主题：【原创】生物质 序 -- 橡树村

挑选需要利用的生物质，就需要评价生物质里面所含有的能量。这个概念呢，叫做生物能含有量。生物能含有量的表示方法，是发热量，也就是生物质完全燃烧所能产生的热量，也就是燃烧热。不同的生物质燃烧的时候放出的热是有差别的，一般来讲含油越高，含碳越高，发热量也就越高。无机成分由于在燃烧的时候基本上没多大作用，所以基本上与这个数值没关系。

发热量传统上就有两个概念，一个叫高位发热量，一个叫低位发热量。产生这个原因，在于生物质燃烧之后，产物里面有水，这个水的状态不同，发热量就有区别。水（水蒸气）本身就含有大量的潜热，包括这部分潜热的燃烧热，是高位发热量，也叫总发热量。而不包括这部分潜热的发热量，就是低位发热量，也叫真发热量。没看明白？

换个说法。高位发热量测量的时候，物质的起终状态都是25度。这样呢，燃烧以后得到的水，就完全冷凝了下来，测量得到的燃烧能量里面，也就包括水冷凝所释放的能量。而测量低位发热量的时候，终止状态是在150摄氏度，这样水仍然是水蒸气的形式，水本身仍然含有很多的热量。

按照这个说法，高位发热量基本上都比低位发热量的数值大。比如无烟煤，高位发热量是34.1MJ/kg，而低位发热量就是33.3MJ/kg。不过具体的能源材料不同，高位发热量和低位发热量之间的比例也不同，比例从一到一点几不等。

高位发热量与低位发热量这两个概念各有各的用处，取决于具体的能源利用方法，所以同时使用。看资料的时候，要注意得到的发热量究竟是哪一个。

高位发热量和低位发热量并不能准确的描述生物质的能源价值。更加有用的概念，是有效发热量。生物质里面含有水和无机物，在真正燃烧的时候，这些成分都会带走一些热量，燃烧的时候加热周围的空气，维持火焰温度，排烟，灰分都会导致能量的损失。考虑了这些因素之后，得到的才是有效发热量。一般来讲，水含量越高有效发热量越低。这个有效发热量和具体的燃烧条件也是有关的，特别是燃烧温度对这个数值是有影响的。使用的时候要注意。

罗嗦半天，来讲生物质的发热量。能查到的生物质的发热量，一半上都会注明是干燥生物质为计算基准的。实际上，生物质里面含水很多。如果含水超过三分之二，那么基本上生物质的有效发热量就会是负的，完全没有利用价值。

这里列一下有代表性的生物质的发热量，列的都是干物质的高位发热量，单位是MJ/kg。

废弃物：

家畜粪便 13.4

活性污泥 18.3

锯屑 20.5

草本：

木薯 17.5

蓝草 18.7

高粱 17.6

柳枝稷 18.0

水生：

大型海带 10.3

水葫芦 16.0

木本：

赤杨 20.1

桉树 18.7

美国杉树 21.0

梧桐 19.4

副产物

纸 17.6

松树皮 20.1

稻草 15.2

比较一下其他燃料：

无烟煤 34.1

柴油 45.9

汽油 46.7

甲烷 55.5

氢气 141.9

要利用生物质作为能源呢，生物质的化学成分就是比较重要的信息。不同的生物质优不同的化学成分，其可以被利用的价值，被利用的方法，也就有所区别。不过呢，对化学不感兴趣的，或者有机化学没有学过，或者已经忘光了的，这部分就跳过吧，讲的全是不好明白的名词。

总的来说，生物质的化学组成，包括纤维素，半纤维素，木质素，淀粉，蛋白质，各种各样的烃等等。树木类的生物质，含有的主要成分就是纤维素，半纤维素和木质素，草本的主要成分也是这三种，不过比例就千差万别了。谷类主要含的是淀粉，人吃粮食主要吸收的就是这个淀粉。污泥和粪便呢，里面既有很多蛋白质，脂什么的了。看看，不同的生物质组成成分差别是很大的。从能源角度来看，最有前景的就是含有纤维素和半纤维素的生物质。一般的来讲，陆生植物主要成分是纤维素，半纤维素，而水生植物的蛋白比例就比较高。

纤维素是由D-葡萄糖通过beta-葡萄糖苷键连接得到的多糖，分子量可以几千几万，看一个分子里面有多少个葡萄糖单元了。纤维素水解以后就可以得到葡萄糖，还有一些二糖，三糖的东西。纤维素本身耐酸耐碱，不溶于水。

半纤维素是由木糖，阿拉伯糖，甘露糖，半乳糖，葡萄糖等组合形成的。这个结构就比纤维素复杂一些了，会有很多支链什么的，分子一般也没有纤维素这么大，分子量也就是几千。半纤维素的稳定性也要比纤维素差一些，比较容易分解，并且很多还能溶解在碱里面。

