1.2　生物質的特點

1.2.1　生物質資源特點

作為一種可再生的能源資源，生物質可以在較短的時間周期內重新生成，與化石資源相比，具有以下特點：

（1）時空無限性　生物質的產生不受地域的限制，在符合光照條件下，也不受時間的限制。生物質時空無限性是化石能源無可比擬的，也正是這種無限性誘導人類將目光瞄準了生物質能。地球生命活動為人類提供了巨大的生物質資源，這是生物質特性的直接反映。初步估計，每年地球上由植物光合作用固定的碳約2×10¹¹t，含有的能量約為3×10²¹J，相當于人類每年消耗能量的10倍。

（2）可再生性與減少二氧化碳排放的特性　在太陽能轉化為生物質能過程中，CO₂和H₂O是光合作用的反應物，在生物質能消耗利用時，CO₂和H₂O又是過程的最終產物。生物質的可再生性表明，利用生物質能可實現溫室氣體CO₂零排放，而化石燃料在使用過程中會排放CO₂，導致地球溫室效應。在實際利用生物質的過程中也需要投入能量，但會減少CO₂排放。

（3）潔凈性　生物質資源是一類清潔的低碳燃料，由于其含硫量和含氮量都較低，同時灰分含量也很低，因此燃燒后SO₂、NO_x和灰塵排放量均比化石燃料少得多，是一種清潔的燃料。以秸稈為例，1×10⁴t秸稈與能量相當的煤炭比較，其使用過程中，CO₂排放量減少1.4×10⁴t，SO₂排放量減少40t，煙塵減少100t。

（4）低能源品位性　生物質的化學結構更多地屬于碳水化合物，即化合物中的氧元素含量較高，可燃性元素C、H所占比例遠低于化石能源，能源密度偏低。此外，以生物體形式體現的生物質含水量高達90％，因此生物質在利用前需要經過預處理及提高能源品位等過程，從而增加了生物質能利用的實際成本。

（5）分散性　除規模化種植的作物及大型工廠、農場的廢棄生物質原料外，生物質的分布極為分散。生物質的分散處理與利用既不利于生物質轉化成本的降低，也難使生物質能源成為能源資源系統的主流能源。生物質的集中處理必然加大運輸成本比例，這是目前生物質能在能源系統中所占比例不高的重要原因。

1.2.2　生物質資源多樣性

地球上從森林到海洋存在著數量巨大、種類繁多的生物質，而且在光合作用下新的生物質也在不斷生成。據統計，陸地地面以上總的生物質含量約為1800億噸，海洋中約有40億噸，土壤中存在的生物質量基本與陸地地面上的相當。

為了便于分析生物質資源的可獲得性，根據來源與轉化技術的不同，將生物質資源分為農業生物質、林業生物質、工業廢棄物、固體廢棄物等幾類：

農業生物質包括農業廢棄物、畜禽糞便、能源作物。農業廢棄物來源廣泛，包括農作物收獲后的副產品，如稻草、麥秸、果樹剪枝、玉米秸稈和玉米芯等；畜禽廢物包括可生產沼氣的畜禽糞便以及可熱化學轉化的家禽墊草等；能源作物包括歐盟等正在研究生產木質纖維素的多年生草本植物（如柳枝稷、蘆葦等）和薪炭林，生產生物柴油的油料作物（如油菜籽和葵花籽），以及生產燃料乙醇的糖類和淀粉類作物等。

林業生物質主要包括木材燃料、砍伐修剪和清理過程中生產的林業廢棄物等。

工業廢棄物主要來源于木材加工業和食品加工業，包括鋸末、果殼、果核、甘蔗渣等；造紙黑液來源于制漿過程中的蒸煮工序，可通過鍋爐燃燒以獲取熱量，并回收有用的化學品。

固體廢棄物也是有用的生物質資源，可分為非木材和城市固體廢棄物等幾類。

從不同角度對生物質進行分類，如圖1-1～圖1-4所示。

1.2.3　生物質資源的重要特性及其分布狀況

木材、秸稈、竹材、淀粉、纖維素、木質素、蛋白質、甲殼素、植物油等生物質資源是由植物光合作用、動物和微生物對自然資源的友好耗用形成的，不消耗石油、煤和天然氣等石化資源，對環境的副作用小，通過植物的生長還能消耗大量的二氧化碳、礦石燃料及其他材料加工的副產物，實現環境凈化。而且，這些生物質資源具有豐富、可再生等特點，廢棄后容易被自然界微生物降解為水、二氧化碳和其他小分子，這些小分子產物又進入自然界循環，符合環境友好材料的要求。因此，生物質資源是未來可替代石油、煤和天然氣等化石資源，并支撐人類可持續發展的一種重要材料資源。由于石油、煤炭、天然氣等儲量有限的化石資源的不斷消耗，其供需矛盾也日趨緊張，以及全球環境保護法規的壓力日益增強，為生物質及材料的發展和利用提供了一個良好的機遇。

從生物學的角度來看，木質纖維生物質的構成是木質素、纖維素、半纖維素；而從物理和化學角度看，生物質由可燃物質、無機物和水分組成，主要含有C、H、O和極少量的N、S等元素，并含有灰分和水分，這些元素構成的生物質資源被喻為即時利用的綠色煤炭。

