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一．概述
生物质是指由光合作用而产生的有机体。光合作用将太阳能转化为化学能而储存在生物质中。光合作用是生命活动中的关键过程，植物光合作用的简单过程是：
在太阳能直接转换的各种过程中，光合作用是效率最低的。光合作用的转化事约为0.5%-5%。据估计温带地区植物光合作用的转化率按全年平均计算约为太阳全部辐射能的0.5%-1.3%，亚热带地区则为0.5%-2.5%。整个生物圈的平均转化率为0.25%。在最佳田间条件下农作物的转化率可达3%-5%。据估计地球上每年植物光合作用固定的碳达
2×1011t，含能量达3×1021j ，相当于世界能耗的10倍以上。
世界上生物质资潭数量庞大，种类繁多。它包括所有的陆生、水生植物，人类和动物的排泄物以及工业有机废物等。通常将生物质资源分为以下几大类：
(1)农作物类。主要包括产生淀粉的甘薯、玉米等，产生糖类的甘蔗、甜菜、果实等。
(2)林作物类。主要包括白杨、纵树等树木类及苜蓿、象草、芦苇等草木类。
(3)水生藻类。主要包括海洋生的马尾藻、巨藻、海带等，淡水生的布袋草、浮萍、小球藻等。
(4)光合成微生物类。主要包括硫细菌非硫细菌等。
(5)其他类。主要包括农产品的废弃物如稻秸、谷壳等：城市垃圾、林业废弃物、畜业废弃物等。
对生物质能的利用和转换有以下三类方法：
(1)直接燃烧。这是生物质能最简单又应用最广的利用方法，发展中国家的农村生活用能主要依靠这种方式。普通炉灶直接燃烧生物质的热效率很低，一般不超过20%，现在推广的节柴灶其效率已提高到30%以上。
(2)生物转换。这种方法是将生物质能通过微生物发酵的方法转换为液体燃料或气体燃料。一些糖分、淀粉、纤维素可经微生物发酵生产酒精，用沼气发酵方法可以获得气体燃料。
(3)化学转换法。这种方法是通过化学手段将生物质能转换成不同的燃料。目前在化学转换中有三种基本方法，即有机溶剂提取法，它是将植物干燥切碎，再用丙酮、苯等化学溶剂在通蒸汽的条件下进行分离提取；气化法，它是将固体有机物燃料在高温下与气化剂作用而获取气体燃料；热分解法，它是将有机质隔绝空气加热分解而得到固体或液体燃料。
当前利用生物质能的主要问题是能量利用率很低，使用上也很不合理。千百年来农村一直是使用农作物的秸秆作燃料，山区、林区则直接燃用木材，造成资源的巨大浪费。生物转换和化学转换目前转化效率低，生产成本高，也制约了生物质能大规模的有效利用。但由于生物质能的巨大潜力，进入21世纪在现代高科技群体的支撑下，生物质能利用必将上一个新台阶，并在解决发展中国家的农村能源中起重要作用。
二．薪柴
树木是生物质的重要来源。森林和林地覆盖了世界陆地面积的30%，达38×1012m2 ，其中14.6×1010m2 为热带森林，2.2×1012m2为亚热带森林，10×l012m2为开阔的热带稀树草原森林，4.5×1012m2为温带森林，剩下6．7×1012m2为北部森林。以上林区木材的总蕴藏量达340~
360×109m2，大约相当于1.75×1011t标准煤。
自从人类发现火以来，木材一直是主要燃料。木材主要由纤维素、木质素、树胶、树脂、无机物和不同量的水分组成。木材水分的含量取决于木材的种类、采伐的季节和干燥的程度。木材的主要化学成分为：碳50%，氢6%，氧44%以及微量的氮。水分是影响木材燃烧效率的最重要因素。水分越少，热值越高。烘干木材的热质约为19.7KJ/e，自然干燥的木材其热值为14.7-16.8KJ/g。
