简述生物质直接液化的原理
生物质液化是通过热化学或生物化学方法将生物质部分或全部转化为液体燃料。
生物质液化又可分为生物化学法和热化学法。生物化学法主要是指采用水解、发酵等手段将生物质转化为燃料乙醇、燃料丁醇等；热化学法主要包括快速热解液化和加压催化液化等。
生物质气化是在一定的热力学条件下，借助于空气部分（或者氧气）、水蒸气的作用，使生物质的高聚物发生热解、氧化、还原重整反应，最终转化为一氧化碳，氢气和低分子烃类等可燃气体的过程。
生物质液化是通过热化学或生物化学方法将生物质部分或全部转化为液体燃料。
一、生物质热解综合技术
该项技术是生物质在反应器中完全缺氧或只提供有限氧和不加催化剂条件下，高温分解为生物炭、生物油和可燃气的热化学反应过程。可热解的生物质非常广泛，农业、林业和加工时废弃的有机物，都可以作为热解的原料。生物质热解后，其能量的80%-90%转化为较高品位的燃料，有很高的商业价值。农业、林业废弃生物质热解产生的固体和液体燃料燃烧时不冒黑烟，废气中含硫量低，燃烧残余物很少，减少了对环境的污染。分选后的城市垃圾和废水处理生成的污泥经热解后，体积大为缩小，臭味、化学污染和病原菌被除去在消除公害的同时，获得了能源。
热裂解工艺有以下3种类型。
1、慢速热解（烧炭法）：主要用于烧木炭业。将木材放在种型式的窑内，在隔绝空气的情况下，加热烧成木炭。一个操作期一般要几天，可得到原料重量30%-35%的木炭，烧木炭法也称木材干馏或碳化。低温干馏的加热温度为50 0-580℃，中温干馏温度为660-750℃，高温干馏温度为900-1100℃。
2、常规热解：是将生物质原料通过常规热解的装置，一般要经过几个小时的热解，可得到原料重量20%-25%的生物炭、10%-20%的生物油。
3、快速热解：是将磨细的生物质原料在快速热解装置中进行，过程经历的时间很短，只有几秒钟，热解产物中生物油的比率明显提高，一般可以达到原料重量的40%-60%，快速热解过程需要的热量以热解产生的部分气体为热源供应。
另外，国内外正在研究“闪激加热”热解气化技术，加热速率越高，热解所获得的气态和液态的燃料产品率越高。
热解所用原料和工艺不同，所得生物炭、生物油和燃料气3种产品的比率及其热值也有差异。
二、生物质液化技术
该技术是以生物质为原料，制取液体燃料的工艺。将生物质转化为液体燃料使用，是有效利用生物质能的最佳途径。其转换方法可分为热化法、生化法、机械法和化学法。生物质液化的主要产品是醇类和生物柴油。
醇类是含氧的碳氢化合物，其分子式为R-OH，其中R表示烷基。常用是甲醇和乙醇。甲醇可用木质纤维素经蒸馏获得，亦可将生物质气化产物一氧化碳与氢经催化反应合成。生产甲醇的原料比较便宜，但设备投资较大。乙醇可由生物质热解产物乙炔与乙烯合成制取，但能耗太高，采用生物质经糖化发酵制取方法较经济可行。一般情况下，乙醇生产成本的60%以上为原料所占。因此选用廉价原料对降低乙醇成本很重要。制取乙醇的原料主要有两类，一类是本质纤维原料，另一类是含糖丰富的植物原料，也可选用农业废弃物，如高梁秸、玉米秸、制糖废渣等。
乙醇作为燃料使用已有很久的历史，1900年英国就出现了以乙醇为燃料的内燃机。70年代以来的能源危机使乙醇燃料又得到发展，据统计，世界上有上千万辆汽车用汽油混合乙醇为燃料。
