第1章 绪论

1.1 生物质能源与资源

能源亦称能量资源或能源资源，是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。纵观人类社会发展的历史，人类文明的每一次重大进步都伴随着能源的改进和更替。能源的开发和有效利用程度以及人均能源消费量，是生产技术、生活水平和社会发展的重要标志之一。

凡是自然界存在的，通过科学技术手段能够转换成各种形式能量（热能、电能、光能、化学能和机械能等）或可做功的资源都被统称为能源。其中凡自然界原来就存在，没有经过加工或转换的能源统称为一次能源，如煤、石油、天然气、煤层气、水能、太阳能、风能、生物质能、核能、地热能等；由一次能源经过加工或转换而得到的能源称为二次能源，如电力、焦炭、煤气、汽油、柴油、热力等。

能源根据其使用的普及情况分为常规能源和新能源两类。常规能源是指在现有的科学技术的水平下已被广泛使用的能源，如煤炭、石油、天然气、水能等。那些虽然早已被利用或已引起人们重视，但尚未广泛利用或利用技术尚待完善或正在研究中的能源，都称为新能源。随着科学技术的发展，新能源的技术日益完善而被逐渐广泛采用，新能源也就成为常规能源。在我国现阶段，太阳能、风能、地热能、生物质能、海洋能等都被列为新能源。

目前我国已经成为世界上第一大能源生产国和能源消费国。表1.1列出了2015年中国和世界主要能源的储量和储采比（按当年的生产水平尚可开采的剩余能源储量的年数）的对比。从中可以看出，随着国民经济的快速增长，我国正面临着日益严峻的能源危机。

我国目前仍处于工业化、城镇化加速发展阶段，能源需求会继续增长，能源供应保障任务更加艰巨。我国能源形势严峻，仍然面临着能源资源结构单一，能源效率低，农村能源严重短缺，能源过度依赖进口，人均能源不足以及能源分布不均等问题，图1.1所示为2015年世界与中国一次能源消费比例。从图1.1中可知，目前人类的能源消费主要以煤、石油、天燃气等化石能源为主。由于大量使用化石能源、砍伐森林以及化学排放等，人类正面临着严峻的生态与环境危机。如何在开发和使用能源的同时保护好我们赖以生存的地球环境与生态，已经成为全球性的重大课题，而大力开发和利用风能、太阳能、生物质能等新能源才是人类走出困境的唯一出路。与太阳能、风能、水能和潮汐能相比，生物质是唯一以物质形式存在的能源，也是唯一可存储和运输的可再生能源。生物质的组成与常规的化石燃料相似，它的利用方式也与利用化石燃料的常规能源类似。但生物质种类繁多，具有不同特点和属性，利用技术远比化石燃料复杂多样。

1.1.1 生物质的定义和形成

生物质是指来源于植物或动物的一切有机物质。《联合国气候变化框架公约》所定义的生物质的概念为：“来源于植物、动物和微生物的非化石物质且可生物降解的有机物质”。它也包括农林业和相关工业产生的产品、副产品、残渣和废弃物，以及工业和城市垃圾中非化石物质和可生物降解的有机组分。

生物质是一种可持续、可再生的能源，它可通过CO₂、空气、H₂O、土壤、阳光、植物及动物的相互作用源源不断的形成。有机体死后，微生物将生物质分解成基本组成部分，如H₂O、CO₂和潜在能源。生物质在微生物降解和燃烧过程中释放的CO₂，全部来自于生物质近期生长过程中吸收大气中的CO₂，即生物质燃烧过程中产生的CO₂不会增加地球上CO₂总量。因此，生物质通常被称为温室气体零排放的可再生能源。

植物类生物质是通过叶绿素将太阳能转化为化学能而储存在生物质内部而形成的能源，同时吸收大气中的CO₂和土壤中的水分，而储存在植物中的化学能通过食物转移到动物和人类体内，动物和人类的排泄物也会促进植物生长。

