第一節 何謂生物質能
生物質能是蘊藏在生物質中的能量，是綠色植物通過葉綠素將太陽能轉化為化學能而儲存在生物質內部的能量。煤、石油和天然氣等化石能源也是由生物質能轉變而來的。生物質能是可再生能源，通常包括以下幾個方麵：①木材及森林工業廢棄物；②農業廢棄物；③水生植物；④油料植物；⑤城市和工業有機廢棄物；⑥動物糞便。
在世界能耗中，生物質能約占14％，在不發達地區占60％以上。全世界約25億人的生活能源90％以上是生物質能。生物質能的優點包括燃燒容易、汙染少、灰分較低；缺點是熱值及熱效率低，體積大而不易運輸。直接燃燒生物質的熱效率僅為10％～30％。
目前，世界各國正逐步采用如下方法利用生物質能：
（1）熱化學轉換法，獲得木炭、焦油和可燃氣體等品位高的能源產品，該方法又按其熱加工的方法不同，分為高溫幹餾、熱解、生物質液化等方法。
（2）生物化學轉換法，主要指生物質在微生物的發酵作用下，生成沼氣、酒精等能源產品。
（3）利用油料植物所產生的生物油。
（4）把生物質壓製成成型狀燃料（如塊型、棒型燃料），以便集中利用和提高熱效率。
第二節 我國生物質資源豐富嗎
我國基本上是一個農業國家，農村人口占總人口的70％以上，生物質一直是農村的主要能源之一，在國家能源構成中也占有重要地位。
我國現有森林、草原和耕地麵積41.4hm2，理論上生物質資源可達650億t/a以上（在上述平方公裏土地麵積上，植物經過光合作用而產生的有機碳量，每年約為158噸）。以平均熱值為15000kJ/kg計算，折合理論資源最為33億噸標準煤，相當於我國目前年總能耗的3倍以上。
實際上，目前可以作為能源利用的生物質主要包括秸稈、薪柴、禽畜糞便、生活垃圾和有機廢渣廢水等。據調查，目前我國秸稈資源量已超過7.2億噸，約為3.6億噸標準煤，除約1.2億噸作為飼料、造紙、紡織和建材等用途外，其餘6億噸可作為能源用途：薪柴的來源主要為林業采伐、育林修剪和薪炭林。一項調查表明：我國年均薪柴產量約為1.27億噸，折合標準煤0.74億噸：禽畜糞便資源量約為1.3億噸標準煤；城市垃圾量生產量約為1.2億噸左右，並以每年8％～10％的速度增長，據估算，我國可開發的生物質能資源總量約為7億t標準煤。
第三節 什麼是能源植物
隨著石油等非再生性礦物資源的不斷枯竭，從長遠看，液體燃料短缺將是困擾人類發展的大問題。為此，人們把注意力轉向可再生的資源——森林，除利用其薪材外，正加快開發“石油人工林”或“能源植物林”，生物石油的開發利用已成為當今全球的一大熱點。
能源植物，又稱石油植物或生物燃料油植物，通常是指那些具有合成較高還原性烴的能力、可產生接近石油成分和可替代石油使用的產品的植物，以及富含油脂的植物。
能源植物主要包括下述幾類：
（1）富含類似石油成分的能源植物。石油的主要成分是烴類，如烷烴、環烷烴等，富含烴類的植物是植物能源的最佳來源，其生產成本低、利用率高，目前已發現並受到專家賞識的有續隨子、綠玉樹、橡膠樹和西蒙德木等。
（2）富含碳水化合物的能源植物。利用這些植物所得到的最終產品是乙醇，如木薯、甜菜、甘蔗等。
（3）富含油脂的能源植物。這類植物既是人類食物的重要組成部分，也是工業用途廣泛的原料，世界上富含油脂的植物達萬種以上，我國有近千種，其中有的含油率很高。例如，木薑子的種子含油率達66.4％，黃脈釣樟的種子含油率高達67.2％，還有蒼耳子等植物。
產油植物大體有三類：
①大戟科植物。含油大戟可製成類似石油的燃料，大戟科的巴豆屬製成的液體燃料可供柴油機使用。
