1.2 生物質的組成與特性

1.2.1 化學組成

生物質是多種復雜的高分子有機化合物組成的復合體，其組成成分多種多樣，主要有纖維素、半纖維素、木質素以及少量的淀粉、蛋白質、脂質等。其中纖維素、半纖維素和木質素的存在形態如圖1.2所示。不同種類的生物質，其成分差異很大。從能源利用的角度來看，利用潛力較大的是由纖維素、半纖維素組成的全纖維素類生物質。上述組成成分由于化學結構的不同，其反應特性也不同，因此根據生物質的組成特性選擇相應的能量轉化方式十分重要。典型生物質材料的組成成分見表1.3。

1.纖維素

纖維素是由D-葡萄糖通過β-葡萄糖苷鍵連接而成的多糖。其分子以（C₆H₁₂O₅）_n表示，n為聚合度，為幾千至幾萬，結構式如圖1.3所示。纖維素完全水解后生成D-葡萄糖（單體），部分水解則生成纖維二糖、纖維三糖等n=4~10的多糖。纖維素具有晶體結構，不溶于水，無還原性，水解一般需要濃酸或稀酸在加壓下進行。棉花幾乎100%由纖維素組成；而木材中還含有一定量的半纖維素和木質素，纖維素平均含量為40%~50%。

2.半纖維素

纖維素是僅由D-葡萄糖結構單元組成的多糖，而半纖維素則是由D-木糖、D-阿拉伯糖（以上均為戊糖，五碳單糖）、D-甘露糖、D-半乳糖、D-葡萄糖（以上均為己糖，六碳單糖）等結構單元構成的多糖。其中戊糖多于己糖，平均分子式可表示為（C₅H₈O₄）_n。與纖維素有規律的鏈狀結構不同，半纖維素含有支鏈結構，聚合度為50~200，低于纖維素的聚合度，結構式如圖1.4所示。因此，半纖維素與纖維素相比，易于分解，大多可溶于堿溶液。半纖維素中含量較多的是木聚糖，它是D-木糖經1,4-糖苷鍵縮合形成的產物。半纖維素大量存在于植物的木質化部分，如秸稈、種皮、堅果殼和玉米穗等，其含量依植物種類、部位和老幼程度而有所不同，半纖維素前驅體是核糖苷酸。

3.木質素

木質素是植物界中僅次于纖維素的最豐富的有機高聚物。廣泛分布在具有維管束的羊齒植物以上的高等植物中，是裸子植物和被子植物所特有的所特有的化學成分。木質素是一類由苯丙烷單元，通過醚鍵和碳碳鍵連接的復雜的無定型高聚物，它和半纖維素一起作為細胞間質填充在細胞壁的微細纖維之間，加固木化組織的細胞壁，也存在于細胞間層，把相鄰的細胞黏結在一起。木質素具有立體結構，而且難以被微生物及化學試劑分解，所以具有構成植物骨骼和保護植物的功能，結構式如圖1.5所示。

4.淀粉

淀粉與纖維素一樣，是由D-葡萄糖（和一部分麥芽糖）結構單元構成的多糖，纖維素是以β-葡萄糖苷鍵結合而成的，而淀粉是以α-葡萄糖苷鍵結合而成的。此外，纖維素不溶于水，而淀粉則分為在熱水中可溶和不可溶兩部分，可溶部分稱為直鏈淀粉，占淀粉的10%~20%，相對分子量1萬~6萬；而不溶部分稱為支鏈淀粉，占淀粉的80%~90%，相對分子量5萬~10萬，支鏈淀粉具有分枝狀結構。淀粉在種子、塊狀（根）莖及其他部位以微粒狀態存在于玉米、大豆、山芋、米、麥等農產品中，作為食物具有極高的價值。

5.蛋白質

蛋白質是構成細胞的重要物質，約占細胞總干重的60%以上，蛋白質是由多種氨基酸組成，相對分子質量很大，由五千到百萬以上，氨基酸主要由碳（C）、氫（H）、氧（O）三種元素組成，另外還有氮（N）和硫（S）。構成蛋白質的氨基酸有20多種，細胞中的儲存蛋白質以多種形式存在與細胞壁中成固體狀態，生理活性較穩定，可以分為結晶和無定形。粗蛋白含量約相當于該物質中氮元素含量乘以6.25。

