第一章 緒論

第一節(jié) 生物質(zhì)資源發(fā)展及特點

生物質(zhì)是指利用大氣、水、土地等通過光合作用而形成的各種有機體，即一切有生命的、可以生長的有機物質(zhì)統(tǒng)稱為生物質(zhì)。它包括所有的植物、動物和微生物。廣義上講，生物質(zhì)包括所有的植物、微生物和以植物、微生物為食物的動物及其生產(chǎn)的廢棄物（如糞便、廢水等）。人們可通過物理、化學(xué)、微生物方法對生物質(zhì)進行加工，將其轉(zhuǎn)化為飼料、肥料、能源和生物基工業(yè)等多種產(chǎn)品，從而將其資源化利用，所以說生物質(zhì)是一種資源。

一、生物質(zhì)資源概念的提出及發(fā)展

一萬多年前，人類開始馴養(yǎng)野生動植物和發(fā)展從事生物質(zhì)生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)，使人類離開洞穴，放棄漁獵采集，到豐美的平原上，過上耕耘養(yǎng)殖、豐衣足食的田園生活，開創(chuàng)了輝煌的農(nóng)業(yè)文明。動植物為人類生存繁衍提供了所需的營養(yǎng)，以及生產(chǎn)、生活所需要的燃料，生物質(zhì)生產(chǎn)是最古老和全面意義上的“能源產(chǎn)業(yè)”。

隨著社會的發(fā)展，到工業(yè)社會時，傳統(tǒng)的生物質(zhì)燃料已不能滿足大量和集中供能的需要。19世紀的煤炭和20世紀的石油、天然氣成為人類社會生產(chǎn)和生活的主要能量來源，支撐了輝煌的工業(yè)文明。但一二百年的高強度開采與消費，使這些非再生的化石能源資源漸趨枯竭。同時，全球變暖和環(huán)境惡化引起國際社會的極大憂慮。自20世紀90年代，“登博斯宣言”“21世紀議程”“京都議定書”等相繼面世，“可持續(xù)發(fā)展”成為時代的最強音。當人們將目光聚焦到可再生的清潔能源時，生物質(zhì)能源重新受到關(guān)注，成為可再生能源中爍爍閃光的亮點，當然不只是簡單地燃燒，而是基于現(xiàn)代技術(shù)的高效利用。20世紀30年代，美國就開始了對剩余農(nóng)產(chǎn)品，如用玉米生產(chǎn)變性淀粉、大豆生產(chǎn)印刷油墨等的工業(yè)性開發(fā)；70年代的石油危機才喚起了人們對生物燃料代替石油的研究。美國和巴西用玉米和甘蔗生產(chǎn)燃料乙醇，歐洲以油菜為原料生產(chǎn)生物柴油，將林業(yè)廢棄物固化成型燃燒，以及沼氣發(fā)電等都取得了成功，為古老的生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)打開了一個新的替代性能源窗口，窺視到一片生機盎然的絢麗前景。

直到20世紀末，生物質(zhì)才作為一個專門概念被提出和開始進行系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，因而在提出的角度、概念和內(nèi)涵上不盡一致。一般認為，生物質(zhì)（biomass）主要是指可再生或循環(huán)的有機物質(zhì)，包括農(nóng)作物、樹木和其他植物及其殘渣（residues）；也有從資源的高效利用和循環(huán)經(jīng)濟效益考慮，對農(nóng)林廢棄生物質(zhì)資源給予更多重視，提出生物質(zhì)以非食用木質(zhì)纖維素類物質(zhì)（non-food plant）為主；還有“生物基工業(yè)”（bio-based industry）的提法，除生物能源、生物燃料外涵蓋了整個生物化工產(chǎn)品，以及基因工程制藥。狹義性的生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)概念是指利用可再生或循環(huán)的有機物質(zhì)，包括農(nóng)作物、林木和其他植物及其殘體、畜禽糞便、有機廢棄物，以及利用邊際性土地和水面種植能源植物為原料，通過工業(yè)性加工轉(zhuǎn)化，進行生物基產(chǎn)品（bio-based products）、生物燃料（bio-fuels）和生物能源（bio-energy）生產(chǎn)的一種新興產(chǎn)業(yè)。

