第二章 生物質資源分類及主要應用

第一節 生物質資源分類

目前，很多國家都在積極研究和開發利用生物質能。生物質能蘊藏在植物、動物和微生物等可以生長的有機物中，它是由太陽能轉化而來的。有機物中除礦物燃料以外的所有來源于動植物的能源物質均屬于生物質能，通常包括木材、森林廢棄物、農業廢棄物、水生植物、油料植物、城市和工業有機廢棄物、動物糞便等。地球上的生物質能資源較為豐富，而且是一種無害的能源。地球每年經光合作用產生的物質有1.73×1011t，其中蘊涵的能量相當于全世界能源消耗總量的10～20倍，但目前的利用率不到3%。

生物質能的相關研究已成為能源、環保等領域的一個熱點問題。然而，學術界、產業界對于生物質的分類問題還未形成統一的分類方法。

一、根據來源分類

一般都是依據來源的不同，將適合于能源利用的生物質分為林業資源、農業資源、生活污水和工業有機廢水、固體廢物以及畜禽糞便5大類。

（一）林業資源

林業生物質資源是指森林生長和林業生產過程提供的生物質能源，包括薪炭林、在森林撫育和間伐作業中的零散木材、殘留的樹枝、樹葉和木屑等；木材采運和加工過程中的枝丫、鋸末、木屑、梢頭、板皮和截頭等；林業副產品的廢棄物，如果殼和果核等。其中，作為生物質資源利用的有3類。

（1）木質燃料

木質燃料主要是薪炭林、木竹生產的剩余物，灌木林平茬和森林撫育間伐產生的枝條、小徑材，經濟林和城市綠化修剪枝杈等。在“三北”地區，主要以沙棘、檸條、黃柳、山杏、山桃、檉柳等樹種為主；華北和中原地區，主要以檉柳、沙棘、刺槐等樹種為主；南方地區，主要以刺槐、櫟類、鐵刀木、桉樹、楊樹等樹種為主；東南沿海熱帶亞熱帶地區，主要以黎蒴栲、大葉櫟、相思、木麻黃、桉樹等樹種為主。

（2）木本油料資源

油料植物中，種子含油量40%以上的植物有150多種，能夠規模化培育的喬灌木樹種有30多種。我國主要有油棕、無患子、小桐子、光皮樹、文冠果、黃連木等樹種的基地，適當考慮的樹種有山桐子、山蒼子、鹽膚木、歐李、烏桕、東京野茉莉、銀合歡等，其中油棕、無患子等9個樹種相對成片分布面積超過1×106hm2，年果實產量1×106t以上，全部加工利用可獲得4×106t生物燃油。

（3）木本淀粉類資源

我國規模化種植的木本淀粉類植物主要以櫟類、粉葛、芭蕉芋、楊樹、柳樹及灌木類為主。淀粉植物具有生產液體燃料的廣闊前景。

（二）農業資源

農業生物質能資源是指農業作物（包括能源作物）、農業生產過程中的廢棄物和能源植物。農業作物（包括能源作物）、農業生產過程中的廢棄物如農作物收獲時殘留在農田內的農作物秸稈（玉米秸、高粱秸、麥秸、稻草、豆秸和棉稈等）；農業加工業的廢棄物，如農業生產過程中剩余的稻殼等。

1．農作物秸稈

農作物秸稈是農業生產的副產品，也是我國農村的傳統燃料。秸稈資源與農業主要是種植業生產關系十分密切。目前全國農村作為能源的秸稈消費量約2.8×108t，但大多處于低效利用方式，即直接在柴灶上燃燒，其轉換效率僅為10%～20%左右。隨著農村經濟的發展、農民收入的增加，地區差異正在逐步擴大，農村生活用能中商品能源的比例正以較快的速度增加。事實上，農民收入的增加與商品能源獲得的難易程度都能成為他們轉向使用商品能源的契機與動力。在較為接近商品能源產區的農村地區或富裕的農村地區，商品能源（如煤、液化石油氣等）已成為其主要的炊事用能。以傳統方式利用的秸稈首先成為被替代的對象，致使被棄于地頭田間直接燃燒的秸稈量逐年增大，許多地區廢棄秸稈量已占總秸稈量的60%以上，既危害環境，又浪費資源。因此，加快秸稈的優質化轉換利用勢在必行。

