目前生物質(zhì)已成為僅次于煤炭、石油、天然氣的第四大能源，約占全球總能耗的14%。充分利用現(xiàn)代新技術(shù)，將生物質(zhì)能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，對(duì)于建立可持續(xù)發(fā)展的能源體系，促進(jìn)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及改善生態(tài)環(huán)境具有重大意義。本文論述了利用熱化學(xué)轉(zhuǎn)化和生物化學(xué)轉(zhuǎn)化將生物質(zhì)進(jìn)行轉(zhuǎn)化利用的技術(shù)，介紹了利用這些新技術(shù)在生物質(zhì)發(fā)電、制取乙醇、甲醇、氫氣、沼氣等燃料方面的應(yīng)用前景。

新能源體系之：生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)與應(yīng)用研究進(jìn)展

隨著人類對(duì)能源需求的不斷擴(kuò)大，主要為人類提供能量的化石燃料資源正在迅速地減少，化石能源的過(guò)度開(kāi)發(fā)利用帶來(lái)環(huán)境污染和全球氣候異常的問(wèn)題也日益突出。因此，尋找和開(kāi)發(fā)新型可再生能源迫在眉睫。生物質(zhì)能恰恰能滿足這些要求，因?yàn)樗哂胁粩嗟目稍偕?、?duì)環(huán)境的友好性和能夠抑制全球氣候異常。生物質(zhì)資源十分豐富，據(jù)估計(jì)，全球每年水、陸生物質(zhì)產(chǎn)量約為目前全球總能耗量的6～10倍左右。

目前生物質(zhì)已成為僅次于煤炭、石油、天然氣的第四大能源，約占全球總能耗的14%。在發(fā)展中國(guó)家則更為突出，生物質(zhì)能占總能耗的35%。據(jù)預(yù)測(cè)，到2050年，生物質(zhì)能用量將占全球燃料直接用量的38%，發(fā)電量占全球總電量的17%。因此，許多發(fā)達(dá)國(guó)家和一些發(fā)展中國(guó)家將生物質(zhì)看作是對(duì)環(huán)境和社會(huì)有益的能源資源，加快了生物質(zhì)能源的產(chǎn)品化進(jìn)程。生物質(zhì)轉(zhuǎn)化新技術(shù)主要是熱化學(xué)轉(zhuǎn)化和生物化學(xué)轉(zhuǎn)化。目前，中國(guó)的大部分農(nóng)業(yè)廢棄物就地焚燒，導(dǎo)致資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。因此，充分利用現(xiàn)代新技術(shù)，將生物質(zhì)能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，對(duì)于建立可持續(xù)發(fā)展的能源體系，促進(jìn)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及改善生態(tài)環(huán)境具有重大意義。

1、生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)

1.1生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)

1.1.1生物質(zhì)氣化技術(shù)

生物質(zhì)氣化技術(shù)是通過(guò)熱化學(xué)反應(yīng)，將固態(tài)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣體燃料的過(guò)程。生物質(zhì)氣化技術(shù)已有100多年的歷史。最初的氣化反應(yīng)器產(chǎn)生于1883年，它以木炭為原料，氣化后的燃?xì)怛?qū)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)，推動(dòng)早期的汽車或農(nóng)業(yè)排灌機(jī)械。生物質(zhì)氣化技術(shù)的鼎盛時(shí)期出現(xiàn)在第2次世界大戰(zhàn)期間，當(dāng)時(shí)幾乎所有的燃油都被用于戰(zhàn)爭(zhēng)，民用燃料匱乏。因此，德國(guó)大力發(fā)展了用于民用汽車的車載氣化器，并形成了與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配套的完整技術(shù)。

二戰(zhàn)后隨著廉價(jià)優(yōu)質(zhì)的石油廣泛被使用，生物質(zhì)氣化技術(shù)在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)陷于停頓狀態(tài)。但第二次石油危機(jī)后，使得西方發(fā)達(dá)國(guó)家重新開(kāi)始審視常規(guī)能源的不可再生性和分布不均勻性，出于對(duì)能源和環(huán)境戰(zhàn)略的考慮，紛紛投入大量人力物力，進(jìn)行可再生能源的研究。作為一種重要的新能源技術(shù)，生物質(zhì)氣化的研究重新活躍起來(lái)，各學(xué)科技術(shù)的滲透，使這一技術(shù)發(fā)展到新的高度。

按照使用介質(zhì)的溫度差異，將生物質(zhì)氣化分為常溫氣體氣化和高溫空氣氣化。常溫氣體氣化是氣化介質(zhì)溫度相對(duì)較低的氣化反應(yīng)，包括空氣氣化、氧氣氣化、水蒸氣氣化、水蒸氣—氧氣混和氣化和氫氣氣化。

通常常溫氣體氣化反應(yīng)產(chǎn)氣熱值不高，熱效率較低，要產(chǎn)生高熱值的氣體，氣化條件將相對(duì)苛刻。高溫空氣氣化技術(shù)則克服了傳統(tǒng)的生物質(zhì)氣化技術(shù)通常存在的氣化效率及燃?xì)鉄嶂档?，燃料利用范圍小，灰渣難于處理，易形成焦油苯酚等化合物的缺點(diǎn)。因此，國(guó)外許多國(guó)家開(kāi)發(fā)了這種高溫空氣氣化技術(shù)。

高溫空氣氣化工藝流程為其氣化劑為1000℃以上的高溫空氣，空氣里伴以10%～20%的水蒸氣，空氣過(guò)剩系數(shù)控制在0.3～0.5之間。高溫空氣氣化系統(tǒng)由氣化器、集渣器、余熱鍋爐、燃?xì)鈨艋b置等組成。

