第18卷第6期世界林業(yè)研究Vol 18 No, 62005年12月World Forestry ResearchDec, 200.生物質能源概述馬常耕蘇曉華(中國林業(yè)科學研究院林業(yè)研究所,北京1001)摘要:生物質能源是倍受世界各國重視的可再生能源。文中介紹了生物質能源的優(yōu)越性、多種轉化技術體系、類別及性能。還看重介紹了木本植物營養(yǎng)體中的組成成分,指出藥約經(jīng)營短輪伐期喬灌木能源林是發(fā)展生物質能源的基礎。同時針對世界生物質能源樹木遺傳改良研究現(xiàn)狀和存在的問題,提出了我國生物質能源研究的建議。關鍵詞:生物質能源,樹木遺傳改良,建議中圖分類號:S727.4文獻標識碼:A文章編號:1001-4241(2005)06-0032-07The Review on Issues of Biomass Quality EnergyMa Changgeng Su XiaohuaResearch Institute of Forestry, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, ChinAbstract: Biomass quality energy, a kind of renewable energy, has aroused great attentionworld. The advantage, conversion technical systems, types and properties of this kind energy areduced in this paper, In addition, the vegetative components of wood plants are also presented inils, and the basic status of short rotation, intensive culture in biomass energy development is indicatedas well. Meanwhile, advices for the biomass research in China are proposed according to the current re-search progress and existing problems in the genetic breeding for biomass quality energy in the worldKey words: biomass quality energy, tree improvement1生物質能源的優(yōu)越性發(fā)展的優(yōu)先領域。這充分體現(xiàn)了可再生能源的開發(fā)將成為我國基本能源國策。生物質能源比在包括太陽能、地熱、風能、水能(水流、其他幾種再生能源有更大的群眾參與性、多形潮汐、熱對流等)和生物質能的各種可再生能式的可轉換性和相對較少的開發(fā)投入性,這是源中,相對來講生物質能源的地區(qū)性限制和可在多種形式的再生能源中生物質能源被國家優(yōu)控制性均比其他種類的再生能源有更多優(yōu)勢。先給予考慮的原因。從全世界范圍看,生物質凡是有陽光和水的地方均可通過人工集約培植能源利用在各種形式的可再生能源利用的總份獲得生物質,并以多種形式將其轉化成清潔、額中所占比重也最大,北歐一些國家已有大范便于貯藏、運輸?shù)目稍偕茉?。由于其比較優(yōu)圍把生物能源轉化成電力的經(jīng)驗。勢較多,生產成本又低,所以近數(shù)十年來倍受概括起來,生產生物質能源時要吸收大量世界各國重視。