生物能源
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1楼
作者: 路 明收录来源: 国新能源网
【摘要】农业人类固定、转化太阳能获取农产品目生产活动种植业固定太阳能主利用绿色植物进行光合作用无机物合成葡萄糖、淀粉、脂肪和蛋白质等有机物,种植业又叫初级生产
、能源农业概念和利用方式
农业人类固定、转化太阳能获取农产品目生产活动种植业固定太阳能主利用绿色植物进行光合作用无机物合成葡萄糖、淀粉、脂肪和蛋白质等有机物,种植业又叫初级生产光合作用每固定1克分子CO2大约吸收209.3×104J日光能光合产物有46.9×104J能量化学能形式固定下来其余162.4×104J能量固定CO2过程,热能形式消耗掉了由于人类培育了高产、高效、优质农作物品种植物生长创造良好生产条件农业生产植物固定太阳能效率大幅度提高植物光合作用效率般肥沃地区达1％－2％贫瘠荒凉地区仅0.1%人工精心管理农田生态系统有过6%－8％记录[1]养殖业、农产品加工业则转化太阳能主,又称次级生产养殖业生产动物产品（肉、奶、蛋、毛、皮等）转化过程大量能被消耗掉了,部分粪便形式排出部分能量尿和气体（甲烷、氢）能形式排出农产品加工除了提取主要产品外还有大量能量排出废水、废物农产品转化过程畜禽粪便农产品加工排出废水、废料都作生物质能源加开发利用
所谓能源农业生产能源目农业能源农业生物质能源主要开发对象包括四种能源利用方式〔2〕(图1)：
（）直接燃烧方式
直接燃烧方式分炉灶燃烧、锅炉燃烧、垃圾燃烧和固型燃料燃烧四种情况其固形燃烧新推广技术把生物质固化成型再采取传统燃煤设备燃用其优点充分利用生物质能源替代煤炭削减大气CO2和SO2排放量
（二）物化转换方式
物化转换方式包括三方面干馏技术；二气化制生物质燃气；三热解制生物质油其气化制生物质燃气技术推广面积较大群众易于接受
（三）生化转化方式
生化转化方式有两种厌氧消化制取沼气；二通过酶技术制取乙醇液体燃料
（四）植物油利用方式
能源植物油从油脂植物和芳香油（还原式烃）植物提取燃料油经加工替代石油使用
二、发展能源农业重大意义
（）拓宽农业服务领域增加农民收入
恩格尔指出：收入增加时候食品及生活必需品支出占收入增加比例递减随着经济增长人们基本生活需求得满足消费热点转向享乐型产品从而市场减少食品、衣服消费份额进入新世纪我国居民消费结构发生了大变化恩格尔系数降38％2002年城市居民收入增长2020元人均食品消费只增长109元占新增收入5％增加因素主要外出吃饭开支和烟、酒、茶开支对粮、油、肉、菜消费开支下降粮食人均消费金额下降83元油10.1元肉25.3元菜12.4元由于边际消费递减规律作用出现了农民收入增长难现象 1997年来农民收入来自农业收入直没有增长农民增收主要靠工资性收入2002年工资性收入占农民纯收入34.5％2003年增加36％经济规律告述我们：农业必须扩大服务领域向农业深度和广度进军农业仅提供食品和纤维还应提供能源和其化工、医药等产品发展能源农业农业拓宽了服务领域同时也农民增收开辟了新途径〔3〕
（二）缓解我国能源短缺保证能源安全
我国从1993年进口原油3000万t成原油净进口国2000年进口达7000万t2003年进口1亿t预计2020年国GDP能达5万亿美元能源需求25亿t30亿t标煤其石油缺口1.6-2.2亿t[4]开发生物质能源行而且非常紧迫农业要抓住契机提出能源农业发展战略并把发展成大产业
（三）治理有机废弃物污染保护生态环境
