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能源植物的开发与利用

更新时间 2008-5-9 2:47:40 点击数:

【摘 要】随着世界能源危机的加剧,生物质能源的开发利用已成为当今国际上的1大热点。 本文通过对能源植物国内外研究进展及开发利用现状进行综述,简单介绍生物质能源的生产 技术,分析存在的问题,并针对能源植物的特点及我国国情提出1些建议。 关键词:生物能;开发利用;综述;能源植物;生物质能源
0. 引言

能源是现代社会赖以生存和发展的基 础,随着社会的发展,能源危机已成为当今 世界面临的巨大挑战。据世界能源权威机构
1999 年底的分析,世界已探明的主要矿物燃 料储量和开采量不容乐观,其中石油剩余可 采年限仅有 40 年[1],其年消耗量占世界能源 总消耗量的 40.5%[2]。从发展的角度看,化 石能源终将耗竭,加之其燃烧时产生的有害 物质严重污染了生态环境传统的能源结构 已经开始调整,作为未来的主要能源只能依 赖于可再生能源和受控核聚变能。因此,国 内外的能源研究人员正积极探索发展替代 燃料和可再生能源。
生物质是1种重要的可再生能源。生物 质能是指利用生物可再生原料和太阳能生 产的清洁和可持续利用的能源,包括燃料酒 精、生物柴油、生物制氢、生物质气化及液 化燃料等。能源植物是最有前景的生物质能 之1。本文从能源植物的概念、分类入手, 对其国内外研究进展和开发利用现状、生物 能源生产技术及存在的问题进行了综述。
1. 能源植物定义
绿色植物通过光合作用将太阳能转化 为化学能而贮存在生物质内部,这种生物质 能实际上是太阳能的1种存在形式。所以广 义的能源植物几乎可以包括所有植物。植物 的生物质能是1种广为人类利用的能源,其 使用量仅次于媒、石油和天然气而居于世界
能源消耗总量第4位。但以目前的技术水
平,还不能将所有植物都用于能源开发。因 此,1般意义上讲能源植物通常是指那些利 用光能效率高,具有合成较高还原性烃的能 力,可产生接近石油成分和可替代石油使用 的产品的植物以及富含油脂、糖类淀粉类、 纤维素等的植物[3,4]。
2. 能源植物的分类

能源植物种类繁多,生态分布广泛,有 草本、乔木和灌木类等。目前全世界已发现 的能源植物主要集中在夹竹桃科、大戟科、 萝科、菊科、桃金娘科以及豆科,品种主要 有绿玉树、续随子、橡胶树、西蒙德木、甜 菜、甘蔗、木薯、苦配巴树、油棕榈树、南 洋油桐树、黄连木、象草等。为了研究利用 方便,这里按其使用的功能和转化为替代能 源的化学成分将能源植物主要分为4类。
2.1 富含类似石油成分的能源植物

这类植物合成的分子结构类似于石油 烃类,如烷烃、环烷烃等。富含烃类的植物 是植物能源的最佳来源,生产成本低,利用 率高。目前已发现并受到能源专家赏识的有 续随子、绿玉树、西谷椰子、西蒙得木、巴 西橡胶树等。例如巴西橡胶树分泌的乳汁与 石油成分极其相似,不需提炼就可以直接作 为柴油使用,每1株树年产量高达 40L。我 国海南省特产植物油楠树的树干含有1种 类似煤油的淡棕色可燃性油质液体,在树干 上钻个洞,就会流出这种液体,也可以直接用作燃料油。
2.2 富含高糖、高淀粉和纤维素等碳水
化合物的能源植物

利用这些植物所得到的最终产品是乙 醇。这类植物种类多,且分布广,如木薯、 马铃薯、菊芋、甜菜以及禾本科的甘蔗、高 粱、玉米等农作物都是生产乙醇的良好原料
[5]。
2.3 富含油脂的能源植物
这类植物既是人类食物的重要组成部 分,又是工业用途非常广泛的原料。对富含油 脂的能源植物进行加工是制备生物柴油的 有效途径。世界上富含油的植物达万种以 上,我国有近千种,有的含油率很高,如桂北 木姜子种子含油率达 64.4%,樟科植物黄脉 钓樟种子含油率高达 67.2%。这类植物有些 种类存储量很大,如种子含油达 15%~25% 的苍耳子广布华北、东北、西北等地,资源 丰富,仅陕西省的年产量就达 1.35 万 t。集 中分布于内蒙、陕西、甘肃和宁夏的白沙蒿、 黑沙蒿,种子含油 16%~23%,蕴藏量高达
50 万 t。水花生、水浮莲、水葫芦等1些高 等淡水植物也有很大的产油潜力。生存在淡 水中的丛粒藻(绿藻门4胞藻目),就如同 产油机,能够直接排出液态燃油[6]。
2.4 用于薪炭的能源植物

