生物质能源概述

第18卷第6期 2005年12月 世界林业研究 World‰nResⅫ曲 Ⅷ．18N0．6 D∞．2005 生物质能源概述 马常耕苏晓华 (中国林业科学研究院林业研究所，北京100091) 摘要：生物质能源是倍受世界各国重视的可再生能源。文中介绍了生物质能源的优越性、多种转化技术体 系、类别厦性能。还着重介绍了木本植物营养体中的组成成分，指出集约经营短轮找期乔灌木能源林是发 展生物质能源的基础。同时针对世界生物质能源树木遗传改良研究现状和存在的问题，提出了我国生物质 能源研究的建议。 关键词：生物质能源，树木遗传改良，建议 中图分类号：s727．4 文献标识码：A 文章编号：1001—4241(2005)06—0032—07 ’mReview∞姗ofⅨ㈣QIlaljtyEllergy MaCha喘el】gSuⅪaohua (Re8ea曲hlsd仙e0f№时，c}Iim8eAcad。my0fF0唧，Beq证坞10009l，cIliI】a) Abs岫ct：Bi讲nas8qual畸energy，akind0fI_enew如1eener科，has锄usedgreata吐entionint}Ie wodd．1headvantage，conve商0ntechnicaIsysteIIls，typesarIdpr叩ertiesoftMsbndene。口aIei¨cm· ducedin“8p8per．Inaddition，t11evege沮tivec0111ponents0fwoodPl明tsarealsop】删tedinde— tails，and山ehsics胁s0f8honro眦i伽，in协1sivecll】h鹏inbioma吕senergydevekpmentisinmcated 8sweU．Meanwhile，advicesforthebioma吕s陀sea地hinalirlaampm畔daccoIdingto血ect咖tre— searchpmgressandexisdngpmbleInsintllegeneticb蒯i“gforbiⅢnassqualityener科谊Ⅱlewodd． Kqwo哪s：bi锄flassqualityenefgy，￡f∞曲pm耗m日1t 1生物质能源的优越性 在包括太阳能、地热、风能、水能(水流、 潮汐、热对流等)和生物质能的各种可再生能 源中，相对来讲生物质能源的地区性限制和可 控制性均比其他种类的再生能源有更多优势。 凡是有阳光和水的地方均可通过人工集约培植 获得生物质，并以多种形式将其转化成清洁、 便于贮藏、运输的可再生能源。由于其比较优 势较多，生产成本又低，所以近数十年来倍受 世界各国重视。 我国在2005年2月28日颁布了中国可再生 能源法，其中第4条：国家将可再生能源 的开发利用列为能源发展的优先领域。第12条 又说：国家将可再生能源开发利用的科学技术 研究和产业化发展列为科技发展与高技术产业 *收稿只期：20∞一∞一15 发展的优先领域。这充分体现了可再生能源的 开发将成为我国基本能源国策。生物质能源比 其他几种再生能源有更大的群众参与性、多形 式的可转换性和相对较少的开发投入性，这是 在多种形式的再生能源中生物质能源被国家优 先给予考虑的原因。从全世界范围看，生物质 能源利用在各种形式的可再生能源利用的总份 额中所占比重也最大，jE欧一些国家已有大范 围把生物能源转化成电力的经验。 概括起来，生产生物质能源时要吸收大量 温室气体，有利于改善环境，生物质能源材料 虽因含氧量高，燃烧值低(只相当煤的1，2，燃 油的I／3)，但热解时挥发分高，可大量转化成 高值热能。还由于其N，s含量比煤、燃油低， 属于清洁和环境友好型能源，故应加强生物质 能源的研究。 万方数据 第6期 马常耕苏晓华：生物质能源概述 33 2生物质能源的多种转化技术体系 概括起来，生物质能源转化技术和产品如 图1所示。 