（上海理工大学热能与环境工程研究所）

生物质是指地球上从光合作用获得的各种物质，它是以化学方式储存的太阳能，也是以可再生形式储存在生物圈中的碳。因此，它是地球上一个巨大的能源库。生物质的种类很多，目前人们可以利用的大致分为六大类：木质素、农业废弃物、水生植物、油料作物、加工废弃物、人畜粪便等。生物质能的转换和利用具有解决能源短缺问题和环境保护的双重效果，受到了人们的极大重视，是21世纪能源发展的一个方向。

展望21世纪的能源发展，国外不少学者使用了“能源革命”（energy revolution）—词，认为人类将面临严重的能源问题，解决能源短缺问题是人类社会可持续发展的关键所在。

21世纪是化石能源终结的重要时期

按能源是否具有“可再生性”或“不可耗尽性”划分，可以将能源分为不可再生能源（non-renewable energy）和可再生能源（renewable energy）两大类。不可再生能源主要有化石能源，包括煤、石油、天然气和核能等。而可再生能源，根据世界能源理事会的划分，主要包括太阳能、风能、地热能、生物质能、海洋能、水能等六大类。

实际上，人类是以太阳能、风力、水力和生物质能（薪柴）等可再生能源开始利用能源。直到13世纪英国开采煤矿，才把煤炭推上了能源的主角地位。1859年美国开采出了石油，使化石能源的利用得到了飞速发展。不可否定，化石能源在人类社会的发展中作出了巨大的贡献。18世纪瓦特蒸汽机和1859年奥托内燃机的发明，引起了世界范围内的产业革命，把人类社会推向一个新的阶段，同时，也使人类越来越多地依靠化石能源。直到今天，全世界能源消耗的78%依赖于不可再生能源，74%为化石能源。然而，化石能源（不可再生能源）具有如下两个不可克服的缺陷：

不可再生能源资源的有限性

由于不可再生能源的可耗尽性和不可再生性，其利用是以消耗地球的资源为代价。然而，地球的资源毕竟是有限的，其能源也终有耗尽之时。表1给出了不可再生能源占全球能源消耗的比例和可使用年限的统计和预测值。

表1不可再生能源占全球的消耗比例及可用年限

从表中数值可以看出，目前占全球能源消耗总量近50%的石油和天然气在21世纪中叶将消耗殆尽，虽然占目前全球能源消耗量25%的煤还可以继续开采使用，但开采的难度越来越大，成本也会越来越高。核能虽然正在大力发展，但占全球能源消耗的比例毕竟有限。

化石能源对环境的巨大破坏作用

目前作为世界主要能源的化石能源在为人类作出巨大贡献的同时，也在严重地破坏人类的生存环境。其主要表现在：

1）温室效应气体的排放

目前，地球气温变暖问题已引起全球的关注，而其罪魁祸首为温室效应气体的大量排放。其中最主要的是CO₂，其影响占所有温室效应气体的55%。据统计，1995年，全球CO2的排放量达到220亿吨。而且，随着第三世界经济的发展，其排放量还在不断地增加。即使温室效应气体按现在的速度继续排放，到2020年，地球表面的温度将升高1.5℃。气候的迅速变化，对温度、降雨、大气湿度、风暴、植物的生长、海平面等均会产生明显的影响。

2）SO_x和NO_x等有害气体的排放

大气SO_x和NO_x气体浓度的增加将会对人类的健康和经济产生直接的危害。而世界上SO_x和NO_x气体的来源主要在于化石燃料的燃烧。

3）粉尘的排放

从化石能源资源的有限性和它对人类生存环境的破坏作用两方面看，化石能源在21世纪是一个从兴盛走向衰落、从基本满足人类的需要走向短缺、从疯狂地开采走向理智开发的过程。人类在合理使用能源、注意节约能源的同时，不得不研究和开发其替代品，以满足社会可持续发展的需求。

可再生能源是21世纪的主要能源

可再生能源具有巨大的开发潜力

由于技术和经济的原因，以及可再生能源分布较为分散、能量密度低等特点，目前其利用率尚不高，仅占全球能源消耗总量的22%。（见表2）

表2全球可再生能源的利用情况

但是，可再生能源的开发潜力是巨大的。如太阳能，太阳辐射到地球表面的能量总量相当于现在人类所利用的能源的1万多倍。虽然受到因地而异，因时而变，以及能量密度低、转换效率不高的限制，使得它在整个能源体系中的作用受到一定限制，但其巨大的潜力仍然给了我们巨大的吸引力。如果把风能作为一种长期能源加以利用，其全部潜力估计相当于目前全球总耗电量的2倍。生物质能是储存的太阳能，地球上海洋和陆地上的生态系统每年尽产的干有机物总量为164 x 10⁹吨，其中70%（每年110 x 10⁹吨）产于陆地，该数值相当于目前全世界每年能量消耗总量的好几倍。