这类植物主要提供薪柴和木炭。如杨柳 科、桃金娘科桉属、银合欢属等。目前世界 上较好的薪炭树种有加拿大杨、意大利杨、 美国梧桐等。近来我国也发展了1些适合作 薪炭的树种,如紫穗槐、沙枣、旱柳、泡桐 等,有的地方种植薪炭林 3~5 年就见效,平 均每公顷(10 000 m2,15 亩)薪炭林可产 干柴 15 t 左右。美国种植的芒草可燃性强, 收获后的干草能利用现有技术轻易制成燃 料用于电厂发电。
3. 国内外能源植物研究开发和
利用概况
3.1 国际能源植物的研究开发和利用
情况国际上能源植物的研究始于 20 世纪 50 年代末 60 年代初,发展于 70 年代,自 80 年代以来得到迅速发展。1986 年美国加州大 学诺贝尔奖获得者卡尔文博士在加州福尼 亚大面积地成功引种了具有极高开发价值 的续随子和绿玉树等树种,每公顷可收获
120~140 桶石油,并作了工业应用的可行性 分析研究,提出营造“石油人工林”,开创了 人工种植石油植物的先河[7]。至此在全球迅 速掀起了1股开发研究能源植物的热潮,许 多国家都制定了相应的开发研究计划。如日 本的“阳光计划”、印度的“绿色能源工程”、 美国的“能源农场”和巴西的“酒精能源计划” 等。随着更多的“柴油树”、“酒精树”和“蜡树” 等植物的发现及栽培技术的不断成熟,世界 各地纷纷建立了“石油植物园”、“能源林场” 等,栽种1些产生近似石油燃料的植物。英 国、法国、日本、巴西、俄罗斯等国也相继 开展石油植物的研究与应用,借助基因工程 技术培育新树种,采用更先进的栽培技术来 提高产量。
目前,美国已种植有1百多万公顷的石 油速生林,并建立了3角叶杨、桤木、黑槐、 桉树等石油植物研究基地;菲律宾有 1.2 万 公顷的银合欢树,6 年后可收 1000 万桶石 油;日本则建立了 5 万 m2 的石油植物试验 场,种植 15 万株石油植物,年产石油 100 多桶;瑞士“绿色能源计划”打算用 10 年种 植 10 万公顷石油植物,解决全国1年 50%
石油需求量。 泰国利用椰子油制作的汽车燃料加油
站在泰国中部巴蜀府开始营业,成为世界上 第1个椰子油加油站。巴西是乙醇燃料开发 应用最有特色的国家,实施了世界上规模最 大的“乙醇种植”计划。2004 年,巴西的乙醇 产量达 146 亿 L,乙醇消费量超过 122 亿 L。 目前巴西乙醇产量占世界总产量的 44%,出 口量的 66%。美国通过采用基因工程技术,
对木质纤维素进行了成功的乙醇转化。从
1980 年到 2000 年的 20 年内,美国的燃料乙 醇生产量由 66.24 亿 L 增加到 617 亿 L。
此外,还陆续发现了1些很有前景的能 源植物资源。南美洲北部有1种本土植物
——苦配巴(Copaífera L.),主要生长在巴西 亚马逊流域的密林和丛林中,其树高大,有 粗大的树干和光滑的表皮,只要在树干上钻 1个孔,就能流出金黄色的油状树液,每株 成年树每年能产油 10kg~15kg,成份非常接 近柴油。阿联酋大学的瑟林姆教授等人发现 了1种名叫“霍霍巴(Jojba)”的植物—希蒙得 木(Simmondsia chinensis (Link) Schneider), 生长在美洲沙漠或半沙漠地区,种子含油率 达 44%~58%,其油在国际上被誉为“液体 黄金”、“绿色石油”,广泛用于航空、航天、 机械、化工、等领域。产于澳大利亚的古巴 树(又称柴油树),每棵成年树每年可获得约
25 L 燃料油,且这种油可直接用于柴油机。 油棕榈树也是1种石油树,3 年后开花结果, 每公顷可年产油 1 万 kg。柳枝稷(Panicum virgatum L.)是美国草原地区用于水土保持 或作为牛饲料的乡土植物,自从发现它可被 用来生产乙醇后,美国联邦政府认为这种植 物具有成为能源作物的潜力并加紧了对这 种植物的研究。澳大利亚北部生长的两种多 年生野草—桉叶藤(Cryptostegia grandiflora R. Br)和牛角瓜(Calotropis gigantean (Linn.) Dryanderex Aiton f.),其茎、叶含碳氢化合 物,可以用于提取石油。这些野草生长速度 极快,每周长 30 cm,每年可以收割几次。 美国加州 “ 黄鼠草 ”(Ixeris chinensis (Thunberg) Nakai),每公顷可生产 1 t 燃料 油,如果人工种植,草和油的产量还能提高, 每公顷生长的草料可提炼出 6 t 石油[8]。日 本科学家最近发现1种芳草类芒属植物“象 草”,1 hm2 平均每年可收获 12 t 生物石油, 比现有的任何能源植物都高产,且所产生的 能源相当于用油菜籽制作的生物柴油的 2 倍,但其投入不及种植油菜的 1/3,因此是
1种理想的石油植物。