隨著人口的增長和經(jīng)濟的發(fā)展，我國的能源問題已經(jīng)變得越來越突出。21世紀初到2020年，我國能源可持續(xù)發(fā)展的目標為力爭達到利用能源消費翻一番實現(xiàn)國民經(jīng)濟翻兩番。具體為到2020年一次能源消費總量30×108tce（ton of standard coal equivalent，即1噸標準煤當量），而2010年約為21×108tce。然而根據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，2009年全國一次能源消費總量已經(jīng)超過30×108tce，比預(yù)期時間提前了21年。縱觀我國的經(jīng)濟發(fā)展勢頭，對能源的需求依然會保持強勁的增長。更為嚴峻的是化石能源并不是可再生資源，中國已探明的石油、天然氣、煤炭儲量分別只夠使用14年、32年和100年，全世界石油也只夠用40年。另外，我國主要的一次性能源消費主要來自煤炭，2007年煤炭占一次能源消費比例69.5%、煙塵和CO2排放量的70%、SO2的90%、氮氧化物的67%。此外，機動車快速增長所帶來的污染不斷加劇。中國已經(jīng)是能源消費第一大國和CO2排放第二大國，要求中國限排溫室氣體的國際壓力也越來越大，2020年以后中國將難以回避溫室氣體排放限制的承諾。作為一種潔凈而又可再生的能源，生物質(zhì)是唯一可替代化石能源轉(zhuǎn)化成氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)燃料以及其他化工原料或者產(chǎn)品的碳資源。

二、生物質(zhì)資源的特點

生物質(zhì)能一直是人類賴以生存的重要能源，僅次于煤炭、石油和天然氣，居于世界能源消費總量的第四位，在整個能源系統(tǒng)中占有重要的地位。生物質(zhì)能具有以下特點。

（1）豐富性及廣泛分布性

只要有陽光照射，植物就會進行光合作用，生物質(zhì)能就會不斷積累。生物質(zhì)能就是太陽能以化學(xué)能形式儲存在生物質(zhì)中的能量形式，即以生物質(zhì)為載體的能量。根據(jù)生物學(xué)家估算，植物界每年由光合作用攜帶來的有機質(zhì)大約為1.73×1011t，相當于3×1021J的能量。另外，全世界每天產(chǎn)生的垃圾和排放的廢水中都蘊藏了很多能量，據(jù)統(tǒng)計，全世界每天的垃圾為2.7×108t，所有的這些有機物和無機物都是潛在的生物質(zhì)資源。生物質(zhì)能源的年生產(chǎn)量遠遠超過全世界總能源需求量，相當于目前世界總能耗的10倍，而作為能源的利用量還不到總量的1%，開發(fā)潛力巨大。同時，只要有綠色植物的地方就有生物質(zhì)能，分布非常廣泛。從生物質(zhì)能資源中提取或轉(zhuǎn)化得到的能源載體很廣泛，涵蓋氣、液、固3種形態(tài)。

（2）可再生性

生物質(zhì)能與風(fēng)能、太陽能等同屬可再生能源，資源豐富，可保證能源的永續(xù)利用，符合當前可持續(xù)發(fā)展的要求和循環(huán)經(jīng)濟的理念，更符合科學(xué)發(fā)展觀的要求。中國工程院副院長杜祥琬院士就曾指出“生物質(zhì)能源是最具產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化前景的可再生性能源，將在我國能源中占舉足輕重的作用”。

（3）易獲取性

生物質(zhì)能源具有普遍性、易獲取性。幾乎不分國家和地區(qū)，它到處存在，而且價格低廉、容易獲取，生產(chǎn)過程極為簡單。

（4）低污染性

生物質(zhì)資源替代化石燃料可以減少SO2、CO2等污染物的排放，改善環(huán)境質(zhì)量。在使用過程中幾乎沒有SO2產(chǎn)生，生物質(zhì)能源燃料燃燒所釋放出的CO2大體上相當于其生長時通過光合作用所吸收的CO2，所以應(yīng)用生物質(zhì)能源時CO2的排放可被認為是零。

（5）儲運便利

在可再生能源中，生物質(zhì)能是唯一可以儲存和運輸?shù)哪茉矗@對其加工與連續(xù)使用帶來一定的方便。

（6）技術(shù)難題少，便于開發(fā)利用

傳統(tǒng)化石能源的開采和利用技術(shù)往往比較復(fù)雜，需要一定階段的研究才能轉(zhuǎn)化利用。而在新能源中，例如風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮堋⒊毕艿龋镔|(zhì)能因其開發(fā)更具有層次性，無論是初級產(chǎn)品還是高級產(chǎn)品，都與人類的生產(chǎn)生活密切相關(guān)，所以開發(fā)利用也更為廣泛。正是基于此原因，生物質(zhì)資源開發(fā)技術(shù)上的難度相對較小。人們既可以利用生物質(zhì)能的熱能效應(yīng)，例如生物質(zhì)直接燃燒；又能將其簡單的熱能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能、電能等高層次能源，如生物質(zhì)做成液體燃料，氣化生產(chǎn)沼氣，用于發(fā)電等。