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橡树村:【原创】生物质 十二 燃烧

能够用于能源的生物质废弃物，包括农业残余物，木质废弃物，禽畜废弃物等农林畜牧业的废弃物，还包括城市垃圾等生活废弃物，也包括造纸废水之类的工业废弃物。基本上含有有机质的废弃物都可以有潜在的能源利用价值。

农业残渣就是农作物收获之后农田中产生的残余物，主要就是谷物，根茎作物，甘蔗残余物等等。蔬菜之类的也有很多残余物，但是收集实在太困难，一般不予考虑。另外使用甘蔗制糖，会产生大量的蔗渣，也是很好的能源原料。仔细地说的，农业残渣会包括，麸皮，稻草，米糠，秸秆等等。这些残渣不同的物种不同的部位主要成分会有区别，适合不同的利用方法，各有各自的特点。

2000年的统计，全世界有农业废弃物30亿吨，其中最多的是米残余物，达到28%，然后是麦残余物25%，余米残余物20%，甘蔗残余物12%，另有蔗渣占6%，还有根茎作物的残余物9%。按照能量来算，资源总量是14.6EJ，其中米的残余物占到3.4EJ，甘蔗渣，小麦残余物各有3.3EJ。目前农业废弃物的利用主要是燃烧和气化两个方法，在很多国家已经工业化，而利用农业废弃物发酵生产乙醇发展也比较快。不过大部分的农业废弃物并没有得到有效利用，在很多国家虽然农业废弃物有所利用，但是目的并不是能源。

木质废弃物包括木材加工时候的各种废料，这个总量并不很清楚。这些废木头有很大的比例被造纸工业消耗掉，也有不少当作燃料烧掉，大约有不到10%被丢弃。现在有北欧的国家进口木质废弃物用于能源。

畜禽废弃物主要就是粪尿，还包括加工畜禽时候的副产物，加工残余物，敷料，污泥等等。这些物质一般含水量高，富含各种各样的有机质，是很好的肥料。这种废弃物的总量很难估算，广泛用于肥料和饲料，不过由于疯牛病带来的影响，其利用也受到了一些限制。目前很少把畜禽废弃物用于能源。

城市垃圾在一些国家不被列到生物质范围内，各个国家的城市垃圾的定义也都不大一样，不同的地区的城市垃圾组成变化也很大。目前的城市垃圾也有很多的用途，垃圾焚烧可以回收垃圾中的能量，填埋也仍然在很多国家使用，此外还可以堆肥。其他的利用方法，还包括碳化，甲烷发酵等。

造纸废水，也叫黑液，里面含有大量的纤维素和半纤维素，还有木质素，目前有专门的装置利用这些原料来燃烧，回收能量。这个回收锅炉在19世纪就开始使用了，不过在发展中国家应用并不普及。

能被作为能源利用的水生生物质，淡水里面，主要是种子植物，比如水葫芦，浮萍之类的，也有浮油的小球藻，螺旋藻。海水里面，也有种子植物比如海带，裙带菜，紫菜，石花菜之类的，种类不少。

藻类被人们利用也已经很久了，海藻很久以前就是食物，也用作肥料，微细藻现在被当成健康食品，也可以提取出来不少高增值的天然提取物。那些提取出来的东西究竟如何五花八门，但是价格都卖得不低。

水生生物的生长速度是比较快的。有日本的资料讲，每五十天，水生生物的植株数要增加100倍，也就是六七天的时间就翻一番。个别的报告有意50天内植株数量从1株增加到1000株，三个月增加到2000株的报道。在光合作用充足的地方，水葫芦的生长速度纪录是每年每平方米21公斤干重，折合每年每公顷水面210吨干物质的产量。微细藻在户外培养，生长速度能达到每天每平方米2-10克，折合每年7.3-36吨，但是在条件良好的时候，最大生长速度却可以达到每天每平方米500克，折合每年每公顷1830吨！对比陆地生物每年每公顷最多几十吨干物质的产量，水生生物质显然很有开发潜力。

