植物生物质能化学转化技术研究进展

植物生物质能化学转化技术研究进展董稼的，吕麟华，廖天录，赵强（甘肃工业职业技术学院化学与环境工程系，甘肃天水741025）摘要：常规能源的有限性和日益严重的环境污染，寻找清洁的可再生能源已成为人类关注的焦点。

植物生物质能由于其数量巨大，对环境影响小，并且有可再生性，成为目前主要选择之一。

植物生物质能化学转化技术由于能得到更有价值的气体、液体产物，提供高效清洁的能源，因而作为一项资源高效利用的新工艺日益受到重视。

介绍了植物生物质能燃烧、液化、热解、气化等利用技术的研究进展情况。

关键词：植物生物质能；化学转化；进展中图分类号：TK6文献标识码：A文章顺序编号：1672-5190（2010）02-0155-04Research Progress in Chemical Transformation Technology of Plant Biomass EnergyDONG Jia-de,L üLin-hua,LIAO Tian-lu ,ZHAO Qiang（Department of Chemistry and Environmental Engineering,Gansu Industry Polytechnic College,Tianshui 741025,China ）Abstract ：With the limitation in conventional energy and the increasingly serious environmental pollution,it necessary to find some moreclean regeneration energy.Because of the large quantity,low effect to environment and the reproducible ability,plant biomass chemical technology became one of the main selected energy,therefore it can be paid attention for its high valued liquid and gas products that can be used for effective clean energy.In the article,the chemical technology progress of plant biomass energy combustion and four ways of these technologies are introduce,including combustion,pyrolysis,liquefaction and gasification.Key words ：plant biomass;chemical conventional technology;progress 生物质是指有机物中除化石燃料外的所有来源于动、植物能再生的物质。

各种生物质都具有一定的能量，以生物质为载体，由生物质产生的能量，便是生物质能。

生物质是人类一直赖以生存的重要能源，是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费第4位的能源。

据测算，我国理论生物质能资源50亿t 左右［1］。

近年来，随着世界经济发展和能源消耗的增长，燃烧化石能源造成的温室效应、酸雨、臭氧层破坏等环境污染日益严重，加之化石能源的不可再生性，必然导致世界各国对包括生物质能在内的可再生能源进行研究和开发。

由绿色植物将太阳能直接或间接通过光合作用转化为化学能后固定和贮藏在植物体内的能量称为植物生物质能。

我国拥有丰富的植物生物质能资源，仅农作物秸秆、蔗渣、芦苇和竹子等植物生物质总量已超过10亿t ［1］。

通过植物生物质能转化技术可以高效地利用植物生物质能源，生产各种清洁燃料，替代煤炭、石油和天然气等燃料生产电力，从而减少对矿物质能源的依赖，保护国家能源资源，减轻能源消费给环境造成的污染。

1植物生物质能开发的重要意义在整个能源系统中占有重要地位的植物生物质能，一直是人类赖以生存的重要能源之一，在世界能源消耗中，植物生物质能占总能耗的14％，但在发展中国家占到40％以上。

广义的植物生物质能包括一切以植物为载体的能量，具有可再生性。

据估计，全球每年水、陆植物生物质产量的热当量为2×1012J 左右，是全球目前总能耗量的10倍；据有关专家预测，植物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植物生物质替代燃料，主要用于生活、供热和发电等方面［2］。

我国植物生物质能资源相当丰富，仅各类农业废弃物（如秸秆等）的资源量每年即有3.08亿t 标煤，薪柴资源量为1.3亿t 标煤，加上粪便、城市垃圾等，资源总量估计可达6.5亿t 标煤以上，约相当于2005年全国能源消费总量的一半。

进入21世纪，人类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植物生物质能在内的可再生能源资源，对于建立持续发展的能源系统，促进社会经济的发展和生态环境的改善具有重大意义［3-4］。

2植物生物质能化学转化技术目前，植物生物质能转化技术可分为：生化转化技术、植物油技术和化学转化技术。

通过植物生物质能化学转化技术，可以高效地利用植物生物质能源，生产各种清洁燃料，替代煤炭、石油和天然气等燃料生产电力，从而减少对矿物质能源的依赖，保护国家能源资源，减轻能源消费给环境造成的污染。

化学转化技术是当今世界各国普遍致力于研究开发的植物生物质能转化技术，其分类及应用见图1所示。

2.1植物生物质能燃烧技术植物生物质能燃烧一般分为传统式的直接燃烧，研究开发工作着重于改进灶具，提高直接燃烧的热效率。

另一种是干馏技术，它是植物生物质直接燃烧的深层次利用技术。

植物生物质直接燃烧反应是一个复杂的物理、化学过程，是发生在碳化表面和氧化剂（氧气）之间的气固两相反应［5］。

但是这样的直接燃烧很不充分，热量利用率很低，仅为5%~10%。

而且单就木材而言，树种不同，其燃烧热也不相同；树种相同，其不同部位的燃烧热也不相同。

Blankenhorn 等人对木质生物质燃烧研究得出结论：树皮（20.69kJ/g ）的燃烧热高于木材（18.71kJ/g ）本身，速生阔叶材（19.69kJ/g ）收稿日期：2010－02－14基金项目：甘肃省应用技术研究与开发专项基金（QS031-C31-11）；甘肃工业职业技术学院校列科研基金资助项目（GGYK-1015）。

