生物质能的特性范文

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篇1

[关键词] 黄连；卡波姆；小檗碱

[中图分类号] R282.7 [文献标识码] A [文章编号] 2095-0616（2013）22-14-04

Evaluation of preparation， in vitro release characteristics and gastric bioadhesive properties of compound of total alkaloids of coptis and carbomer

LIU Taoshi ZHAO Xinhui DI Liuqing CAI Baochang

Nanjing University of Chinese Medicine，Nanjing 210023，China

[Abstract] Objective To explore the release characteristics and gastric bioadhesive properties of compound of total alkaloids of coptis and carbomer. Methods Making the yield and drug loading of compound as indexes， the varieties of carbomer and concentration of carbomer and total alkaloids of coptis which were effect on the acid precipitation reaction were respectively investigated by using the single factor method.The release kinetics of compound of total alkaloids of coptis and carbomer in the medium with pH 1.2，pH 5.0，pH 6.8，pH 7.0 or pH 7.4 were respectively investigated by using the determination of in vitro release rate. The vitro gastric bioadhesive properties of compound of total alkaloids of coptis and carbomer were preliminarily investigated by using the determination of rat gastric retained amount. Results （1）The compound of total alkaloids of coptis and carbomer eliminated the bitterness of coptis，the optimal varieties of carbomer was 934P，the optimal concentration of carbomer and total alkaloids of coptis were 0.25%，1% respectively.（2）The compound of total alkaloids of coptis and carbomer had better release characteristics in artificial gastric juice.But the drug release were very slowly in four kinds of medium with water， pH 5.0，pH 6.8 and pH 7.4.（3）The residence time in the stomach of compound of total alkaloids of coptis and carbomer was significantly longer than that of total alkaloids of coptis. Conclusion The compound of total alkaloids of coptis and carbomer has good release characteristics and gastric bioadhesive properties.

[Key words] Coptis；Carbomer；Berberine

当前生物粘附制剂的制备方法主要是将药物与生物粘附材料混合后装胶囊或压片，或制成微球，或用生物粘附材料包衣，由于药物与粘附材料松散结合，存在药物突释和黏膜药物传递效率差等问题（生物粘附材料与黏膜粘附并不意味着药物也与黏膜粘附）。将药物与粘附材料通过化学反应制成既具有生物粘附性又能缓释药物的聚合物前药[1-2]，是生物粘附给药系统研究的一种崭新思路，可望降低药物的突释以及提高药物的黏膜传递效率。卡波姆（Carbopol、

Carbomer）属于聚丙烯酸衍生物，具有优良的流变学性质和生物粘附性能，是目前中药生物粘附制剂和外用凝胶剂的一种重要的常用高分子药用辅料[3]。黄连是一种重要的清热解毒中药，主含生物碱，包括小檗碱、甲基黄连碱，巴马亭和药根碱等，具有抗菌、抗病毒、止泻、抗溃疡、抗炎、抗心律失常、降血糖、降血脂、预防动脉硬化和抗癌等作用。由于卡波姆分子含有大量活性羧酸基团，可与黄连生物碱发生酸碱反应生成盐类复合物。本研究对黄连总碱-卡波姆复合物的制备方法、体外释药性能和胃滞留性能进行初步研究，探讨中药聚合物前药型生物粘附给药系统的可行性。

1 材料与方法

1.1 仪器

Waters高效液相色谱仪（Waters 515泵，Waters 2487紫外-可见检测器，Rheodyne进样器，中科院大连化学物理所WDL-95色谱工作站）；RC610型智能药物溶出仪（天津医疗器械研究所）、MJ-500电子天平（精度1mg，日本Chyo公司）、Libror AEL电子天平（精度0.01mg，瑞典Shimadzu公司）。

1.2 试药

乙腈（高效液相色谱纯，美国默克公司生产）；甲醇（高效液相色谱纯，江苏淮安市恒天工贸有限公司）；磷酸（AR）、磷酸二氢钾（AR）、水为重蒸馏水。其余试剂均为分析纯。化学对照品：盐酸小檗碱（批号10713-200208，含量测定用）；盐酸巴马汀（批号732-9002，含量测定用）；以上对照品均购自中国药品生物制品检定所。

1.3 方法

1.3.1 黄连总碱的提取 称取黄连药材，加水煎煮2次，水提液减压浓缩至0.2g药材/mL，高速离心，取上清液备用。取预处理后的药用规格的HPD-100大孔树脂300g，湿法装柱，将上述黄连水提浓缩液上柱，吸附流速为1BV/h；蒸馏水洗脱杂质，洗脱流速2BV/h，用碘化铋钾试液判定水洗终点；然后用60%乙醇洗脱黄连生物碱，洗脱流速1BV/h，碘化铋钾试液判定醇洗终点；合并含生物碱醇洗液，减压回收乙醇，真空干燥，即得黄连总生物碱。

1.3.2 黄连总碱-卡波姆复合物的制备及其影响因素考察 将卡波姆和黄连总碱分别配成一定浓度的水溶液，混合，静置12h，过滤收集沉淀，低温真空干燥或冷冻干燥，即得黄连总碱-卡波姆复合物。以复合物收率和载药量为指标，采用单因素法分别探讨卡波姆品种、卡波姆浓度、黄连总碱浓度等因素对酸碱沉淀反应的影响。

1.3.3 黄连总碱-卡波姆复合物体外释放度测定法 采用中国药典二部附录XD释放度测定第二法“浆法”。搅拌桨转速50r/min，温度（37.0±0.5）℃，溶出介质是分别是脱气的纯水、0.1mol/L盐酸溶液、pH 5.0磷酸盐缓冲液、pH6.8磷酸盐缓冲液、pH 7.4磷酸盐缓冲液各900mL。取黄连总碱-卡波姆复合物约0.3g，精密称定，投入溶出杯中，自样品接触溶出介质起立即计时，至规定时间（0.5，1.0，2.0，4.0，6.0，8.0，12.0h），直接取样5mL（每次取样后补充介质5mL），用0.8μm孔径的微孔滤膜滤过，照分光光度法，以溶出介质为空白，在345nm波长处测定吸光度，并计算累计释放百分率。

1.3.4 黄连总碱-卡波姆复合物的体外生物粘附性评价

1.3.4.1 体外胃黏膜组织的粘附留存量测定 采用自制的测定装置，见图1（左），取禁食24h的大鼠，用戊巴比妥钠溶液（40mg/kg）经腹腔注射麻醉，解剖取出胃，沿胃大弯剪开，用0.1mol/L盐酸将胃内壁冲洗干净，固定在支撑物玻片上，将卡波姆-生物碱复合物约40mg均匀洒在胃黏膜组织上，在相对湿度为92.5%（饱和氯化钠溶液）的密闭容器中放置20min，充分水化后，将玻片倾斜45°放置，以输液器控制流速，用0.1mol/L盐酸溶液100mL冲洗，淋洗液收集于一已知重量的烧杯中，在70℃烘干，称重，计算胃组织粘附百分率。

1.3.4.2 体外胃黏膜粘附分离力的测定 采用自制的测定装置，见图1（右）。用塑料袋中水的重量来测定药膜与生物膜之间的剥离力。取禁食24h的大鼠，用戊巴比妥钠溶液（40mg/kg）经腹腔注射麻醉，解剖取出胃，沿胃大弯剪开，用0.1mol/L盐酸将胃内壁清洗干净，剪成约1cm2的小块，固定于玻片2上。取卡波姆-生物碱复合物，以蒸馏水配制成10%混悬液，涂布于玻片1上，50℃烤干，临用前，以0.1mol/L盐酸溶液润湿10min后，覆盖于玻片2上，使药膜与生物膜紧密接触，并施予100g压力，15min后撤去外力，将1和2悬挂于铁架台，在2的下方系一塑料袋，向塑料袋中滴加水，直至因拉力过大而分离，称取塑料袋中水的重量，即为粘附力大小。

组织留存量的测定装置 分离力的测定装置

图1 体外生物粘附性评价测定装置示意图

1.4 体内生物粘附性初步评价

1.4.1 体内生物粘附性初步评价 将黄连总碱-卡波姆复合物和黄连总碱分别给大鼠（2组，每组8只）灌胃，一定时间（1，2，4，6h）后处死大鼠，解剖胃，取大鼠胃采用1%盐酸甲醇提取，HPLC法测定小檗碱含量，计算经一定时间后大鼠胃内药物的保留率。

1.4.2 黄连总碱的含量测定方法 小檗碱是黄连生物碱中主要成分，占50%以上，且巴马汀、药根碱、黄连碱和甲基黄连碱等季铵盐类生物碱与小檗碱结构、分子量和紫外吸收图谱均相似。故采用紫外分光光度法测定黄连总生物碱含量（方法学考察另文发表），结果表明该方法可靠、灵敏、快速。

1.4.3 黄连总碱中小檗碱和巴马汀的定量方法（方法学考察另文发表） （1）色谱条件：色谱柱为Kromasil反相C18柱（5μm，4.6mm×250mm），柱温30℃，检测器灵敏度0.5AUFS，测定波长350nm，流动相为乙腈-0.05mol/L磷酸二氢钾水溶液-磷酸（40∶60∶0.2），流速1.0mL/min，进样5μL。（2）对照品溶液制备法：称取盐酸小檗碱2.71mg、盐酸巴马汀2.53mg和盐酸药根碱2.66mg，用盐酸-甲醇（1∶100）定容至100mL，摇匀，即得。

2 结果

2.1 黄连总碱-卡波姆复合物的理化特征

黄连总碱和卡波姆在水溶液通过酸碱沉淀反应生成的复合物为无味的黄褐色沉淀，该复合物不溶于水、乙醇和氯仿，可溶于酸水。差示扫描量热分析和红外分光光度法结果表明黄连总碱和卡波姆形成了新的化合物。扫描电子显微镜结果（图2）表明黄连总碱和卡波姆在水溶液中生成片状或颗粒状的沉淀。

表1 不同品种的卡波姆与黄连总碱在水溶液中的酸碱沉淀反应

卡波姆品种 卡波姆浓度（%） 黄连总碱浓度（%） 用量比（体积比） 沉淀收率（%） 沉淀载药量（%）

934P 0.25 1 2∶1 75.14 31.86

971P 0.25 1 2∶1 67.52 30.55

974P 0.25 1 2∶1 65.37 29.78

注：；

表2 不同浓度的卡波姆934P与黄连总碱在水溶液中的酸碱沉淀反应

卡波姆934P浓度（%） 黄连总碱浓度（%） 用量比（体积比） 沉淀收率（%） 沉淀载药量（%）

0.15 1 2∶1 65.09 33.17

0.25 1 2∶1 75.14 31.86

0.50 1 2∶1 76.95 26.32

图2 黄连总碱-卡波姆复合物的电子显微镜照片（放大倍数上图10000，下图20000）

2.2 黄连总碱-卡波姆复合物的制备及其影响因素考察

黄连总碱-卡波姆复合物的收得率与载药量与卡波姆种类、卡波姆水溶液浓度和黄连总碱水溶液浓度等因素有关。表1结果表明卡波姆934P与黄连总碱的复合物收得率和载药量均高于卡波姆971P和974P，故卡波姆品种选择为934P。表2结果表明，随着卡波姆水溶液浓度的提高，黄连总碱-卡波姆复合物的收得率增加，但载药量降低。表3结果表明，随着黄连总碱水溶液浓度的提高，复合物的载药量降低，但其收得率随着黄连总碱大于1%时反而有所降低。

表3 卡波姆934P与不同浓度黄连总碱在水溶液中的酸碱沉淀反应

卡波姆934P浓度

（%） 黄连总碱浓度

（%） 用量比

（体积比） 沉淀收率

（%） 沉淀载药量

（%）

0.25 0.5 2∶1 63.71 34.39

0.25 1.0 2∶1 75.14 31.86

0.25 1.5 2∶1 72.28 30.17

0.25 2.0 2∶1 67.05 26.41

2.3 黄连总碱-卡波姆复合物的体外释药动力学研究结果

表4结果表明，黄连总碱-卡波姆复合物在人工胃液中分解并释放黄连总碱，具有较佳的缓释性能。但在纯水、pH 5.0、pH 6.8、pH 7.4四种介质中的释药非常缓慢，12h累计释放依次是7.28%、32.59%、25.13%、39.06%。提示黄连总碱与卡波姆生成盐类复合物后可能影响其在胃肠道转运与吸收，宜制成胃滞留制剂。见图3。

表4 黄连总碱-卡波姆复合物在不同介质中的释药动力学

时间

（h） 人工胃液

（pH 1.2） pH 5.0

缓冲盐溶液 pH 6.8

缓冲液 pH 7.4

缓冲液 蒸馏水

0.5 15.75 4.16 2.83 4.61 1.05

1 22.34 6.49 4.32 8.93 1.76

2 35.29 9.77 6.81 14.05 2.37

4 52.66 15.26 11.58 20.90 3.45

6 68.04 21.37 16.71 26.45 4.71

8 80.43 26.86 21.84 32.12 5.36

12 93.57 32.59 25.13 39.06 7.28

图3 黄连总碱-卡波姆复合物在不同介质中的释药动力学

2.4 黄连总碱-卡波姆复合物的体内生物粘附性初步评价

表5结果表明，黄连总碱-卡波姆复合物在胃内的滞留时间远远大于黄连总碱。其原因在于卡波姆是一种常用的生物粘附材料，卡波姆仅部分羧基与黄连生物碱反应，剩余羧基保证了黄连总碱-卡波姆复合物仍具有较强的胃肠生物粘附性能。

表5 黄连总碱-卡波姆复合物在大鼠胃内的留存量测定

项目 时间

1h 2h 4h 6h

黄连总碱-卡波姆复合物留存率（%） 86.14 73.52 61.49 47.05

黄连总碱留存率（%） 47.51 22.96 9.43 0.97

3 讨论

卡波姆分子含有大量活性羧酸基团，目前学术界对卡波姆与碱性药物能否配伍使用存在争议。李捷玮等[4]主编的《常用药物辅料手册》认为卡波姆与碱性药物（如麻黄碱、小檗碱、阿托品和普鲁卡因等）属于配伍禁忌，不宜混合使用。而郑俊民[5]主编的《药用高分子材料学》和萧三贯[6]主编《最新国家药用辅料手册》认为卡波姆能与碱性药物生成可溶性的内盐，具有缓释作用，能配伍使用。英美药用辅料手册[7]（英文第5版，2006）卡波姆项下未明确说明卡波姆与碱性药物能否配伍。检索中国知识资源总库（CNKI）和PubMed等英文数据库，未发现专门研究中药生物碱与卡波姆相互作用的文献。

作者在前期工作中对卡波姆与中药生物碱的相互作用进行了初步探讨：（1）采用10种单味中药水提液与卡波姆进行了配伍反应，发现卡波姆与含生物碱的黄连、苦参、吴茱萸、延胡索和粉防己水提液均反应生成沉淀，但与不含生物碱的黄芩、甘草、人参、生地和金银花的水提液均不发生沉淀反应。（2）卡波姆与小檗碱、氧化苦参碱、粉防己碱和黄连总碱等在水溶液中均能生成沉淀（由于卡波姆分子仅部分羧基与生物碱反应，且不同分子结合数量不同，因此其产物是盐类复合物而不是单体）。

本研究结果初步表明黄连总碱-卡波姆复合物既去除了黄连的强烈苦味，又具有很好的缓释性能，更重要的是该复合物还保留了卡波姆的生物粘附性能，因此黄连总碱-卡波姆复合物是一种很有发展前途的聚合物前药。但黄连总碱-卡波姆复合物不属于传统的前药概念而属于广义前药范畴。聚合物前药是近年来前体药物研究的热门领域，在改善药物不良味道、降低药物的刺激性和毒副作用、调节药物释放和提高药物靶向性等方面具有重要意义[8]，如鞣酸小檗碱[9]、聚谷氨酸-喜树碱和HPMA共聚物-喜树碱[10]等。此外本论文还有许多后续工作要做，如黄连总碱-卡波姆复合物的药效学和毒理学研究、体内生物利用度研究以及体内外相关性研究等。

[参考文献]

[1] 任天斌，侠文娟，吴畏，等.刺激响应型聚合物前药[J].化学进展，2013，25（5）：775-784.