1000℃以上的空氣和10%～30%100℃的蒸氣混合。1000℃以上的混合氣體輸人氣化器。氣化器由泡化床區(qū)和厚而有間隙的卵石床區(qū)組成。通過(guò)控制低熱值燃料流量，使氣化器內(nèi)空氣過(guò)剩系數(shù)保持在0.3～0.5之間。低過(guò)剩空氣系數(shù)使得泡化床區(qū)發(fā)生高溫空氣不完全燃燒，生成的燃?xì)夂腿墼┻^(guò)卵石床進(jìn)入集渣器。合成燃?xì)庀冉?jīng)余熱鍋爐釋放顯熱以產(chǎn)生氣化系統(tǒng)所需的蒸氣，再經(jīng)凈化處理去除硫化氫、氯化氫和煙塵，最終的純凈燃?xì)夤┙o熱能或電能發(fā)生系統(tǒng)。

1.1.2生物質(zhì)熱裂解技術(shù)

生物質(zhì)熱裂解是利用熱能切斷大分子量的有機(jī)物、碳?xì)浠衔?，使之轉(zhuǎn)變成為含碳數(shù)更少的低分子量物質(zhì)的過(guò)程，包括大分子的鍵斷裂、異構(gòu)化合小分子的聚合等反應(yīng)。最后生成各種較小的分子。其中主要產(chǎn)品可通過(guò)控制反應(yīng)參數(shù)，如溫度、反應(yīng)時(shí)間、加熱速率、活性氣體等加以控制。低溫慢速裂解一般在400℃以下，主要得到焦炭(30%)；快速熱裂解是在500℃，高加熱速率(1000℃˙s-1)，短停留時(shí)間的瞬時(shí)裂解，主要得到氣體產(chǎn)物(80%以上)。

在生物質(zhì)熱裂解的各種工藝中，不同研究者采用了多種不同的試驗(yàn)裝置，然而在所有熱裂解系統(tǒng)中，反應(yīng)器都是其主要設(shè)備，因?yàn)榉磻?yīng)器的類型及其加熱方式的選擇在很大程度上決定了產(chǎn)物的最終分布，所以反應(yīng)器類型的選擇和加熱方式的選擇是各種技術(shù)路線的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。反應(yīng)器可分為機(jī)械接觸式反應(yīng)器、間接式反應(yīng)器、混合式反應(yīng)器和真空熱裂解反應(yīng)器4類。

1.1.3生物質(zhì)液化技術(shù)

生物質(zhì)液化是在低溫(250～400℃)及高的反應(yīng)氣體壓力(15MPa)下將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的液態(tài)碳?xì)浠衔铮煞譃橹苯右夯烷g接液化。直接液化是在高溫、高壓和催化劑的共同作用下，在H，CO或其混合物存在的條件下，將生物質(zhì)直接液化生成液體燃料。間接液化一般是先將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為適合化工生產(chǎn)工藝的合成燃料氣，再通過(guò)催化反應(yīng)合成碳?xì)湟后w燃料。生物質(zhì)液化技術(shù)是最具有發(fā)展?jié)摿Φ纳镔|(zhì)能利用技術(shù)之一。國(guó)外已有多家機(jī)構(gòu)開(kāi)展了生物質(zhì)液化的研究，并取得了階段性成果。

1.2生物質(zhì)生物化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)

1.2.1生物質(zhì)厭氧發(fā)酵技術(shù)

厭氧發(fā)酵是指在隔絕氧氣的情況下，通過(guò)細(xì)菌作用進(jìn)行生物質(zhì)的分解。將有機(jī)廢水(如制藥廠廢水、人畜糞便等)置于厭氧發(fā)酵罐(反應(yīng)器、沼氣池)內(nèi)，先由厭氧發(fā)酵細(xì)菌將復(fù)雜的有機(jī)物水解并發(fā)酵為有機(jī)酸、醇、H2，CO2等產(chǎn)物，然后由產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌將有機(jī)酸和醇類代謝為乙酸和氫，最后由產(chǎn)CH4菌利用已產(chǎn)生的乙酸和H2，CO2等形成CH4?？僧a(chǎn)生CH4(體積分?jǐn)?shù)為55%～65%)和CO2(體積分?jǐn)?shù)為30%～40%)氣體混合物。埋在填埋場(chǎng)的城市廢棄物的厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣，若不進(jìn)行回收利用，垃圾填埋場(chǎng)產(chǎn)生的沼氣最終將進(jìn)入大氣。若將開(kāi)有小孔的管道插入到填埋場(chǎng)，可以將填埋場(chǎng)產(chǎn)生的沼氣抽出作為能源使用，還可避免沼氣逸入大氣而加劇大氣溫室效應(yīng)。垃圾填埋場(chǎng)經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)，可有利于厭氧發(fā)酵。在填埋垃圾之前，可預(yù)先鋪設(shè)收集氣體的管道，使氣體產(chǎn)量得以優(yōu)化。

許多專性厭氧和兼性厭氧微生物，如丁酸梭狀芽孢桿菌、拜式梭狀芽孢桿菌、大腸埃希式桿菌、產(chǎn)氣腸桿菌、褐球固氮菌等，能利用多種底物在氮化酶或氫化酶的作用下將底物分解制取氫氣。底物包括：甲酸、丙酮酸、CO和各種短鏈脂肪酸等有機(jī)物、硫化物、淀粉纖維素等糖類。這些物質(zhì)廣泛存在于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的污水和廢棄物中。厭氧發(fā)酵有機(jī)物產(chǎn)氫的形式主要有2種：一是丙酮酸脫氫系統(tǒng)，在丙酮酸脫羧脫氫生成乙酰的過(guò)程中，脫下的氫經(jīng)鐵氧還原蛋白的傳遞作用而釋放出分子氫；二是NADH/NAD平衡調(diào)節(jié)產(chǎn)氫，當(dāng)有過(guò)量的還原力形成時(shí)，以質(zhì)子作為電子沉池而形成氫氣。

