生物质能在使用时可以转化为哪些形式的能?请举例说明
生物质能的利用主要有直接燃烧(热能.光能)、热化学转换（热能.化学能）和生物化学(热能.化学能）转换等3种途径.生物质的直接燃烧在今后相当长的时间内仍将是我国生物质能利用的主要方式.当前改造热效率仅为10%左右的传统烧柴灶,推广效率可达20%-30%的节柴灶这种技术简单、易于推广、效益明显的节能措施,被国家列为农村新能源建设的重点任务之一.生物质的热化学转换是指在一定的温度和条件下,使生物质汽化、炭化、热解和催化液化,以生产气态燃料、液态燃料和化学物质的技术.生物质的生物化学转换包括有生物质-沼气转换和生物质-乙醇转换等.沼气转化是有机物质在厌氧环境中,通过微生物发酵产生一种以甲烷为主要成分的可燃性混合气体即沼气、乙醇转换是利用糖质、淀粉和纤维素等原料经发酵制成乙醇.
其实能量是能相互转换的,经过处理生物质能能产生其他形式的能量!
生物质能的主要利用形式包括直接燃烧、热化学转换和生物化学转换等3种途径。
1、直接燃烧
当前改造热效率仅为10%左右的传统烧柴灶，推广效率可达20%-30%的节柴灶这种技术简单、易于推广、效益明显的节能措施，被国家列为农村新能源建设的重点任务之一。生物质的直接燃烧和固化成型技术的研究开发主要着重于专用燃烧设备的设计和生物质成型物的应用。
现已成功开发的成型技术按成型物形状主要分为大三类：以日本为代表开发的螺旋挤压生产棒状成型物技术，欧洲各国开发的活塞式挤压制的圆柱块状成型技术，以及美国开发研究的内压滚筒颗粒状成型技术和设备。
2、热化学转换
是指在一定的温度和条件下，使生物质气化、炭化、热解和催化液化，以生产气态燃料、液态燃料和化学物质的技术。
①生物质气化：生物质气化技术是将固体生物质置于气化炉内加热，同时通入空气、氧气或水蒸气，来产生品位较高的可燃气体。它的特点是气化率可达70%以上，热效率也可达85%。生物质气化生成的可燃气经过处理可用于合成、取暖、发电等不同用途，这对于生物质原料丰富的偏远山区意义十分重大，不仅能改变他们的生活质量，而且也能够提高用能效率，节约能源。
②生物质碳化
生物质颗粒碳化燃料是各种生物质经过干燥、转性、混料、成型、碳化等复杂过程连续生产出来的一种新型燃料，其与煤性质相同，是可供各种燃烧机、生物质锅炉、熔解炉、生物质发电等的高效、可再生、环保生物质燃料，此种燃料在国际认证为零污染燃料。
③生物质热解
通常是指在无氧或低氧环境下，生物质被加热升温引起分子分解产生焦炭、可冷凝液体和气体产物的过程，是生物质能的一种重要利用形式。
3、生物质化学转换
通过生物质的厌氧发酵制取甲烷，用热解法生成燃料气、生物油和生物炭，用生物质制造乙醇和甲醇燃料，包括有机物质-沼气转换和生物质-乙醇转换等。沼气转化是有机物质在厌氧环境中，通过微生物发酵产生一种以甲烷为主要成分的可燃性混合气体即沼气。乙醇转换是利用糖质、淀粉和纤维素等原料经发酵制成乙醇。生物制氢，生物质通过气化和微生物催化脱氢方法制氢。
生物质能，就是太阳能以化学能形式储存在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，取之不尽、用之不竭，是一种可再生能源，同时也是唯一一种可再生的碳源（王德元，2008）。
一、生物质能的特点
（1）可再生性。生物质能是从太阳能转化而来，通过植物的光合作用将太阳能转化为化学能，储存在生物质内部的能量，与风能、太阳能等同属可再生能源，可实现能源的永续利用。
（2）清洁、低碳。生物质能中的有害物质含量很低，属于清洁能源。同时，生物质能的转化过程是通过绿色植物的光合作用将二氧化碳和水合成生物质，生物质能的使用过程又生成二氧化碳和水，形成二氧化碳的循环排放过程，能够有效减少人类二氧化碳的净排放量，降低温室效应。
（3）具有替代优势。利用现代技术可以将生物质能转化成可替代化石燃料的生物质成型燃料、生物质可燃气、生物质液体燃料等。在热转化方面，生物质能可以直接燃烧或经过转换，形成便于储存和运输的固体、气体和液体燃料，可运用于大部分使用石油、煤炭及天然气的工业锅炉和窑炉中。国际自然基金会2011年2月发布的《能源报告》认为，到2050年，将有60%的工业燃料和工业供热都采用生物质能。
（4）原料丰富。生物质能资源丰富，分布广泛。根据世界自然基金会的预计，全球生物质能潜在可利用量达350×1018J/a（约合82.12×108t标准油，相当于2009年全球能源消耗量的73%）。根据我国《可再生能源中长期发展规划》统计，我国生物质资源可转换为能源的潜力约5×108t标准煤，随着造林面积的扩大和经济社会的发展，我国生物质资源转换为能源的潜力可达10×108t标准煤。在传统能源日渐枯竭的背景下，生物质能是理想的替代能源，被誉为继煤炭、石油、天然气之外的第四大能源（据胡理乐等，2012）。
二、生物质能的利用
生物质能一直是人类赖以生存的重要能源，在整个能源系统中占有重要地位。有关专家估计，生物质能极有可能成为未来可持续能源系统的组成部分，到21世纪中叶，采用新技术生产的各种生物质替代燃料将占全球总能耗的40%以上。人类对生物质能的利用，包括直接用作燃料的农作物秸秆、薪柴等；间接作为燃料的有农林废弃物、动物粪便、垃圾及藻类等，它们通过微生物作用生成沼气，或采用热解法制造液体和气体燃料，也可制造生物炭。生物质能是世界上最为广泛的可再生能源。据估计，每年地球上仅通过光合作用生成的生物质总量就达（1440～1800）×108t（干重），其能量约相当于20世纪90年代初全世界总能耗的3～8倍。但是尚未被人们合理利用，多半直接当薪柴使用，效率低，影响生态环境。现代生物质能的利用是通过生物质的厌氧发酵制取甲烷，用热解法生成燃料气、生物油和生物炭，用生物质制造乙醇和甲醇燃料，以及利用生物工程技术培育能源植物、发展能源农场（魏伟等，2013）。
