生物質燃料

生物質能是指利用自然界的植物、糞便以及城鄉有機廢物轉化成的能源。生物質，除去其在地球生態環境中所起的美學價值外，對人類還是便利的經濟的可再生能源。 生物質通過光合作用將 CO₂和水結合形成碳氫化合物(糖)以構件生物質的骨架，並在此過程中將太陽能儲存在生物體內結構化合物的化學鍵中。 在這一過程中伴隨着大量植被的繁衍生息為人類的發展建設提供了可長期利用的能量材料。 而當它們被利用時，構成生物的基本元素 (C、O、H、N 等) 又為新生生物所用，而儲存在其化學鍵中的能量被釋放出來或轉化成其他形式的能量。

人類發現了煤、石油— —石化了的生物質，這類化石能源是生物質 (主要是糖聚合物) 向類木質素片斷化合物的緩慢轉化過程的產物。 而這一過程歷經上億年，所以他們普遍被作為非可再生能源。

在生物質和石化資源被利用的過程中，它們最突出的區別是它們對環境的影響不同 ：當生物降解，它釋放的大多數化學物質返回環境被生物體再利用 ；然而，石化資源長期深埋地下，在未被開採及利用前，能較穩定的存在，且對環境的影響較小，但是當它燃燒時，大量的石化過程中沉積的如硫、重金屬等物質被釋放出來且很難為生物體利用，由此造成嚴重的環境污染，如酸雨等。 所以，相對於石化能源，生物質燃料具有許多特有的環境價值。 它能減少氣候變化，土壤侵蝕、水污染和垃圾堆積的壓力、提供野生生物居住環境和幫助維持更好的生態健康等 ;在生物利用和再生的碳循環中，生物燃燒不會產生淨 CO₂的釋放，所以對温室效應的影響也比較小 ；燃料後產生較少生物殘滯，且還可以用作生物化肥。

表 1 羅列了生物資源的一些基本數據。巨大生物潛能的開發可以通過提高已存資源的利用率和增加植物的生產率來實現。 尤其是前者，由於當今熱機能量利用率低，大量的生物潛能被浪費。 為了解決這一問題，原始生物燃料被轉化為其它的符合現代需要的、高效的、容易利用和運輸儲藏的能量形式，如電能，液體或氣體燃料，或者經過處理的固體燃料。這樣更多的能量從生物質中抽提出來 ，從而大大提高城鄉及鄉村的物質經濟生活。 這也成為今天生物能源研究的核心 ^[3]  。

生物質燃料中較為經濟的是生物質成型燃料，多為莖狀農作物、花生殼、樹皮、鋸末以及固體廢棄物(糠醛渣、食用菌渣等)經過加工產生的塊狀燃料，其直徑一般為6~8毫米，長度為其直徑的4~5倍，破碎率小於1.5%~2.0%，幹基含水量小於10%~15%，灰分含量小於1.5%，硫含量和氯含量均小於0.07%，氮含量小於0.5%。若使用添加劑，則應為農林產物，並且應標明使用的種類和數量。

直接燃燒是一種最常用的、直接的和商業可行的從生物質中提取能量的方式。 從供能植物到農業渣滓和廢棄材料，燃燒系統幾乎利用了各種形式的生物燃料。 而它們的燃燒過程相當，一般分為 4 個過程 ：

(1) 生物質中水的蒸發過程，即使經過數年乾燥的木材，其細胞結構中仍含有 15 %～20 %的水；

(2) 生物質中氣/ 汽化成分的釋放，這不僅僅是煙囱中釋放的氣體，還包括部分可供燃燒的蒸汽混合物和蒸發的焦油；

(3) 釋放的氣體與空氣中的氧在高温下燃燒，併產生高温分解物的噴射 ；

(4) 木材中的剩餘物 (主要是碳) 燃燒，在完全燃燒條件下，木材中的能量完全釋放，木材完全轉變為灰燼。

這一過程的主要問題是低效率。 如上所述，溢出的火苗和可燃燒氣體使絕大多數的熱無法利用而白白浪費。 以木材燃燒製沸水過程而言，1m³ 幹木材含10G J 能量，而使 1L 水提高 1 ℃需要 412K J 的熱能，所以煮沸 1L 水需要少於 400K J 的能量，數值上僅相當於 40cm³ 的木材 — — — 僅僅是一根小樹枝而已。 可實際上在一個小的火爐上，我們大概需要至少 50 倍的木材，即效率不超過 2 %。

而提高燃燒效率的方法主要有：

(1) 足夠高的温度；

(2) 足夠的氧；

(3) 充分的燃燒時間；

(4) 較少的能量逃逸。

設計一個高效的火爐或鍋爐，為此提供了保證。 在過去的十幾年裏，鍋爐設計取得了長足的發展，以滿足更高的效率和更少的釋放量 (灰塵和 CO)的需要。 特別在燃燒室的設計，燃燒的空氣供給和燃燒自動控制過程等方面都取得較大的進步。 手動鍋爐，燃機效率已經從 50 %提高到 75 %～90 %，而自動鍋爐，從 60 %上升到了 85 %～92 %。

