生物能 又名：bioticenergy

生物能

　　生物能是以生物為載體將太陽能以化學能形式貯存的一種能量，它直接或間接地來源于植物的光合作用，其蘊藏量極大，僅地球上的植物，每年生產量就像當于目前人類消耗礦物能的20倍。在各種可再生能源中，生物質是貯存的太陽能，更是一種唯一可再生的碳源，可轉化成常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料。據(jù)估計地球上每年植物光合作用固定的碳達2x1011t，含能量達3x1021j。

優(yōu)點

　?、盘峁┑土蛉剂?，

　　⑵提供廉價能源（于某些條件下），

　　⑶將有機物轉化成燃料可減少環(huán)境公害（例如，垃圾燃料），

　?、扰c其他非傳統(tǒng)性能源相比較，技術上的難題較少。

　　至于其缺點有：

　　⑴植物僅能將極少量的太陽能轉化成有機物，

　　⑵單位土地面的有機物能量偏低，

　　⑶缺乏適合栽種植物的土地，

　?、扔袡C物的水分偏多（50%～95%)

　　生物能直接或間接地來源于植物的光合作用，其蘊藏量極大，僅地球上的植物，每年生產量就像當于目前人類消耗礦物能的20倍，或相當于世界現(xiàn)有人口食物能量的160倍。

研究開發(fā)

　　生物能的開發(fā)和利用具有巨大的潛力。目前主要從三個方面：

　　一是建立以沼氣為中心的農村新的能量，物質循環(huán)系統(tǒng)，使秸稈中的生物能以沼氣的形式緩慢地釋放出來，解決燃料問題；

　　二是建立“能量林場”，“能量農場”，“海洋能量農場”。建立以植物為能源的發(fā)電廠。變“能源植物”為“能源作物”，如“石油樹”，綠玉樹，續(xù)隨子；

　　三是種植柑蔗，木薯，海草，玉米，甜菜，甜高粱等，既有利于食品工業(yè)的發(fā)展，植物殘渣又可以制造酒精以代替石油。

能源產業(yè)

　　發(fā)展生物能源產業(yè)必須具備資源條件、技術條件和體制條件。中國發(fā)展生物能源產業(yè)有著巨大的資源潛力。中國人口多，雖然可作為生物能源的糧食、油料資源很少，但是可作為生物能源的生物質資源有著巨大的潛力。如農作物秸稈尚有60%可用于能源用途，約合2.1億噸標煤，有約40%的森林開采剩余物未加工利用，現(xiàn)有可供開發(fā)的生物質能源至少能達4.5億噸標煤，同時還有約1.33億公頃宜農宜林荒山荒地，可以用于發(fā)展能源農業(yè)和能源林業(yè)。發(fā)展生物能源產業(yè)，利用農林廢棄物，開發(fā)宜林荒地，培育與生產生物能源資源，增加了農民的就業(yè)機會。

生物資源

　　有機物的來源牲畜糞便：牲畜的糞便，經干燥可直接燃燒供應熱能。若將糞便經過厭氧處理（anaerobictreatment），會產生甲烷和可供肥料使用之淤渣（slurry）。若用小型厭氧消化糟（anaerobicdigestor），僅需三至四頭牲畜之的糞便即能滿足發(fā)展中國家中小家庭每天能量的需要。農作物殘渣：農作物殘渣遺留於耕地上也有水土保持與土壤肥力固化的功能，因此，農作物殘渣不可毫無限制地供作能源轉換。柴薪：至今仍為許多發(fā)展中國家的重要能源，仍需依賴柴薪來滿足大部分能量需求。不過由于日益增加薪柴的需求，將導致林地日減，需適當規(guī)劃與植林方可解決這一問題。制糖作物：對具有廣大未利用土地的國家而言，如將制糖作物轉化成乙醇將可成為一種極富潛力的生物能。制糖作物最大的優(yōu)點，在於可直接發(fā)酵（fermentation)變成乙醇。城市垃圾：一般城市垃圾主要成分紙屑（占40%）、紡織費料（占20%）和廢棄食物（占20%）。將城市垃圾直接燃燒可產生熱能，或是經過熱解體（Pyrolysis）處理而制成燃料使用。城市污水：一般城市污水約含有0.02～0.03%固體與99%以上的水分。下水道污泥（sewagesludge）有望成為厭氧消化槽的主要原料。水生植物：利用水生植物化成燃料也為增加能源供應方法之一。種植能源作物增加生物能，目前具有發(fā)展?jié)摿Φ哪茉醋魑?，包括：快速成長作物樹木糖與淀粉作物（供制造乙醇）含有碳氧化的合作物草本作物水生植物農林廢料供應的能量是十分可觀的。據(jù)Putnam氏的看法，將近全世界總消費量的20%，或約為木材貢獻的四倍。在美國這些費料的熱含量約為木材消費量的3.5倍。但此等費料的收集、運輸、及轉變?yōu)榭勺魃唐返娜剂弦痊F(xiàn)在石油產品的價格要高幾倍呢。