[2] 李宵凌，B.R.贾斯蒂.控释药物传递系统的设计[M].徐晖等，译.北京：化学工业出版社，2008：51.

[3] 郭红叶，伊博文，闫小平，等.新型辅料卡波姆在凝胶剂中应用现状[J].中国实验方剂学杂志，2013，19（17）：371-374.

[4] 李捷玮，刘吉祥.常用药物辅料手册[M].上海：第二军医大学出版社，2000：210.

[5] 郑俊民.药用高分子材料学[M].北京：中国医药科技出版社，2000：144.

[6] 萧三贯.最新国家药用辅料标准手册[M].北京：中国医药科技电子出版社，2006：389.

[7] Raymond C Rowe，Paul J Sheskey， Si?n C Owen.Handbook of Pharmaceutical Excipients[M].Fifth Edition. the Pharmaceutical Press and the American Pharmacists Association，2006：111-116.

[8] Modi S，Jain PJ，Kumar N.Polymer-drug conjugates：Recent development for anticancer drugs[J].CRIPS，2004，5：2-8.

[9] 李雪，金描真，叶放，等.鞣酸小檗碱口服结肠定位包衣片的制备及体外释药性[J].广东药学院学报，2009，25（3）：221-225.

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[关键词]生物质能；产业化发展；可再生

[DOI]1013939/jcnkizgsc201716074

1前言

以化石燃料为主的能源结构不仅具有不可持续性，且对生态环境造成极大的压力，因此寻求能源多元化和发展可再生清洁能源已成为大势所趋。20世纪末以来，欧美等国纷纷采取财政补贴、税收优惠、农户补助等激励政策，引导生物质能产业化发展。已取得了一定的成效。（车长波、袁际华，2011）2000―2005年全球生物乙醇产量翻了一倍多，生物柴油翻了几乎两番，而同期全球石油生产只增加了7%。（Worldwatch Institute，2006）。经济合作与发展组织和联合国粮食与农业组织共同的《2013―2022年农业展望》曾预测：到2022年生物柴油的比例将占欧盟能源的45%，而燃料乙醇的比例也将占据美国能源的48%。

囿于技术等各方面的原因，中国生物质产业发展相对滞后。在第一代生物质能生产中，国际上成功案例主要以玉米、小麦、糖料和各种油籽等能源作物的规模种植作为生物质能产业化的基础，此种模式与中国“人多地少”的现状形成冲突，较难在中国复制。第二代生物质能技术，利用木质废料、作物秸秆及农产品废弃物等纤维素为原料生产乙醇，弱化了食品和燃料之间的竞争。这使中国在生物质能产业化进程中不再望“原料”兴叹，而是获得了变废为宝的机会。中国在“十二五”规划中都将生物质能产业作为战略新兴产业来培育和发展。生物质能产业化发展需要将国外的成功经验与中国的国情相结合，走一条因地制宜的新路。本文试图对生物质能产业发展的社会经济影响，制约生物质能产业发展的影响因素以及政策规制等方面进行综述。

2国外相关研究现状

21关于生物质能产业的利弊

Von Braun（2006）认为生物质能产业可能带来四个方面的影响：一是环境效应，比如二氧化碳排放量减少，防止破坏生物多样性、减少因化肥与农药的过度使用造成的土壤退化、减少大气污染等；二是生物质能产品逆向传导生物质原材料的供求，而对食品、饲料供求和粮食安全造成影响；三是生物质能作为传统能源的替代，δ茉词谐〉挠跋欤凰氖巧物质能产业化发展对不同区域及不同收入人群将造成直接或间接的影响。总之生物质能的发展有利有弊。

Danniel GDe La Torre Ugart、Burton English等（2006）认为生物能源可起到缓解能源压力和减少贫困人口，促进经济发展等作用。在发展中国家，农业多为劳动密集性产业，生物能源的发展将促进农产品供需，推动农村人口就业，增加收入。Danniel通过实证分析，当生物质能产业化发展，生物乙醇产量达到60亿加仑/年和生物柴油16亿加仑/年时，可以不用休耕地。预测2007―2030年生物能源产业化生产将累积创造收入210亿美元，创造240万个工作岗位。

另一些学者则认为生物质能的发展将对发展中国家的食物安全造成极大威胁。生物质能的发展使大量的粮食转化为燃料、将生产粮食的农地用于能源作物的生产，将大量减少粮食供给，从而推动粮食及饲料的价格上涨（Brown 1980）。能源与农业间的关系随着生物燃料发展而变得更为紧密（von braun 2008）。

De La Torre Ugarte利用POLYSYS系统，研究了在两种假设的价格方案下能源作物的生产对美国农业部门（包括农地的利用、传统作物的价格及农场主的收入）的影响。Babcock（2007）认为发展生物燃油，必须先考虑其对环境以及农业的影响，特别是对于农作物和畜产品的影响。

以上结论表明，发展生物质能产业须进行模式选择，充分考虑新兴产业发展对各方面的影响，包括环境、农业及农民收入、粮食价格等。

22生物质能产业发展影响因素研究

RJHooper和JLiEGKoukios（2003）站在投资者立场进行分析，认为决定生物质能产业投资的主要因素来自于市场和政策。生物质能的价格、技术是否能与现存能源供给结构相兼容是企业首先要考虑的。制约生物质能产业发展的因素包括：生产成本高但售价低、生物质能产品市场风险难以测算、企业应对市场风险及政策风险的能力不足、生物质能对环境的影响不确定。

Tomas Kaberger和Kes McCormick（2007）对欧盟的相关能源政策进行对比分析，肯定了政策是促进生物质能产业发展的关键因素。

Hillring（2002）提出对生物质能产业发展方向的调控，应从新能源产品提供、能源消费结构调整及相关产业配套等方面着手。其总结瑞典生物质能利用经验并提出：小生态公司将具有发展优势，公司实现一体化经营。

23生物质能产业政策研究

政策在生物质能产业发展中占据重要位置，国外学者多用模型模拟政策冲击，分析不同的生物质能激励政策对相关产业、产品以及对环境或社会福利的影响。

Kanes等（2007）利用CGE模型评价了波兰不同生物质能激励政策的成效：相较于直接对生物能源补贴，提高化石能源税显得更有效率；生物质能部门受益更多的是间接税的减免。

Ray（2000）通过运用POLYSYS模型模拟了相关农业政策对生物质能产业发展的可能影响。该模型测度了潜在的生物质能源和生物柴油供给量，并指出要充分将农业部门与环境、区域经济和相关产业联系起来，以促进生物质能产业的发展。

Johansson（2007）的研究表明，没有政策限制，农民将优先使用农用地种植能源作物，这样会进一步加剧粮食作物与能源作物在土地利用上的竞争。其运用LUCEA模型模拟了严格的二氧化碳减排政策对粮食、土地价格和温室气体减排的影响。结果表明：随着碳税提高，生物能源的供给量将会随之提高，且生物质能原料主要来源于林木剩余物，粮食价格比基准价格上涨两倍，二氧化碳排放量至2100年接近零。

Ignaciuk等（2006）在模型中选择六部门进行局部均衡分析：其中包括粮食作物马铃薯、谷物；能源作物大麻、柳树；传统电力部门及生物电力部门。探讨不同的能源税收和补贴政策对碳排放、相关农产品产量和价格、生物能源产量及价格的影响。结果表明：对传统电力征收10%的税，对生物电力实行25%的补贴，将使生物电力的份额增加到75%，生物质和农产品产量增加。增收的碳税补偿环境，此外碳税还将导致农产品产量降低1%～4%。

Gohin利用开放的CGE模型评估欧洲生物能源政策对农业部门影响。结果表明：在欧盟的能源政策下，可通过进口满足生物柴油的需求，在巨额的进口关税下，生物乙醇产量大增，能满足国内需求。同时生物能源的大规模生产将导致国内畜禽类产品价格下降，产量增加。政府需补贴105亿欧元，其中国外生产者获益48亿欧元，国内食品工业获益25亿欧元，农民收入增加32亿欧元，并可提供四万个农业就业机会。

3国内相关研究

31中国生物质能产业发展的制约因素

石元春（2011）提出降低生产成本是我国发展生物质能最需要解决的问题，其次是技术标准问题，对于生物质成型燃料，需要有相应的技术标准和规范，使之发展成为一种通用燃料。

王应宽（2007）分析了产业化发展空间，并总结了中国生物质能的产业化途径。从生物质资源潜力、产品成本、环保效应等方面分析了我国生物质能产业的发展前景。其认为生物质能产业化开发的核心动力还是技术创新。生物质能产业化发展需要克服生物质原料极其分散，运输成本、生产成本、采集成本高等制约因素。

通过研究生物质能商业化途径，提出了生物质能产业的四大支撑体系，即政策扶持体系、资金投入体系、市场保障支撑、技术支撑保障体系，对生物质能源产业的发展提出了相应的对策措施（王雅鹏等，2007）。

吴创之等（2007）提出生物质能循环系统研究平台的建设是生物质能产业发展的必要条件。

孙振钧（2004）综述了国内外生物质能产业发展的4个取向：生物质发电、生物质液体燃料、生物质有机高分子材料和能源农林业。认为生物质能产业发展方向应该与振兴农村经济和改善农民生活相结合，向小型、分散、统分结合的模式发展。能源农业应该与新兴能源工业有机结合，使之形成生物质能产业链。

赵振宇等（2012）提出生物质发电行业的主要威胁在于上下游相关配套产业不协调、缺乏配额制、发展风险难评估等因素。

32生物质能产业政策影响及规制

刘飞翔（2011）在其博士论文中构建了四个层次的生物质能源政策永续发展评价指标体系。包括1个一级指标（生物质能源政策永m性发展）、4个二级指标（生物质能决策系统科学性、生物质能供给系统稳定性、生物质能消费系统持续性、生物质能科技研发与教育）、8个三级指标、22个四级指标构成的评价体系。通过专家问卷法确定各指标权重值，选用综合评分法评价生物质能产业发展中政府规制与激励价福建生物质能政策整体绩效。此外从市场机制中生物质产业组织方式、市场准入制度、价格激励性管制、社会性管制四个领域展开政府规制与激励的主要工具选择研究，提出生物质产业激励的方向、手段和领域。

胡应得等（2011）利用CGE模型模拟征收能源税对生物质能产业及宏观经济的影响。结果表明，对能源产品征收150元/吨标煤的能源税，从量税转换为从价税后，煤炭、石油、天然气的税率分别为25%、85%和9%，生物质能占比上升了0082%，而GDP、投资和出口等指标都有不同幅度的下降。

吴永民通过构建CGE模型分析了财政政策对于燃料乙醇产业发展的影响。结果表明：在非粮种植业阶段和生产阶段给予财政补贴都会促进燃料乙醇产量和乙醇汽油产量增长，在生产阶段进行补贴会引起农村和城镇居民收入的小幅减少，而非粮种植业阶段的补贴能够提高农民的收入。

综上所述，生物质能产业作为新兴产业，政府的扶持和引导意义重大。但政策选择需依托于国情，完全照搬国外条条框框很可能出现“水土不服”。建立中国特色生物质能产业良性发展的政策激励和规制才是长久之策。

参考文献：

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[3]石元春决胜生物质[M].北京：中国农业大学出版社，2011：65-68.

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关键词生物质能源；树种；发展趋势；开发利用；前景

中图分类号 S727.4文献标识码A文章编号 1007-5739（2011）11-0227-01

我国现已查明的木本能源油料树种有400余种，其中含油量在15%~60%的有200多种，集中分布在亚热带至热带区域，在山区往往与常绿阔叶林或落叶林相伴生，而且以野生为主（占总数的75.4%），多以成片式集中分布，因此可以建作原料基地；同时约有10种生物质燃料油植物能利用荒山、沙地等宜林地进行造林，并建立起规模化供应基地，如黄连木、文冠果、麻风树、光皮树等。因此，发展挖掘生态经济价值较高的重要能源替代树种，已经成为非木质森林资源开发的重要方向和研究热点[1]。

1生物质能源树种发展趋势

1.1我国林业生物能源发电已进入产业化阶段

国家林业局能源办负责人钱能志在接受记者采访时说，我国林业已较快发展，目前林业生物能源资源的培育和产业化开发，已进入实质性实施和推进阶段。国家林业局科技司负责人说，近几年内要大力发展生物质能源发电产业，加快生物质能源树种培育和推广工作。

1.2生物质能源开发是我国能源供给的重要补充

随着我国经济迅速发展和人民生活水平的不断提高，油脂的需要量也在不断增加。据预测，到2030年我国木本食用油的市场需求量为3 000万t（按食油消费量接近世界平均水平计），缺口为2 300万t，供需矛盾突出。当前，能源供应安全正越来越引起世界各国的重视，生物质作为一种可再生和环境友好型资源，已经成为各国开发新能源的重要方向，木本油料树种可以制备生物质柴油，将成为生物质柴油生产的最主要原料。因此，要从根本上保障国家的粮油安全和能源安全，开发木本油料是解决供需矛盾的重要环节。

1.3生物质能源开发是我国粮油安全的重要保障

我国在人口、食物、能源、环境和资源等方面的问题日益严峻，向森林和树木要食物，目前被一些国际组织和国家所重视，“从自然多样性收取硕果”就特别强调了森林是粮食、能源和环境安全的保证[2]。因此，我国增加生物质能源的重要途径就是因地制宜，充分利用边际性土地种植油料植物，以期为我国发展人工燃油植物林提供丰富的物质基础。我国在生物质能源方面提供充足的可再生原料，对于加强我国在能源方面的独立性、减少对国际石油市场的依赖性、保证生态工程的可持续发展、保障能源供应、稳定经济发展具有重要意义，是中国特色的生物柴油发展的必由之路[3]。从长远来看是利在当代，功在千秋的好事。