物理转化————————卜固体成型燃料 热化学转化 一水解及发酵斗乙醇 生物转化—～生物发酵——_-}甲烷、氢气 囤l生物质能源转化技术和产品 气化：在高温缺氧下与气化剂反应生成小 分子可燃气体。 液化：用热化学方式将生物质转化成液体， 其中间接转化法是将生物质先热解成气体，然 后再液化，或者用水解和生物发酵相结合的方 法，把生物质中的纤维素及半纤维素首先转化 成单糖或多糖，再经发酵形成酒精，而直接液 化法是在高温高压下通过催化剂生成液化油， 以供作汽车燃料。 热解：是在少量给氧或不给氧的热力作用 下，使生物质分解转化成气、液和固体三相物 质。其中气、液相物质可制成燃料油，固体则 为木炭。 固化：在高压下通过生物质中木素的塑化 粘合把疏松的生物质压成密度极高的成型材料， 以便利用、运输、贮藏和高效率的燃烧。 生物发酵：是最古老的，也是最新的一种 生物质能转换技术，传统的有发酵制酒和沼气。 近代用产氢细菌发酵产氢，无需光源，可连续 稳定产氢。由于氢是最清洁能源，故产氯菌发 酵制氢工艺倍受关注，并获得实用成果。相关 菌种的筛选和遗传改造是生物转化研究的热点 之一。 在现今化石燃料紧缺和价格居高不下的情 况下，生物质的热解气化、液化和发酵制氢等 已成为工艺研究的重要领域之一，为生物质能 源开拓了广阔前景。 3生物质能源的类别及性能 粗略地依能源主体特性把生物质能源原料 分成： (1)草本植物——低密度营养体的利用。 (2)木本植物——木质营养体的利用。 (3)富含油植物——种子或营养体中富含 油脂物质的利用。 (4)富含糖植物——种子或营养体中富含 淀粉、糖类的利用。 (5)动物(家畜、家禽)粪便——消化后 的残存体，成分因动物而异。 这5种生物质能源原料中所含成分，基本 上可分成如下几类：它们对能的转化技术有不 同的相宜性．因而主体转化产品也有不同。 (1)灰分：由矿物元素组成，但不同植物 的组成元素可有较大不同，如禾本科草类不仅 含灰分比木本植物高，且其中sn更多。 (2)多种挥发物质：各种芳香族挥发油、 萜烯类。 (3)木素：主要为碳氢化合物，属聚酚类 三维网状高分子聚合物。苯丙烷为其基本结构 单元，又分3种基本结构，即愈刨木基(针叶 树木素的主要组成)、紫丁香基(阔叶树木素的 主要组成)和对羟苯基(禾草类)。木素本身属 难热解物质，热解时得炭率高，它又影响纤维 素的水解。 (4)碳水化合物为基础的纤维素：纤维素 为不溶于水的均一聚糖，其基本结构单元为D 一毗喃式葡萄糖基(脱水葡萄糖)，由成百成千 这种葡萄糖基聚合而成。分子式为(C6H。吨)。， 与木素比，它含较多的氧元素，更适合水解发 酵生产酒精，直接燃烧时热值低。 万方数据 世界林业研究 第18卷 (5)半纤维素：是植物质原料中除木素、 纤维素、果胶以外含量较高的一种不均一聚糖， 由2种或2种以上的单糖结合而成，以聚戊糖 为代。主要结构单元有ID一木糖基、D一甘 露糖基、D一葡萄糖基、D一半乳糖基和L一阿 拉伯糖基等，一般阏叶材和草本植物中的半纤 维素高于针叶材，针叶材叶的木素含量又高于 前者，故针、阔叶材的能转化产品不同，最适 合的转化技术方法也不相同。在热解中纤维素 和半纤维素的得炭率低于木素，而溶解焦油得 率却高些。 4木本植物营养体中的组成成分 生物质能源以木本植物为主体，所以有必 要了解木材的主要组分： _，尢机物(灰分) f卜少量组分斗卜有机物可挥发物(芳香旗、萜烯、脂肪族化台物) 木材一 ◆粜胶、淀粉等 f 一碳水化合物化—亡纤维索‘主体成分’ 峄主要组分一。卜半纤维素(中到少量) k碳氧化骨物———◆木素(少到中等) 图2木材的主要组分 表1 3类主要生物质原料的组成特点 ％ 通常，树木干材的纤维素多于树枝和树皮。 相反，灰分木素、聚戊糖、聚甘露糖、聚半乳 糖及各种提取物又低于树枝和树皮，所以树皮 在材积中所占比例影响生物质能的转换效果。 