生物柴油是动植物油脂加定量的醇，在催化剂作用下经化学反应，生成性质近似柴油的酯化燃料。生物柴油可代替柴油直接用于柴油发动机上，也可与柴油掺混使用。生物质液体燃料的可再生性和低污染性使期成为良好的替代能源，作为动力燃料和发电能源有持久的生命力，但目前仍受到石油市场的左右。
巴西利用甘蔗大规模生产乙醇作汽车燃料，以替代进口石油，节约外汇。僵已建有480多家加工厂，年产乙醇127亿升，乙醇汽车累计量达530多万辆。美国利用玉米、马铃薯等生产乙醇，以1：10的比例渗入汽油作汽车燃料，1993年有39个工厂，年产11亿加仑乙醇，每吨玉米可产40加仑乙醇。
三、生物质气化技术
世界上研究应用生物质气化技术发展较快，主要有热解气化技术和厌氧发酵生产沼气技术等。
1、热解气化技术。国外以不同种类的生物质为原料，大都采用压力燃烧气化技术以驱动燃气轮机，还有发生炉煤气甲烷化，流化床气化炉或固定床气化炉热解气化等技术。美国、日本、加拿大、瑞典等国的气化技术已能大规模生产水煤气。
2、厌氧发酵生产沼气，是有机物在厌氧条件下被微生物分解发酵生成一种可燃性气体——沼气，又称生物气。其主要成分是甲烷，含量占60%左右。每立方米沼气的热值相当于1公斤煤的热量。
沼气是1776年由意大利物理学家A??沃尔塔在沼泽发现的。1781年法国人L?穆拉根据沼气产生的原理，将简易沉淀池改造成世界上第一个沼气发生器。但是，资本主义国家在发展工业化、城市化过程中，走了一条“先污染后治理”的路子，对沼气并未引起重视，直至20世纪七八十年代，才越来越引起世界各国的重视。不论是研究、开发、利用厌氧消化技术和大型沼气工程处理城市、工业污泥和垃圾，既治理了污染，又获得了能源。
四、生物质发电技术
1、生物质发电。对于以生物质资源为原料进行发电，工业发达国家已有成熟的技术设备，并形成一定的生产规模。美国采用这种生物质能转型优化方式有三种技术的支持：一是能源林生产技术，包括种子选型、培育和种植。美国利用退耕或轮作的土地种植能源作物，包括树和草，因为这类土地种树或草只需要很少的化肥、农药和管理费用，有利于改良土壤结构，保护水土资源，改善生态环境。二是有专用的加工设备，包括秸秆打捆机、粉碎机、木材削片、整树粉碎等设备和专用的运输工具等。三是生产设备，主要是燃烧炉、蒸汽发电装置等。而毛里求斯、哥斯达黎加等国则大量使用蔗渣发电。
1998年12月英国首座利用特殊培育的柳树为燃料的发电厂在西约克郡奠基。这座新型发电厂使用的主要燃料是生长速度很快的矮柳。该柳树3-4年便可成材。柳树的种植和采伐将使用轮作方式，采伐后立即种植，保证电厂能获得持续的燃料供应。除了柳树外，电厂还可使用农业和渔业废物作为燃料。
2、垃圾发电。随着城市化和食品、医药等工业的发展，城市垃圾迅速增加，许多城市面临着垃圾围城的困扰，大量垃圾堆放占用土地、污染环境。而卫生掩埋、焚化、就也燃烧、堆肥、填低洼地及任意倾弃，衍生出二次污染，危害生态环境和人们的健忘。随着科学技术进步，现代垃圾中被认定为可回收的成分越来越多，因而发达国家，加强了利用垃圾发电的技术研究、开发与应用。
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！
生物柴油是生物质能的一种，生物质能是蕴存在生物质中的能量，绿色植物通过光合作用，将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内部的能量，属可再生能源。生物质能是仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源。生物质能的利用除传统的直接燃烧外，还包括用生物或化学的方法将生物质转化为气体或液体产品。生物柴油就是将生物质转化为液体燃料。