1.4生物质能源树种适应性强、栽培成本低、效益高

生物质能源树种一般为多年生，只需一次种植，便可实现多年受益。如省沽油、油茶等，栽种至结果时间为3~5年，而受益期可以超过40年，实行科学管理，合理经营，其产量稳定，将会长期有收获。同时生物质能源树种生长的自然环境大部分是空气清新、光照充足的山林、荒野、路渠旁等地，环境洁净，不受或很少受“三废”的污染，而且其适应性强，栽培成本低，效益高，市场竞争力强[4]。

2景德镇市生物质能源树种发展现状

为了进一步摸清生物质能源树种资源现状，特对景德镇市生物质能源树种资源进行调查，为编制全市能源林培育规划提供基础数据，为出台相应政策措施提供依据，以切实加快景德镇市林业生物质能源建设步伐。调查的范围涉及全市18个重点林区乡（镇）。调查内容包括油料能源树种（光皮树、省沽油、三年桐、千年桐、乌桕、山苍子）和木质能源树种（檫树、木荷、小叶栎、麻栎、白栎、苦楮、湿地松、晚松、马尾松等）两大类。重点调查树种资源分布区域、现有面积或株数、现有林木或林分生长情况以及可用于培育能源林的荒山荒地面积。景德镇市乡土树种热值量见表1。

对景德镇市生物质能源资源树种的调查结果表明，该市的森林生物多样性丰富，大量木本油料树种仍处于野生状态。生物质能源树种如省沽油、光皮树等，具有生长快、繁殖力强、耐干旱、耐贫瘠、抗逆性强等特点，由于其根系发达，大量种植具有生产植物油脂、绿化荒山、提高森林覆盖率、保持水土、调节气候等作用，生态效益和社会效益显著。加之该市气候、土壤等立地条件较好，对生物质能源生长、发育比较有利，而且土地资源和农村剩余劳动力资源充足，适合发展生物质能源生产和综合加工，表明景德镇市已具有综合开发利用生物质能源的基础条件。另外，景德镇市领（下转第229页）

（上接第227页）

导对生物质能源生产及综合开发比较重视，而且该市科技力量比较雄厚，为该市生物质能源生产和综合开发利用提供了领导基础和技术储备力量[5]。通过调查，为群众充分地利用山场提供了指导，而且提高了当地群众发展生物质能源的积极性，为扩大全市生物质能源基地建设，更好地营建生物质能源基地和生物质能源的综合开发与利用等提供服务。

3开发利用前景

景德镇市林业生物质能源资源丰富，发展的潜力和空间巨大。以利用林木所含油脂为主，将其转化为生物柴油或其他化工替代产品的能源林称为油料能源林；以利用林木木质为主，将其转化为固体、液体、气体燃料或直接发电的能源林称为木质能源林，故生物质能源综合开发利用前景看好。该市种植生物质能源树种不仅具有区位优势和品种优势，而且具有技术优势，其在栽培管理方面技术配套成熟先进，并在生物质能源基地建设方面已具有一定的规模。生物质能源树种综合开发利用对于促进山区资源优势经济转化、以林扶贫、繁荣乡村经济、加快山区人民脱贫致富等都具有重要意义。

4参考文献

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生物质能源是太阳能以化学能储存在生物中的一种能量形式，它以生物质为载体，具有资源丰富、可再生、环保等优点。通过对生物质材料的开发和加工获得燃气、燃料、电能等各种形式的能源，与风能、太阳能、核能成为新的能源替代路径。随着基础能源的日渐枯竭和环境的日益恶化，开发可再生的生物质新能源成为世界各国的重要战略选择。中国作为一个生物资源丰富的国家，发展生物质新能源的战略意义尤为突出，生物质能源的发展受到国家的高度重视，并已列入国民经济发展的的重要日程中。《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》中明确提出大力发展可再生能源，扩大生物质液体、燃料生产能力，将生物质液体燃料作为“十一五”国家能源战略的重要组成部分。但是，在看到生物质新能源将给人类带来的新机遇的时候，也要清醒的意识到，生物质能源的开发和利用因其本身的特点也会带来一系列的负面效应，如果不能很好的面对这些挑战，长期来看，生物质能源不能处在一个健康和可持续的发展轨道上。所以，认真思考生物质新能源领域中的产生的新的伦理问题也是亟待关注的一个方面。

1生物质新能源开发利用中的伦理关涉问题

1.1生物能源发展与粮食安全问题

生物质能源的主要载体为生物，主要是能源植物。生物质新能源的开发直接或间接的影响到粮食的安全问题。

1.1.1生物新能源所需粮食性原料对粮食安全的威胁

目前各国使用的目前各国发展的第一代生物质能源使用的原料主要是玉米、甘蔗、油料作物。其中美国主要是玉米和大豆油；欧盟则是玉米、小麦、大麦、菜籽油、甜菜和大豆油；巴西为甘蔗和大豆油；加拿大为玉米和小麦；中国和印度为玉米；马来西亚、印度尼西亚为棕榈。而第二代、第三代生物质能源的开发需要对非粮食性生物质能的深度加工利用，这将提高研发的技术难度和开发成本，所以目前的趋势为生物质能源主要以第一代也就是粮食性作物作为生物质能源的来源。这直接对人类的粮食性需要产生影响，特别是对粮食供给的影响。以巴西为例，在水资源丰富和土地资源丰富的地方，还不能凸显这种矛盾，但是一旦这些资源受到很大限制时，人的口粮与新能源的激烈大战就会打响。这里涉及到一个人权的问题，人类的自身生存都不能保证，还谈何能源的利用呢？这个问题在我国的情况可能比较突出，玉米被作为燃料乙醇的最主要来源，需求量持续大幅度增加，加剧了供需缺口。例如2003年我国燃料乙醇年产仅有7万t，近几年一路飙升，至2006年已达到年产100万t。市场上玉米价格猛涨，燃料乙醇生产遇到了与民争食的问题。为了解决13亿人口的吃饭问题，国内可耕土地已经筋疲力尽，玉米被作为燃料乙醇的最主要来源，需求量持续大幅度增加，加剧了供需缺口，如果考虑单纯的玉米的来源，那么我们就只能饿着肚皮开车了。

1.1.2能源种植所需要的土地对粮食安全的威胁

非粮食性能源作物的需要也直接挤压着粮食性作物的耕地使用，非粮食作物的高收益率和能源开发的迫切需要的双重挤压导致了非粮食作物的种植对有限的粮食耕地的使用，这将直接导致粮食供给的短缺。

1.1.3生物新能源开发对粮食安全的间接威胁

生物质能源的开发利用也间接的影响到粮食安全，生物质能源的开发利用将会诱导使用在原有粮食生产领域的资源到新能源的开发过程中来从而对传统的农业功能发生重大转变，使农业的发展不在以传统意义的农产品为主，那么新的农业的发展应该如何适应这种转变？农业之当展的伦理定位何在？与农产品粮食相关联的市场也将会受到生物能源开发的影响，生物质能源开发利用对传统农产品的资源、以及与之关联的农产品的价格的上涨也严重威胁着人类对食用粮食产品的利用。

1.2生物安全性

1.2.1能源作物的生物改良的安全风险

在生物能源的发展过程中，生物质能源的来源除了天然的生物外，还会需要对一些生物种质进行基因改良，以便提高生物能源的利用率，满足规模化生产的需要。现代生物技术在生物质能源的发展中扮演了非常关键的一环，这种生物技术的应用必然影响着生物的遗传特性，从而也会影响其所处的特定生物环境。所以生物能源作物的培育种植对环境的安全也是一个非常值得重视的方面。生物能源的生产来源主要是一些能源作物，而天然的能源作物又存在着产能低、占地广、生长条件苛刻的一些原因，所以要想找到一种天然的品质优良的作物是很困难的，有必要将天然的能源作物使用现代生物技术改良，而这些转基因改良后的作物的安全性评估又是一个值的考虑的因素。这也是所有转基因生物对环境安全都要面临的一个风险。所以考虑发展生物能源过程中对环境的影响都是需要权衡利弊的一个重要方面。

1.2.2生物质能源的开发利用对生态环境的破坏

在种植生物质能源作物过程殊的肥料、农药、除草剂可能会产生对周围生态的间接影响。比如对水质的影响，在美国的密西西比河岸有一个巨大的玉米能源种植区，这些地区是美国最理想的能源作物种植环境，但同时在种植过程中大量的化学肥料、农药的使用导致水源的质量逐年不断下降，同业也严重影响了当地渔恶民的渔业生产，所以在总体上因其带来的损失也抵消它的经济效益和环境可持续的代价。

1.2.3生物质能源开发对生物多样性的损害

生物能源开发过程中必然涉及对生态系统生物多样性的影响，生物质能源的开发的能源作物的种植长期来看必然导致新的生态环境生物多样性的干扰，数据报告显示截至到2020年为止，美国的谷物和大豆的生物种类将会下降到60%，相比于没有覆盖能源作物的地区，亚洲油棕榈能源作物也将下降到85%，Fletcher等人的研究也发现，对脊椎动物来说，替代能源作物区域的生物多样性和丰富性要远远低于同样条件下的未种植地区的种类。所以在考虑生物质新能源的能源作物种植时，与当地的生态安全和生物种类的影响是需要考虑的伦理问题。

1.3环境可持续性

生物质能源虽然相比其他的新能源有着清洁、低污染的优势，但是受生物新能源发展本身的多因素影响，使得生物质能源的发展并不是沿着一个低耗能的环境可持续性的发展方向前进。

1.3.1能源需要的紧迫性导致对环境可持续的忽视

生物质能源受形式所迫，即能源危机的迫切需要，导致在环境和生活需要之间的失衡。能源危机问题日益严重，同时环境危机的解决也亟不可待，在面临能源危机和环境危机的双重压力下，短期内很难得到两全其美的解决，人们往往注重短期的生活需要，而忽视长期的环境可持续的需要，甚至以非必须的生活需要满足为由开发生物新能源以换取环境可持续的要求。

1.3.2生物质能源的生产过程复杂性导致中间环节对环境影响的忽视

生物质能源可能在其结果终产物看来是非常理想的低污染能源，但是由于其生产过程的复杂性，导致附属产品和生产环节对环境可持续的破坏容易受到忽视，而且有时候从总体看来，相对于环境的可持续的价值，生物能源的开发可能具有非常大的负价值。大面积种植单一作物将会改变生物多样性环境，水土流失严重，以东南亚的婆罗洲岛为例，该岛先前是一个环境非常好的热带雨林，随着可再生能源-生物柴油的开发热潮，为了生产更多的棕榈油，这里的人们开荒辟地，扩种棕榈树。导致这里的生物种类急剧单一，而且也造成了当地气候的急剧变化。产能低、占地广和需要传统化肥的作物对后续环境的不可利用性。因为较低的产能，所以需要的种植面积是非常大的，同时对水源的需求也急剧上升,而水资源问题在未来也将是一个非常严峻的问题。

1.3.3生物质新能源生产过程中的能源消耗中环境可持续的忽视

生物质新能源的生产需要对生物质初材料进行加工和处理才能获得可以直接使用新的能源。在将生物能源物料加工成生物柴油终产品的过程中，这个过程还要需要多个过程农用设备及乙醇转化装置还需要大量的传统能源维持生产，以及其加工过程的副产物的环境污染，这也将影响到新能源的环境可持续方面。这个过程中需要直接和间接的使用到基础能源，那么就不能不评估生物质能源的产出和投入之间的比较。传统的乐观派只是看到生物能源能解决当下的能源危机难题，或者其对经济发展带来的拉动作用。但是忽视了对生物能源的产出和所投入能源的之间的净收益比较。如果不考虑对基础能源的投入，那么发展和开发利用生物质新能源就不是缓解传统的能源压力，而是加重了能源危机，因而是一种不道德的能源战略。美国康奈尔大学DavidPimentel跟踪了多种农作物生产乙醇和生物柴油的成本，包括种植、生长、收获过程中所需的能源，肥料、杀虫剂的使用以及运输所需能源，种植需要和生产过程中的需要的能源损耗比其产出的能源还要多。这样看来生物质能源的开发的过程也可能产生投入大于产出的可能，所以这种开发可能对于环境的可持续性来说具有消极的影响。

1.4生物新能源与新殖民主义

生物能源对于原料产地的要求和本身的可能产生的负效应，使得生物能源的发展在国与国家之间的利益也成为新的伦理焦点。越来的越多的发达国家将生物能源的生产放在较为不发达的国家中来，将生物能源的负效应转嫁到不发达国家身上，SeifMadoffe认为这将导致“气候殖民主义”，“大规模抢占非洲土地”，欧洲企业，其中一些有外国援助资金支持，正快速地在热带国家建立广大的碳栽培牧场（CarbonMonocultureFields）。关于坦桑尼亚的Saadani国家公园，Madoffe质疑富裕的发达国家在这些地区种植“可再生”碳是否道德，因为这些对当地贫民有严重的负面影响，而且要砍伐热带雨林来给“碳牧场”栽培腾地方。是否真的有大面积不使用的土地？不，这是不可能的。源地释放的碳能够被另一个地方的植物固定吸收吗，或者说碳可以从一个国家“出口”到另一个国家吗？这就会引发诸如不平等权力关系和不公平商业交易等方面的问题。富裕国家在这些地区种植“可再生”碳，但却会给当地贫民带来严重的负面影响，而且要砍伐热带雨林来给“碳牧场”栽培腾地方，这样合理吗？此外，为了缓解气候变化，在贫穷国家占用大规模耕地，消耗大量的水资源，污染土地、河流和海岸生态系统，这样做对吗？看看那些欧洲和美国公司拥有的大型种植项目，这些项目还受到“发展援助”的资助。所以在生物能源发展的过程中相同于其他能源的发展，生物能源的发展的在新的利益驱使下，有可能打着发展贫穷国家的经济的幌子来转嫁生物能源风险的目的。

1.5利益相关者的分配

在生物能源的发展过程中涉及到多方的利益问题，主要涉及到能源使用者、能源开发者、能源间接的利益相关者的利害关系问题，能源使用者、能源开发者的常常由于直接的与新能源的利益相关，所以往往侧重于它们之间的利益，而间接的能源相关者也因为与新能源之间的联系的潜在性和隐蔽性而常常受到忽视。①富人和穷人间因新能源产生的经济不公平，由于生物新能源的开发往往附带着巨大的投入，所以这种新能源的使用代价也相比传统的能源使用成本要高，而这也将导致新的使用阶层和不能使用阶层之间隐性不公；②如前所述，新能源的开发可能会给直接的能源需求者带来丰厚的经济利益，为能源使用者带来实际的能源便利，但是这对于那些对基本生活的粮食需要者，处在饥饿状态的穷人来说，将会加剧这种利益之间的冲突。除了粮食的危机，因能源开发所导致的农业资源紧缺、农产品价格上扬、环境损失、都以不同的形式与潜在的利益相关者相连，在这其中经济利益和实用效果可能往往会受到极大的关注，而潜在利益相关者的利益可能会受到忽视，比如，在生物能源的开发的过程中可能面临着产业升级换代的过程，新的生物能源研究开发面临着一个转换的过程中旧的能源领域的从业人员可能会被要求掌握新的技术，而且新的生物能源生产所需要的新的伦理规范来规范和引导生物新能源生产，所以对旧能源领域转型人员以及生物新能源开发利用所涉及到的相关从业人员的“善”待以及对他们的伦理规导都是需要关注的伦理问题。综上所述，生物质新能源的发展在为当代的人类生活带来极大的便利时也产生了一些单靠技术所不能解决的伦理问题，这些问题是因为生物能源发展本身所受的多方面因素所导致的。包括经济利益的驱使、能源危机的解决迫切需要、生物质因素的特点决定、环境可持续的需要、贸易公平的需要、利益相关者的分配等几种伦理关涉，在生物能源的发展的过程中必须考虑到这几方面所带来的伦理问题的思考，因此，笔者在这里提出几条潜在的生物新能源发展的伦理原则以使的生物能源的开发利用处在一个健康和可持续的发展轨道上，使得生物能源能真正的为人类的生活带来便利。