表2木材主要成分的元素构成(干重) ％ 万方数据 第6期 马常耕苏晓华：生物质能源概述 35 产物 纤维素 木聚糖 邻乙酰基术聚糖 *由于纤维素和半纤维煮均属高聚糖，所以热解产物近似。 5短轮伐期集约经营乔灌木能源林是发 展生物质能源的基础 生物质能源材料虽多种多样，但主要仍为2 大类，即工农业生产的废弃物和有目的人工培 植的能源林。后者虽然比前者成本高，但由于 生物质生产过程会吸收大量工农业生产所排放 的c嘎，又有水土保持、污染土壤生物修复及 景观维护等效应，所以环境一生态效益大于其 他形式的可再生能源。它集环境、资源和经济 效益于一体。故在条件允许的情况下，应优先 开发木本生物质能源，树种则以广适性、低经 营成本的为宜。 人工专门培植生物质能源的最基本目标是 单位面积和单位时间有最高生物量的产出，即 低成本生物质能源原料的获得，故在相当长一 段时期，研究者都把寻找更适合做能源经营的 树种和如何提高其生物质产量作为研究的重点。 而利用研究则集中在转化技术和工艺方面。这2 方面均已取得巨大成就，但本文将不对此加以 引述。目前存在的关键问题是，转化加工工艺 的产业化和比较经济效益的不断提升，使生物 质能源由理论的可能性过渡到产业化可行性方 面来。 我国过去曾有薪炭林方面的研究，内容着 重生物量的高产栽培技术和模式，用途也限于 薪柴利用，当属狭义的生物质能源研究。今后 应强化高水平转化利用树种的选择和产量提高 及品质的改良。 6生物质能源树种的遗传改良问题 国内外在该领域的研究还相当有限，所涉 及的树种更少。在生物质能源发展的早期，学 者侗把主要注意力放在相应树种的选择和通过 集约栽培提高单位面积年生物量生产力方面， 但以后的研究发现，在生物质液体和气化燃料 转化利用中，原料的化学和物理学性质有重要 意义，即生物量加工的效率极大地受对原材料 万方数据 世界林业研究 第18卷 的化学和物理学性质的认识和开发水平的影响。 由遗传性决定的原料性质(组成成分)影响着 所有的转换加工工艺和目的产品。生物化学加 工转化主要受原料的化学性质的影响，物理性 质则更多影响着热化学的转化加工，如原材料 的密度、原料中硫和无机固体物含量对生物化 学和热化学转化均有影响。木质密度影响着单 位材积中碳水化合物生产潜能，后者影响到环 境的污染和废弃物产品。高水分含量原料对生 物化学转化加工有益，低水分含量原料对热化 学转化加工更好些。低木素含量，特别是癔创 木基对紫丁香基的比率低的木素，提取物低及 灰分含量低的原料更适合生物化学转化工艺， 对热化学转化则关系不大，原料的能含量与木 素和提取物含量密切相关，这2类含量高的原 料更适合直接燃烧利用。 概括起来，在生物质能源的遗传改良中要 考虑如下几个性状：①树皮和木材的比率；② 纤维素含量；③提取物含量；④木材比重；⑤ 木素含量；⑥热值等。 6．1树皮与木材的比率 树皮和木材比率之所以重要，在于二者的 化学成分含量有很大不同，这可以杨树为例 (表5)。 研究认为，树皮与木材的比率受遗传和造 林措施双重影响，在对110个杨树杂种无性系1 年生萌条的研究中看到，此比率变动在18％一 33％，此比率与树体大小呈指数降低。在20个 柳树无性系的1年生萌条上看到，树皮一木材 比率变动为22．2％～40％，年均为28．3％，树 皮含量在无性系内变异较小。 表5杨树树皮和木材的化学成分 ％ 6．2木材比重 在材积一定的情况下，木材比重与干物质 产量成正比。研究看到，木材比重的遗传力甚 高，在杨树上看到18个3年生杂种杨无性系的 木材比重变动范围为O．272～o．368∥∞3，平均 为0．334∥all3。在另一项对35个2年生杂种杨的 研究中看到，木材比重变动在0．234一O．341∥mf。 在有75个美洲黑杨3年生材料的研究中，木材 比重变动在O．”一o．39g，cm3，平均0．33∥cIn3。 在柳树上也看到，无性系1年生木材比重的位 次连续3年内是稳定的，尽管年龄对木材密度 有很强影响，即树龄、枝龄越高，比重也越大。 研究看到，美洲黑杨75个无性系3年生条 的木材比重广义遗传力为O．