②豆科植物。苦配巴是其中一種。美國加利福尼亞大學化學博士卡爾文在巴西發現，在苦配巴樹幹上鑽個孔就能流出油來，每個洞流油3h，能得油10L～20L。這種油可以直接在柴油機上使用。據估計，1hm2苦配巴植物每年可產油50桶。
③其他木本植物，如油棕樹、南洋油桐樹、澳大利亞闊葉木棉等。美國科學家通過試種，種植1hm2含油大戟，一年至少可收獲25桶生物石油，這些生物石油經改進製成清潔燃料，其成本低於天然石油；巴西試種油棕樹，3年後開始結果產油，每公頃可產油10000kg。
目前，大多數能源植物還尚處於野生或半野生狀態，人類正在研究應用遺傳改良、人工栽培或先進的生物質能轉換技術等，以提高利用生物能源的效率，生產出各種清潔燃料，從而替代煤炭、石油和天然氣等石化燃料，減少對礦物能源的依賴，保護國家能源資源，減輕能源消費給環境造成的汙染。據估計，綠色植物每年固定的能量，相當於600億噸～800億噸石油，即全世界每年石油總產量的20～27倍，約相當於世界主要燃料消耗的10倍。
而綠色植物每年固定的能量作為能源的利用率還不到其總量的1％。目前，世界上許多國家都開始開展能源植物或石油植物的研究，並通過引種栽培，建立新的能源基地，如“石油植物園”“能源農場”等，以此滿足對能源結構調整和生物質能源的需要。專家認為，生物能源將成為未來可持續能源的重要部分，到2015年，全球總能耗將有40％來自生物能源。因此，能源植物具有廣闊的開發利用前景。
第四節 生物質能在能源係統中處於什麼樣的地位
生物質能一直是人類賴以生存的重要能源，它是僅次於煤炭、石油和天然氣而居於世界能源消費總量第四位的能源，在整個能源係統中占有重要地位。
目前，生物質能技術的研究與開發已成為世界重大熱門課題之一，受到世界各國政府與科學家的關注。許多國家都製訂了相應的開發研究計劃，如日本的陽光計劃、印度的綠色能源工程、美國的能源農場和巴西的酒精能源計劃等，其中生物質能源的開發利用占有相當的比重。目前，國外的生物質能技術和裝置多已達到商業化應用程度，實現了規模化產業經營。以美國、瑞典和奧地利三國為例，生物質轉化為高品位能源利用已具有相當可觀的規模，分別占該國一次能源消耗量的4％、16％和10％。在美國，生物質能發電的總裝機容量已超過10000MW，單機容量達10MW～25MW；美國紐約的斯塔藤垃圾處理站投資2000萬美元，采用濕法處理垃圾，回收沼氣，用於發電，同時生產肥料。巴西是乙醇燃料開發應用最有特色的國家，實施了世界上規模最大的乙醇開發計劃，目前乙醇燃料已占該國汽車燃料消費量的50％以上。美國開發出利用纖維素廢料生產酒精的技術，建立了1MW的稻殼發電示範工程，年產酒精2500噸。
我國是一個人口大國，又是一個經濟迅速發展的國家，21世紀將麵臨著經濟增長和環境保護的雙重壓力。因此，改變能源生產和消費方式，開發利用生物質能等可再生的清潔能源資源對建立可持續的能源係統，促進國民經濟發展和環境保護具有重大意義。
開發利用生物質能對中國農村更具特殊意義。中國80％人口生活在農村，秸稈和薪柴等生物質能是農村的主要生活燃料。盡管煤炭等商品能源在農村的使用迅速增加，但生物質能仍占有重要地位。1998年農村生活用能總量3.65億噸標準煤，其中秸稈和薪柴為2.07億噸標準煤，占56.7％。因此發展生物質能技術，為農村地區提供生活和生產用能，是幫助這些地區脫貧致富，實現小康目標的一項重要任務。
