生物质能源概述

第18卷第6期世界林业研究Vol 18 No, 62005年12月World Forestry ResearchDec, 200.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,北京1001)摘要:生物质能源是倍受世界各国重视的可再生能源。文中介紹了生物质能源的优越性、多种转化技术体系、类别及性能。还看重介绍了木本植物营养体中的组成成分,指出藥约经营短轮伐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現状和存在的问题,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文獻标识码:A文章编号:1001-4241(2005)06-0032-07The Review on Issues of Biomass Quality EnergyMa Changgeng Su XiaohuaResearch Institute of Forestry, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, ChinAbstract: Biomass quality energy, a kind of renewable energy, has aroused great attentionworld. The advantage, conversion technical systems, types and properties of this kind energy areduced in this paper, In addition, the vegetative components of wood plants are also presented inils, and the basic status of short rotation, intensive culture in biomass energy development is indicatedas well. Meanwhile, advices for the biomass research in China are proposed according to the current re-search progress and existing problems in the genetic breeding for biomass quality energy in the worldKey words: biomass quality energy, tree improvement1生物质能源的优越性发展的优先领域。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。生物质能源比在包括太阳能、地热、风能、水能(水流、其他几种再生能源有更大的群众参与性、多形潮汐、热对流等)和生物质能的各种可再生能式的可转换性和相对较少的开发投入性,这是源中,相对来讲生物质能源的地区性限制和可在多种形式的再生能源中生物质能源被国家优控制性均比其他种类的再生能源有更多优势。先给予考虑的原因。从全世界范围看,生物质凡是有阳光和水的地方均可通过人工集约培植能源利用在各种形式的可再生能源利用的总份获得生物质,并以多种形式将其转化成清洁、额中所占比重也最大,北欧一些国家已有大范便于贮藏、运输的可再生能源。由于其比较优围把生物能源转化成电力的经验。势较多,生产成本又低,所以近数十年来倍受概括起来,生产生物质能源时要吸收大量世界各国重视。温室气体,有利于改善环境,生物质能源材料我国在2005年2月28日颁布了中国可再生虽因含氧量高,燃烧值低(只相当煤的1/2,燃能源法,其中第4条规定:国家将可再生能源油的1/3),但热解时挥发分高,可大量转化成的开发利用列为能源发展的优先领域。第12条高中国煤化量比煤、燃油低,研究和产业化发展列为科技发展与高技术产业能队克。 CNMHG,故应加强生物质又说:国家将可再生能源开发利用的科学技术属收稿2005-09-15第6期马常耕苏晓华:生物质能源概述2生物质能源的多种转化技术体系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,故产氢菌发概括起来,生物质能源转化技术和产品如酵制氢工艺倍受关注,并获得实用成果。