生物质化工产品拓展开发和应用
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摘 要：生物质遍布世界各地，其资源数量庞大，形式繁多，其中包括薪柴、农林作物、尤其是为获取能源而种植的能源作物、农业和林业残余物、食品加工和林产品加工的下脚料、城市固体废弃物、生活污水和水生植物等等。中国的生物质能源资源则主要包括农林废弃物及农林产品加工业废弃物、薪柴、人畜粪便、城镇生活垃圾及污水等。
中图分类号：F42 文献标识码：A
生物质是能源领域常用的术语，是由光合作用而产生的各种有机体。生物能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式，一种以生物质为载体的能量，它直接或间接地来源于植物的光合作用。在各种可再生能源中，生物质能是独持的，它是贮存的太阳能，也是惟—一种可再生的碳源。它可以转化为常规的固态、液态和气态燃料。化学工业耗用烃类少于整个烃类消费量的 5%，但不远的未来仍需要这些原材料。预计石油和天然气生产在 2020 年后某一时期将达到峰值。假设化学加工仍优先需用烃类，能源公司为满足这一需求将面临新的挑战。在本世纪初叶，可再生的生物资源将为化学工业提供大多数原材料。这将包括林业、渔业、动物饲养业和农业副产物。从某种意义来说，增加对这类原材料的依赖将成为必然。从长期看， 生物炼油厂可生产宽范围的下游化学品、 燃料和其他产品。据催化剂集团资源公司（CGR）分析，从生物质制取的化学品现已占化学品总销售额约 5%，现约 200 种产品由发酵制取，其中前4种产品为乙醇、柠檬酸、葡糖酸和乳酸。
1开发生物质能对中国的重要意义
1.1促进社会经济的发展和生态环境
生物质是仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源，在整个能源系统占有重要地位。生物质能一直是人类赖以生存的重要能源之一，在世界能源消耗小，生物质能具有可再生性。据有关专家预测，生物质能在未来能源结构中具有举足轻重的地位．采用新技术生产的各种生物质替代燃料，主要用于生活、供热和发电等方面。我国生物质能资源相当丰富，人类正面临着经济增长和环境保护的双重压力，因而改变能源的生产方式和消费方式，用现代技术开发利用包括生物质能在内的可再生能源资源，对于建立可持续发展的能源系统，促进生态环境的改善具有重大意义。
1.2 改变我国以化石燃料为主的能源结构
我国的能源生产及消费结构的共同特点是：煤炭在能源结构中长期占绝对主导地位，一般占70％以上；石油、天然气、水电等优质能源在一次能源中的比重—直在25％左右，而且随着能源供应量的增长优质能源比重近年来还有所下降；从不同地区的能源消费结构来看，由于沿海与内地经济发展水平的差异，且受运输和环境保护的制约，其能源结构也在不断优化。生物质既是低碳燃料，在其生长过程中又大量吸收。而成为温室气体的汇(sink)，随着国际社会对温室气体减排联合行动付诸实施。大力开发生物质能源资源，对于改善我国以化石燃料为主的能源结构，特别是为农村地区因地制宜地提供方便能源，具有十分重要的意义。
1.3发展生物基产品可减少排放
它拥有生产低排放燃料的潜力，而且可削减运输行业的 CO2排放。 除了发展生物乙醇和其他生物燃料以减少汽油消耗外，一些公司也采用生物质为原材料生产各种其他产品，包括纺织品、塑料和清洗液等，以减少碳足迹。从事生物技术开发的 Novozymes 公司在开发生物基产品用酶方面颇有作为， 该公司生产的酶类用作有机物化学反应的催化剂， 酶类在生物质转化中起到关键作用，并且使用酶可大大降低排放。据称，每生产一份酶，可相当于减少 100～200份的CO2排放。Novozymes公司 2007 年生产了20万吨酶，从而使CO2排放减少了 2000 万吨。
2作为能源利用的生物质能资源量时影响因素
首先，生物质能资源量是受多种因素影响的是随时间变化，生物质能资源是可再生的，通过种植、增加畜禽饲养等措施，资源量可以增加，而不合理的过量消费，又会造成资源量的减少，而且这种消费对资源量的影响又有滞后性，往往在消费时并不马上表现出来；作为重要生物质能资源的农作物秸秆及农业加工剩余物资源量又接受农作物产量的影响，而畜禽饲养量也受到农作物产量的影响，因而相应的资源量也就必然受到气候等多种自然因素及市场价格等多种社会因素的影响；各种生物质能资源剩余物及其可利用成分是受人民生活水平等多种变化因素影响的，因此说，每年的生物质能资源量都受到当年各种具体因素影响的，是变化的，而不是一成不变的。
其次，生物质能资源是—种自然资源，其本身可以有多种用途作为一种重要生物质能资源的农作物秸秆：它既可以当作燃料，也可以作为饲料、肥料和工业原料，所以在研究各种生物质可作为能源使用的资源量时，就必然会涉及其在各种不同用途之间的分配比例问题，也就必然会涉及将一种生物质能资源作为能源使用的成本问题。在考虑资源量时，应该对各种成本进行比较，选择合理的用途。
最后，如同其他可再生能源一样，生物质能可利用资源量取决于各种生物质能利用和转换技术水平，评价生物质能资源可利用量必须充分考虑各种生物质能利用和转换技术的经济、技术可行性等出素：以畜禽粪便为例，除了收集上的困难外，还应充分考虑利用的可能性问题。日前主要是通过厌氧发酵工艺对其进行处理应用的，因而其可作为能源利用的部分就受到沼气池容量、效率等的限制；如果应用致密成型技术对大量被废弃的农作物秸秆进行转换，可以产生大量的高品位能源，但这些转换技术尚存一些技术问题，那些被废弃的农作物秸秆资源也只是一种潜在的可利用能源。
3生物质气化技术
生物质气化是利用空气中的氧气或含氧物作气化剂，在高温条件下将生物质燃料中的可燃部分转化为可燃气（主要是氢气、一氧化碳和甲烷） 的热化学反应。 20 世纪 70 年代，Ghaly首次提出了将气化技术应用于生物质这种含能密度低的燃料。生物质的挥发分含量一般在 76%～86%，生物质受热后在相对较低的温度下就能使大量的挥发分物质析出。为了提供反应的热力学条件， 气化过程需要供给空气或氧气，使原料发生部分燃烧。尽可能将能量保留在反应后得到的可燃气中， 气化后的产物含有 H2、CO 及低分子的CmHn等可燃性气体。整个过程可分为：干燥、热解、氧化和还原。生物质气化有多种形式，如果按气化介质可以分为使用气化介质和不使用气化两种，前者又可以细分为空气气化、氧气气化、水蒸气气化、氢气气化等，后者有热分解气化。不同气化技术所得到的热值不同，因而应用领域也有所不同。如表 1所示为不同气化工艺技术产生可燃性气体的热值及其主要的用途。