当前我国环境污染形势非常严峻对环境污染严重企业仍养殖企业和农产品加工企业2003年通报点名批评十家排污大户8家农产品加工企业据国家环保总局2004年第1周（2004年1月5日～2004年1月11日）全国主要水系73重点断面水质自动监测站八项指标（水温、pH、浊度、溶解氧、电导率、高锰酸盐指数、氨氮和总有机碳）监测结表明：Ⅰ～Ⅲ类水质断面39占53.4%；Ⅳ类水质断面10占13.7%；Ⅴ类水质断面6占8.2%；劣Ⅴ类水质断面18占24.7%Ⅳ类上劣质污水河流占46.6％水体污染农产品加工企业排出污染物约占1／2特别劣Ⅴ类水河段农产品加工企业污染贡献率更高〔5〕全国人大2003年对《华人民共和国固体废物污染环境防治法》执法检查对农村固体废物污染问题提出严厉批评据调查我国畜禽养殖场粪便产生量达17.3亿吨80％规模化畜禽养殖场缺乏必要污染治理设施畜禽粪便未经处理直接排入环境严重污染空气和水体〔6〕我国温室气体排放已严重影响我国气候变化国家气象局局长秦大河介绍国科学家预估了未来国气候变化：第国气候继续变暖2020至203O年全国平均气温上升1.7℃；2050年全国平均气温上升2.2℃；当大气二氧化碳浓度加倍时全国平均气温上升2.9℃第二国气候变暖幅度由南向北增加2030年国西北地区气温能上升1.9-2.3℃第三国少地区降水出现增加趋势东南沿海增加值大长江下游地区出现变干趋势华北和东北南部等些地区出现继续变干趋势
（四）广泛应用生物技术发展基因工程
生物技术培育能源作物培育高效酶微生物方面大有作国外用转基因方法获得柴油油菜新品种；用转基因技术获得分解秸秆纤维生产酒精工程菌转基因技术应用于能源作物和能源微生物上受基因标识限制而应用食物方面要求标识因而受大限制了促进学科发展生物技术选择能源作物和能源微生物方向大力研究和应用
三、实施能源农业重大工程
（）沼气计划
沼气有机物质厌氧条件下经过微生物发酵生成甲烷主燃气体沼气发酵过程分两阶段即产甲烷阶段和产甲烷阶段沼气发酵产生三种物质沼气甲烷主种清洁能源；二消化液（沼液）含溶性N、P、K优质肥料；三消化污泥（沼渣）主要成分菌体、难分解有机残渣和无机物种优良有机肥并有土壤改良功效沼气生成物有高应用价值多人称：沼气百利而无害
沼气发酵有四特点：
1、沼气微生物自身耗能少
沼气发酵过程沼气微生物自身繁殖需要能量好氧微生物1／30－1／20对于基质来说大约90％COD被转化沼气
2、沼气发酵能够处理高浓度有机废物
好氧条件下般只能处理COD含量1 000mg／L下废水而沼气发酵处理废水COD含量高达10 000mg／L上表1所示各种农产品加工废水都作沼气发酵原料
表1 农产品加工转化企业排放水质特性〔7〕原料名称
PH值 COD／mg.L-1 BOD/mg.L-1酒精醪液
白酒废水
黄酒废水
制革废水
柠檬酸废水
淀粉废水
豆制品废水
造纸黑液
制药废液
乳品加工废水
高浓度啤酒废水
味精废水
糖蜜酒精废水
猪粪水
鸡粪水
奶牛粪水
3－5
3.7－5.8
3.5－4.0
8－10
4.0－4.6
4.6－5.3
3.5－5.0
11－13
4.0－6.0
3.5－7.5
3.5－6.0
1.5－3.2
4.4
7.0－7.8
6.5－7.5
7.2－8.2 30 000－60 000
11 400－130 000
9 400－30 000
3 000－4 000
10 000－40 000
3 000－12 000
10 000－20 000
106 000－157 000
5 000－40 000
2 000－11 000
9 000－43 000
20 000－60 000
40 000－150 000
11 000－26 000
43 000－77 000
70 000－116 285 15 000－30 000
5 800－67 000
5 000－15 000
1 500－2 000
6 000－25 000
1 000－7 000
7 000－12 000
34 500－42 500
2 000－18 000
1 000－75 000
7 000－33 350
10 000－30 000
20 000－60 000
7 000－13 000
17 000－32 000
3、能处理废物种类多
沼气发酵处理人、畜粪便作物秸秆农产品加工企业废水、废渣等沼气发酵除去了90％有机质余下部分再经过耗氧处理便达国家排放标准