生物质能的利用主要有直接燃烧、热化学转换、物理转换和生物化学转换等4种途径（王久臣等，2007）。生物质的直接燃烧在今后相当长的时间内仍将是我国生物质能利用的主要方式。当前使用较为广泛传统的烧柴灶热改造效率仅为10%左右，而气化燃烧锅炉作为一种效率可达20%～30%的新型节能措施，具有技术简单、易于推广、效益明显等特点，已被国家列为农村新能源建设的重点任务之一。生物质的热化学转换是指在一定的温度和条件下，使生物质气化、炭化、热解和催化液化，以生产气态燃料、液态燃料和化学物质的技术（图4-60）。生物质能物理转化的最简单的方法就是将生物质原料进行压缩。自然堆积的固体生物质原料通常都比较疏松，密度较小，形状不规则，不便运输、储存和使用。将松散的原料进行预加工、预处理后，在外部压力的作用下，成型设备里的原料的体积大幅度减小，密度显著增大，最后成为一定形状的产品，例如玉米秸秆颗粒成型燃料（图4-61）。生物质的生物化学转换包括生物质—沼气转换和生物质—乙醇转换等。沼气转化是有机物质在厌氧环境中，通过微生物发酵产生一种以甲烷为主要成分的可燃性混合气体即沼气。乙醇转换是利用糖质、淀粉和纤维素等原料经发酵制成乙醇（郭海霞等，2011）。生物质能利用技术主要有以下五种。
图4-60 立式气化燃烧换热一体化锅炉图
（据张洋，2009）
图4-61 玉米秸秆颗粒成型燃料
（据张洋，2009）
1．直接燃烧
直接燃烧方式可分为炉灶燃烧、锅炉燃烧、垃圾燃烧和固体成型燃烧等4种方式。其中，固体成型燃烧是新推广的技术，它将生物质固体化成型或将生物质、煤炭及固硫剂混合成型后使用。丹麦新建设的热电联产项目都是以生物质为燃料。使生物质能在转换为高品位电能的同时满足供热的需求，以大大提高其转换效率。其优点是充分利用生物质能替代煤炭，可以减少二氧化碳和二氧化硫排放量。生物质固体成型燃料制备工艺如图4-62、图4-63所示（雷学军等，2010）。
图4-62 生物质固体成型燃料制备工艺（据雷学军，2010）
2．生物质气化
生物质气化技术是将固体生物质置于气化炉内加热，同时通入空气、氧气或水蒸气，来产生品位较高的可燃气体。它的特点是气化率可达70%以上，热效率也可达85%。生物质气化生成的可燃气经过处理可用于合成、取暖、发电等不同用途，这对于生物质原料丰富的偏远山区意义十分重大，不仅能改变他们的生活质量，而且也能够提高用能效率，达到节约能源的目的。生物质气化机理如图4-64所示。
图4-63 生物质型煤制备工艺（据雷学军，2010）
图4-64 生物质气化机理示意图（据雷学军，2010）
3．液体生物燃料
由生物质制成的液体燃料称为液体生物燃料。液体生物燃料主要包括生物乙醇、生物丁醇、生物柴油、生物甲醇等。虽然利用生物质制成液体燃料起步较早，但发展比较缓慢。受世界石油资源、价格、环保和全球气候变化的影响，20世纪70年代以来，许多国家日益重视液体生物燃料的发展，并取得了显著的成效。我国液体生物燃料发展也取得了很大的成绩，以粮食为原料的燃料乙醇生产已初步形成规模，并可以利用菜籽油、大豆油、米糠下脚料等为原料生产生物柴油（魏伟等，2013）。
“十五”期间，我国在河南、安徽、吉林和黑龙江分别建设了以陈化粮为原料的燃料乙醇生产厂，生产能力达到102×104t/a，并从2002年开始，先后在东北三省以及河南、安徽、山东、江苏、湖北、河北等九省区分两期进行了车用乙醇汽油试点和示范，取得了良好的效果。据不完全统计，在生物柴油方面，目前全国生物柴油生产厂家有50多家，产能超过105t的生物柴油企业有16家，最大规模为30×104t，山东省为生产企业数量最多的省份，其次为江苏、河北和广东，截至2014年底，国内生物柴油装置总产能在525.5×104t，同比增长64×104t，但长期闲置产能达239.3×104t，占总产能的45%左右。
4．沼气
沼气是各种有机物质在隔绝空气（还原）并处于适宜的温度、湿度条件下，经过微生物的发酵作用产生的一种可燃烧气体。沼气的主要成分甲烷类似于天然气，是一种理想的气体燃料，它无色无味，与适量空气混合后即可燃烧。
1）沼气的传统利用和综合利用技术
我国是世界上开发沼气较多的国家，最初主要是农村的户用沼气池，以解决秸秆焚烧和燃料供应不足的问题。大中型沼气工程始于1936年，此后，大中型废水、养殖业污水、村镇生物质废弃物、城市垃圾沼气的建立扩宽了沼气的生产和使用范围。
自20世纪80年代以来建立起的沼气发酵综合利用技术，以沼气为纽带，其物质多层次利用、能量合理流动的高效农业模式，已逐渐成为我国农村地区利用沼气技术促进可持续发展的有效方法（图4-65）。通过沼气发酵综合利用技术，沼气用于农户生活用能和农副产品生产加工，沼液用于饲料、生物农药、培养料液的生产，沼渣用于肥料的生产。我国北方推广的塑料大棚、沼气池、气禽畜舍和厕所相结合的“四位一体”沼气生态农业模式，中部地区以沼气为纽带的生态果园模式，南方建立的“猪—果”模式，以及其他地区因地制宜建立的“养殖—沼气”、“猪—沼—鱼”和“草—牛—沼”等模式，都是以农业为龙头，以沼气为纽带，对沼气、沼液、沼渣的多层次利用的生态农业模式。沼气发酵综合利用生态农业模式的建立使农村沼气和农业生态紧密结合，是改善农村环境卫生的有效措施，也是发展绿色种植业、养殖业的有效途径，已成为农村经济新的增长点。