生物轉化

　　一、生化轉化過程：

　　1.厭氧消化厭氧消化為一生化轉化過程，依靠不需氧微生物將固體有機物轉化成甲烷、二氧化碳、氫及其他產物，整個轉化過程可分成三個步驟。首先將不可溶復合有機物轉化成可溶化合物；然后可溶化合物再轉化成短鏈（Shortchain）酸與乙醇；最后，二步驟的產物再經各種厭氧菌（不需氧生物）轉化成氣體，一般最后的產物含有50～80%的甲烷，最典型產物為含65%的甲烷與35%的二氧化碳。其主要優(yōu)點為可利用水分含量達90%的有機物，可小規(guī)模利用，淤渣能充當農作物的肥料。至于主要缺點為大量廢水需適當處理，氣體產品儲藏費用高。

　　2.乙醇發(fā)酵糖類作物發(fā)酵可制成乙醇。一般所謂的乙醇整批制程（batchprocess），先將發(fā)酵物（糖類作物）稀釋至糖分約為20%（重量），且酸化至Ph4～5，再加入酵母菌（約5%，），再將液體施以分留和精煉。一般2.5加倫糖或5.85公斤糖（約2184Kcal）可制造1加倫的乙醇（3.79升，21257Kcal），因此在整個發(fā)酵過程中幾無能量損失。若使用淀粉作物（例如，玉米、大麥）做發(fā)酵物，必須先將淀粉轉化成可發(fā)酵糖分，然后再進行發(fā)酵?？晒┌l(fā)酵制造乙醇的作物，包括甘蔗、番薯，甜菜等。，由作物發(fā)酵生產乙醇的費用約為每公升0.34美元，其高生產成本是由于制程為整批式而非連續(xù)的，最終產物（乙醇）含有酵母需再精煉處理。這種產量不足以克服高度工業(yè)化的需求?，F(xiàn)在美國的消費量將近30億桶，以能含量計約為四十億桶的酒精（酒精的熱能約為汽油的70%）。在美國木材地區(qū)此等數(shù)字作比較，總計約為70萬平方里（=1.8百萬平方公里），其三分之一－即約16億畝－是有的賣的，且實際可用的約為35億畝，我們認為，像美國這樣的國家的燃料需求還不能由發(fā)酵酒精來克服。