1.1.2 生物质的分类

对于生物质如何进行分类，有不同的标准。例如，依据是否能大规模代替常规化石能源，而将其分为传统生物质能和现代生物质能。广义地讲，传统生物质能指在发展中国家小规模应用的生物质能，主要包括农村生活用能（薪柴、秸秆、稻草）及其他农业生产的废弃物和畜禽粪便等；现代生物质能是指可以大规模应用的生物质能，包括现代林业生产的废弃物、甘蔗渣和城市固体废弃物等。

以下将依据来源的不同，将适合于能源利用的生物质分为林业资源、农业资源、生活污水和工业有机废水、城市固体废物及畜禽粪便等五大类，我国的生物质资源量分布情况见表1.2。

1.林业资源

林业生物质资源是指森林生长和林业生产过程提供的生物质能源，包括薪炭林、大森林抚育和间伐作业中的零散木材、残留的树枝、树叶和木屑等；木材采运和加工过程中的枝丫、锯末、木屑、梢头、板皮和截头等；林业副产品的废弃物，如果壳和果核等。

2.农业资源

农业生物质能源是指农业作物（包括能源植物）；农业生产过程中的废弃物，如农作物收获时残留在农田内的农作物秸秆（玉米秸、高粱秸、麦秸、稻草、豆秸和棉秆等）；农业加工业的废弃物，如农业生产过程中剩余的稻壳等。能源植物泛指各种用以提供能源的植物，通常包括草本能源作物、油料作物、抽取碳氢化合物植物和水生植物等几类。

3.生活污水和工业有机废水

生活污水主要由城镇居民生活、商业和服务业的和各种排水组成，如冷却水、洗浴排水、洗衣排水、厨房排水、粪便污水等。工业有机废水主要是酒精、酿酒、食品、制药、造纸及屠宰等行业生产过程中排出的废水等，其中都富含有机物。

4.城市固体废物

城市固体废物主要是由城镇居民生活垃圾，商业、服务业垃圾和少量建筑业垃圾等固体废物构成。其组成成分比较复杂，受当地居民的平均生活水平、能源消费结构、城镇建设、自然条件、传统习惯以及季节变化等因素影响。

5.畜禽粪便

畜禽粪便是畜禽排泄物的总称，它是其他形态生物质（主要是粮食、农作物秸秆和牧草等）的转化形式，包括畜禽排出的粪便、尿及其与垫草的混合物。我国主要的畜禽包括鸡、猪和牛等，其资源量与畜牧业生产有关。

1.1.3 生物质的特征

1.储量巨大

地球上从森林到海洋存在着数量巨大的生物质，陆地地面以上总的生物质量约为1.8Mt，海洋中约40亿t，土壤中存在的生物质量基本上与陆地地面以上的相当。陆地地面以上总的生物质量换算成能量约为33000EJ，是世界能源年消耗量的80倍以上。此外，在光合作用下新的生物质还在不断产生。生物质的年净生产量，陆地地面以上约为1150亿t，其总量换算成能量接近世界能源年消耗量的10倍。其中森林树木的年生长量十分巨大，相当于全世界一次性能源的7~8倍，实际可以利用的量按该数据的10%推算，可以满足能量供给的要求。

2.环境友好

生物质在使用的过程中，对环境污染小。如生物质的灰分含量低于煤，含氮量通常比煤少，特别是含硫量生物质比煤少得多，一般少于0.2%，减少了SO₂的排放。燃用生物质产生的CO₂又可被等量生长的植物光合作用所吸收，CO₂ 净排放量近似为零，从而减轻了“温室效应”的负面影响。

3.可再生性

生物质能蕴藏量巨大，而且是唯一可再生、可替代化石能源转化成气态、液态和固态燃料以及其他化工原料或产品的碳资源。只要有阳光照射，绿色植物的光合作用就不会停止，生物质能也就永远不会枯竭。特别是在大力提倡植树、种草、合理采樵、保护自然环境的情况下，植物将会源源不断地供给生物质能资源。

4.兼容性强

生物质的化学组成与化石能源相似，其利用技术和利用方式与传统的化石燃料具有很好的兼容性，且其可以转化为气、液、固体资源，对化石燃料进行良好的替代。可再生能源中，生物质是唯一可以储存运输的能源，加工转换与连续使用更加方便。在用科学的方法利用生物质的能量后，剩余部分还可以还田，改良土壤，提高土地肥力。