2生物质新能源开发利用中的伦理原则

2.1保证生物质新能源开发利用对人类不伤害性

生物能源的发展必须以满足能源的需要为界限，不能危及到人们必须的、基本的生命需要。依照康德义务论伦理，人是发展的目的，所以必须正视生物能源所涉及到的人的其他利益需求，生命的需要是摆在首要位置的。不能用牺牲食用粮食的代价，特别是贫困人口的饥饿甚至死亡换取部分人的非必须的能源需要。其次要注意生物能源开发过程中的不伤害性，要采用对人无害的生物质能源利用技术、工艺。考虑生产诸环节可能存在的潜在危险。最后要注意到生物质能源利用对人类其他必要的生活领域的潜在影响，尤其要注意使用者和生物能源开发相关利益者的联系，保证生物能源的开发不会威胁到这类人群的基本的生命权利。

2.2生物能源的开发利用要注重效率

目前来看，大部分的生物质新能源开发利用的回报率不高。整个新能源开发利用过程中必须从整体上对投入和产出之间的能源做总体分析，使得产出的能源利用率大于投入能源消耗率。更不能将新能源的直接经济利益作为开发利用生物能源的充分理由，必须考虑对基础能源的使用成本。在投入资源到生物新能源的开发研究时，必须强调能源效率的净收益。首先，这种效率除了要考虑能源本身的投入和产出效率外，必须要考虑整个能源开发过程中的综合效率的提高，生物能源开发利用过程中要涉及到对经济、环境、人类生活、气候、以及其他各种潜在的影响，这种新的生物质能源的开发利用的成本是不是太大？这些成本不仅包括经济成本，还要包括对环境、人、以及其他相关利益损失的机会成本，必须保证开发的净利益要大于所有成本的总和。再次，注重对开发生物质新能源的开发利用在目前存在条件下不确定性的风险评估，生物能源的开发所使用技术是技术创新的结果，不可避免的会产生一些不确定的风险，包括对生命、社会的影响，所以在考虑总体的收益的时候要考虑这些不确定因素的风险，同时采取适当的解决措施尽可能减少这些风险。

2.3生物能源的开发要注意环境的可持续性原则

生物质能源开发对环境的依赖性也要求生物质新能源的开发利用也需要考虑环境的可持续性。首先，必须保证最低限度的对环境的污染，生物质能源的开发利用过程中必然产生对环境的负面影响，所以生物新能源的开发利用必须确保它比化石类能源的对环境的可持续性方面要效果更好，需要制定必要的环境可持续性标准。再次，生物能源的开发利用要适度，不能超过环境的可再生限度，杜绝粗放的使用生物质能源的开发方式，同时要兼顾代级之间对环境的需要。当下的生物质能源的开发不能影响到后代的生态系统的安全。要求在开发生物质新能源的过程中考虑到持续性的对土地、水源和其他自然资源的利用的综合因素，也不会破坏生态平衡和生存的气候环境。最后，生物质能源的开发必须保证生物质来源的安全性，考虑到生物技术改良的生物资源对环境安全和可持续性的影响。保证不危及环境的可持续利用。

2.4生物新能源开发利用要保证经济公平

生物能源的开发过程中必定会产生潜在的风险，这些风险往往被能源投资者以扶贫和经济利益的形式诱使贫穷国家接收这种风险，这在短期可能会改变贫穷者的经济状况，但是长期来看生态资源的过度开发，以及潜在的利益损失会拉大贫穷和富人之间的差距。同时在新能源相关的市场中，也可能加大这种差距，可能会把新能源开发的风险分摊到未使用者的身上。所以生物能源的开发必须考虑周全它所涉及到的相关利益者的利益，保证穷人的利益至少不会受到伤害，最大程度的协调好各利益相关者的利益。对涉及到的新能源更新换代的产业升级过程中保持对所涉及到的弱势群体的关注，给予“善”的关怀。

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关键词：生物质发电；生物质燃料；燃料输送系统；适应性

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.03.160

1 概述

生物质发电技术是上世纪七十年代以来，为了应对国际石油危机逐步发展起来的，能够将大自然广泛存在的可再生生物质能源转化为电能的一种新型技术，主要采用农作物秸秆和林业废弃物作为发电燃料。到了21世纪，随着化石燃料的进一步紧张，生物质能源利用也越发的重要起来，利用生物质能源能够有效地节约煤、石油、天然气等一次不可再生能源，是目前国际国内研究的前沿课题。

目前，世界各国尤其是发达国家，都在致力于开发高效、无污染的生物质能利用技术，以达到保护矿产资源、保障国家能源安全、实现CO2减排、保持国家经济可持续发展的目的。但是由于国内生物质直燃发电起步晚，没有成熟的经验，设备制造水平低，而且我国的农作物品种繁多，种植方式多样，导致电厂燃料组成复杂，项目当地既有玉米、小麦秸秆等堆积比重较低的燃料，又有树皮枝桠、木材下脚料、棉花秸秆等堆积比重较高的燃料，不同的燃料热值、规格不一致，这就导致常规的燃料输送系统难以适应国内多种类生物质燃料的输送要求，为了将不同种类的燃料安全可靠的输运至炉前料仓，迫切需要开发适合于中国国情的燃料输送系统。

2 输送方式简介

生物质燃料的物理特性与煤炭不同，因此燃料的输送方案也有很大区别。通常情况下，从生物质燃料性质上来划分有“黄色燃料”和“灰色燃料”两种。“黄色燃料”主要是指玉米、小麦、水稻等轻质秸秆燃料；“灰色燃料”又称硬质燃料，主要是指棉花秸秆、树皮枝桠、荆条等木质燃料。由于“黄色秸秆”与“灰色秸秆”的物理特性、燃烧特性不同，因此两种燃料的输送系统也有非常大的区别。

2.1 黄色燃料输送系统

黄色燃料普遍密度较小，为了使收集和运输经济合理，所以在收集输送中一般采用打包压缩增加单位体积重量的方式，以减少运输成本。所以在国内黄色燃料输送系统设计时一般考虑燃料采用打包形式进行输送。近年来黄色燃料输送系统主要采用了秸秆捆抓斗起重机加链式输送机和解包机上料的方案，但是在什么地方进行解包，现在常用的有两种方案，一是将大包在上料系统中解包然后以散状物料型式输送至炉前，二是以包料型式输送至炉前，在炉前解包方案。方案一的核心技术是大包在上料系统中解包，即设置新型大包解包机。方案二在炉前解包，需要在锅炉炉前配有立式螺旋解包机，依靠不等径螺旋叶片旋转实现对料包的破碎。

经过对运行的电厂调研发现，单一的黄色燃料输送系统存在一些问题：首先，由于解包机对料包加工尺寸及工艺要求都比较严格，但是在技术、成本等因素影响下，国内燃料的包型尺寸或者密度上，大都不太合乎要求，所以经常造成秸秆燃料在输送中频繁堵料或者掉包，导致电厂不得不在厂内再利用打包机进行二次打包，提高了电厂的运行成本。其次大包上料系统在运行时经常会发生秸秆捆抓斗起重机抓取包料时，会发生掉包现象，了解后发现可能是因为打包不规格或者司机操作不熟练所致，在输送大包时，链条输送机上会发生卡包的现象，需要运行人员进行人工调整。

综上所述，单一的黄色燃料输送系统不仅存在以上难以解决的问题，而且由于这种输送系统只能够输送大包黄色秸秆燃料，一旦黄色燃料收购出现困难，难以利用其它燃料进行代替，适应性较差。

2.2 灰色燃料输送系统

由于灰色燃料粉碎后其物理特性与煤炭有些类似，可以部分参考燃煤电厂的输送方案，但是又有所区别，生物质电厂灰色燃料由于种类比较复杂，既有堆积比重较轻的树皮等纤维燃料，也有板材下脚料、树根等堆积比重较大的木质燃料，既有有木片、树皮及枝丫柴以切碎后的成品燃料进厂，也有树根、板材下脚料等大块的燃料进厂。灰色燃料的输送常采用两种布置方案：装载机或者其他上料设备和地下料斗配合上料方案，桥式抓斗起重机和地下料斗上料方案。

经过对电厂的调研发现，单一的灰色燃料输送系统同样会存在一些问题：在输送燃料的过程中容易出现篷料、洒料问题，而且由于输送系统只能输送散状物料，如果在灰色燃料短缺时候使用黄色燃料，就需要对黄色大包秸秆燃料进行人工或者利用其它设备解包，造成了运行的不方便，对各种燃料的输送适应性一般。

2.3 黄色和灰色燃料输送系统

我国国土面积辽阔，生物质资源种类繁多，当一个地区同时有黄色燃料和灰色燃料时，考虑到单一的一套黄色或者灰色燃料输送系统无法满足电厂燃料的输送要求，这就极大的制约了电厂的燃料收购，造成了电厂只能收购有限的几种燃料，提高了发电成本，也是对其它生物质资源的一种浪费。为了解决上料线功能单一的问题和适应多样的生物质来源，需要将黄色包状燃料输送和灰色散状燃料输送结合起来，不能简单设为两套系统的叠加。根据现有电厂运行经验和两种燃料的混合地点来看，现在大致有两种布置方案：系统在炉前料仓处进行混合，也可以在系统中部进行混合。

两种方案均能实现散状灰色燃料和包状黄色燃料的输送，其中方案一为单独设置的两套输送系统，由于炉前料仓位置较高，受皮带机倾角的限制，散料输送系统带式输送机的长度较长，初始投资较高。方案二散料输送系统通过转运站与包状燃料输送系统融合，散料输送系统带式输送机长度短，初始投资相对较省。

方案二燃料输送系统由大包线、散料线组成，大包线、散料线任意一条单独运行时均能能够满足机组满负荷的需要。散料线皮带输送机尾部设置有一台双螺旋给料机（小解包机）和辅料螺旋料斗，与大包系统配合，使整套上料系统既能满足上大包的需要，而且能够上小包和散状燃料，对燃料供应形式的适应性强。

3 总结

生物质发电工程与燃煤、油、气发电工程从原理上讲所使用的技术是基本相同的，最大的不同点是燃料不一样，生物质发电工程的燃料是生物质，其燃料流动性差、比重轻、体积大、颗粒不规则、热值低、热值波动大、化学成分变化大、自热霉变快，降解快、易燃，在生物质电厂中，从而导致燃料输送系统设计较为复杂，然而燃料输送系统在生物质电厂中又是一个极其重要的环节，针对各种

燃料的输送适应性，系统设计及设备选型均没有成熟经验可以借鉴，黄色、灰色两种燃料共同输送成功突破了国内单一物料输送的局限性，无论大小包、整散料、灰色还是黄色燃料，都能实现顺利输送，为生物质电厂不受农作物种类、大小等因素的限制，在全国大范围的推广奠定了基础，解决了黄色包状燃料和灰色散状燃料的混和输送问题，增加了可供锅炉燃烧的燃料种类，确保了电厂燃料来源的可靠性和稳定性。

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关键词：生物质热解；研究进展；发展现状；展望

0　引　言

通过生物质能转换技术可高效地利用生物质能源， 生产各种清洁能源和化工产品，从而减少人类对于化石能源的依赖，减轻化石能源消费给环境造成的污染。 目前，世界各国尤其是发达国家，都在致力于开发高效、无污染的生物质能利用技术，以保护本国的矿物能源资源，为实现国家经济的可持续发展提供根本保障。

生物质热解是指生物质在没有氧化剂（空气、氧气、水蒸气等）存在或只提供有限氧的条件下，加热到逾500℃，通过热化学反应将生物质大分子物质（木质素、纤维素和半纤维素）分解成较小分子的燃料物质（固态炭、可燃气、生物油）的热化学转化技术方法。生物质热解的燃料能源转化率可达95.5%，最大限度的将生物质能量转化为能源产品，物尽其用，而热解也是燃烧和气化必不可少的初始阶段[1]。

1　热解技术原理

1.1　热解原理

从化学反应的角度对其进行分析， 生物质在热解过程中发生了复杂的热化学反应，包括分子键断裂、异构化和小分子聚合等反应。木材、林业废弃物和农作物废弃物等的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素。热重分析结果表明，纤维素在52℃时开始热解，随着温度的升高，热解反应速度加快，到350～370℃时，分解为低分子产物，其热解过程为：

(C6H10O5)nnC6H10O5

C6H10O5H2O+2CH3-CO-CHO

CH3-CO-CHO+H2CH3-CO-CH2OH

CH3-CO-CH2OH+H2CH3-CHOH-CH2+H2O

半纤维素结构上带有支链，是木材中最不稳定的组分，在225～325℃分解，比纤维素更易热分解，其热解机理与纤维素相似[2]。

从物质迁移、能量传递的角度对其进行分析，在生物质热解过程中，热量首先传递到颗粒表面，再由表面传到颗粒内部。热解过程由外至内逐层进行，生物质颗粒被加热的成分迅速裂解成木炭和挥发分。其中，挥发分由可冷凝气体和不可冷凝气体组成，可冷凝气体经过快速冷凝可以得到生物油。一次裂解反应生成生物质炭、一次生物油和不可冷凝气体。在多孔隙生物质颗粒内部的挥发分将进一步裂解，形成不可冷凝气体和热稳定的二次生物油。同时，当挥发分气体离开生物颗粒时，还将穿越周围的气相组分，在这里进一步裂化分解，称为二次裂解反应。生物质热解过程最终形成生物油、不可冷凝气体和生物质[3，4]。

1.2　热解反应基本过程

根据热解过程的温度变化和生成产物的情况等， 可以分为干燥阶段、预热解阶段、固体分解阶段和煅烧阶段。

1.2.1 干燥阶段（温度为120～150℃），生物质中的水分进行蒸发，物料的化学组成几乎不变。

1.2.2 预热解阶段（温度为150～275℃），物料的热反应比较明显，化学组成开始变化，生物质中的不稳定成分如半纤维素分解成二氧化碳、一氧化碳和少量醋酸等物质。上述两个阶段均为吸热反应阶段。