但是由於各種原始的生物燃料都極易降解，所以它們不易用於長時間的儲存。 而且由於它們相對較低的能量密度，所以長距離的運輸也顯得極不經濟。再則雖然鍋爐在熱能利用率上取得一定的進展，但是總的能量利用率仍然很低。 所以通過其他形式從生物質中獲取能源，以提高能量的利用率，滿足長距離的能量供給和儲備在 20 世紀 80 年代後成為了研究的熱點。

沼氣的生產和使用是最早的通過生物轉化提供能量的過程。 沼氣，主要成分甲烷(CH₄) 是由甲烷產氣菌在厭氧條件下將有機物分解轉化而成。 甲烷產生菌由於其細胞中不含觸酶和過氧化歧化酶，所以它是嚴格的厭氧細菌 — — — 氧對其有致死作用。 另外，它們對碳 - 能源的類型有特殊的要求，可利用的基質分為三類：

(1) 含有 1～6 個炭原子的短鏈脂肪酸；

(2)含 1～5 個碳原子的正或異醇類；

(3) 三種氣體：H₂ 、CO和 CO₂ 。

由於這種特殊的底物要求給甲烷的大規模生產提出了技術和經濟上的問題。

乙醇是最重要的醇類燃料。 乙醇作為能源具有諸多優良的特性 ，如發酵底物範圍廣 ，幾乎包括各種原始生物材料；優良的燃燒特性；燃料無殘滯和高的辛烷比；有益於環境的無污染燃料 ，特別是無鉛、CO₂、CO、SO₂、粒子和其它碳氫化合物；可以直接與石油天然氣混合 (最優條件下 ，乙醇佔 20 %～30 %) 作為內燃機的液體燃料，從而改良燃料性能 ，減少三廢的排放。

乙醇的發酵過程與釀酒過程非常相似 ，一般涉及以下 4 個步驟：

(1) 制醇植物的生長、收割和運輸；

(2) 預處理 ，將原始的生物材料轉化為適合發酵過程的底物；

(3) 發酵過程將底物轉化為乙醇 ，並分離提取；

(4) 發酵廢渣的處理 ，以減少污染和回收副產物。

可用作乙醇發酵的原料 ，範圍很廣。 最近利用木質纖維素作為碳源和發酵系統成為了研究的熱點[7 ] 。木質纖維素是自然界中廣泛存在價格低廉的可再生自然資源 ，它的主要成分是聚多糖 (主要為纖維素和半纖維素) 和木質素。 可以用作制醇原料的是聚多糖，但必須先通過酸和酶水解等前處理手段將其轉化成糖才能直接被細胞利用。 而該過程是降低醇製造工業成本的關鍵步驟。木質素不能被生物轉化為乙醇 ，但它同其他發酵廢渣可以作為鍋爐燃料或用作生物化肥。

傳統的乙醇發酵過程是利用酵母，特別是釀酒酵母(S . cerevisiae) ，通過EMP途徑將葡萄糖降解為丙酮酸，接着由丙酮酸脱羧酶脱羧和乙醇脱氫酶還原生成乙醇。 現在常用的是利用基因工程技術 ，在大腸桿菌(E. coli) 中整合運用酵單孢菌 (Z. mobilis) 的丙酮酸脱羧酶和乙醇脱氫酶基因 ，發酵製備乙醇 ^[4]  。

在過去的幾十年裏乙醇發酵技術和效率得到了迅速的提高 ，新技術新工藝不斷湧現 ，生產規模也越來越大。 今天 ，在美國每年平均通過發酵製取乙醇2 百億加侖，提供全美汽車燃油總量的 1 %以上。拉丁美洲，尤其是巴西，是世界上最大的進行乙醇發酵的地區。 在巴西 ，自從 1975 年國家醇儲備計劃 (theNational Alcohol Programmer ， ProAlcool) 後 ，巴西已經通過甘蔗發酵製取了近 900 億升的乙醇 ，大量的石化能源被乙醇所代替 ，為石化能源的進口節省了鉅額開支。

生物柴油是指植物油與甲醇進行酯交換製造的脂肪酸甲酯，是一種潔淨的生物燃料。 由於乙醇在柴油機應用中的缺陷 (不能和柴油互溶，無法直接引燃等) ，以及生物柴油自身優良的燃燒特性 ，生物柴油在今天也是生物燃料研究中的熱點。 生物柴油的生產 ，一般有如下方法：

(1) 植物油酶法 ，即藉助脂酶對廢食用油進行酯交換反應 ，生產生物柴油。 最近有報道 ，採用固定化酶技術並在反應過程中分段添加甲醇，使生產效率得到大幅提高並大大增加了酶的使用壽命。

(2) 利用甘蔗渣發酵生產柴油。

(3) 控制脂質累積水平使乙酰輔酶A 羧化酶基因在微藻細胞中的高效表達 ，由此通過培養的微藻來生產柴油 ^[5]  。

氫氣是另一種 21 世紀的重要能源。 今天氫氣主要從石化工業中生產 ，但由於其過程高能耗、高成本以及污染環境等特性 ，使得生物制氫過程成為研究的熱點。 生物制氫主要靠藍細菌和綠藻的光裂解水制氫 ，或厭氧發酵制氫 ，但是這些過程高額的成本 ，以及氫氣作為能源儲存運輸的難題 ，使得氫氣走向實用還為時過早。