可见，如将可再生能源加以高效充分的利用，是完全可以替代目前使用的化石能源，满足人类的需要。

我国产业结构特点和地理条件适合开发生物质能

我国是世界上最大的发展中国家，也是一个农业大国，有9亿多人口生活在农村，每年至少产生数亿吨的农作物废弃物。至今这些生物质能源仍占我国农村能源消耗的第一位，占全国能源总消耗的约30%以上。而且据预测，农作物废弃物将会不断增长。同时，我国幅员辽阔，植物种类丰富，有大片荒芜国土可以种植以生产能源为目的的植物（energy crops）。

我国社会效益迫切要求开发生物质能

当前我国农村能源分布的不平衡也带来了生态和环境的一系列问题。一方面，大部分农村能源短缺，目前我国约有44.5万个农村企业和6.8-7.5亿人口需要使用柴草作为燃料，而使用方法仍然是传统炉窑的直接燃烧，热效率不到10%，生物质能的利用水平很低。中国的薪柴林面积大约为_万亩，而森林实际砍伐面积大大超过此数，从而造成森林过度樵采，从而导致森林覆盖面积急剧下降，植被破坏，生态环境严重恶化，水土流失加剧，自然灾害频繁。另一方面，由于其它能源进入农村，部分农村（特别是较发达地区农村），生物质能的使用量下降，生物质相对过剩，面临生物质如何处理的问题。特别是近年来由于农业废弃物的烧荒，引起大面积烟雾污染，导致大气质量陡然恶化，严重影响空中和陆地交通的事件也时有报道。因此，无论从解决我国能源短缺问题，还是从生态和环境保护出发，对生物质能转化和利用的研究是一项迫在眉睫的重大课题。

生物质能的转换和利用技术

生物质能的转换和利用技术可以分成三种基本类型：直接燃烧过程、生物化学过程和热化学过程。按照技术发展的过程它又可以分为传统利用方法和现代利用方法两大类。生物质能的传统利用方法主要采用传统的直接燃烧过程，具有能源利用率低和污染环境的缺点。当前我们主要发展生物质能的现代利用方法。

先进的直接燃烧过程

直接燃烧是目前把生物质能转换成能量的基本过程，其研究目标主要是高效率、低污染。当前的进展主要在：（1）燃烧炉和锅炉的大型化。大型设备的热利用率相当高，其性能接近于使用化石燃料的锅炉。（2）生物质成型燃烧。其目的一是提高单位体积的能量密度，以提高炉温，改善燃烧过程；二是便于运输。（3）流化床燃烧。（4）与其它燃料混烧。特别是型煤中加人生物质，一方面使生物质能得以利用，另—方面利用生物质与煤着火和燃尽的时差，既使煤易于着火，又使煤在多孔状态下燃烧，改善了煤的燃烧过程。

先进的直接燃烧过程涉及到燃烧机理和实际应用，目前已进行大量的研究，取得了不少进展。如上海理工大学热能与环境工程研究所设计的六台燃用酒糟锅炉，是典型的生物质能利用设备，在五粮液酒厂运行后，产生了显著的社会效益和巨大的经济效益。

生物化学转换过程

该过程是利用原料的生物化学作用和微生物的新陈代谢作用生产气体燃料和液体燃料。

1）厌氧发酵 最典型的是利用有机物废弃物（如人畜粪便、农业废弃物、家庭垃圾）生产沼气。在厌氧发酵过程中，有机质完全被降解成甲烷和二氧化碳气体。其基质中所含的能量有90%存留在甲烷中。我国在沼气生产中已取得巨大的成功，是世界上的沼气生产大国。据统计，我国农村在使用的沼气池约有500万个，大大地缓解了农村能源紧张的局面。目前对厌氧发酵过程的研究主要有：一是规模的大型化，二是厌氧菌种的筛选和诱变，以提高转换效率。

2）乙醇发酵 目前酒精作为燃料来代替液体燃料已成功地应用在汽车等交通工具中。因此，利用生物质制取酒精，被认为是一种重要的潜在能源。通过发酵生产酒精的原料按碳氢化合物分类可分为三种：糖质原料、淀粉原料和纤维素原料。前两种原料生产酒精已相当成功。因此，目前研究的重点在于如何用纤维素原料高效地生产酒精。这涉及菌种的选择、工艺过程的确定等问题。另一研究重点是提高发酵速度，解决乙醇发酵速度慢、产量低的缺陷。

热化学转换过程

生物质的热化学转换主要指生物质的热裂解，是生物质在无氧或缺乏氧气供给的条件下，分解为焦炭、液体（生物油）和可燃气体三个组成部分的过程。控制热裂解的条件（主要是反应温度、升温速度、反应时间等），生物质可以得到不同的裂解产品，表3给出了主要的工艺条件和产品。

表3热裂解工艺种类及其产品

生物质热裂解的最大优点在于它可以最大限度地生产生物油。生物油与原生物质比较具有较高的能量容积密度，且容易处理、储存和运输。它代表了今后生物质能转换和利用的方向。目前生物质热裂解研究的重点，一方面在于寻找最优工艺参数、控制转换过程；另一方面是实现工业性应用。国外在该领域已经进行了较长时期的研究，已达初步工业化的程度。最近几年，国内也在进行该领域的研究，如上海理工大学动力工程学院采用旋转锥反应器，以锯末为原料，成功地在实验室生产出了生物油，正准备进行下一步的工业化中试。