1.2.3 固体分解阶段（温度为275～475℃），热解的主要阶段，物料发生了各种复杂的物理、化学反应，产生大量的分解产物。生成的液体产物中含有醋酸、木焦油和甲醇（冷却时析出来）；气体产物中有CO2、CO、CH4、H2等，可燃成分含量增加。这个阶段要放出大量的热。

1.2.4 煅烧阶段（温度为450～500℃），生物质依靠外部供给的热量进行木炭的燃烧，使木炭中的挥发物质减少，固定碳含量增加，为放热阶段。实际上，上述四个阶段的界限难以明确划分，各阶段的反应过程会相互交叉进[5，6]。

2　热解工艺及影响因素

2.1　热解工艺类型

从对生物质的加热速率和完成反应所用时间的角度来看，生物质热解工艺基本上可以分为两种类型：一种是慢速热解，一种是快速热解。在快速热解中，当完成反应时间甚短（＜0.5s）时，又称为闪速热解。根据工艺操作条件，生物质热解工艺又可分为慢速、快速和反应性热解三种。在慢速热解工艺中又可以分为炭化和常规热解[5]。

慢速热解（又称干馏工艺、传统热解）工艺具有几千年的历史，是一种以生成木炭为目的的炭化过程，低温干馏的加热温度为500～580℃，中温干馏温度为660～750℃， 高温干馏的温度为900～1100℃。将木材放在窑内，在隔绝空气的情况下加热，可以得到占原料质量30%～35%的木炭产量。

快速热解是将磨细的生物质原料放在快速热解装置中，严格控制加热速率（一般大致为10～200℃/s）和反应温度（控制在500℃左右）， 生物质原料在缺氧的情况下，被快速加热到较高温度，从而引发大分子的分解，产生了小分子气体和可凝性挥发分以及少量焦炭产物。可凝性挥发分被快速冷却成可流动的液体，成为生物油或焦油，其比例一般可达原料质量的40%～60%。

与慢速热解相比，快速热解的传热反应过程发生在极短的时间内，强烈的热效应直接产生热解产物，再迅速淬冷，通常在0.5s内急冷至350℃以下，最大限度地增加了液态产物（油）。

常规热解是将生物质原料放在常规的热解装置中，在低于600℃的中等温度及中等反应速率（0.1～1℃/s）条件下，经过几个小时的热解，得到占原料质量的20%～25%的生物质炭及10%～20%的生物油[7～9]。

2.2 热解影响因素

总的来讲，影响热解的主要因素包括化学和物理两大方面。化学因素包括一系列复杂的一次反应和二次反应；物理因素主要是反应过程中的传热、传质以及原料的物理特性等。具体的操作条件表现为：温度、物料特性、催化剂、滞留时间、压力和升温速率[10]。

2.2.1 温度

在生物质热解过程中，温度是一个很重要的影响因素， 它对热解产物分布、组分、产率和热解气热值都有很大的影响。生物质热解最终产物中气、油、炭各占比例的多少，随反应温度的高低和加热速度的快慢有很大差异。一般地说，低温、长期滞留的慢速热解主要用于最大限度地增加炭的产量，其质量产率和能量产率分别达到30%和50%（质量分数）[11～13]。

温度小于600℃的常规热解时，采用中等反应速率，生物油、不可凝气体和炭的产率基本相等；闪速热解温度在500～650℃范围内，主要用来增加生物油的产量，生物油产率可达80%（质量分数）；同样的闪速热解，若温度高于700℃，在非常高的反应速率和极短的气相滞留期下，主要用于生产气体产物，其产率可达80%（质量分数）。当升温速率极快时，半纤维素和纤维素几乎不生成炭[5]。

2.2.2 生物质材料的影响

生物质种类、分子结构、粒径及形状等特性对生物质热解行为和产物组成等有着重要的影响[3]。这种影响相当复杂，与热解温度、压力、升温速率等外部特性共同作用，在不同水平和程度上影响着热解过程。 由于木质素较纤维素和半纤维素难分解，因而通常含木质素多者焦炭产量较大；而半纤维素多者，焦炭产量较小。在生物质构成中，以木质素热解所得到的液态产物热值为最大；气体产物中以木聚糖热解所得到的气体热值最大[5]。

生物质粒径的大小是影响热解速率的决定性因素。粒径在1mm以下时，热解过程受反应动力学速率控制，而当粒径大于1mm时，热解过程中还同时受到传热和传质现象的控制。大颗粒物料比小颗粒传热能力差，颗粒内部升温要迟缓，即大颗粒物料在低温区的停留时间要长，从而对热解产物的分布造成了影响。 随着颗粒的粒径的增大，热解产物中固相炭的产量增大。从获得更多生物油角度看，生物质颗粒的尺寸以小为宜，但这无疑会导致破碎和筛选有难度，实际上只要选用小于1mm的生物质颗粒就可以了。

2.2.3 催化剂的影响

有关研究人员用不同的催化剂掺入生物质热解试验中，不同的催化剂起到不同的效果。如：碱金属碳酸盐能提高气体、碳的产量，降低生物油的产量，而且能促进原料中氢释放，使空气产物中的H2/CO增大；K+能促进CO、CO2的生成，但几乎不影响H2O的生成；NaCl能促进纤维素反应中H2O、CO、CO2的生成；加氢裂化能增加生物油的产量，并使油的分子量变小。

另外，原料反应得到的产物在反应器内停留时间、反应产出气体的冷却速度、原料颗粒尺寸等，对产出的炭、可燃性气体、生物油（降温由气体析出）的产量比例也有一定影响[5]。

2.2.4 滞留时间

滞留时间在生物质热解反应中有固相滞留时间和气相滞留时间之分。固相滞留时间越短，热解的固态产物所占的比例就越小，总的产物量越大，热解越完全。在给定的温度和升温速率的条件下，固相滞留时间越短，反应的转化产物中的固相产物就越少，气相产物的量就越大。气相滞留期时间一般并不影响生物质的一次裂解反应过程，而只影响到液态产物中的生物油发生的二次裂解反应的进程。当生物质热解产物中的一次产物进入围绕生物质颗粒的气相中，生物油就会发生进一步的裂化反应，在炽热的反应器中，气相滞留时间越长，生物油的二次裂解发生的就越严重，二次裂解反应增多，放出H2、CH4、CO等，导致液态产物迅速减少，气体产物增加。所以，为获得最大生物油产量，应缩短气相滞留期，使挥发产物迅速离开反应器，减少焦油二次裂解的时间[3～5]。

2.2.5 压力

压力的大小将影响气相滞留期，从而影响二次裂解，最终影响热解产物产量的分布。随着压力的提高，生物质的活化能减小，且减小的趋势渐缓。在较高的压力下，生物质的热解速率有明显的提高，反应也更激烈，而且挥发产物的滞留期增加，二次裂解较大；而在低的压力下，挥发物可以迅速从颗粒表面离开，从而限制了二次裂解的发生，增加了生物油产量[14，15]。

2.2.6 升温速率

升温速率对热解的影响很大。一般对热解有正反两方面的影响。升温速率增加，物料颗粒达到热解所需温度的相应时间变短，有利于热解；但同时颗粒内外的温差变大，由于传热滞后效应会影响内部热解的进行。随着升温速率的增大，温度滞后就越严重，热重曲线和差热曲线的分辨力就会越低，物料失重和失重速率曲线均向高温区移动。热解速率和热解特征温度（热解起始温度、热解速率最快的温度、热解终止温度）均随升温速率的提高呈线形增长。在一定热解时间内，慢加热速率会延长热解物料在低温区的停留时间，促进纤维素和木质素的脱水和炭化反应，导致炭产率增加。气体和生物油的产率在很大程度上取决于挥发物生成的一次反应和生物油的二次裂解反应的竞争结果，较快的加热方式使得挥发分在高温环境下的滞留时间增加，促进了二次裂解的进行，使得生物油产率下降、燃气产率提高[16～18]。

3　热解技术研究现状

3.1 国内研究现状

与欧美一些国家相比，亚洲及我国对生物质热解的研究起步较晚。近十几年来，广州能源研究所生物质能研究中心、浙江大学、东北林业大学等单位做了一些这方面的工作。

广州能源研究所生物质能研究中心，目前研究方向重点为生物质热化学转化过程的机理及热化学利用技术。其研究内容为：（1）高能环境下的热解机理研究：等离子体热解气化、超临界热解等；（2）气化新工艺研究：高温气化、富氧气化、水蒸汽气化等；（3）气化技术系统集成及应用：新型气化装置、气化发电系统等；（4）生物质气化燃烧与直接燃烧：气化燃烧技术、热解燃烧技术、直接燃烧等。

浙江大学着眼于流化床技术在生物质清洁能源规模化利用上显示出的巨大潜在优势，在上世纪末成功开发了以流化床技术为基础的生物质热裂解液化反应器，并在先期成功试验的基础上，针对已有的生物质热裂解液化工艺中能源利用率不高以及液体产物不分级等缺点，采用独特的设计方案研发了生物质整合式热裂解分级制取液体燃料装置，得出了各运行参数对生物质热解产物的得率及组成的影响程度，适合规模化制取代用液体燃料。目前正在开展深层技术和扩展应用的研究。

东北林业大学生物质能研究中心研究方向： 转锥式生物质闪速热解液化装置。经过一系列的调试、实验和改进后，现已经探索出了一些基本的设计规则和经验。现阶段设备制造已完成，即将进入实验阶段，为今后设备改进及技术推广打好坚实的基础。

另外在快速热裂解研究上，沈阳农业大学在联合国粮农组织（FTO）的协助下，从荷兰的BTG集团引入一套50 kg/h旋转锥闪速热解装置并进行了相关实验研究；上海理工大学、华东理工大学、浙江大学、中国科学院广州能源研究所、清华大学、哈尔滨工业大学和山东理工大学等单位也开展了相关实验研究，目前正在开展深层技术和扩展应用的研究。在现在技术的支持下，用于商业运行的只有输运床和循环流化床系统[19，20]。

河南农业大学农业部可再生能源重点开放实验室也长期进行了生物质热解方面的研究。“YNO4型生物质燃气脱焦机”的诞生解决了现有生物质热解气化机组净化装置复杂、脱焦效率低且焦油难收集等问题，结构简单，操作方便，避免了二次污染，系统运行可靠，维护费用低，经济效益显著，适用于各类生物质热解气化机组的配套及其商业化应用，已于2001年11月通过省科技厅技术鉴定，并已在许昌机电厂投入批量生产。

同时，该实验室与河南商丘三利新能源有限公司对生物质热解产物进行了综合利用的研究，并形成了配套设备。根据农作物秸秆资源存在着季节性、分散性的特点和运输、储存难的矛盾，采取了分散和集中的模式，即在农作物秸秆易收集的范围内建造小型生物质热解装置，就地使用生物质燃气， 然后将便于运输的生物质炭、焦油、木醋液收集，建设若干集中加工厂，生产多种产品以供各种用途，较适合我国的国情。

3.2　国外研究现状

生物质热解技术最初的研究主要集中在欧洲和北美。20世纪90年开始蓬勃发展，随着试验规模大小的反应装置逐步完善，示范性和商业化运行的热解装置也被不断地开发和建造。欧洲一些著名的实验室和研究所开发出了许多重要的热解技术，20世纪90年代欧共体JOULE计划中生物质生产能源项目内很多课题的启动就显示了欧盟对于生物质热解技术的重视程度。

但较有影响力的成果多在北美涌现，如加拿大的Castle Capital有限公司将BBC公司开发的10Kg/h～25Kg/h的橡胶热烧蚀反应器放大后，建造了1500Kg/h～2000 kg/h规模的固体废物热烧蚀裂解反应器，之后，英国Aston大学、美国可再生能源实验室、法国的Nancy大学及荷兰的Twente大学也相继开发了这种装置。

荷兰Twente大学反应器工程组及生物质技术（BTG）集团研制开发了旋转锥热裂解反应器，由于工艺先进、设备体积小、结构紧凑，得到了广泛的研究和应用；Hamberg木材化学研究所对混合式反应器鼓泡床技术进行了改进和发展，成功地采用静电扑捉和冷凝器联用的方式，非常有效地分离了气体中的可凝性烟雾。ENSYN基于循环流化床的原理在意大利开发和建造了闪速热解装置（RTP），还有一些小型的实验装置也相继在各研究所安装调试。

传统的热解技术不适合湿生物质的热转化。针对这个问题，欧洲很多国家己开始研究新的热解技术，这就是Hydro Thermal Upgrading（HTU）。将湿木片或生物质溶于水中，在一个高压容器中，经过15min（200℃，300bar）软化，成为糊状，然后进入另一反应器（330℃，200bar）液化5～15min。经脱羧作用，移去氧，产生30%CO2、50%生物油，仅含10%～15%的氧。荷兰Shell公司证明：通过催化，可获得高质量的汽油和粗汽油。这项技术可产生优质油（氧含量比裂解油低），且生物质不需干燥，直接使用[21，22]。

4　前景与展望

面对化石能源的枯竭和环境污染的加剧，寻找一种洁净的新能源成了迫在眉睫的问题。现在全世界都把目光凝聚在生物质能的开发和利用上。生物质能利用前景十分广阔，但真正实际应用还取决于生物质的各种转化利用技术能否有所突破。

随着技术的不断完善，研究的方向和重点也在拓宽，以前侧重热解反应器类型及反应参数，以寻求产物最大化，而现在整体利用生物质资源的联合工艺以及优化系统整体效率被认为是最大化热解经济效益、具有相当大潜力的发展方向；除此之外，提高产物品质，开发新的应用领域，也是当前研究的迫切要求。

我国生物质热解技术方面的研究进展缓慢，主要是因为研究以单项技术为主，缺乏系统性，与欧美等国相比还有较大差距。 特别是在高效反应器研发、工艺参数优化、液化产物精制以及生物燃油对发动机性能的影响等方面存在明显差距。同时，热解技术还存在如下一些问题：生物油成本通常比矿物油高，生物油同传统液体燃料不相容，需要专用的燃料处理设备；生物油是高含氧量碳氢化合物，在物理、化学性质上存在不稳定因素，长时间贮存会发生相分离、沉淀等现象，并具有腐蚀性；由于物理、化学性质的不稳定，生物油不能直接用于现有的动力设备，必须经过改性和精制后才可使用；不同生物油品质相差很大，生物油的使用和销售缺少统一标准，影响其广泛应用。以上问题也是阻碍生物质高效、规模化利用的瓶颈所在[6]。

针对以上存在的差距和问题，今后的研究应主要集中在如何提高液化产物收率，寻求高效精制技术，提高生物油品质，降低运行成本，实现产物的综合利用和工业化生产等方面。同时加强生物质液化反应机理的研究，特别是原料种类及原料中各种成分对热化学反应过程及产物的影响。在理论研究的基础上，将现有设备放大，降低生物油生产成本，逐渐向大规模生产过渡，完善生物油成分和物理特性的测定方法，制定统一的规范和标准，开发生物油精制与品位提升新工艺，开发出用于热化学催化反应过程中的低污染高效催化剂，使其能够参与化石燃料市场的竞争[23]。?

