如何高效利用我国农村生物质资源
对于生物质这个词大家都有肯能感到陌生， 所以我们先解释一下这个名词， 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。它包括植物、动物和微生物。广义概念：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。有代表性的生物质如农作物、农作 物废弃物、木材、木材废弃物和动物粪便。狭义概念：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（简称木质素） 、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。特点：可再生、低污染、分布广泛。 因为生物质中含有能量， 因此引伸出生物质能这个词， 生物质能就是太阳能以化学能形式贮 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。 国内生物质的资源分布 因为生物质包括植物、动物和微生物，所以在分析生物质资源分布的时候，我们只考虑 植物的分布。我国农林生物质资源丰富、数量巨大,较常见的有秸秆、稻壳、薪材、锯末和 甘蔗渣等。 据统计,我国农作物秸秆可收集量约为 4.5 亿 t/年， 折合标准煤 1.8 亿 t， 稻壳 5000 万 t，折合标准煤 2000 万 t ；林业加工过程产生的木质废弃物约 2400 万 m3，折合标准煤 150 万 t ；各种天然薪材的合理提供量为 1.4 亿 t ，折合标准煤 0.74 亿 t。 农业生物质资源 我国是农业生产大国,农业生物质资源丰富。 每年的农业生产废弃物的产量约为 6.5 亿 t， 到 2010 年产量可达 7.3 亿 t，可产生 12EJ 的能量。农业生物质资源主要包括农作物秸秆和 农产品加工废弃物。农作物秸秆是我国广大农村地区传统的生活用能，其中水稻、玉米和小 麦秸秆占到 84.3%；农产品加工废弃物有稻壳、玉米芯、花生壳和甘蔗渣等。1999 年，我 国各地区主要农业生物质可利用量的合计总量达 5.6 亿 t。 列前 10 位的地区是： 山东、 河南、 河北、江苏、黑龙江、吉林、四川、湖北、安徽和内蒙古。其中，秸秆类生物质的主要流向 为 15%还田，24%饲用，2.3%用于工业，近 60%用于薪柴或露地燃烧。因此，我国农业生 物质资源具有巨大的应用潜力。 林业生物质资源 我国现有森林面积为 1.75 亿 hm2，其蓄积量为 124.56 亿 m3。2002 年，全国造林面积 为 777.10hm2，比上一年增长 56.8%。我国陆地林木生物质资源总量在 180 亿 t 以上，可用 于生产生物质能源的主要是薪炭林、 林业废弃物和平茬灌木等。 林业生物质能资源在我国农 村能源中占有重要地位。2002 年，我国农村消耗的林业生物质能资源约 1.66 亿 tce,占农村 能源总消费量的 21.2%。在丘陵、山区和林区等区域，农民 50%以上的生活用能依靠林业资 源。1999 年，我国林业生物质产量列前 10 位的地区是：黑龙江、内蒙古、四川、云南、吉 林、江西、湖南、广西、广东和山西。另外，我国有宜林荒山荒地约 4692.71 万 hm2，可以 开发种植高产能源植物。 （资料来自于百度百科） 我国生物质能源的利用现状 我们国家生物质能源的资源十分丰富， 然而我国生物质能源的开发利用起步较晚， 随着 近些年的研究和开发，经取得了明显的效果。但总体来说主要是作为燃料提供热能或发电、 农田有机肥料及多种化工产品等。 生物质作为燃料或发电 （1）直接燃烧 我国 9 亿多农村人口的生活用能大部分依赖于生物质能源。 然而直接燃烧热效率低， 目 前生物质的直接燃烧利用着重于研究开发提高燃烧的热效率， 减少有害物排放， 如研究开发 各种锅炉等用能设备上。生物质的燃烧，国外用于商业化发电，我国在这一方面仍需进一步 完善。 直接燃烧主要包括炉灶燃烧、压缩成型燃料燃烧、联合燃烧和焚烧垃圾。炉灶燃烧是传 统农村人们的用能方式， 因效率比较低而逐渐被淘汰。 压缩成型燃料燃烧是将生物质压缩成 型，使其密度增大，性能接近煤，相当于锅炉直接燃煤技术，而且尾气排放污染小，进行发 电很有发展前景， 其中颗粒成型燃烧尤适合家庭或暖房取暖。 