图4-65 沼气发酵示意图（据魏伟，2013）
2）沼气发电技术
沼气燃烧发电是随着大型沼气池的建设和沼气综合利用的不断发展而出现的一项沼气利用技术，它将厌氧发酵处理产生的沼气用于发动机上，并装有综合发电装置，以产生电能和热能。沼气发电具有高效、节能、安全和环保等特点，是一种分布广泛且价廉的分布式能源。沼气发电在发达国家已受到广泛重视，并得到积极推广。生物质能发电并网电量在西欧一些国家占能源总量的10%左右。
3）沼气燃料电池技术
燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。依据电解质的不同，燃料电池分为碱性燃料电池（AFC）、质子交换膜（PEMFC）、磷酸（PAFC）、熔融碳酸盐（MCFC）及固态氧化物（SOFC）等。
燃料电池能量转换效率高、洁净、无污染、噪声低，既可以集中供电，也适合分散供电，是21世纪最有竞争力的高效、清洁的发电方式之一，它在洁净煤炭燃料电站、电动汽车、移动电源、不间断电源、潜艇及空间电源等方面，有着广泛的应用前景和巨大的潜在市场（王久臣等，2007）。
5．生物质发电技术
生物质发电技术是将生物质能转化为电能的一种技术，主要包括直接燃烧发电、混合燃烧发电、气化发电和沼气发电。作为一种可再生能源，生物质能发电在国际上越来越受到重视，在我国也越来越受到政府的关注和民间的拥护。
生物质发电在我国已有所发展。2005年底，我国生物质发电装机容量约为2×106kW，其中，蔗渣发电约1.7×106kW，垃圾发电约0.2×106kW，其余为稻壳等农林废弃物气化发电和沼气发电等。2006年《可再生能源法》实施后，我国的生物质能发电产业迅速发展，至2008年底，农林生物质发电项目达170多个，装机容量为4600×103kW，50个项目并网发电。到2012年底，我国生物质发电累计并网容量为5819×103kW，其中直燃发电技术类型项目累计并网容量为3264×103kW，占全国累计并网容量的56%；垃圾焚烧发电技术类型项目累计并网容量为2427×103kW，占全国累计并网容量的41.71%；沼气发电技术类型项目并网容量为206×103kW，占全国累计并网容量的3.54%。同其他发电技术相比，我国拥有巨大的农林废弃物产量，可以为生物质发电产业提供有力的原料支持，保障电力的充足供应（蒋大华等，2014）。
生物质能的利用需要充分考虑利用方向、利用技术及适用场合等多种因素，进行综合评价，有的放矢并最大化地利用好生物质能资源（表4-9）。
表4-9 生物质利用技术评价一览表（据王久臣，2007）
三、需要解决的难题
面对全球性的减少化石能源消耗，控制温室气体排放的形势，利用生物质能资源生产可替代化石能源的可再生能源产品，已成为我国应对全球气候变暖和控制温室气体排放问题的重要途径之一。然而受原料收集难、政策补贴不到位等现实问题的制约，生物质能产业的发展规模和水平远远低于风能、太阳能的利用，主要存在以下四个难题（王芳，2013）。
（一）认识不够
生物质能正处在一个很尴尬的境地——在可再生能源中生物质能是最重要的，但相比而言，它的产业化程度、发展规模都是最差的。这其中有一些客观原因，也有一些属于认识问题。
生物质能的重要性体现在以下四点，第一，我国是地少人多的国家，农林剩余物、城市垃圾等废弃物是生物质资源的主要来源，以往农民处理秸秆大多是直接燃烧，城市垃圾多是填埋，但废弃物的处理是个刚性需求，随着国家对CO2排放限制的提高，生物质的能源化利用成为更为先进和有效的方法。第二，我国化石能源短缺，其中液体燃料是最缺少的，而液体燃料只有利用生物质可以转化。第三，生物质能的各个生产阶段都是可以人为干预的，而风能、太阳能只能靠天吃饭，发电必须配合调峰，而生物质能则不需要，甚至可以为其他能源提供调峰。第四，生物质原料需要收集，这样能够增加农民收入，刺激当地消费，可以有效促进农村经济的发展。一个（2500～3000）×104kW的电厂，在原料收集阶段农民获得的实惠约有五六千万元。“三农”问题解决好了，对于整个社会发展将起到非常重要的作用。
除了客观上发展规模受限以外，对生物质能的认识各不相同，对其投资的额度与地方的GDP增长是不相符的，资源的分散性导致生物质能在一地的投资占比较少。这在某些政府官员那来看，生物质能有点像“鸡肋”，有的话吃不饱，丢了又有点可惜，并且地方政府还要帮助协调农民利益、禁烧等“麻烦事”。由此导致生物质能整体项目规模较小，技术投入不足，尽管它是利国利农的好事，却处于发展欠佳的尴尬地位。
（二）补贴门槛过高
对生物质能的支持，国家采取了多种补贴手段。但补贴门槛过高，手续烦琐、先垫付后补贴也困扰着不少企业。财政部财建〔2008〕735号文件规定，企业注册资本金要在1000万元以上，年消耗秸秆量要在104t以上，才有条件获得140元/t的补助。对此，中国农村能源行业协会生物质专委会秘书长肖明松认为，1000万元的注册资金，是国家考虑防范企业经营风险时的必要手段，这对大企业无所谓，但对一些中小公司则很难达到。而104t秸秆的年消耗量，需要相当规模的储存场地，由此带来的火灾隐患、成本增加问题也是企业不得不考虑的事情。事实上，如果扩大鼓励面的话，3000～5000t也是适用的。受制于这些现实难题，财政部的万吨补贴政策遭遇落地难。
