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生物质

根据国际能源机构(IEA)的定义,生物质(biomass)是指通过光合作用而形成的各种有机体,包括所有的动植物和微生物。生物质能则是太阳能以化学能形式储存在生物质中的能量形式,它一直是人类赖以生存的重要能源之一,是仅次于煤炭、石油、天然气之后第四大能源,在整个能源系统中占有重要的地位。

在各种可再生能源中,由于核能、大型水电具有潜在的生态环境风险,风能和地热等区域性资源制约,大力发展遭到限制和质疑,而生物质能却以遍在性、丰富性、可再生性等特点得到人们认可。生物质的独特性,不仅在于能贮存太阳能,还是一种可再生的碳源,可转化成常规的固态、液态和气态燃料,煤、石油、天然气等能源实质上也是由生物质能转变而来的。

生物质是指利用大气、水、土地等通过光合作用而产生的各种有机体,即一切有生命的可以生长的有机物质通称为生物质。

特点:可再生性。低污染性。广泛分布性。资源丰富。碳中性。

生物质包括植物、动物和微生物。

广义概念:生物质包括所有的植物、微生物以及以植物、微生物为食物的动物及其生产的废弃物。有代表性的生物质如农作物、农作物废弃物、木材、木材废弃物和动物粪便。狭义概念:生物质主要是指农林业生产过程中除粮食、果实以外的秸秆、树木等木质纤维素(简称木质素)、农产品加工业下脚料、农林废弃物及畜牧业生产过程中的禽畜粪便和废弃物等物质。

生物质能是可再生能源的重要组成部分.生物质能的高效开发利用,对解决能源、生态环境问题将起到十分积极的作用.进入20世纪70年代以来,世界各国尤其是经济发达国家都对此高度重视,积极开展生物质能应用技术的研究,并取得许多研究成果,达到工业化应用规模.本文概述了国内外研究和开发进展,涉及到生物质能固化、液化、气化和直接燃烧等研究技术. [1]

糖类:

常见的糖类有纤维素、淀粉、麦芽糖和葡萄糖。两个葡萄糖分子之间脱水后,它们的分子就会连到一起,成为淀粉,有利于贮存;更多的葡萄糖分子脱水后聚集起来就形成了一个更大的集团纤维素,这个物质就相对比较稳定了,自然界中只有某些细菌类(如沼气菌)能把它分解成为淀粉或葡萄糖。有的葡萄糖则被细胞转化为其他物质,参与各种生命活动,在不同的条件下与不同的物质组成为不同的碳框架物质。

纤维素是分子量最大的糖类,人的消化系统不能将它分解,所以它不能为人体提供能量,但是现代人们研究发现,它有利于肠内有益细菌的生存,能促进肠胃的蠕动,对人体健康有利。自然界中有的细菌能够将它分解成为简单的葡萄糖。

淀粉是比纤维素简单的糖类,是人类重要的食物和原材料,它在人的口腔里在唾液淀粉酶的作用下,被分解为麦芽糖,所以人在多次咀嚼米粉时,感觉有点甜。它可分解为简单的葡萄糖供人体吸收利用。