相关图1所示菌种的筛选和遗传改造是生物转化研究的热点之物理转化固体成型燃料在现今化石燃料紧缺和价格居高不下的情然料油况下,生物质的热解气化、液化和发酵制氢等木焦油、木酷液已成为工艺研究的重要领域之一,为生物质能卡热解木煤气源开拓了广阔前景。木炭3生物质能源的类别及性能热化学转化+气化一合成氢气粗略地依能源主体特性把生物质能源原料木煤气分成:氢气(1)草本植物——低密度营养体的利用间接液化甲醇(2)木本植物—木质营养体的利用卡液化乙醇(3)富含油植物—种子或营养体中富含直接液化化工产品油脂物质的利用。燃料油(4)富含糖植物—种子或营养体中富含≯直接燃烧高压蒸汽淀粉、糖类的利用。热气流(5)动物(家畜、家禽)粪便——消化后水解及发酵卡生物转化的残存体,成分因动物而异生物发酵甲烷、氢气这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图1生物质能源转化技术和产品同的相宜性,因而主体转化产品也有不同气化:在高温缺氧下与气化剂反应生成小灰分:由矿物元素组成,但不同植物分子可燃气体的组成元素可有较大不同,如禾本科草类不仅液化:用热化学方式将生物质转化成液体,含灰分比木本植物高,且其中SiO2更多。其中间接转化法是将生物质先热解成气体,然(2)多种挥发物质:各种芳香族挥发油后再液化,或者用水解和生物发酵相绪合的方萜烯类。法,把生物质中的纤维素及半纤维素首先转化(3)木素:主要为碳氢化合物,属聚酚类成单糖或多糖,再经发酵形成酒精,而直接液三维网状高分子聚合物。苯丙烷为其基本结构化法是在高温高压下通过催化剂生成液化油,单元,又分3种基本结构,即愈创木基(针叶以供作汽车燃料。树木素的主要组成)、紫丁香基(阔叶树木素的热解:是在少量给氧或不给氧的热力作用主要组成)和对羟苯基(禾草类)。木素本身属下,使生物质分解转化成气、液和固体三相物难热解物质,热解时得炭率高,它又影响纤维质。其中气、液相物质可制成燃料油,固体则素的水解。为木炭。(4)碳水化合物为基础的纤维素:纤维素固化:在高压下通过生物质中木素的塑化为不溶于水的均一聚糖,其基本结构单元为D粘合把疏松的生物质压成密度极高的成型材料,-吒中国煤化工),由成百成千以便利用、运输、贮藏和高效率的燃烧这种CNMHG为(CH0O3)n,生物发酵:是最古老的,也是最新的一种与木素比,它含较多的氧元素,更适合水解发生物质能转换技术,传统的有发酵制酒和沼气。酵生产酒精,直接燃烧时热值低。世界林业研究第18卷(5)半纤维素:是植物质原料中除木素、合的转化技术方法也不相同。在热解中纤维素纤维素、果胶以外含量较高的一种不均一聚糖,和半纤维素的得炭率低于木素,而溶解焦油得由2种或2种以上的单糖结合而成,以聚戊糖率却高些。为代表。主要结构单元有ⅠD-木糖基、D-甘露糖基、D-葡萄糖基、D-半乳糖基和L-阿4木本植物营养体中的组成成分拉伯糖基等,一般阔叶材和草本植物中的半纤生物质能源以木本植物为主体,所以有必维素高于针叶材,针叶材叶的木素含量又高于要了解木材的主要组分:前者,故针、阔叶材的能转化产品不同,最适尢机物(灰分)少量组分十一有机物可挥发物(芳香族、萜烯、脂肪族化合物)木材果胶、淀粉等产碳水化合物化一广纤维素(主体成分)主要组分半纤维素(中到少量)碳氡化合物—木素(少到中等)图2木材的主要组分表13类主要生物质原料的组成特点成分针叶材阏叶材草木植物纤维素半纤维素其中葡萄糖一甘露糖木糖木素灰分1.0以下1.0左右1.010以上通常,树木干材的纤维素多于树枝和树皮。糖及各种提取物又低于树枝和树皮,所以树皮相反,灰分木素、聚戊糖、聚甘露糖、聚半乳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)%组分N灰分纤维素0.00半纤维素0.00木素0.00表3不同树种木素热分解的产物梦(干重得蜜产物名称中国煤化工杨木ICNMHG反应水15.75第6期马常耕苏晓华:生物质能源概述续表3产物名称松木云杉扬木酸类甲醇丙酮0.27气体7.06木焦油13.8损失4.131.48表4纤维素和木聚糖(半纤维素]热解的产物比较(干重得率产物纤维素邻乙酰基木聚糖木炭10.010.0反应水14.0乙醛1.52,41,0呋喃0.7甲醇糖醛4.58.0焦油及损失49,0由于纤维素和半纤维素均属高聚糖,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方面均已取得巨大成就,但本文将不对此加以展生物质能源的基础引述。