[科普中國]-生物質(zhì)燃料

簡介

生物質(zhì)能是指利用自然界的植物、糞便以及城鄉(xiāng)有機廢物轉(zhuǎn)化成的能源。生物質(zhì)，除去其在地球生態(tài)環(huán)境中所起的美學(xué)價值外，對人類還是便利的經(jīng)濟的可再生能源。 生物質(zhì)通過光合作用將 CO2和水結(jié)合形成碳氫化合物(糖)以構(gòu)件生物質(zhì)的骨架，并在此過程中將太陽能儲存在生物體內(nèi)結(jié)構(gòu)化合物的化學(xué)鍵中。 在這一過程中伴隨著大量植被的繁衍生息為人類的發(fā)展建設(shè)提供了可長期利用的能量材料。 而當(dāng)它們被利用時，構(gòu)成生物的基本元素 (C、O、H、N 等) 又為新生生物所用，而儲存在其化學(xué)鍵中的能量被釋放出來或轉(zhuǎn)化成其他形式的能量。

人類發(fā)現(xiàn)了煤、石油— —石化了的生物質(zhì)，這類化石能源是生物質(zhì) (主要是糖聚合物) 向類木質(zhì)素片斷化合物的緩慢轉(zhuǎn)化過程的產(chǎn)物。 而這一過程歷經(jīng)上億年，所以他們普遍被作為非可再生能源。

在生物質(zhì)和石化資源被利用的過程中，它們最突出的區(qū)別是它們對環(huán)境的影響不同 ：當(dāng)生物降解，它釋放的大多數(shù)化學(xué)物質(zhì)返回環(huán)境被生物體再利用 ；然而，石化資源長期深埋地下，在未被開采及利用前，能較穩(wěn)定的存在，且對環(huán)境的影響較小，但是當(dāng)它燃燒時，大量的石化過程中沉積的如硫、重金屬等物質(zhì)被釋放出來且很難為生物體利用，由此造成嚴重的環(huán)境污染，如酸雨等。 所以，相對于石化能源，生物質(zhì)燃料具有許多特有的環(huán)境價值。 它能減少氣候變化，土壤侵蝕、水污染和垃圾堆積的壓力、提供野生生物居住環(huán)境和幫助維持更好的生態(tài)健康等 ;在生物利用和再生的碳循環(huán)中，生物燃燒不會產(chǎn)生凈 CO2的釋放，所以對溫室效應(yīng)的影響也比較小 ；燃料后產(chǎn)生較少生物殘滯，且還可以用作生物化肥。

表 1 羅列了生物資源的一些基本數(shù)據(jù)。巨大生物潛能的開發(fā)可以通過提高已存資源的利用率和增加植物的生產(chǎn)率來實現(xiàn)。 尤其是前者，由于當(dāng)今熱機能量利用率低，大量的生物潛能被浪費。 為了解決這一問題，原始生物燃料被轉(zhuǎn)化為其它的符合現(xiàn)代需要的、高效的、容易利用和運輸儲藏的能量形式，如電能，液體或氣體燃料，或者經(jīng)過處理的固體燃料。這樣更多的能量從生物質(zhì)中抽提出來 ，從而大大提高城鄉(xiāng)及鄉(xiāng)村的物質(zhì)經(jīng)濟生活。 這也成為今天生物能源研究的核心3。

生物質(zhì)燃料中較為經(jīng)濟的是生物質(zhì)成型燃料，多為莖狀農(nóng)作物、花生殼、樹皮、鋸末以及固體廢棄物(糠醛渣、食用菌渣等)經(jīng)過加工產(chǎn)生的塊狀燃料，其直徑一般為6~8毫米，長度為其直徑的4~5倍，破碎率小于1.5%~2.0%，干基含水量小于10%~15%，灰分含量小于1.5%，硫含量和氯含量均小于0.07%，氮含量小于0.5%。若使用添加劑，則應(yīng)為農(nóng)林產(chǎn)物，并且應(yīng)標(biāo)明使用的種類和數(shù)量。

生物燃燒直接燃燒是一種最常用的、直接的和商業(yè)可行的從生物質(zhì)中提取能量的方式。 從供能植物到農(nóng)業(yè)渣滓和廢棄材料，燃燒系統(tǒng)幾乎利用了各種形式的生物燃料。 而它們的燃燒過程相當(dāng)，一般分為 4 個過程 ：

