浅谈生物能源的应用形式和前景

能源与人类未来

浅谈生物能源的应用形式和前景

主要内容:生物能源应用历史简介生物能源基本形式:一、沼气二、燃料乙醇三、生物制氢四、生物柴油生物能源历史简介

生物能源（又称绿色能源）：是指从生物质得到的能源，它是人类最早利用的能源。古人钻木取火、伐薪烧炭，实际上就是在使用生物能源。生物能源是从太阳能转化而来的，只要太阳不熄灭，生物能源就取之不尽。其转化的过程主要是通过绿色植物的光合作用将二氧化碳和水合成有机物质，生物能的使用过程又生成二氧化碳和水，形成一个物质的循环，理论上二氧化碳的净排放为零。生物能源是一种可再生的清洁能源，开发和使用生物能源，符合可持续的科学发展观和循环经济的理念。因此，利用高技术手段开发生物能源，已成为当今世界发达国家能源战略的重要部分。

生物能源形式一——沼气沼气：顾名思义就是沼泽里的气体。人们经常看到，在沼泽地、污水沟或粪池里，有气泡冒出来，如果我们划着火柴，可把它点燃，这就是自然界天然发生的沼气。沼气，是各种有机物质，在隔绝空气（还原条件），并必适宜的温度、湿度下，经过微生物的发酵作用产生的一种可燃烧气体。沼气的主要成分是甲烷。沼气由50％～80％甲烷(CH4)、20％～40％二氧化碳(CO2)、0％～5％氮气(N2)、小于1％的氢气(H2)、小于0．4％的氧气(O2)与0．1％～3％硫化氢（H2S）等气体组成

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沼气是由意大利物理学家A.沃尔塔于1776年在沼泽地发现的。1916年俄国人Β.П.奥梅良斯基分离出了第一株甲烷菌（但不是纯种）。中国于1980年首次分离甲烷八叠球菌成功。目前世界上已分离出的甲烷菌种近20株。世界上第一个沼气发生器（又称自动净化器）是由法国L.穆拉于1860年将简易沉淀池改进而成的。1925年在德国、1926年在美国分别建造了备有加热设施及集气装置的消化池，这是现代大、中型沼气发生装置的原型。

1.由CO2和H2产生甲烷的反应：

CO2+4H2=CH4+2H2O2.由乙酸或乙酸化合物生成甲烷的反应：

CH3COOH=CH4+CO2;CH3COONH4+H2O=CH4+NH4HCO3

沼气的应用沼气作为能源利用已有很长的历史。我国的沼气最初主要为农村户用沼气池，20世纪70年代初为解决的秸秆焚烧和燃料供应不足的问题，我国政府在农村推广沼气事业，沼气池产生的沼气用于农村家庭的炊事来逐渐发展到照明和取暖。沼气灯的工作原理:沼气由输气管送至喷嘴，在一定的压力下，沼气由喷嘴喷入引射器，借助喷入时的能量，吸入所需的一次空气（从进气孔进入），沼气和空气充分混合后，从泥头喷火孔喷出燃烧，在燃烧过程中得到二次空气补充，由于纱罩在高温下收缩成白色珠状--二氧化钍在高温下发出白光，供照明之用。一盏沼气灯的照明度相当于60～100瓦白炽电灯，其耗气量只相当于炊事灶具的1/5～1/6。沼气发电技术沼气燃烧发电是随着大型沼气池建设和沼气综合利用的不断发展而出现的一项沼气利用技术，它将厌氧发酵处理产生的沼气用于发动机上，并装有综合发电装置，以产生电能和热能。沼气发电具有创效、节能、安全和环保等特点，是一种分布广泛且价廉的分布式能源。沼气发电在发达国家已受到广泛重视和积极推广。生物质能发电并网在西欧一些国家占能源总量的10%左右。我国沼气发电有30多年的历史，在“十五”期间研制出20～600kW纯燃沼气发电机组系列产品，气耗率0．6～0．8m0／kwh(沼气热值~>21MJ／m0)。沼气发电特别适用于我国广大农村地区小型沼气发电技术研究更少，我国农村偏远地区还有许多地方严重缺电，如牧区、海岛、偏僻山区等高压输电较为困难，而这些地区却有着丰富的生物质原料。如能因地制宜地发展小沼电站，则可取长补短就地供电。

