1.2　生物质的特点

1.2.1　生物质资源特点

作为一种可再生的能源资源，生物质可以在较短的时间周期内重新生成，与化石资源相比，具有以下特点：

（1）时空无限性　生物质的产生不受地域的限制，在符合光照条件下，也不受时间的限制。生物质时空无限性是化石能源无可比拟的，也正是这种无限性诱导人类将目光瞄准了生物质能。地球生命活动为人类提供了巨大的生物质资源，这是生物质特性的直接反映。初步估计，每年地球上由植物光合作用固定的碳约2×10¹¹t，含有的能量约为3×10²¹J，相当于人类每年消耗能量的10倍。

（2）可再生性与减少二氧化碳排放的特性　在太阳能转化为生物质能过程中，CO₂和H₂O是光合作用的反应物，在生物质能消耗利用时，CO₂和H₂O又是过程的最终产物。生物质的可再生性表明，利用生物质能可实现温室气体CO₂零排放，而化石燃料在使用过程中会排放CO₂，导致地球温室效应。在实际利用生物质的过程中也需要投入能量，但会减少CO₂排放。

（3）洁净性　生物质资源是一类清洁的低碳燃料，由于其含硫量和含氮量都较低，同时灰分含量也很低，因此燃烧后SO₂、NO_x和灰尘排放量均比化石燃料少得多，是一种清洁的燃料。以秸秆为例，1×10⁴t秸秆与能量相当的煤炭比较，其使用过程中，CO₂排放量减少1.4×10⁴t，SO₂排放量减少40t，烟尘减少100t。

（4）低能源品位性　生物质的化学结构更多地属于碳水化合物，即化合物中的氧元素含量较高，可燃性元素C、H所占比例远低于化石能源，能源密度偏低。此外，以生物体形式体现的生物质含水量高达90％，因此生物质在利用前需要经过预处理及提高能源品位等过程，从而增加了生物质能利用的实际成本。

（5）分散性　除规模化种植的作物及大型工厂、农场的废弃生物质原料外，生物质的分布极为分散。生物质的分散处理与利用既不利于生物质转化成本的降低，也难使生物质能源成为能源资源系统的主流能源。生物质的集中处理必然加大运输成本比例，这是目前生物质能在能源系统中所占比例不高的重要原因。

1.2.2　生物质资源多样性

地球上从森林到海洋存在着数量巨大、种类繁多的生物质，而且在光合作用下新的生物质也在不断生成。据统计，陆地地面以上总的生物质含量约为1800亿吨，海洋中约有40亿吨，土壤中存在的生物质量基本与陆地地面上的相当。

为了便于分析生物质资源的可获得性，根据来源与转化技术的不同，将生物质资源分为农业生物质、林业生物质、工业废弃物、固体废弃物等几类：

农业生物质包括农业废弃物、畜禽粪便、能源作物。农业废弃物来源广泛，包括农作物收获后的副产品，如稻草、麦秸、果树剪枝、玉米秸秆和玉米芯等；畜禽废物包括可生产沼气的畜禽粪便以及可热化学转化的家禽垫草等；能源作物包括欧盟等正在研究生产木质纤维素的多年生草本植物（如柳枝稷、芦苇等）和薪炭林，生产生物柴油的油料作物（如油菜籽和葵花籽），以及生产燃料乙醇的糖类和淀粉类作物等。

林业生物质主要包括木材燃料、砍伐修剪和清理过程中生产的林业废弃物等。

工业废弃物主要来源于木材加工业和食品加工业，包括锯末、果壳、果核、甘蔗渣等；造纸黑液来源于制浆过程中的蒸煮工序，可通过锅炉燃烧以获取热量，并回收有用的化学品。

固体废弃物也是有用的生物质资源，可分为非木材和城市固体废弃物等几类。

从不同角度对生物质进行分类，如图1-1～图1-4所示。

1.2.3　生物质资源的重要特性及其分布状况

木材、秸秆、竹材、淀粉、纤维素、木质素、蛋白质、甲壳素、植物油等生物质资源是由植物光合作用、动物和微生物对自然资源的友好耗用形成的，不消耗石油、煤和天然气等石化资源，对环境的副作用小，通过植物的生长还能消耗大量的二氧化碳、矿石燃料及其他材料加工的副产物，实现环境净化。而且，这些生物质资源具有丰富、可再生等特点，废弃后容易被自然界微生物降解为水、二氧化碳和其他小分子，这些小分子产物又进入自然界循环，符合环境友好材料的要求。因此，生物质资源是未来可替代石油、煤和天然气等化石资源，并支撑人类可持续发展的一种重要材料资源。由于石油、煤炭、天然气等储量有限的化石资源的不断消耗，其供需矛盾也日趋紧张，以及全球环境保护法规的压力日益增强，为生物质及材料的发展和利用提供了一个良好的机遇。

从生物学的角度来看，木质纤维生物质的构成是木质素、纤维素、半纤维素；而从物理和化学角度看，生物质由可燃物质、无机物和水分组成，主要含有C、H、O和极少量的N、S等元素，并含有灰分和水分，这些元素构成的生物质资源被喻为即时利用的绿色煤炭。

