生物质能源如何实现高值化利用？

　　提到再生能源，人们总会先想到太阳能、风能，但有这么一种物质，它随处可见被随意丢弃，但只要加以利用，就会变废为宝。如今，我国大力推进生态文明建设，生物质的利用迎来了新的发展机遇。生物质能源低碳环保，可从根基上改变目前能源使用的现状，创造出巨大的财富。

　　一、生物质资源总量估算

　　生物质资源主要分为5大类，见表1。

表1、我国生物质资源总量估算

　　第一类是农作物秸秆（玉米秸、稻草、麦秆、高粱秸、豆杆、棉花杆、谷壳等），这类生物质资源虽然较多（7-9亿t），但还考虑到农作物秸秆在回田、饲料以及作为工业原料等方面的应用，余下可用于生物质能和生物基化学品的有3.1亿t，折合1.5亿吨标煤。

　　第二类是林业废弃物，约占4000万t/a；

　　第三类畜禽粪便，这类生物质资源丰富，达到干中5亿t，可产沼气2200亿m3；

　　第四类是生活污水和工业有机废水，其中含固体废渣2500万t；

　　第五类是城市固体废物，可利用的量约为1亿t。

　　这五类合起来，构成了中国目前主要生物质资源的分布，总量达到了8-10亿吨标准煤。

　　生物质的重要成分是碳水化合物，其中含氧量过高是生物质的最大特点之一（表2）。

表2、BiomassCompositions（干基）

　　从表2中看出，光合作用的产物——碳水化合物中氧占的比重高达40%，因此天然状态下的碳水化合物的能量密度很低，净热效率（LHV）只有16%左右。为此，在设计高效利用生物质资源时，必须要优先考虑以下2个问题：

　　1、生物质资源要转化为能量密度更高（叫做碳氢富集或脱氧过程）、方便携带和运输的物质形式；

　　2、在生物质从天然状态转变为能量密度较高的物质形式中时，尽量减少转化步骤、减少损失。

　　二、生物质能源高值化利用的可行途径

　　当前，人类开发利用生物质资源的技术有6大类，它们分别是：直接燃烧、厌氧消化（沼气）、糖发酵（产生物乙醇）、油料提取及生物柴油、热解（产生物油）、气化（产合成气）。目前来说，比较可行的生物质能源高值化开发利用的途径有三个。

　　1、生物甲烷的生产生物甲烷（沼气）的生产是通过沼气发酵过程来实现，这个实质上是微生物的物质代谢和能量转换过程。在分解代谢过程中沼气微生物获得能量和物质，以满足自身生长繁殖，同时大部分物质转化为甲烷和二氧化碳。

　　科学测定分析表明：有机物约有90%被转化为沼气。10%被沼气微生物用于自身的消耗。发酵原料生成沼气实际上是通过一系列复杂的生物化学反应来实现的。

　　从能源产生的角度来理解，可以这样认为：沼气发酵过程的本质，是利用微生物群落的代谢功能，通过分子和原子的重排，将含氧量高达40%左右的生物质（通过分子式为：CH1.4O0.6）去氧，实现碳、氢两元素的富集化的过程，产物是能量密度比出发原料（生物质）高得多的碳氢化合物——甲烷。

　　由于有机物有近90%可以转化为沼气，因此这是少有的很高效的转化过程。沼气发酵的能量转换效率其理论值可达65%以上。这也是为什么最近国际上极力推崇此技术的重要原因之一。

　　2、生物质发电

　　生物质发电是指利用生物质原料来代替煤碳，燃烧后推动火电厂的汽轮机组进行发电。生物质发电之所以较为可行，主要是它能够利用现有火电厂的基础设施，使总投资大幅度降低。生物质发电在我国主要是指生物质（例如秸秆、林废资源）直接燃烧发电。在国外，生物质发电的原料来源分为三块：

　　1）生物质像烧柴火一样直接燃烧；

　　2）生物质“热解”所得的生物油，可以运输到别处，也可以就地燃烧推动汽轮机发电；

　　3）生物质“气化”所得的合成气（氢气和一氧化碳），可以燃烧推动汽轮机发电。

　　3、纤维素乙醇的低成本生产

　　今后几十年在找到高效的替代化学品之前，乙醇依然是生物液体燃料的首选之一，任何想在当前的形势下抛弃乙醇作为液体燃料的想法都是幼稚的，或者至少是不现实的。燃料乙醇分为第一代和第二代。

　　第一代主要以淀粉质（谷物、薯类等人类粮食）为原料。由于粮食安全原因，各国现在都转到第二代燃料乙醇，即以纤维素为原料的燃料乙醇。纤维素乙醇当前最大问题是成本过高，国内每t成本在9000-12000元之间。造成成本过高的原因有三个（除去原料的价格波动、原料运输成本）：

　　1）纤维素原料的前处理成本高；

　　2）纤维素酶的成本高，可达2000-3500元；

　　3）纤维素水解液的糖度低，发酵醪液的酒度低，导致蒸馏成本增加。

　　三、生物质能源高值化利用要解决的问题

　　1、能源转化效率的控制

　　任何能源的形式和使用均需要从一种形式转化为另一种形式，而部分能量恰恰就损失于各个转化步骤中。生物质能源更是如此。生物质能源的根本来源是生物体对光能的捕获。因此，生物质能源的基本问题之一就是转化效率。

　　生物质可以转化能源，也可以转化为化学品。而转化的基本方法无非就是两种：化学法和生物法。不管是化学法还是生物法，核心都在于催化剂。催化剂是节能降耗、提高效率的关键。

　　例如在生物甲烷的生产中，甲烷细菌群众有关酶的活力越高，所用的酶量就越少。在纤维素乙醇的生产中，纤维素气化过程产生合成气（即氢气和一氧化碳的混合物）欲转化为液体燃料，也必须依赖高效专一的催化剂。

　　2、植物木质纤维素结构与组分组成的改造

　　改造植物的木质纤维素的结构与组分组成的核心问题是如何提高纤维素含量，同时减少木质素含量。这样对纤维素乙醇的生产极为有利。相对含量改变之后，不管是对前处理还是酒精产率都会产生正面影响。

　　结语

　　生物质能源的开发利用是个多学科交叉、融合的新兴研究领域。生物质能源产业作为我国战略性新兴产业，受到国家的大力推行，有技术密集、资本密集、劳动密集、产业链条厂、带动力度强的特点。