生物柴油又称脂肪酸甲酯，是以动植物油（大豆和油菜籽等油料作物、油棕和黄连木等油料林木果实、工程微藻等油料水生植物油脂以及动物油脂、废餐饮油）为原料，与低碳醇类（甲醇或乙醇）经酯化及醇解反应，获得的长链脂肪酸甲酯，一种可供内燃机使用的燃料。
1983年Quick将其命名为生物柴油（Biodiesel）其化学结构：RCOOCH3。
在2007年5月由中国石油化工股份有限公司石油化工科学研究院制订、国家标准化委员会公布并推荐实施的“柴油机燃料调和用生物柴油（BD100）”标准（GB-T 20828-2007）中明确规定：生物柴油，biodiesel，是由动植物油脂与醇（例如甲醇或乙醇）经酯交换反应制得的脂肪酸单烷基酯，最典型的为脂肪酸甲酯，以BD100表示。
BD100生物柴油：100%的纯生物柴油称之为BD100。
B5生物柴油：2%~5%（体积分数）生物柴油（BD100）与95%~98%（体积分数）石油柴油的调和燃料，适用于GB252或GB19147所适用的压燃式发动机。
生物柴油具有突出的环保性能：组份中含氧11-14%燃烧比较彻底，在汽车上使用看不到排汽管黑烟；含硫十万分之五以下，基本无二氧化硫的污染；尾气中碳氢化合物、一氧化碳排出比石油柴油少50%以上；无芳烃化合物，无毒、易降解。所以生物柴油是国际燃料市场公认的可完全代替石油柴油的绿色环保燃料。
大力发展生物柴油产业，对我国经济可持续发展，推进能源替代，减轻环境压力，控制城市大气污染具有重要的战略意义。
生物质的应用包括大量至关重要的而且常常可以反映政策的内容，包括能源、环境、农业、全球贸易、交通运输和土地使用规划等，这些内容极为复杂。生物质是极为丰富且有多种用途的可再生资源，目前占全球初级能源供应12%的份额，也占到了欧洲共同体初级能源供应的4%。各种假设与预测表明，2030—2050年，生物质在全球能源需求中将会达到15%～35%的比重。到2030年，欧洲共同体的初级生物能源潜力总量将达2.5亿～2.9亿吨石油当量，而在2003年，仅为0.69亿吨石油当量。
生物质燃料生产可能的途径
然而，如果没有任何补贴，生物质往往会无法与今天广泛使用的用于发电或汽车燃料的化石燃料竞争。但是，这种缺憾可能会变得并不重要，在能源供给中，生物质将会具有更大的潜能。
用生物质作为一种能量资源是自然碳循环的一部分，因为燃烧时释放到大气层中的二氧化碳量基本上等于在光合作用光合作用是指在生物体内从光能转化为化学能的一系列酶—催化剂过程。它的初始物质是二氧化碳和水，能量来源是光（电磁、辐射）；而终端产物是氧（含有能量的）和碳水化合物，如蔗糖、葡萄糖、淀粉。这一过程是可以论证的最重要的生物化学途径，因为地球上所有的生物都直接或间接地依靠这种作用。这是一种发生在较高等植物、藻类以及细菌（如蓝藻）体内的一种复杂的过程。中被生物质所吸收的量。培育和转化生物质给料（指供送入机器或加工厂的原料）的非能源密集型加工技术具有一种二氧化碳平衡功能。生物质可以提供的能源形式包括热量、电力、气体的，液体的或固体的加热燃料和汽车燃料。三种主要的生物质能转化加工技术为：（1）热化学技术，如燃烧、热解和汽化；（2）生物技术，如发酵和酶的水解；（3）油脂化学技术，如植物油和动物脂肪的炼制。