发展沼气产业的意义

沼气是可再生的清洁能源，既可替代秸秆、薪柴等传统生物质能源，也可替代煤炭等商品能源，而且能源效率明显高于秸秆、薪柴、煤炭等。中国农业资源和环境的承载力十分有限，发展农业和农村经济，不能以消耗农业资源、牺牲农业环境为代价。农村沼气把能源建设、生态建设、环境建设、农民增收链接起来，促进了生产发展和生活文明。发展农村沼气，优化广大农村地区能源消费结构，是中国能源战略的重要组成部分，对增加优质能源供应、缓解国家能源压力具有重大的现实意义。生物能源形式二——生物制氢生物制氢：生物质通过气化和微生物催化脱氢方法制氢。在生理代谢过程中产生分子氢过程的统称。微生物制氢的主要方法有：光解水制氢技术，暗发酵制氢技术，光发酵制氢技术，光发酵和暗发酵耦合制氢技术。光解水制氢技术：一些特定生物的以太阳能为能源，以水为原料，通过光合作用及其特有的产氢酶系，将水分解为氢气和氧气。暗发酵制氢技术：暗发酵制氢是异养厌氧型细菌利用碳水化合物等有机物，通过暗发酵作用产生氢气。光发酵制氢技术：光发酵制氢是光合细菌利用有机物通过光发酵作用产生氢气。光发酵和暗发酵耦合制氢技术：指将两种发酵方法结合在一起，相互交替，相互利用，相互补充，可提高氢气的产量。比单独使用一种方法制氢具有很多优势。

四种方法比较生物制氢目前存在的问题

1.如何筛选产氢率相对高的菌株、设计合理的产氢工艺来提高产氢效率。

2.发酵细菌产氢的稳定性和连续性。

3.混合细菌发酵产氢过程中彼此之间的抑制、发酵末端产物对细菌的反馈抑制等。

生物能源形式三——燃料乙醇燃料乙醇:一般是指体积浓度达到99.5%以上的无水乙醇。燃料乙醇是燃烧清洁的高辛烷值燃料，是可再生能源。燃料乙醇可以单独作为一种燃料或作为改进型混合燃料。燃料乙醇的主要原料有雅津甜高粱、玉米、木薯、海藻、雅津糖芋、苦配巴树等。

可用于生产燃料乙醇原料主要来源燃料乙醇的优点和生产工艺1.可作为新的燃料替代品；2.辛烷值高抗爆性能好；3.减少化石燃料的应用以及对大气的污染；4.可再生等等。燃料乙醇的生产首先是通过发酵法生产乙醇，然后可以通过化学反应脱水法、恒沸精馏、萃取精馏、吸附、膜分离、真空蒸馏法、离子交换树脂法等方法制得合格的燃料乙醇。燃料乙醇的应用

燃料乙醇，66%用于燃料，燃料乙醇是燃烧清洁的高辛烷值燃料，14%用于食用，11%用于工业溶剂，9%用于其它化学工业。

发酵酒精作车用燃料有两种方式:其一是配制汽油和无水酒精的混合物——汽油醇，酒精在混合物中的比例最高可达25%。用汽油醇作汽车燃料时，可以利用原有的汽车发动机；其二是直接利用酒精作为汽车燃料，这时必需使用专门设计的，具有更高压缩比的发动机。

1908年，美国人设计并制造了世界上第一台纯乙醇的汽车，1930年乙醇/汽油混合燃料在美国内布拉斯加州首次面市，1978年含10%乙醇的混合汽油在内布拉斯加州大规模使用。1990年11月，美国国会通过空气清净法修正案，要求从1992年冬季开始，美国39个CO排放超标地区必须使用含氧量质量分数达2.7%的含氧汽油(相当于添加体积分数为7.7%乙醇)。目前，美国乙醇生产能力70.78亿L/a，58个乙醇生产厂分布在美国19个州，其主要原料为玉米约占90%，高粱等其他原料占10%。

在这方面，巴西走在最前面。早在1989年，巴西以甘蔗、糖蜜、木薯、玉米为原料年产发酵酒精12Mt以上，几乎全部用来代替汽油，大部分采用第二种方式作为汽车的燃料。从那时起，巴西已经不再进口原油，少量国产原油还可出口，率先实现了汽车燃料的酒精化。目前巴西的乙醇产品中普通乙醇占2/3，无水乙醇占1/3。也是世界上最大的燃料乙醇生产和消费国，也是唯一不使用纯汽油作为汽车燃料的国家。