1991～1998年，農村能源消費總量從5.68億噸標準煤發展到6.72億t標準煤，增加了18.3％，年均增長2.4％。而同期農村使用液化石油氣和電炊的農戶由1578萬戶發展到4937萬戶，增加了2倍多，年增長達17.7％，增長率是總量增長率的6倍多。可見，隨著農村經濟發展和農民生活水平的提高，農村對於優質燃料的需求日益迫切。傳統能源利用方式已經難以滿足農村的現代化需求，生物質能優質化轉換利用勢在必行。
生物質能高新轉換技術不僅能夠大大加快村鎮居民實現能源現代化進程，滿足農民富裕後對優質能源的迫切需求，同時也可在鄉鎮企業等生產領域中得到應用。由於我國地廣人多，常規能源不可能完全滿足廣大農村日益增長的需求，而且由於國際上正在製定各種有關環境問題的公約，限製CO2等溫室氣體排放，這對以煤炭為主的我國是很不利的。因此立足於農村現有的生物質資源，研究新型轉換技術，開發新型裝備既是農村發展的迫切需要，又是減少排放、保護環境、實施可持續發展戰略的需要。
第五節 我國農村生物質能源發展態勢
1.沼氣
20世紀90年代以來，我國沼氣建設一直處於穩步發展的態勢。到1998年年底，全國戶用沼氣池發展到688萬戶，利用率達到91.7％。全國大中型沼氣工程累計建成748處，城市汙水淨化沼氣池累計49300處。以沼氣及沼氣發酵液在農業生產中的直接利用為主的沼氣綜合利用有了長足發展，達到339萬戶，其中北方“四位一體”能源生態模式21萬戶，南方“豬沼果”能源生態模式81萬戶。
中國目前戶用沼氣池已達1300多萬口。2005年，中國又安排國債資金10億元，用於在農村進一步推廣沼氣。目前在農村，以沼氣、秸稈為代表的生物質能源利用總量已超過2.5億噸標準煤，約占農村地區居民生活用能的50％。在山西晉中、晉城等地區，沼氣已經成為當地居民冬季取暖的重要能源。
以沼氣利用技術為核心的綜合利用技術模式由於其明顯的經濟和社會效益而得到快速發展，這也成為中國生物質能利用的特色，如“四位一體”模式、“能源環境工程”等。“四位一體”就是一種綜合利用太陽能和生物質能發展農村經濟的模式，其內容是在溫室的一端建地下沼氣池，池上建豬舍、廁所。在一個係統內既提供能源，又生產優質農產品。“能源環境工程”技術是在原大中型沼氣工程基礎上發展起來的多功能、多效益的綜合工程技術，既能有效解決規模化養殖場的糞便汙染問題，又有良好的能源、經濟和社會效益。其特點是糞便經固液分離後液體部分進行厭氧發酵產生沼氣，厭氧消化液和渣經處理後成為商品化的肥料和飼料。
2.薪炭林
1981年我國開始有計劃的薪炭林建設，至1995年10年間，全國累計營造薪炭林494.8萬hm2，其中“六五”完成205萬hm2，“七五”186.3萬hm2，“八五”103.5萬hm2。根據這些年全國造林成效調查，薪炭林成林麵積和單位麵積年生物量測算，薪炭林年增加薪材量2000t～2500萬t，對緩解農村能源短缺起到了重要作用。
3.生物質氣化
生物質氣化即通過化學方法將固體的生物質能轉化為氣體燃料。由於氣體燃料高效、清潔、方便。因此，生物質氣化技術的研究和開發得到了國內外廣泛重視，並取得了可喜的進展。
在我國，將農林固體廢棄物轉化為可燃氣的技術也已初見成效，應用於集中供氣、供熱、發電方麵。中國林科院林產化學工業研究所從20世紀80年代開始研究開發了集中供熱、供氣的上吸式氣化爐，並且先後在黑龍江、福建得到工業化應用，氣化爐的最大生產能力達6.3×106kJ/h。建成了用枝椏材削片處理，氣化製取民用煤氣，供居民使用的氣化係統。最近在江蘇省又研究開發以稻草、麥草為原料，應用內循環流化床氣化係統，產生接近中熱值的煤氣。供鄉鎮居民使用的集中供氣係統，氣體熱值約8000kJ/Nm3，氣化熱效率達70％以上。
