第二章 生物质资源分类及主要应用

第一节 生物质资源分类

目前，很多国家都在积极研究和开发利用生物质能。生物质能蕴藏在植物、动物和微生物等可以生长的有机物中，它是由太阳能转化而来的。有机物中除矿物燃料以外的所有来源于动植物的能源物质均属于生物质能，通常包括木材、森林废弃物、农业废弃物、水生植物、油料植物、城市和工业有机废弃物、动物粪便等。地球上的生物质能资源较为丰富，而且是一种无害的能源。地球每年经光合作用产生的物质有1.73×1011t，其中蕴涵的能量相当于全世界能源消耗总量的10～20倍，但目前的利用率不到3%。

生物质能的相关研究已成为能源、环保等领域的一个热点问题。然而，学术界、产业界对于生物质的分类问题还未形成统一的分类方法。

一、根据来源分类

一般都是依据来源的不同，将适合于能源利用的生物质分为林业资源、农业资源、生活污水和工业有机废水、固体废物以及畜禽粪便5大类。

（一）林业资源

林业生物质资源是指森林生长和林业生产过程提供的生物质能源，包括薪炭林、在森林抚育和间伐作业中的零散木材、残留的树枝、树叶和木屑等；木材采运和加工过程中的枝丫、锯末、木屑、梢头、板皮和截头等；林业副产品的废弃物，如果壳和果核等。其中，作为生物质资源利用的有3类。

（1）木质燃料

木质燃料主要是薪炭林、木竹生产的剩余物，灌木林平茬和森林抚育间伐产生的枝条、小径材，经济林和城市绿化修剪枝杈等。在“三北”地区，主要以沙棘、柠条、黄柳、山杏、山桃、柽柳等树种为主；华北和中原地区，主要以柽柳、沙棘、刺槐等树种为主；南方地区，主要以刺槐、栎类、铁刀木、桉树、杨树等树种为主；东南沿海热带亚热带地区，主要以黎蒴栲、大叶栎、相思、木麻黄、桉树等树种为主。

（2）木本油料资源

油料植物中，种子含油量40%以上的植物有150多种，能够规模化培育的乔灌木树种有30多种。我国主要有油棕、无患子、小桐子、光皮树、文冠果、黄连木等树种的基地，适当考虑的树种有山桐子、山苍子、盐肤木、欧李、乌桕、东京野茉莉、银合欢等，其中油棕、无患子等9个树种相对成片分布面积超过1×106hm2，年果实产量1×106t以上，全部加工利用可获得4×106t生物燃油。

（3）木本淀粉类资源

我国规模化种植的木本淀粉类植物主要以栎类、粉葛、芭蕉芋、杨树、柳树及灌木类为主。淀粉植物具有生产液体燃料的广阔前景。

（二）农业资源

农业生物质能资源是指农业作物（包括能源作物）、农业生产过程中的废弃物和能源植物。农业作物（包括能源作物）、农业生产过程中的废弃物如农作物收获时残留在农田内的农作物秸秆（玉米秸、高粱秸、麦秸、稻草、豆秸和棉秆等）；农业加工业的废弃物，如农业生产过程中剩余的稻壳等。

1．农作物秸秆

农作物秸秆是农业生产的副产品，也是我国农村的传统燃料。秸秆资源与农业主要是种植业生产关系十分密切。目前全国农村作为能源的秸秆消费量约2.8×108t，但大多处于低效利用方式，即直接在柴灶上燃烧，其转换效率仅为10%～20%左右。随着农村经济的发展、农民收入的增加，地区差异正在逐步扩大，农村生活用能中商品能源的比例正以较快的速度增加。事实上，农民收入的增加与商品能源获得的难易程度都能成为他们转向使用商品能源的契机与动力。在较为接近商品能源产区的农村地区或富裕的农村地区，商品能源（如煤、液化石油气等）已成为其主要的炊事用能。以传统方式利用的秸秆首先成为被替代的对象，致使被弃于地头田间直接燃烧的秸秆量逐年增大，许多地区废弃秸秆量已占总秸秆量的60%以上，既危害环境，又浪费资源。因此，加快秸秆的优质化转换利用势在必行。