62，30个美洲黑杨 半同胞木材比重的狭义遗传力为o．747，因此应 把木材比重作为一个育种目标来考虑。 6．3热值 木质生物量的直接燃烧在目前仍是生物量 利用的主体，所以其热值就成为重要的研究性 能，在控制条件下完全燃烧所产生的热为高热 值，这是文献中常论述的指标，由传统燃烧所 产生的热值属低热值，就目前文献资料看，众 多树种的热值相似。 在10个杂种杨的研究中，气干材热值变动 在18．2—20．7脚詹(即4347—4944kcal／g)。差 别达14％。还看到，以美洲黑杨为亲本时，热 值比以银白杨为亲本时高些，但也有学者在30 个杂种杨和35个柳树无性系的热值研究中未看 到无性系间有很大差别，柳树只有3％的差异。 不过遗传力却高达抒=o．74，在用相同无性系 (杨)所进行的不同种植密度研究中也未看到热 值有大的差异，证明了本性状的遗传稳定性。 杨、柳的种间和种内热值变异很小，所以 直接选择本性状的遗传增益很小。 6．4提取物 提取物虽然在木材和树皮中都属微量成分， 但它们在生物质能量的决定中却起着重要作用。 它们对制浆有不利作用。在所做的75个幼龄杂 种杨无性系的提取物测定中看到，提取物含量 变动在17％～26％，含量之所以如此高可能与 万方数据 第6期 马常耕苏晓华：生物质能源概述 37 幼龄萌芽条的树皮比率相对较高有关。成龄毛 果杨和香脂杨无树皮木材的提取含量研究看到， 毛果杨的含量明显低于香脂杨的含量，心材和 边材皆如此。香脂杨边材中的提取物含量要高 于心材中的，但未看到提取物含量有树高和树 龄上的变化模式。在刺槐上也未看到总提取物 含量有因树高而产生的变化，不过苯一醇提取 物及热水提取物却因树高而不同，前者与树高 变化成反相关，后者则成正相关。 对13个成龄美洲山杨无性系的研究看到， 提取物含量变动在3．4％～4．9％，在各种杨树 中看到此性状的无性系间变异达13％，不过遗 传力却不高。还看到提取物含量与生长快慢成 负相关，所以选择速生基因型会导致提取物含 量的下降。 在柳树上看到，柳树无性系间木材的总提 取物含量差异不显著，平均约10％。但不同提 取物成分却存在差异。树皮的总提取物含量变 动在31％一39％，无性系闻有显著差异。 在杨树杂种中看到，提取物含量与组织类 别和组织年龄相关，树皮达4l％，带皮材为 11％，木材中只5％。含量又与组织年龄成负相 关。’同时还看到提取物含量与立地有互作，劣 质立地(生长慢的)提取物含量比生长快立地 上的要高些。 看来有可能通过选择育种改良提取物含量 水平，不过由于其遗传力低，遗传增益可能不 会很大。 6．s纤维素类 综纤维素是人们希望通过能转换由木材得 到乙醇燃料的关键成分，而a一纤维素对制浆造 纸又最关键。因此相对于木素、提取物和灰分 含量讲，生物质原料中这2种多糖物质对单位 生物质可能产生的乙醇和纸浆至为重要。 有报道说，毛果杨无性系的综纤维索含量 变动在79．3％一85．7％，n一纤维素变动在 39．8％～50．1％。而所研究的16个柳树无性系 的n一纤维素含量变动在36．12％一41．56％。树 皮中的综纤维素含量很低。在杨树萌芽条材生 产中看到，优质产地上生长的杨树含的n一纤维 素要高些，但不同伐轮问含量差异不显著。总 的讲，n一纤维素和综纤维素含量对立地敏感性 不大，也不受造林株行距的影响。在75个3年 生美洲黑杨无性系的研究中，综纤维素含量的 变异值约为a一纤维素的l／2，且广义遗传力也 仅o．08，所以认为，对综纤维含量作育种改良 是无效的；而a一纤维素的遗传力可达0．34，对 它改良还是可能的。2种纤维素含量都与木材比 重成正相关，但表型相关都很低，表明环境对 这2个性状有强烈影响。 结晶纤维对非结晶纤维的比例，对原料是 否适合生物化学转换是纤维素特征中最为重要 的。葡聚糖和木聚糖的量是控制木质生物量酶 水解成乙醇中最关键性的生物质性状，找到有 高纤维素和淀粉含量的物种，对提高由生物质 得到可发酵糖量是重要的，但也看到这些性状 可能与不需要性状间存在相关。