从广义上讲，生物燃料（可以培育或栽培的称为“农业燃料”）定义为由源自死亡不久的生物体（绝大部分为植物）构成的固体、液体或气体燃料。据此，可以与化石燃料区别开来，后者源自死亡已久的生物质。从理论上讲，生物燃料可以产自任何（生物学的）碳源。最常见的植物都是具有能够俘获太阳能的光合作用的植物。许多不同的植物和源自植物的物质都可被用于生物燃料的制造。生物燃料的应用已经遍布全球，在欧洲、亚洲和美洲的生物燃料工业正在蓬勃发展，最常见的用途是车用液体燃料。所以，可再生的生物燃料的使用可以减少人们对石油的依赖性并提高能源的安全性。生物燃料的生产与使用的各种当代的要素有缓解石油价格的压力、食品与燃料之争、碳排放的水平、可持续性生物燃料生产、森林的滥伐与土壤流失的影响、人权方面的内容、减少贫困的潜力、生物燃料价格、能源的平衡与效率以及集中于分散生产的模式等。
最大的技术挑战之一，就是研发一些用特殊手段将生物质能转化为可供车用的液态燃料的方式。为达此目的，有两种最常用的战略：（1）增加糖类作物（甘蔗、甜菜、甜高粱等）或淀粉（玉米、谷物等）的产量，然后将其做发酵处理，生成乙醇（酒精）；（2）增加那些能够（自然地）生产油脂的植物，如油棕榈树、大豆或藻类的产量。当这些油料被加热时，它们的黏度就会下降，这样就可以在柴油发动机内进行直接燃烧，也可以将这些油经过化学处理后产生燃料（如生物柴油）；木材和木材的副产品可以被转化为生物燃料，如木（煤）气、甲醇或乙醇燃料。
从2006年的石油价格来看，一些生物燃料已经具备了竞争力（参见下表），如果石油价格长期保持高位的话，研究与开发工作将会使更多的生物燃料投入使用。随着人们对农作物关注的增加，有三种植物都可供利用：草、树木和藻类。草和树生长在干燥的土地上，但加工处理工艺比较复杂。目前的观点是将树的所有生物质（特别是由树的细胞壁构成的纤维素）转化为燃料。
与油类和油类产品价格相比的生物燃料价格
发展中国家的生物燃料
许多发展中国家都在建立自己的生物燃料工业。这些国家拥有极为丰富的生物质资源，而随着人们对生物质和生物燃料需求量的增加，生物质正在变得更有价值。世界各地的生物燃料开发的进度不尽相同，印度和中国等国正在大力发展生物乙醇和生物柴油技术。印度正在扩大麻风树属的种植，这是一种可用于生产生物柴油的产油作物。印度的糖酒精研究的目标是在车用燃料中达到5%的份额。中国是一个重要的生物乙醇生产国。开发生物燃料的成本也是非常高昂的。在发展中国家，生物质能可以为生活在农村的人们提供加热和做饭的燃料。牲畜的粪便和农作物的残余物常常被用作燃料。国际能源署的数据表明，在发展中国家初始能源中约30%是由生物质提供的。全球20多亿人用生物燃料作为他们的初始能源来源，用于户内做饭的生物燃料的使用往往会产生健康问题和污染。据国际能源署2006年的《世界能源展望》，生物质燃料使用时不通风现象已经造成了全球130万人的死亡。解决这一问题的方法是改进炉灶和使用替代燃料。然而，燃料具有对生物（尤其是人）的伤害性，而可替代燃料则又过于昂贵。从1980年或更早以来，人们就开始设计生产出极低成本、较高燃烧效率且低污染的生物质能灶具。
“生物燃料的生产一直颇受质疑，因为生物燃料的生产肯定会提高农作物的价格，进而从整体上影响食品安全！”
问题在于教育与分配的缺乏、腐败横生以及外国的投资过少等。在没有帮助或资助（如小额信贷）的情况下，发展中国家的人们往往不能解决这些问题。一些组织，如中间技术开发集团（Intermediate Technology Development Group）的工作就是为那些无法得到生物燃料的人们建立使用这种燃料和替代燃料的设施。