2．能源植物

能源植物（energy plant）又称为石油植物或生物燃料油植物，通常是指具有合成较高还原性烃的能力、可产生接近石油成分和可替代石油使用的产品的植物，以及富含油脂的植物。到目前为止，能源植物有草本、乔木、灌木类，主要集中在夹竹桃科、大戟科、萝科、菊科、桃金娘科以及豆科。全世界已发现40多种能源植物，有续随子、绿玉树、橡胶树、西蒙德木、甜菜、甘蔗、木薯、苦配巴树、油棕、小桐子树、黄连木、象草等。根据所含主要成分的不同，可将能源植物分成：①富含碳水化合物的能源植物，利用这类植物所得到的最终产品是乙醇。植物种类较多，分布广泛。如菊芋、木薯、马铃薯、甜菜、高粱、玉米、甘蔗、芒草等，都是生产乙醇的好原料。②富含类似石油成分的能源植物。石油的主要成分是烃类，如烷烃、环烷烃等，富含烃类的植物是植物能源的最佳来源，生产成本低，利用率高。如油楠、续随子、绿玉树、银合欢、苦配巴树等。苦配巴树又称为香胶树，其树汁无须任何加工，即可当柴油用，简单加工就成了汽油，单株年产树汁达20～30kg，是目前已知的“石油”产量最高、质量最好的能源植物。③富含油脂的能源植物，它们既是人类食物的重要组成部分，又是工业用途非常广泛的原料。我国境内含油量较高的树种很多，如小桐子、黄连木、光皮树、油桐、乌桕、翅果油树、石栗等。

Lemus和Lai定义生物能源作物（bio-energy crop）为专门生产生物能源的任何植物材料，在此基础上，强调生物质高产能力、高能含量和适应于边际土地（marginal soil）等特征。能源植物和能源作物的区别在于后者是经一定人工驯化而广泛应用于农业生产，前者则包括还没有应用于栽培生产的能源植物种类。当前国外频繁使用dedicated energy crop（专用能源作物）一词，其定义是专用于生产碳源或能源的作物，用以加工形成食品和饲料以外的所有生物基产品，即除包括能源用途外，还生产化学材料（chemical）和天然纤维（natural fiber）等其他用途。综上所述，将专门用于加工形成食品和饲料以外以能源为主的生物基产品的植物叫作能源植物，其中规模化人工栽培生产的植物称作能源作物。

能源植物可以以植物系统分类，如表2-1所示。

按照化学组成进行此分类。能源植物的转化利用与其化学成分组成是密切相关的，其某一组分将是转化利用的主要原料成分，或者说其主要组分体现着该植物的主要特征，依此将能源植物分为糖料植物（sugar plant）、淀粉植物（starch plant）、油料植物（oil plant）、含油微藻植物（oil microalgae）和木质纤维素植物（lignocellulosic plant）等5类。

（1）糖料、淀粉和油料植物

糖料植物富含可溶性糖，用于生产燃料乙醇。可溶性糖转化为乙醇的化学过程最简单，生产成本最低，主要作物有甘蔗、甜高粱和甜菜等。巴西主要利用甘蔗生产燃料乙醇，是世界上乙醇产量和消费量最大的国家之一。

淀粉植物富含淀粉，也主要用于生产燃料乙醇。以淀粉原料生产乙醇已有很长的历史，主要包括小麦、大麦、玉米、籽粒高粱等禾谷类作物和甘薯、木薯、马铃薯等薯类作物。由于我国粮食安全的重要性。此类作物中，木薯被认为是当前较适宜华南边际地生产乙醇原料的非粮作物。

油料植物富含油脂，提取油脂后通过酯化过程形成脂肪酸甲酯类物质，即生物柴油。油菜、向日葵、蓖麻和大豆是最主要的一年生产油作物，已经在商业化生产水平上实现了以生产生物柴油为目的的大田种植。全世界主要有11种木本食用植物油，年产量为6×107t，其中棕榈油、椰子油、油橄榄和茶油4大木本油料植物产油量占30%左右，适合在山地和丘陵地区生长，可在荒山、荒地栽培，一年栽种多年收获。目前美国主要以大豆为原料，欧洲主要以油菜籽为原料，巴西主要以蓖麻籽和油棕榈为原料生产生物柴油，德国主要以小桐子为原料生产生物柴油。

（2）含油微藻植物

含油微藻植物指含有极其丰富的烃类或酯类的微藻类植物，是制备液体燃料的良好原料。国外在研究含油微藻及其应用方面已有多年的历史。培养微藻主要利用废水和矿质养分较高的水资源，其光能利用率达到5%，且生产力很高，干物重可达到50t/hm2。将微生物和微藻混合培养，可生产高纯度的乙醇、甲醇、丁烷等能源化合物。微藻热解制备的生物质燃油热值高，是木材或农作物秸秆的1.4～2倍。微藻的干细胞中含油70%以上，是合成生物柴油的最佳原料。含油微藻还可在废弃地及其他没有农业利用价值的土地上，利用废水甚至高含盐的水大规模培养，因而有很好的应用前景。