研究發(fā)現(xiàn)，在產(chǎn)氫過(guò)程中反應(yīng)器的pH值在4.7～5.7之間時(shí)生物質(zhì)產(chǎn)氫率最高，其體積含量約60%左右。另外，分解底物的濃度對(duì)氫氣的產(chǎn)量也有很大的影響。厭氧發(fā)酵制氫的過(guò)程是在厭氧條件下進(jìn)行的，因此氧氣的存在會(huì)抑制產(chǎn)氫微生物催化劑的合成與活性。由于轉(zhuǎn)化細(xì)菌的高度專一性，不同菌種所能分解的底物也有所不同。因此，要實(shí)現(xiàn)底物的徹底分解并制取大量的氫氣，應(yīng)考慮不同菌種的共同培養(yǎng)。厭氧發(fā)酵細(xì)菌生物制氫的產(chǎn)率較低，能量的轉(zhuǎn)化率一般只有33%左右。為提高氫氣的產(chǎn)率，除選育優(yōu)良的耐氧菌種外，還必須開(kāi)發(fā)先進(jìn)的培養(yǎng)技術(shù)才能夠使厭氧發(fā)酵有機(jī)物制氫實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

1.2.2生物質(zhì)水解發(fā)酵技術(shù)

乙醇可以從含有糖、淀粉和纖維素的生物質(zhì)制取。乙醇最主要的原料是甘蔗、小麥、谷類、甜菜、洋姜、木材。生物質(zhì)原料的選擇很重要，因?yàn)樵蟽r(jià)格構(gòu)成了最終產(chǎn)品乙醇銷售價(jià)的55%～80%。乙醇的生產(chǎn)過(guò)程(發(fā)酵流程)為先將生物質(zhì)碾碎，通過(guò)催化酶作用將淀粉轉(zhuǎn)化為糖，再用發(fā)酵劑將糖轉(zhuǎn)化為乙醇，得到的乙醇體積分?jǐn)?shù)較低(10%～15%)的產(chǎn)品，蒸餾除去水分和其他一些雜質(zhì)，最后濃縮的乙醇(一步蒸餾過(guò)程可得到體積分?jǐn)?shù)為95%的乙醇)冷凝得到液體。

通過(guò)蒸餾可將乙醇提純，1t干玉米可以生產(chǎn)450L乙醇。乙醇可用于汽車燃料。發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的固體殘留物可為發(fā)酵過(guò)程提供熱量，因?yàn)樵谡麴s階段需要很多熱能，特別是對(duì)于生產(chǎn)乙醇體積分?jǐn)?shù)為99%以上的復(fù)雜蒸餾過(guò)程。殘留物也可作為動(dòng)物飼料。對(duì)于蔗糖，其殘留物可作為鍋爐燃料或者是氣化原料。淀粉類生物質(zhì)通常比含糖生物質(zhì)便宜，但需要進(jìn)行額外的處理。由于存在長(zhǎng)鏈的多聚糖分子以及將其通過(guò)發(fā)酵轉(zhuǎn)化為乙醇之前需要酸化或者是酶化水解，木質(zhì)纖維素生物質(zhì)(木材和草)的轉(zhuǎn)化較為復(fù)雜，其預(yù)處理費(fèi)用昂貴，需將纖維素經(jīng)過(guò)幾種酸的水解才能轉(zhuǎn)化為糖，然后再經(jīng)過(guò)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇。這種水解轉(zhuǎn)化技術(shù)目前正處于實(shí)驗(yàn)研究階段。

1.2.3生物質(zhì)生物制氫技術(shù)

光合微生物制氫主要集中于光合細(xì)菌和藻類，它們通過(guò)光合作用將底物分解產(chǎn)生氫氣。1949年，GEST等首次報(bào)道了光合細(xì)菌深紅紅螺菌(Rhodospirillumrubrum)在厭氧光照下能利用有機(jī)質(zhì)作為供氫體產(chǎn)生分子態(tài)的氫，此后人們進(jìn)行了一系列的相關(guān)研究。目前的研究表明，有關(guān)光合細(xì)菌產(chǎn)氫的微生物主要集中于紅假單胞菌屬、紅螺菌屬、梭狀芽孢桿菌屬、紅硫細(xì)菌屬、外硫紅螺菌屬、丁酸芽孢桿菌屬、紅微菌屬等7個(gè)屬的20余個(gè)菌株。

光合細(xì)菌產(chǎn)氫的機(jī)制，一般認(rèn)為是光子被捕獲得光合作用單元，其能量被送到光合反應(yīng)中心，進(jìn)行電荷分離，產(chǎn)生高能電子并造成質(zhì)子梯度，從而形成腺苷三磷酸(ATP)。另外，經(jīng)電荷分離后的高能電子產(chǎn)生還原型鐵氧還原蛋白(Fdred)，固氮酶利用ATP和Fdred進(jìn)行氫離子還原生成氫氣。微藻光制氫的過(guò)程可以分為2個(gè)步驟：首先微藻通過(guò)光合作用分解水，產(chǎn)生質(zhì)子和電子，并釋放氧氣；然后微藻通過(guò)特有的產(chǎn)氫酶系(藍(lán)藻通過(guò)固氮酶系和綠藻通過(guò)可逆產(chǎn)氫酶系)的電子還原質(zhì)子釋放氫氣。

