第一篇第三十九章生物能
生物能简介
生物质是讨论能源时常用的一个术语，是指由光合作用而产生的各种有机体。光合作用即利
用空气中的二氧化碳和土壤中的水，将吸收的太阳能转换为碳水化合物和氧气的过程。光合
作用是生命活动中的关键过程。
生物能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式，一种以生物质为载体的能量
。它直接或间接地来源于植物的光合作用。生物质所含能量的多少与下列因素有密切的关
系：品种、生长周期、繁殖与种植方法、收获方法
、抗病抗灾性能、日照的时间与强度、环境的温度与湿度、雨量、土壤条件等。在太阳能直
接转换的各种过程中，光合作用是效率最低的，光合作用的转化率约为05％～5％。据估
计。
温带地区植物光合作用的转化率按全年平均计算约为太阳全部辐射能的05％～25％，整
生物圈的平均转化率可达3％～5％。生物能潜力很大，世界上约有250 000种生物，在提供
理想的环境与条件的情况下，光合作用的最高效率可达8%～15%，一般情况下平均效率为0
5%左右。据估计，地球上每年植物光合作用固定的碳达2×1011吨，含能量达3×1021焦
，因此每年通过光合
作用贮存在植物的枝、茎、叶中的太阳能，相当于全世界每年耗能量的10倍。生物质遍布世
界各地，其蕴藏量极大，仅地球上的植物，每年生产量就相当于目前人类消耗矿物能的20倍
，或相当于世界现有人口食物能量的160倍。虽然不同国家单位面积生物质的产量差异很大
，但地球上每个国家都有某种形式的生物质，生物能是热能的来源，为人类提供了基本燃
料。
生物能具备下列优点：
(1)提供低硫燃料；
(2)提供廉价能源；
(3)将有机物转化成燃料可减少环境公害(例如，垃圾燃料)；
(4)与其他非传统性能源相比较，技术上的难题较少。
其缺点有：
(1)植物仅能将极少量的太阳能转化成有机物；
(2)单位土地面积的有机物能量偏低；
(3)缺乏适合栽种植物的土地；
(4)有机物的水分偏多(50%～95%)。
由于生物质的存在很分散，能量密度又比较低，而且不是湿的就是潮的，如果当作商业
能利用，要收集起大量的生物质，其费用是十分高的。因此，目前生物能的商业应用大多
是利用那些因其他原因已被收集起来的现成材料，例如，木材加工和食品加工的废弃物及城
的有机废物。目前生物质能的开发应用主要在三个方面：一是在一些农村建立以沼气为中心
的能量——物质循环系统，使秸秆中的生物能以沼气的形式缓慢地释放出来，解决燃料问题
二是建立以植物为能源的发电厂，变“能源植物”为“能源作物”，如“石油树”，绿玉树
，续随子。三是种植甘蔗、木薯、海草、玉米、甜菜、甜高粱等，既有利于食品工业的发展
，植物残渣又可以制造酒精以代替石油。
有机物的来源
1牲畜粪便
牲畜的粪便，经干燥可直接燃烧供应热能。若将粪便经过厌氧处理，会产生甲烷和可作肥料
使用之淤渣。若用小型厌氧消化槽，仅需三至四头牲畜的粪便即能满足发展中国家中小家庭
每天能量的需要。
2农作物残渣
农作物残渣存留于耕地上也有水土保持与土壤肥力固化的功能，因此，农作物残渣不可毫无
限制地用于能源转换。
3薪柴
至今仍为许多发展中国家的重要能源。不过由于日益增加薪柴的需求，将导致林地日减，需
适当规划与植林方可解决这一问题。
4制糖作物
制糖作物可直接发酵变成乙醇，成为可利用的能源。
5城市垃圾
一般城市垃圾主要成分为纸屑（占40％）、纺织废料（占20%）和废弃食物（占20%）。将城
市垃圾直接燃烧可产生热能，或是经过热解体处理而制成燃料使用。
6城市污水
一般城市污水含有002%～003%固体与99%以上的水分。下水道污泥有望成为厌氧消化槽
的主要原料。
7水生植物
把水生植物转化成燃料也为增加能源供应方法之一。
8种植能源作物增加生物能
目前具有发展潜力的能源作物，包括：快速成长作物树木、糖与淀粉作物（供制造乙醇）、
含有碳氧化的合作物、草本作物、水生植物。
能量转化过程
一、生化转化过程
1厌氧消化
厌氧消化为依靠不需氧微生物将固体有机物转化成甲烷、二氧化碳、氢及
其他产物，整个转化过程可分成三个步骤。
首先将不可溶复合有机物转化成可溶化合物；
其次可溶化合物再转化成短链酸与乙醇；
最后，二步骤的产物再经各种厌氧菌（不需氧微生物）转化成气体，一般最后的产物含有50
%～80%的甲烷，最典型产物含65%的甲烷与35%的二氧化碳。
其主要优点为可利用水分含量达90%的有机物，可小规模利用，淤渣能充当农作物的肥料。
主要缺点为大量废水需适当处理，气体产品储藏费用高。
2乙醇发酵
糖类作物发酵可制成乙醇。一般所谓的乙醇整批制程，先将发酵物（糖类作物）稀释至糖分
约为20%（重量），且酸化至PH值4～5，再加入酵母菌，再将液体施以分馏和精炼。一般2
5加伦糖或585公斤糖可制造１加伦的乙醇（379升），因此在整个发酵过程中几无能量
损失。
若使用淀粉作物（例如，玉米、大麦）做发酵物，必须先将淀粉转化成可发酵糖分，然后再
进行发酵。可供发酵制造乙醇的作物，包括甘蔗、番薯，甜菜等。
二、热化学转化过程
1热解
热解也称为干馏，指在缺氧条件下的加热作用。将有机物热
解会产生气体、液体与固体产物，大多数热解气体的主要成分为H2、CO2、CO、CH4与
少量碳氢化合物（例如，乙烷）；热解液体一般含有乙醇、醋酸、水或焦油等；至于热解固
体残余物含有炭(例如，木炭)与灰分等。
热解过程包括下列处理程序：原料粗碎，烘干粗碎原料，去除杂质，原料细碎，热解，冷却
物，储存与分配产物。热解加热过程中，固态有机物一般于300℃以上开始进行热解，某些
催化剂可降低热解反应的起始温度。此类热解反应非常复杂并且产物成分
常随热解原料与反应状态有很大变化，通常低温与缓慢加热可产生大量固体产物，而快速加
热与高温将产生较多气体产物，操作温度也会影响气体产物的品质。假若引入空气以维持燃
烧，气体产物物含有大量的氮，此氮成分将会形成氧化物，因而降低气体燃料的热含量。
薪材热解作用一般在大气压和200℃～600℃温度之间进行，在此状况下典型的产物包括：
木炭30%～35%，有机液体18%～20%，气体20%（产品重量相对于干燥原料的重量）。如果将
薪材加热至1 100℃，热解作用依然存在。在此况下，大部分液体与固体分解物将进一步分
解，故有较多气体产物产生。
2气化
有机物的气化是热化学反应将固体燃料转化成可燃气体。完全燃烧必须发生在有
充分氧气的状况下，而有机物氧化作用则必须在氧气不足的状况下进行。
3液体燃料制造
直接液化指使用CO或H2作为还原剂，于高温高压下将有机物直接氧化，且均产生油状液体
产物，其可再分馏而充当燃料使用。