熱學轉化

　　熱解

　　⒈熱解：熱解也稱為干餾（destructivedistillation），指在缺氧條件下的加熱作用。將有機物熱解會產生氣體、液體與固產物，大多數(shù)熱解氣體（pyrogas）的主要成分為H2、CO2、CO、CH4與少量碳氫化合物（例如，乙烷）；熱解液體一般含有乙醇、醋酸、水或焦油（tars）等；至于熱解固體殘余物含有炭（例如，木炭）于灰分等。熱解過程包括下列處理程序：原料粗碎，烘干粗碎原料，去除雜質，原料細碎，熱解，冷產物，儲存與分配產物。熱解加熱過程中，固態(tài)有機物一般于300℃以上開始進行熱解，某些催化劑熱解作用一般指在大氣壓和200℃～600℃溫度之間進行，在此狀況下典型的產物包括：木炭30～35%有機液體18～20%氣體20%（產品重量相對與干燥源料的重量）如果將薪材加熱至1100℃，熱解作用依然存在。在此狀況下，大部分液體與固體分餾物將進一步分解，故有較多氣體產物產生.。氣化：有機物的氣化是熱化學反應將固體燃料轉化成可燃氣體。完全燃燒必須發(fā)生在有充分氧氣的狀況下，而有機物氧化作用則必須在氧氣不足的狀況下進行。氧化過程的主要反應為：C+02CO放熱C+H2OCO+H2吸熱CO+H2OCO2+H2放熱C+2H2CH4放熱最簡單的氧化作用方式為空氣氧化（airgasification），有機物在有限量空氣之下進行不完全燃燒反應?？諝庋趸癄t構造簡單、價格便宜并且可靠性高，主要缺點在於所產生氣體被空氣中氮氣所稀釋，因此氣體產物的熱值低，經濟效益不高。

　　液體燃料制造

　　直接液化使用CO或H2作為還原劑，於高溫高壓下將有機物直接氧化，且均產生油狀液體產物，其可再分餾而充當燃料使用。間接液化將有機物間接液化的主要方法，采用合成氣體制成原料。而最先發(fā)展的間接液化法是處理煤氣液化。

　　A.合成氣體制成乙醇：此過程在石化工業(yè)上應用極廣，多用作乙醇制造。目前可行方法很多，其中最易的方法是將H2與CO在高溫（約300℃）與高壓（約100Atm）下結合，并使用催化劑。反應方程式為：催化劑CO+2H2──CH3OH（合成氣體）（乙醇）此法自薪材提煉乙醇，產率約為360公斤/噸薪材，能量轉換效率約在30～40%之間。顯然乙醇熱含量（19.8GJ/噸）低于石油燃料（43.7GL/噸汽油），但其仍可用于發(fā)動汽、柴油機。

　　B.Mobil法：若利用Mobil法可將乙醇轉化成高辛烷值汽油，因此可免修改引擎。此方法在試驗室內己獲證實，轉換效率可達90%。新西蘭目前正籌建一座日產量12500噸合成石油工廠，可將天然氣轉化為乙醇。

　　CFisher-Tropseh法：Fisher-Tropsch法利用催化劑將合成氣體制成碳氫燃料。此法發(fā)明于1920年，而二次大戰(zhàn)時盛行于德國，以制造合成燃料，今日南非利用此法以轉換煤炭，但產物復雜，目前正研究尋求適當催化劑以使產物化單純化。此法若改采用有機物做原料，則產物的硫含量較低。

　　有機物間接液化法

　　目前研究中之另一有機物間接液化法，是將熱解氣體制成合成石油，其未來發(fā)展?jié)摿Ρ豢春?。此技術稱為“Chinalakeprocess“，其采用先進的“快速熱解“步驟，它比標準熱解法可產制含較多幣屬烴（olefins）的氣體產品。此氣體產品再經壓力聚合成高分子量碳氫化合物，經精煉后即可成為有用燃料。據(jù)估計總轉換率有22%。

沼氣利用

　　沼氣

　　沼氣：有機物在厭氧條件下被微生物分解發(fā)酵生成的一種可燃性氣體.有成生物氣其主要可染成分時甲烷，含量占60%左右，此外，二氧化碳占40%左右，以及其他微量成分.沼氣在農村有廣泛的應用，探索出多種沼氣利用技術：下面是幾個應用例子：豬場糞便沼氣發(fā)酵處理技術背景與意義。隨著人們物質生活的日益改善和外向型農牧業(yè)的發(fā)展，中國畜禽養(yǎng)殖業(yè)集約化生產近十年來發(fā)展迅速，每個大中型畜禽場日排放糞水上百噸，嚴重危害城郊環(huán)境衛(wèi)生，同時成為阻礙養(yǎng)殖業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的重要因素。豬糞水是一優(yōu)質有機肥源，早先融合于傳統(tǒng)農業(yè)生產中，進入良性生態(tài)循環(huán)，它又是一種良好的生物質能資源，通過沼氣池發(fā)酵回收生物質能沼氣，已為人們熟識，而且回收沼氣的過程不僅能夠保持糞水的肥料成份，還可以增進肥質的速效化和腐殖化。農業(yè)的集約化生產在顯著提高效率和效益的同時，不幸伴隨著大農業(yè)生產良性生態(tài)循環(huán)體系的肢解。集約化畜禽業(yè)生產與農業(yè)生產脫離，大量的糞水資源未經妥善處理而任意排放，而成為社會注目的公害，因此對集約化豬場糞便污水進行處理意義重大。