2、生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)的應(yīng)用

2.1生物質(zhì)發(fā)電

2.1.1生物質(zhì)氣化發(fā)電

生物質(zhì)氣化技術(shù)是利用生物質(zhì)作為高品位能源的一種新技術(shù)，近年來(lái)歐洲很多研究人員對(duì)生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，并取得了相當(dāng)?shù)某晒?。生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)的基本原理是把生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可燃?xì)?，再利用可燃?xì)馔苿?dòng)燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備進(jìn)行發(fā)電。它既能解決生物質(zhì)難于燃用，而且分布分散的缺點(diǎn)，又可以充分發(fā)揮燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備緊湊而且污染少的優(yōu)點(diǎn)。所以，氣化發(fā)電是生物質(zhì)能最有效、最潔凈的利用方法之一。

氣化發(fā)電過(guò)程主要包括3個(gè)方面：一是生物質(zhì)氣化，在氣化爐中把固體生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣體燃料；二是氣體凈化，氣化出來(lái)的燃?xì)舛己幸欢ǖ碾s質(zhì)，包括灰分、焦炭和焦油等，需經(jīng)過(guò)凈化系統(tǒng)把雜質(zhì)除去，以保證燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備的正常運(yùn)行；三是燃?xì)獍l(fā)電，利用燃?xì)廨啓C(jī)或燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)進(jìn)行發(fā)電，有的工藝為了提高發(fā)電效率，發(fā)電過(guò)程可以增加余熱鍋爐和蒸汽輪機(jī)。

生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家已受到廣泛重視，如奧地利、丹麥、芬蘭、法國(guó)、挪威、瑞典和美國(guó)等國(guó)家生物質(zhì)能在總能源消耗中所占的比例增加相當(dāng)迅速。奧地利成功地推行了建立燃燒木材剩余物的區(qū)域供電站的計(jì)劃，生物質(zhì)能在總能耗中的比例由原來(lái)的3%增到目前的25%，已擁有裝機(jī)容量為1～2MW的區(qū)域供熱站90座。瑞典和丹麥正在實(shí)施利用生物質(zhì)進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)的計(jì)劃，使生物質(zhì)能在轉(zhuǎn)換為高品位電能的同時(shí)滿足供熱的需求，以大大提高其轉(zhuǎn)換效率。一些發(fā)展中國(guó)家，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展也逐步重視生物質(zhì)的開(kāi)發(fā)利用，增加生物質(zhì)能的生產(chǎn)，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，提高其利用效率。菲律賓、馬來(lái)西亞以及非洲的一些國(guó)家，都先后開(kāi)展了生物質(zhì)能的氣化、成型固化、熱解等技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)，并形成了工業(yè)化生產(chǎn)。

美國(guó)在利用生物質(zhì)氣化發(fā)電方面處于世界領(lǐng)先地位。美國(guó)建立的Battelle生物質(zhì)氣化發(fā)電示范工程代表生物質(zhì)能利用的世界先進(jìn)水平，可生產(chǎn)中熱值氣體。這種大型生物質(zhì)氣化循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)包括原料預(yù)處理、循環(huán)流化床氣化、催化裂解凈化、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電、蒸汽輪機(jī)發(fā)電等設(shè)備，適合于大規(guī)模處理農(nóng)林廢物。國(guó)內(nèi)很多單位也進(jìn)行了此方面的研究，如中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，成功地把流化床技術(shù)應(yīng)用到生物質(zhì)氣化發(fā)電方面，使用木屑或稻殼的1MW流化床發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)投入商業(yè)運(yùn)行，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

2.1.2沼氣發(fā)電

世界各發(fā)達(dá)國(guó)家都對(duì)利用沼氣發(fā)電十分重視。為了減少20%溫室氣體排放，德國(guó)充分利用垃圾填埋場(chǎng)的沼氣發(fā)電。日本還通過(guò)食品廢棄物再生法的實(shí)施，促進(jìn)了食品廢棄物發(fā)酵堆肥技術(shù)的推廣，并研究從沼氣中提取氫氣供燃料電池?zé)犭娐?lián)供作燃料。朝日、麒麟等幾個(gè)大啤酒廠都配套建成了200kW的燃料電池發(fā)電機(jī)組；東芝公司與中國(guó)廣東省番禺縣豬場(chǎng)聯(lián)合建設(shè)的200kW燃料電池項(xiàng)目已于2001年投產(chǎn)。

日本政府已規(guī)定電力公司必須給用生物質(zhì)能發(fā)的電優(yōu)惠上網(wǎng)，并在研究其他鼓勵(lì)政策。沼氣發(fā)電從1990年的5000GW˙h增長(zhǎng)到2000年的12048GW˙h.雖然在20世紀(jì)90年代早期，幾乎所有的沼氣發(fā)電都是由美國(guó)提供的，然而，現(xiàn)在最大的沼氣發(fā)電國(guó)家已經(jīng)轉(zhuǎn)移到了OECD(經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織)國(guó)家，它們占沼氣發(fā)電總量的54.5%。英國(guó)在2000年的沼氣發(fā)電量為2556GW˙h，在OECD國(guó)家中位居第二。

雖然美國(guó)以4984GW˙h的發(fā)電量保持著第一的位置，它的增長(zhǎng)速度卻僅為年均6.4%，明顯低于許多歐盟國(guó)家的增長(zhǎng)速度。德國(guó)的年均增長(zhǎng)速度為23.4%(2000年達(dá)到1683GW˙h)，意大利增長(zhǎng)速度為60.3%(566GW˙h)，法國(guó)為14.4%(346GW˙h)。可以預(yù)見(jiàn)到在不久的將來(lái)，利用沼氣發(fā)電的較快增長(zhǎng)將會(huì)出現(xiàn)在歐盟成員國(guó)家。