这种现象主要是由于国家制订政策的初衷并不鼓励生物质能企业因陋就简，遍地开花，而是鼓励企业专门从事生物质能，培养骨干型企业，这就需要一定的物质基础。104t的厂子，固定资产就大概需要400万元，加上流动资金，1000万元并不算多。而万吨规模在能源化利用上，刚称得上有点规模，只要是同一个业主，生产点可以分散，如果规模太小，补贴监管成本也太高。对于补贴方式上存在一定缺陷，整个机制缺乏能源主管部门、技术部门的参与。制度怎样更有利于监管，公平公开还有待于进一步完善。而该行业的快速发展，补贴政策功不可没，但不能因为出现一些问题而因噎废食，取消这个补贴政策将会对刚刚起步的生物质能产业造成重大的打击。因为国家补贴不仅仅是提供资金，还表明国家对该行业的支持态度，对企业和投资具有强力的引导作用。
（三）布局难以把控
到底企业要建多大产能方能最好？可再生能源学会生物质能专业委员会秘书长袁振宏认为，没有最好，只有最适合的，适合的就是最好的。比如苏南地区每人只有几分地，那就没法收，这些地方就没法建大厂，但东北垦区就比较适合建大型电厂，有条件上规模，成本才越低，效益才越高。一定要因地制宜。密集地区可以建气化发电，做成型燃料，不一定去建发电厂。
企业要多方考虑，合理布局，否则很容易陷入发展困局。建生物质能电厂首先要考虑可持续发展，原料分散的话就需要分散性利用，要考虑水资源、电力、人文环境是不是可以支撑这个项目。
（四）成本价格难控
受耕作制度的限制，我国农村土地高度分散，给资源的收集、储存、运输带来很大不利因素，在后续的环节上会放大很多倍。生物质能要依赖农业，资源掌握在老百姓手里，农民的市场意识很好，完全随行就市。如果收集半径过大，需要农民花费大量时间收集、运输，那农民就会要求按外出打工时计算人力成本，如此一来，企业为原料支出的成本就会大大提高。如果企业坚持不抬价，就可能造成企业吃不饱，缩量生产，影响经济效益。每度电的原料成本如果超出一定范围，无论怎么发电都是赔钱。加上人工费用近年来的快速增加，成本成了扼住企业脖子的一道枷锁。所以准备入行的企业首先要考虑的是原料资源的可获得性，如果不成熟千万不要贸然进入。地方政府可以进行协调，比如利用示范效应，鼓励农民种植秸秆作物，做好企业加农户的结合，平衡好企业和农户之间的利益。
此外，在我国现实的社会经济环境中，还存在一些消极因素制约着生物质能的发展和应用（李景明等，2010；刘旭等，2014）：
（1）市场环境和保障机制不够完善。我国生物燃料乙醇发展缺乏明确的发展目标，没有形成连续稳定的市场需求，还处在“以产定销、计划供应”阶段。国内生物燃料乙醇从生产到销售的各个环节都受到了政府部门的严格控制，是政策性的封闭运行，尚未形成真正意义的市场化。
（2）资源评价、技术标准、产品检测和认证等体系不完善。我国于2001年颁布了变性生物燃料乙醇（GB 18350-2013）和车用乙醇汽油（GB 18351-2015）两项强制性国家标准，在技术内容上等效采用了美国试验与材料协会标准（ASTM），在现有标准的基础上及时制订不同生物质原料来源的生物燃料乙醇相关基础标准和工艺控制等标准就显得极为迫切。
（3）资源分散，收集手段落后，产业化进程缓慢，制约着生物质能高新技术的规模化和商业化利用。集中发电和供热是国际上通行的高效清洁地利用生物质能的主要技术方式。但是，这些技术对应的生产设备需要具有一定的规模，才能产生经济效益。
（4）利用装备技术含量低，研发经费投入过少，一些关键技术研发进展不大。例如厌氧消化产气率低，设备与管理自动化程度较差；气化利用中焦油问题未能解决，影响长期应用；沼气发电与气化发电效率较低，二次污染问题没有彻底解决。
（5）缺乏专门扶持生物质能发展、鼓励生产和消费生物质能的政策。在当前缺乏一定的经济补助手段的条件下，难以实现生物质热电联产规模化，竞争能力弱。
（6）生物质能与农业、林业在资源使用上不协调。能源作物已经开始成为不少国家生物质能的主体。但是，我国土地资源短缺，存在能源作物和农业、林业争夺土地的矛盾。
四、生物质能利用的意义
我国能源面临着总量不足、石油紧缺、环境污染严重、人均占有量少和能效低等诸多问题，这些问题将长期制约我国经济的发展和社会进步。因此，改变能源生产和消费方式，大力开发利用生物质能已成为我国发展可再生能源的首要问题。同时，开发利用生物质能既是实行能源战略多元化、解决我国能短缺问题的有效途径，又是拓展农民就业领域、促进农民增收的重要渠道（表4-10）。
表4-10 我国生物质能应用规模与发展目标（据魏伟，2013）
在我国各种主要的能源当中，煤炭占据着主导地位，同时，煤炭的大量使用也给环境造成了严重的污染。目前，我国温室气体（GHG）的排放已经超过了世界排放量要求13%，仅次于美国，居世界第二位。根据世界银行公布的数据，预计到2020年我国的温室气体排放有可能占到世界排放总量的20%。在没有切实可行办法控制矿物燃料使用过程中产生的生态环境污染的情况下，减少使用量、开发利用洁净可替代能源是唯一的解决办法。截至2010年年底，我国可开发为能源的生物质资源已达3亿多吨。通过先进、成熟和高效的转换技术，将其生产成使用方便、无污染的气体燃料、固体燃料和液体燃料，替代化石能源，减少温室气体排放，从根本上解决农村普遍存在的畜牧公害和秸秆问题，是我国发展生物质能产业的长期目标。这不但能实现能源消费与环境保护的双赢，而且能实现能源的可持续发展，从而推进经济社会的可持续发展（蔺雪芹等，2013）。