2．能源植物

能源植物（energy plant）又稱為石油植物或生物燃料油植物，通常是指具有合成較高還原性烴的能力、可產生接近石油成分和可替代石油使用的產品的植物，以及富含油脂的植物。到目前為止，能源植物有草本、喬木、灌木類，主要集中在夾竹桃科、大戟科、蘿科、菊科、桃金娘科以及豆科。全世界已發現40多種能源植物，有續隨子、綠玉樹、橡膠樹、西蒙德木、甜菜、甘蔗、木薯、苦配巴樹、油棕、小桐子樹、黃連木、象草等。根據所含主要成分的不同，可將能源植物分成：①富含碳水化合物的能源植物，利用這類植物所得到的最終產品是乙醇。植物種類較多，分布廣泛。如菊芋、木薯、馬鈴薯、甜菜、高粱、玉米、甘蔗、芒草等，都是生產乙醇的好原料。②富含類似石油成分的能源植物。石油的主要成分是烴類，如烷烴、環烷烴等，富含烴類的植物是植物能源的最佳來源，生產成本低，利用率高。如油楠、續隨子、綠玉樹、銀合歡、苦配巴樹等。苦配巴樹又稱為香膠樹，其樹汁無須任何加工，即可當柴油用，簡單加工就成了汽油，單株年產樹汁達20～30kg，是目前已知的“石油”產量最高、質量最好的能源植物。③富含油脂的能源植物，它們既是人類食物的重要組成部分，又是工業用途非常廣泛的原料。我國境內含油量較高的樹種很多，如小桐子、黃連木、光皮樹、油桐、烏桕、翅果油樹、石栗等。

Lemus和Lai定義生物能源作物（bio-energy crop）為專門生產生物能源的任何植物材料，在此基礎上，強調生物質高產能力、高能含量和適應于邊際土地（marginal soil）等特征。能源植物和能源作物的區別在于后者是經一定人工馴化而廣泛應用于農業生產，前者則包括還沒有應用于栽培生產的能源植物種類。當前國外頻繁使用dedicated energy crop（專用能源作物）一詞，其定義是專用于生產碳源或能源的作物，用以加工形成食品和飼料以外的所有生物基產品，即除包括能源用途外，還生產化學材料（chemical）和天然纖維（natural fiber）等其他用途。綜上所述，將專門用于加工形成食品和飼料以外以能源為主的生物基產品的植物叫作能源植物，其中規模化人工栽培生產的植物稱作能源作物。

能源植物可以以植物系統分類，如表2-1所示。

按照化學組成進行此分類。能源植物的轉化利用與其化學成分組成是密切相關的，其某一組分將是轉化利用的主要原料成分，或者說其主要組分體現著該植物的主要特征，依此將能源植物分為糖料植物（sugar plant）、淀粉植物（starch plant）、油料植物（oil plant）、含油微藻植物（oil microalgae）和木質纖維素植物（lignocellulosic plant）等5類。

（1）糖料、淀粉和油料植物

糖料植物富含可溶性糖，用于生產燃料乙醇。可溶性糖轉化為乙醇的化學過程最簡單，生產成本最低，主要作物有甘蔗、甜高粱和甜菜等。巴西主要利用甘蔗生產燃料乙醇，是世界上乙醇產量和消費量最大的國家之一。

淀粉植物富含淀粉，也主要用于生產燃料乙醇。以淀粉原料生產乙醇已有很長的歷史，主要包括小麥、大麥、玉米、籽粒高粱等禾谷類作物和甘薯、木薯、馬鈴薯等薯類作物。由于我國糧食安全的重要性。此類作物中，木薯被認為是當前較適宜華南邊際地生產乙醇原料的非糧作物。

油料植物富含油脂，提取油脂后通過酯化過程形成脂肪酸甲酯類物質，即生物柴油。油菜、向日葵、蓖麻和大豆是最主要的一年生產油作物，已經在商業化生產水平上實現了以生產生物柴油為目的的大田種植。全世界主要有11種木本食用植物油，年產量為6×107t，其中棕櫚油、椰子油、油橄欖和茶油4大木本油料植物產油量占30%左右，適合在山地和丘陵地區生長，可在荒山、荒地栽培，一年栽種多年收獲。目前美國主要以大豆為原料，歐洲主要以油菜籽為原料，巴西主要以蓖麻籽和油棕櫚為原料生產生物柴油，德國主要以小桐子為原料生產生物柴油。

（2）含油微藻植物

含油微藻植物指含有極其豐富的烴類或酯類的微藻類植物，是制備液體燃料的良好原料。國外在研究含油微藻及其應用方面已有多年的歷史。培養微藻主要利用廢水和礦質養分較高的水資源，其光能利用率達到5%，且生產力很高，干物重可達到50t/hm2。將微生物和微藻混合培養，可生產高純度的乙醇、甲醇、丁烷等能源化合物。微藻熱解制備的生物質燃油熱值高，是木材或農作物秸稈的1.4～2倍。微藻的干細胞中含油70%以上，是合成生物柴油的最佳原料。含油微藻還可在廢棄地及其他沒有農業利用價值的土地上，利用廢水甚至高含鹽的水大規模培養，因而有很好的應用前景。