6.其他有機成分

纖維素、半纖維素、木質素幾乎是所有生物質的組成成分。與這些多糖類碳水化合物相比，生物質中含量較少（在不同物種中含量不同）的物質是甘油酯，它是甘油的脂肪酸酯，根據所結合的脂肪酸基團的數目，可分為甘油單脂、甘油二酯和甘油三酯，特別是甘油三酯，作為脂肪（油脂）在生物質中含量較多。

生物質中還含有少量的生物堿、色素、樹脂、甾醇、萜烴、類萜、石蠟。他們雖然含量較低，但大多數具有生物學特性，作為化學品和藥品的價值較高，這方面的有效利用正在開展之中。

7.無機成分（灰分）

雖然生物質是天然高分子有機物，但也含有微量的無機成分（灰分）。灰分中含有鈣（Ca）、鉀（K）、磷（P）、鎂（Mg）、硅（Si）、鋁（Al）、鋇（Ba）、鐵（Fe）、鈦（Ti）、鈉（Na）、錳（Mn）、鍶（Sr）等金屬，而金屬含量則與生物質的種類有關。樹木和草本植物燃燒后的殘余灰分可以作為肥料播撒在土地上，有利于生物質生產的循環。

1.2.2 元素組成

生物質燃料中除含有少量的無機物和一定量的水分外，大部分是可以燃燒的有機物。生物質燃料的元素的基本組成是碳（C）、氫（H）、氧（O）、氮（N）、硫（S）、磷（P）、鉀（K）等元素。表1.4為典型生物質主要元素組成。

（1）碳（C） 是燃料中的主要元素，其含量多少決定著燃料發熱量的大小，含碳量越高發熱量越高。碳燃燒后生成CO₂或CO，并放出大量的熱量。1kg純碳完全燃燒釋放約33913kJ的熱量。碳的存在形式有兩種：①碳與氫、氮等元素組成不穩定的碳氫化合物，為化合碳，燃燒時以揮發物析出燃燒；②固定碳，揮發物析出后在更高的溫度下才能燃燒。柴草中固定碳的含量少于煤炭，而揮發物含量多于煤炭，所以容易著火燃燼。

（2）氫（H）常以碳氫化合物的形式存在，燃燒時以揮發氣體析出。1kg氫燃料可放出142256kJ的熱量。但氫的燃燒產物是水蒸氣，汽化潛熱要帶走一部分熱量，實際放熱值為11970kJ。氫含量越高越容易燃燒。

（3）氧（O）助燃但本身不釋放出熱量，而且會降低燃料的發熱量。

（4）氮（N）不能燃燒，一般情況下以自由態排入大氣，但在高溫狀態下可與氧反應生成NO_x污染大氣環境。

（5）硫（S）是可燃物質，1kg硫燃燒放熱9210kJ，燃燒產物SO₂和SO₃與水蒸氣反應生成有害物質，腐蝕金屬，污染大氣，危害人體，影響動植物生長。生物質中硫含量并不大，占0.1%~0.2%。

（6）磷（P）可燃，燃燒后生成P₂O₅，是草木灰中的磷肥，在生物質元素組成中占比為0.2%~0.3%。

（7）鉀（K）可燃，燃燒后生成氧化鉀，是草木灰中的鉀肥。

在生物質中還有一定量的水分和少量礦物質，水分在燃燒過程中產生水蒸氣，帶走一部分熱量，其他不可燃的礦物質如SiO₂、Al₂O₃、CaO、Fe₂O₃等組成灰分。灰分對燃料發熱量有較大影響，灰分多，發熱量就少，燃燒的溫度就低。

生物質的元素組成與煤等傳統化石能源相比，其含硫量和含氮量都較低，同時灰分含量也很小，燃燒后SO_x、NO_x和灰塵排放量都比化石燃料小得多，是一種清潔的燃料。生物質能的優點是燃燒容易、污染少、灰分較低；缺點是熱值及熱效率較低、體積大且不易運輸。直接燃燒生物質的熱效率僅為10%~30%。