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,使生物生物质能源材料虽多种多样,但主要仍为2质能源由理论的可能性过渡到产业化可行性方大类,即工农业生产的废弃物和有目的人工培面来。植的能源林。后者虽然比前者成本高,但由于我国过去曾有薪炭林方面的研究,内容着生物质生产过程会吸收大量工农业生产所排放重生物量的高产栽培技术和模式,用途也限于的CO2,又有水土保持、污染土壤生物修复及薪柴利用,当属狭义的生物质能源研究。今后景观维护等效应,所以环境-生态效益大于其应强化高水平转化利用树种的选择和产量提高他形式的可再生能源。它集环境、资源和经济及品质的改良效益于一体。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6生物质能源树种的遗传改良问题营成本的为宜。国内外在该领域的研究还相当有限,所涉人工专门培植生物质能源的最基本目标是及的树种更少。在生物质能源发展的早期,学单位面积和单位时间有最高生物量的产出,即者们把主要注意力放在相应树种的选择和通过低成本生物质能源原料的获得,故在相当长集约耒中国煤化工量生产力方面段时期,研究者都把寻找更适合做能源经营的但以CNMH〔夜体和气化燃料树种和如何提高其生物质产量作为研究的重点。转化利用中,原料的化学和物理学性质有重要而利用研究则集中在转化技术和工艺方面。这2意义,即生物量加工的效率极大地受对原材料世界林业研究第18卷的化学和物理学性质的认识和开发水平的影响概括起来,在生物质能源的遗传改良中要由遗传性决定的原料性质(组成成分)影响着考虑如下几个性状:①树皮和木材的比率;②所有的转换加工工艺和目的产品。生物化学加纤维素含量;③提取物含量;④木材比重;⑤工转化主要受原料的化学性质的影响,物理性木素含量;⑥热值等。质则更多影响着热化学的转化加工,如原材料61树皮与木材的比率的密度、原料中硫和无机固体物含量对生物化树皮和木材比率之所以重要,在于二者的学和热化学转化均有影响。木质密度影响着单化学成分含量有很大不同,这可以杨树为例位材积中碳水化合物生产潜能,后者影响到环(表5)。境的污染和废弃物产品。高水分含量原料对生研究认为,树皮与木材的比率受遗传和造物化学转化加工有益,低水分含量原料对热化林措施双重影响,在对110个杨树杂种无性系1学转化加工更好些。低木素含量,特别是癒创年生萌条的研究中看到,此比率变动在18%木基对紫丁香基的比率低的木素,提取物低及3%,此比率与树体大小呈指数降低。在20个灰分含量低的原料更适合生物化学转化工艺,柳树无性系的1年生萌条上看到,树皮-木材对热化学转化则关系不大,原料的能含量与木比率变动为22%~40%,年均为283%,树素和提取物含量密切相关,这2类含量高的原皮含量在无性系内变异较小料更适合直接燃烧利用。表5杨树树皮和木材的化学成分材料综纤维素木素提取物树皮木材62木材比重值,这是文献中常论述的指标,由传统燃烧所在材积一定的情况下,木材比重与干物质产生的热值属低热值,就目前文献资料看,众产量成正比。研究看到,木材比重的遗传力甚多树种的热值相似。高,在杨树上看到18个3年生杂种杨无性系的在10个杂种杨的研究中,气干材热值变动木材比重变动范围为0272~0.368gcm3,平均在182~20.7K/g(即4347~494 kcal/ g)。差为0.34gm3。在另一项对35个2年生杂种杨的别达14%。还看到,以美洲黑杨为亲本时,热研究中看到,木材比重变动在0234-034gm3。值比以银白杨为亲本时高些,但也有学者在30在有75个美洲黑杨3年生材料的研究中,木材个杂种杨和35个柳树无性系的热值研究中未看比重变动在07-0.39g/m3,平均0.33gcm3。