（3）木质纤维素植物

木质纤维素植物富含纤维素、半纤维素和木质素。木质纤维素是植物体的主要构成物质，同时也是用于制造建筑材料、纸张、纺织品和其他很多聚合体衍生物的主要可再生资源。它也是地球上在一定面积内最具有转化成交通能源来替代石油这样潜力的、最大且可获得的资源。木质纤维素转化应用范围相当广泛，可炭化生产固体颗粒燃料或获得热能、电能、沼气、生物质燃气和生物油等，纤维素乙醇的生产工艺日益成熟，也是其他用途（如生物炼制）的主要原料。由于其生物产量很高，是自然界中最丰富的生物质资源，因此被称作生物质作物。这类作物多数属多年生，生产成本低，抗逆性强，生态适应范围广，有利于保持水土、增加土壤有机质含量，是更适宜于边际土地发展的能源植物类型。

（4）短期轮伐木本作物

林木生长的长周期决定了林业生产的长周期，按照常规，一株树木从种植、幼年、中年到老年，要经过十几年、几十年到上百年。这种生产模式已经不能适应日益发展的社会需要。短周期速生林首先还是在美国兴起的。1964年美国的Young首先提出短轮伐期和全树利用的概念，1966年美国的Mealpine提出了短轮伐期的可能性。短期轮伐木本作物（short-rotation woody crops，SRWC）是快速生长以专门应用于能源原料的木本生物质作物，其适宜的特征为快速的幼年生长、广泛的地区适应性和较高的抗病虫害能力，一般2～10年轮伐1次。从1970年开始，欧美国家先后对杨树、柳树、桉树、银槭、枫树、悬铃木和刺槐等20多个树种进行短期轮伐期栽培技术的研究。我国短期轮伐期速生林大都选用速生阔叶树优良无性系，其中以黑杨类最多，其次是白杨类、柳类、桉树、桦树、银合欢、桤木、悬柃木、泡桐、楝树，针叶树中选择辐射松、火炬松、马尾松等。短期轮伐速生林的收获不仅能满足木材的需求（生产纸浆、纤维板等），而且可以满足人们对于能源的需求（可直接进行燃烧），深加工还可以得到煤气、焦油、炭等。同时，这还有利于对森林资源的保护。

（5）草本植物

与木本植物相比，草本植物环境适应性强、分布广泛、生长迅速、生活周期短，更有利于大面积种植，实现产业化。我们通常把作为能源来利用的草本植物称为“能源草”。能源草一般分为两类：第1类草能生产优质纤维素，干草的产量高，适用于能源、造纸、纺织和建筑业；第2类草含有类似“石油”的成分，可以用来提取石油。

富含纤维的草本植物通过生物和化学处理后，可以得到乙醇和沼气等高燃烧值的能源，还可用作造纸原料，美国于1984年开始筛选与传统农业生产相适应的草本木质纤维素类能源植物。以生物量最大化和应用生物技术选育优良品种为研究目标，研究得到了生产纤维素类物质潜力大的草本植物34种。芒属植物是禾本科多年生C4草本植物，具有高效光合固碳效率、生长快、适应性强、病虫害抗性强、产量高等特性，因而被视为优良的草本能源植物。从亚热带到温带的广阔地区都能生长，且收获时植株体内水分只有20%～30%，干物质产量可达30～40t/hm2，可直接燃烧产生热量，也可以作为生物乙醇原料，每公顷产能相当于36桶石油。从1986年开始，欧美国家开始研究芒属植物的能源利用，到目前为止，在国外已培育出几个生物量高的芒属植物新品系，并作为优良的能源植物大面积推广利用。芒属全世界大约有10种，主要分布在东南亚，我国有6种。芒属植物主要分布在长江以南的广大地区，在华南的山地、丘陵和荒坡原野常形成优势群落。另外富含纤维的草本植物资源还包括：豆科的草木樨全草纤维素含量42.23%，白花车轴草纤维素含量17.93%；禾本科的小糖草茎纤维素含量36.64%，野古草全草纤维素含量26.66%（以下全为全草纤维素含量），羊草为35.46%，拂子茅为48%，小叶章为40%，披碱草为30%，垂披碱草为37.92%，硬质早熟禾为30.24%，星星草为38.9%，纤毛鹅观草为28.7%，大油芒为31.93%；莎草科的乌拉草为50%，水葱为35%；灯心草为49.03%。