目前生物燃料生产与使用的问题。人们认为生物燃料的优点在于：减少温室气体的排放，减少化石燃料的使用，增加国家能源的安全性，加快了农村的发展并为未来提供可持续性能源。生物燃料的局限性在于：生物燃料生产的原材料必须迅速得到补充，而且必须对生物燃料的生产过程进行创新性设计和不断补充，这样方能以最低的价格获得最多的燃料，而且能够获得最大的环境效益。广义而言，第一代生物燃料的生产加工仅能为我们提供极少的份额，造成这种现象的原因如下所述。第二代加工技术能够为我们提供更多的生物燃料和更好的环境效益，但其加工技术的主要障碍是投资成本：预计建立第二代生物燃料生产加工的成本高达5亿欧元。目前，关于生物燃料的有利与不利之间的争议时常出现。政治学家和大型企业正在推动以农作物为原料的乙醇生物燃料的进程，并以此为石油的替代品。实际上，这一措施正在加速全球粮食价格的飞速上涨，使得亚马孙河流域的丛林被毁灭，并使全球变暖加剧。
石油价格的调节
生物燃料使用的全球安全意义。如果石油需求量的增加未被抑制，则会使石油消费国更易受到伤害，严重时会使石油供给中断并会导致油价剧烈波动。有报道表明，生物燃料可能终有一天会成为一种可替代能源，但是，生物燃料的使用对全球能源安全的意义，经济的、环境的和公共健康的意义还有待于进一步评估。经济学家不同意生物燃料生产规模的扩大会影响石油价格的说法。在交易市场上，如果不使用生物燃料的话，石油价格将会比目前的还要高15%，汽油价格也会高出25%。可替代能源的有序供给将有助于平抑汽油价格。生物燃料的使用规模受到了极大的限制，而且成本昂贵，这使得它的价格与石油价格之间存在着极大的差异，由于这种能源成本的基本要素之一就是食品的价格，所以生物燃料的生产也代表着对食品价格的调节作用。
“来源于植物的生物燃料转化为能量，从本质上讲是植物通过光合作用获得的太阳能的再利用。太阳与可用能（与总量的换算）转化效率比较表明，太阳能发电板的能量效率是谷物乙醇的100倍，是最好的生物燃料的10倍之多。”
上涨的食品价格——“食品与燃料”之争。这是一个引起全球争论的话题。对此，美国国家谷物生产者联合会（National Corn Growers Association）就认为生物燃料并不是主要原因。一些人认为，问题在于政府对生物燃料支持的结果。另一些人则认为，原因在于石油价格的上涨。食品价格上涨的影响对于较贫穷的国家尤甚。在一些国家中，冻结生物燃料生产的呼声高涨，那里的人们认为生物燃料不应与食品生产展开竞争，更不能“人口夺食”！生物燃料生产所追求的目的应该在于不会影响到1亿多目前因食品价格上涨而处于危险边缘的人们的生活。
能源效率在物理学与工程学，包括机械与电子工程学中，能量效率是一个量纲一级量，其值介于0到1之间，当用100相乘时，以百分比表示。在一个处理过程中的能量效率以eta表示，其定义为：效率η=输出／输入，式中输出为机械工作的量（以瓦计），或是处理工程中释放出来的能量（以焦耳计），而输入则指输入供加工处理所使用的能量或工作量。根据能量转换原理，在一个密闭体系内的能量效率永远不会超过100%。与生物燃料的能源平衡。用原材料进行生物燃料的生产需要能量（如农作物的种植、最终产品的转化与运输以及化肥、灭草剂和杀真菌剂的生产与使用），而且也会对环境产生影响。生物燃料的能量平衡是由燃料生产过程中所输入的能量与它在汽车发电机内燃烧时所释放出能量的比较，这会因辅料和预计的使用方式而变化。从向日葵籽生产出来的生物柴油可以产生0.46倍于化石燃料的输出效率；从大豆产生的生物柴油所产生的输出效率则可达化石燃料的3.2倍。与从石油炼制的汽油和柴油的输出效率相比，生物柴油分别是前者的0.805倍，后者的0.84倍。