麦芽糖在我们常见的啤酒中含有,它是淀粉分解后的比葡萄糖复杂一些的糖类。

葡萄糖是最简单的糖类,能够直接为人体细胞所用,在生物体内,和氧反应生成二氧化碳和水,同时释放出能量,为生命活动提供能量。同时,也参与构成细胞,如核糖。

醛类

一个羰基(C=O)基团和一个氢基(-H)基团,可以组合成为一个新的基团,叫醛基(CHO)基团,有这个基团的物质叫醛,我们相当熟悉的甲醛,碳框架中只有一个碳的醛类,甲醛的重要特点就是它能使蛋白质稳定,具有防腐作用。又是一种重要的化工原料,广泛应用于工业和化妆品行业,同时,过量的非天然甲醛可以致癌。自然界中的甲醛对人体是有益的,如西红柿是很好的抗衰老食品,它里面就含有微量甲醛,这个含量就决定了它清除自由基的特性。植物燃烧不充分时发出的烟中也有甲醛,所以用烟熏过的肉,能够长久保存。在人工心脏瓣膜移植手术中,把牛的心脏瓣膜经过一种醛(叫戊二醛)的处理后,再移植到人的心脏中,可以使人获得健康。甲醛给人类带来的伤害也不少。据美国有关部门统计,全世界每年生产了五十亿磅甲醛。装修材料中超标,化妆品中超标,非法用于食品防腐等事件也常有报导。

酸:

一个羰基(C=O)基团和一个羟基(-OH)基团,可以组合成为羧基(COOH)基团,有这个基团的物质叫酸,甲酸、乙酸、丙酸、脂肪酸、氨基酸都是与我们的生活有密切关系的“酸”。甲酸又称蚁酸,蜜蜂蜇人时,会向人体注入了一点蚁酸,会引起局部皮肤红肿和疼痛。乙酸就是醋酸,用粮食做的,因为粮食中的淀粉可分解成为葡萄糖,再在一定的条件下转化成食醋。它连在一起的碳框架碳的个数是两个,所以食醋学名叫乙酸;如果连在一起的碳框架碳的个数为三个,叫丙酸,人们熟悉的乳酸就是一种丙酸,葡萄糖在一定条件下还可转化为乳酸,如人体运动时,由于供氧不足,葡萄糖分解不完全,肌肉处会产生大量乳酸,使肌肉感到酸痛;人体对酸都是比较敏感的,会产生不舒服的反映。只有胃中有盐酸,保持强酸性。如果碳框架中的碳的个数是多个,并且是首尾相接的排成一列的,就统称为脂肪酸;如果再结合一个氨基,就成为大家熟悉的氨基酸。这些酸是人体不可缺少的营养物质。从人体对酸的反应可以知道,现代人们通过高脂肪高蛋白食物,人体摄入了大量的脂肪酸和氨基酸,就形成了酸性体质。

葡萄糖在一定的条件下还可以变成醇,醇是碳框架中含有羟基(-OH)的物质,如乙醇,就是酒精,在自然界中,熟透的水果可能有酒精的味道,就是葡萄糖变成了乙醇的原因,酿酒就是利用了这一变化。自然界中很多醇都有特殊的香味,现在人们常说的植物精油,有些就是醇。

陆地上的动植物都要保持水分,保持水分离不开一种物质,叫“甘油”,它与酒精乙醇是同一个家族的,叫丙三醇,都有(OH)集团,只是甘油碳框架的每个碳原子上都有(OH)基团,所以才叫“丙三醇”。甘油是食品加工业中通常使用的甜味剂和保湿剂,大多出现在运动食品和代乳品中。由于甘油可以增加人体组织中的水分含量,所以可以增加高热环境下人体的运动能力。也是一种重要的化工原料,它和硝酸可以变成“硝酸甘油”,是一种烈性能炸药,同时,也是一种良药,硝酸甘油还常用作强心剂和抗心绞痛药。

曾经报导的齐二药事件中,就涉及了一种醇,叫二甘醇,它与丙三醇(甘油)一样能保持水份,曾在牙膏和化妆品和工业中广泛代替甘油使用,齐二药事件后,说明这两种醇在人体内的代谢结果是完全不同的,国家也禁止了在牙膏中用“二甘醇”代替“丙三醇”。那些肾衰竭而去世的受害者,是他们的牺牲,让更多的人们免受了“二甘醇”的危害。

酯:

生物体内的酸和醇会生成酯,广泛存在于自然界,例如乙酸和乙醇可以生成乙酸乙酯,在酒、食醋和某些水果中就有这种特殊的香味的物质,所以陈年的老酒和老醋都十分香;乙酸异戊酯存在于香蕉、梨等水果中;苯甲酸甲酯存在于丁香油中;水杨酸甲酯存在于冬青油中。脂肪酸的甘油酯是动植物油脂的主要成分;酯是蜡的主要成分。