对18个亲本不 同的杂种杨无性系的各种木糖含量研究看到， 除半乳糖之外，无性系在其他类的糖含量上均 有明显差异。与a一纤维素含量有很强度相关的 葡萄糖浓度变动在42．3％一51．6％，平均 46．8％，而作为半纤维素含量指标的木糖浓度 变动在16．7％．21．5％，平均19．5％。以欧洲 黑杨作为亲本之一时葡萄糖浓度明显低些，但 也有一组欧美杨的木糖浓度低。尽管也看到无 性系间在阿拉伯糖和甘露糖含量上变幅甚大， 但从育种角度看其值还太小。就现有的文献资 料看，由于综纤维素和a一纤维含量变化值不 大，所以通过育种能获得的遗传增益是小的。 6．6木质素 木索中含高比例的碳元索，且在木质生物 量中其含量又较高，所以它对原料的能含量是 重要的，但由于它包围在纤维素之外，却又影 响生物质的水解效率。故木索的含量对原料的 能转换和化学提取加工物有一定影响。 一般白杨派木素含量低，故纤维素含量要 高于黑杨派。在杨树和柳树的不同无性系中都 看到木素含量上的较大遗传变异，所以在育种 项目中木素是个要考虑的性状。但有学者看到 美洲黑杨、美洲山杨、大齿杨和银白杨的天然 成龄材，以及众多5—6年生杂种杨的木素含量 变幅有限，因而认为遗传增益是有限的。对13 个不同种的柳树无性系所作的研究表明，总木 素含量变动在丝．1％～28．3％，平均25．7％， 万方数据 38 世界林业研究 第18卷 其中酸不溶木素‘(Ⅺa8son)的变幅为19．8— 26．1％，酸溶木素的变幅为2．1％～2．3％。可 见同种不同无性系和不同种柳树的木素含量存 在明显变异。研究所用无性系(基因型)的多 少和它们起源多样性程度均影响到所测成分差 异的程度。所以很难由已发表的论文来肯定木 索性状改良的可行程度，研究还未看到木素含 量与木材比重间有什么相关关系。 6．7其他 对100个杂种杨无性系的1年生萌条灰分 含量的分析看到，木材和树皮混合样中的灰分 含量变动在1．5％～3．3％，存在明显的无性系 I可变异。但由于因立地间养分可得性不同，此 性状可能存在基因型与环境问的互作。也看到 无性系在硫含量上有3倍之多的无性系问变异， 即在O．387—0．969rn∥g。无性系间氮含量差异 也在2倍左右，即5．0一10．89吲g。由于有如 此高的变幅，可以推断能选育出营养高效和低 污染性能的杨树无性系。在若干杂种杨木材液 化时所生成的木油中含有非常高的单酚物质， 在以欧洲黑杨为亲本的一些无性系中单酚物质 含量高达17％，而一般阔叶材中此物质含量低 于5％。此等高单酚物质含量意味着可提取它用 以生产粘合剂、塑料等，使原料产生的经济价 值会更高。 由于杨树木材用于制浆造纸的比较效益可 能比作生物质能源要大，所以把杨树作为能源 树种能否被市场接受应加以考虑。 7我国生物质能源研究的若干考虑 我国地域辽阔，气候多样，植物种类十分 丰富，不同气候区和立地应有各自最适宜的乔 灌草能源物种，不能像欧、美一些高纬度地区 国家受树种局限。在物种选择上要乔、灌、草 并重，因地而异。在能源林经营模式上也要以 面积广的粗放经营和小面积上集约经营并举。 在现阶段大面积粗放经营应占较大比重，采用 什么树种和经营模式要以经济收报为指导原则。 一次种植、多次多年收获的萌芽作业体系 应是能源林的主体方式，萌发力应是树种和基 因型选择的重要依据。要依经营能源林的树种 特性，特别是生物质的化学和物理特性，为其 选配最有效率的能转换方式，所以能源转换方 式研究也应是多样的。 生物质能源树种的遗传改良在我国还是一 个空白，它在整个生物质能源开发中的地位应 加以探讨。当务之急是先为各生态区选定一批 能源树种，然后开展种内相关性状的遗传变异 研究，以了解其改良的潜力和确定改良策略。 除与能量直接有关的性状外，抗逆、广适和强 生长势及高生产力依然是研究改良的重点性状。 