4、沼气发酵受温度影响较大
沼气发酵分高温（50－600C）、温（30－350C）和常温（自温度）高温发酵处理能力强温次之需要定热能来维持所需要恒定温度
沼气计划应包括农村户用小型沼气和大型沼气两部分
农村户用小型沼气技术已比较成熟目前主推埋地圆柱形水压式沼气池并已制定出国家标准（GB 4750－84、GB 4751－84、GB4752－84）种沼气池解决了进料和出料矛盾连续生产农民需冒生命危险去掏出沼渣北方沼气池上加盖塑料大棚使沼气与养猪种菜相结合组装成四位体模式成功解决了冬季沼气发酵问题各地从当地实际出发把沼气与农民致富奔小康结合起来形成生态家园富民计划大大推进了农村户用沼气发展国家已列入西部大开发计划了使农村户用小型沼气更符合国家经济建设和社会全面发展建议：1、国家进步加大投资力度满足广大农民需求；2、突出重点解决生态脆弱区农民燃料问题巩固退耕还林成治理风沙危害二解决南方血吸虫高发区虫卵处理问题沼气发酵彻底处理血吸虫虫卵据卫生防疫部门检测结：沼气池内血吸虫卵秋季22天冬季40天内死亡100％通过沼气池建设把厕所、畜圈连接起来人、畜粪便进入沼气池经过沼气发酵杀死虫卵切断血吸虫传播链
大型沼气主要用来处理城市污水、高浓度工业有机废水、人畜粪便及生活垃圾近20年世界各国积极发展大型沼气创造出许多新工艺随着高效、常温厌氧消化工艺开发大型沼气技术日臻成熟我国少企业兴办沼气开展综合利用取得了显著经济效益和生态效益河南省南阳酒精总厂（天冠集团）先建造了三座大型沼气池集处理了酒精醪液形成了日供气4万m3能力满足了南阳市4万户生活用气污染排放接近于0实现了社会效益、经济效益和生态效益三赢形成了循环经济模式北京市蟹岛度假村建了座沼气池和座150亩水面污水处理系统度假村内部生活垃圾和人畜粪便全部进行厌氧消化产生清洁能源供炊事用气消化液和沼渣作优质肥料用于生产无公害农产品生活污水处理达级排放标准回潅农田整度假村实现了污染0排放当前我国环境污染日益严重大型沼气消化有机污染物有效方式国家要把发展大型沼气列入发展计划制定促进大型沼气发展优惠政策调动企业建设沼气积极性使我国大型沼气发展出现良好发展新局面既生产再生能源又促进污染环境治理
（二）酒精计划
酒精学名乙醇由碳、氢、氧三种元素组成有机化合物结构C2H5OH酒精生产方法有化学合成法和生物发酵法化学合成法酒精含杂质较多其应用受限制生产上主要采用生物发酵法制造酒精原料淀粉质原料、糖蜜原料、纤维原料和亚硫酸造纸废液
酒精种清洁能源少量使用代替四乙基铅和ETBE（乙基叔丁基醚）作汽油防爆剂大量使用则与汽油混合制造汽油醇作汽车燃料汽油醇作燃料减少汽油燃烧对大气污染还增加汽油辛烷值提高燃烧效率
2001年4月8日原国家计委和国家质量监督检验总局宣布我国全面推广使用汽油醇《变性染料乙醇》和《车用乙醇汽油》两项国家标准已于4月2日公布2002年6月30日起河南省郑州、洛阳、南阳和黑龙江哈尔宾、肇东等5城市开展试点试用汽油醇获得成功2004年2月10日国家发展和改革委员会继续扩大试点黑龙江、吉林、河南、安徽四省除全省范围内扩大试点还调出燃料酒精销售辽宁、河北、山东、江苏2005年底上述省、市基本实现车用乙醇汽油替代其汽油从1903年算起酒精作汽车燃料已经有近百年历史了20世纪前半期人们给予酒精两次关注 战期间参战双方都重视酒精战略意义二战期间燃料酒精得了较大规模推广了20世纪50年代随着石油大规模开采利用高成本酒精逐渐被人们淡忘了直至1973年世界石油危机巴西、美国率先推行了汽油醇计划汽油醇来自英文GASOHOL指汽油加入定比例变性酒精形成混合燃料种清洁实用燃料1975年巴西政府世界上首倡汽油醇计划1977年正式20％酒精比例首府圣保罗市实行1980年提高22％比例全国推行今巴西年产酒精1000万吨其97％用于汽车燃料目前巴西世界上惟供应纯汽油国家25年来实施汽油醇计划给巴西带来了3大收益：形成了独立经济能源运行系统刺激了农业、酒精工业及相关行业大发展大气和生态环境显著