薪柴可以取自任何自然生长或人工种植的树木或来自木材加工厂的下脚料。它是继石抽、煤和天然气之后的第四大能源，而且是发展中国家农村甚至城市低收入居民赖以烹饪、取暖的重要燃料。据估计世界木材产量中有一半以上是当作燃料烧掉。表4-16是世界不同地区薪柴在能源总消费中所占的比例。
薪柴主要取自当地的自然资源。由于过度的采伐致使水土流失和土壤的沙漠化，不但造成河流淤塞、洪水泛滥，而且使全球气候恶化。因此合理使用森林资源，建设所谓“能源农场”是生物质能利用中非常重要的一环，已倍受世界各国的重视。
森林是一种可更新的能源。所谓“能源农场”就是种植可快速生长的林木或植物以获取能源为目的的农场。这种农场的优点是：能够储存能量，可随时提供使用；能保持生态平衡，净化环境；能为21世纪生物质能大规模的生物和化学转换提供原料；投资少、管理费用低，每千焦耳燃料的生产成本仅为柴油的一半。由于“能源农场”是种植薪柴林，和用材林的营造目的不同，因此在选择树种和经营措施上均有自己的特点，其中根据当地的自然条件选择速生、密植、高产、高发热值及固氮能力强的树种尤为重要。例如在我国东北地区可选择杨、桦、柞；西北地区则以沙柳、沙枣、酸刺、柠条为优；华北和中原地区刺槐、紫穗槐最好；华南以栎、合欢树为主。薪柴林作为一种绿色植被，也同其他树木一样能起到防风固沙、保持水土、保护农田和草原，改善生态环境的作用。正因为如此，美国、加拿大、法国、韩国等国家在20世纪50年代已开始实施大规模的薪柴林营造计划，并取得显著效果。我国也应在生产承包责任制的基础上在荒山、河滩、沙漠上大规模地建设“能源农场”，以解决十分严重的农村能源问题，并保护日益恶化的生态环境。
直接燃烧薪柴的第一个缺点是热效率低。在敞开式的烧柴炉灶上做饭的耗能要比煤气炉灶上做饭多5倍。因此推广节柴灶是非常必要的。目前新型节柴灶的效率已提高到30%，并向多功能发展，如取暖和烘烤农副产品等。
直接燃烧薪柴的第二个缺点是对环境的潜在危险性。美国环保局的研究发现，烧薪柴的火炉和壁炉其烟气中含有17种主要污染物，14种是已知的致癌物质，6种是纤毛有害物质。美国科学院的报告也指出，燃烧薪柴排放的致癌物苯并芘比燃烧石油时高出50倍。因此对薪柴和其他含有木质素的物质进行大规模的生物和化学转换，使其成为固体或液体燃料才是利用生物质能的方向。
三．醇能
醇能是由纤维素通过各种转换技术而获得的优质液体燃料，其中最重要的是甲醇和乙醇。
1．乙醇
乙醇又称酒精，其化学分子式为CH3CH20H，分子量为46.1。主要热物理性质：正常沸点351.45K；熔点158.65K；临界温度516.25K；临界压力6390kPa；临界密度280kg/m3。
人们常将用作燃料的乙醇称之为“绿色石油”，这是因为各种绿色植物，如玉米芯、水果、甜菜、甘蔗、甜高粱、木薯、秸秆、稻草、木片、锯屑、草类及许多含纤维素的原料都可以用作提取乙醇的原料。生产乙醇的方法主要有：利用含糖的原料，例如甘蔗直接发酵；间接利用碳水化合物或淀粉如木薯发酵；将木材等纤维素原料酸水解或酶水解。随着现代生物技术的发展，发达国家已普遍采用淀粉酶代替麸曲和液体曲。现在用酶法糖化液生产乙醇发酵率高达93%，大大提高了出酒率。某些作物的乙醇产量见表4-17。
虽然乙醇的发热值比汽油低30%左右，但乙醇密度高．因此以纯乙醇作燃料的机动车其功率比烧汽油的机动车还高18%左右。采用乙醇作燃料，对环境的污染比汽油和柴油小得多．而生产成本却和汽油差不多。用20%的乙醇和汽油混合使用，汽车的发动机可以不必改装。因此作为化石燃料，特别是汽油、柴油的最佳替代能源，醇能展现了良好的前景。