三条脂肪酸链与甘油组合,形成甘油三酸脂,就是一种脂肪类物质,我们平时食用的油,它们的成份都是甘油三酸脂,它们经人体消化后,被分解成为甘油和脂肪酸,被人体吸收。胆固醇、维生素D和生物体内的很多激素如性激素都是脂肪类物质。

人体的皮肤分泌的皮脂,也是一种酯,它能保护和滋润我们的皮肤,并具有一种独特的体香味;有些动物能分泌特殊的酯类,如麝能分泌的麝香。天然的酯类大多对人体有益,并具有特殊的香味,人们从中提取出的植物精油和香精,大多都是酯。

构成酯的脂肪酸链越长,这种酯就不再是液体油了,而成了固体蜡;脂肪链越长,分子量越大,就成了树脂,如松香、桐油和天然橡胶等,这些都是天然树脂。人类根据这个自然规律,做出了各种各样的人工树脂和高分子材料,如人们熟悉的聚氨脂树脂和丙烯酸树脂,做成了各种塑料制品。它们都无法或很难被大自然中的生物所分解,给生态环境造成了巨大的影响,如二恶英,白色污染。

还有一种叫“苯”的物质也广泛存在于生物体内,它的碳框架结构为六个碳围成一个环,叫“苯环”,含有这种“苯环”的物质,大多有特殊的香味,被称为“芳香族”物质,在脂肪酸一类物质中,碳没有形成环状,被称为“脂肪族”物质。大多数围成了环的碳框架物质对人体都是有害的,它能使蛋白质沉淀变性,如甲苯,三聚氢胺这些都是有“环”的物质,会对人体造成伤害。

我们已经知道有些酯也有香味,有些醇也有香味,有香味的酯和醇一般对人体是有益的。所有芳香族物质,虽然也有香味,可由于“苯环”的存在,一般对人体都是有害的。这两类不同的香味物质,价格和作用都相差很大,在市场经济的今天,肯定有人用便宜的有害的芳香族人工香料混到昂贵的有害的天然香料中,这提醒人们在消费时注意。

酚:

植物体内的“苯环”如果和一个羟基(-OH)集团组合起来,那就不是醇,而是“酚”了,在自然界中广泛存在于植物的树皮和果实,是单宁的主要组分,它能使植物的花和果实显示各种不同的颜色,也是许多染料的主要组成成份。酚类物质能和氨基结合,使蛋白质稳定,适量的酚类物质对人体有利。如现代人们常提到的“茶多酚”“花青素”等有抗氧化作用能清除“自由基”的物质,就是这类物质。自然界中存在的天然的酚,对人体是有益的。

通过化学方法从石油中提炼的苯类酚类等物质,多半能使人致病,如绝大多数染料中有这个苯环,前几年欧美提出某些染料可以致癌,列出一些禁用的染料,他们的人不能用这些致癌物质。所以有些专家提出不染色的内衣对健康有利,各种彩棉制品也开始流行,反映出人们对环保和健康的重视。

胺:

胺在自然界中分布很广,其中大多数是由氨基酸脱羧生成的。工业制备胺类的方法多是由氨与醇或卤代烷反应制得,产物为各级胺的混合物,分馏后得到纯品。由醛、酮在氨存在下催化还原也可得到相应的胺。工业上也常由硝基化合物、腈、酰胺或含氮杂环化合物催化还原制取胺类化合物。

胺的用途很广。最早发展起来的染料工业就是以苯胺为基础的。有些胺是维持生命活动所必需的,但也有些对生命十分有害,不少胺类化合物有致癌作用,尤其是芳香胺,如萘胺、联苯胺等。