溫室氣體,有利于改善環(huán)境,生物質能源材料我國在2005年2月28日頒布了中國可再生雖因含氧量高,燃燒值低(只相當煤的1/2,燃能源法,其中第4條規(guī)定:國家將可再生能源油的1/3),但熱解時揮發(fā)分高,可大量轉化成的開發(fā)利用列為能源發(fā)展的優(yōu)先領域。第12條高中國煤化量比煤、燃油低,研究和產業(yè)化發(fā)展列為科技發(fā)展與高技術產業(yè)能隊克。 CNMHG,故應加強生物質又說:國家將可再生能源開發(fā)利用的科學技術屬收稿2005-09-15第6期馬常耕蘇曉華:生物質能源概述2生物質能源的多種轉化技術體系近代用產氫細菌發(fā)酵產氫,無需光源,可連續(xù)穩(wěn)定產氫。由于氫是最清潔能源,故產氫菌發(fā)概括起來,生物質能源轉化技術和產品如酵制氫工藝倍受關注,并獲得實用成果。相關圖1所示菌種的篩選和遺傳改造是生物轉化研究的熱點之物理轉化固體成型燃料在現(xiàn)今化石燃料緊缺和價格居高不下的情然料油況下,生物質的熱解氣化、液化和發(fā)酵制氫等木焦油、木酷液已成為工藝研究的重要領域之一,為生物質能卡熱解木煤氣源開拓了廣闊前景。木炭3生物質能源的類別及性能熱化學轉化+氣化一合成氫氣粗略地依能源主體特性把生物質能源原料木煤氣分成:氫氣(1)草本植物——低密度營養(yǎng)體的利用間接液化甲醇(2)木本植物—木質營養(yǎng)體的利用卡液化乙醇(3)富含油植物—種子或營養(yǎng)體中富含直接液化化工產品油脂物質的利用。燃料油(4)富含糖植物—種子或營養(yǎng)體中富含≯直接燃燒高壓蒸汽淀粉、糖類的利用。熱氣流(5)動物(家畜、家禽)糞便——消化后水解及發(fā)酵卡生物轉化的殘存體,成分因動物而異生物發(fā)酵甲烷、氫氣這5種生物質能源原料中所含成分,基本上可分成如下幾類:它們對能的轉化技術有不圖1生物質能源轉化技術和產品同的相宜性,因而主體轉化產品也有不同氣化:在高溫缺氧下與氣化劑反應生成小灰分:由礦物元素組成,但不同植物分子可燃氣體的組成元素可有較大不同,如禾本科草類不僅液化:用熱化學方式將生物質轉化成液體,含灰分比木本植物高,且其中SiO2更多。其中間接轉化法是將生物質先熱解成氣體,然(2)多種揮發(fā)物質:各種芳香族揮發(fā)油后再液化,或者用水解和生物發(fā)酵相緒合的方萜烯類。法,把生物質中的纖維素及半纖維素首先轉化(3)木素:主要為碳氫化合物,屬聚酚類成單糖或多糖,再經(jīng)發(fā)酵形成酒精,而直接液三維網(wǎng)狀高分子聚合物。苯丙烷為其基本結構化法是在高溫高壓下通過催化劑生成液化油,單元,又分3種基本結構,即愈創(chuàng)木基(針葉以供作汽車燃料。樹木素的主要組成)、紫丁香基(闊葉樹木素的熱解:是在少量給氧或不給氧的熱力作用主要組成)和對羥苯基(禾草類)。木素本身屬下,使生物質分解轉化成氣、液和固體三相物難熱解物質,熱解時得炭率高,它又影響纖維質。其中氣、液相物質可制成燃料油,固體則素的水解。為木炭。(4)碳水化合物為基礎的纖維素:纖維素固化:在高壓下通過生物質中木素的塑化為不溶于水的均一聚糖,其基本結構單元為D粘合把疏松的生物質壓成密度極高的成型材料,-吒中國煤化工),由成百成千以便利用、運輸、貯藏和高效率的燃燒這種CNMHG為(CH0O3)n,生物發(fā)酵:是最古老的,也是最新的一種與木素比,它含較多的氧元素,更適合水解發(fā)生物質能轉換技術,傳統(tǒng)的有發(fā)酵制酒和沼氣。酵生產酒精,直接燃燒時熱值低。世界林業(yè)研究第18卷(5)半纖維素:是植物質原料中除木素、合的轉化技術方法也不相同。