到无性系间有很大差别,柳树只有3%的差异在柳树上也看到,无性系1年生木材比重的位不过遗传力却高达H=0.74,在用相同无性系次连续3年内是稳定的,尽管年龄对木材密度(杨)所进行的不同种植密度研究中也未看到热有很强影响,即树龄、枝龄越高,比重也越大。值有大的差异,证明了本性状的遗传稳定性研究看到,美洲黑杨75个无性系3年生条杨、柳的种间和种内热值变异很小,所以的木材比重广义遗传力为0.62,30个美洲黑杨直接选择本性状的遗传增益很小。半同胞木材比重的狭义遗传力为0.747,因此应64提取物把木材比重作为一个育种目标来考虑。取物早嬷在太材和杜皮中都属微量成分6.3热值中国煤化工中却起着重要作用木质生物量的直接燃烧在目前仍是生物量CNMHG所做的75个幼龄杂利用的主体,所以其热值就成为重要的研究性种杨无性系的提取物测定中看到,提取物含量能,在控制条件下完全燃烧所产生的热为高热变动在17%~26%,含量之所以如此高可能与第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。成龄毛不大,也不受造林株行距的影响。在75个3年果杨和香脂杨无树皮木材的提取含量研究看到,生美洲黑杨无性系的研究中,综纤维素含量的毛果杨的含量明显低于香脂杨的含量,心材和变异值约为a-纤维素的1/2,且广义遗传力也边材皆如此。香脂杨边材中的提取物含量要高仅0.08,所以认为,对综纤维含量作育种改良于心材中的,但未看到提取物含量有树高和树是无效的;而a-纤维素的遗传力可达034,对龄上的变化模式。在刺槐上也未看到总提取物它改良还是可能的。2种纤维素含量都与木材比含量有因树高而产生的变化,不过苯-醇提取重成正相关,但表型相关都很低,表明环境对物及热水提取物却因树高而不同,前者与树高这2个性状有强烈影响变化成反相关,后者则成正相关。结晶纤维对非结晶纤维的比例,对原料是对13个成龄美洲山杨无性系的研究看到,否适合生物化学转换是纤维素特征中最为重要提取物含量变动在34%~49%,在各种杨树的。葡聚糖和木聚糖的量是控制木质生物量酶中看到此性状的无性系间变异达13%,不过遗水解成乙醇中最关键性的生物质性状,找到有传力却不高。还看到提取物含量与生长快慢成高纤维素和淀粉含量的物种,对提高由生物质负相关,所以选择速生基因型会导致提取物含得到可发酵糖量是重要的,但也看到这些性状量的下降。可能与不需要性状间存在相关。对18个亲本不在柳树上看到,柳树无性系间木材的总提同的杂种杨无性系的各种木糖含量研究看到取物含量差异不显著,平均约10%。但不同提除半乳糖之外,无性系在其他类的糖含量上均取物成分却存在差异。树皮的总提取物含量变有明显差异。与a-纤维素含量有很强度相关的动在31%-39%,无性系间有显著差异。葡萄糖浓度变动在42.3%~51.6%,平均在杨树杂种中看到,提取物含量与组织类46.8%,而作为半纤维素含量指标的木糖浓度别和组织年龄相关,树皮达4%,带皮材为变动在167%~21.5%,平均19.5%。以欧洲l%,木材中只5%。含量又与组织年龄成负相黑杨作为亲本之一时葡萄糖浓度明显低些,但关。同时还看到提取物含量与立地有互作,劣也有一组欧美杨的木糖浓度低。尽管也看到无质立地(生长慢的)提取物含量比生长快立地性系间在阿拉伯糖和甘露糖含量上变幅甚大上的要高些。但从育种角度看其值还太小。就现有的文献资看来有可能通过选择育种改良提取物含量料看,由于综纤维素和a-纤维含量变化值不水平,不过由于其遗传力低,遗传增益可能不大,所以通过育种能获得的遗传增益是小的会很大。6.6木质素65纤维素类木素中含高比例的碳元素,且在木质生物综纤维素是人们希望通过能转换由木材得量中其含量又较高,所以它对原料的能含量是到乙醇燃料的关键成分,而a-纤维素对制浆造重要的,但由于它包围在纤维素之外,却又影纸又最关键。因此相对于木素、提取物和灰分响生物质的水解效率。故木素的含量对原料的含量讲,生物质原料中这2种多糖物质对单位能转换和化学提取加工物有一定影响生物质可能产生的乙醇和纸浆至为重要。一般白杨派木素含量低,故纤维素含量要有报道说,毛果杨无性系的综纤维素含量高于黑杨派。在杨树和柳树的不同无性系中都变动在793%~857%,a-纤维素变动在看到木素含量上的较大遗传变异,所以在育种398%~50.1%。而所研究的16个柳树无性系项目中木素是个要考虑的性状。但有学者看到的a-纤维素含量变动在36.12%~41.56%。