联合燃烧是燃煤掺入生物质燃 烧，可减少二氧化硫及氮的氧化物的排放。焚烧垃圾是锅炉在 800—1000℃高温下燃烧垃圾 可燃组分， 释放热量供热或发电。 目前我国现代生物质能中用于直接燃烧的高效燃烧锅炉有 200 多台,效率均可达 80%，有几十家垃圾焚烧炉正常运行。 垃圾顾名思义是一种环境污染物，其实它是“放错位置的财富” ，许多国家和地区，已 经形成垃圾产业，垃圾的资源化既可以减轻环境污染，又可以缓解资源短缺。近年来，国外 不断开发出新型发电技术如城市生活垃圾发电，据试验焚烧 500t 垃圾可以发电 1 万千瓦? 时。匈牙利建造的一座大型垃圾发电厂，有 4 个垃圾燃烧室，每个燃烧室可燃烧 15t 垃圾? 电站既发电又给附近用户提供了高达 250℃的蒸汽。垃圾发电在丹麦、瑞典、德国、法国、 日本、英国等国家也得到重视和应用。污泥发电，日本东京大学发明了一种使污泥固化的方 法，据试验固化污泥每千克有 4000 大卡热量，相当于低质煤的发热量，用它进行发电，既 可节约能源，又可保护环境卫生。但是我国垃圾资源的产业化尚未形成。 我国生物质能直接燃烧发电处于起步阶段， 仍具有较大的发展潜能， 美国利用生物质如 废木材和农业废弃物燃烧发电技术已经成熟，其发电设备装机容量为 736MW。 （2）利用转化技术 生物质能源的开发利用， 按照转化产物的形态可分为生物质的液化和气化， 液化与气化 通常采用生物技术和热化学两种方法。 生物质的液化， 生物质的热解液化技术在我国目前尚处于试验研究阶段。 我国各大院校 如浙江大学对生物质废弃物在回转窑中的热解特性， 以及各种碱金属和相关无机元素在生物 质热解中的析出行为进行了研究， 上海理工大学、 东南大学等也正在从不同的角度对生物质 液化技术进行研究。 研究生物质液化是为了提高液体产物的产率， 减少固体残留物和气态产 物的量获得品质更高的液体产品。 生物质热解液化所得液体燃料习惯上称为生物柴油， 可以直接作为燃料使用， 也可以转 化为品位更高的液体燃料或价值更高的化工产品。 生物柴油的研究与开发起步晚， 有望在今 后几十年中迅速发展起来，形成生物柴油产业。统计数据表明，我国乙醇产量的 1/3 以木薯 为原料,2004 年广西乙醇产量为 30 万 t,其中木薯生产乙醇总量达到 10 万 t。利用生物质生 产酒精方面巴西和美国成绩很突出。 研究结果表明木薯作为燃料乙醇原料的综合效益居第二 位,它是生产生物乙醇的首选原料,目前科技工作者在木薯乙醇生产中已经开发出诸如连续 发酵、差压精馏等可与玉米乙醇生产相媲美的技术。黑龙江、吉林和河南三省建设陈化粮为 燃料乙醇生产工程,主要原料为玉米、甘薯等,并已在全国十余个城市开展了掺和 10%乙醇的 汽油醇燃料应用示范工作。 生物质的气化,我国生物质生产沼气研究工作开展的较好,利用秸秆和粪便通过发酵,产 生沼气后照明和生活用燃料。目前,我国特别是四川等地在农村已普遍使用了较为实用的沼 气池。沼气开发利用主要有农业沼气,工业沼气,城市下水道污水沼气,城市垃圾沼气。生物 质气化产物主要包含甲烷、乙烷、氢气、一氧化碳、二氧化碳等,这些产物可用做生活燃气 或工业用气。生物质气化是生物质热转化技术中历史最长、最具实用性的一种技术,但生物 质气化气存在的最大弱点,即气体中 H2/CO 值较低。 我国在技术与装置开发方面自 1990 年代 以来,已取得了一系列的成果,如主要集中于生物法和热化学转换法生物质的制氢技术,中国 科学院广州能源研究所开发研制的各式气化炉 ,可用于清洁供热供电和供气,部分产品已经 出口东南亚各国。 目前二甲醚的合成主要通过煤气化、 天然气气化以及重渣油气化等途径获 得的合成气来合成。 据报道,该研究所研究出利用生物质间接液化一步法合成二甲醚的方法。 发明专利是一种利用沼气重整生物质气化气合成二甲醚的新方法,工艺涉及生物质的高效洁 净利用领域,提供了一种完全由生物质高效清洁利用合成燃料二甲醚的绿色合成方法。?? 生物质转化成其他化工产品 上海大学环境与化学工程学院固体废物研究中心,利用水热技术对甘蔗渣、树叶和菜皮 ?种生物质垃圾的转化产物和机理进行了研究。结果表明,生物质转化得到的产物中含有大 量的腐植酸物质。这类腐植酸物质可以作为生态肥料,腐植酸含量能达到 45%左右具有良好 的肥效和经济价值。