在熱解中纖維素纖維素、果膠以外含量較高的一種不均一聚糖,和半纖維素的得炭率低于木素,而溶解焦油得由2種或2種以上的單糖結合而成,以聚戊糖率卻高些。為代表。主要結構單元有ⅠD-木糖基、D-甘露糖基、D-葡萄糖基、D-半乳糖基和L-阿4木本植物營養(yǎng)體中的組成成分拉伯糖基等,一般闊葉材和草本植物中的半纖生物質能源以木本植物為主體,所以有必維素高于針葉材,針葉材葉的木素含量又高于要了解木材的主要組分:前者,故針、闊葉材的能轉化產品不同,最適尢機物(灰分)少量組分十一有機物可揮發(fā)物(芳香族、萜烯、脂肪族化合物)木材果膠、淀粉等產碳水化合物化一廣纖維素(主體成分)主要組分半纖維素(中到少量)碳氡化合物—木素(少到中等)圖2木材的主要組分表13類主要生物質原料的組成特點成分針葉材閼葉材草木植物纖維素半纖維素其中葡萄糖一甘露糖木糖木素灰分1.0以下1.0左右1.010以上通常,樹木干材的纖維素多于樹枝和樹皮。糖及各種提取物又低于樹枝和樹皮,所以樹皮相反,灰分木素、聚戊糖、聚甘露糖、聚半乳在材積中所占比例影響生物質能的轉換效果。表2木材主要成分的元素構成(干重)%組分N灰分纖維素0.00半纖維素0.00木素0.00表3不同樹種木素熱分解的產物夢(干重得蜜產物名稱中國煤化工楊木ICNMHG反應水15.75第6期馬常耕蘇曉華:生物質能源概述續(xù)表3產物名稱松木云杉揚木酸類甲醇丙酮0.27氣體7.06木焦油13.8損失4.131.48表4纖維素和木聚糖(半纖維素]熱解的產物比較(干重得率產物纖維素鄰乙?；揪厶悄咎?0.010.0反應水14.0乙醛1.52,41,0呋喃0.7甲醇糖醛4.58.0焦油及損失49,0由于纖維素和半纖維素均屬高聚糖,所以熱解產物近似5短輪伐期集約經(jīng)營喬灌木能源林是發(fā)方面均已取得巨大成就,但本文將不對此加以展生物質能源的基礎引述。目前存在的關鍵問題是,轉化加工工藝的產業(yè)化和比較經(jīng)濟效益的不斷提升,使生物生物質能源材料雖多種多樣,但主要仍為2質能源由理論的可能性過渡到產業(yè)化可行性方大類,即工農業(yè)生產的廢棄物和有目的人工培面來。植的能源林。后者雖然比前者成本高,但由于我國過去曾有薪炭林方面的研究,內容著生物質生產過程會吸收大量工農業(yè)生產所排放重生物量的高產栽培技術和模式,用途也限于的CO2,又有水土保持、污染土壤生物修復及薪柴利用,當屬狹義的生物質能源研究。今后景觀維護等效應,所以環(huán)境-生態(tài)效益大于其應強化高水平轉化利用樹種的選擇和產量提高他形式的可再生能源。它集環(huán)境、資源和經(jīng)濟及品質的改良效益于一體。故在條件允許的情況下,應優(yōu)先開發(fā)木本生物質能源,樹種則以廣適性、低經(jīng)6生物質能源樹種的遺傳改良問題營成本的為宜。國內外在該領域的研究還相當有限,所涉人工專門培植生物質能源的最基本目標是及的樹種更少。在生物質能源發(fā)展的早期,學單位面積和單位時間有最高生物量的產出,即者們把主要注意力放在相應樹種的選擇和通過低成本生物質能源原料的獲得,故在相當長集約耒中國煤化工量生產力方面段時期,研究者都把尋找更適合做能源經(jīng)營的但以CNMH〔夜體和氣化燃料樹種和如何提高其生物質產量作為研究的重點。轉化利用中,原料的化學和物理學性質有重要而利用研究則集中在轉化技術和工藝方面。這2意義,即生物量加工的效率極大地受對原材料世界林業(yè)研究第18卷的化學和物理學性質的認識和開發(fā)水平的影響概括起來,在生物質能源的遺傳改良中要由遺傳性決定的原料性質(組成成分)影響著考慮如下幾個性狀:①樹皮和木材的比率;②所有的轉換加工工藝和目的產品。