木质素的基本结构单元是苯丙烷，整体结构是三维的，非常复杂，现在人们还没搞很清楚。木质素主要存在在木头里面，另外在甘蔗渣，玉米芯，花生壳，米糠等等里面也有。木质素的结构很稳定，所以很难被分解，微生物分解都很难，所以是植物保护自己的好材料，利用的时候就让人头疼了。由于不好处理，纤维素和木质素家在一起被称为粗纤维。

淀粉的结构单元也是葡萄糖，结合方式与纤维素不同就是了。结构不同，就导致了性质不同，有的淀粉是可以溶解在水里面的，有的需要溶解在热水里面，有的就不能溶解。能溶解的是直链淀粉，分子量大约在几万，不能溶解的是支链淀粉，是淀粉的主要形式，分子量业十几万，不过比直链淀粉大一些。淀粉主要存在于种子，块茎等等地方，粮食基本上淀粉含量都高，什么，米，麦子，玉米，大豆，山芋等等，都是淀粉的主要来源。半纤维素和淀粉一般被称为碳水化合物。

生物质里面的蛋白质种类也很多，不过所占的比例很少。蛋白质是生物质里面氮元素的主要存在形式。

除了这些主要的，生物质还有很多其他的成分，有的比例还很高，比如油料作物里面就含有各种各样的油脂，这可是好东西。其他的呢，还有很多，生物碱，色素，树脂，等等，其中很多产品都已经被提取出来，打上纯天然提取物的牌子，标上很高的价格出售。提取这些玩意比干生物能源可来钱多了。

生物质里面也有不少无机成分，在作为能源利用生物质的时候，这些无机成分导致的问题也不能忽略。各种各样的金属都会存在在生物质里面，虽然含量少。生物质作为能源被利用了以后，这些无机成分一般以灰的形式存在。目前的观点，认为这些无机成分应该放回到原料的产地里面去，维持产地的元素平衡，有利于生物质的生产循环。大规模处理生物质的时候这些灰分会带来一些技术上的麻烦。

要是把生物质作为一种重要的能源形式，那么一个重要的条件，就是生物质要够用的。虽然说不能要求生物质满足人类所有的活动，但是总要占个看得见的比例吧？

目前整个地球上，生物质那是多得很。地球上生物的总质量的估计有多种说法，一般的估计，按照碳的质量来计算，是在4200到8300亿吨之间，其中所有的动物，包括人，仅有大约10亿吨碳。仅仅是陆地地面以上的生物质蕴藏的总能量，就在几万EJ，也就是几百万亿亿焦耳的数量级，是目前全世界能量年消耗的80倍的样子。听起来不错吧？还有更好的消息。每年，通过光合作用，陆地地面上还要生成千亿吨碳数量级的新的生物质资源。每年的净生产量，就够现在的世界使用10年的了。听起来很好吧？

不过不能这么乐观。不是所有的生物质都是能拿来用的。人要吃粮食，人本身的活动也需要大量的生物质，大自然本身也要消耗很大量的生物质，还有很大量的生物质没有办法去利用。所以需要估算可以被利用的生物质，才有真正的意义。

这个估算就比较困难了，数据的出入就更大了。这里看看数量级的概念就好了。

世界有机废弃物，也就是废弃物生物质，全年的能源潜在总值大约在42EJ，这个数字是42后面加上18个零，也就是4200亿亿焦耳。潜在生物质是目前生物质资源里面还没有被利用的部分。人们早就在利用生物质了，比如用秸秆当饲料，比如牛粪作燃料，等等，都是在利用生物质。只有这个潜在生物质才有价值。这里面，大约有三分之一是木材残余物贡献的，农业废弃物大约也贡献了三分之一，畜业废弃物贡献了八分之一的样子，其中牛粪自己就贡献了十五分之一。

在世界的分布上，亚洲的潜在废弃物生物能最多，占了全世界的三分之一强，其中农业废弃物占了一半。然后是北美，超过三分之二是牧业废弃物。

除了废弃物，另一个重要的生物质能量来源就是能源作物。能源作物也有自己的定义。比如说，能源作物是以获得能源为目的而种植的，选用的都是生长比较快速的木本或者草本植物，大约树木种植五到十年就可以采伐。成为能源作物呢，需要高产，同时也需要适合所在地区的生态条件。地球上不同地区生物质生长量是不一样的。热带最高。当然能源作物的推广还需要照顾耕地分配问题，照顾原有的生态问题等等，这样适合推广能源作物的面积就受到了限制。有人估算，如果把未利用土地的10%用于耕种能源作物，能源作物每年大约就能够提供120EJ的能量。

加上废弃物的潜在能量，每年生物质大约可以提供160EJ的能量，大约占了目前全世界能量总消耗的三分之一。还算不错？这个数字比目前石油提供的能量180EJ要低一些，但是高于煤炭120EJ和天然气110EJ所提供的能量，也高于水电30EJ，核电30EJ等等提供的能量。不过也可以看出，依靠生物能源解决能源问题肯定是不够的，数量不够么。能源问题的解决肯定是多种能源同时使用的。