生 物 能

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什 么 是 生 物 能？

以生物质为载体的能量.生物界一切有生命的可以生长的有机物质,包括动植物和微生物.所有生物质都有一定的能量,而作为能源利用的主要是农林业的副产品及其加工残余物,也包括人畜分粪便和有机废弃物.生物质能为人类提供了基本燃料。
1 u- m+ x. N& S- ?, B) P% a生物能具备下列优点:
/ E+ S2 l" J* S2 Y, a& s0 h(1)提供低硫燃料，
(2)提供廉价能源(於某些条件下)，
* U3 p% T9 c# d; a- R(3)将有机物转化成燃料可减少环境公害(例如，垃圾燃料)，
(4)与其他非传统性能源相比较，技术上的难题较少。

) u* b# G5 x+ h/ d至於其缺点有:
(1)植物仅能将极少量的太阳能转化成有机物，
' Y8 s# P0 ~! I+ ](2)单位土地面的有机物能量偏低，
(3)缺乏适合栽种植物的土地，
(4)有机物的水分偏多(50%～95%)
   
生物能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式。它直接或间接地来源于植物的光合作用，其蕴藏量极大，仅地球上的植物，每年生产量就像当于目前人类消耗矿物能的20倍，或相当于世界现有人口食物能量的160倍。

1 |+ V4 n3 P, a- J* x3 O生物能的开发和利用具有巨大的潜力。目前主要从三个方面研究开发：
* J/ Y; P8 ?$ l- i; `- ?. F一是建立以沼气为中心的农村新的能量，物质循环系统，使秸杆中的生物能以沼气的形式缓慢地释放出来，解决燃料问题；
二是建立“能量林场”，“能量农场”，“海洋能量农场”。建立以植物为能源的发电厂。变“能源植物”为“能源作物”，如“石油树”，绿玉树，续随子；
7 N$ K$ Z* \3 g5 @9 M三是种植柑蔗，木薯，海草，玉米，甜菜，甜高粱等，既有利于食品工业的发展，植物残渣又可以制造酒精以代替石油。

生 物 能 资 源

    有机物的来源
' k( n4 n" F. m- `' k+ P+ v牲畜粪便:牲畜的粪便，经干燥可直接燃烧供应热能。若将粪便经过厌氧处理(anaerobic treatment)，会产生甲烷和可供肥料使用之淤渣(slurry)。若用小型厌氧消化糟(anaerobic digestor)，仅需三至四头牲畜之的粪便即能满足发展中国家中小家庭每天能量的需要。
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) W/ i1 ?' ]/ b8 w0 r4 y9 ]农作物残渣:农作物残渣遺留於耕地上也有水土保持与土壤肥力固化的功能，因此，农作物残渣不可毫无限制地供作能源转换。
& ~$ j/ t- o6 a1 Y+ U8 `柴薪:至今仍为許多发展中国家的重要能源，仍需依赖柴薪来满足大部分能量需求。不过由于日益增加薪柴的需求，将导致林地日减，需适当规划与植林方可解決这一问题。
0 e3 ^! @& _, ~3 ~制糖作物:对具有广大未利用土地的国家而言，如将制糖作物转化成乙醇将可成为一种极富潛力的生物能。制糖作物最大的优点，在於可直接发酵(fermentation)变成乙醇。

' {: I. X" @, r$ `% Q$ E# _0 c城市垃圾:一般城市垃圾主要成分纸屑（占40％）、纺织费料（占20%）和废弃食物（占20%）。将城市垃圾直接燃烧可产生热能,或是经过热解体(Pyrolysis)处理而制成燃料使用。
. g$ K0 g( g: b$ e2 t9 L9 F5 t城市污水:一般城市污水约含有0.02～0.03%固体与99%以上的水分。下水道污泥(sewage sludge)有望成为厌氧消化槽的主要原料。
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水生植物:利用水生植物化成燃料也为增加能源供应方法之一。
$ K7 u3 q6 o" R8 @' s$ g种植能源作物增加生物能:目前具有发展潛力的能源作物，包括： 快速成长作物树木糖与淀粉作物（供制造乙醇）含有碳氧化的合作物草本作物水生植物农林废料供应的能量是十分可观的。据Putnam氏的看法，将近全世界总消费量的20%，或约为木材贡献的四倍。在美国这些费料的热含量约为木材消费量的3.5 倍。但此等费料的收集、运输、及转变为可作商品的燃料要比现在石油产品的价格要高几倍呢。

