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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、类别及性能。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:S 72714 文献标识码:A 文章编号:1001-4241(2005)06-0032-07
The Review on Issues of Biomass Quality Energy
Ma Changgeng Su Xiaohua
(Research Institute o f Fores try,Chinese Academy o f Fores try,Beijing 100091,China)
Abstract :Biomass quality energy,a kind of renew able energy,has aroused great attention in the w orld.The advanta ge,conversion technical systems,types and properties of this kind energy are intro 2duced in this paper.In addition,the vegetative components of wood plants are also presented in de 2tails,and the basic status of short rota tion,intensive culture in biomass energy development is indicated as w ell.M eanw hile,advices for the biomass research in China are proposed according to the current re 2search progress and existing proble ms in the genetic breeding for biomass quality energy in the w orld 1Key words :biomass quality energy,tree improvement
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条规定：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
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，北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1P 2，燃油的1P 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。
y收稿日期:2005-09-15
第18卷 第6期世 界 林 业 研 究V ol 118 No 16 2005年12月
Wo rld Forestry Research Dec ,2005
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。
图1 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，故产氢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SiO 2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，即愈创木基(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 -吡喃式葡萄糖基(脱水葡萄糖)，由成百成千这种葡萄糖基聚合而成。分子式为(C 6H 10O 5)n ，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。
(5)半纤维素：是植物质原料中除木素、
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第6期马常耕 苏晓华：生物质能源概述
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，以聚戊糖为代表。主要结构单元有LD-木糖基、D-甘露糖基、D-葡萄糖基、D-半乳糖基和L-阿拉伯糖基等，一般阔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
:
表1 3类主要生物质原料的组成特点
%
成分针叶材阔叶材草木植物
纤维素454542半纤维素25
34
40
其中:
葡萄糖-甘露糖1650木糖92533木素292117灰分
110以下
110左右
11010以上
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)
%
组分C H O N S 灰分纤维素40182713151142014201000100半纤维素40113618552149015301000100木素
56189
5175
3417
2166
0100
0100
表3 不同树种木素热分解的产物比较(干重得率)
%
产物名称松木云杉杨木木炭501644516644130反应水
15175
29115
30150
34
世 界 林 业 研 究第18卷
续表3
产物名称松木云杉杨木
酸类112911281128
甲醇019001830187
丙酮012901180127
气体1410081047105
木焦油131001318314125
损失411311031148
表4纤维素和木聚糖(半纤维素)热解的产物比较(干重得率)%产物纤维素木聚糖邻乙酰基木聚糖木炭51010101010
反应水11107101410
乙醛115214110
呋喃017痕量212
甲醇111113110
糖醛113415212
CO
2
生物质能源610810810焦油及损失661064104910
*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CO2，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-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，学者们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
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第6期马常耕苏晓华：生物质能源概述
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;º纤维素含量;»提取物含量;¼木材比重;½木素含量;¾热值等。
611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个杨树无性系1年生萌条的研究中看到，此比率变动在18%~ 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-木材比率变动为2212%~40%，年均为2813%，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%材料综纤维素木素提取物
树皮431641
木材84106
612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年生杨无性系的木材比重变动范围为01272~01368g P c m3，平均为01334g P c m3。在另一项对35个2年生杨的研究中看到，木材比重变动在01234~01341g P c m3。在有75个美洲黑杨3年生材料的研究中，木材比重变动在0127~0139g P cm3，平均0133g P cm3。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0162,30个美洲黑杨半同胞木材比重的狭义遗传力为01747，因此应把木材比重作为一个育种目标来考虑。
613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个杨的研究中，气干材热值变动在1812~2017KJ P g(即4347~4944kcal P 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H2=0174，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。
614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
36世界林业研究第18卷
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