生物质能高新转换技术不仅能够大大加快村镇居民实现能源现代化进程，满足农民富裕后对优质能源的迫切需求，同时也可在乡镇企业等生产领域中得到应用。由于我国地广人多，常规能源不可能完全满足广大农村日益增长的需求，而且由于国际上正在制定各种有关环境问题的公约，限制二氧化碳等温室气体排放，这对以煤炭为主的我国是很不利的。因此，立足于农村现有的生物质资源，研究新型转换技术，开发新型装备既是农村发展的迫切需要，又是减少排放、保护环境、实施可持续发展战略的需要。
生物质能是指植物叶绿素将太阳能转化为化学能储存在生物质内部的能量，通过热化学转换技术将固体生物质转换成可燃气体、焦油等，通过生物化学转换技术将生物质在微生物的发酵作用下转换成沼气、酒精等，通过压块细密成型技术将生物质压缩成高密度固体燃料等。
生物质能源包括：能源林木、能源作物、水生植物、各种有机的废弃物等，它们是通过植物的光合作用转化而成的可再生资源。
生物质有广义和狭义之分，广义上的生物质是指利用大气、水、土地等通过光合作用而产生的各种有机体，即一切有生命的可以生长的有机物质通称为生物质，包括所有的植物、微生物以及以植物、微生物为食物的动物及其生产的废弃物。
狭义上的生物质主要是指农林业生产过程中除粮食、果实以外的秸秆、树木等木质纤维素、农产品加工业下脚料、农林废弃物及畜牧业生产过程中的禽畜粪便和废弃物等物质。
扩展资料：
生物质能具有四大特征：
1、一是可再生性。由于可以通过植物的光合作用而形成，生物质能与风能、太阳能等一样是可再生能源，源源不断生产，保障永续利用。
2、二是绿色环保。一方面，由于生物质中硫含量、氮含量很低，燃烧过程中基本不会造成有害气体；另一方面，生物质燃烧排放释放的二氧化碳的量与其生长需要的二氧化碳相当，因而对大气的二氧化碳净排放量近似于零，不会加剧温室效应。
3、三是分布广泛、总量丰富。根据生物学家的估算，陆地每年生产1000亿一1250亿吨生物质；海洋年生产500亿吨生物质。生物质能源的年生产量远远超过全世界年能源需求总量。
4、四是广泛应用性。生物质能源可以以沼气、压缩成型固体燃料、气化生产燃气、气化发电、生产燃料酒精、热裂解生产生物柴油等形式存在，应用在国民经济的各个领域。
参考资料来源：百度百科-生物质能
参考资料来源：人民网-“古典”能源迈上复兴路-中国生物质能开发利用成果丰硕
生物质能的转换技术具体说，大致可分为以下三类：直接燃烧；生物转换技术；化学转换技术。此外，生物质还可通过多种煤气发生炉转化为可燃煤气。从长远看，绿色能源的开发利用，必将是跨世纪的大趋势，而且可以预见，21世纪生物质能技术的发展，必将取得令人鼓舞的进步。
一氧化碳分子是不饱和的亚稳态分子，在化学上就分解而言是稳定的。常温下，一氧化碳不与酸、碱等反应，但与空气混合能形成爆炸性混合物，遇明火、高温能引起燃烧、爆炸，属于易燃、易爆气体。因一氧化碳分子中碳元素的化合价是+2，能被氧化成+4价，具有还原性；且能被还原为低价态，具有氧化性。在一定条件下，一氧化碳和水蒸气等摩尔反应生成氢气和二氧化碳：CO + H2O → H2+ CO2。在工业装置中，早期的一氧化碳变换反应通常分两段进行，即高（中）温变换和低温变换。高（中）温变换用铁系作催化剂，典型水蒸汽和一氧化碳比为3左右，在温度为300～500℃、空速为2000～4000 h-1的条件下，高温变换炉出口一氧化碳含量为2%～5%；低温变换用高活性铜锌催化剂，在温度为180～280℃、空速为2000～4000 h-1的条件下，低温变换炉出口一氧化碳含量为0.2%～0.5%、二氧化碳（carbon dioxide），一种碳氧化合物，化学式为CO2，化学式量为44.0095、常温常压下是一种无色无味[2]或无色无嗅而其水溶液略有酸味的气体，也是一种常见的温室气体、还是空气的组分之一（占大气总体积的0.03%-0.04%[5]）。在物理性质方面，二氧化碳的熔点为-56.6℃，沸点为-78.5℃，密度比空气密度大（标准条件下），溶于水。在化学性质方面，二氧化碳的化学性质不活泼，热稳定性很高（2000℃时仅有1.8%分解），不能燃烧，通常也不支持燃烧，属于酸性氧化物，具有酸性氧化物的通性，因与水反应生成的是碳酸，所以是碳酸的酸酐。
二氧化碳一般可由高温煅烧石灰石或由石灰石和稀盐酸反应制得，主要应用于冷藏易腐败的食品（固态）、作致冷剂（液态）、制造碳化软饮料（气态）和作均相反应的溶剂（超临界状态）等。
关键词：生物质热解；研究进展；发展现状；展望
0 引 言
通过生物质能转换技术可高效地利用生物质能源， 生产各种清洁能源和化工产品，从而减少人类对于化石能源的依赖，减轻化石能源消费给环境造成的污染。 目前，世界各国尤其是发达国家，都在致力于开发高效、无污染的生物质能利用技术，以保护本国的矿物能源资源，为实现国家经济的可持续发展提供根本保障。
生物质热解是指生物质在没有氧化剂（空气、氧气、水蒸气等）存在或只提供有限氧的条件下，加热到逾500℃，通过热化学反应将生物质大分子物质（木质素、纤维素和半纤维素）分解成较小分子的燃料物质（固态炭、可燃气、生物油）的热化学转化技术方法。生物质热解的燃料能源转化率可达95.5%，最大限度的将生物质能量转化为能源产品，物尽其用，而热解也是燃烧和气化必不可少的初始阶段[1]。