生物能源形式四——生物柴油

生物柴油的定义：由植物油或动物脂肪通过脂化反应而得到由长链脂肪酸甲基脂组成的满足标准的一种可代替石化柴油的再生性柴油燃料。

生物柴油是含氧量极高的复杂有机成分的混合物，这些混合物主要是一些分子量大的有机物，几乎包括所有种类的含氧有机物，如：醚、酯、醛、酮、酚、有机酸、醇等。

生物柴油背景概述

1895年，狄塞尔发明了柴油机，但并未计划以石油作为其燃料能源。1900年巴黎世博会上展出的第一台柴油机，其燃料是花生油，但由于纯植物油的黏度大，十六烷值较低，残渣含量较高，直接用于内燃机燃烧会造成缸内积碳和活塞环结焦，一直未予使用和引起人们的足够的重视。直到1973年发生石油危机后，人们再次把视线聚焦到新能源的开发及应用上。1983年，美国的科学家GrahamQuick首先将含亚麻子油的甲酯用于发动机，连续工作1000小时，并将以可再生的脂肪酸单酯定义为生物柴油(biodiesel)，于是现代意义上的生物柴油问世了。

生物柴油和石化柴油的性能比较生物柴油具有如下性能优势：

(1)具有比石化柴油低得多的硫含量，因此二氧化硫及其他硫化物排放量低。

(2)具有比石化柴油高的运动黏度，润滑性能好，可降低喷油泵、发动机缸体的磨损率。

(3)具有比石化柴油高的闪点，安全性好，便于运输、储存。

(4)具有较高的十六烷值，燃烧性能好。

(5)具有可再生性。生物柴油为可再生能源，且生物降解性高，有利于保护环境。

(6)对环境友好。生物柴油的使用可大大降低从燃料生产运输到消耗过程中有限能源的消耗及污染物的产生。

(7)排放性好。除NOx外，燃用生物柴油能有效降低尾气排放物中的有害物质。生物柴油不含对环境造成污染的芳香族烷烃。另外，生物柴油燃烧时排放的C02与生产生物柴油的原料在生长过程中所吸收的C02基本平衡，因此，使用生物柴油不会加剧温室效应！生物柴油的制备生物柴油的制备方法有直接混合法、微乳液法、高温热裂解法和酯交换法等。直接混合法和微乳液法可降低天然油脂的黏度，但会造成喷油器堵塞、火花塞堵塞及润滑油变质等不良后果；高温热裂解法工艺复杂，成本较高。这三种方法没有得到广泛的应用。目前生物柴油的主要制备方法为酯交换法。酯交换反应的基本原理：利用甲醇或乙醇等醇类物质与经过预处理的油脂发生酯交换反应，利用甲（乙）氧基取代长链脂肪酸上的甘油基，将甘油三酸酯断裂为三个长链脂肪酸甲（乙）酯，从而减短碳链长度，降低油料的粘度，改善油料的流动性和汽化性能，达到作为燃料使用的要求。其反应方程式为：

地沟油生产生物柴油的工艺流程

地沟油是腐败程度相当高的餐饮业废油脂，其成分比较复杂，由多种动植物油脂组成，而且含有大量固体颗粒、胶体和水分等杂质，其中的游离脂肪酸的量更是严重超标。这些杂质会对酯交换反应产生一定的影响，因此在酯交换反应前必须进行预处理，要经过除杂、水化脱胶、除水等工艺。经预处理后的地沟油可用于酯交换反应。

碱催化工艺流程酸催化工艺流程当用碱作催化剂时，如直接以预处理后的地沟油为原料进行反应，由于其中含有大量的水和游离脂肪酸，会与碱发生皂化反应，使混合溶液变得非常粘稠，致使反应不能继续进行。因此，在酯化反应前，需要进行预酯化处理。所谓预酯化，就是在以碱作催化剂制取生物柴油的工艺过程中，将预处理后的地沟油在酸性催化剂的作用下先与甲醇进行酯化反应，使游离脂肪酸生成脂肪酸甲酯（即生物柴油），以消除游离脂肪酸与碱发生的皂化反应，影响酯化反应的正常进行。经预酯化后，碱催化反应工序与酸催化工序相同。由于用酸催化无需进行预酯化处理，因而它的工艺比用碱催化简单。产率对比：在碱催化酯交换反应中，经预酯化后的平均产率达到75%，而直接酯交换反应，由于游离脂肪酸会和碱发生皂化反应，使产率减少，只有35%；酸催化甲醇和乙醇其平均产率分别在83%和81%左右。可见，以酸为催化剂从地沟油制取生物柴油其产率要高于以碱作催化剂时的产率。