山東省能源研究所研究開發了下吸式氣化爐，主要用於秸稈等農業廢棄物的氣化，在農村居民集中居住地區得到較好的推廣應用，並已形成產業化規模，到1998年底，已建成秸稈氣化集中供氣站164處，供氣4572萬m3，用戶7700戶。廣州能源所開發的以木屑和木粉為原料，應用外循環流化床氣化技術，製取木煤氣作為幹燥熱源和發電，並已完成發電能力為180千瓦的氣化發電係統。另外，大連環科院、遼寧能源所、北京農機院、浙江大學等單位也先後開展了生物質氣化技術的研究開發工作。
4.生物質固化及其他
具有一定粒度的生物質原料，在一定壓力作用下（加熱或不加熱），可以製成棒狀、粒狀、塊狀等各種成型燃料。原料經擠壓成型後，密度可達1.1～1.4t/m3，能量密度與中質煤相當，燃燒特性明顯改善，火力持久、黑煙小，爐膛溫度高，而且便於運輸和儲存。
用於生物質成型的設備主要有螺旋擠壓式、活塞衝壓式和環模滾壓式等幾種主要類型。目前，國內生產的生物質成型機一般為螺旋擠壓式，生產能力多在100～200kg/h之間，電機功率7.5～18千瓦，電加熱功率2～4千瓦，生產的成型燃料為棒狀，直徑50～70mm，單位產品電耗70～120千瓦時/t。曲柄活塞衝壓機通常不用電加熱，成型物密度稍低，容易鬆散。環模滾壓成型方式生產的顆粒燃料，直徑為5～12mm，長度為12～30mm，也不用電加熱。物料水分可放寬至22％，產量可達4t/h，產品電耗約為40千瓦時/t，原料粒徑要求小於1mm；該機型主要用於大型木材加工廠木屑加工或造紙廠秸稈碎屑的加工，粒狀成型燃料主要用做鍋爐燃料。
利用生物質炭化爐可以將成型生物質塊進一步炭化，生產生物炭。由於在隔絕空氣條件下，生物質被高溫分解，生成燃氣、焦油和炭，其中的燃氣和焦油又從炭化爐釋放出去，所以最後得到的生物炭燃燒效果顯著改善，煙氣中的汙染物含量明顯降低，是一種高品位的民用燃料。優質的生物炭還可以用於冶金工業。
第六節 如何解決發展生物質能源的難題與技術瓶頸
1.解決發展生物質能源的難題
隨著油價上漲，成本差距在縮小，部分生物化工產品還具備了良好的經濟效益。就燃料乙醇來看，目前以玉米為原料的燃料乙醇補貼水平，已比期初下降了近1/2。木薯、甜高粱生產正逐步接近盈虧平衡點。就生物柴油來講，雖然以油菜子為原料的生物柴油成本仍高出較多，但是以餐飲廢油為原料的生產已有利潤，特別是部分生物化工產品，如L-乳酸等，已具備較高的經濟利益。
2.發展生物質能源不依賴糧食
中國發展生物質能源產業完全可以做到不依賴糧食，兩種主要原料可以由農林業（包括城市工業的有機廢棄物）和利用邊際性土地種植能源植物來提供。
生物質能源是以農林等有機廢棄物和利用邊際性土地種植能源植物為原料，以及以農作物澱粉油脂作為調劑生產的可再生清潔能源及相關化工產品。能源植物可以種在自然條件差、很難種出糧食，但卻可以生長植物的邊際性土地（荒草地、鹽堿地等）中，種植能源植物不會減少糧食作物的種植麵積，當然不會影響國家糧食安全。我國有11608萬hm2邊際性土地可種植甜甘蔗、木薯、旱生灌木等能源植物，具有極大的能源開發潛力，年產能源潛力極大。另外，大量的有機廢棄物也是生物質能源的主要原料，如作物秸稈、畜禽糞便、城市垃圾、林木餘物、工業廢棄物等，我國每年產出實物量為20.29億噸，相當於3.82億噸的標準煤。
生物質能源戰略已成為美歐等發達國家的重要能源戰略，2005年全球燃料乙醇的產量已超過3000萬噸，生物質供熱發電、成型燃料等已經商業化運行，一個充滿活力的行業正在興起。
3.發電成本和燃料來源成為技術瓶頸