参考文献

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篇7

关键词：热重分析；生物质；热解；升温速率；粒径

化石染料的广泛使用对环境的危害已广为人知：一是二氧化碳造成的温室效应；二是二氧化硫所引起的酸雨污染；三是氮氧化物，这些都带来了严重的环境污染和气候变化问题。据资料显示[1]，2012至2013年我国的进口原油接近2.7亿吨，对外的依存度超过了55%，煤炭进口3.2亿吨，供需矛盾的出现势必会严重影响国家的石油安全。化石能源的枯竭和环境的恶化严重制约着当今社会的发展，而生物质能以其独特的特点（可再生性，低二氧化碳排放，几乎不排放二氧化硫）跃然纸上。因此，科学高效地利用生物质能源必将成为解决我国能源环境的有力措施之一。在刚出台的十三五规划中也承诺在2030年实现减排65%，非化石能源占一次能源消费比重达到20%左右，其中也提到了加快发展生物质能的要求。现阶段最常见的生物质能源利用方式是生物质气化、燃烧将其转化为高效洁净能源产品或燃料物质。

烟草业是贵州省的支柱产业。常年种植烤烟20万公顷左右，产量40万吨左右，约占全国烤烟总量的20%，是全国烤烟生产的第二大省。这就导致每年势必会有大量的烟草废弃物出现，而它们得不到高效利用就会造成资源浪费。近年来，大多数烟草废弃物的研究都着重于提取烟碱、植物蛋白和茄尼醇，制备活性炭、堆肥和生物质类燃料等[3]，而很少有关于烟草废弃物热解特性的研究。所以可以通过研究烟草废弃物热解特性，了解挥发分热解析出规律，使烟草废弃物能够得到广泛高效的利用，实现企业节能减排，达到废物资源化利用的目的，为特定行业的废弃物处理提供新的路径。

文章以烟梗为主要研究对象，同时与烟杆、典型生物质玉米秸秆进行对比，采用热重分析方法研究不同粒径、不同温升速率下烟梗、烟杆及玉米秸秆的热失重曲线，分析其热解特性。

1 实验部分

1.1 采样

实验所用生物质样品是烟梗、烟杆和玉米秸秆，均采自清镇市。将采集来的样品在105℃的鼓风干燥箱中干燥2小时，然后磨制成5个实验样品，分别是：80目烟梗、150目烟梗、200目烟梗、80目烟杆、80目玉米秸秆。

1.2 实验仪器及方法

本实验采用的是德国耐弛同步热分析系统STA409PC。

实验方法：取12.5±0.5mg的实验样品放入热天平坩埚中，在纯氮条件下以不同的升温速率进行实验，从室温升温到900℃。升温速率分别设定为5℃/min、10℃/min、15℃/min、20℃/min、25℃/min；保持载气流量为40ml/min；保护气为氮气，保持其流量在15ml/min。

记录不同条件下TG-DTG-DSC曲线，通过曲线分析其热解过程。

2 实验结果分析

2.1 热重特性分析

以80目烟梗在氮气40升温速率5℃/min的条件下的TG-DTG曲线（图1）进行分析，由TG-DTG曲线可看出烟梗主要经历了五个热失重阶段。初始失重阶段是从20℃-118.8℃，该阶段DTG存在一个失重峰，主要发生水分的析出[4]；第II个失重阶段是从118.8℃-178.9℃，由于温度低于200℃，所以该阶段主要归因于烟梗中低沸点化合物的析出[4]；第III个失重阶段是从178.9℃-339℃。此过程存在两个失重峰，主要是烟草中的大分子聚合物的热解，析出大量挥发分[4]，失重最多的阶段，其质量损失百分比达到了34.29%。第一个失重峰是在178.9℃-260.6℃期间，主要是半纤维素的热解析出少量挥发分，第二个失重锋是在260.6℃-339℃期间，这是由于纤维素的热解析出大量挥发分[5]，最大失重峰峰值温度为289.6℃；第IV个失重阶段是从339℃-510℃，主要是因为高温使木质素热解，导致质量损失；第V个失重阶段是从510℃-899.5℃，生物炭缓慢形成，产生炭的残留物[6]。

2.2 不同生物质热重特性比较分析

a 不同生物质TG曲线

b 不同生物质DTG曲线

图2

以80目烟梗在氮气40升温速率15℃/min的条件下的TG-DTG曲线（图2）进行分析比较，由几种不同生物质的TG-DTG曲线可知，烟杆热解与烟梗热解过程表现的TG-DTG曲线走势形状大致相同，烟杆的TG曲线向低温区移动，烟杆没有明显的半纤维素热解析出峰，但是在最大失重速率点左边有一个侧肩，这是由于半纤维素和纤维素热解温度区间出现重叠，导致半纤维热解峰的消失[5]；失重过程中的最大失重速率较大，后期失重峰的失重速率较小，但是相差都不是很大。烟杆残留质量百分比为26.87%，烟梗残留质量百分比为30.91%；而玉米秸秆的热解与烟梗热解曲线相比，失重过程只经历了三个热失重阶段，分别是水分的析出，半纤维素、纤维素热解析出挥发分和木质素高温热解阶段，残留质量百分比为24.76%。玉米秸秆在水分析出阶段的失重速率较慢；在半纤维素、纤维素析出挥发分时期，质量急剧失去；在最后的木质素高温热解阶段失重较缓慢。

烟梗、烟杆和玉米秸秆的DTG曲线峰值点对应的温度不同且挥发分析出的起始点和终止点也不同，这是由于不同生物质中半纤维素、纤维素和木质素的含量和矿物质含量不同。整个热失重过程DSC曲线存在一个大的放热峰。烟梗残留质量百分比最多，其次是烟杆，玉米秸秆是残留质量百分比最少的。这是由于烟梗含有较多的木质素，热解析出的挥发分较少；而玉米秸秆是高纤维素，低木质素生物质，在纤维素热解阶段质量急剧变化，大量析出挥发分导致最后残留质量百分比最少。

2.3 不同升温速率下烟梗的热重特性比较分析

a 不同升温速率下烟梗TG曲线

b 不同升温速率下烟梗DTG曲线

图3

由80目烟梗在氮气流量40ml/min不同升温速率下的TG-DTG曲线（图3）比较可知，随着升温速率的升高：DTG曲线向高温区移动且失重速率均增大。即随着升温速率的增大，最大失重速率点的温度向高温区移动，挥发分的析出产生了延迟现象，这是由于升温速率的提高增大了样品颗粒内外的温度差，而生物质的导热率较小，导致传热不良，颗粒内部温度较低，外部温度较高，这便导致了内外反应速率不同。也就是文献[7]中提到的热滞后现象。失重速率的增加是由于升温速率的提高，析出的挥发分在颗粒表面的停留时间缩短，促进了挥发分的析出。烟杆和玉米秸秆的TG-DTG曲线随着升温速率的提高也表现出相似的变化规律。

2.4 不同粒径烟梗热重特性比较分析

由烟梗在氮气流量40ml/min升温速率5℃/min条件下不同粒径TG-DTG曲线（图4）可知，随着粒径的减小，炭的残留百分比分别为32.78%，29.97%，27.02%，呈逐渐减小趋势[6]，峰值温度随粒径的减小向低温区移动[7]，在低温区的热解持续时间较短。这是由于粒径较大，生物质颗粒传热能力较差，内部升温较缓慢，热解能力变差，析出挥发分减少。

3 结束语

文章采用热重分析方法进行了以烟梗为主、烟杆和玉米秸秆为辅的热解实验，比较分析其热解特性，同时研究了不同升温速率及不同粒径对生物质热解的影响。根据实验分析，可以得到以下结论：（1）烟梗和烟杆的热解主要经历了五个热失重阶段：水分析出，低沸点化合物的析出，纤维素和半纤维素热解析出挥发分，木质素高温热解，生物炭的形成。玉米秸秆则明显分为三个热失重阶段。由于不同生物质中半纤维素、纤维素和木质素的含量和矿物质含量不同导致它们峰值温度和挥发分析出的起始点和终止点不同。烟梗热解析出的挥发分较少，残留率多，热稳定性最好；而玉米秸秆大量析出挥发分，残留质量百分比最少。（2）随着升温速率的提高，三种生物质的峰值温度均向高温区移动且最大失重速率增大，产生热滞后现象。即升温速率的提高会导致：挥发分析出困难，峰值向高温区移动，析出量增大。（3）随着烟梗粒径的减小，炭的残留百分比呈逐渐减小趋势，峰值温度随粒径的减小向低温区移动，低温区热解持续时间较短。

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篇8

关键词：能源作物芒草分类分布生物学特性转化利用

1　引言

由18世纪末蒸汽机等发明催生的工业革命，彻底改变了人类历史的发展历程一保持了几千年自给自足的传统农业社会开始步入工业社会。工业社会从根本上改变了人类对能源的依存方式，从几乎完全依赖植物生物质变成了主要依赖石油、煤炭和天然气等化石燃料。众所周知，这些化石燃料是由地球若干亿年积累下来的生物残骸转化形成的，具有不可再生性。如果人类不改变能源依赖方式，地球上的化石燃料就将在几十年内枯竭。爆发多次的能源危机和不断上升的能源价格也在警告我们：人类现行的能源依存方式是不可持续的，甚至是非常危险的。

大量开采利用化石燃料的另一问题是，将地层中长期蕴藏的碳以CO，的形式释放到大气中，从而不可避免地造成温室效应，引起全球气候变暖。而且，化石燃料特别是燃烧煤炭造成的各种污染也极大地危害着人类健康，破坏了森林、耕地和建筑。因此，控制化石燃料的消耗，减少CO，排放已成为世界共识。人类社会要走向可持续性发展，必须寻求可再生清洁能源，这已成为科学家们积极探索的热点。

可再生清洁能源包括风能、太阳能、地热、潮汐、水电和生物质能等。其中，生物质能是绿色植物通过光合作用将太阳能转化为化学能而蕴藏在生物体内的能量，是可再生的绿色能源。与其它可再生清洁能源相比，生物质能是唯一能固碳、可再生并转化成气态、液态和固态燃料或其它化工原料和产品的碳资源。生物质能具有良好的稳定性、储能性、原料多样性和产品多样性等优点，缺点是季节性强、原料分散、能量密度低。

根据能源载体物质的化学成分，可将生物质原料分为三大类：①糖和淀粉类，富含糖或淀粉，可用于生产燃料乙醇；②油脂类，富含油脂，能通过脂化过程形成脂肪酸甲脂类物质，即生物柴油；⑧纤维素类，富含纤维素、半纤维素和木质素，可通过转化获得热能、电能、乙醇和生物气体等。目前，已规模化利用生物质能源的国家有美国和巴西，其主要原料分别是玉米和甘蔗。众所周知，玉米、甘蔗、油菜等第一代能源作物是人类的重要食物来源，将它们作为生物质能源将影响到世界食物安全，也很难在食物紧缺的国家推广。近年来，科研人员的目光已集中到产量大、来源广的纤维素类——第二代能源作物上，其中多年生草本植物芒草被认为是生物质产量高、资源利用效率高、生产成本低、生态适应性广、开发潜力巨大的理想能源作物。2011年10月28日，《经济参考报》刊登了“第二代生物质能源呼之欲出芒草成能源作物新星”的报道。

2　芒草的分类与分布

芒草是各种芒属(Miscanthus And ress，)植物的统称，属于禾本科(Poaceae)黍亚科(Panicoideae)蜀黍族(And ropogoneae)。芒草的种间、种内多样性复杂，据《中国植物志》记载，全世界芒属植物可分13个种，我国有8个种，但有关种的数目、划分及其亲缘和演化关系，学术界尚存争议。

1855年，Andressons首次从甘蔗属(Saccha rum)和蔗茅属(Erianthus)中将芒属分列出来，其命名的Miscanthus包括5个种；1881年，Benth等将荻(Triar rhena sachariflo ra(Maxln，)Nakai)归入芒属。1930年，Honda将芒属分为两组，一组为Triarrhena，另一组为Eumi scanIhus。1959年，耿以礼在研究中国芒属植物时，将上述两组合并为三药芒组(Triarrhena)，该组植物有3枚雄蕊，而将分布于我国西南地区的芒属种类另立为双药芒组(Diandra)，该组植物有2枚雄蕊。1962年，Adatj等认为芒属植物有17个种，可分为四个组，分别命名为Section Triar rhena(荻组)、Seciion Eumiscanthus(真芒组)、SectionKa riyasua(青茅组)和Section Dlandra(双药芒组)。1989年，刘亮在修订禾本科甘蔗亚属的分类时，将荻从芒属中独立出来，恢复了Nakai于1950年所建立的荻属，包括荻和南荻(T.1ularlorlpana)2个种，并认为南荻是我国的特有种。2006年，Chen等纠又将荻、南荻、红山茅以及双药芒属归并到芒属，认为全世界芒属植物共有14个种，中国有7个种，分别是红山茅(M.paniculatus)、南荻(M.1utarioripa rlus)、荻(M.sacchariflorus)、五节芒(M.floridulus)、芒(M.slnensls)、尼泊尔芒(M.nepalensis)和双药芒(M.nudipes)，并认为M.condensatus(八丈芒)、M.purpurascens(紫芒)、M.transmorrJsonensis(高山芒)和M.jinxianensis(金县芒)都为M.slnensls的变异类型(变种)。

另外，1988年出版的《四川植物志》中，还列出了短毛芒(M.revipilus)和川芒(M.szechuanensis)在欧洲，三倍体芒草——奇岗(M.×giganteus)已被大量研究报道，它原产于日本、被认为是荻(四倍体)和芒(二倍体)的天然杂交种。在非洲南部，有M.junceus、M.sorghum、M.violensis和M.ecklonii的自然群落发生，但究竟是否属于芒草尚不清楚。在芒属植物的各个种内，芒的变种最多，仅二倍体变种就有17个。

芒草原产于东亚，广泛分布于从东南亚到太平洋岛屿的热带、亚热带和温带地区，现已扩展至西非、美洲和欧洲地区。周昌弘等。依据外部形态和地理分布的关系，将芒草划分为三大类群，第一大群为中国芒类群，是由芒及其变种形成的分类群，主要分布在中国大陆东部、朝鲜(半岛)、日本、琉球群岛、台湾岛、菲律宾群岛等；第二大群为五节芒类群，是由五节芒形成的分类群，主要分布在中国南部沿海、东亚和南亚地区；第三大群是尼泊尔芒类群，是以尼泊尔芒为主形成的区系，分布范围以环绕喜马拉雅山的区域为主，涵盖中国云南、四川，印度、巴基斯坦、缅甸、尼泊尔等地。关于我国芒草的分布，Chen等认为：红山茅生长在海拔2500～3100m的干旱山坡，分布于四川、贵州、云南；南荻生长在海拔低于100m的