能 量 转 化 过 程

一、生化转化过程 ：
1.厌氧消化
厌氧消化为一生化转化过程，依靠不需氧微生物将固体有机物转化成甲烷、二氧化碳、氢及其他产物，整个转化过程可分成三个步骤。
# M. |  j  ]% X- v6 B1 U* h/ C首先将不可溶复合有机物转化成可溶化合物；
然后可溶化合物再转化成短链（Short chain）酸与乙醇；
最后,二步骤的产物再经各种厌氧菌（不需氧生物）转化成气体，一般最后的产物含有50～80%的甲烷，最典型产物为含65%的甲烷与35%的二氧化碳。
其主要优点为可利用水分含量达90%的有机物，可小规模利用，淤渣能充当农作物的肥料。至于主要缺点为大量废水需适当处理，气体产品储藏费用高。
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2.乙醇发酵
糖类作物发酵可制成乙醇。一般所谓的乙醇整批制程（batch　process），先将发酵物（糖类作物）稀释至糖分约为20%（重量），且酸化至Ph4～5，再加入酵母菌（約５％，），再将液体施以分留和精炼。一般2.5加伦糖或5.85 公斤糖（约　2184Kcal）可制造１加伦的乙醇（3.79升，21257Kcal），因此在整个发酵过程中几无能量损失。
若使用淀粉作物（例如，玉米、大麦）做发酵物，必须先将淀粉转化成可发酵糖分，然后再进行发酵。可供发酵制造乙醇的作物，包括甘蔗、番薯,甜菜等。
' x3 f2 `, Q' m; _' K' C! l" V由作物发酵生产乙醇的费用约为每公升0.34美元，其高生产成本是由于制程为整批式而非连续的，最终产物（乙醇）含有酵母需再精炼处理。这种产量不足以克服高度工业化的需求。现在美国的消费量将近30亿桶，以能含量计约为四十亿桶的酒精（酒精的热能约为汽油的70%）。在美国木材地区此等数字作比較，总计约为70万平方里（＝1.8百万平方公里），其三分之一即约16亿亩是有的卖的，且实际可用的约为35亿亩，我们认为，像美国这样的国家的燃料需求还不能由发酵酒精來克服。
, Y0 S6 M& k4 F. Y  E二、热化学转化过程
1.热解：
# _- F/ @4 D9 p* y热解也称为干馏（destructive distillation），指在缺氧条件下的加热作用。将有机物热解会产生气体、液体与固产物，大多数热解气体（pyrogas）的主要成分为H2、CO2、CO、CH4与少量碳氢化合物（例如，乙烷）；热解液体一般含有乙醇、醋酸、水或焦油（tars）等；至于热解固体残余物含有炭（例如，木炭）于灰分等。
9 Y4 P- t# c/ E: r热解过程包括下列处理程序:原料粗碎，烘干粗碎原料，去除杂质，原料细碎，热解，冷产物，储存与分配产物。热解加热过程中，固态有机物一般于300℃以上开始进行热解，某些催化剂（例如，氯化鋅）可降低热解反应的起始温度。此类热解反应非常复杂并且产物成分常随热解原料与反应状态有很大变化，通常低温与緩慢加热可产生大量固体产物，而快速加热与高温将产生较多气体产物，操作温度也会影响气体产物的品质。假若引入空气以维持燃烧，气体产物物含有大量的氮，此氮成分将会形成氧化物，因而降低气体燃料的热含量。
薪材热解作用一般指在大气压和200℃～600℃温度之间进行，在此状況下典型的产物包括：木炭30～35% 有机液体18～20% 气体20% （产品重量相对与干燥源料的重量） 如果将薪材加热至1100℃ ，热解作用依然存在。在此状況下，大部分液体与固体分餾物将进一步分解，故有较多气体产物产生.
* a6 ^/ t4 D- P5 [气化： 有机物的气化是热化学反应將固体燃料转化成可燃气体。完全燃烧必须发生在有充分氧气的狀況下，而有机物氧化作用則必须在氧气不足的狀況下进行。
氧化过程的主要反应为：
C+ 02 CO　放热　　　　　　
C+H2O CO+H2　　吸热 　
: ?2 u0 `3 g/ x& ]/ c$ l3 hCO+ H2OCO2+H2　放热
5 Y4 b9 w% s( {, U" X+ }8 jC+2 H2 CH4　　　放热
3 [% |! T. s; c/ E2 j+ _1 [* Y最简单的氧化作用方式为空气氧化（air gasification），有机物在有限量空气之下进行不完全燃烧反应。空气氧化炉构造简单、价格便宜並且可靠性高，主要缺点在於所产生气体被空气中氮气所稀释，因此气体产物的热值低，经济效益不高。

