生物质能源利用的多条途径
尤新
2007年8月31日，国家发改委发布了《可再生能源中长期发展规划》。规划提出，今后一个时期，将重点发
展水能、生物质能、风能和太阳能等可再生能源。在生物质能方面，重点发展生物质发电、沼气、生物质固体成
型燃料和生物质液体燃料。2010年前，重点在东北、山东等地建设若干个以甜高粱为原料的燃料乙醇试点项目；
在广西、重庆、四川等地建设若干个以薯类作物为原料的燃料乙醇试点项目；在四川、云南、贵州、河北等地建
设若干个以小桐子、黄连木、油桐等油料植物为原料的生物柴油试点项目。到2010年，增加非粮食原料燃料乙
醇年利用量200万t，生物柴油年利用量达到20万t。
我国每年有农业植物杆秸7亿多t，林业废料5亿多t，还有不少城市的纤维性废渣，均是生物质能源的重
要原料。因此，纤维素生物质燃料在我国具有很大的发展潜力。有关生物质能源的利用，国内外已进行了大量的
研究工作，并有工业化装置在运行。
一、农林植物纤维素制燃料乙醇
燃料乙醇是目前生物燃料中技术最成熟的液体燃料，但我国不鼓励发展粮食类燃料乙醇。国内有关部门和专
家提出用甜高粱、柳枝稷等非食用含糖类植物来制取燃料乙醇。国家发改委、财政部等部委已正式发文，鼓励和
资助利用农林植物废料生产燃料乙醇。
1. 国外发展情况
美国2007年谷物乙醇装置能力达到50亿加仑(1加仑约合4.5L)，用于生产燃料乙醇的玉米占玉米总产量的
比重由2006年的13%上升至20%，如果其在建的62家新乙醇厂投产，则玉米用量将达1.14亿t，占粮食总量的
28%。但美能源专家认为，玉米乙醇在燃料乙醇发展中只是局部和过渡性的，要从根本上解决全国10%乙醇汽油的
需要，必须多途径开发农林植物废料制燃料，包括生物液体燃料和气化燃料。为此，美国能源部开展了一系列工
作：①与诺维信合作，投资3000万美元进行纤维素水解酶的开发，研究将玉米秸酶解成糖，再发酵制乙醇。②
和DOE合作建设年处理玉米秸200t、生产燃料乙醇6900加仑的中试装置，其生产技术分以下几步：先将玉米秸
粉碎，用1.1%硫酸预处理；然后加入酶，糖化36h，使纤维素90%转化成葡萄糖；将糖浆冷却至41℃，连续发酵
得到浓度为7.5%的乙醇；经蒸馏分子筛吸附脱水，生成99.5%乙醇，废渣经干燥用作燃料。③2008年1月，美能
源部宣布支持太平洋乙醇公司投资2432万美元，在俄勒岗州Boardman现有谷物乙醇基地利用麦秸、木屑等建270
万加仑/a乙醇中型装置，计划2009年第四季度建成。④2008年初，杜邦和杰能科宣布合作投资1.5亿元，开发
植物纤维原料酶解制乙醇，计划2009年建成生产装置。
另外，美国国际生物能公司和佛罗里达大学成功利用重组大肠杆菌作为发酵剂，把玉米秸秆的五碳糖直接精
制成乙醇，这样玉米秸秆纤维素和半纤维素均转化为乙醇，预计成本只有以玉米为原料的一半；美Sunopta生物
过程公司和明尼达中央乙醇公司合作，在明尼达建设1000万加仑/a纤维乙醇装置，采用热量和蒸汽预处理的专
有蒸汽爆发工艺，使木质纤维素部分水解，原料中的水可被有效利用，无需大量外部水源；美国Range燃料公司
在乔治亚州Treutlen郡将建设热解法纤维素乙醇装置，该装置以森林木材废物为原料，初期产能为2万加仑/a
乙醇和少量其他醇类，计划最终生产能力将达1亿加仑/a。
在加拿大渥太华，Ioge建设了以麦秸及玉米秸燃料为原料的燃料乙醇示范装置，年产乙醇300万～400万L，
成本为90美分/加仑。美爱达荷州拟采用此技术以麦秸为原料，建60亿加仑/a的燃料乙醇装置。
2. 国内发展情况
我国在纤维素乙醇方面也做过不少工作。浙江大学以河北唐山木糖渣纤维素为原料，进行酶法制乙醇试验，
每3.98kg原料可获得乙醇1kg；南京林业大学于黑龙江肇东建立了日处理5t纤维原料的乙醇中试装置，采用间
歇蒸汽爆破预处理、纤维素和半纤维素同步降解酶法，6～7t原料可生产1t乙醇；河南天冠进行了300t/a秸秆