1 热解技术原理
1.1 热解原理
从化学反应的角度对其进行分析， 生物质在热解过程中发生了复杂的热化学反应，包括分子键断裂、异构化和小分子聚合等反应。木材、林业废弃物和农作物废弃物等的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素。热重分析结果表明，纤维素在52℃时开始热解，随着温度的升高，热解反应速度加快，到350～370℃时，分解为低分子产物，其热解过程为：
(C6H10O5)n→nC6H10O5
C6H10O5→H2O+2CH3-CO-CHO
CH3-CO-CHO+H2→CH3-CO-CH2OH
CH3-CO-CH2OH+H2→CH3-CHOH-CH2+H2O
半纤维素结构上带有支链，是木材中最不稳定的组分，在225～325℃分解，比纤维素更易热分解，其热解机理与纤维素相似[2]。
从物质迁移、能量传递的角度对其进行分析，在生物质热解过程中，热量首先传递到颗粒表面，再由表面传到颗粒内部。热解过程由外至内逐层进行，生物质颗粒被加热的成分迅速裂解成木炭和挥发分。其中，挥发分由可冷凝气体和不可冷凝气体组成，可冷凝气体经过快速冷凝可以得到生物油。一次裂解反应生成生物质炭、一次生物油和不可冷凝气体。在多孔隙生物质颗粒内部的挥发分将进一步裂解，形成不可冷凝气体和热稳定的二次生物油。同时，当挥发分气体离开生物颗粒时，还将穿越周围的气相组分，在这里进一步裂化分解，称为二次裂解反应。生物质热解过程最终形成生物油、不可冷凝气体和生物质[3，4]。
1.2 热解反应基本过程
根据热解过程的温度变化和生成产物的情况等， 可以分为干燥阶段、预热解阶段、固体分解阶段和煅烧阶段。
1.2.1 干燥阶段（温度为120～150℃），生物质中的水分进行蒸发，物料的化学组成几乎不变。
1.2.2 预热解阶段（温度为150～275℃），物料的热反应比较明显，化学组成开始变化，生物质中的不稳定成分如半纤维素分解成二氧化碳、一氧化碳和少量醋酸等物质。上述两个阶段均为吸热反应阶段。
1.2.3 固体分解阶段（温度为275～475℃），热解的主要阶段，物料发生了各种复杂的物理、化学反应，产生大量的分解产物。生成的液体产物中含有醋酸、木焦油和甲醇（冷却时析出来）；气体产物中有CO2、CO、CH4、H2等，可燃成分含量增加。这个阶段要放出大量的热。
1.2.4 煅烧阶段（温度为450～500℃），生物质依靠外部供给的热量进行木炭的燃烧，使木炭中的挥发物质减少，固定碳含量增加，为放热阶段。实际上，上述四个阶段的界限难以明确划分，各阶段的反应过程会相互交叉进[5，6]。
2 热解工艺及影响因素
2.1 热解工艺类型
从对生物质的加热速率和完成反应所用时间的角度来看，生物质热解工艺基本上可以分为两种类型：一种是慢速热解，一种是快速热解。在快速热解中，当完成反应时间甚短（＜0.5s）时，又称为闪速热解。根据工艺操作条件，生物质热解工艺又可分为慢速、快速和反应性热解三种。在慢速热解工艺中又可以分为炭化和常规热解[5]。
慢速热解（又称干馏工艺、传统热解）工艺具有几千年的历史，是一种以生成木炭为目的的炭化过程，低温干馏的加热温度为500～580℃，中温干馏温度为660～750℃， 高温干馏的温度为900～1100℃。将木材放在窑内，在隔绝空气的情况下加热，可以得到占原料质量30%～35%的木炭产量。
快速热解是将磨细的生物质原料放在快速热解装置中，严格控制加热速率（一般大致为10～200℃/s）和反应温度（控制在500℃左右）， 生物质原料在缺氧的情况下，被快速加热到较高温度，从而引发大分子的分解，产生了小分子气体和可凝性挥发分以及少量焦炭产物。可凝性挥发分被快速冷却成可流动的液体，成为生物油或焦油，其比例一般可达原料质量的40%～60%。
与慢速热解相比，快速热解的传热反应过程发生在极短的时间内，强烈的热效应直接产生热解产物，再迅速淬冷，通常在0.5s内急冷至350℃以下，最大限度地增加了液态产物（油）。
常规热解是将生物质原料放在常规的热解装置中，在低于600℃的中等温度及中等反应速率（0.1～1℃/s）条件下，经过几个小时的热解，得到占原料质量的20%～25%的生物质炭及10%～20%的生物油[7～9]。
2.2 热解影响因素
总的来讲，影响热解的主要因素包括化学和物理两大方面。化学因素包括一系列复杂的一次反应和二次反应；物理因素主要是反应过程中的传热、传质以及原料的物理特性等。具体的操作条件表现为：温度、物料特性、催化剂、滞留时间、压力和升温速率[10]。
2.2.1 温度
在生物质热解过程中，温度是一个很重要的影响因素， 它对热解产物分布、组分、产率和热解气热值都有很大的影响。生物质热解最终产物中气、油、炭各占比例的多少，随反应温度的高低和加热速度的快慢有很大差异。一般地说，低温、长期滞留的慢速热解主要用于最大限度地增加炭的产量，其质量产率和能量产率分别达到30%和50%（质量分数）[11～13]。
温度小于600℃的常规热解时，采用中等反应速率，生物油、不可凝气体和炭的产率基本相等；闪速热解温度在500～650℃范围内，主要用来增加生物油的产量，生物油产率可达80%（质量分数）；同样的闪速热解，若温度高于700℃，在非常高的反应速率和极短的气相滞留期下，主要用于生产气体产物，其产率可达80%（质量分数）。当升温速率极快时，半纤维素和纤维素几乎不生成炭[5]。