2.液体燃料制造
直接液化
使用CO或H2作为还原剂，於高溫高压下將有机物直接氧化，且均产生油狀液体产物，其可再分馏而充当燃料使用。
间接液化
* o" d5 c8 m0 A% z# ]4 M将有机物间接液化的主要方法，采用合成气体制成原料。而最先发展的间接液化法是处理煤气液化。
A.合成气体制成乙醇:
6 P( I  [# y' ~+ ]" O, k6 w0 }6 f& E此过程在石化工业上应用极广，多用作乙醇制造。目前可行方法很多，其中最易的方法是将H2与CO在高温（约300℃）与高压（约　100Atm）下结合，並使用催化剂。反应方程式为：催化剂　CO+2 H2 ──CH3OH （合成气体）　（乙醇）　此法自薪材提炼乙醇，产率约为360公斤／吨薪材，能量转换效率约在30～40%之间。显然乙醇热含量（ 19.8GJ／吨）低于石油燃料（43.7GL／吨汽油），但其仍可用于发动汽、柴油机。
0 _+ ?4 L. c  e. ~9 H6 @1 m3 bB.Mobil法:
2 H6 h& H: p9 f/ _若利用Mobil法可将乙醇转化成高辛烷值汽油，因此可免修改引擎。此方法在试验室內己获证实，转换效率可达90% 。紐西兰目前正筹建一座日产量12500吨合成石油工厂，可将天然气转化为乙醇。
C Fisher-Tropseh法:
Fisher-Tropsch法利用催化剂将合成气体制成碳氢燃料。此法发明于1920年，而二次大战时盛行于德国，以制造合成燃料，今日南非利用此法以转换煤碳，但产物复杂,目前正研究寻求适当催化剂以使产物化单纯化。此法若改采用有机物做原料，则产物的硫含量较低。
目前研究中之另一有机物间接液化法，是将热解气体制成合成石油，其未来发展潜力被看好。此技术称为「China lake process」，其采用先进的「快速热解」步骤，它比标准热解法可产制含较多幣屬烴（olefins）的气体产品。此气体产品再经压力聚合成高分子量碳氢化合物，经精炼后即可成为有用燃料。据估计总转换率有22%。
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" `- F% J: ]( {' Q# L' Y0 d7 c% m沼 气 利 用

    沼气:有机物在厌氧条件下被微生物分解发酵生成的一种可燃性气体.有成生物气其主要可染成分时甲烷,含量占60%左右,此外,二氧化碳占40%左右,以及其他微量成分.沼气在农村有广泛的应用,探索出多种沼气利用技术,下面是几个应用例子:
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# V0 f) e! J3 b, h0 a一、猪场粪便沼气发酵处理技术背景与意义
8 s/ q0 M& {+ H2 E# H4 D2 p随着人们物质生活的日益改善和外向型农牧业的发展，我国畜禽养殖业集约化生产近十年来发展迅速，每个大中型畜禽场日排放粪水上百吨，严重危害城郊环境卫生，同时成为阻碍养殖业持续稳定发展的重要因素。猪粪水是一优质有机肥源，早先融合于传统农业生产中，进入良性生态循环，它又是一种良好的生物质能资源，通过沼气池发酵回收生物质能沼气，已为人们熟识，而且回收沼气的过程不仅能够保持粪水的肥料成份，还可以增进肥质的速效化和腐殖化。农业的集约化生产在显著提高效率和效益的同时，不幸伴随着大农业生产良性生态循环体系的肢解。集约化畜禽业生产与农业生产脱离，大量的粪水资源未经妥善处理而任意排放，而成为社会注目的公害，因此对集约化猪场粪便污水进行处理意义重大。
　　
7 b6 y) S! w/ E% o, x技术原理：通过对集约化猪场粪水进行包括固液分离段、制肥段、厌氧两步消化段和好氧处理段在内的处理过程，实现猪粪水的综合处理，充分回收资源。
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技术关键：固液分离技术，厌氧消化过程，好氧物化处理。
4 O% C, e' B$ e; U' x1 X
, x; u4 i& }0 r4 i) \9 F: i优缺点评价：(l)从资源回收、综合利用和产品水水质商品化出发，优化组合相关的科学技术，不仅能获得较高的能源、生态和环境效益，而且可获得可观的经济效益。(2)因各工艺段的衔接点均设有缓冲环节，运行中能够充分承受猪场粪、水量和 pH等的冲击，确保系统高产能运作和获取稳定的优异效果。
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技术指标及要求条件：日处理存栏6500—7000头的猪场全部粪水100—200吨旧，日产沼气约300立方米和商品化有机复合肥约1．5吨。主要设备：产酸池、调节池、物化滤池、接触氧化池、腐化塔、晒道、干燥房。养猪、产气、积肥多功能户用沼气池建设技术背景与意义。

