安徽丰原化工装备有限公司  马德金

 关于生物质和生物质能的概念界定，笔者基于前期研究曾在资料中简要阐述，生物质是与生物有关的物质的总称，它包括所有动物、植物和微生物以及由这些有生命物质派生、排泄和代谢的许多有机质；可以作为能源利用的生物质主要有木材残余物、农业废弃物、动物粪便和城市固体垃圾等。生物质能是绿色植物借助于光合作用将太阳能予以转化和储存，将生物质资源的潜在价值转化成生物质能，相对于化石能源和以石油为原料生产各类工业产品的综合价值评估而言，对CO2、SO2、氮氧化物和二恶英类化学物质造成的环境污染可以实现减量化，研究表明，二恶英类化学物质是一类由碳、氢、氧及卤族元素组成的环状分子，环境中过量的二恶英类化学物质会引起人类各种疾病，对此类污染物的控制已经引起人们的高度重视，利用生物质能无疑属于可持续发展的有效路径之一。将生物质转化成生物质能时，必须充分考虑其以下主要因素：使用的便捷性、成本的经济性、技术的可靠性和生态的安全性等。综合考虑上述因素并运用最优化技术，是开发生物质能的基本出发点，笔者依此提出若干思路并予以分析。

一、生物质转化成生物质能的运用现状和障碍分析

可以利用的生物质中，按照来源可以分为废弃物类生物质、未利用的生物质、资源作物和新作物四类，按照资源种类可以划分为林业生物质资源、农业生物质资源、生活污水和工业有机废水、城市固体废弃物和禽畜粪便五大类。生物质作为物质资源和能源，与人类的繁衍生息密不可分，以农林废弃物作为薪柴或生物质粗放式的加工制作技术，可以不胜枚举。随着全球人口的持续增长和生态环境被人为破坏，引发的环境恶化问题，已经成为全球性高度关注的热点之一，在大量的科技文献中可以找到佐证，笔者不再赘述。仅从生物质和生物质能的转化过程来分析，普遍存在以下问题：基于生物质资源的分布特点，对于生物质的收集、预处理、运输、储藏、深加工、转化物再利用等各个环节中，由于缺乏技术数据、工业化手段、科研成果的支撑和对该区域生物质自然属性的认识，工程项目建设完毕或运行不久后即被迫停产，诸如生物质直燃发电项目多处于此尴尬局面；对各类生物质的能源利用过程中，经常出现生物质潜在价值被严重浪费、生物质能利用率低、二次能源消耗增加、生态环境持续污染、能源商业化装置造价过高等现象；生物质转化成生物质能的工艺路线虽然成型甚至通过中小试验收，开展工业化大规模生产后，产品没有市场竞争力，多是依赖政府性补贴来推动生物质能利用；对关于生物质的物理特性、化学特性、生化特性和资源持续利用状况，就局部目标区域缺乏系统的评估。

二、生物质能的价值评估预案

有效利用生物质能的基本出发点是研究和解决上述各项关键问题，让人类在利用此类可再生能源逐步替代化石能源时，成为顺理成章之行为，为此在物质和能量转化的理论与实践框架下，必须研究生物质能的形成机理、生物质能的最佳转化方案、生物质能的有效利用形式和环境影响评价。

（一）生物质及生物质能的本质

田宜水等在资料中就生物质能的形成机理给予阐述，简言之，自然环境中，借助绿色植物的叶绿体和太阳能之光合作用，把二氧化碳和水合成为C6H12O6并释放出氧气，而C6H12O6作为基本碳源的有机体，一方面可以作为动物、许多微生物和少数微生物的营养源，另一方面作为其他直接或间接依靠植物生存的生物提供有机物或能量。