2.2生物質(zhì)制取燃料

2.2.1生物質(zhì)制取液體燃料

生物質(zhì)是惟一可以直接轉(zhuǎn)化為液體燃料的可再生能源。由于生物質(zhì)的多樣性和轉(zhuǎn)化技術(shù)的多樣性，生物液體燃料種類也各種各樣。目前技術(shù)較成熟、開(kāi)發(fā)利用達(dá)到一定規(guī)模的生物液體燃料主要是燃料乙醇和生物油。燃料乙醇的應(yīng)用由來(lái)已久，早在1908年，美國(guó)福特公司就研制出既能燒汽油，又能燒純乙醇的汽車。但隨著廉價(jià)石油的大量開(kāi)采和應(yīng)用，這些車輛逐漸消失了。20世紀(jì)70年代石油危機(jī)后，很多國(guó)家重新加強(qiáng)了乙醇燃料的開(kāi)發(fā)和利用。巴西是世界上最早實(shí)施乙醇燃料計(jì)劃的國(guó)家。

巴西乙醇燃料的生產(chǎn)以甘蔗、砂糖為原料。目前巴西年產(chǎn)乙醇燃料近800萬(wàn)t，約占汽油總耗量的1/3，使用乙醇燃料的車輛達(dá)370多萬(wàn)輛，成為世界上最大的乙醇燃料消費(fèi)國(guó)。美國(guó)是世界上另一個(gè)大量生產(chǎn)使用乙醇燃料的國(guó)家。與巴西不同的是，美國(guó)主要用玉米為原料生產(chǎn)乙醇，所耗玉米占全國(guó)玉米總產(chǎn)量的7%～8%。1990年美國(guó)乙醇燃料銷售量為265萬(wàn)t，到2000年達(dá)到559萬(wàn)t，年均增產(chǎn)率達(dá)8%。

除此之外，歐共體和日本等國(guó)家也有開(kāi)發(fā)利用乙醇燃料的計(jì)劃。1993年歐共體建議提高燃料級(jí)乙醇生產(chǎn)量，要求汽油摻混乙醇燃料不低于5%，并將生物乙醇燃料的稅率降低到相當(dāng)干礦物燃料稅率的水平。日本從l983年開(kāi)始實(shí)施燃料乙醇開(kāi)發(fā)計(jì)劃，重點(diǎn)開(kāi)發(fā)以農(nóng)村廢棄物為原料直接生產(chǎn)乙醇的技術(shù)。20世紀(jì)90年代，用可再生資源替代石油資源，并用生物技術(shù)取代化工制備生物燃料已成為世界各大化學(xué)公司發(fā)展戰(zhàn)略的熱點(diǎn)。中國(guó)政府一直重視乙醇燃料的研究與開(kāi)發(fā)，特別是利用非糧食原料生產(chǎn)乙醇燃料的戰(zhàn)略

儲(chǔ)備性研究與開(kāi)發(fā)，一直被科技部列為國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)課題和“863”計(jì)劃。20世紀(jì)80年代以來(lái)，“甜高粱”的育種技術(shù)和乙醇燃料的生產(chǎn)技術(shù)得到一定發(fā)展，到2001年其試產(chǎn)規(guī)模達(dá)到5000t˙a-1。近幾年，隨著石油進(jìn)口壓力的增加，以糧食(主要是玉米)為原料的乙醇燃料生產(chǎn)也提到了日程上。經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)，投資29億元在吉林省新建60萬(wàn)t燃料乙醇項(xiàng)目，河南年產(chǎn)20萬(wàn)t、黑龍江年產(chǎn)10萬(wàn)t2個(gè)變性燃料乙醇項(xiàng)目也相繼投產(chǎn)。

生物柴油是一種潔凈的生物燃料。借助酶法即脂酶進(jìn)行酯交換反應(yīng)，可將廢食用油轉(zhuǎn)變?yōu)樯锊裼停煸诜磻?yīng)物中的游離脂肪酸和水對(duì)酶的催化效應(yīng)無(wú)影響。反應(yīng)液靜置后，脂肪酸甲脂即可與甘油分離，從而可獲得較為純凈的柴油。為提高柴油生產(chǎn)效率，采用酶固定化技術(shù)，并在反應(yīng)過(guò)程中分段添加甲醇，更有利于提高柴油的生產(chǎn)效率。生物柴油于1988年誕生，由德國(guó)聶爾公司發(fā)明。生物柴油主要是把植物和動(dòng)物油脂與甲醇或乙醇等低碳醇用酸性或堿性催化劑在230～250℃下進(jìn)行脂化反應(yīng)，生成以脂肪酸甲脂或乙脂為主要成分的生物柴油。生物柴油有良好的環(huán)保性(含硫量低)，較好的發(fā)動(dòng)機(jī)低溫啟動(dòng)性(無(wú)添加劑時(shí)冷凝點(diǎn)達(dá)-20℃)，較好的安全性(閃點(diǎn)高)，良好的燃料性能(十六烷值高，燃燒性能優(yōu)于普通柴油)，最重要的是它是一種可再生能源?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)。生物柴油具有廣闊的發(fā)展前景。