2.2.2 生物质材料的影响
生物质种类、分子结构、粒径及形状等特性对生物质热解行为和产物组成等有着重要的影响[3]。这种影响相当复杂，与热解温度、压力、升温速率等外部特性共同作用，在不同水平和程度上影响着热解过程。 由于木质素较纤维素和半纤维素难分解，因而通常含木质素多者焦炭产量较大；而半纤维素多者，焦炭产量较小。在生物质构成中，以木质素热解所得到的液态产物热值为最大；气体产物中以木聚糖热解所得到的气体热值最大[5]。
生物质粒径的大小是影响热解速率的决定性因素。粒径在1mm以下时，热解过程受反应动力学速率控制，而当粒径大于1mm时，热解过程中还同时受到传热和传质现象的控制。大颗粒物料比小颗粒传热能力差，颗粒内部升温要迟缓，即大颗粒物料在低温区的停留时间要长，从而对热解产物的分布造成了影响。 随着颗粒的粒径的增大，热解产物中固相炭的产量增大。从获得更多生物油角度看，生物质颗粒的尺寸以小为宜，但这无疑会导致破碎和筛选有难度，实际上只要选用小于1mm的生物质颗粒就可以了。
2.2.3 催化剂的影响
有关研究人员用不同的催化剂掺入生物质热解试验中，不同的催化剂起到不同的效果。如：碱金属碳酸盐能提高气体、碳的产量，降低生物油的产量，而且能促进原料中氢释放，使空气产物中的H2/CO增大；K+能促进CO、CO2的生成，但几乎不影响H2O的生成；NaCl能促进纤维素反应中H2O、CO、CO2的生成；加氢裂化能增加生物油的产量，并使油的分子量变小。
另外，原料反应得到的产物在反应器内停留时间、反应产出气体的冷却速度、原料颗粒尺寸等，对产出的炭、可燃性气体、生物油（降温由气体析出）的产量比例也有一定影响[5]。
2.2.4 滞留时间
滞留时间在生物质热解反应中有固相滞留时间和气相滞留时间之分。固相滞留时间越短，热解的固态产物所占的比例就越小，总的产物量越大，热解越完全。在给定的温度和升温速率的条件下，固相滞留时间越短，反应的转化产物中的固相产物就越少，气相产物的量就越大。气相滞留期时间一般并不影响生物质的一次裂解反应过程，而只影响到液态产物中的生物油发生的二次裂解反应的进程。当生物质热解产物中的一次产物进入围绕生物质颗粒的气相中，生物油就会发生进一步的裂化反应，在炽热的反应器中，气相滞留时间越长，生物油的二次裂解发生的就越严重，二次裂解反应增多，放出H2、CH4、CO等，导致液态产物迅速减少，气体产物增加。所以，为获得最大生物油产量，应缩短气相滞留期，使挥发产物迅速离开反应器，减少焦油二次裂解的时间[3～5]。
2.2.5 压力
压力的大小将影响气相滞留期，从而影响二次裂解，最终影响热解产物产量的分布。随着压力的提高，生物质的活化能减小，且减小的趋势渐缓。在较高的压力下，生物质的热解速率有明显的提高，反应也更激烈，而且挥发产物的滞留期增加，二次裂解较大；而在低的压力下，挥发物可以迅速从颗粒表面离开，从而限制了二次裂解的发生，增加了生物油产量[14，15]。
2.2.6 升温速率
升温速率对热解的影响很大。一般对热解有正反两方面的影响。升温速率增加，物料颗粒达到热解所需温度的相应时间变短，有利于热解；但同时颗粒内外的温差变大，由于传热滞后效应会影响内部热解的进行。随着升温速率的增大，温度滞后就越严重，热重曲线和差热曲线的分辨力就会越低，物料失重和失重速率曲线均向高温区移动。热解速率和热解特征温度（热解起始温度、热解速率最快的温度、热解终止温度）均随升温速率的提高呈线形增长。在一定热解时间内，慢加热速率会延长热解物料在低温区的停留时间，促进纤维素和木质素的脱水和炭化反应，导致炭产率增加。气体和生物油的产率在很大程度上取决于挥发物生成的一次反应和生物油的二次裂解反应的竞争结果，较快的加热方式使得挥发分在高温环境下的滞留时间增加，促进了二次裂解的进行，使得生物油产率下降、燃气产率提高[16～18]。
3 热解技术研究现状
3.1 国内研究现状
与欧美一些国家相比，亚洲及我国对生物质热解的研究起步较晚。近十几年来，广州能源研究所生物质能研究中心、浙江大学、东北林业大学等单位做了一些这方面的工作。
广州能源研究所生物质能研究中心，目前研究方向重点为生物质热化学转化过程的机理及热化学利用技术。其研究内容为：（1）高能环境下的热解机理研究：等离子体热解气化、超临界热解等；（2）气化新工艺研究：高温气化、富氧气化、水蒸汽气化等；（3）气化技术系统集成及应用：新型气化装置、气化发电系统等；（4）生物质气化燃烧与直接燃烧：气化燃烧技术、热解燃烧技术、直接燃烧等。
浙江大学着眼于流化床技术在生物质清洁能源规模化利用上显示出的巨大潜在优势，在上世纪末成功开发了以流化床技术为基础的生物质热裂解液化反应器，并在先期成功试验的基础上，针对已有的生物质热裂解液化工艺中能源利用率不高以及液体产物不分级等缺点，采用独特的设计方案研发了生物质整合式热裂解分级制取液体燃料装置，得出了各运行参数对生物质热解产物的得率及组成的影响程度，适合规模化制取代用液体燃料。目前正在开展深层技术和扩展应用的研究。
东北林业大学生物质能研究中心研究方向： 转锥式生物质闪速热解液化装置。经过一系列的调试、实验和改进后，现已经探索出了一些基本的设计规则和经验。现阶段设备制造已完成，即将进入实验阶段，为今后设备改进及技术推广打好坚实的基础。