纤维素酶法制乙醇的试验，原料转化率为18%，相当于6t多原料制1t乙醇，2006年10月该公司建成了5000t/a
纤维乙醇装置；山东泽生进行了3000t/a杆秸发酵制乙醇试验，并完成5m3汽爆系统、100m3纤维素酶固态发酵
系统和 110m3秸秆固相酶解同步发酵装置建设；安徽丰原进行了300t/a秸秆纤维素酶法制乙醇试验。总之，植
物纤维素酶法水解已获很大进展，但每吨乙醇所需纤维素酶的费用，专家估计液相酶在1000～2000元，固相酶
用量为纤维原料20%时费用约500～1000元。因此，进一步研究降低酶的成本仍是今后研究工作的重点。
此外，酸法水解纤维素转化为葡萄糖再发酵制乙醇，我国在上世纪60年代就有生产装置，但因成本比粮食
原料的高而被迫停产。近年国内外有不少单位对酸回收和节能防腐等做了大量工作，并在酸回收利用方面取得重
大突破，因而酸法水解制乙醇值得进一步研究。
二、半纤维素制乙醇
利用特殊的酵母菌可使木糖发酵成乙醇，也可以使木糖转换成木酮糖，再用普通酵母发酵成乙醇。研究表明，
植物废料半纤维素水解得率一般为20%～25%，玉米芯可达35%。国内有关报道称，稻草半纤维素水解液用假丝酵
母发酵，每克水解液中的还原物可获得0.37～0.45g乙醇；玉米秸的稀硫酸水解液用奥默毕赤氏酵母发酵后，乙
醇产率为0.327g/g。
美国普渡大学(Purdue University)的“再生资源工程实验室”采用D-木糖异构酶(即葡萄糖异构酶)，将木
糖异构成木酮糖，再用酵母发酵生成乙醇。这一成果为大规模利用半纤维生产液体燃料乙醇奠定了基础。
制浆造纸工业蒸煮过程中，除了分离木质素，也会除去部分半纤维素。如果提前将部分半纤维分离，用于发
酵制乙醇，不仅不影响纸浆的质量，而且可减少碱蒸煮过程中的碱用量，减少黑液的排放。华南理工大学对甘蔗
渣碱法制浆原料的酸预处理液，进行了半纤维素发酵制乙醇探索试验，发酵液乙醇浓度最高超过6%(w/v)，发酵
率在80%以上。山东食品发酵研究院进行了麦草制浆半纤维素预先提取低聚木糖，然后再制浆的工业试验。
三、发酵法丁醇
与其他生物燃料相比，丁醇的蒸汽压和水溶性均比乙醇低，因此在汽油中有更大的掺合比，在混合燃料中可
混入20%的丁醇。丁醇还是一种高能量的生物燃料，与传统燃料相比每加仑可支持汽车多走10%的路程，与乙醇
相比可多走30%的路程。
丁醇是重要的化工产品，多年来主要以石油为原料用化学合方法生产。近年来采用微生物发酵法生产丁醇的
日益增多。中科院上海生命科学院从我国土样中自然分离、诱变、选育得到了高丁醇比例菌种，丁醇产率达70%，
淀粉转化率为25%，总溶剂产量达20g/L，各项指数均高于传统工业菌种。该院还与天冠集团开展技术合作，在
现有菌种的基础上进一步改进总溶剂的产量和丁醇比例。山东省科学院能源研究所和英国GBL公司合作开发生物
丁醇，现拥有自主研发的优良发酵菌株。
国外也在大量开展发酵法丁醇的研究。如美国依利诺斯州有关机构选育得到高丁醇比例菌种Clostridim；杜
邦公司成功利用重组菌，获得一种丁醇含量达90%以上的总溶剂；2006年11月，壳牌和美国Codexis技术公司
签约合作开发生物燃料丁醇。
英国政府计划加速丁醇和其他生物燃料的生产，第一个丁醇燃料工厂由英国联合食品有限公司建造，生产能
力为7000万L/a，计划2009年底开始试生产。英国石油公司和英国联合食品有限公司还在就建造更多的丁醇燃
料厂。到2010年，丁醇燃料可在1250个英国石油公司加油站销售。
四、非生物技术生产生物质气体和液体燃料
1． 秸杆瞬时高温气化
植物秸杆瞬时高温气化被誉为低成本生物燃料新途径，目前油和气(氢和一氧化碳)的总收率可达到50%。山
东科学院能源所研发成功秸杆能源技术，在气化合成二甲醚的同时，每公斤秸杆可发电0.7kW·h。
2． 生物质高温热化学转化
中国林科院林产化学工业研究所和国家林业局林产化学工程重点开放性实验室，利用木材加工废料或稻草秸