树美洲美洲山杨、大齿杨和银白杨的天然皮中的综纤维素含量很低。在杨树萌芽条材生成龄中国煤化工种杨的木素含量产中看到,优质产地上生长的杨树含的a-纤维变幅CNMHG是有限的。对13素要高些,但不同伐轮间含量差异不显著。总个不同种的柳树无性系所作的研究表明,总木的讲,a-纤维素和综纤维素含量对立地敏感性素含量变动在22.1%~28,3%,平均25.7%,38世界林业研究第18卷其中酸不溶木素(Kaon)的变幅为198-在现阶段大面积粗放经营应占较大比重,采用26.1%,酸溶木素的变幅为21%~23%。可什么树种和经营模式要以经济收报为指导原则。见同种不同无性系和不同种柳树的木素含量存次种植、多次多年收获的萌芽作业体系在明显变异。研究所用无性系(基因型)的多应是能源林的主体方式,萌发力应是树种和基少和它们起源多样性程度均影响到所测成分差因型选择的重要依据。要依经营能源林的树种异的程度。所以很难由已发表的论文来肯定木特性,特别是生物质的化学和物理特性,为其素性状改良的可行程度,研究还未看到木素含选配最有效率的能转换方式,所以能源转换方量与木材比重间有什么相关关系。式研究也应是多样的。67其他生物质能源树种的遗传改良在我国还是一对100个杂种杨无性系的1年生萌条灰分个空白,它在整个生物质能源开发中的地位应含量的分析看到,木材和树皮混合样中的灰分加以探讨。当务之急是先为各生态区选定一批含量变动在1.5%~3.3%,存在明显的无性系能源树种,然后开展种内相关性状的遗传变异间变异。但由于因立地间养分可得性不同,此研究,以了解其改良的潜力和确定改良策略性状可能存在基因型与环境间的互作。也看到除与能量直接有关的性状外,抗逆、广适和强无性系在硫含量上有3倍之多的无性系间变异,生长势及高生产力依然是研究改良的重点性状。即在0.3837~0.969mg。无性系间氮含量差异这项研究也必须与能转换技术开发者密切协作也在2倍左右,即5.0~10.89mgg。由于有如深入认识生物质材料的化学和物理性能与未来此高的变幅,可以推断能选育出营养高效和低能转化产品的产量和质量以及与最佳转化技术污染性能的杨树无性系。在若干杂种杨木材液的关系。同时也要找到快速高效评价生物质原化时所生成的木油中含有非常高的单酚物质,料能量的技术,把市场、实用性和比较效益作在以欧洲黑杨为亲本的一些无性系中单酚物质为研究的起始点和落脚点。含量高达17%,而一般阔叶材中此物质含量低参考文献于5%。此等高单酚物质含量意味着可提取它用蒋剑春,等,生物质能源研究现状与发展前景,林产化学与以生产粘合剂、塑料等,使原料产生的经济价工业,2002,2(2):75~80值会更高。2黄宝圣我国生物质能源开发展望.太阳能,209,(1):20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3匡廷云,等,生物质能源技术前瞻.太阳能,2004,(4):7树种能否被市场接受应加以考虑。4宋春财,等,生物质热化学液化技术研究进展,太阳能学7我国生物质能源研究的若干考虑报,2004,25(2):243-2485 Kenmey W A, et al. A review of biomass quality research relevant to我国地域辽阔,气候多样,植物种类十分the use of poplar and willow far energy conversion. BiomasS, 1990,丰富,不同气候区和立地应有各自最适宜的乔21(3):163+1886 Blankenhorn P R, et al. comparison of selected fuel and chemical灌草能源物种,不能像欧、美一些高纬度地区content values for sever Populus hybrid clones. Wood and Fibe国家受树种局限。在物种选择上要乔、灌、草1985,17(2):148~1并重,因地而异。在能源林经营模式上也要以yer W A Biomass and gasification properties of young Populus面积广的粗放经营和小面积上集约经营并举。clones.Wood and Fiber Sci, 2000, 32(3): 375-384中国煤化工CNMHG