生物柴油使用最多的是歐洲，份額已占到成品油市場(chǎng)的5%。德國(guó)現(xiàn)有8家生物柴油生產(chǎn)廠，生產(chǎn)能力為25萬(wàn)t˙a-1，擁有300多個(gè)生物柴油加油站，并制定了生物柴油標(biāo)準(zhǔn)DINV51606，對(duì)生物柴油免稅。法國(guó)有7家生物柴油生產(chǎn)廠?？偵a(chǎn)能力為40萬(wàn)t˙a-1。意大利有9個(gè)生物柴油生產(chǎn)廠，總生產(chǎn)能力為33萬(wàn)t˙a-1。奧地利有3個(gè)生物柴油生產(chǎn)廠，總生產(chǎn)能力為5.5萬(wàn)t˙a-1。比利時(shí)有2個(gè)生物柴油生產(chǎn)廠，總生產(chǎn)能力為24萬(wàn)t˙a-1。歐盟確定了較高的生產(chǎn)目標(biāo)，2010年達(dá)830萬(wàn)t。美國(guó)從20世紀(jì)90年代初就開(kāi)始將生物柴油投入商業(yè)性應(yīng)用，生物柴油已成為其產(chǎn)量增長(zhǎng)最快的替代燃油。另外，日本、巴西、泰國(guó)、韓國(guó)等國(guó)家也積極推廣和使用生物柴油。目前中國(guó)生物柴油研究開(kāi)發(fā)尚處于起步階段。先后由上海內(nèi)燃機(jī)研究所、中國(guó)農(nóng)業(yè)工程研究設(shè)計(jì)院、遼寧省能源研究所、中國(guó)科技大學(xué)、云南師范大學(xué)等單位都對(duì)生物柴油作了不同程度的研究。并取得了可喜的成績(jī)。生物柴油在今后幾十年中會(huì)迅速發(fā)展起來(lái)，形成生物柴油產(chǎn)業(yè)。

生物質(zhì)快速裂解生產(chǎn)生物油被認(rèn)為是最經(jīng)濟(jì)的生物質(zhì)生產(chǎn)液體燃料的路線。快速裂解技術(shù)自20世紀(jì)80年代提出以來(lái)，得到了迅速的發(fā)展。現(xiàn)已發(fā)展了多種工藝，加拿大Watedoo大學(xué)流化床反應(yīng)器、荷蘭Twente大學(xué)旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器、瑞士自由降落反應(yīng)器等均達(dá)到最大限度地增加液體產(chǎn)品收率的目的。生物質(zhì)快速裂解液體產(chǎn)率可高達(dá)70%～80%。快速裂解條件比較難控制，條件控制不好。

對(duì)產(chǎn)率影響較大。生物油是一種液體含氧混合物，主要包括羧酸、酚和醛酮等含氧化合物。由于生物質(zhì)油的獨(dú)特性質(zhì)，導(dǎo)致其不穩(wěn)定。尤其是它的熱不穩(wěn)定性，限制了其直接應(yīng)用的范圍。同時(shí)也正因?yàn)榇耍镔|(zhì)油的精制比較困難。不同于原油餾分及煤液化組分的精制。所以，為了提高其使用性能，生物質(zhì)油精制方法的研究開(kāi)發(fā)仍然是一個(gè)亟待解決課題之一。王樹(shù)榮等進(jìn)行了快速熱裂解制取生物油的試驗(yàn)，生物油產(chǎn)率高達(dá)60%。美國(guó)喬治亞技術(shù)研究所生物油的產(chǎn)率已達(dá)到70.6%，生產(chǎn)規(guī)模達(dá)到日產(chǎn)200t。加拿大CastleCapital公司生產(chǎn)的成套生物油設(shè)備已投放市場(chǎng)。近年來(lái)，國(guó)際上提出了生物油精制的可能處理方法包括催化裂化和催化加氫。

催化裂化主要以HZSM-5為催化劑，生成芳烴含量較高的精制油。但催化劑易發(fā)生結(jié)焦反應(yīng)而使催化劑失活。催化加氫是在高壓加入氫，采用過(guò)度型金屬催化劑，在供氫溶劑存在下進(jìn)行加氫處理，可使氧含量減少。

此外，生物質(zhì)還可制成甲醇，二甲醚等液體燃料。甲醇是能量密度較高的液體燃料，而且其燃燒要比乙醇干凈，燃燒時(shí)只釋放二氧化碳和水蒸氣。生物質(zhì)制甲醇主要是氣化法，首先是原料進(jìn)行加氫氣化反應(yīng)，產(chǎn)生富含甲烷的氣體。經(jīng)熱解生成含一氧化碳和氫的合成氣，在催化劑的條件下生成甲醇。由于生物甲醇價(jià)格相對(duì)較高。所以，一些國(guó)家只是為了保護(hù)環(huán)境出發(fā)，而將其在艦艇等方面進(jìn)行了使用。

由廣州能源研究所生物質(zhì)合成燃料實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展的生物質(zhì)催化制氫及液體燃料合成新工藝研究項(xiàng)目已經(jīng)取得新進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了在小型裝置上由生物質(zhì)一步法合成綠色燃料二甲醚的連續(xù)運(yùn)行。目前，由生物質(zhì)合成氣制備液體燃料二甲醚，使用固定床反應(yīng)器，CO單程轉(zhuǎn)化率已經(jīng)達(dá)到80%以上，在低壓就具有比較高的產(chǎn)率，利用漿態(tài)床合成二甲醚的工作也已展開(kāi)，將會(huì)進(jìn)一步提高產(chǎn)率。二甲醚作為對(duì)石油資源的補(bǔ)充，可作為汽車燃料。研究表明，大規(guī)模生產(chǎn)二甲醚的成本不會(huì)高于柴油，成本和污染都低于丙烷。因此，二甲醚作為汽車燃料發(fā)展前景誘人。