(1) 生物質(zhì)中水的蒸發(fā)過程，即使經(jīng)過數(shù)年干燥的木材，其細胞結(jié)構(gòu)中仍含有 15 %～20 %的水；

(2) 生物質(zhì)中氣/ 汽化成分的釋放，這不僅僅是煙囪中釋放的氣體，還包括部分可供燃燒的蒸汽混合物和蒸發(fā)的焦油；

(3) 釋放的氣體與空氣中的氧在高溫下燃燒，并產(chǎn)生高溫分解物的噴射 ；

(4) 木材中的剩余物 (主要是碳) 燃燒，在完全燃燒條件下，木材中的能量完全釋放，木材完全轉(zhuǎn)變?yōu)榛覡a。

這一過程的主要問題是低效率。 如上所述，溢出的火苗和可燃燒氣體使絕大多數(shù)的熱無法利用而白白浪費。 以木材燃燒制沸水過程而言，1m3 干木材含10G J 能量，而使 1L 水提高 1 ℃需要 412K J 的熱能，所以煮沸 1L 水需要少于 400K J 的能量，數(shù)值上僅相當(dāng)于 40cm3 的木材 — — — 僅僅是一根小樹枝而已。 可實際上在一個小的火爐上，我們大概需要至少 50 倍的木材，即效率不超過 2 %。

而提高燃燒效率的方法主要有：

(1) 足夠高的溫度；

(2) 足夠的氧；

(3) 充分的燃燒時間；

(4) 較少的能量逃逸。

設(shè)計一個高效的火爐或鍋爐，為此提供了保證。 在過去的十幾年里，鍋爐設(shè)計取得了長足的發(fā)展，以滿足更高的效率和更少的釋放量 (灰塵和 CO)的需要。 特別在燃燒室的設(shè)計，燃燒的空氣供給和燃燒自動控制過程等方面都取得較大的進步。 手動鍋爐，燃機效率已經(jīng)從 50 %提高到 75 %～90 %，而自動鍋爐，從 60 %上升到了 85 %～92 %。

但是由于各種原始的生物燃料都極易降解，所以它們不易用于長時間的儲存。 而且由于它們相對較低的能量密度，所以長距離的運輸也顯得極不經(jīng)濟。再則雖然鍋爐在熱能利用率上取得一定的進展，但是總的能量利用率仍然很低。 所以通過其他形式從生物質(zhì)中獲取能源，以提高能量的利用率，滿足長距離的能量供給和儲備在 20 世紀(jì) 80 年代后成為了研究的熱點。

生物轉(zhuǎn)化制能沼氣沼氣的生產(chǎn)和使用是最早的通過生物轉(zhuǎn)化提供能量的過程。 沼氣，主要成分甲烷(CH4) 是由甲烷產(chǎn)氣菌在厭氧條件下將有機物分解轉(zhuǎn)化而成。 甲烷產(chǎn)生菌由于其細胞中不含觸酶和過氧化歧化酶，所以它是嚴格的厭氧細菌 — — — 氧對其有致死作用。 另外，它們對碳 - 能源的類型有特殊的要求，可利用的基質(zhì)分為三類：

(1) 含有 1～6 個炭原子的短鏈脂肪酸；

(2)含 1～5 個碳原子的正或異醇類；

(3) 三種氣體：H2 、CO和 CO2 。

由于這種特殊的底物要求給甲烷的大規(guī)模生產(chǎn)提出了技術(shù)和經(jīng)濟上的問題。

乙醇乙醇是最重要的醇類燃料。 乙醇作為能源具有諸多優(yōu)良的特性 ，如發(fā)酵底物范圍廣 ，幾乎包括各種原始生物材料；優(yōu)良的燃燒特性；燃料無殘滯和高的辛烷比；有益于環(huán)境的無污染燃料 ，特別是無鉛、CO2、CO、SO2、粒子和其它碳氫化合物；可以直接與石油天然氣混合 (最優(yōu)條件下 ，乙醇占 20 %～30 %) 作為內(nèi)燃機的液體燃料，從而改良燃料性能 ，減少三廢的排放。

乙醇的發(fā)酵過程與釀酒過程非常相似 ，一般涉及以下 4 個步驟：

(1) 制醇植物的生長、收割和運輸；

(2) 預(yù)處理 ，將原始的生物材料轉(zhuǎn)化為適合發(fā)酵過程的底物；

(3) 發(fā)酵過程將底物轉(zhuǎn)化為乙醇 ，并分離提?。?/p>

(4) 發(fā)酵廢渣的處理 ，以減少污染和回收副產(chǎn)物。

可用作乙醇發(fā)酵的原料 ，范圍很廣。 最近利用木質(zhì)纖維素作為碳源和發(fā)酵系統(tǒng)成為了研究的熱點[7 ] 。木質(zhì)纖維素是自然界中廣泛存在價格低廉的可再生自然資源 ，它的主要成分是聚多糖 (主要為纖維素和半纖維素) 和木質(zhì)素。 可以用作制醇原料的是聚多糖，但必須先通過酸和酶水解等前處理手段將其轉(zhuǎn)化成糖才能直接被細胞利用。 而該過程是降低醇制造工業(yè)成本的關(guān)鍵步驟。木質(zhì)素不能被生物轉(zhuǎn)化為乙醇 ，但它同其他發(fā)酵廢渣可以作為鍋爐燃料或用作生物化肥。