胺中氮原子的结构,很像氨分子中的氮原子,是以三个sp杂化轨道与氢或烃基相连接,组成一个棱锥体,留下一个sp3杂化轨道由孤电子对占据。

种类繁多,分别具有不同特点和属性,利用技术复杂、多样,纵观国内外生物质利用技术,均是将其转换为固态、液态和气态燃料加以高效利用,主要途径有: [2]

1、直接燃烧技术包括户用炉灶燃烧技术,锅炉燃烧技术、生物质与煤的混合燃烧技术,以及与之相关的压缩成型和烘焙技术。

2、生物转化技术小型户用沼气池、大中型厌氧消化。

3、热化学转化技术包括生物质气化、干馏、快速热解液化技术。

4、液化技术包括提炼植物油技术、制取乙醇、甲醇等技术

5、有机垃圾能源化处理技术

中国对生物质能源利用极为重视,己连续在四个国家五年计划将生物质能利用技术的研究与应用列为重点科技攻关项目,开展了生物质能利用技术的研究与开发,如户用沼气池、节柴炕灶、薪炭林、大中型沼气工程、生物质压块成型、气化与气化发电、生物质液体燃料等,取得了多项优秀成果。政策方面,2005年2月28日,第十届全国人民代表大会常务委员会第十四次会议通过了《可再生能源法》,2006年1月1日起已经正式实施,并于2006年陆续出台了相应的配套措施。这表明中国政府已在法律上明确了可再生能源包括生物质能在现代能源中的地位,并在政策上给予了巨大优惠支持。2007年,国家发展与改革委员会制订的《中国对应气候变化国家方案》确认,2010年后每年将通过发展生物质能源减少温室气体排放0.3亿吨CO2当量。因此,中国生物质能发展前景和投资前景极为广阔。

中国已经开发出多种固态填充床和流化床气化炉,以秸秆、木屑、稻壳、树枝为原料生产燃气。2006年用于木材和农副产品烘干的有800多台,村镇级秸秆气化集中供气系统近600处,年生产生物质燃气2,000万立方米。

近年来,中国生物油技术的开发取得较大进展。2013年4月24日,中国成功地进行了首次1号生物航空煤油飞机试飞。 [3] 这使中国成为继美国、法国和芬兰之后,第四个拥有这项技术的国家。该技术以生物质或废弃食用油为原料,通过转化和提纯制造航空煤油等高附加值产品。它不仅在技术上可行,也为解决所谓“地沟油”回流餐桌的问题提供了新的技术途径。目前面临的成本问题有望在大规模量产时逐步解决。

总体而言,中国生物质能源技术的发展和市场发育还不够完善,生物质能利用技术的整体技术水平与发达国家还有差距,市场亟需规范。但随着环保立法的加强和技术进步,生物质能源行业将会得到快速发展。

生物质包括植物通过光合作用生成的有机物(如植物、动物及其排泄物)、垃圾及有机废水等几大类。生物质的能源来源于太阳,所以生物质能是太阳能的一种。生物质是是太阳能最主要的吸收器和储存器,生物质通过光合作用能够把太阳能积聚起来,储存于有机物中,这些能量是人类发展所需能源的源泉和基础。

生物质是地球上最广泛存在的物质,它包括所有动物、植物和微生物以及由这些有生命物质派生、排泄和代谢的许多有机质。各种生物质都具有一定能量。以生物质为载体、由生物质产生的能量便是生物质能。生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式,直接或间接来源于植物的光合作用。地球上的植物进行光合作用所消费的能量,占太阳照射到地球总辐射量的0.2%。这个比例虽不大,但绝对值很惊人:经由光合作用转化的太阳能是目前人类能源消费总量的40倍。可见,生物质能是一个巨大的能源。生物质能的主要来源有薪柴、木质废弃物、农业秸秆、牲畜粪便、制糖作物废渣、城市垃圾和污水、水生植物等。

