素产乙醇的菌生产乙醇。在欧美各国作为能源植物来研究的柳枝稷Panicum virgatum,可用于燃料乙醇的生产。美国科学家的这项最新研究, 在生物质能转化为燃料能源上迈出了重要一步。他们找到了一种有效的方法, 成功的让柳枝稷、白杨树等植物的木质纤维素转化为绿色汽油, 该研究成果有助于扫清绿色汽油市场化的关键障碍, 首次实现植物纤维素到汽油组分的直接转变。生物柴油是另一种使用较多的生物质能源。利用大豆、油菜和食物残( 废)油等通过酯交换工艺制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料。目前美国生物柴油年生产能力为100万t以上; 欧盟2001 年已超过100 万t, 计划在2020 年使生物柴油的市场占有率达12%; 意大利已拥有9 家生物柴油的生产厂; 德国2000 年产量已达25 万t, 拥有300 多个生物柴油加油站。美国能源署要求, 到2010 年, 美国要将生物柴油产量提高到1200 万t。

  面临能源短缺问题, 全世界都在谋求以循环经济、生态经济为指导, 坚持可持续发展战略, 从保护人类自然资源、生态环境出发, 充分有效地利用可再生的、巨大的生物质能源。而能源开发的一个很有潜力的方向便是充分利用生物质能源。这是解决全世界面临的能源短缺问题的有效途径。




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