巴西是发展乙醇燃料最快的国家，其生产的乙醇燃料已占汽车燃料的50%。美国是世界上第二大乙醇燃料生产国。据报道，美国目前销售的车用汽油中，有70%是所谓“乙醇汽油”，即10%的乙醇和90%汽油组成的混合燃料。我国是农业大国，绿色资源丰富，进入21世纪随着我国汽车数量的急剧增加，以及随之而来的环境恶化，大力发展乙醇燃料是势在必行。
2．甲醇
甲醇的化学分子式为CH30H，分子量为32.0，主要热物理性质：正常沸点337.85K；熔点175.15K；临界温度513.15K；临界压力7950kPa；临界密度275kg/m3。
甲醇是一种优质的液体燃料，其突出优点是燃烧时效率高，而碳氢化合物和一氧化碳排放量却很小。比如用甲醇作燃料的汽车发动机输出的功率可比汽油、柴油车高17%左右，而排出的氮化物只有汽油、柴油车的50%，一氧化碳只有后者的12%。美国环保局的研究表明，如汽车改烧85%甲醇和15%无铅汽油组成的混合燃料，仅美国城市的碳氢化合物的排放量可减少20%-50%；如使用纯甲醇作燃料，碳氢化合物的排放量可减少85%-95%，一氧化碳的排放量可减少30%-90%。正因为如此，美、日等汽车大国都制定了大力发展甲醇汽车的计划。美国政府批准使用100万辆代用燃料汽车来减少空气污染。日本则早在1991年由日本甲醇汽车公司生产的首批甲醇汽车就在东京正
式投入营运。
甲醇不但可以作为车用燃料，而且正在进入发电领域。甲醇发电的工艺是：先将甲醇加热使其气化，气化的甲醇与水蒸气发生反应而产生氢气，然后以氢作燃料，在燃烧室中燃烧成高温燃气，再驱动燃气轮发电机组。这种发电方法既可完全避免甲醇直接燃烧所带来的污染问题，又能提高发电效率。早在1990年日本就兴建了一座1000kW级的甲醇发电试验站。目前10000kW级的试验电站也在建设之中。应用甲醇发电为醇能的应用开辟了更为广阔的前景。
甲醇最早是作为生产木炭过程中的副产品。20世纪20年代发明了高温高压下由氢和一氧化碳通过催化剂合成甲醇的工艺。由于天然气的大量发现，现在甲醇都是以天然气作原料，通过重整而获得的。然而为了利用生物质能，变废为宝，用树木及城市废物大量生产甲醇仍是世界各国研究的重点。目前的主要问题是生产成本高，但随着科技的进步，“植物甲醇”将成为替代燃料的主角之一。
四．沼气
沼气是一种无色、有臭、有毒的混合气体。它的主要成分是甲烷(CH4)通常占总体积的60%-70%；其次是二氧化碳，约占总体积的25%-40%；其余硫化氢、氮、和一氧化碳等氢气体约占总体积的5%左右。甲烷是一种良好的气体燃料，燃烧时火焰呈蓝色，最高温度可达1400℃左右。甲烷的发热值很高，达36840kJ/m3。甲烷完全燃烧时仅生成二氧化碳和水，并释放出热能，是一种清洁燃料。
由于沼气中甲烷含量的不同，沼气的发热值约为20930-25120kJ/m3，其着火温度为800℃。沼气中因含有二氧化碳等不可燃气体，其抗爆性能好，辛烷值较高，又是一种良好的动力燃料。
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生物质能-沼气 |
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沼气是有机物质在厌氧条件下经过多种细菌的发酵作用而最终生成的产物。沼气发酵过程一般要经历三个阶段，即液化、产酸和气化。各种有机的生物质，如秸秆、杂草、人畜粪便、垃圾、污水、工业有机废物等都可以作为生产沼气的原料。沼气池中为保证细菌的厌氧消化过程，就要使厌氧细菌能够旺盛地生长、发育、繁殖和代谢。这些细菌的生命越旺盛，产生的沼气就越多。因此造成良好的厌氧分解条件，为厌氧细菌的生命活动创造适宜的环境是多产沼气的关键。为此应采取以下措施：
