2.2　生物能源含有量

以生物质为原料制造能源和燃料时，生物能源含有量是重要影响因素。生物能源含有量的指标常用发热量来表示，发热量是生物质完全燃烧产生的热量，也称为燃烧热。发热量取决于生物质中含有成分的组成比、构成元素的种类及比例（特别是碳元素的含量）。一般地，有机物含油率、含碳率越高，发热量也越高。而无机成分与能量值无关。另外，用含有水分的生物质能源时，不仅要考虑发热量，还必须考虑有效发热量。

由碳、氢、氧元素组成的纤维素、半纤维素和木质素等有机物为主要组成成分的生物质，在完全燃烧后主要生产二氧化碳和水。这些生成的水（水蒸气）中含有大量的潜热，在水分凝结时，这些潜热会释放出来。一般把包含潜热在内的发热量称为高位发热量（higher heating value，HHV，也称为总发热量），而不包括潜热在内的发热量称为低位发热量（lower heating value，LHV，也称为真发热量）。

发热量Q₀是单位物质量在标准状态下完全燃烧时生成的热量。而实际的生物质是以含有较多水分和灰分的状态存在的，在用这些生物质为原料生产能量时，其中含有的水分和灰分是必须考虑的。如果以生物质存在状态的物质是否自燃为指标，仅考察上述的低位发热量是不够的，还必须考虑加热周围空气以维持火焰温度所需要的能量以及灰分所吸收的热能。有效发热量可通过下式求得：

有效发热量Q=Q₀（1-w）-1000w-排烟吸热-灰分吸热

式中，w为含水率。

2.2.1　各种生物质的发热量

在利用生物能源时，生物质的发热量是重要的评价指标。根据生物质概念，生物质是由纤维素、木质素和蛋白质等主要成分，和其他无机物、微量成分构成的。发热量随着这些成分的种类和组成比例的不同而不同。表2-4中列出了代表性生物质的含水率、有机物含量、灰分含量和高位发热量。一般地，含水量通过在1atm（1atm=1.01325×10⁵Pa）下100～105℃放置时的质量减少量求得。生物质含水率的变化幅度很大，低至2％～3％（木炭和纸），高至98％（浓缩污泥），树木（采伐加工后的木料）的含水率在50％～70％。当希望通过物质燃烧获得能量（热）时，有效发热量为正值是燃烧成立的最低条件。一般对生物质而言，含水率超过2/3时有效发热量为负值，因此，即使生物质自身含有较高的发热量，自然存在状态下的高含水率造成的低有效热值也会使其不适于燃烧（例如剩余污泥在干燥状态下发热量较高，但收获时的含水率为90％左右，是不适合燃烧的）。所以在选择能量转化工艺时，含水率是十分重要的考查因素。

总有机物含量（表2-4中的有机物含量）是100减去灰分含量（灰分比率）的值，灰分含量是通过将生物质加热灰化后残余的残渣求得的。灰化过程中灰分（金属）与氧结合，形成的全是氧化物，因此与生物质中存在的初始形态是不可能一致的。灰分的能量价值为0，所以灰分含量高的生物质不适于作能源生产原料。

至于生物质中所含的有机物，其构成元素种类和组成比是重要因素。一般来说，生物质的有机物含量与发热量的关系是：有机物含量越高（碳元素含量越高），生物质的发热量就越高。表2-5列出了代表性的生物质和其他有机燃料的元素分析结果。生物质与煤、石油相比氧元素含量较高，而碳、氢元素含量分别为45％～50％和5％～6％，其有机物中的碳、氢元素变化幅度很小是因为生物质的主要构成成分为纤维素和木质素等有限的几种物质。表2-6列出了构成生物质主要成分的碳元素含量及其高位发热量，纤维素、半纤维素是糖（己糖和戊糖等单糖）的高聚物，其碳元素含量、发热量大致与多糖类相同。

2.2.2　根据计算公式得到的推算方法

根据元素分析数据，可以尝试通过计算方法来推算发热量。表2-5列出的各种生物质的发热量可通过下面公式计算求得：

高位发热量［以干物质计/（MJ/kg）］=0.4571×碳干燥基准的质量分数-2.70

表2-7是根据上式计算得到的部分生物质的发热量与实测值的比较，除了生物固体（污泥固化物）以外，均表现出较好的一致性。

以煤炭为例，根据Dulong公式可以求得其高位发热量：

高位发热量（MJ/kg）=33.8C+144.2（H-O/7.94）+9.414S

式中，C、H、O、S为碳、氢、氧、硫4种元素含量分析数据。

根据该方法推算得到的煤炭发热量值，其误差在2％～3％。而对于生物质，除了和煤炭的元素组成比差异较大的大型海带外，大多数生物质都可以用上述公式求得发热量。