作者简介：董稼的（1983—），男，助教，主要研究方向为生物质能源化学转化技术与超精细有机化工合成。

Animal Husbandry and Feed Science 畜牧与饲料科学2010，31（2）:155-158的燃烧热低于速生针叶材（20.11kJ/g），不同树种的燃烧热也有一定的差异［6］。

然而随着节能灶具的逐渐推广和使用，其热量利用率可提高至25%左右。

表1为我国传统灶与节能灶耗柴量比较［7-8］。

2.2植物生物质能液化技术将植物生物质在溶剂介质中发生热化学反应形成液体产物为主的过程，称为植物生物质能液化。

它包括直接液化和间接液化两类［9］。

直接液化是把植物生物质放在高压设备中，添加适宜的催化剂，在一定的工艺条件下，反应物的停留时间长达十几分钟，然后制成液化油，作为汽车用燃料或进一步分离加工成化工产品。

间接液化是把植物生物质气化后再进一步合成为液体产品，或采用水解法把植物生物质中的纤维素、半纤维素转化为多糖，然后再通过微生物作用生成酒精。

图2为植物生物质发酵流程图［10］。

2.3植物生物质能热解技术所谓热解就是利用热能打断大分子量的有机物碳氢化合物的分子键，使之转变为含碳原子数目较少的低分子量物质的过程。

植物生物质能热解技术是将植物生物质在隔绝或少量供给氧气的条件下，加热分解产生液体（生物油）、气体（可燃气）、固体（焦炭）3种产物的热降解过程［11］，植物生物质能热解过程特征［12］见表2。

典型的植物生物质能热解系统每处理1000kg植物生物质，一般生产200~250m3可燃气、250~600kg炭粉和200~300kg生物油。

植物生物质能热解技术常用装置类型有：流化床、固定床、夹带流、多炉装置、旋转炉、旋转反应器、分批处理装置等。

其中流化床装置因能很好地满足快速植物生物质能化学转化技术燃烧技术液化技术热解技术气化技术干馏技术直接燃烧制乙醇制甲醇制生物柴油生物油可燃气焦炭合成气体炭能量生物质碳焦油燃气化工材料、替代汽油替代柴油、汽油替代柴油发电、燃烧工业、电力、冶金氢气、CO甲烷（沼气）碳氢化合物甲醇化学药品、化工材料发电、燃烧燃料、发电、化工替代汽油、燃料、医疗溶剂燃烧、发电化工、医疗、电力图1植物生物质能化学转化技术分类及应用表1传统灶与节能灶耗柴量比较原料小麦秆芦苇叶玉米秆水重（kg）101010开水时间（s）1020840860耗柴量（kg）1.991.952.15热效率（%）14.514.013.0开水时间（s）720690630耗柴量（kg）1.000.851.10热效率（%）28.333.325.8传统灶节能灶表2植物生物质热解过程特征热解模型碳化传统热解快速（液体）快速（气体）真空热解水热解甲醇解停留时间h/d5~30min<1s<1s2~30s<10s0.5~1.5s热解率很低低高高中等高高反应环境燃烧产物初级与次级产物初级产物初级产物真空H2与初级产物CH4与初级产物压力（Pa）0.010.010.010.01<0.001-0.2-0.03最大温度（K）400600<600>700400<5001050主要产物固体气、液+固体液体气体液体液体苯、甲苯、CH4植物生物质澄清冷却粗馏精馏发酵水解中和离心分离杂醇油、酒精、甲醇图2植物生物质发酵流程图畜牧与饲料科学第31卷156热解对温度和升温速率的要求而被广泛采用［13］。

另外，植物生物质能热解的产物还有生物油，其具有易储存、易运输、能替代化石燃料、提供某些有价值的化工原料等诸多优点。

但是生物油组分的复杂性使其在利用方面具有一定的难度，因此需要做大量的工作对生物油进行研究和分析，并寻求更广泛的应用［14］。

2.4植物生物质能气化技术植物生物质能气化是在高温条件下与气化剂（空气、氧气和水蒸气）反应得到小分子可燃气体的过程。

该过程的实质是植物生物质中的C、H、O 等元素的原子，在反应条件下按照化学键的成键原理，变成CO、CH4、H2等可燃性气体的分子（化学反应式［10-12］见表3）。