目前水葫芦的利用还不算多，有的作为饲料使用，有的被列为生物甲烷（沼气）的原料。海藻类的应用就比较广泛了，目前全世界天然褐藻的年收获是130万吨，天然红藻类81万吨。人工养殖最近开始增长。中国的海带在98年产量就达到400万吨，主要作为食品。目前藻类生物除了食品，还是很多健康食品保健品的来源。

目前水葫芦的资源量还没有确切数字。这个东西在很多地方都被称为绿色污染，造成江河堵塞，利用还很少。如果能成功利用，应该是不错的。天然藻类的养殖场面积变化较大，很多是在浅海，不过随着浅海水质逐渐变差，天然藻类的生长也受到了很大影响。那些已提取物为目标的藻类养殖虽然越来越多，但是这些藻类一般养殖技术复杂，人工大规模养殖困难很多，价格也比较离谱，不适合作为能源物质，还期待人工养殖技术的进一步发展。

水生生物的含水量非常高，作为能源物质利用，大部分的工艺都需要使用干物质，而脱水的能源成本非常高，所以就限制了水生生物在能源领域的应用。可能比较合适的应用方法，也就是甲烷发酵得到沼气了。

淀粉，糖类生产性，油类生产型的生物质，其实有的可以算到木本，更多的可以算到草本。这里面拿出来说，是因为利用的物质有一些特殊。

生产淀粉，糖类的植物很多，这些淀粉，糖，经过发酵之后，可以形成乙醇，是目前生物乙醇的原料。

淀粉类的植物包括土豆，红薯，玉米，小麦，大麦，木薯，西谷椰子等等。这些基本上也都是粮食。糖类的植物，常见的就是甘蔗，甜菜。这些物种人类都已经种植了很多年，对这些作物的研究也很多，通过品种改良，栽培技术的提高等等，产量在过去的几十年里面都有很大提高。但是呢，似乎进一步的提高单位产量也已经比较困难了。现在推广这些物种的种植，主要是在扩大其种植范围方面下文章，比如通过技术增加耐寒，耐干，耐盐等等性质。当然了，单纯的扩大耕种面积就可以增加其生产量。现在小麦，稻，玉米三种作物，年产量基本上都在6多亿吨，马铃薯大约在年产3亿吨，其他的品种产量基本上都在2亿吨以下。

糖类的作物，主要就是甘蔗和甜菜。甘蔗的年产量大约在13亿吨，甜菜的年产量大约是2亿吨。甘蔗最近几年在热带地区有扩大的势头，甜菜产量基本稳定。

淀粉，糖类的植物性生产总量，在2000年是42亿吨，听起来挺多的。但是呢，世界人口60亿，要维持这么多人吃饱饭，42亿吨并不多。实际上，现在世界上大约有8亿人口缺少粮食。这些作物的产量基本上稳定了，增长有限，但是人口增长却没完没了。所以呢，虽然这类物质是很好的能源材料，但是拿来解决能源问题，总让人觉得不那么对头。巴西使用甘蔗生产乙醇，也还算好，但是现在大规模的是用玉米生产乙醇，就立刻导致了玉米价格上扬，然后就是饲料涨价，肉制品涨价，那些缺少粮食的地方立刻就感受到了压力。有人说用粮食作乙醇是犯罪，虽然不知道说话的这个人喝不喝酒支持犯罪，但是这个说法也还是有道理的。