另外 ，傳統的石化工業中 ，將微生物發酵運用到現代的石油開採技術中來提高原油的回收率也屢有報道，並已經在一些油田中推廣使用 ，如勝利油田。 這也表明即使在傳統的石化能源中也有生物制能的影子 ^[3]  。

將生物質中的化學能轉變為電能的生物制電過程 ，主要分成兩種 ：傳統的通過燃燒發電和生物電池。傳統的燃燒發電 ，在前文中已有提及 ，可以細分為兩種形式 ：

(1) 通過生物質在鍋爐中燃燒 ，制蒸汽，再由蒸汽發電 ；

(2) 生物質氣化產物燃燒製電。 而生物電池不同 ，其制電過程是在温和條件下 ，通過生物催化直接將化學能轉變為電能的過程。

傳統的生物發電是通過生物質在鍋爐中燃燒產生高密度蒸氣 ，再由蒸汽驅動渦輪機發電。 該技術在今天已經獲得了很好的發展 ，並且可以利用廣泛的可燃原料 ，但是由於其相對的低能量利用率和低操作效率 (而且就長遠的角度看兩者的提高的潛力極為有限) ，以及由於高蒸汽壓力( > 1200atm ，以提高蒸汽温度增加能量利用率) 的需要所帶來的操作高危險性 ，這一技術的進一步發展受到限制。 生物氣化是一種從生物質中獲取電能的新方法。 代替直接的燃燒 ，生物質在首先轉變為可燃蒸汽的過程中利用了大約65 % — 70 %的生物質所含能量。 製備的氣體 ，和天然氣一樣 ，可以用於發電、汽車驅動以及被廣泛的工業使用。 可以説 ，這種新技術，發展潛力很大。生物電池的發電機制主要有兩種 ：

(1) 在反應器中 ，利用微生物發酵將原材料轉變為燃料產品 ，如 H₂，再由它在串聯的發電設備中氧化生電 ，見圖 1A ;或者將微生物發酵和制電過程合為一體 ，微生物的代謝產物直接通過電極上的電子傳遞媒介物同氧化物 (O₂ 或H₂O₂) 發生電子傳遞 ，產生電 ，圖 1B 。

(2) 利用固定在電極氧化還原酶，氧化還原專一性的燃料物質和氧化底物 ，從而產生電。 這一過程的基本原理見圖 2。

由於大多數的氧化還原酶無法與導電支持物直接發生電子轉移，因此一系列的電子傳遞媒介物被研最近一些新穎的覆蓋了單層或多層生物催化酶的功能電極被報道。 組合了具有生物活性的單膜電極 ，在保證生物催化速率的同時 ，大大加快界面電子轉移速率 ，減小了電池內阻，為生物電池小巧化、穩定化的發展提供了保證。小巧便攜 ，高效穩定和長壽命是生物電池發展的方向。 一種理想的狀態是插入式的電池能夠利用人體內天然的燃料物質 (如葡萄糖等) 高效持續的產生電能為醫療診斷等目的所用 ，如支持心臟起搏器、體內探針等長期正常的運行 ^[3]  。

隨着化石能源價格的不斷攀升，生物質能的利用價值越來越高，除傳統的薪柴、秸稈、蔗渣外，專門作為燃料的高產植物也不斷培育成功。

木質廢料或植物燃料作為鍋爐燃料，替代燃煤或燃油，不僅節約不可再生的化石能源和企業能耗成本，而且由於木質廢料中幾乎不含硫，對環境的污染更小 ^[6]  。它具有以下優勢：

（1）生物質燃料發熱量大，發熱量在3900~4800千卡/kg左右，經炭化後的發熱量高達7000—8000千卡/kg。

（2） 生物質燃料純度高，不含其他不產生熱量的雜物，其含炭量75—85%，灰份3—6%，含水量1—3%

（3）絕對不含煤矸石，石頭等不發熱反而耗熱的雜質，將直接為企業降低成本。

（4） 生物質燃料不含硫磷，不腐蝕鍋爐，可延長鍋爐的使用壽命，企業將受益匪淺。

（5） 由於生物質燃料不含硫磷，燃燒時不產生二氧化硫和五氧化二磷，因而不會導致酸雨產生，不污染大氣，不污染環境。

（6） 生物質燃料清潔衞生，投料方便，減少工人的勞動強度，極大地改善了勞動環境，企業將減少用於勞動力方面的成本。

（7）生物質燃料燃燒後灰碴極少，極大地減少堆放煤碴的場地，降低出碴費用。

（8） 生物質燃料燃燒後的灰燼是品位極高的優質有機鉀肥，可回收創利。

（9） 生物質燃料是大自然恩賜於我們的可再生的能源，它是響應中央號召，創造節約性社會，工業反哺農業的急先鋒。