注：B——生物柴油

从以上分析可以看出，用酸作催化剂从地沟油制取的生物柴油不但工艺简单、产率高、而且成本优于碱催化法。尤其是酸催化甲醇制取的生物柴油在产率方面要优于其他方法，而且其主要物性达到美国生物柴油的标准，综上分析，可以得出以下结论：

1）无论酸作催化剂还是碱作催化剂，其反应原理均是酯交换反应，且预处理工艺相同。但由于碱催化地沟油时需要进行预酯化，因而它的工艺比用酸催化复杂；

2）用酸作催化剂其产率要高于碱催化；

3）从生物柴油的物性、成本和利润等因素综合考虑，选用酸催化甲醇更适合从地沟油制取生物柴油。

其他方法简介：生物柴油的生物酶合成法：即用动物油脂和低碳醇通过脂肪酶进行转酯化反应，制备相应的脂肪酸甲酯及乙酯。酶法合成生物柴油具有条件温和、醇用量小、无污染排放的优点。2001年日本采用固定化Rhizopus

oryzae细胞生产生物柴油，转化率在80％左右，微生物细胞可连续使用430小时。生物柴油的“工程微藻”法：“工程微藻”生产柴油，为柴油生产开辟了一条新的技术途径。美国国家可更新实验室(NREL)通过现代生物技术建成“工程微藻”，即硅藻类的一种“工程小环藻”。在实验室条件下可使“工程微藻”中脂质含量增加到60%以上，户外生产也可增加到40%以上，而一般自然状态下微藻的脂质含量为5%-20%。“工程微藻”中脂质含量的提高主要由于乙酰辅酶A羧化酶(ACC)基因在微藻细胞中的高效表达，在控制脂质积累水平方面起到了重要作用。目前，正在研究选择合适的分子载体，使ACC基因在细菌、酵母和植物中充分表达，还进一步将修饰的ACC基因引入微藻中以获得更高效表达。利用“工程微藻”生产柴油具有重要经济意义和生态意义，其优越性在于：微藻生产能力高、用海水作为天然培养基可节约农业资源；比陆生植物单产油脂高出几十倍；生产的生物柴油不含硫，燃烧时不排放有毒害气体，排入环境中也可被微生物降解，不污染环境，发展富含油质的微藻或者“工程微藻”是生产生物柴油的一大趋势。生物柴油的应用目前，生物柴油主要应用于运输业、海运业及其他容易造成环境污染的领域(如矿井)。世界上许多国家已经认识到生物柴油的重要性，并进行了大量的研究和试验，已经有100多个城市使用生物柴油进行了示范和测试项目，包括1000多辆公交车，行驶路程达几百万公里。欧洲、美国、新西兰和加拿大对生物柴油实施了广泛测试，对象是卡车、轿车、火车、公交车、拖拉机和小型轮船，测试包括纯生物柴油、生物柴油与传统柴油的不同比例的混合燃料。结果表明，生物柴油在保持性能不变的同时，还降低了发动机的磨损，多数测试显示20％生物柴油与80％传统柴油相混合的使用效果最好。由于各个国家的国情不同，对于生物柴油的研究和应用也存在差别，下面是几个应用生物柴油比较广泛的国家的情况：

1．美国。美国生物柴油的兴起是因为1991年大气保护法和要求降低柴油燃料中硫含量及尾气排放量法令的颁布。1992年的能源政策法就确定了一个长期目标：到2000年不含石油的替代燃料将占发动机燃料的10％，2010年增加到30％。美国对用大豆生产的生物柴油进行了广泛测试，大量公共运输车使用了这种燃料，测试表明生物柴油的生产花费相当于石油柴油的2．5倍。

2．加拿大。在加拿大，添加了生物柴油的柴油称作绿色柴油，尾气和发动机测试表明，绿色柴油的性能和添加商用硝酸盐的传统柴油一样。目前在加拿大，生物柴油和绿色柴油还没有付诸商业应用，但关于绿色柴油的车辆测试正在进行中。

3．欧洲。欧洲生物柴油工业的发展得益于两个方面，一方面是共同农业政策提出了闲置政策，即把原来生产粮食的土地用作其他用途(不以粮食生产为目的)，同时给予稳定的资金补贴以资鼓励，如果把土地用来生产生物柴油的原材料，所给的津贴最高。随着工业用含油种子(生产生物柴油)需求量的增加，1995／96年种植含油种子作物的闲置土地已经增加了50％，达