广西大学生物技术学科的研究人员针对此难题经过两年的攻关,成功地 研制了利用污泥制造成高效无污染的生态有机肥的技术,生产的肥料不仅能使农作物产量有 较大的提高,而且使果蔬的品质有极大的提高,深受农民的普遍青睐。2000 年该技术转让给 上市公司桂林集琦集团,当年便实现产业化。 我国农村生产沼气过程中,同时得到发酵液、 渣 等厌氧发酵残留物,作为农田的有机肥料,效果很好,从而使得生物质能源得到充分利用。我 国木薯生产乙醇技术趋于成熟,乙醇除了作为运输燃料替代汽油,还可以生产冰醋酸、 乙烯及 其下游产品。生物质的催化合成甲醇技术发达国家,如美国、日本、英国、法国、德国、俄 罗斯等,早在 10 年前就已开展了技术攻关研究。朱灵峰等研究者开展了此项研究工作,填补 了我国此研究领域的空白。 结果表明,解决了催化剂失活问题,秸秆类生物质热化学法制得的 低热值燃气通过适当处理制备的合成气,可直接催化合成甲醇。生物质能的研究工作逐渐转 向热解产品的深加工开发,如活性炭、 木醋液等应用研究领域。 木焦油是国际紧俏产品,木醋 液可形成多种化工产品。 （资料来源江西林业科技报 2006 年第 5 期） 开发和利用生物质能源已成为世界许多国家开源节流、化害为利和保护环境的重要措 施。据联合国环境保护机构发表的一份调查报告说，至少有多个工业化国家在开发利用“绿 色能源”方面取得了显著成绩，其中有些国家通过实施“绿色能源”计划，在很大程度上缓 解了本国能源紧缺的矛盾?同时有效地改善了环境。 而我们国家在拥有丰富的生物质资源时， 我们更要合理的开发与利用， 改善利用生物质 能源的技术，提高能源利用效率，使我国在利用生物质能源方面更加完善，最终使生物质能 源成为我国重要能源的之一。
“十一五”期间，我国节能减排目标是单位国内生产总值能耗降低20%，主要污染物排放总量减少10%。要实现这一目标，不能忽视农业节能减排工作。 “农业节能减排是国家节能减排工作的重要组成部分，潜力巨大，前景广阔。”农业部副部长危朝安接受记者采访时表示，农业农村在节能减排中大有可为，但目前我国的农业节能减排的形势十分严峻，应该引起各级政府、相关行业与部门的高度重视。 农业部统计显示，2006年，我国农村能源消费总量约为9亿吨标准煤，其中商品能源约为6亿吨标准煤，占全国商品能源消费总量的四分之一。 “与城镇居民相比，农村生活用能仍以薪柴等传统生物质能为主，生物质能消费占一半以上，农村居民商品能源消费水平低。农村居民人均年耗电量约130千瓦时，仅为城镇居民的50%。”危朝安说，随着农村居民生活水平的提高，农村地区商品能源的需求进一步扩大，对国家能源安全的压力越来越大，农村地区的能源供应问题不容忽视。 他分析说，我国大部分农村地区经济发展水平低，基础设施落后，制约了常规商品能源的推广应用，并且成本高，多数农民难以负担，出现了农村居民对优质能源日益增长的需求与商品能源供应短缺之间的矛盾。无论从能源资源的结构性短缺，还是从经济可持续发展的目标来考虑，我国农村能源开发不能再延续过去资源耗竭性的发展模式，必须依靠农民、立足农村，积极开发当地丰富的生物质能、太阳能、风能、地热能、小水电和微水电等可再生能源。 此外，我国大部分农村地区居民生活用能仍以秸秆、薪柴等低效燃烧为主，室内外环境污染相当严重，能源利用效率低，仅为25%左右，节能潜力巨大。“开发农村可再生能源，做好农村能源节约，不仅有利于改变农民传统生活能源消费模式，减少农民对商品能源的依赖，而且能够有效改善农村生产生活条件，推进社会主义新农村建设。”危朝安说。 他还介绍，目前，我国化肥使用量达到4300多万吨，利用率仅为30%左右。农药使用量140多万吨，利用率仅为30%左右。每年产生的畜禽粪便近30亿吨，农村每天产生生活垃圾近100万吨，大部分未经处理直接排放。据调查，太湖流域农业生产和农民生活的总氮、总磷贡献率达到50%以上，滇池的总氮、总磷贡献率达到60%以上。治理农业面源污染对实现“十一五”污染物减排目标具有重要作用。 根据国家可再生能源发展规划，到2020年，可再生能源开发利用总量要达到3亿吨标准煤，约占届时一次能源消费总量的10%，加快农村可再生能源开发，刻不容缓。 危朝安表示，我国是农业大国，生物质能源的蕴藏量很大，每年可用总量折合约5亿吨标准煤，仅农业生产中每年产生的农作物秸秆，就折合1.5亿吨标准煤。我国不宜种植粮食作物，但可以种植能源植物的土地有1亿公顷、可人工造林土地有4667万亩。