2.2.2生物質(zhì)制取氣體燃料

生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化制氫是通過(guò)熱化學(xué)方式將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為富含氫氣的可燃?xì)?，然后通過(guò)氣體分離得到純氫。某些技術(shù)路線與煤氣化制氫相似，從化學(xué)組成角度考慮，生物質(zhì)的硫含量和灰分含量較低，氫含量較高，應(yīng)該比煤更適合于熱化學(xué)轉(zhuǎn)化工藝。生物質(zhì)原料質(zhì)量密度和能流密度低等物理特性是實(shí)施生物質(zhì)制氫技術(shù)的難點(diǎn)。

生物質(zhì)催化氣化制氫得到的產(chǎn)品氣中主要成分有氫、一氧化碳和少量二氧化碳，然后再借助水蒸氣與一氧化碳反應(yīng)產(chǎn)生更多的氫氣，最后分離提純。由于生物質(zhì)氣化產(chǎn)生較多的焦油，許多研究人員在氣化后采用催化裂解的方法來(lái)降低焦油含量并提高燃?xì)庵袣涞暮俊?/p>

意大利LAqulia大學(xué)的RAPAGNA等人利用二階反應(yīng)器(一級(jí)為流化床反應(yīng)器，一級(jí)為固定床催化變換反應(yīng)器)進(jìn)行了杏仁殼的鎳基催化劑催化氣化實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)生的燃?xì)庵袣錃獾捏w積含量可達(dá)60%.美國(guó)夏威夷大學(xué)和天然氣能源研究所合作建立的一套流化床氣化制氫裝置，以水蒸氣為氣化介質(zhì)，其產(chǎn)品氣中氫含量可高達(dá)78%，再采用變壓吸附或膜分離技術(shù)進(jìn)行氣體分離，最終得到純氫氣體。呂鵬梅等利用流化床催化氣化制氫，產(chǎn)氫率可達(dá)130.28g˙kg-1。

MCKINLEY等研究了對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行熱化學(xué)處理以得富氫燃?xì)?；KINOSHIT等[在富氧條件下研究了生物質(zhì)的水蒸氣氣化反應(yīng)，單位生物質(zhì)產(chǎn)氫量達(dá)60g˙kg-1。HAUSEMAN采用木灰為催化劑研究了生物質(zhì)水蒸氣氣化制氫的效果，木灰為生物質(zhì)氣化后的產(chǎn)物，在650℃和0.24MPa壓力條件下，獲得含氫52%的富氫燃?xì)?。生物質(zhì)熱裂解制氫是對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行間接加熱，使其分解為可燃?xì)怏w和烴類物質(zhì)(焦油)，然后對(duì)熱解產(chǎn)物進(jìn)行第二次催化裂解，使烴類物質(zhì)繼續(xù)裂解以增加氣體中的氫含量，再經(jīng)過(guò)變換反應(yīng)產(chǎn)生更多的氫氣，然后進(jìn)行氣體的分離提純。雖然通過(guò)生物質(zhì)氣化及熱裂解技術(shù)制取富氫氣體在最近10多年才被提出，而且各種技術(shù)路線均處在理論研究和實(shí)驗(yàn)室階段，但是初步的試驗(yàn)結(jié)果卻顯示了較好的技術(shù)前景。

發(fā)酵產(chǎn)氫是利用厭氧活性污泥中的微生物，特別是產(chǎn)氫產(chǎn)酸菌在酸性介質(zhì)(pH=4.0～6.5)中，發(fā)酵有機(jī)物而產(chǎn)生氫氣。李白昆等以白糖為底物，對(duì)不同純菌、混菌及厭氧活性污泥的產(chǎn)氫率、產(chǎn)氫穩(wěn)定性進(jìn)行研究表明，由于菌種間的協(xié)同作用，純菌的產(chǎn)氫能力不如混合菌種，其中厭氧活性污泥具有最大的產(chǎn)氫能力，最大產(chǎn)氫率達(dá)76.4mL˙g-1˙h-1。

除pH值外，溫度、COD濃度及反應(yīng)器具也對(duì)產(chǎn)氫率有影響。哈爾濱建筑大學(xué)的任南琪教授等人先后研究了有機(jī)廢水制氫技術(shù)，他們研究了利用活性污泥發(fā)酵產(chǎn)氫的技術(shù)，其結(jié)果表明，活性污泥產(chǎn)氫的較佳條件為，COD濃度為43050mg˙L-1，pH值為5.0，發(fā)酵溫度為36℃。在處理有機(jī)廢水時(shí)，與傳統(tǒng)的上流厭氧污泥床反應(yīng)器(UASB)相比，任南琪等發(fā)明的連續(xù)流攪拌槽式反應(yīng)器(CSTR)具有較高的產(chǎn)氫性能，是UASB產(chǎn)氫的2.7倍。

研究結(jié)果顯示，利用厭氧話性污泥發(fā)酵產(chǎn)氫，具有啟動(dòng)容易、操作管理簡(jiǎn)單、易于工業(yè)化的特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)連續(xù)產(chǎn)氫和實(shí)際應(yīng)用提供了重要科學(xué)依據(jù)。上海交通大學(xué)在南通發(fā)酵廠建成了日處理3×103kg規(guī)模的光合細(xì)菌處理中試裝置，其COD去除率達(dá)94.4%，BOD去除率達(dá)97.3%，色度及總氮均去除80%以上，同時(shí)菌體本身具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。光合細(xì)菌體蛋白質(zhì)含量高達(dá)60%以上，并富含多種維生素，特別是葉酸、生物素的含量是酵母的幾千倍。尤希鳳等進(jìn)行了紅假單胞菌利用豬糞產(chǎn)氫的研究，豬糞污水COD為5687mg˙L-1時(shí)，產(chǎn)氫率為23.7mL˙L-1˙d-1。