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3.2 国内能源植物的开发利用现状
我国是“贫油大国”,也是世界能源消费 大国。1993 年我国由石油净出口国变为净进 口国,石油进口量逐年上升,目前对石油进 口依赖度已超过 1/3[9]。我国对能源植物的 研究及开发利用起步较晚,与欧美发达国家 相比还存在很大差距。但我国植物资源丰 富,早在 1982 年分析了 1581 份植物样品, 收集了 974 种植物,并编写成了《中国油脂 植物》、《4川油脂植物》,选择出了1些 高含油量的植物,如乌桕(Sapium sebiferum (Linn.)Roxb)、小桐子(Jatropha curcas L.)、油 楠(Sindora glabra Merr.ex De Wi)、4合木 (Tetraena monglica) 、5 角枫 (Acer mono Maxim)等。已查明我国油料植物为 151 科
697 属 1554 种,种子含油量在 40%以上的 植物 154 种;新近调查表明,我国能够规模 化利用的生物质燃料油木本植物有 10 种, 这 10 种植物均蕴藏着巨大的潜力,具有广 阔的发展前景。
我国对能源植物的利用虽处于初级阶 段,但生物柴油产业得到了国务院领导和国 家计委、国家经贸委、科技部等政府部门的 高度重视和支持,并已列入国家计划。“7 5”期间,4川省林业科学研究院等单位利 用野生小桐子(麻疯树的果实)提取生物柴 油获得了成功;中科院“85”重点项目“燃 料油植物的研究与应用技术”完成了金沙江 流域燃料油植物资源的调查研究,建立了小 桐子栽培示范区。湖南省在此期间完成了光 皮树制取甲脂燃料油的工艺及其燃烧特性 的研究;“95”期间根据《新能源和可再生 能源发展纲要》的框架,在中央有关部委和 地方制定的计划中,优先项目是:对全国绿 色能源植物资源进行普查,为制订长期研究 开发提供科学依据;运用遗传工程和杂交育 种技术,培育生产迅速、出油率高,更新周 期短的新品种;进行能源植物燃料的基础研 究和开发研究,包括能源植物燃烧特性,提 炼工艺及综合利用和开发[10,11]。中国工程院
有关负责人介绍,中国“105”计划发展纲要
提出发展各种石油替代品,将生物与现代化 农业、能源与资源环境等项目列入国家 863 计划,把大力发展生物液体燃料确定为国家 产业发展方向。据了解,“1015”期间,我国 规划生物柴油原料林基地建设规模 83.91 万 公顷,原料林全部进入结实期后,将形成年 产生物柴油 125 万多吨的原料供应能力。目 前,已有1些颇具实力的企业和国外大型能 源企业,进入麻疯树生物柴油这1领域,在 各地筹建起有相当规模的生物柴油生产企 业,预计未来全国麻疯树种植面积至少可达
200 万公顷以上,显示了良好的资源开发利 用前景。
国内对能源植物产品研究与开发主要 集中在生物柴油和乙醇燃料两类上。生物柴 油的研究内容涉及油脂植物的分布、选择、 培育、遗传改良及加工工艺和设备等。用于 生产生物柴油的主要原料有油菜籽、大豆、 小桐子、黄连木(Pistacia chinens Bunge)、油 楠等。小桐子含油率 40%~60%,是生物柴 油的理想原料[12]。海南正和生物能源公司、 4川古杉油脂化工公司和福建新能源发展 公司都已开发出拥有自主知识产权的技术, 并相继建成了规模近万吨级的生物柴油生 产厂。德国鲁奇化工股份有限公司、贵州省 发改委、贵州金桐福生物柴油产业有限公司 就中德合作贵州小油桐生物柴油示范项目 签订了合作协议。西南生物柴油生产企业— 华正能源开发有限公司,总投资 8 000 万元, 年生产能力可达 2 万吨。
用于生物乙醇燃料加工的原材料主要 有甜高粱、木薯、甘蔗等。其中甜高粱具有 耐涝、耐旱、耐盐碱、适应性强等特点,成 为当前世界各国关注的1种能源作物。我国 种植的沈农甜杂 2 号甜高粱,收获后每公顷 可提取 4011L 酒精。此外,我国自 2000 年 开始启动陈粮转化燃料乙醇计划,目前已年 产百万吨燃料乙醇,在吉林、黑龙江、河南、 安徽等省普遍推广燃料乙醇- 汽油混合燃 料。秸秆酶解发酵燃料乙醇新技术已经试验成功,山东泽生生物科技有限公司建成了年
产 3 000 吨秸秆酶解发酵燃料乙醇产业化示 范工程。 