生物质取之不尽的资源宝库

我们知道绿色植物利用叶绿素通过光合作用,把CO2和H2O转化为葡萄糖,并把光能储存在其中,然后进一步把葡萄糖聚合淀粉、纤维素、半纤维素木质素等构成植物本身的物质。所谓生物质可以理解为,由光合作用产生的所有生物有机体的总称,包括植物、农作物、林产物、海产物(各种海草)和城市垃圾(纸张、天然纤维)等。据估计,作为植物生物质的主要成份木质素和纤维素每年以约1640亿吨的速度再生,如以能量换算相当于石油产量的15-20倍。如果这部份资源得到好的利用,人类相当于拥有一个取之不尽的资源宝库。而且,由生物质来源于空气中的CO2,燃烧后再生成CO2,所以不会增加空气中的CO2的含量。CO2是最主要的温室效应气体(Greenhouse Effect Gas),它对全部温室效应的贡献为26%,对大气中除水蒸气外各种气体引起的温室效应的贡献约为65%。鉴于利用生物质作为能源不会增加大气中CO2的含量,即碳中性(carbon neutral),生物质与矿物质能源相比更为清洁。

可再生能源发电价格确定 生物质发电每千瓦时可补贴0.25元

新华网北京1月12日电(记者吕诺)我国可再生能源发电价格实行政府定价和政府指导价两种形式。其中生物质发电项目上网电价实行政府定价的,电价标准由各省(自治区、直辖市)2005年脱硫燃煤机组标杆上网电价加每千瓦时0.25元补贴电价组成。 [4]

这是近日发布的《可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法》中规定的。

《中华人民共和国可再生能源法》已于1日起施行,国家发改委、财政部、建设部、质检总局等部门制定的配套法规和技术规范也陆续发布。社会各界十分关注的有关可再生能源发电价格与费用分摊、可再生能源发电管理等制度有了可操作的规定。 [5]

作为配套法规之一的《可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法》规定,生物质发电项目补贴电价,在项目运行满15年后取消。自2010年起,每年新批准和核准建设的发电项目补贴电价比上年批准项目递减2%。发电消耗热量中常规能源超过20%的混燃发电项目,不享受补贴电价。通过招标确定投资人的生物质发电项目,上网电价按中标确定的价格执行,但不得高于所在地区的标杆电价。

根据同一规定,水力发电价格暂按现行规定执行;风力发电项目的上网电价实行政府指导价,电价标准由国务院价格主管部门按照招标形成的价格确定;太阳能发电、海洋能发电和地热能发电项目上网电价实行政府定价,其电价标准由国务院价格主管部门按照合理成本加合理利润的原则制定。可再生能源发电价格高于当地脱硫燃煤机组标杆上网电价的差额部分,在全国省级及以上电网销售电量中分摊。

另一部配套法规《可再生能源发电有关管理规定》中明确:发电企业应当积极投资建设可再生能源发电项目,并承担国家规定的可再生能源发电配额义务。大型发电企业应当优先投资可再生能源发电项目。

国家发改委副主任张国宝12日在《中华人民共和国可再生能源法》实施新闻发布会上说,“可再生能源法”要求的配套行政法规和技术标准,具备条件的都已落实。全国风能源的调查和风电场选址工作将力争在今年内完成,关于生物质能源资源评价工作正在准备,相关财政贴息和税收优惠政策正在制定。 [4]

现在生物质可以应用到建筑体列如:门窗和地板。如以下案列:

中国政府援老挝国际会议中心 [6]

武功南湖幸福湾水公园
  中国湖北九宫山旅游度假村

武汉雷克萨斯4S店

武汉南湖半岛高档别墅区


  

木质纤维植物原料制取乙醉的工艺流程主要包括预处理、酶解、发酵和精馏等。

(1)预处理

天然的木质纤维素很难被纤维素酶降解,故必须首先对天然木质纤维素进行预处理。

传统预处理方法有酸法、碱法和生物法等。酸法可以有效地将半纤维素降解,但是无法将纤维素和木质素进行分离,且酸对设备的材料存在腐蚀问题,后面需要加碱中和而产生大量盐,增加了废水处理的负担。碱法可以破坏木质素,但无法将纤维素和半纤维素分离,且产生大量的黑液,造成环境污染。碱也难以回收利用,生物法目前仍主要处在实验室研发阶段,离工业化要求还有很大差距。