　　技術描述

　　技術原理：通過對集約化豬場糞水進行包括固液分離段、制肥段、厭氧兩步消化段和好氧處理段在內的處理過程，實現(xiàn)豬糞水的綜合處理，充分回收資源。技術關鍵：固液分離技術，厭氧消化過程，好氧物化處理。優(yōu)缺點評價：（l）從資源回收、綜合利用和產品商品化出發(fā)，優(yōu)化組合相關的科學技術，不僅能獲得較高的能源、生態(tài)和環(huán)境效益，而且可獲得可觀的經濟效益。⑵因各工藝段的銜接點均設有緩沖環(huán)節(jié)，運行中能夠充分承受豬場糞水水質、水量和pH等的沖擊，確保系統(tǒng)高產能運作和獲取穩(wěn)定的優(yōu)異效果。技術指標及要求條件：日處理存欄6500-7000頭的豬場全部糞水100-200噸舊，日產沼氣約300立方米和商品化有機復合肥約1．5噸。

　　主要設備

　　主要設備：產酸池、調節(jié)池、物化濾池、接觸氧化池、腐化塔、曬道、干燥房。養(yǎng)豬、產氣、積肥多功能戶用沼氣池建設技術背景與意義。中國目前的農業(yè)生產形式主要以戶為單位，大多數(shù)農戶既經營種植業(yè)也經營養(yǎng)殖業(yè)，而戶用沼氣池以農戶生產和生活中的廢棄物作為發(fā)酵原料，制取沼氣及多種厭氧消化產物，從而解決了農戶生活用能，并滿足生產中的某些需求，所以建設戶用沼氣池在中國具有良好的發(fā)展前景。本項技術旨在設計一種實用性強、便于管理的飼、氣、肥多功能沼氣及相應配套工藝。

　　技術描述

　　技術原理：針對水壓式沼氣池進出料難，冬季產氣率低和農村能源、飼料、肥料缺乏等問題并結合庭院經濟的發(fā)展和衛(wèi)生狀況設計，冬季利用塑膜溫室為沼氣池和豬舍增溫保溫，使沼氣池正常運轉，豬安全越冬。夏季利用棚架種植瓜豆、葡萄，為豬舍遮蔭，使豬舍冬暖夏涼。技術關鍵：池型結構，塑膜溫室的建造，秸稈酸化和粗飼料預處理。

　　優(yōu)缺點評價

　　優(yōu)缺點評價：⑴投資少、見效快、實用性強，便于施工管理，綜合效益好；⑵秸稈不直接人池，解決了沼氣進出料難的問題；⑶除貯糞池外，其它設備均設在豬圈內，豬舍冬暖夏涼，實現(xiàn)了能源、飼料、肥料種植、養(yǎng)殖、環(huán)保多位一體的良性循環(huán)。技術指標及要求條件：（l）產氣率：0.3-O.5立方米/立方米·天；⑵用氣時間：10-12個月；⑶酸化池容積1立方米，粗飼料預處理池容積0.2立方米；⑷貯氣罩容積：接日產氣量的50%設計，其它參數(shù)接國標池要求設計。