（3）木質纖維素植物

木質纖維素植物富含纖維素、半纖維素和木質素。木質纖維素是植物體的主要構成物質，同時也是用于制造建筑材料、紙張、紡織品和其他很多聚合體衍生物的主要可再生資源。它也是地球上在一定面積內最具有轉化成交通能源來替代石油這樣潛力的、最大且可獲得的資源。木質纖維素轉化應用范圍相當廣泛，可炭化生產固體顆粒燃料或獲得熱能、電能、沼氣、生物質燃氣和生物油等，纖維素乙醇的生產工藝日益成熟，也是其他用途（如生物煉制）的主要原料。由于其生物產量很高，是自然界中最豐富的生物質資源，因此被稱作生物質作物。這類作物多數屬多年生，生產成本低，抗逆性強，生態適應范圍廣，有利于保持水土、增加土壤有機質含量，是更適宜于邊際土地發展的能源植物類型。

（4）短期輪伐木本作物

林木生長的長周期決定了林業生產的長周期，按照常規，一株樹木從種植、幼年、中年到老年，要經過十幾年、幾十年到上百年。這種生產模式已經不能適應日益發展的社會需要。短周期速生林首先還是在美國興起的。1964年美國的Young首先提出短輪伐期和全樹利用的概念，1966年美國的Mealpine提出了短輪伐期的可能性。短期輪伐木本作物（short-rotation woody crops，SRWC）是快速生長以專門應用于能源原料的木本生物質作物，其適宜的特征為快速的幼年生長、廣泛的地區適應性和較高的抗病蟲害能力，一般2～10年輪伐1次。從1970年開始，歐美國家先后對楊樹、柳樹、桉樹、銀槭、楓樹、懸鈴木和刺槐等20多個樹種進行短期輪伐期栽培技術的研究。我國短期輪伐期速生林大都選用速生闊葉樹優良無性系，其中以黑楊類最多，其次是白楊類、柳類、桉樹、樺樹、銀合歡、榿木、懸柃木、泡桐、楝樹，針葉樹中選擇輻射松、火炬松、馬尾松等。短期輪伐速生林的收獲不僅能滿足木材的需求（生產紙漿、纖維板等），而且可以滿足人們對于能源的需求（可直接進行燃燒），深加工還可以得到煤氣、焦油、炭等。同時，這還有利于對森林資源的保護。

（5）草本植物

與木本植物相比，草本植物環境適應性強、分布廣泛、生長迅速、生活周期短，更有利于大面積種植，實現產業化。我們通常把作為能源來利用的草本植物稱為“能源草”。能源草一般分為兩類：第1類草能生產優質纖維素，干草的產量高，適用于能源、造紙、紡織和建筑業；第2類草含有類似“石油”的成分，可以用來提取石油。

富含纖維的草本植物通過生物和化學處理后，可以得到乙醇和沼氣等高燃燒值的能源，還可用作造紙原料，美國于1984年開始篩選與傳統農業生產相適應的草本木質纖維素類能源植物。以生物量最大化和應用生物技術選育優良品種為研究目標，研究得到了生產纖維素類物質潛力大的草本植物34種。芒屬植物是禾本科多年生C4草本植物，具有高效光合固碳效率、生長快、適應性強、病蟲害抗性強、產量高等特性，因而被視為優良的草本能源植物。從亞熱帶到溫帶的廣闊地區都能生長，且收獲時植株體內水分只有20%～30%，干物質產量可達30～40t/hm2，可直接燃燒產生熱量，也可以作為生物乙醇原料，每公頃產能相當于36桶石油。從1986年開始，歐美國家開始研究芒屬植物的能源利用，到目前為止，在國外已培育出幾個生物量高的芒屬植物新品系，并作為優良的能源植物大面積推廣利用。芒屬全世界大約有10種，主要分布在東南亞，我國有6種。芒屬植物主要分布在長江以南的廣大地區，在華南的山地、丘陵和荒坡原野常形成優勢群落。另外富含纖維的草本植物資源還包括：豆科的草木樨全草纖維素含量42.23%，白花車軸草纖維素含量17.93%；禾本科的小糖草莖纖維素含量36.64%，野古草全草纖維素含量26.66%（以下全為全草纖維素含量），羊草為35.46%，拂子茅為48%，小葉章為40%，披堿草為30%，垂披堿草為37.92%，硬質早熟禾為30.24%，星星草為38.9%，纖毛鵝觀草為28.7%，大油芒為31.93%；莎草科的烏拉草為50%，水蔥為35%；燈心草為49.03%。