某些野草也含有类似“石油”的成分，美国加利福尼亚州境内生长着一种野草，当地人称为“黄鼠草”或“鼠忧草”，每公顷的黄鼠草可提炼1t石油，经杂交人工种植，产量可高达6t/hm2。美国已经从2006年开始大面积种植这种油料植物。在澳大利亚北部也发现了两种可以提取石油的多年生野草——桉叶藤和牛角瓜，这些野草生长速度极快，每周可以长30cm，每年可以收割几次。科学家用溶解法从这两种野草的茎叶中提炼出一种白色汁液，可以制取石油。

（三）畜禽粪便

畜禽粪便是畜禽排泄物的总称，它是其他形态生物质（主要是粮食、农作物秸秆和牧草等）的转化形式，包括畜禽排出的粪便、尿及其与垫草的混合物。禽畜粪便也是一种重要的生物质能源。除在牧区有少量的直接燃烧外，禽畜粪便主要是作为沼气的发酵原料。

（四）生活污水和工业有机污水

生活污水主要由城镇居民生活、商业和服务业的各种排水组成，如冷却水、洗浴排水、盥洗排水、洗衣排水、厨房排水、粪便污水等。工业有机污水主要是酒精、酿酒、制糖、食品、制药、造纸及屠宰等行业生产过程中排出的废水，其中都富含有机物。

（五）固体废物

固体废物是指在生产、生活和其他活动中产生的、丧失原有利用价值或者虽未丧失利用价值但是被抛弃或者放弃的、污染环境的固体或半固体废弃物质，我们通常称之为“垃圾”。2010年，据中国城市环境卫生协会统计，我国每年产生近1×109t垃圾，其中生活垃圾产生量约4×108t，建设垃圾5×108t左右，此外，还有餐厨垃圾0.1×108t左右，中国的垃圾总量在世界上是数一数二的。随着我国城镇化进程的加快以及人民生活水平的提高，城镇生活垃圾还在以每年5%～8%左右的速度递增。城镇生活垃圾主要是由居民生活垃圾、商业/服务业垃圾和少量建筑垃圾等废弃物所构成的混合物，成分比较复杂，其构成主要受居民生活水平、能源消费结构、城市建设、绿化面积以及季节变化的影响。中国大城市的垃圾构成已呈现向现代化城市过渡的趋势，有以下特点：一是垃圾中有机物含量接近1/3甚至更高；二是食品类废弃物是有机物的主要组成部分；三是易降解有机物含量高。目前中国城镇垃圾热值在4.18MJ/kg（1000千卡/kg）左右。

二、根据其成分分类

根据成分的不同，将适合于能源利用的生物质分为纤维素资源、糟粕类资源、生物制品废水资源、畜禽粪便资源和大型真菌资源等5大类。

（一）纤维素资源

纤维素物质是植物体的主要生物质成分，是植物体的重要组成结构，是植物光合作用的主要产物，是一种高分子结构的多糖类物质，是地球上分布最为广泛且分布量最大的能源物质之一，也是几乎所有动物维持生命活动所必需的能源物质之一。它包括作物秸秆、林业资源和有机固体垃圾。

（二）糟粕类资源

糟粕类资源是指食品与酿造业生产时的废渣，主要成分是蛋白质、纤维素、淀粉、果胶质等。马铃薯渣、醋糟、酒糟、酱油糟、果渣、黄酒渣、啤酒渣等。通过加工处理，让糟粕再次进入生产循环途径，实现最大限度的资源优化利用。

（三）生物制品废水资源　

随着现代化技术的进步，大型工厂污水的排放量增大，给水体造成很大的危害，特别是生物制品生产的废水。如制糖厂、淀粉厂，污水中含有大量的有机物和无机元素，其会造成水体营养化，影响水体中生物的生长。将污水中的有机物分解或提取作为再生产的原料，使水资源重新得到利用。

（四）家畜粪便资源

随着科学的发展和生活水平的提高，我国规模养殖得到发展。家畜粪便的利用与处理成为一个循环利用的重要问题。众所周知，粪便既是农业资源，又是环境污染体和疾病传染源，对粪便进行减量化、无害化和资源化处置具有重要的现实意义。家畜排泄物在历史上一直作为重要的肥料来源，是优良的有机肥。现在由于利用与处理力度不够，成为一类污染物。所以粪便资源再利用、变废为宝、生态优化具有重要的意义。

（五）大型真菌资源

大型真菌包括食用菌和药用菌。由于大型真菌的发展，充实了人们的菜篮子，使原来的山珍变成寻常百姓餐桌上的普通菜肴。大型真菌生产过程产生的大量废料的再利用，在生物质资源循环利用中具有重要意义。