傳統(tǒng)的乙醇發(fā)酵過程是利用酵母，特別是釀酒酵母(S . cerevisiae) ，通過EMP途徑將葡萄糖降解為丙酮酸，接著由丙酮酸脫羧酶脫羧和乙醇脫氫酶還原生成乙醇。 現(xiàn)在常用的是利用基因工程技術(shù) ，在大腸桿菌(E. coli) 中整合運用酵單孢菌 (Z. mobilis) 的丙酮酸脫羧酶和乙醇脫氫酶基因 ，發(fā)酵制備乙醇4。

在過去的幾十年里乙醇發(fā)酵技術(shù)和效率得到了迅速的提高 ，新技術(shù)新工藝不斷涌現(xiàn) ，生產(chǎn)規(guī)模也越來越大。 今天 ，在美國每年平均通過發(fā)酵制取乙醇2 百億加侖，提供全美汽車燃油總量的 1 %以上。拉丁美洲，尤其是巴西，是世界上最大的進行乙醇發(fā)酵的地區(qū)。 在巴西 ，自從 1975 年國家醇儲備計劃 (theNational Alcohol Programmer ， ProAlcool) 后 ，巴西已經(jīng)通過甘蔗發(fā)酵制取了近 900 億升的乙醇 ，大量的石化能源被乙醇所代替 ，為石化能源的進口節(jié)省了巨額開支。

生物柴油生物柴油是指植物油與甲醇進行酯交換制造的脂肪酸甲酯，是一種潔凈的生物燃料。 由于乙醇在柴油機應(yīng)用中的缺陷 (不能和柴油互溶，無法直接引燃等) ，以及生物柴油自身優(yōu)良的燃燒特性 ，生物柴油在今天也是生物燃料研究中的熱點。 生物柴油的生產(chǎn) ，一般有如下方法：

(1) 植物油酶法 ，即借助脂酶對廢食用油進行酯交換反應(yīng) ，生產(chǎn)生物柴油。 最近有報道 ，采用固定化酶技術(shù)并在反應(yīng)過程中分段添加甲醇，使生產(chǎn)效率得到大幅提高并大大增加了酶的使用壽命。

(2) 利用甘蔗渣發(fā)酵生產(chǎn)柴油。

(3) 控制脂質(zhì)累積水平使乙酰輔酶A 羧化酶基因在微藻細胞中的高效表達 ，由此通過培養(yǎng)的微藻來生產(chǎn)柴油5。

氫氣氫氣是另一種 21 世紀(jì)的重要能源。 今天氫氣主要從石化工業(yè)中生產(chǎn) ，但由于其過程高能耗、高成本以及污染環(huán)境等特性 ，使得生物制氫過程成為研究的熱點。 生物制氫主要靠藍細菌和綠藻的光裂解水制氫 ，或厭氧發(fā)酵制氫 ，但是這些過程高額的成本 ，以及氫氣作為能源儲存運輸?shù)碾y題 ，使得氫氣走向?qū)嵱眠€為時過早。

另外 ，傳統(tǒng)的石化工業(yè)中 ，將微生物發(fā)酵運用到現(xiàn)代的石油開采技術(shù)中來提高原油的回收率也屢有報道，并已經(jīng)在一些油田中推廣使用 ，如勝利油田。 這也表明即使在傳統(tǒng)的石化能源中也有生物制能的影子3。

生物制電將生物質(zhì)中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿纳镏齐娺^程 ，主要分成兩種 ：傳統(tǒng)的通過燃燒發(fā)電和生物電池。傳統(tǒng)的燃燒發(fā)電 ，在前文中已有提及 ，可以細分為兩種形式 ：

(1) 通過生物質(zhì)在鍋爐中燃燒 ，制蒸汽，再由蒸汽發(fā)電 ；

(2) 生物質(zhì)氣化產(chǎn)物燃燒制電。 而生物電池不同 ，其制電過程是在溫和條件下 ，通過生物催化直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^程。