某些野草也含有類似“石油”的成分，美國加利福尼亞州境內生長著一種野草，當地人稱為“黃鼠草”或“鼠憂草”，每公頃的黃鼠草可提煉1t石油，經雜交人工種植，產量可高達6t/hm2。美國已經從2006年開始大面積種植這種油料植物。在澳大利亞北部也發現了兩種可以提取石油的多年生野草——桉葉藤和牛角瓜，這些野草生長速度極快，每周可以長30cm，每年可以收割幾次。科學家用溶解法從這兩種野草的莖葉中提煉出一種白色汁液，可以制取石油。

（三）畜禽糞便

畜禽糞便是畜禽排泄物的總稱，它是其他形態生物質（主要是糧食、農作物秸稈和牧草等）的轉化形式，包括畜禽排出的糞便、尿及其與墊草的混合物。禽畜糞便也是一種重要的生物質能源。除在牧區有少量的直接燃燒外，禽畜糞便主要是作為沼氣的發酵原料。

（四）生活污水和工業有機污水

生活污水主要由城鎮居民生活、商業和服務業的各種排水組成，如冷卻水、洗浴排水、盥洗排水、洗衣排水、廚房排水、糞便污水等。工業有機污水主要是酒精、釀酒、制糖、食品、制藥、造紙及屠宰等行業生產過程中排出的廢水，其中都富含有機物。

（五）固體廢物

固體廢物是指在生產、生活和其他活動中產生的、喪失原有利用價值或者雖未喪失利用價值但是被拋棄或者放棄的、污染環境的固體或半固體廢棄物質，我們通常稱之為“垃圾”。2010年，據中國城市環境衛生協會統計，我國每年產生近1×109t垃圾，其中生活垃圾產生量約4×108t，建設垃圾5×108t左右，此外，還有餐廚垃圾0.1×108t左右，中國的垃圾總量在世界上是數一數二的。隨著我國城鎮化進程的加快以及人民生活水平的提高，城鎮生活垃圾還在以每年5%～8%左右的速度遞增。城鎮生活垃圾主要是由居民生活垃圾、商業/服務業垃圾和少量建筑垃圾等廢棄物所構成的混合物，成分比較復雜，其構成主要受居民生活水平、能源消費結構、城市建設、綠化面積以及季節變化的影響。中國大城市的垃圾構成已呈現向現代化城市過渡的趨勢，有以下特點：一是垃圾中有機物含量接近1/3甚至更高；二是食品類廢棄物是有機物的主要組成部分；三是易降解有機物含量高。目前中國城鎮垃圾熱值在4.18MJ/kg（1000千卡/kg）左右。

二、根據其成分分類

根據成分的不同，將適合于能源利用的生物質分為纖維素資源、糟粕類資源、生物制品廢水資源、畜禽糞便資源和大型真菌資源等5大類。

（一）纖維素資源

纖維素物質是植物體的主要生物質成分，是植物體的重要組成結構，是植物光合作用的主要產物，是一種高分子結構的多糖類物質，是地球上分布最為廣泛且分布量最大的能源物質之一，也是幾乎所有動物維持生命活動所必需的能源物質之一。它包括作物秸稈、林業資源和有機固體垃圾。

（二）糟粕類資源

糟粕類資源是指食品與釀造業生產時的廢渣，主要成分是蛋白質、纖維素、淀粉、果膠質等。馬鈴薯渣、醋糟、酒糟、醬油糟、果渣、黃酒渣、啤酒渣等。通過加工處理，讓糟粕再次進入生產循環途徑，實現最大限度的資源優化利用。

（三）生物制品廢水資源　

隨著現代化技術的進步，大型工廠污水的排放量增大，給水體造成很大的危害，特別是生物制品生產的廢水。如制糖廠、淀粉廠，污水中含有大量的有機物和無機元素，其會造成水體營養化，影響水體中生物的生長。將污水中的有機物分解或提取作為再生產的原料，使水資源重新得到利用。

（四）家畜糞便資源

隨著科學的發展和生活水平的提高，我國規模養殖得到發展。家畜糞便的利用與處理成為一個循環利用的重要問題。眾所周知，糞便既是農業資源，又是環境污染體和疾病傳染源，對糞便進行減量化、無害化和資源化處置具有重要的現實意義。家畜排泄物在歷史上一直作為重要的肥料來源，是優良的有機肥。現在由于利用與處理力度不夠，成為一類污染物。所以糞便資源再利用、變廢為寶、生態優化具有重要的意義。

（五）大型真菌資源

大型真菌包括食用菌和藥用菌。由于大型真菌的發展，充實了人們的菜籃子，使原來的山珍變成尋常百姓餐桌上的普通菜肴。大型真菌生產過程產生的大量廢料的再利用，在生物質資源循環利用中具有重要意義。