油类的作物含有油脂，这些由现在一般被用于食品，是重要的食品辅料，也有一定的比例用于油脂化学行业。作为能源来利用呢，就是生物柴油这个形式。

世界四大油类作物，是油椰子，油菜，大豆，向日葵。单位面积生产能力最高的是油椰子，每年每公顷有4吨的油产量。油椰子也就是棕榈，主要分布在热带，特别是马来西亚，印尼，还有尼日利亚，冈比亚等。目前世界45%的产量在马来西亚。油菜分布在比较寒冷的地区，亚洲，欧洲，北美都有广泛种植，产量最多的是中国，加拿大，印度，加在一起占了世界的60%。油菜提取的菜籽油，主要是作为食用油使用，在欧洲，是生物柴油的主要原料。油菜每年每公顷产油0.5-0.9吨。大豆主要生产国是美国，中国，巴西，每年每公顷产油0.3-0.4吨，广泛用于食用油，也是涂料，油光漆等等的化工原料。向日葵油产量每年每吨0.5-0.8吨，在俄罗斯，东欧，美国，阿根廷广泛种植，主要用作色拉油。

2000年的油脂产量，大豆油2500万吨，棕榈油2100万吨，菜籽油1400万吨，葵花油950万吨，占了全部油脂产量的60%。其他的油料植物还有花生油440万吨，棉籽油390万吨。总产量大约在1.1亿吨，75%用于食品。

油脂可以生产生物柴油，这个产品有很多优良的性能，是第一代生物能源燃料的明星。不过毕竟除了棕榈油之外，油脂的增产空间已经很小，用于能源，又要和人抢食品，也是有很多问题的。棕榈油的产量应该还有很大的空间，可以在热带地区大规模种植，成本也低，油类作物用于能源的话，这个应该是个好的选择。

草本生物质就是草呀！其实广义的草本的定义要广一些，草本，指的是草地上生长的稻科，豆科的植物。这里面，有很多已经都被人利用了，作为粮食，饲料使用。比如稻，麦，玉米，高粱等等都是稻科植物，这些作物的残余物，秸秆之类的，也就被纳入到草本生物质的范畴了。除了人类已经大规模种植的，还有很多的野草没有得到利用。

草本生物质的物质生产量比木本还快！前面讲了，热带地区，桉树，合欢树啦，最高一公顷一年也就生产30吨的干物质。草呢？有一种象草，也叫紫狼尾草，每年每公顷能生产80吨的干物质！并且呢，草本植物再生能力超强，持续性好，很多品种都可以长期稳定生产。在一些长期种植试验里面，长达七年的时间，几内亚草都可以每年每公顷生产40吨以上的干重。还有呢，草本植物的适应性很不错，能在很多种环境上生长繁殖，也能很方便的晒干，这样就能降低了除水的能耗。所以作为能源原料，的确是非常有前景的。

现在的草本生物质的现存量并不高。草地本身的生态系统也非常丰富，草的根部也非常的热闹，草原起到的生态作用，也是很强的，不亚于热带雨林的作用。

草本生物质可以燃烧，现在也有直燃利用草本生物质的技术，不过呢，实际应用上还不如木本的利用效果好。草本生物质的利用，是目前的技术热点。

目前作为候选，可能被广泛利用的能源草本生物质也不少了。最高的纪录是在波多黎各种植的紫狼尾草，每年每公顷干物质85吨，夏威夷的甘蔗，每年每公顷也达到64吨干物质。这个是什么概念呢？每天的产量就是232公斤和176公斤！还是摸不清楚？一公顷是15亩，亩产就分别是11000斤和8500斤干物质！

草本植物在热带长得快，温带也不慢。玉米，高粱，在栽培的初期，生长速度也可以达到每天每公顷132-260公斤干物质。在温带，夏季的时候，是可以达到热带的生长速度的，利用潜力很很大。当然了，温带在冬季的时候，草本植物生长速度就不这么快了。

草本植物也算是人类最早使用的燃料了，应该和人类使用木头的时候差不多。到现在，草本植物也仍然被很多人作为燃料使用。当然了，传统的使用方法效率很低，新技术的发展，使得大规模使用草本植物成为可能，利用效率也有了很大提高。