杆高温热化学转化生产可燃气体，直接用于2～10t/h蒸汽锅炉或200～2000kW内燃机发电；最近利用木薯渣进
行热化学转化，得到H2、CO、CH4和CO2等气体产物。
3． 生物质热解液化
中国科技大学研究成功生物质热解液化技术，现已现成1万t/a装置，产油率高达51.9%以上，生物油热值
为16MJ/kg，同时副产约20%的混合可燃气体(这些气体可供装置自身发电)，还有20%左右的草木灰。
4． 瞬间裂解工艺
德国鲁奇公司与Karlsruhe研究中心合作建设生物质液体燃料中试装置，采用瞬间裂解工艺，使生物质转化
为生物原油。该技术分三步，第一步将水分含量小于15%的秸秆、木屑粉碎后送入双镙杆混合应器，瞬间加热至
500℃，使其裂解转化为气体，然后在几秒钟内使裂解汽冷凝，得到中间体生物原油及焦炭；第二步，将焦炭充
分粉碎，再以40%的比例悬浮于中间体生物原油中并使之气化，转化成合成气；第三步，用合成气来制备所需燃
料，制备的燃料可以和矿物燃料以任何比例混合使用。
5． 生物质直接合成燃油
中科院理化技术研究所完成了50t/a生物质直接脱氧合成内燃机燃油的中试，实现了直接脱氧、碳氢元素重
组，以及固、液、气三相一步合成和分离，反应温度小于380℃，热源可利用自产的可燃气，能耗大幅降低。目
前己对15种纤维废料进行了试验，包括稻草、麦秸、玉米秸、棉杆、豆秸、木屑等。结果表明，产品收率12%～
16%，固体废渣不到10%。
6． 杆秸快速热解制生物燃料
山东科技大学在邹城工业园建成“杆秸快速热解制生物燃料”万吨级装置，以自混合下行循环流化床为热解
反应器。每2.5～3t玉米秸可得1t生物燃料，该燃料可直接用于燃油锅炉，也可以精制提炼后作为车用燃料，
还可以分离提取生产叶面肥、环保消雪剂、醋酸、四氢呋喃、可降解聚合物等高附加值的化学产品。
7． 生物质间接液化合成二甲醚
广州能源所以秆秸等农林废弃物为原料，在流化床气化生成H2、CO、CO2，混合气经净化，在重整反应器中
和沼气一起在催化剂作用下使H:CO达1.5，然后进入含催化剂的固定床反应器制得二甲醚。
五、生物质固体燃料
生物质固体燃料国内比较成熟的经验是生物质(主要是农作物秸杆等)直接用于火力发电，如麦秸用作生活用
能时燃烧效率只有15%，而用于生物质直燃发电锅炉燃烧效率达90%以上，而且更加环保，以年发电量1.6亿kW·h
计，每年可减少二氧化碳排放量10万t，燃烧后产生的粉灰还可作钾肥还田。截至2004年年底，全球生物质发
电装机已达3900万kW，可替代7000万t标准煤。据报道，到2020年，西方工业国家15%的电力将来自生物质
发电。2003年以来，国家发改委先后批复江苏如东、山东单县和河北晋州3个国家级秸秆发电示范项目，拉开了
我国秸秆发电建设的序幕。2006年12月，国能生物发电有限公司的山东单县发电项目率先投产，装机容量2.5
万kW，与小型火电站的发电能力相当。
我国年产水稻3.8亿t，在大米加工厂集中了大量稻壳，广东、江浙等地多年来将其用于发电，近年又有进
一步发展的趋势。据测算，2t稻壳的热能相当于lt标准煤，2～3kg稻壳可发电lkW·h。稻壳发电主要有“稻壳
煤气发电”和“稻壳蒸汽发电”两种技术路线。目前安徽舒城的友勇米业公司、毛集克福米面有限公司、肥西谷
丰粮油贸易有限公司、望江安徽联河米业公司等粮食加工企业，都通过引进稻壳发电项目，取得了显著的经济和
环保效益。
浙江兰溪市热电公司为解决燃煤供应问题，改烧生物质获成功。该厂利用福建农林大学的科研成果，将巨菌
草、象草等用作发电用燃料。巨菌草为一年生高大草本植物，对土质和气候要求不高，耐寒、抗冻，兼具保持水
土功效，可利用山坡地种植。产草期10～15年，亩产7.4t，1亩巨菌草的发电量相当于4t煤的发电量。
综上所述，以生物质为原料获得工业燃料有很多途径，必须视当地条件，因地置宜，选择研发和生产。