(1)严格的厌氧环境
分解有机质并产生沼气的细菌都是厌氧的，在有氧气存在的环境内它们根本无法进行正常的生命活动，因此生产沼气的的沼气池应当严格密封。
(2)足够的菌种
由于沼气发酵原料成分十分复杂，因此发酵过程需要足够的菌种，包括产酸苗和甲烷菌。这些菌种大量存在于阴沟、粪池、沼泽和池塘，因此一定要用阴沟、粪坑污泥或沼气池脚渣作菌种，以保证正常产气。
(3)合适的碳氮比
生产沼气的原料也是厌氧菌生长、繁殖的营养物质。这些营养物质中最重要的是碳素和氮素两种营养物质。在厌氧苗生命活动过程中需要一定比例的氮素和碳素。根据经验，最佳的碳氮氮比约为20：1-30：1。表4-18给出了常用沼气发酵原料的碳氮比。配料时可根据表中的数值和最佳碳氮比来确定各种原料的数量。
(4)适宜的发酵液浓度
投入沼气池的原料实际上是原料、菌种和水的混合物，适宜的发酵液浓度十分重要。水分太少不利于厌氧菌的活动并影响原料的分解；水分太多，发酵液浓度降低，减少了单位体积的沼气产量，使沼气池得不到充分利用。
(5)适当的pH值
厌氧苗适于在中性或弱碱性环境中生长繁殖，故发酵液的pH值一般保持在6.5-7.5。过酸、过碱对厌氧苗的生命活动均不利。如酸性过大，可在发酵液中加入适量的石灰或草木灰；如碱性过大则应加入若干鲜草、水草、树叶和水。
(6)合适的温度
适宜的温度是保持和增强菌种活化能力的必要条件。通常发酵温度在5—60℃范围内均能正常产气。在一定的温度范围内，随着发酵液温度的升高，沼气产量可大幅度增加。根据采用发酵温度的高低，可以分为常温发酵、中温发酵和高温发酵。
常温发酵的温度为10-30℃，其优点是沼气池不需升温设备和外加能源，建设费用低，原料用量少。但常温发酵原料分解缓慢，产气少，特别在冬季，许多沼气池不能正常产气。
中温发酵的温度为35℃左右，这是沼气发酵的最适宜温度，其产气量比常温发酵高出许多倍。但中温发酵原料消耗比常温发酵也多许多倍。因此在原料来源充足，又有余热可供利用的地方，如酒厂、屠宰场、纺织厂、糖厂附近应优先采用中温发酵。
高温发酵温度为55℃左右。这种发酵的特点是原料分解快，产气量高，但沼气中的甲烷含量略低于中温和常温发酵，并需消耗热能。
目前利用太阳能来提高沼气池温度，增加产气率是新能源综合利用的方向之一。
沼气的用途很广，1m3沼气的可能用途如图4-53所示。沼气除用作燃料外，生产沼气的副产品——发酵后的残余物(废渣和废水)都是优质的有机肥料。试验研究证明沼气池的粪水比农村普通敞口池中的粪水全氮含量高14%，氨态氮含量高19.4%。将上述两种粪水分别施于水稻、玉米、小麦、棉花、油菜等农作物上，田间试验表明，施有沼气池粪水的农作物分别增产6.5%-17.5%。此外沼气粪渣中的磷含量也较高，对提高土壤肥力也有明显的作用。
在发展中国家的农村地区大力推广沼气池还会产生巨大的社会效益。人畜粪便集中到沼气池，在池中发酵后，大多数的寄生虫卵会沉淀到池底，在缺氧和高温条件下大部分死去。卫生部门的检验报告证明，人畜粪便经发酵后寄生虫卵平均减少95%，钩蚴数减少99%。因此发展沼气不但能较好地解决农村能源的短缺问题，而且能改善农村卫生环境，提高大众的健康水平。同样沼气在解决城市垃圾和废水、污水处理方面也能发挥重要作用。
进入21世纪，人类对生物质能的利用寄予了更大的希望。随着现代生物技术的发展，生物质能的开发必将出现质的飞跃。
生物质循环硫化床气化炉
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