生物质能是蕴藏在生物质中的能量,是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而储存在生物质内部的能量。秸秆通过热解液化制成的棕褐色、黏稠的生物油点燃后,红色的火焰火光四射,热浪灼人。通过木屑、稻壳、玉米秸秆和棉花秸秆等多种原料进行的热解液化试验表明,木屑产油率达60%,秸秆产油率达50%,生物油热值达18兆焦/公斤。
生物质在完全缺氧情况下通过快速加热和快速冷凝可以转化为一种称为生物油的初级液体燃料,产油率可达60%,副产物焦炭和可燃气燃烧后可为热解提供热源。制成的生物油,可作为燃料直接在燃油锅炉和工业窑炉中燃烧使用,精制提炼后可作为汽车燃料使用,还可以分离提取高附加值的化学产品,不仅能够增加农民收入和变废为宝,还可以解决农民焚烧造成的环境污染问题。
由于秸秆中含有纤维素和半纤维素等成分,因此可以通过一定的方法,如物理、化学或生物学方法进行处理,使其转化为可燃性的液体燃料(醇类、可燃性油)或其他化工原料进而使用,即为秸秆液化。
根据秸秆液化方式的不同,主要分为直接液化、高温高压液化。根据液化目的不同,秸秆直接液化有两种方式:一类是反应产物保留植物纤维原料的大分子结构,主要目的是制备天然高分子材料;另一类是破坏原料的大分子结构,将植物纤维原料转化成小分子后再加以利用,如生产乙醇等。应用最多的为后一种,由秸秆生产乙醇主要包括预处理、水解和发酵三大步骤,预处理主要是通过物理、化学、热解以及生物法等破坏木质纤维素的结构,分离或脱除生物质中木质素,增加生物质的孔隙率,提高接触比表面积和酶对纤维素的可及性,从而提高转化率。预处理后的秸秆物质在一定温度和催化剂作用下,其中的纤维素和半纤维素经水解过程转化为单糖,再通过微生物发酵技术,将其转化为乙醇。
高温高压液化是指在高压下发生热化学反应的过程,典型的液化工艺是在较高的压力和温度(300℃~500℃)以及在催化剂存在下进行的。此方式需要消耗大量的能量,同时对设备耐压要求较高,目前研究较多的主要有秸秆制柴油等技术。以秸秆等木质纤维素为原料,通过快速热解液化、加压催化液化等转化分离出碳水化合物,再经水解、发酵、转酯化过程制备生物柴油。
专家指出,将生物质转化为高热值的液体燃料,实现大规模利用一直存在诸多难题,尤其是生产成本居高不下,制约了这项技术的产业化。专家建议,应首先在原料产地将生物质规模适度地分散热解,转化为便于运输和储存的初级液体燃料,然后将各地热解得到的生物油初产品集中进行再加工,这样可从根本上解决生物质资源分散和受季节限制等大规模应用的瓶颈问题。
(高泽军)
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