（1）生物质资源重要特性　生物质资源能不断再生：是由植物吸收空气中的CO₂进行光合作用而产生的，生物质资源是地球上最普遍的一种可再生资源，遍布于世界陆地和水域的千万种植物之中，犹如一个巨大的太阳能加工厂，不断把太阳能转化为化学能，并以有机物的形式储存于植物内部，从而构成一种储量极其丰富的可再生能源——生物质能源，远比石油丰富，据统计，每年全世界农村生物质的产量为300亿吨。

生物质资源生态环保：生物质挥发分高，碳活性高，硫、氮含量低（S 0.1％～1.5％，N 0.5％～3.0％），灰分低（0.1％～3.0％），在生长过程中，通过光合作用吸收CO₂，将其作为资源利用过程中，排放的CO₂又有效通过光合作用被生物质吸收，使整个资源利用系统的CO₂净排放为零，从而减少CO₂释放对环境的危害。以生物质资源替代化石燃料，一方面减少了化石燃料的供应量；另一方面减少了CO₂、SO₂、NO_x等污染物排放，改善环境质量。据统计，每利用10万吨秸秆替代煤炭，将减少二氧化碳排放1.4万吨、二氧化硫排放40t、烟尘排放100t。若将秸秆气化技术与秸秆还田、饲料运用等技术结合在一起，不仅可以有效减少秸秆大量焚烧现象的发生，解决农村洁净能源供应的问题，保护农村生态环境，还可以缓解“三农”问题带来的压力，促进农民就业，增加农民收入。

（2）生物质资源分布状况　生物质资源分布广泛：地球上从森林到海洋存在着数量巨大、种类繁多的生物质资源，初步统计陆地地面以上总的生物质量约为1800亿吨，海洋中约40亿吨，土壤中存在的生物质量基本与陆地地面以上的相当。

我国生物质能资源的分布和利用前景具有明显的地域特点。其开发利用应充分结合当地自然和社会经济特点及需求，取得综合效益，促进可持续发展：东北、华北、西北地区生物质资源丰富，林业加工砍伐废弃物以及边际土地的木质林大量剩余，适合栽种不同的能源作物，以满足不同生物质资源需求；广阔的东部地区农业生产和畜牧养殖比较发达，城市化进程高，大量潜在的农作物秸秆、畜禽粪便、有机垃圾均可作为生物质资源开发利用；地处西南的广大山区，适合种植油料作物和薯类作物，以发展生物燃油和燃料乙醇的生产。

1.2.4　生物质资源保障性来源

中国是一个农业大国，农村人口占全国总人口80％左右，不论是山区、高原还是平原和丘陵都有已开垦的耕地，可获得大量的生物质资源，主要包含农作物秸秆、林业剩余物、畜禽粪便、城市和工业有机垃圾等废弃物资源，还可以利用边际土地发展能源作物/植物（表1-1）。

中国可收集的生物质资源主要来源于三方面：一是农业废弃物及农林产品加工业废弃物，其中包括农林业及其工业废弃物（如薪柴、农作物秸秆及木屑、木片等），以及农产品工业排放的高浓度有机废水；二是人畜粪便；三是城镇生活垃圾。中国是一个农业大国，农村人口占全国总人口的80％左右，不论是山区、高原还是平原和丘陵都有已开垦的耕地，故可获得大量的农作物秸秆资源。近年来统计，我国仅农作物秸秆资源量就达7亿多吨（其中薪柴消耗量为2.13亿吨），人畜粪便资源年产干物质总量约为1.36亿吨（其中集约化养殖产生的人畜粪便量约为0.37亿吨），全国工业废水排放总量约为222亿吨（未含乡镇企业），废水中含有有机物为500余万吨，并且随着城市规模的扩大和小城镇建设加快，城镇生活垃圾正以每年8％～10％的速度递增，另外动物废弃物资源量也非常丰富，其中主要是猪皮、废弃羊毛等。

1.2.5　生物质资源开发利用因地制宜

尽管20世纪70年代初就已经开始生物质产业运用，中国的生物质能资源开发仍处于初级阶段，其发展速度并不像人们想象得那么快，需要进一步在各级层面的详细资源评价、适用技术选择、各类项目示范、相关能力建设等方面展开深入细致的研究。

生物质产业本身复杂性：生物质产业是一个前所未有的庞大系统工程，该产业涉及农林作物、能源植物种植、生物质收集、运输、预处理、工业加工转化、生物精炼等部分，几乎涉及所有部门、领域，非某一个部门、领域可以独揽，需要各部门、各个领域的广泛密切合作。

生物质产业资源多样性、发展地域性、利用途径阶段性：根据本地实际情况，选择优势生物质资源作物种类，可持续性地供应原料是生物质产业基础；选用符合实际的工业转化技术是促进生物质产业健康发展的手段；发展生物质产业应当站在世界的高度，按照系统论原则，通过分工合作，加强相关技术的攻关是抢占未来生物质产业国际市场的根本保障。

生物质产业技术研究多学科性：每个部门或研究人员需要立足特定的系统，根据自身优势就特定系统的关键环节进行研究，脱离系统将事倍功半（比如秸秆纤维素乙醇系统，包括秸秆生产、收集、预加工、预处理、纤维素水解、乙醇发酵、乙醇分离、非纤维成分利用、废物处理等环节），对于每个科研人员甚至研究部门来说，整个系统中的问题难以做到最好，由优势科研单位针对特定系统，发挥各自优势，取得关键技术突破，由企业进行技术集成、中试直到生产，才能取得理想效果。