沼氣的開(kāi)發(fā)應(yīng)用主要有4類：農(nóng)業(yè)沼氣、工業(yè)沼氣、城市下水道污水沼氣和城市垃圾沼氣。中國(guó)在沼氣應(yīng)用方面比較廣泛，大型沼氣工程成套技術(shù)的研究，成功地用于發(fā)電和處理豬廠等高濃度有機(jī)廢水，農(nóng)村居民用氣“四位一體”及綜合利用達(dá)12萬(wàn)戶，戶均年收入在4000元以上。2000年中國(guó)戶用沼氣池764萬(wàn)多個(gè)，年產(chǎn)沼氣25.9億m3，興建大中型沼氣工程1000多處(含工業(yè)有機(jī)廢水處理)，年產(chǎn)沼氣10億m3。

浙江浮山養(yǎng)殖場(chǎng)利用UASB型厭氧消化裝置處理雞、豬糞便，日產(chǎn)沼氣500m3，上海長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)利用上流式厭氧污泥床處理豬糞便，日產(chǎn)沼氣5350m3。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)每年約有255萬(wàn)t干糞物質(zhì)用于農(nóng)村戶用沼氣池和大中型沼氣站的原料，產(chǎn)生13億m3沼氣用作民用燃料。德國(guó)沼氣利用也比較領(lǐng)先，德國(guó)FEL公司已初步研制開(kāi)發(fā)出了沼氣燃料電池的生產(chǎn)技術(shù)，但目前這種電池成本很高，德國(guó)EBC公司進(jìn)行了沼氣液化的研究，Bekon公司在有機(jī)垃圾干發(fā)酵方面取得成功。

3、結(jié)語(yǔ)

1)傳統(tǒng)的熱解氣化方法，燃?xì)獗唤褂秃皖w粒物所污染，并且燃?xì)鉄嶂迪鄬?duì)較低，這將極大的影響燃?xì)獾暮罄m(xù)利用。另外，不能靈活的使用多樣化的生物質(zhì)燃料，并且大規(guī)模的生物質(zhì)應(yīng)用，在經(jīng)濟(jì)和環(huán)境上也是不可行的。導(dǎo)致這些技術(shù)大部分難以普及。HZSM-5噴流床熱解、高溫空氣氣化和循環(huán)流化床、多級(jí)循環(huán)流化床熱解和氣化的聯(lián)合技術(shù)。這些技術(shù)的共同優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生中高熱值的燃?xì)?、產(chǎn)氣清潔、可實(shí)現(xiàn)規(guī)?；⑶医?jīng)濟(jì)效益好。這些技術(shù)的進(jìn)一步研究和實(shí)踐，將為生物質(zhì)利用的普及推廣鋪平道路。

2)利用廉價(jià)的生物質(zhì)產(chǎn)氫，是解決能源危機(jī)，實(shí)現(xiàn)廢物利用，改善環(huán)境的有效手段。隨著對(duì)能源需求量的日益增加，對(duì)氫氣的需求量也不斷加大，改進(jìn)舊的和開(kāi)發(fā)新的制氫工藝勢(shì)在必行。利用人畜糞便等有機(jī)廢棄物產(chǎn)氫，既可獲得氫氣，又處理了廢物，現(xiàn)已引起人們極大的重視。雖然從試驗(yàn)研究到應(yīng)用開(kāi)發(fā)，尚有很長(zhǎng)的路，但是，未來(lái)的時(shí)代必將是氫能的時(shí)代，而以生物質(zhì)為原料發(fā)酵產(chǎn)氫是其中最重要的組成?；蚬こ痰陌l(fā)展和應(yīng)用為生物制氫技術(shù)開(kāi)辟了新途徑，通過(guò)對(duì)產(chǎn)氫菌進(jìn)行基因改造，提高其耐氧能力和底物轉(zhuǎn)化率，可以提高產(chǎn)氫量。就產(chǎn)氫的原料而言，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，利用生物質(zhì)制氫將會(huì)是制氫工業(yè)新的發(fā)展方向。

3)由于液體產(chǎn)品便于貯存、運(yùn)輸，可以取代化石能源產(chǎn)品，因此從生物質(zhì)中經(jīng)濟(jì)高效地制取乙醇、甲醇、合成氨、生物油等液體產(chǎn)品，必將是今后研究的熱點(diǎn)。如水解、生物發(fā)酵、快速熱解、高壓液化等工藝技術(shù)研究，以及催化劑的研制、新型設(shè)備的開(kāi)發(fā)等等都是科學(xué)家們關(guān)注的焦點(diǎn)，一旦研究獲得突破性進(jìn)展，將會(huì)大大促進(jìn)生物質(zhì)能的開(kāi)發(fā)利用。

4)生物質(zhì)能作為一種可再生能源，在能源結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的地位越來(lái)越重要。由于化石燃料的不可再生性和使用過(guò)程中對(duì)環(huán)境的影響，生物質(zhì)能將成為21世紀(jì)的主要能源之一，生物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用技術(shù)將成為這一轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵。目前有關(guān)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用的成套技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)，但是由于實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性無(wú)法統(tǒng)一，導(dǎo)致這些技術(shù)大部分難以普及。隨著研究的不斷深入，這種狀況必定會(huì)得以解決。同時(shí)也會(huì)出現(xiàn)更多的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用新技術(shù)。