改善美国用法律来强制推行汽油醇计划鼓励汽油醇生产和消费从1978年至今美国已通过数十项法案从能源、交通、税收、环保、农业等方面对汽油醇予支持些盛产玉米州也自行立法要求州内必须使用汽油醇目前美国燃料酒精年消费量约500万吨根据汽车发动机类型酒精加入汽油有两种比例汽油发动机加入量5％～15％专用发动机酒精比例85％～100％据美国有关部门调查使用汽油醇作燃料明显降低汽车废气排放氧化碳排放量降低20％～30％二氧化碳降低27％除有利于环保外汽油醇推广也美国带来了观综合效益1997年例全年美国汽车燃料共使用酒精512万吨转化玉米1500万吨占美国当年玉米总产量7％社会提供了19．52万业机会并使联邦政府多收入36亿元美国国会还通过了项法案要求未来10年内大力发展酒精工业每年燃料酒精使用量增加1000万吨从80年代起德国、荷兰、加拿大、瑞典等发达国家也开始了汽油醇推广1995年前英、法、南非、古巴、泰国等越来越多国家也纷纷加入行列
要推广汽油醇还有迫切问题汽油添加剂问题汽油汽车发动机汽缸内燃烧时由于汽缸内氧气足燃烧完全机器强烈震动从而使输出功率下降机件受损汽油抗爆性反映汽油抗爆性数字指标叫辛烷值人们通常说汽油标号90＃、93＃汽油指些汽油抗爆性指数越高抗爆性越好改善汽油抗爆性办法汽油添加其化学制剂过去普遍加入四基乙铅结生成含铅汽油由于铅对人体危害四基乙铅从1997年世界上被禁止使用目前普遍使用MTBE（甲基叔丁基醚）由于生产难度大包括我国内许多国家都依赖进口近年来科学研究发现了MTBE缺点：易分解对地下水有定污染；有少量气味使驾驶者舒服引起恶心、眼睛疼、出现疱疹等反应美国近已通过项清洁燃料法案今4年内禁用MTBE目前代替MTBE佳化学品酒精酒精作种添加剂没有毒性、无污染也无须进口〔8〕
（三）秸秆能源利用计划
秸秆能源利用计划包括两方面：秸秆气化：二秸秆致密成型燃料现分别介绍：
1、秸秆气化
秸秆气化广义上又称谓生物质气化指生物质缺氧状态下燃烧使生物质发生化学反应生成高品位、易输送、利用效率高气体燃料生物质由碳氢化合物组成生物质气化过程经过热解、燃烧和还原反应转化氧化碳和氢等燃气体我国每年再生生物质约11.45亿t其作物秸秆6.7亿t因此开发生物质气化燃料应农作物秸秆利用重点农业部已全国几百村进行了秸秆气化、集供气试点取得了比较理想效特别农民致富奔小康热切需要使用清洁能源改变村庄卫生面貌秸秆气化使农民由烧柴变烧气适应了农民要求因而受农民欢迎和肯定〔9〕
2、秸秆致密成型燃料
秸秆致密成型燃料秸秆粉碎送入成型器外力作用下压缩成需要形状作燃料直接燃烧也有进步加工制成生物碳
国外丹麦、德国、比利时、美国、日本等改性技术已经成熟实现工厂化生产主要用于取暖炉、锅炉发电等我国由河南农业大学、山西万发炉具厂联合开发生物质成型机已用于生产生产致密成型燃料用于取暖、小型锅炉经测定各种排放都大大低于煤种洁净再生能源〔9〕
（四）能源作物培育计划
能源作物指提供制取燃料原料或提供燃料油目栽培植物总称能源作物作原料制取燃料油有多优点：燃烧比矿物能源对环境污染少种低硫燃料而且增加CO2排放量；比核能使用安全；比风能、地热使用广泛；进行降解等因而成国际上开发热点并称之绿色能源
能源作物分4类：①制酒精目年生或多年生作物玉米、甘蔗、甜高粱、甘薯、木薯等；②生产燃料油（生物柴油、烃类物质）目植物油菜、绿玉树等；③用于直接燃烧植物；④供厌氧发酵藻类或其植物
促进能源作物发展条件我国已逐渐形成：①人类对资源无限制开采与利用带来了资源枯竭和生态危机；②化石能源燃料燃烧使所产生物质严重污染了环境带来酸雨、温室气体、全球变暖等诸多问题；③农业服务领域过窄农民增收乏力作物科学工作者要抓住能源作物发展机遇大力研究和培育能源作物
能源作物培育方法除常规技术之外还应大力采用生物技术充分利用能源作物无禁区优势使生物技术能源作物培育大放异彩生物技术培育转基因能源作物把作物作生物反应器充分利用植物生物合成能力大规模生产廉价能源原料培育糖类物质方面细菌ADP葡糖焦磷酸化酶基因转入马铃薯使淀粉含量提高60％