湖边和河堤，分布在湖南、湖北；荻生长在山坡和河岸，分布于河南、河北、陕西、甘肃以及日本、朝鲜、俄罗斯；五节芒生长在坡地、河谷和草地，分布于海南、台湾、广东、广西、福建、浙江、江苏、安徽、湖北、河南、四川、贵州、云南以及东南亚国家；芒生长在低于海拔2000m的山坡、海岸，分布于海南、台湾、广东、广西、福建、江西、浙江、江苏、安徽、湖北、山东、河北、吉林、陕西、四川、云南、贵州以及日本、朝鲜(半岛)；尼泊尔芒生长在海拔1900-2800m的山坡，分布于四川、云南、以及不丹、印度、缅甸、尼泊尔；双药芒生长在海拔1000-3600m的山坡，分布干四川、云南、贵州、以及不丹、印度、尼泊尔。在芒属植物的各个种内，芒的分布范围最广，且不同变种通常有显著不同的分布区域，如台湾的八丈芒、白背芒(M，gIabe r)、台湾芒(M，fo rmosanus)和高山芒均为芒的变种，它们的分布区域分别为海边、低海拔、中海拔和高海拔区域。

3　芒草的生物学特性

芒草为多年生草本植物，一般寿命18-20年，最长可达25年以上；植株高大，茎秆粗壮、中空、高度通常为1N3m，在热带、亚热带可达5m以上；叶片扁平、窄长，长度10～80cm不等、长宽比30-50；根系发达、入土深度1m以上，具有发达的地下根茎、横走于地表下10cm左右，可构成纵横交织的根茎一根系网络系统；分蘖能力强，单株分蘖数可达100个以上，并形成单株群落；顶生大型圆锥花序，由多数总状花序沿一延伸的主轴排列而成，小穗成对、孪生于延续的总状花序轴上，每小穗含一两性花，雄蕊2N3枚，雌蕊2枚；异花授粉，自交不亲和，易形成变种问、种间、甚至属于杂种；种子小而轻，千粒重0.3-0.59，适合风播，但三倍体、五倍体的芒草不育。

芒草的染色体很小，基数为19，是禾本科中染色体基数最大的植物之一；除二倍体外，常出现多倍体和非整倍体的情况。Watson等将芒草的染色体数目分为：2n=2x=35～43，2n=3x=57，2n=4x=76，2n=5x=95和2n=6x=114；Deuter对发表于2000年前的研究报告进行了统计，发现各种芒草的染色体数目如下：荻组中荻为2n=2×=38、2n=3×=57、2n=4x=76、2n=5x=95，奇岗为2n=3x=57-58；真芒组中芒为2n=2x=36～42，八丈芒为2n=2x=36～38、2n=3x=57，五节芒为2n=2x=38、2n=3x=57，紫芒为2n=2x=40；青茅组中M，o Jjgostachyus为2n=2×=38，中介芒(M，i nte rmedi u s)为2n=4x=76、2n=6x=1 14，青茅(M，tincto rius)为2n=2x=38、2n=4x=76—78、2n=6x=1 03～109；双药芒组中尼泊尔芒为2n=2x=40、双药芒为2n=2x=40、蔗茅(M，rufipilus)为2n=2x=40；其它如高山芒为2n=2x=38、M，pycnocephaIus为2n=2x--38。另据杜风研究，陕西凤县居群的芒为2n=3x=57，南荻为2n=2x=38；据陈少凤研究，南荻的变种细荻(M，1utario riparius var.humilior)为2n=4x=76。

芒草是喜温、喜光的长日照作物，一般春季播种或移栽，初夏拔节、分蘖，秋季开花结实，深秋停止生长，翌年春季返青；芒草是高光效C。作物，光能利用率高，光合速率与玉米、甘蔗等相当，可达50mg／(dmh)；芒草生长速度快，在生长季约每周出叶1片，最高叶面积指数可达6.5N10.0，分蘖期株高增长0.5N1.0cm／d，拔节期达到3cmid；芒草繁殖能力强，既能有性生殖、也能无性繁殖，一般从5月下旬开始，株丛中约20N30％的枝条形成生殖枝并逐步进入生殖生长，种子成熟后依靠风力传播，无性繁殖则依靠根茎和蘖芽。

芒草具有极宽的生态适应性，在我国从低海拔的沿海滩涂、河流岸边、道路沿线、干热河谷地到海拔2000m以上的山地草丛，芒草都生长良好；芒草侵袭能力、竞争能力强，能适应多种土壤类型，常常是山地、丘陵、滩涂、林缘等草本群落的优势组分；芒草具有较强的耐旱、耐热、耐寒等特点另外，芒草对Cu、Cd、Pb、Zn、As、Mn等重金属具有较强的耐受性，可作为修复污染土壤或矿区等废弃地的优先物种。

芒草有很高的生物质产量潜力。根据Lewandowski等的统计，三倍体芒草——奇岗在欧洲定植3-5年后可达最大干物质产量，南欧在灌溉条件下可达30t／hm。以上，中北欧在无灌溉条件下也可达10~25t／hm。Heaton等[28]在美国伊利诺斯州的试验表明，在投入极少的条件下，奇岗的光能利用率平均为1.0％、最高达到2.0％，平均生物质产量为30t／hm。最高达到61t／hm。我国各地的试验表明，在黑龙江可达37.5t／hm。在山东微山可达43.76t／hm。在北京种植当年可达4.33～14.77t／hm。第二年可达18.49N20.36t／hm。第三年可达39.05t／hm。

4　芒草的能源作物特性及其开发利用途径

Heaton等总结了理想能源作物的特征，包括：C光合途径，冠层持续时间长，多年生(无需每年耕种)，无明显病虫害，春季生长速度快、胜过杂草，不育(防止“逃逸”)，在土壤中贮碳(土壤修复和减碳的工具)，秋季将营养分配回土壤(降低养分需求)，低养分含量如含氮、含磷量

利用能源作物替代化石燃料时，需要将生物质能进行转化，转化方式可分物理、化学和生物三个方面，涉及到固化、直接燃烧、气化、液化、热解、发酵、消化等技术。芒草属于木质纤维素类能源作物，主要组分是纤维素、半纤维素和木质素等碳水化合物，可通过压缩成型、直接燃烧或与煤混燃、纤维素乙醇转化、沼气发酵等多种途径加以开发利用。

压缩成型就是将松散的生物质原料，经高温高压压缩成棒状、粒状、块状等具有一定紧实度的成型物，以减少运输费用、提高转化设备的单位容积燃烧强度和热效率。由于压缩成型需要消耗能源，因此欧美国家在收获芒草时大都采用机械打包方式，干物质密度通常在130～150kg／m。有些专用打包机则可达300kg／m。以上。

直接燃烧发电，是目前欧美国家利用芒草的主要方式。据LewandOWSki等报道：奇岗在早春收获时，生物质中C、O和H的含量均较高，分

别为47.8-49.7％、41.2-42.9％和5.5-5.9％，因此适合用于燃烧，燃烧时的反应性和稳定性好，所产热值高、达到17.1～19.2％；同时，由于芒草中N和S的含量低，分别为1.92％和0.22％，因此燃烧过程中产生的NO。SO。等化合物少，对环境的污染压力小。芒草燃烧后的灰分量占生物质量的1.6-4.0％，与当地木本能源植物相比，灰分中重金属含量低，营养物含量高，其中SiO占25~40％、K20占20-25％，P205、CaO和MgO各占5％左右。芒草直接燃烧的主要问题是灰分中Si、K含量高，导致灰分熔点降低、易形成污垢而使燃炉堵塞。因此，欧美国家大多采用与煤混燃的利用方法。10多年前，欧洲就开始了芒草与煤混燃的生产性试验，并取得了成功。根据LewandOWSki等的测算：如果芒草的干物质产量为20t／(hma)，其能值就相当于12t硬煤，用1hm2芒草替代12t硬煤，能减少31t的CO，排放(减少90％)；在发电厂周围50 km半径内种植芒草1.95万hm。(相当于总面积的215％)，就能生产芒草干物质39万t，燃烧这些干物质能使一个263MW的热电厂每年输电7000h，从而节省硬煤23.4~-t，减少C02排放60.4万t。

据估计，全球每年的纤维素类生物质量转化为生物燃料相当于340-1600亿桶原油，远超目前每年30亿桶原油的能源消耗。因此，将纤维素转化为燃料乙醇被视为解决能源危机的根本出路，倍受各国政府、大企业和科学家的重视。芒草含有80％以上可降解的纤维素和半纤维素，是理想的纤维素乙醇原料。据Heaton等测算，种植1200万hm(相当于美国作物面积的9.3％)芒草可转化纤维素乙醇133×109L，替代美国20％的汽油消耗，而相同面积的玉米籽粒只能生产49×109L的燃料乙醇，而且需要投入大量的肥料、机械等资源。纤维素乙醇的生产方法可分为生物化学法和热化学法。生物化学法有3个关键步骤，即生物质预处理、纤维素水解和单糖发酵。纤维素酶的成本是长期影响纤维素乙醇产业发展的瓶颈，20世纪90年代，每加仑纤维素乙醇的酶成本约为5美元，但目前已能降至50美分以下，从而将纤维素乙醇的生产成本降至2美元／加仑。热化学法是将生物质通过热转化过程生成合成气，再通过化学合成或微生物发酵生成燃料乙醇的技术，包括生物质热裂解技术和生物质气化技术。但目前生物质热解、气化技术还不成熟，尚未解决气化效率低、合成气转化过程选择性低和催化剂易失活等问题。

芒草沼气发酵是另一具有商业开发潜力的途径。余一等比较了生物质能的三种发酵利用模式，认为能量回收率沼气发酵最高、乙醇发酵其次、产氢发酵最低，单位生产成本则沼气发酵最低、乙醇发酵其次、产氢发酵最高等用马铃薯试验，制成乙醇的能量转换效率是2.6kW·h／kg，而制成沼气(甲烷)的能量转换效率是4.3kW·h／kg，后者比前者高出70％。曾宪录等认为，从目前的技术水平分析，沼气发酵是芒草利用的最好方式，其优势包括：减少收集与运输费用，将分散的芒草发酵成沼气进行“浓缩”，并可发电向外输送，沼气发电机组容量可灵活选择(10-500kW)，非常适合分布式发电；沼气发酵是在常温(或中温)常压下的自然过程，相对成本低、净能产出率高，按稻草常温发酵的研究结果计算，1kg芒草(稻草)可产沼气0.457m。50hm。芒草(1500t)则可产气约68万m。发电100万kW·h；芒草中的营养元素能促进沼气发酵，因此可从早秋开始收获利用，从而延长收获期、减少火灾风险和储备成本；通过沼渣还田，可减少农作物包括芒草的施肥量、降低生产成本，并减少化肥对环境的污染。目前，沼气产业在西欧国家已初具规模，如2007年瑞典已有1.5万辆用提纯沼气驱动的汽车和100多个加气站，车用提纯沼气的量已超过天然气；到2009年底，德国已有4780家大型沼气发电厂，发电产能达1600MW(为1999年的6倍)，约占全德国总发电量的29％。

5　我国能源作物芒草的发展战略

自20世纪80年代中期，欧美国家已开始多年生草本能源作物的研究和开发利用。1984年，美国能源部资助了“草本能源作物研究计划(HECP)”，通过对35种草本植物(其中18种为多年生，但没有包含芒草的评价，认为柳枝稷(Panicum virgatum L)潜力最大；1990年，HECP发展为“生物能源原料发展计划(BFDP)”，次年又决定在DFDP内将柳枝稷作为“模式”作物进行系统研究，以求达到快速应用和示范的目的。近年来，美国伊利诺斯大学等的科研人员对芒草进行了研究，认为芒草的生物质产量和净能产出都要优于柳枝稷，是更适合的能源作物。

欧洲对草本能源作物的研究和开发利用集中于三倍体芒草——奇岗，20世纪60年代就在丹麦开始试验，并在1983年建立了首个试验基地；在此基础上，1989年启动了由欧洲JOULE计划资助的研究项目，在丹麦、德国、爱尔兰和英国开始田间试验，研究奇岗在北欧的生物质潜力；1993年，在欧洲AlR计划资助下，田间试验拓展到了南欧的希腊、意大利和西班牙；与此同时，丹麦、荷兰、德国、奥地利和瑞士等国则资助了有关芒草生育繁育、管理实践和收获运输等的研究；1997年，在欧洲FAlR计划资助下，启动了旨在全欧洲培育新芒草杂交种、发展芒草育种技术和筛选不同芒草基因型的项目。目前，欧洲有关芒草的研究已进入产业化开发应用阶段。

我国是芒属植物的分布中心，但与欧美等国相比，我国对能源作物芒草的研究才刚刚开始，目前尚无国家级别的研究开发计划。鉴于芒草在能源作物中的地位，亟需从国家层面勾画、制定芒草发展战略，动员政府部门、科研机构、能源企业和社会各界力量，将大规模培育、推广种植和开发利用芒草作为我国能源发展战略的重要组成部分。现阶段，应重视以下四方面的全国性协作攻关。

第一、加快芒草种质资源的收集与保护。芒属植物在我国的分布范围极广，大致为18。N-50。N，98。E～135。E组织力量在全国开展芒草资源调查和收集，对我国芒草资源的保存和开发利用具有十分重要的意义。目前，湖南农业大学已建有一个能保存1000份以上芒属野生种质的资源圃，但我国究竟有多少芒属植物资源尚不清楚。2007年，广西柳州市农科所科研人员在该市沙塘镇农户地里发现了几株人工栽培的高大芒属植物，因其茎像甘蔗，叶、鞘像芒草，穗像狗尾草而命名为“三像草”；经初步观测，“三像草”极具开发利用价值。值得指出的是，芒属与蔗茅属(Erianthus)、河八王属(Narenga)、甘蔗属(Saccharum)和硬穗属(Sclerostachya)同属甘蔗属复合体(Saccharum Complex)，各属问能天

然杂交并能产生可育的F1代，因此整个甘蔗属复合体都有可能成为芒草育种的宝贵资源。至于“三像草”是否与甘蔗属复合体有关，尚待研究。

第二，强化芒草种质创新和新品种培育。我国对芒属植物的研究刚起步，与芒草种质创新和新品种培育相关的遗传学研究不仅少、而且很零散。因此，亟需在全国范围内加强组织协调，利用我国丰富的芒草资源，根据其分布特点和开发利用途径，统一部署芒草的种质创新和新品种培育。在我国7个芒草种中，芒、五节芒、荻和南荻的生物产量高、开发潜力大，以及在欧洲已广泛研究利用的奇岗，可作为核心种质资源用于作物驯化和品种改良。据报道，湖南农业大学利用细胞工程技术选育出了同源四倍体新品种——“芙蓉南荻”，利用转基因技术培育出了转外源Bt基因的抗虫南荻新种质，利用种问杂交技术培育出了芒与南荻的杂交新品系湘杂交芒1号、2号和3号。目前，基因工程技术等已广泛应用于能源作物种质创新，如提高生物质产量和品质、降低或改变木质素含量和成分、增加纤维素降解酶表达量等，加之芒草兼备有性生殖和无性繁殖的优点，这些都有利于优质、高产芒草品种的快速培育和迅速推广。