　　設計要求

　　每間豬舍長4米，寬3米，四面墻體中空8-10厘米，填充保溫材料（珍珠巖粉或蛭石），前墻高90-100厘米，下留出水孔，后墻高180-190厘米，上部留一小窗，下留通風孔，中校高230厘米。圈后設走廊，寬70厘米，前墻拱架用竹木搭成，采光材料用普通白塑膜，夜間用草簾保溫。豬舍地面南高北低，斜度5‘，水泥混凝士澆注，厚3厘米。l1月底或12月初扣棚，4月初拆棚。夏秋為自然溫度發(fā)酵，冬季在豬圈上建溫室為沼氣池增溫保溫。啟動原料為牛馬糞，啟動后以豬糞為補料，配以人糞尿、秸稈酸化水、粗飼料浸泡酸液等，3-5年大換料一次。資金條件：全套設備一次投資1300元。

　　主要設備

　　主要設備：主池、秸稈酸化池、粗飼料預處理池、溢流管、進料口、貯氣罩、廁所。

　　安全問題

　　使用沼氣應注意哪能些：沼氣是廣大農村目前正大力推廣使用折一種新能源，但由于沼氣池是密封的，空氣不流通，缺氧氣，所以應嚴禁輕易入池，以防止中毒窒息。進料時，只能從進料口和活動蓋口進料。確需下池換料、出料或維修沼氣池時，須打開進出料口和活動蓋，三天后方可下池。下池前，為防萬一，可選取放一只雞或鴨入內。觀察數(shù)分鐘，如發(fā)現(xiàn)池中雞鴨出現(xiàn)窒息反應，則說明池內沼氣多氧氣少，千萬不能入池。下池時，池上要有專人看護，下池的人可腰系繩子，如發(fā)生中毒窒息征兆，可及時拉出池外。另外，應特別注意不要放含磷高的原料（如菜籽餅、棉餅、磷肥等）入池，因這些原料在池內易產生劇毒氣體，會導致人中毒死亡。二、防止池體爆炸。沼氣如在沼氣池內遇火燃燒，極易引起池體爆炸，因此，嚴禁在活動蓋口和導氣管口點火，否則易將火引入池內，使池內氣體燃燒，引起爆炸。新建的沼氣要在水泥達到強度以后才能進水試驗。進水速度要慢，特別當水已封門時，不能用抽水機進水，以免進水速度過快，池內壓力急速上升而脹破池體。另外，還應定期檢查并排除輸氣管內的積水，否則積水過多，會使池內氣壓被積水阻隔，不能正常反應在壓力表上，就有脹破池身的危險。三、防止火災燒傷。在用沼氣煮飯炒菜時，要先擦燃火柴，再扭開沼氣開關。如先扭開關后點火，沼氣充滿灶內，遇火易燒焦頭發(fā)、眉毛，燒傷皮膚。在出料或維修沼氣池時，千萬不能點蠟燭、油燈等明火進池，只能用手電，池內切忌吸煙。在沼氣池、導氣管、輸氣管周圍嚴禁燒火，特別不能讓小孩在進出料間附近玩火，以免發(fā)生火災。當聞到室內有臭雞蛋味時，說明有沼氣泄漏，應立即打開門窗，讓室內空氣流通。此時，絕不能在室內點火，要盡快關掉總開關，找到漏氣設備的管理，如輸氣管因鼠咬或老化破裂，要及時進行更換。

　　生物能-簡介位于芬蘭境內的OyAlholmensKraft生物能電廠

　　由于生物質的存在很稀散，能量密度又比較低，而且不是濕的就是潮的，如果當作商業(yè)能利用，要收集起大量的生物質，其費用是十分高的。因此，目前生物質能的商業(yè)應用大多是利用那些因其他原因已被收集起來的現(xiàn)成材料，例如木材加工和食品加工的廢棄物及城市的有機廢物。目前生物質能的開發(fā)應用主要在三個方面：一是在一些農村建立以沼氣為中心的能量，物質循環(huán)系統(tǒng)，使秸桿中的生物能以沼氣的形式緩慢地釋放出來，解決燃料問題；二是建立以植物為能源的發(fā)電廠。變“能源植物”為“能源作物”，如“石油樹”，綠玉樹，續(xù)隨子；三是種植柑蔗，木薯，海草，玉米，甜菜，甜高粱等，既有利于食品工業(yè)的發(fā)展，植物殘渣又可以制造酒精以代替石油。

芬蘭生物能電廠