生物技术酒精发酵工艺显示了更大作用利用DNA重组技术改进酒精生产工艺通过酶改进减低成本提高效益培育同工程菌提高对木质素、半纤维素和纤维素分解、糖化及合成酒精能力生物技术方面进步进步扩大生物质能源生产原料来源使能源农业成现实〔10〕
四、发展能源农业必须处理好几关系
（）处理好粮食安全和能源安全关系
用发展眼光来看从黑色能源走向绿色能源大势所趋 开发生物质能源使用沼气和汽油醇仅能够有效地地球上有限石油资源使用时间延长10％～20％未来世界沼气能天气替代物酒精汽油替代物有人会提出能源安全和粮食安全问题矛盾问题酒精用粮食转化来国养活13亿人口已巨大压力生产酒精土地里水资源里要破解问题需要从下几方面来研究
粮食安全和能源安全有统性
近几年农民种粮积极性高主要粮食价格太低甚至低种粮亏损地步要提高农民种粮积极性必须有市场拉动粮食只做食物市场容量有限粮食既作食物又做能源市场容量开拓1／3上从意义上讲发展能源农业促进农民增收调动农民种粮积极性有效措施
粮食作物和能源作物有大互补性
能源作物种类较多主要玉米、高梁、甘蔗、甜菜、马铃薯、甘薯木薯等些作物都高产作物既能满足粮食安全需要又好能源作物我国玉米每年大约有400－600万吨剩余甘蔗、甜菜由于糖销路好每年也有较大剩余生产能力2003年人减少500万吨生产能力马铃薯、甘薯种植旱地增产还有大潜力粮食丰收小麦、水稻陈化粮用作酒精粮食歉收玉米、甘薯、马铃薯等能源作物转粮食作物
能源农业开发领域广做与或少与粮食争地
能源农业开发领域大多利用农业生产废弃物利用玉米秆、稻草、麦秸等纤维质原料生产酒精和沼气1999年美国已建起了世界上第家用纤维质原料生产酒精生产线目前我国也开展了方面研究工作天冠企业集团实验心与郑州工业大学、清华大学、无锡轻工业大学及国外研究机构合作进行用纤维质原料生产酒精研究课题已经列入了国家十五攻关项目利用养畜场粪便、农产品加工企业废水、废物开发能源既能增加农民收入又粮食生产提供优质肥料生产清洁能源促进粮食生产保证粮食安全和能源安全双赢举措
（二）处理好市场配制资源机制和国家扶植关系
能源农业作新型、生产生物质能源产业市场化发展面临诸多障碍和问题了促进能源农业健康发展国家给于必要扶植完全必要仅靠国家扶植依靠市场力量和企业积极参与形成能源农业大产业特别要吸引民间资本进入能源农业能源农业才能具有较大活力此建议政府制定能源农业产业政策创造能源农业发展环境初步考虑能源农业产业政策应包括下几方面：
1、制定排放标准对环境友好企业给予激励政策减排污染气体企业得补偿超排污染气体企业应受罚款
2、投融资政策生物质能源企业优先得优惠贷款对产业化龙头企业进行技术改造生产清洁能源技改项目给与贴息贷款
3、税收政策对生产清洁能源企业给与税收优惠弥补较高生产成本
4、创建能源农业产业化科技园区实行产供销体化经营创造良好发展环境
参考文献
1. 伍光和田连恕胡双熙王乃昂 生态系统功能自地理学北京高等教育出版社2000：311
2. 吴创之马隆龙主编生物质能现代化利用技术 北京:化学工业出版社2003：10-11
3.路明当前三农问题分析和对策作物杂志2004：1.1-3
4. 王涛石油工业与持续发展世界石油工业2003：6：9-13
5. 国环境监测总站 全国主要流域重点断面水质自动监测周报第2期 国家环境保护总局网 2004-01-12
6. 全国人大执法检查报告盛华人20036
7. 邓良伟大型沼气工程技术生物质能现代化利用技术北京化学工业出版社2003：40
8. 庄向阳郭启朝汽油醇--新世纪呼唤河南报业网2001年2月4日
9. 张百良杨世关李刚生物能源现代生态农业北京农业出版社2002：337-358
10. 瞿礼嘉顾红雅胡苹陈章良现代生物技术导论北京高等教育出版社1999：187-211
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