与以上传统预处理方法相比,蒸汽爆破法的特点是处理成本低、污染小、能耗少,因此成为 最常用的预处理方法。蒸汽爆破是利用高温高压的水蒸气,使得木质纤维素原料中的半纤维 素部分水解,并软化木质素,从而降低纤维素、半纤维素、木质素三者聚合度,然后通过瞬间减 压,使得木质纤维素内部的气体急速膨胀,产生爆碎作用,进一步破坏木质纤维素的内部结构。蒸汽爆破的一般流程是木质纤维素首先经过切制粗碎,并除尘除杂,然后与水浸渍后输送至预处理反应器,在预处理反应器内的一定温度(170~200℃)和压力(0. 8~1.0 MPa)的蒸汽中维持一定的时间(5~25 min),然后瞬间泄压碎,得到预处理物料。

(2)酶解

木质纤维素经过预处理后,需要进一步水解成可发酵糖。

传统的酸水解技术较为成熟,但酸的腐蚀性对人体有害,所需工艺条件苛刻,且增加了设备投资和生产成本。

与酸水解相比,酶解的特点是反应条件温和、无污染,因此成为普遍采用的木质纤维素水解工艺。

纤维素酶是酶解过程的催化剂,是一组能够将木质纤维素中的纤维素和半纤维素水解生成单糖的酶,纤维素酶可以通过木霉、曲霉、根霉和青霉等菌种发酵自行制备,也可以使用商品酶制剂。

酶解的一般流程是首先将预处理物料和水配制成一定底物浓度,然后加入纤维素酶开始酶解,酶解过程需控制在一定温度和pH,达到一定酶解时间后,得到酶解液。酶解工艺的主要操作条件是底物浓度、酶量、酶解时间、酶解温度、酶解pH。底物浓度的增大会影响酶解反应的传热传质和均匀性,且产生高浓度酶解产物对酶有反馈抑制作用,所以底物浓度一般控制在15%~30%;酶解温度和pH是由酶制剂的最佳活性确定的,一般酶解温度是50℃,酶解 pH是5.0;酶解时间控制在2~3天为宜,酶解时间太长,可能会导致部分可发酵糖发生降解。

酶解液可以通过水洗,分离出木质素,也可不水洗直接发酵制得乙醇。

(3)发酵

乙醇发酵工艺已比较成熟,采用酿酒酵母已能较容易完成己糖发酵,但传统的酿酒酵母只 能将己糖转化成乙酵,却不能利用戊糖。

采用基因和代谢工程技术筛选出戊糖发酵菌种,可以实现对己糖和戊糖全利用。

己糖和戊糖全利用工艺可分为己糖和戊糖分开发酵和己糖、戊糖同步发酵两种流程,己糖 和戊糖分开发酵需要首先对预处理物料进行水洗分离出戊糖,此过程需要消耗大量的水,所以 一般采用己糖、戊糖同步发酵流程。

己糖、戊糖同步发酵的一般流程是在酶解液中接种共发酵菌种,发酵过程需控制在一定温度(35℃)和pH(6.0)达到一定发酵时间(约1~2天)后,得到发酵醪。

发酵醪可通过离心回收其中的菌种,发酵尾气中的乙醇可回收后进入精馏。

(4)精馏

发酵液中的低浓度乙醇需经过精馏进行浓缩。

乙醇的精馏可采用三塔两效差压蒸馏的生产方法,此方法的特点是采用多级热偶合术,分级利用系统热量,使热量的利用尽可能达到最佳状态的功能,同时还节约了蒸汽消耗。发酵液中的低浓度乙醇经过精馏后,可得到95%(体积分数)的共沸乙醇。 [7]


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