  A/ M$ t6 I* n& p3 h二、户用沼气池技术背景与意义。
+ z8 R6 p- c& O1 W7 K我国目前的农业生产形式主要以户为单位，大多数农户既经营种植业也经营养殖业，而户用沼气池以农户生产和生活中的废弃物作为发酵原料，制取沼气及多种厌氧消化产物，从而解决了农户生活用能，并满足生产中的某些需求，所以建设户用沼气池在我国具有良好的发展前景。本项技术旨在设计一种实用性强、便于管理的饲、气、肥多功能沼气及相应配套工艺。技术描述　
技术原理：针对水压式沼气池进出料难，冬季产气率低和农村能源、饲料、肥料缺乏等问题并结合庭院经济的发展和卫生状况设计，冬季利用塑膜温室为沼气池和猪舍增温保温，使沼气池正常运转，猪安全越冬。夏季利用棚架种植瓜豆、葡萄，为猪舍遮荫，使猪舍冬暖夏凉。
技术关键：池型结构，塑膜温室的建造，秸秆酸化和粗饲料预处理。

  Q; ]% X6 P1 p优缺点评价：(1)投资少、见效快、实用性强，便于施工管理，综合效益好；(2)秸秆不直接人池，解决了沼气进出料难的问题；(3)除贮粪池外，其它设备均设在猪圈内，猪舍冬暖夏凉，实现了能源、饲料、肥料种植、养殖、环保多位一体的良性循环。
技术指标及要求条件：
8 m: ~) g0 F  f+ V(l)产气率： 0.3—O.5立方米／立方米·天；
(2)用气时间：10-12个月；
(3)酸化池容积 1立方米，粗饲料预处理池容积0.2立方米；
(4)贮气罩容积：接日产气量的50％设计，其它参数接国标池要求设计。每间猪舍长4米，宽3米，四面墙体中空8—10厘米，填充保温材料(珍珠岩粉或蛭石)，前墙高90—100厘米，下留出水孔，后墙高180—190厘米，上部留一小窗，下留通风孔，中校高230厘米。圈后设走廊，宽70厘米，前墙拱架用竹木搭成，采光材料用普通白塑膜，夜间用草帘保温。猪舍地面南高北低，斜度5’，水泥混凝士浇注，厚3厘米。l1月底或12月初扣棚，4月初拆棚。夏秋为自然温度发酵，冬季在猪圈上建温室为沼气池增温保温。启动原料为牛马粪，启动后以猪粪为补料，配以人粪尿、秸秆酸化水、粗饲料浸泡酸液等，3—5年大换料一次。资金条件：全套设备一次投资1300元。主要设备：主池、秸秆酸化池、粗饲料预处理池、溢流管、进料口、贮气罩、厕所。
使用沼气应注意哪能些安全问题：
3 a. g) P  _3 N& v0 s% n1.沼气是广大农村目前正大力推广使用折一种新能源，但由于沼气池是密封的，空气不流通，缺氧气，所以应严禁轻易入池，以防止中毒窒息。
进料时，只能从进料口和活动盖口进料。确需下池换料、出料或维修沼气池时，须打开进出料口和活动盖，三天后方可下池。
; l0 L) W2 ]1 S6 {3 X下池前，为防万一，可选取放一只鸡或鸭入内。观察数分钟，如发现池中鸡鸭出现窒息反应，则说明池内沼气多氧气少，千万不能入池。
+ q) v) D9 O. R4 m! A2 m下池时，池上要有专人看护，下池的人可腰系绳子，如发生中毒窒息征兆，可及时拉出池外。另外，应特别注意不要放含磷高的原料（如菜籽饼、棉饼、磷肥等）入池，因这些原料在池内易产生剧毒气体，会导致人中毒死亡。
2.防止池体爆炸。
( a  f! e! Z$ H0 W沼气如在沼气池内遇火燃烧，极易引起池体爆炸，因此，严禁在活动盖口和导气管口点火，否则易将火引入池内，使池内气体燃烧，引起爆炸。新建的沼气要在水泥达到强度以后才能进水试验。进水速度要慢，特别当水已封门时，不能用抽水机进水，以免进水速度过快，池内压力急速上升而胀破池体。另外，还应定期检查并排除输气管内的积水，否则积水过多，会使池内气压被积水阻隔，不能正常反应在压力表上，就有胀破池身的危险。
3.防止火灾烧伤。
在用沼气煮饭炒菜时，要先擦燃火柴，再扭开沼气开关。如先扭开关后点火，沼气充满灶内，遇火易烧焦头发、眉毛，烧伤皮肤。在出料或维修沼气池时，千万不能点蜡烛、油灯等明火进池，只能用手电，池内切忌吸烟。在沼气池、导气管、输气管周围严禁烧火，特别不能让小孩在进出料间附近玩火，以免发生火灾。当闻到室内有臭鸡蛋味时，说明有沼气泄漏，应立即打开门窗，让室内空气流通。此时，绝不能在室内点火，要尽快关掉总开关，找到漏气设备的管理，如输气管因鼠咬或老化破裂，要及时进行更换。