第三、因地制宜发展芒草高产高效技术。我国人口多、粮食需求压力大、土地资源紧张，发展能源作物只能依赖于边际性土地资源。我国地域辽阔、生态环境多样，边际性土地种类较多，如荒草地、盐碱地、滩涂、沙地、瘠薄地、旱地、渍涝地、冷湿地、污染地等，因此芒草的品种类型和生产技术必须适合当地的生态环境和边际性土地特点。根据欧洲对奇岗的研究，芒草在大面积种植时，扩繁成本高、定植当年越冬时抗寒性差是影响芒草产量的重要因素。目前，在我国芒草作为能源作物刚受重视，有关芒草种植技术如扩繁建植、生产管理、收获贮存等的研究还很少，更没有能适合于芒草产业化发展所需的标准化、集成化生产技术体系。作为能源作物，芒草的生物产量、经济效益和生态效益是决定能否产业化的关键，因此发展芒草高产高效生产技术非常重要。

第四、开发芒草转化利用技术与产业化模式。从世界范围来看，在芒草等木质纤维素能源作物的转化利用方面，压缩成型、直接燃烧或与煤混燃发电以及沼气发酵等技术已基本成熟，并具备产业化条件；而纤维素乙醇转化、高温裂解气化等技术近年来虽有所进展，但尚处于研发和示范阶段。

目前，我国芒草的转化利用技术与欧美国家还有较大差距，更没有建立芒草品种培育、规模化推广种植和商业化转化利用的产业化模式。因此，在引进国外先进技术和相关设备、提升我国芒草转化利用技术水平的同时，应积极组织高等院校、科研机构和能源企业等多方面力量，根据各地芒草种质资源状况、边际土地类型和数量以及芒草转化利用技术水平等条件，在全国范围内设计、部署芒草产业化模式的试验和示范，从而推动我国能源作物芒草产业的快速发展。

参考文献：

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关键词：新能源发电太阳能，风能，发展前景

 

0引言

自第三次工业革命以来，人类社会在经济和科技方面取得了空前的发展，伴随而来的是常规化石能源的大量消耗及其引起的环境污染和资源短缺等一系列问题，迫使人类不得不开始寻找清洁的可再生能源，也即新能源。相对于传统的煤、石油、天然气等化石能源，新能源普遍具有污染少、储量大的特点，对于解决当今世界日益严重的环境污染和资源匮乏等问题具有十分重要的意义[1]。资源与环境的压力也给电力系统带来了新的挑战，利用新能源逐步取代传统能源进行发电将是今后电力工业发展的趋势，可见新能源发电具有良好的发展前景和实用价值。

1 新能源发电的类型及其原理特点

新能源发电主要包括太阳能发电、风力发电、生物质能发电、地热发电、潮汐发电等方面。

1.1太阳能发电

太阳能是指太阳内部连续不断的核聚变反应过程所产生的能量，它是一个巨大的能源，据估计，我国陆地面积每年接收到的太阳能辐射能相当于亿吨煤[2]。太阳能发电又叫光伏发电，它的基本原理是利用光伏效应，通过光照产生电动势，进而输出电能，实现光电转换。简单地说，太阳能发电就是通过太阳能电池直接将太阳光转换成电能，太阳能电池是由各种具有不同电子特性的半导体材料薄膜制成的平展晶体，可以产生强大的内部电场[2]，主要包括单晶硅电池、多晶硅电池和非晶硅电池三种类型。免费论文参考网。

常见的太阳能发电系统由太阳能电池、控制器和逆变器三部分构成，按其运行方式可分为独立太阳能发电系统和并网太阳能发电系统，其中后者是目前的主流发展趋势，即太阳能电池发出的直流电，通过逆变装置转换成交流，进而并入电网使用。太阳能发电安全可靠，具有许多优点，如能源充足，太阳能无处不在，不受地域限制；建设周期短，运行成本低；不需要消耗燃料，无环境污染；结构简单，维护方便，适合无人值守。但是，太阳能发电受气候条件影响，具有间歇性，且价格昂贵。

1.2 风力发电

风力发电是将风能转换成机械能，再转换为电能，其基本原理是利用风吹动风轮，通过风轮的机械转动驱动发电机转子旋转，进而产生电能。风能是清洁的可再生能源，风力发电与常规发电相比，具有能源充足、不消耗燃料、无环境污染、占地面积小、工程建设周期短、发电技术成熟等优点。在当今世界的新能源开发技术中，风力发电是最成熟、最有商业利用价值的发电方式，其装机容量正在不断扩大，全球风电发电量占总发电量的比例也在逐步增加。

1.3生物质能发电

生物质能是绿色植物通过光合作用，将太阳能转化为化学能而储存在生物质内部的一种能量形式，是一种资源丰富、无污染的能源。生物质能发电包括农林废弃物燃烧发电、生物质燃气发电、城市垃圾焚烧发电、沼气发电等方面。生物质能发电具有电能质量好、可靠性高等优点，具有较高的经济价值。

1.4 地热发电

地球内部蕴藏着巨大的热能，地热能就是地球内部的热释放到地表的能量，地热发电就是将地热能转变为机械能，再将机械能转变为电能，它是利用地下热水和蒸汽为动力源的一种新型发电技术，其原理与火力发电基本一样，即将蒸汽的热能通过汽轮机转变为机械能，然后带动发电机发电[2]。

1.5潮汐发电

潮汐能，顾名思义，就是潮汐所蕴含的能量，同样是一种取之不尽、用之不竭的新能源。潮汐发电，就是利用海水涨落及其引起的水位差来推动水轮机，由水轮机带动发电机进行发电，其原理与一般的水力发电差别不大。即在海湾或有潮汐的河口修建大坝，构成水库，利用坝内外涨潮、落潮时的水位差进行发电。潮汐发电受潮汐周期变化的影响，具有间歇性。

2 中国新能源发电的前景展望

改革开放以来，我国经济高速发展，经济规模跃居世界前列，与此同时，能源消费结构的不合理引起的资源环境问题日益突出，大力发展新能源发电技术，是调整能源结构、促进节能减排、实现可持续发展的要求。我国可再生能源资源丰富，通过近年来的发展，新能源发电已经取得了一定进展，已经形成了一定规模、体系相对完善的新能源产业。中国新能源发电虽然刚刚起步，但是却有着广阔的发展前景。免费论文参考网。

（1）风力发电和太阳能发电发展迅速。中国风能资源丰富且风力发电技术较为成熟，目前正在以“建设大基地，融入大电网”的方式进行规划和布局。太阳能发电同样也具有较好的发展前景，我国的太阳能电池制造水平较高，应该大规模推广太阳能发电。免费论文参考网。根据国家能源局制定的《新能源产业振兴发展规划》，到2011年，新能源在能源结构中的比重达到2%（含水电为10%），新能源发电占电力总装机容量的比重达到5%（含水电为25%）。而风电装机容量将达到3500万千瓦（陆地风电3000万千瓦，海上风电500万千瓦），太阳能发电装机容量将达到200万千瓦[1]。除此之外，《2008年中国风电发展报告》预言，到2020年末，全国风电开发建设规模有望达到1亿kW。

（2）生物质能发电优势明显，前景较好。相对于风力发电和太阳能发电的间歇性特点，生物质能发电具有突出的优点，经济价值较高。2002年，我国可再生能源发电装机容量3234.6万kW，其中生物质能发电装机容量80万kW，在众多新能源和可再生能源发电中仅次于小水电。预计到2020年，可再生能源发电将达0.9~1亿kW，其中生物质能发电为1000万kW；另一种估计结果是2020年可再生能源发电装机容量将达到1.21亿kW，其中生物质能为2000万kW。

（3）在有条件的区域发展地热发电和潮汐发电。受地理条件的限制，地热发电和潮汐发电均具有地域性。目前，中国高温地热电站主要集中在西藏地区，总装机容量为27.18MW，其中羊八井地热电站装机容量25.18MW，其发电量已经占到拉萨电网的40%以上，对缓和拉萨地区电力紧缺的情况起到了重要的作用。今后，可继续在西藏地区大力发展地热发电。我国潮汐能蕴藏量中可开发利用部分的92%集中在经济发达、能源需求迫切的华东沿海地区[3]，发展潮汐发电可缓解这些地区的电力不足。但是，潮汐发电由于开发成本较高和技术上的原因，目前发展并不是很快，我国江厦潮汐电站装机容量为3200kW，年发电量1070万kWh[4]，今后可视情况适当发展潮汐发电。

3 结语

能源短缺和环境恶化已经成为威胁人类生存的全球化问题，发展新能源是实现人类可持续发展的必经之路，中国应该加快开发利用新能源的步伐，大力发展新能源发电，逐步实现从常规能源向清洁能源转变。目前，我国的新能源发电已经取得了一定的进展，但同时还存在着一些亟待解决的问题，主要表现在技术基础薄弱、相关体制尚不规范等方面。为此，提出一些建议：（1）制定发展目标，科学规划布局。新能源发电必须进行合理规划和布局，有必要将其纳入国家经济社会发展总体规划。（2）加快体系建设，规范行业发展。对于新能源发电的设备要求和并网技术标准，应该尽快制定相关准则。（3）加大投资力度，鼓励自主创新。目前，我国新能源研究力量分散，缺乏跨学科的交流，有必要对各类科研机构进行整合。除此之外，新能源发电是智能电网的一个重要组成部分，必须构建全国统一的新能源电网，以促进我国智能电网的建设。

参考文献

[1] 赵新一. 新能源发展展望[J]. 电力技术，2009，10（10）：7-14.

[2] 孙元章，李裕能. 走进电世界——电气工程与自动化（专业）概论[M]. 北京：中国电力出版社.2009.

[3] 刑运民，张文娟. 新能源与可再生能源发电技术的发展[J]. 西华大学学报，2007，1（26）：50-52.

[4] 叶峰. 新能源发电——实现人类的可持续发展[J].能源与环境，2008，3：55-57，62.

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关键词：生物质燃料 发展现状 致密成型

中图分类号：TS64 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）01（c）-0253-02

中国拥有丰富的生物制能源.据估计每年产生的可供开发的各种生物制资源达6.56亿吨标准煤。[8]居世界能源消费总量第四位的生物质能源具有可再生性，存量丰富，可代替化石燃料，易长期储存，含硫量低，灰分小，二氧化碳排放接近于零的特点。其供应安全可靠。

生物质致密成型技术是用机械加压方法，将原来分散没有一定形状、密度低的生物质原料压制成具有一定形状密度较高的各种固体成型燃料的过程。研究说明，生物质成型燃料加工设备的性能好否，直接与生物质原料的压缩特性如压缩力、压缩密度、压缩量，一次粉碎的粒度，成型燃料的密度、生产率、能耗等因素有关。

1 成型原理

生物质原料由纤维构成，被粉碎后的生物质原料质地松散，受一定外部压力后，颗粒经历位置重新排列、颗粒机械变形和塑性流变等阶段。开始时压力较小，一部分粒子进入粒子间的空隙内，粒子间的相互位置不断改变，当粒子间所有较大空隙都被能进入的粒子占据后，再增加压力，只能靠粒子本身变形去充填其周围的空隙。这时粒子在垂直于最大主应力平面上被延展，当粒子被延展到与相邻的两个粒子相互接触时，再增加压力，粒子就会相互结合。原来分散粒子被压缩成型，其体积大幅度减小，密度显著增大。因非弹性或粘弹性的纤维分子之间的相互缠绕和咬合，外部压力解除后不恢复原来的结构形状。

2 含水量研究

林维纪等的实验研究表明，木质素含量因原料不同有所差异，但生物质致密成型的适宜含水量则近似相同。

樊峰鸣[9]以玉米秸秆、大豆秸秆为原料，采用改进型生物质秸秆成型机，就大粒径秸秆粒度、含水率等对成型密度、抗水性影响因素进行了研究.结果发现，原料含水率在8%～15%时均很容易压缩成型，在12%左右成型效果最好。[1]

回彩娟[2]以锯末和小刨花为原料，认为锯末和小刨花含水率在15%左右得到的压块密度最大，成型效果最好，常温高压致密成型允许原料最大含水率为22%左右，原料经室内自然风干后达到的含水率可达成型加工要求且成型效果较好。

李美华[10]以锯末和小刨花为原料，在主缸压力不同的情况下，对多个含水率原料进行致密成型试验，认为在生物质致成型时，使含水率最好控制在5%～15%左右，最高不超过20%，此种状态下成型率，压块密度，成型效率，表面光洁度等指标均较为理想。

郭康权，赵东[11]等曾做过相应模型，解释含水量对成型的影响，当含水率过低时，粒子没有充分延展，与四周粒子结合不紧密，不达到成型条件，当含水率过高时，粒子在垂直于最大的主应力方向上充分延展，粒子间能够啮合但由于原料中水分过多，被挤出后分布于粒子层之间，使层间不能紧密贴合，也不成型。

张百良[9]等认为，热压成型中含水量过高会影响热量传递，并增大物料与模子的摩擦力，在高温时由于蒸汽量大，会发生气堵或放炮现象；含水量过低会影响木质素的软化点，原料内摩擦和抗压强度增加，造成压缩能消耗。

P.D.Grover，S.K.Mishra，J.S.Clancy[13]等认为活塞挤压的物质含水率在10%～15%左右，螺栓挤压的物质含水率在8%～9%左右为宜。Arun.K.Tripathi；P.V.R.Iyer；TaraChandraKandpal[14]等认为物质含水率在10%～15%经济效益较好，因为过小的水分磨压困难，能量消耗大。

Wamukonya等研究表明，当压力不变且含水量在要求范围时，随着含水量升高，压缩密度可达到最大值。松弛密度一定时，随含水量升高所需压力变大，最大压力值正好对应着含水量上限。在建立的恒定压力下松弛密度与含水量的指数关系式中，认为压块的松弛密度随含水量升高以指数级下降。

目前国内外文献来看，研究生物质压缩含水量范围还存在较大的差别，这是因压缩方式、成型模具、成型手段、生物质原料处理方式有较大差异，如活塞冲压比螺旋挤压对含水量要求范围宽，原料颗粒度的大小也是影响压缩成型的重要因素。

3 成型压力研究

成型压力是植物材料压缩成型最基本的成型条件。只有施加足够的压力，原材料才能被压缩。试验说明：当压力较小时，密度随压力增大而增大的幅度较大，当压力增加到一定值以后，成型物密度的增加就变得缓慢。

刺槐枝粉碎后，主油缸压力在10～60 MPa之间。在压力较低时（10～20 MPa）压块密度随成型压力的增大以较大的幅度增大，压力大于20 MPa条件下，压块密度随成型压力增大变化趋于稳定，压缩前后体积比分布在5.16～5.97之间。四倍体刺槐枝韧性好，纤维量高，在较小压力下压致成型块也很坚实。[8]