基于此，生物质的本质是通过光合作用形成的各种有机体；生物质能的本质是把太阳能以化学能形式储存于生物质中，将生物质中的这部分能量转化出来被人类有效利用。

充分利用生物质中的能量而又减少对人类的危害是开发生物质能的根本目的。

（二）生物质能的特性

生物质主要由C、H、O、N、S、Cl及部分金属等元素构成，基于生物质中含有C、H、S等可燃元素，使得各种复杂的有机混合物作为可燃物质以潜在的能量被储存，这些可燃成分和氧化剂发生强烈的化学反应，产生相应的热量。换言之，生物质能主要以燃烧形式被释放，C、H、S等与O发生氧化反应，表现为直接燃烧或间接燃烧两种形式，如H直接完全燃烧时可释放142.256MJ/Kg的热量(相当于4.86千克标准煤的热值)，H也可能会与生物质中的C、S等在受热过程化合成各种可燃化合物或可燃气体，释放出较上述热值低的热量，H与O化合成结晶水时，将不释放热量；C在完全燃烧时，可以释放34.045MJ/kg的热量，生物质能在转化过程中是一个复杂的体系，除掉与生物质自身潜在热值有关外，还与燃烧的装置、燃烧的外在条件有关。

（三）生物质能的计算模型

生物质自身含有的潜在热值或理论热值可以用热值测定仪直接测量，也可以采用元素组成进行推论。根据生物质基质中各种可燃元素在燃烧过程中的作用和产生的热量，将除C以外的H、S等元素折合成对应碳的热值，笔者根据研究提出基于碳当量准则的生物质能计算模型。

按照101.325 kPa、25℃标准态下的热力学反应，生物质中各种可燃元素所产生的热量值可以分别给出，如H2与O2完全燃烧时放出的热量为285.830±0.042kJ/mol，故推出H的完全燃烧热值为142.915±0.021MJ/Kg，通常取142.256MJ/kg；C与O2完全燃烧时放出的热量为34.045MJ/kg，即使C与O2产生不完全燃烧生成CO，而CO再与O2产生燃烧时，其综合放出的热量几乎等同于一次性完全燃烧形成的热量；S与O2完全燃烧时放出的热量为297.28kJ/mol，S的完全燃烧热值可以表达为9.29 MJ/kg；在燃烧过程中产生的水蒸气变成液态水要吸收热量，其抵消的热值为44.01 kJ/mol，意味着生成液态水吸收的热量也可表达为2.445 MJ/kg。

生物质热能的产生过程很复杂，如氢在生物质中有可燃氢和化合氢之分，化合氢与氧结合成水，不能燃烧和放热；尽管有些资料中对于生物质各种元素在燃烧过程中生成的热值给出不同的数据，本文仍以上述数据作为论证依据。

（四）生物质能计算与实际测量值对比分析

根据资料中提供的数据，给出了典型生物质的元素测定值和对应的低位热值，通过试验数据和计算值对比分析，采取基于碳当量准则的计算与实测值有一定的吻合度，误差较小。

生物质含氧量一般在30～44%，含硫量大多低于0.20%，如上表中豆秸的氧含量通常经过实测为32.15%，将数据代入式3求得C.eq=48.29%，那么1千克豆秸中含有的碳当量等于0.4829千克，可以产生的低位热值为34045KJ/Kg×0.4829=16440kJ/kg，与试验热值16157kJ/kg的对比误差为1.8%。

三、结论

经过试验研究和大量数据比对分析，认为基于碳当量准则计算生物质的低位热值是可行的，某区域的某类生物质的C、H、O、S、N、P或K2O等组成一般是固定的，水分含量有相当大的变化，依此计算模型，在工业化生产过程中，面对不同种类的生物质，可以实现快速配料，也可以降低基础试验和分析成本；同时有利于规范生物质能的基础研究。笔者曾对国外学者给出的热能经验性计算公式进行比对性研究，认为本计算模型具备计算简便和准确率较高的特点。

以农林废弃物质为主，利用秸秆类生物质开发气化、炭化、液化和沼气等燃料化工艺技术，与传统的直接燃烧相比，虽然热能利用率有所提升，但秸秆固化成型以及运输、储存和能源转化装置的成本控制、适宜的工业化或商业化规模等核心问题，仍是制约生物质能转化技术大量使用的主要因素。生物质能转化过程的社会效益、经济效益和生态效益的综合评价体系，以废治废的综合能源利用技术和生物质能转化装置的不断优化等，都有待进一步研究和运用。