对于生物燃料来说，生产每英热单位的能量所需输入的能量要大于化石燃料：石油可以用泵从地下抽到地面，而且其能量效率要高于生物燃料。然而，这并不是一个用石油取代生物燃料的必需条件，而使用生物燃料也并不会对环境产生影响。人们已经进行了关于生物燃料生产能源平衡计算方面的研究，结果显示，因所采用的生物质和生产地点不同将会导致能源平衡的极大差异。生物燃料生产的生命周期评估表明，在某些条件下，生物燃料的生产仅仅限制了能量的储存和温室气体的排放。化肥输入和远距离的生物质运输能够减少温室效应气体（GHG）的储存。
人们可以设计生物燃料生产工厂的位置，以便尽量减少所需运输的距离，建立农业管理制度，以限制用于生物生产所使用的化肥量。一项关于欧洲温室气体排放的研究发现，用农作物种子（如欧洲油菜籽）所制成的生物柴油的“油井—车轮”（WTW）CO2排放量可能几乎与从化石燃料制取的柴油的CO2排放量相当。这表明一个简单的结果：产自淀粉类农作物的生物乙醇所产生的CO2排放量几乎与产自化石燃料的汽油的一样多。这项研究表明，第二代生物燃料具有低CO2排放量的特点。其他独立的LCA研究表明，同等当量的生物燃料与化石燃料相比，前者的CO2排放量是后者的50%左右。如果使用了第二代生物燃料生产技术或者减少化肥的生产，则可以减少80%～90%的CO2排放量。通过使用副产品提供热量（如用甘蔗渣生产乙醇），温室效应气体的排放量还将下降。
具有相互依存作用的植物的搭配能够提高效率。一个实例就是利用来自工业产生的废热进行乙醇的生产，然后进行冷却和循环，用于替代能够使大气升温的水热蒸发。
水力能由流动的水体产生的能量。
水力能或水动力能是活动着的水产生的力或能量。它可以被聚集起来供人类使用。在进行大规模的商业用电之前，水力能被用于灌溉和多种机械，如水磨坊、纺织机械的运转、锯木厂等。在一个工厂（作坊）里，可以通过下落的水产生压缩空气，然后利用这种压缩空气去推动远离水源的机械运行。
水力能的利用已有数百年的历史。在印度，建起了水轮机和水磨坊；在罗马帝国，人们用水力机械磨面粉，还用于锯开木材和石料。从蓄水池内释放出的水波浪能被用于提取金属矿——这就是所谓的“水清洗（矿石）法”。水清洗法在中世纪的英国得到了广泛的应用，后来的人们用此法萃取铅和锌。再后来，该法演化为水力选矿法，广泛应用于美国加利福尼亚州的黄金矿的淘选工艺中。在中国和其他远东地区，人们用水力作为“水轮机”，将水从地下抽到地表，引入灌溉的水渠中去。19世纪30年代是世界上运河的修筑高峰期，人们利用一种倾斜面的铁路借助水的能量在陡峭的上坡、下坡上拉动河里的驳船行驶。直接的机械能传递需要利用当地的瀑布，如19世纪后半叶，在美国密西西比河的圣安东尼（Saint Anthony）瀑布，水的落差可达50英尺，人们在那里建起了许多代客加工的磨坊，这些磨坊的建立促进了明尼阿波利斯（美国明尼苏达州东南部城市）的发展。水力能的利用也呈现网状发展，利用多条管线从源头将具有压力的液体（如泵）输往终端用户，以供机械的运行。如今，水力能的最大用途就是发电，它可以使人们用上来自水力的廉价能量。