（1）生物質資源重要特性　生物質資源能不斷再生：是由植物吸收空氣中的CO₂進行光合作用而產生的，生物質資源是地球上最普遍的一種可再生資源，遍布于世界陸地和水域的千萬種植物之中，猶如一個巨大的太陽能加工廠，不斷把太陽能轉化為化學能，并以有機物的形式儲存于植物內部，從而構成一種儲量極其豐富的可再生能源——生物質能源，遠比石油豐富，據統計，每年全世界農村生物質的產量為300億噸。

生物質資源生態環保：生物質揮發分高，碳活性高，硫、氮含量低（S 0.1％～1.5％，N 0.5％～3.0％），灰分低（0.1％～3.0％），在生長過程中，通過光合作用吸收CO₂，將其作為資源利用過程中，排放的CO₂又有效通過光合作用被生物質吸收，使整個資源利用系統的CO₂凈排放為零，從而減少CO₂釋放對環境的危害。以生物質資源替代化石燃料，一方面減少了化石燃料的供應量；另一方面減少了CO₂、SO₂、NO_x等污染物排放，改善環境質量。據統計，每利用10萬噸秸稈替代煤炭，將減少二氧化碳排放1.4萬噸、二氧化硫排放40t、煙塵排放100t。若將秸稈氣化技術與秸稈還田、飼料運用等技術結合在一起，不僅可以有效減少秸稈大量焚燒現象的發生，解決農村潔凈能源供應的問題，保護農村生態環境，還可以緩解“三農”問題帶來的壓力，促進農民就業，增加農民收入。

（2）生物質資源分布狀況　生物質資源分布廣泛：地球上從森林到海洋存在著數量巨大、種類繁多的生物質資源，初步統計陸地地面以上總的生物質量約為1800億噸，海洋中約40億噸，土壤中存在的生物質量基本與陸地地面以上的相當。

我國生物質能資源的分布和利用前景具有明顯的地域特點。其開發利用應充分結合當地自然和社會經濟特點及需求，取得綜合效益，促進可持續發展：東北、華北、西北地區生物質資源豐富，林業加工砍伐廢棄物以及邊際土地的木質林大量剩余，適合栽種不同的能源作物，以滿足不同生物質資源需求；廣闊的東部地區農業生產和畜牧養殖比較發達，城市化進程高，大量潛在的農作物秸稈、畜禽糞便、有機垃圾均可作為生物質資源開發利用；地處西南的廣大山區，適合種植油料作物和薯類作物，以發展生物燃油和燃料乙醇的生產。

1.2.4　生物質資源保障性來源

中國是一個農業大國，農村人口占全國總人口80％左右，不論是山區、高原還是平原和丘陵都有已開墾的耕地，可獲得大量的生物質資源，主要包含農作物秸稈、林業剩余物、畜禽糞便、城市和工業有機垃圾等廢棄物資源，還可以利用邊際土地發展能源作物/植物（表1-1）。

中國可收集的生物質資源主要來源于三方面：一是農業廢棄物及農林產品加工業廢棄物，其中包括農林業及其工業廢棄物（如薪柴、農作物秸稈及木屑、木片等），以及農產品工業排放的高濃度有機廢水；二是人畜糞便；三是城鎮生活垃圾。中國是一個農業大國，農村人口占全國總人口的80％左右，不論是山區、高原還是平原和丘陵都有已開墾的耕地，故可獲得大量的農作物秸稈資源。近年來統計，我國僅農作物秸稈資源量就達7億多噸（其中薪柴消耗量為2.13億噸），人畜糞便資源年產干物質總量約為1.36億噸（其中集約化養殖產生的人畜糞便量約為0.37億噸），全國工業廢水排放總量約為222億噸（未含鄉鎮企業），廢水中含有有機物為500余萬噸，并且隨著城市規模的擴大和小城鎮建設加快，城鎮生活垃圾正以每年8％～10％的速度遞增，另外動物廢棄物資源量也非常豐富，其中主要是豬皮、廢棄羊毛等。

1.2.5　生物質資源開發利用因地制宜

盡管20世紀70年代初就已經開始生物質產業運用，中國的生物質能資源開發仍處于初級階段，其發展速度并不像人們想象得那么快，需要進一步在各級層面的詳細資源評價、適用技術選擇、各類項目示范、相關能力建設等方面展開深入細致的研究。

生物質產業本身復雜性：生物質產業是一個前所未有的龐大系統工程，該產業涉及農林作物、能源植物種植、生物質收集、運輸、預處理、工業加工轉化、生物精煉等部分，幾乎涉及所有部門、領域，非某一個部門、領域可以獨攬，需要各部門、各個領域的廣泛密切合作。

生物質產業資源多樣性、發展地域性、利用途徑階段性：根據本地實際情況，選擇優勢生物質資源作物種類，可持續性地供應原料是生物質產業基礎；選用符合實際的工業轉化技術是促進生物質產業健康發展的手段；發展生物質產業應當站在世界的高度，按照系統論原則，通過分工合作，加強相關技術的攻關是搶占未來生物質產業國際市場的根本保障。

生物質產業技術研究多學科性：每個部門或研究人員需要立足特定的系統，根據自身優勢就特定系統的關鍵環節進行研究，脫離系統將事倍功半（比如秸稈纖維素乙醇系統，包括秸稈生產、收集、預加工、預處理、纖維素水解、乙醇發酵、乙醇分離、非纖維成分利用、廢物處理等環節），對于每個科研人員甚至研究部門來說，整個系統中的問題難以做到最好，由優勢科研單位針對特定系統，發揮各自優勢，取得關鍵技術突破，由企業進行技術集成、中試直到生產，才能取得理想效果。