这项研究也必须与能转换技术开发者密切协作， 深入认识生物质材料的化学和物理性能与未来 能转化产品的产量和质量以及与最佳转化技术 的关系。同时也要找到快速高效生物质原 料能量的技术，把市场、实用性和比较效益作 为研究的起始点和落脚点。 参考文献 1蒋剑春，等生物质能源研究现状与发展前景．林产化学与 工业．2002，22(2)：75一∞ 2黄宝圣我国生物质能源开发展望．太阳能，2。03，(1)：20 —23 3匡廷云，等．生物质能源技术前瞻．太阳能，2004，(4)：7 —9 4束春财，等．生物质热化学液化技术研究进展．太阳能学 报．2004，25(2)：243—2鹩 5 Xe皿掣W^，瞳缸，Aredew0fbim岫牛laIi可w靶日rcll龙kvaⅡt协 虬m0f础Ⅲldwillw缸∞wⅫ“mBiⅫ口，1990t 2l(3)：1以·188 6 Bl趴keⅡhⅢ札pR，吐d．C—p曲0f丑decled蹦Ⅲd捌c8l c0“时n讪∞hsev盯Rp洳Il啦坚idd叩穗1％铀dalldnb凹甄， 1985，17(2)：148—158 7 Ge归wAB而rn辎血d倒6c吐油田p蜘dMⅡ唔R础r cl∞器．wd丑IldFiksci．2000．32(3)：375、384 万方数据 生物质能源概述 作者： 马常耕， 苏晓华， Ma Changgeng， Su Xiaohua 作者单位： 中国林业科学研究院林业研究所,北京,100091 刊名： 世界林业研究 英文刊名： WORLD FORESTRY RESEARCH 年，卷(期)： 2005,18(6) 被引用次数： 13次 参考文献(7条) 1.匡廷云 生物质能源技术前瞻[期刊论文]-太阳能 2004(04) 2.黄宝圣 我国生物质能源开发展望[期刊论文]-太阳能 2003(01) 3.蒋剑春 生物质能源研究现状与发展前景[期刊论文]-林产化学与工业 2002(02) 4.Geyer W A Biomass and gasification properties of young Populus clones[外文期刊] 2000(03) 5.Blankenhorn P R Comparison of selected fuel and chemical content values for sever Populus hybrid clones 1985(02) 6.Kenney W A A review of biomass quality research relevant to the use of poplar and willow for energy conversion[外文期刊] 1990(03) 7.宋春财 生物质热化学液化技术研究进展[期刊论文]-太阳能学报 2004(02) 引证文献(13条) 1.王凤永 麻栎壮苗培育及1a生播种苗年生长规律试验研究[期刊论文]-科学与财富 2010(1) 2.刘志龙.虞木奎.方升佐.唐罗忠.丁伯让.张春祥.曹一达 江淮丘陵地区麻栎人工林地上部分能量现存量研究[期刊 论文]-南京林业大学学报（自然科学版） 2009(4) 3.李在峰.刘军伟.杨树华.王志伟 生物质沸腾气化燃烧系统的优化设计及试验研究[期刊论文]-河南科学 2009(10) 4.王蒙.李纯厚.戴明 以海洋微藻为原料提取生物燃料的研究进展与发展趋势[期刊论文]-南方水产 2009(2) 5.李宁.俞国胜 灌木收割机理及装备研究[期刊论文]-安徽农业科学 2009(4) 6.刘瑾.邬建国 生物燃料的发展现状与前景[期刊论文]-生态学报 2008(4) 7.刘瑾.邬建国 生物燃料的发展现状与前景[期刊论文]-生态学报 2008(4) 8.郭金瑞.边秀芝.王昱.闫孝贡.任军 吉林省生物质能发展与展望[期刊论文]-吉林农业科学 2008(2) 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