傳統(tǒng)的生物發(fā)電是通過生物質(zhì)在鍋爐中燃燒產(chǎn)生高密度蒸氣 ，再由蒸汽驅(qū)動渦輪機發(fā)電。 該技術(shù)在今天已經(jīng)獲得了很好的發(fā)展 ，并且可以利用廣泛的可燃原料 ，但是由于其相對的低能量利用率和低操作效率 (而且就長遠的角度看兩者的提高的潛力極為有限) ，以及由于高蒸汽壓力( > 1200atm ，以提高蒸汽溫度增加能量利用率) 的需要所帶來的操作高危險性 ，這一技術(shù)的進一步發(fā)展受到限制。 生物氣化是一種從生物質(zhì)中獲取電能的新方法。 代替直接的燃燒 ，生物質(zhì)在首先轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇颊羝?img src="https://img-xml.kepuchina.cn/images/newsWire/xXC3jWRWd2u5Q0iFacoQ4YXs1gll5bIB94kz.jpg" alt="" />的過程中利用了大約65 % — 70 %的生物質(zhì)所含能量。 制備的氣體 ，和天然氣一樣 ，可以用于發(fā)電、汽車驅(qū)動以及被廣泛的工業(yè)使用。 可以說 ，這種新技術(shù)，發(fā)展?jié)摿艽蟆Ｉ镫姵氐陌l(fā)電機制主要有兩種 ：

(1) 在反應(yīng)器中 ，利用微生物發(fā)酵將原材料轉(zhuǎn)變?yōu)槿剂袭a(chǎn)品 ，如 H2，再由它在串聯(lián)的發(fā)電設(shè)備中氧化生電 ，見圖 1A ;或者將微生物發(fā)酵和制電過程合為一體 ，微生物的代謝產(chǎn)物直接通過電極上的電子傳遞媒介物同氧化物 (O2 或H2O2) 發(fā)生電子傳遞 ，產(chǎn)生電 ，圖 1B 。

(2) 利用固定在電極氧化還原酶，氧化還原專一性的燃料物質(zhì)和氧化底物 ，從而產(chǎn)生電。 這一過程的基本原理見圖 2。

由于大多數(shù)的氧化還原酶無法與導(dǎo)電支持物直接發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，因此一系列的電子傳遞媒介物被研最近一些新穎的覆蓋了單層或多層生物催化酶的功能電極被報道。 組合了具有生物活性的單膜電極 ，在保證生物催化速率的同時 ，大大加快界面電子轉(zhuǎn)移速率 ，減小了電池內(nèi)阻，為生物電池小巧化、穩(wěn)定化的發(fā)展提供了保證。小巧便攜 ，高效穩(wěn)定和長壽命是生物電池發(fā)展的方向。 一種理想的狀態(tài)是插入式的電池能夠利用人體內(nèi)天然的燃料物質(zhì) (如葡萄糖等) 高效持續(xù)的產(chǎn)生電能為醫(yī)療診斷等目的所用 ，如支持心臟起搏器、體內(nèi)探針等長期正常的運行3。

優(yōu)勢隨著化石能源價格的不斷攀升，生物質(zhì)能的利用價值越來越高，除傳統(tǒng)的薪柴、秸稈、蔗渣外，專門作為燃料的高產(chǎn)植物也不斷培育成功。

木質(zhì)廢料或植物燃料作為鍋爐燃料，替代燃煤或燃油，不僅節(jié)約不可再生的化石能源和企業(yè)能耗成本，而且由于木質(zhì)廢料中幾乎不含硫，對環(huán)境的污染更小6。它具有以下優(yōu)勢：

（1）生物質(zhì)燃料發(fā)熱量大，發(fā)熱量在3900~4800千卡/kg左右，經(jīng)炭化后的發(fā)熱量高達7000—8000千卡/kg。

（2） 生物質(zhì)燃料純度高，不含其他不產(chǎn)生熱量的雜物，其含炭量75—85%，灰份3—6%，含水量1—3%

（3）絕對不含煤矸石，石頭等不發(fā)熱反而耗熱的雜質(zhì)，將直接為企業(yè)降低成本。

（4） 生物質(zhì)燃料不含硫磷，不腐蝕鍋爐，可延長鍋爐的使用壽命，企業(yè)將受益匪淺。

（5） 由于生物質(zhì)燃料不含硫磷，燃燒時不產(chǎn)生二氧化硫和五氧化二磷，因而不會導(dǎo)致酸雨產(chǎn)生，不污染大氣，不污染環(huán)境。

（6） 生物質(zhì)燃料清潔衛(wèi)生，投料方便，減少工人的勞動強度，極大地改善了勞動環(huán)境，企業(yè)將減少用于勞動力方面的成本。

（7）生物質(zhì)燃料燃燒后灰碴極少，極大地減少堆放煤碴的場地，降低出碴費用。

（8） 生物質(zhì)燃料燃燒后的灰燼是品位極高的優(yōu)質(zhì)有機鉀肥，可回收創(chuàng)利。

（9） 生物質(zhì)燃料是大自然恩賜于我們的可再生的能源，它是響應(yīng)中央號召，創(chuàng)造節(jié)約性社會，工業(yè)反哺農(nóng)業(yè)的急先鋒。