按这些土地20%的利用率计算，每年约生产10亿吨生物质，再加上木薯、甜高粱等能源生物，据专家测算，每年至少可生产燃料乙醇和生物柴油约5000万吨，农村可再生能源开发利用潜力巨大。 “农业节能减排，就应该以节肥、节药、节水、节地、节能技术推广为重点，构建农村节约型生产和生活方式。”他说，按照目前的发展趋势，到2010年，农村地区将推广太阳能热水器8000万平方米，太阳房5000万平方米，太阳灶200万台，太阳能光电50万处，小型风力发电机组30万台，微型水力发电15万台，形成1160万吨标准煤的年节能能力；将发展省柴节煤灶8851.78万户，总节能量3540.71万吨标准煤；发展生物秸秆气化集中供气1000处，生产燃料乙醇506.7万吨、生物柴油12.54万吨，总节能量741万吨。
生物质能可以直接燃烧，我国农村还有一半以上居民用燃烧木柴、秸秆取暖和炊事。但植物的直接燃烧会污染空气而影响生态环境。如果通过生物化学和热化学作用将植物变成甲烷、酒精，则可以获得高效、低价的能源，而且这些新产生的能源对空气污染和生态环境的影响轻微。但是这类能源的转换效率低，而且往往受季节和地区的影响。
如果在汽油中掺入10%～20%的酒精，使之变成汽油醇，则在汽车发动机不做任何改造的条件下开动汽车，除了可节省汽油，还可减少汽车尾气中一氧化碳和碳氢化合物的排放量。但到目前为止，用糖或淀粉通过发酵来生产酒精的成本还较高，而且还要消耗粮食。因此如果能用农作物的副产品如植物纤维（秸秆、木屑、锯末等）生产廉价的酒精，则可大量节省汽油，并可减少汽车尾气对环境的污染。
另外，科学家也在寻找能直接产生烃类的植物，并将其变成农作物。除了大豆、油菜籽、油棕、油桐等作物外，已经发现了四十几种能产生烃类的植物。经过人工优选的油棕，每万平方米可收获14吨油料。海南的一种油楠大乔木的树芯内有一种黄色的油状树液，可直接用于照明，每棵大树可产生10～20千克这种可燃树液。另外，在海洋中还有某些海带或海藻类植物可以提炼合成天然气甚至可提炼汽车用的汽油和柴油。有研究认为，一公顷油菜田可生产1200升植物油和1060升氧气。其中植物油只有经过加工处理，可以变成生物柴油。种植各种能变成烃类的能源植物，可以实现将农田变成“油田”，而且是可再生的油田。在新世纪，各种能源植物的研究将成为发达国家开发可再生能源的新途径，而且还会使农业复兴。
生物质能的主要发展领域还包括：生物纤维发酵生产酒精；生物质热分解气化产生一氧化碳、氢气、甲烷等气体，经过净化可用于发电；在我国农村，将植物的秸秆等有机物封闭在窖中，在缺氧环境中使之发酵，产生沼气可用于取暖、炊事和照明。沼气还可用来发电，每立方米沼气可发电1.25～1.45千瓦时。由于我国还有8亿多居民生活在农村，因此发展沼气在我国有广阔的前景，而且发展沼气还可以将发酵后的秸秆等作为农肥使用，不仅增加土壤的肥力，还保护了环境。
中国是一个人口大国，又是一个经济迅速发展的国家，21世纪将面临着经济增长和环境保护的双重压力。因此改变能源生产和消费方式，开发利用生物质能等可再生的清洁能源资源对建立可持续的能源系统，促进国民经济发展和环境保护具有重大意义。
开发利用生物质能对中国农村更具特殊意义。中国80%人口生活在农村，秸秆和薪柴等生物质能是农村的主要生活燃料。尽管煤炭等商品能源在农村的使用迅速增加，但生物质能仍占有重要地位。1998年农村生活用能总量3.65亿吨标煤，其中秸秆和薪柴为2.07亿吨标煤，占56.7%。因此发展生物质能技术，为农村地区提供生活和生产用能，是帮助这些地区脱贫致富，实现小康目标的一项重要任务。
1991年至1998年，农村能源消费总量从5.68亿吨标准煤发展到6.72亿吨标准煤，增加了18.3%，年均增长2.4%。而同期农村使用液化石油气和电炊的农户由1578万户发展到4937万户，增加了2倍多，年增长达17.7%，增长率是总量增长率的6倍多。可见随着农村经济发展和农民生活水平的提高，农村对于优质燃料的需求日益迫切。传统能源利用方式已经难以满足农村现代化需求，生物质能优质化转换利用势在必行。
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。由于中国地广人多，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。