草本植物的利用，除了燃烧，还可以干别的。比如现在已经有不少人喜欢和不喜欢的生物乙醇，常见原料是玉米和甘蔗，就都是草本。当然了目前的生物乙醇技术在和人抢粮食，需要寻找其他原料，我们后面还会具体说。

草本植物有多大的利用量呢？草本植物的面积，大约将近四千万平方公里，总的现存生物量不多，1000亿吨而已，比森林少很多。虽然一些草本的生长速度很快，但是大部分草本的生长速度没这么快，平均来讲，大草原上，每年每公顷生产量是9吨干物质，比热带雨林还是差了不少（和温带森林相当），也可以成为生物质的重要来源。

列一下一些草本植物的生长量，单位是每年每公顷干物质的吨数

多年生：

热带：

紫狼尾草 85

几内亚草 49

狼尾草 51

甘蔗 64

亚热带：

甘蔗 50

几内亚草 51

克育草 30

温带

百慕大草 30

黑麦草 27

鸭茅 22

一年生：

高粱 29-47

玉米 27-34

几内亚草 17-24

稻 16-19

小麦 12-15

木质的生物质当然就是木头，这几乎是人类最早用于能源的生物质了。现在呢，成材的木头当然还是不舍得当能源使用，所以没有多大用处的木头才用于能源。

森林生产的生物质原料，包括各种各样原因采伐下来的没有商业价值的木材。比如人工森林里面的杂木，形态不好的树木需要清理，比如为了控制人工林生长进行的间伐遗弃的部分。这些木材往往运输价格高，缺乏商业价值，被弃置在森林里面。森林主伐的时候，也会有将近三分之一的木材资源，比如枝叶，树梢等等，没有商业价值而被弃置。这些都是未被利用的资源。

目前的估算，来源于人工森林的林地残余木材资源大约有每年400万吨，来源于天然森林的资源量大约是每年1000万吨。总量不少，不过利用起来还有很多麻烦，经济性还有问题。

以能源为目的专门种植的树木，当然是重要的木质生物质原料。这里面比较看好的，包括柳树，杨树，桦树等等生长迅速的树种。这些树木可以种植在田间，也可以专门种植。在热带，热门的树种包括桉树，合欢树等等。

大规模种植能源树种也是有不少问题需要注意的。比如这些树种大部分都是外来树种，那么对于当地的生态肯定有影响。同时对单一的树种进行扩大人工造林，也会降低生态系统的稳定性。这方面，人们在逐渐地改进人工造林的方式方法，尽可能的维持生态系统的稳定性和生物多样性。虽然仍然有各种各样的问题没有解决，但是这方面的研究和实践也是在不断进步的。

另外，竹子也是很好的资源。利用竹子的麻烦在于大部分地方的竹子都是空心的，运输起来成本就比较高，经济性和能源利用性能大打折扣。非空心的竹子更有推广价值。

木质生物质的生长速度和地域有很大的关系，气温，降雨量，土壤情况，树种本身等等都影响生长速度。桉树和合欢树在东南亚地区每年每公顷土地生长的干物质是10-30吨，而中纬度地区的杉树，每年每公顷生长的干物质基本上在10吨以下。另外森林在种植后的早期生长较快，然后会逐渐放慢，所以究竟在什么时间进行砍伐，也是需要权衡的。

目前全世界的森林状况并不乐观，热带大约每年减少一千多万公顷，温带的植树造林比较多，每年增加几百万公顷，总的森林量，全世界是在减少。目前世界的森林总量大约在三十几亿公顷，树干的干重大约在3500亿吨，其中三分之一在南美。但是森林每年的净减少量接近一千万公顷，减少的地方主要也在南美。在这样的背景下，推广人工林应该是对保护地球环境是有好处的。在热带地区大面积种植人工林被很多人看成是生物能源利用的重要方向，并有可能在成本上与化石燃料竞争。当然在推广的过程中需要考虑生态影响以及对周围居民的社会经济影响等等，不是盲目的种树，不要打着环保的旗号破坏环境。