生物化學加纖維素含量;③提取物含量;④木材比重;⑤工轉化主要受原料的化學性質的影響,物理性木素含量;⑥熱值等。質則更多影響著熱化學的轉化加工,如原材料61樹皮與木材的比率的密度、原料中硫和無機固體物含量對生物化樹皮和木材比率之所以重要,在于二者的學和熱化學轉化均有影響。木質密度影響著單化學成分含量有很大不同,這可以楊樹為例位材積中碳水化合物生產潛能,后者影響到環(huán)(表5)。境的污染和廢棄物產品。高水分含量原料對生研究認為,樹皮與木材的比率受遺傳和造物化學轉化加工有益,低水分含量原料對熱化林措施雙重影響,在對110個楊樹雜種無性系1學轉化加工更好些。低木素含量,特別是癒創(chuàng)年生萌條的研究中看到,此比率變動在18%木基對紫丁香基的比率低的木素,提取物低及3%,此比率與樹體大小呈指數(shù)降低。在20個灰分含量低的原料更適合生物化學轉化工藝,柳樹無性系的1年生萌條上看到,樹皮-木材對熱化學轉化則關系不大,原料的能含量與木比率變動為22%~40%,年均為283%,樹素和提取物含量密切相關,這2類含量高的原皮含量在無性系內變異較小料更適合直接燃燒利用。表5楊樹樹皮和木材的化學成分材料綜纖維素木素提取物樹皮木材62木材比重值,這是文獻中常論述的指標,由傳統(tǒng)燃燒所在材積一定的情況下,木材比重與干物質產生的熱值屬低熱值,就目前文獻資料看,眾產量成正比。研究看到,木材比重的遺傳力甚多樹種的熱值相似。高,在楊樹上看到18個3年生雜種楊無性系的在10個雜種楊的研究中,氣干材熱值變動木材比重變動范圍為0272~0.368gcm3,平均在182~20.7K/g(即4347~494 kcal/ g)。差為0.34gm3。在另一項對35個2年生雜種楊的別達14%。還看到,以美洲黑楊為親本時,熱研究中看到,木材比重變動在0234-034gm3。值比以銀白楊為親本時高些,但也有學者在30在有75個美洲黑楊3年生材料的研究中,木材個雜種楊和35個柳樹無性系的熱值研究中未看比重變動在07-0.39g/m3,平均0.33gcm3。到無性系間有很大差別,柳樹只有3%的差異在柳樹上也看到,無性系1年生木材比重的位不過遺傳力卻高達H=0.74,在用相同無性系次連續(xù)3年內是穩(wěn)定的,盡管年齡對木材密度(楊)所進行的不同種植密度研究中也未看到熱有很強影響,即樹齡、枝齡越高,比重也越大。值有大的差異,證明了本性狀的遺傳穩(wěn)定性研究看到,美洲黑楊75個無性系3年生條楊、柳的種間和種內熱值變異很小,所以的木材比重廣義遺傳力為0.62,30個美洲黑楊直接選擇本性狀的遺傳增益很小。半同胞木材比重的狹義遺傳力為0.747,因此應64提取物把木材比重作為一個育種目標來考慮。取物早嬤在太材和杜皮中都屬微量成分6.3熱值中國煤化工中卻起著重要作用木質生物量的直接燃燒在目前仍是生物量CNMHG所做的75個幼齡雜利用的主體,所以其熱值就成為重要的研究性種楊無性系的提取物測定中看到,提取物含量能,在控制條件下完全燃燒所產生的熱為高熱變動在17%~26%,含量之所以如此高可能與第6期馬常耕蘇曉華:生物質能源概述37幼齡萌芽條的樹皮比率相對較高有關。成齡毛不大,也不受造林株行距的影響。在75個3年果楊和香脂楊無樹皮木材的提取含量研究看到,生美洲黑楊無性系的研究中,綜纖維素含量的毛果楊的含量明顯低于香脂楊的含量,心材和變異值約為a-纖維素的1/2,且廣義遺傳力也邊材皆如此。香脂楊邊材中的提取物含量要高僅0.08,所以認為,對綜纖維含量作育種改良于心材中的,但未看到提取物含量有樹高和樹是無效的;而a-纖維素的遺傳力可達034,對齡上的變化模式。在刺槐上也未看到總提取物它改良還是可能的。