4. 生物能源的生产技术
4.1 生物柴油生产方法
生物柴油的生产方法主要有化学法、生 物酶法、超临界法等。
(1) 化学法 国际上生产生物柴油主要 采用化学法,即在1定温度下,将动植物油 脂与低碳醇在酸或碱催化作用下,进行酯交 换反应,生成相应的脂肪酸酯,再经洗涤干 燥即得生物柴油[13]。甲醇或乙醇在生产过程 中可循环使用,生产设备与1般制油设备相 同,生产过程中副产 10%左右的甘油。但化 学法生产工艺复杂,醇必须过量;油脂原料 中的水和游离脂肪酸会严重影响生物柴油 得率及质量;产品纯化复杂,酯化产物难于 回收,成本高;后续工艺必须有相应的回收 装置,能耗高,副产物甘油回收率低。使用 酸碱催化对设备和管线的腐蚀严重,而且使 用酸碱催化剂产生大量的废水,废碱(酸) 液排放容易对环境造成2次污染等。
(2) 生物酶法 针对化学法生产生物柴 油存在的问题,人们开始研究用生物酶法合 成生物柴油,即利用脂肪酶进行转酯化反 应,制备相应的脂肪酸甲酯及乙酯。酶法合 成生物柴油对设备要求较低,反应条件温 和、醇用量小、无污染排放。Xu 以大豆油 为原料,采用固定化酶的工艺[14],酶用量为 油的 30%,甲醇与大豆油摩尔比为 12:1,反 应温度 40℃,反应 10 h 生物柴油得率为 92
%。因酶成本高、保存时间短,使得生物酶
法制备生物柴油的工业化仍不能普及。此 外,还有些问题是制约生物酶法工业化生产 生物柴油的瓶颈,如脂肪酶能够有效地对长 链脂肪醇进行酯化或转酯化,而对短链脂肪 醇转化率较低(如甲醇或乙醇1般仅为
40%~60%);短链脂肪醇对酶有1定的毒 性,酶易失活;副产物甘油难以回收,不但 
对产物形成抑制,而且甘油也对酶也有毒
性。
(3) 超临界法 即当温度超过其临界温 度时,气态和液态将无法区分,于是物质处 于1种施加任何压力都不会凝聚的流动状 态。超临界流体密度接近于液体,粘度接近 于气体,而导热率和扩散系数则介于气体和 液体之间,所以能够并导致提取与反应同时 进行。超临界法能够获得快速的化学反应和 很高的转化率。Kusdiana[15]和 Saka[16]发现用 超临界甲醇的方法可以使油菜籽油在 4 min 内转化成生物柴油,转化率大于 95%。但反 应需要高温高压,对设备的要求非常严格, 在大规模生产前还需要大量的研究工作。 
4.2 生物乙醇生产情况
生物乙醇的生产是以自然界广泛存在 的纤维素、淀粉等大分子物质为原料,利用 物理化学途径和生物途径将其转化为乙醇 的1种工艺

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