第1章 緒論

1.1 生物質能源與資源

能源亦稱能量資源或能源資源，是人類社會賴以生存和發展的重要物質基礎。縱觀人類社會發展的歷史，人類文明的每一次重大進步都伴隨著能源的改進和更替。能源的開發和有效利用程度以及人均能源消費量，是生產技術、生活水平和社會發展的重要標志之一。

凡是自然界存在的，通過科學技術手段能夠轉換成各種形式能量（熱能、電能、光能、化學能和機械能等）或可做功的資源都被統稱為能源。其中凡自然界原來就存在，沒有經過加工或轉換的能源統稱為一次能源，如煤、石油、天然氣、煤層氣、水能、太陽能、風能、生物質能、核能、地熱能等；由一次能源經過加工或轉換而得到的能源稱為二次能源，如電力、焦炭、煤氣、汽油、柴油、熱力等。

能源根據其使用的普及情況分為常規能源和新能源兩類。常規能源是指在現有的科學技術的水平下已被廣泛使用的能源，如煤炭、石油、天然氣、水能等。那些雖然早已被利用或已引起人們重視，但尚未廣泛利用或利用技術尚待完善或正在研究中的能源，都稱為新能源。隨著科學技術的發展，新能源的技術日益完善而被逐漸廣泛采用，新能源也就成為常規能源。在我國現階段，太陽能、風能、地熱能、生物質能、海洋能等都被列為新能源。

目前我國已經成為世界上第一大能源生產國和能源消費國。表1.1列出了2015年中國和世界主要能源的儲量和儲采比（按當年的生產水平尚可開采的剩余能源儲量的年數）的對比。從中可以看出，隨著國民經濟的快速增長，我國正面臨著日益嚴峻的能源危機。

我國目前仍處于工業化、城鎮化加速發展階段，能源需求會繼續增長，能源供應保障任務更加艱巨。我國能源形勢嚴峻，仍然面臨著能源資源結構單一，能源效率低，農村能源嚴重短缺，能源過度依賴進口，人均能源不足以及能源分布不均等問題，圖1.1所示為2015年世界與中國一次能源消費比例。從圖1.1中可知，目前人類的能源消費主要以煤、石油、天燃氣等化石能源為主。由于大量使用化石能源、砍伐森林以及化學排放等，人類正面臨著嚴峻的生態與環境危機。如何在開發和使用能源的同時保護好我們賴以生存的地球環境與生態，已經成為全球性的重大課題，而大力開發和利用風能、太陽能、生物質能等新能源才是人類走出困境的唯一出路。與太陽能、風能、水能和潮汐能相比，生物質是唯一以物質形式存在的能源，也是唯一可存儲和運輸的可再生能源。生物質的組成與常規的化石燃料相似，它的利用方式也與利用化石燃料的常規能源類似。但生物質種類繁多，具有不同特點和屬性，利用技術遠比化石燃料復雜多樣。

1.1.1 生物質的定義和形成

生物質是指來源于植物或動物的一切有機物質。《聯合國氣候變化框架公約》所定義的生物質的概念為：“來源于植物、動物和微生物的非化石物質且可生物降解的有機物質”。它也包括農林業和相關工業產生的產品、副產品、殘渣和廢棄物，以及工業和城市垃圾中非化石物質和可生物降解的有機組分。

生物質是一種可持續、可再生的能源，它可通過CO₂、空氣、H₂O、土壤、陽光、植物及動物的相互作用源源不斷的形成。有機體死后，微生物將生物質分解成基本組成部分，如H₂O、CO₂和潛在能源。生物質在微生物降解和燃燒過程中釋放的CO₂，全部來自于生物質近期生長過程中吸收大氣中的CO₂，即生物質燃燒過程中產生的CO₂不會增加地球上CO₂總量。因此，生物質通常被稱為溫室氣體零排放的可再生能源。

植物類生物質是通過葉綠素將太陽能轉化為化學能而儲存在生物質內部而形成的能源，同時吸收大氣中的CO₂和土壤中的水分，而儲存在植物中的化學能通過食物轉移到動物和人類體內，動物和人類的排泄物也會促進植物生長。

1.1.2 生物質的分類

對于生物質如何進行分類，有不同的標準。例如，依據是否能大規模代替常規化石能源，而將其分為傳統生物質能和現代生物質能。廣義地講，傳統生物質能指在發展中國家小規模應用的生物質能，主要包括農村生活用能（薪柴、秸稈、稻草）及其他農業生產的廢棄物和畜禽糞便等；現代生物質能是指可以大規模應用的生物質能，包括現代林業生產的廢棄物、甘蔗渣和城市固體廢棄物等。

以下將依據來源的不同，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、城市固體廢物及畜禽糞便等五大類，我國的生物質資源量分布情況見表1.2。

1.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、大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。

2.農業資源

農業生物質能源是指農業作物（包括能源植物）；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。能源植物泛指各種用以提供能源的植物，通常包括草本能源作物、油料作物、抽取碳氫化合物植物和水生植物等幾類。

3.生活污水和工業有機廢水

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

4.城市固體廢物

城市固體廢物主要是由城鎮居民生活垃圾，商業、服務業垃圾和少量建筑業垃圾等固體廢物構成。其組成成分比較復雜，受當地居民的平均生活水平、能源消費結構、城鎮建設、自然條件、傳統習慣以及季節變化等因素影響。

5.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。我國主要的畜禽包括雞、豬和牛等，其資源量與畜牧業生產有關。

1.1.3 生物質的特征

1.儲量巨大

地球上從森林到海洋存在著數量巨大的生物質，陸地地面以上總的生物質量約為1.8Mt，海洋中約40億t，土壤中存在的生物質量基本上與陸地地面以上的相當。陸地地面以上總的生物質量換算成能量約為33000EJ，是世界能源年消耗量的80倍以上。此外，在光合作用下新的生物質還在不斷產生。生物質的年凈生產量，陸地地面以上約為1150億t，其總量換算成能量接近世界能源年消耗量的10倍。其中森林樹木的年生長量十分巨大，相當于全世界一次性能源的7~8倍，實際可以利用的量按該數據的10%推算，可以滿足能量供給的要求。

2.環境友好

生物質在使用的過程中，對環境污染小。如生物質的灰分含量低于煤，含氮量通常比煤少，特別是含硫量生物質比煤少得多，一般少于0.2%，減少了SO₂的排放。燃用生物質產生的CO₂又可被等量生長的植物光合作用所吸收，CO₂ 凈排放量近似為零，從而減輕了“溫室效應”的負面影響。

3.可再生性

生物質能蘊藏量巨大，而且是唯一可再生、可替代化石能源轉化成氣態、液態和固態燃料以及其他化工原料或產品的碳資源。只要有陽光照射，綠色植物的光合作用就不會停止，生物質能也就永遠不會枯竭。特別是在大力提倡植樹、種草、合理采樵、保護自然環境的情況下，植物將會源源不斷地供給生物質能資源。

4.兼容性強

生物質的化學組成與化石能源相似，其利用技術和利用方式與傳統的化石燃料具有很好的兼容性，且其可以轉化為氣、液、固體資源，對化石燃料進行良好的替代。可再生能源中，生物質是唯一可以儲存運輸的能源，加工轉換與連續使用更加方便。在用科學的方法利用生物質的能量后，剩余部分還可以還田，改良土壤，提高土地肥力。