2種纖維素含量都與木材比含量有因樹高而產生的變化,不過苯-醇提取重成正相關,但表型相關都很低,表明環(huán)境對物及熱水提取物卻因樹高而不同,前者與樹高這2個性狀有強烈影響變化成反相關,后者則成正相關。結晶纖維對非結晶纖維的比例,對原料是對13個成齡美洲山楊無性系的研究看到,否適合生物化學轉換是纖維素特征中最為重要提取物含量變動在34%~49%,在各種楊樹的。葡聚糖和木聚糖的量是控制木質生物量酶中看到此性狀的無性系間變異達13%,不過遺水解成乙醇中最關鍵性的生物質性狀,找到有傳力卻不高。還看到提取物含量與生長快慢成高纖維素和淀粉含量的物種,對提高由生物質負相關,所以選擇速生基因型會導致提取物含得到可發(fā)酵糖量是重要的,但也看到這些性狀量的下降。可能與不需要性狀間存在相關。對18個親本不在柳樹上看到,柳樹無性系間木材的總提同的雜種楊無性系的各種木糖含量研究看到取物含量差異不顯著,平均約10%。但不同提除半乳糖之外,無性系在其他類的糖含量上均取物成分卻存在差異。樹皮的總提取物含量變有明顯差異。與a-纖維素含量有很強度相關的動在31%-39%,無性系間有顯著差異。葡萄糖濃度變動在42.3%~51.6%,平均在楊樹雜種中看到,提取物含量與組織類46.8%,而作為半纖維素含量指標的木糖濃度別和組織年齡相關,樹皮達4%,帶皮材為變動在167%~21.5%,平均19.5%。以歐洲l%,木材中只5%。含量又與組織年齡成負相黑楊作為親本之一時葡萄糖濃度明顯低些,但關。同時還看到提取物含量與立地有互作,劣也有一組歐美楊的木糖濃度低。盡管也看到無質立地(生長慢的)提取物含量比生長快立地性系間在阿拉伯糖和甘露糖含量上變幅甚大上的要高些。但從育種角度看其值還太小。就現(xiàn)有的文獻資看來有可能通過選擇育種改良提取物含量料看,由于綜纖維素和a-纖維含量變化值不水平,不過由于其遺傳力低,遺傳增益可能不大,所以通過育種能獲得的遺傳增益是小的會很大。6.6木質素65纖維素類木素中含高比例的碳元素,且在木質生物綜纖維素是人們希望通過能轉換由木材得量中其含量又較高,所以它對原料的能含量是到乙醇燃料的關鍵成分,而a-纖維素對制漿造重要的,但由于它包圍在纖維素之外,卻又影紙又最關鍵。因此相對于木素、提取物和灰分響生物質的水解效率。故木素的含量對原料的含量講,生物質原料中這2種多糖物質對單位能轉換和化學提取加工物有一定影響生物質可能產生的乙醇和紙漿至為重要。一般白楊派木素含量低,故纖維素含量要有報道說,毛果楊無性系的綜纖維素含量高于黑楊派。在楊樹和柳樹的不同無性系中都變動在793%~857%,a-纖維素變動在看到木素含量上的較大遺傳變異,所以在育種398%~50.1%。而所研究的16個柳樹無性系項目中木素是個要考慮的性狀。但有學者看到的a-纖維素含量變動在36.12%~41.56%。樹美洲美洲山楊、大齒楊和銀白楊的天然皮中的綜纖維素含量很低。在楊樹萌芽條材生成齡中國煤化工種楊的木素含量產中看到,優(yōu)質產地上生長的楊樹含的a-纖維變幅CNMHG是有限的。對13素要高些,但不同伐輪間含量差異不顯著?？倐€不同種的柳樹無性系所作的研究表明,總木的講,a-纖維素和綜纖維素含量對立地敏感性素含量變動在22.1%~28,3%,平均25.7%,38世界林業(yè)研究第18卷其中酸不溶木素(Kaon)的變幅為198-在現(xiàn)階段大面積粗放經(jīng)營應占較大比重,采用26.1%,酸溶木素的變幅為21%~23%?？墒裁礃浞N和經(jīng)營模式要以經(jīng)濟收報為指導原則。見同種不同無性系和不同種柳樹的木素含量存次種植、多次多年收獲的萌芽作業(yè)體系在明顯變異。研究所用無性系(基因型)的多應是能源林的主體方式,萌發(fā)力應是樹種和基少和它們起源多樣性程度均影響到所測成分差因型選擇的重要依據(jù)。