另外在快速热裂解研究上，沈阳农业大学在联合国粮农组织（FTO）的协助下，从荷兰的BTG集团引入一套50 kg/h旋转锥闪速热解装置并进行了相关实验研究；上海理工大学、华东理工大学、浙江大学、中国科学院广州能源研究所、清华大学、哈尔滨工业大学和山东理工大学等单位也开展了相关实验研究，目前正在开展深层技术和扩展应用的研究。在现在技术的支持下，用于商业运行的只有输运床和循环流化床系统[19，20]。
河南农业大学农业部可再生能源重点开放实验室也长期进行了生物质热解方面的研究。“YNO4型生物质燃气脱焦机”的诞生解决了现有生物质热解气化机组净化装置复杂、脱焦效率低且焦油难收集等问题，结构简单，操作方便，避免了二次污染，系统运行可靠，维护费用低，经济效益显著，适用于各类生物质热解气化机组的配套及其商业化应用，已于2001年11月通过省科技厅技术鉴定，并已在许昌机电厂投入批量生产。
同时，该实验室与河南商丘三利新能源有限公司对生物质热解产物进行了综合利用的研究，并形成了配套设备。根据农作物秸秆资源存在着季节性、分散性的特点和运输、储存难的矛盾，采取了分散和集中的模式，即在农作物秸秆易收集的范围内建造小型生物质热解装置，就地使用生物质燃气， 然后将便于运输的生物质炭、焦油、木醋液收集，建设若干集中加工厂，生产多种产品以供各种用途，较适合我国的国情。
3.2 国外研究现状
生物质热解技术最初的研究主要集中在欧洲和北美。20世纪90年开始蓬勃发展，随着试验规模大小的反应装置逐步完善，示范性和商业化运行的热解装置也被不断地开发和建造。欧洲一些著名的实验室和研究所开发出了许多重要的热解技术，20世纪90年代欧共体JOULE计划中生物质生产能源项目内很多课题的启动就显示了欧盟对于生物质热解技术的重视程度。
但较有影响力的成果多在北美涌现，如加拿大的Castle Capital有限公司将BBC公司开发的10Kg/h～25Kg/h的橡胶热烧蚀反应器放大后，建造了1500Kg/h～2000 kg/h规模的固体废物热烧蚀裂解反应器，之后，英国Aston大学、美国可再生能源实验室、法国的Nancy大学及荷兰的Twente大学也相继开发了这种装置。
荷兰Twente大学反应器工程组及生物质技术（BTG）集团研制开发了旋转锥热裂解反应器，由于工艺先进、设备体积小、结构紧凑，得到了广泛的研究和应用；Hamberg木材化学研究所对混合式反应器鼓泡床技术进行了改进和发展，成功地采用静电扑捉和冷凝器联用的方式，非常有效地分离了气体中的可凝性烟雾。ENSYN基于循环流化床的原理在意大利开发和建造了闪速热解装置（RTP），还有一些小型的实验装置也相继在各研究所安装调试。
传统的热解技术不适合湿生物质的热转化。针对这个问题，欧洲很多国家己开始研究新的热解技术，这就是Hydro Thermal Upgrading（HTU）。将湿木片或生物质溶于水中，在一个高压容器中，经过15min（200℃，300bar）软化，成为糊状，然后进入另一反应器（330℃，200bar）液化5～15min。经脱羧作用，移去氧，产生30%CO2、50%生物油，仅含10%～15%的氧。荷兰Shell公司证明：通过催化，可获得高质量的汽油和粗汽油。这项技术可产生优质油（氧含量比裂解油低），且生物质不需干燥，直接使用[21，22]。
4 前景与展望
面对化石能源的枯竭和环境污染的加剧，寻找一种洁净的新能源成了迫在眉睫的问题。现在全世界都把目光凝聚在生物质能的开发和利用上。生物质能利用前景十分广阔，但真正实际应用还取决于生物质的各种转化利用技术能否有所突破。
随着技术的不断完善，研究的方向和重点也在拓宽，以前侧重热解反应器类型及反应参数，以寻求产物最大化，而现在整体利用生物质资源的联合工艺以及优化系统整体效率被认为是最大化热解经济效益、具有相当大潜力的发展方向；除此之外，提高产物品质，开发新的应用领域，也是当前研究的迫切要求。
我国生物质热解技术方面的研究进展缓慢，主要是因为研究以单项技术为主，缺乏系统性，与欧美等国相比还有较大差距。 特别是在高效反应器研发、工艺参数优化、液化产物精制以及生物燃油对发动机性能的影响等方面存在明显差距。同时，热解技术还存在如下一些问题：生物油成本通常比矿物油高，生物油同传统液体燃料不相容，需要专用的燃料处理设备；生物油是高含氧量碳氢化合物，在物理、化学性质上存在不稳定因素，长时间贮存会发生相分离、沉淀等现象，并具有腐蚀性；由于物理、化学性质的不稳定，生物油不能直接用于现有的动力设备，必须经过改性和精制后才可使用；不同生物油品质相差很大，生物油的使用和销售缺少统一标准，影响其广泛应用。以上问题也是阻碍生物质高效、规模化利用的瓶颈所在[6]。
针对以上存在的差距和问题，今后的研究应主要集中在如何提高液化产物收率，寻求高效精制技术，提高生物油品质，降低运行成本，实现产物的综合利用和工业化生产等方面。同时加强生物质液化反应机理的研究，特别是原料种类及原料中各种成分对热化学反应过程及产物的影响。在理论研究的基础上，将现有设备放大，降低生物油生产成本，逐渐向大规模生产过渡，完善生物油成分和物理特性的测定方法，制定统一的规范和标准，开发生物油精制与品位提升新工艺，开发出用于热化学催化反应过程中的低污染高效催化剂，使其能够参与化石燃料市场的竞争[23]。?
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