要依經(jīng)營能源林的樹種異的程度。所以很難由已發(fā)表的論文來肯定木特性,特別是生物質的化學和物理特性,為其素性狀改良的可行程度,研究還未看到木素含選配最有效率的能轉換方式,所以能源轉換方量與木材比重間有什么相關關系。式研究也應是多樣的。67其他生物質能源樹種的遺傳改良在我國還是一對100個雜種楊無性系的1年生萌條灰分個空白,它在整個生物質能源開發(fā)中的地位應含量的分析看到,木材和樹皮混合樣中的灰分加以探討。當務之急是先為各生態(tài)區(qū)選定一批含量變動在1.5%~3.3%,存在明顯的無性系能源樹種,然后開展種內相關性狀的遺傳變異間變異。但由于因立地間養(yǎng)分可得性不同,此研究,以了解其改良的潛力和確定改良策略性狀可能存在基因型與環(huán)境間的互作。也看到除與能量直接有關的性狀外,抗逆、廣適和強無性系在硫含量上有3倍之多的無性系間變異,生長勢及高生產力依然是研究改良的重點性狀。即在0.3837~0.969mg。無性系間氮含量差異這項研究也必須與能轉換技術開發(fā)者密切協(xié)作也在2倍左右,即5.0~10.89mgg。由于有如深入認識生物質材料的化學和物理性能與未來此高的變幅,可以推斷能選育出營養(yǎng)高效和低能轉化產品的產量和質量以及與最佳轉化技術污染性能的楊樹無性系。在若干雜種楊木材液的關系。同時也要找到快速高效評價生物質原化時所生成的木油中含有非常高的單酚物質,料能量的技術,把市場、實用性和比較效益作在以歐洲黑楊為親本的一些無性系中單酚物質為研究的起始點和落腳點。含量高達17%,而一般闊葉材中此物質含量低參考文獻于5%。此等高單酚物質含量意味著可提取它用蔣劍春,等,生物質能源研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景,林產化學與以生產粘合劑、塑料等,使原料產生的經(jīng)濟價工業(yè),2002,2(2):75~80值會更高。2黃寶圣我國生物質能源開發(fā)展望.太陽能,209,(1):20由于楊樹木材用于制漿造紙的比較效益可能比作生物質能源要大,所以把楊樹作為能源3匡廷云,等,生物質能源技術前瞻.太陽能,2004,(4):7樹種能否被市場接受應加以考慮。4宋春財,等,生物質熱化學液化技術研究進展,太陽能學7我國生物質能源研究的若干考慮報,2004,25(2):243-2485 Kenmey W A, et al. A review of biomass quality research relevant to我國地域遼闊,氣候多樣,植物種類十分the use of poplar and willow far energy conversion. BiomasS, 1990,豐富,不同氣候區(qū)和立地應有各自最適宜的喬21(3):163+1886 Blankenhorn P R, et al. comparison of selected fuel and chemical灌草能源物種,不能像歐、美一些高緯度地區(qū)content values for sever Populus hybrid clones. Wood and Fibe國家受樹種局限。在物種選擇上要喬、灌、草1985,17(2):148~1并重,因地而異。在能源林經(jīng)營模式上也要以yer W A Biomass and gasification properties of young Populus面積廣的粗放經(jīng)營和小面積上集約經(jīng)營并舉。clones.Wood and Fiber Sci, 2000, 32(3): 375-384中國煤化工CNMHG