1、引言
    未來科技、經濟和社會發展的競爭首先是資源的競爭。人類能夠長久依賴的未來能源必須儲量豐富、可再生利用且無環境污染。以植物為主，每年以近2000億t的速度不斷再生的生物質資源將是人類未來的理想選擇。大力開發生物質資源，對于改善我國以化石燃料為主的能源結構，延長化石燃料使用時間，改變能源的生產方式和消費方式，建立持續發展的能源系統，促進社會經濟的發展和生態環境的改善具有重大意義。因此，生物質能源的開發和利用得到了人們廣泛的關注和世界各國政府的重視，但生物質能源的種類很多，有必要對其進行概要而又綜合的分析。
    目前正在應用或研究中的生物質能源主要有沼氣、生物質燃氣（秸稈氣化）、生物發酵制取氫氣等氣體燃料；燃料乙醇、生物柴油、生物質裂解液化等液體燃料；炭棒、木炭磚、顆粒燃料等固體燃料。現就生物質能源的種類以及生產各種生物質能源的相應技術及其國內外研究進展、存在問題等進行分析和論述。
2、固體燃料
    固體燃料是以木材屑末下腳料、植物秸稈、各種糠渣谷殼等為原料，經成型機擠壓成型制成薪棒或顆粒等，然后脫煙炭化成清潔炭或直接燃用，從而達到了很高的CO，排放標準，是一種比較簡潔的生物質能源生產方法。現在，遼寧省能源研究所、西北農業大學、中國林業科學研究院、陜西武功輕工機械廠、江蘇東海縣糧食機械廠等10余家單位研究和開發生物質成型燃料技術和設備。其中環模滾壓成型方式生產的顆粒燃料主要用作鍋爐燃料…，其工藝流程需要消耗大量能量，原料的濕度要求在12%左右，濕度太高和太低都不能很好成粒。為了達到這個濕度，很多原料要烘干以后才能用于制粒，而且壓制出來的熱顆粒（顆粒溫度可達95～110℃）要冷卻才能進行包裝。其中烘干和冷卻兩項工藝消耗的能量在制粒全過程中占25%~35%，加之成型過程中機器的磨損比較大，致使顆粒成型機的產品制造成本較高。所以，降低整個制粒生產過程的成本，是生物質顆粒燃料推廣應用的關鍵，富通新能源銷售生產顆粒機、木屑顆粒機等生物質顆粒燃料，同時我們還大量銷售楊木木屑顆粒燃料。
    意大利研制開發的ETS( Eco Tre System)新型木質顆粒制粒生產系統對原料的濕度適應性強，大部分原料不需要干燥即可直接用于制粒，成粒以后的升溫只有10~15℃，壓制出來的顆粒溫度較低，無須冷卻即可直接進行包裝，通常可以去掉干燥和冷卻2道工序，但是這套系統價格昂貴。
3、液體燃料
3.1燃料乙醇
    10%的燃料乙醇與汽油混合的乙醇汽油已經在使用，但目前以淀粉為原料的燃料乙醇生產從其生產成本來講不具有經濟意義，是純粹的政策產物。因此以包括植物纖維在內的生物質為原料，不是采用傳統意義上的酵母而是采用工業微生物，創建現代生物燃料乙醇產業，生產具有經濟意義的燃料乙醇商品是人們所期待的。
    美國能源部根據現有技術的組合以及今后的研究開發和技術進步，對纖維乙醇生產成本進行了預測，認為2015年燃料乙醇生產成本與現在相比將降低36%，達到與石油競爭的成本水平。但美國的相關研究機構和企業并不是等待這一天的到來，而是積極將現有技術進行最佳組合，盡可能地降低成本，推進產業化進程。美國具有代表性的產業化項目是BIC公司的以蔗糖渣為原料的燃料乙醇生產項目，它是采用兩段稀硫酸加水分解法對纖維進行糖化，其特點是可以將C5、C6糖有效分離，并采用轉基因大腸桿菌對C5糖發酵，這個項目2002年末建成投產，每年生產能力為8.7萬m3。另外還有MASA-DA公司的以纖維類城市垃圾為原料，以及Arkenol公司的以稻殼為原料的燃料乙醇生產項目，二者均是采用濃硫酸法對纖維進行糖化，利用交換樹脂回收硫酸。同時，歐洲、加拿大等也都在進行大體相同的研究開發。
    2000年我國政府初步規劃了燃料乙醇發展戰略，制定了財政支持政策等。河南農業大學進行了生物質（秸稈）纖維燃料乙醇生產工藝試驗研究；華東理工大學開展了生物質酸水解制取乙醇的試驗研究，但尚未達到工業化生產水平。
    纖維酸解糖化以及C5糖和C6糖不能同步發酵等造成纖維乙醇生產工藝復雜，因此目前產業化規模都不是很大，基本上處于生產試驗階段，還需進一步解決C5糖和C6糖同步發酵，燃料酒精制備過程中木質素利用，利用纖維降解微生物進行纖維乙醇直接發酵等技術問題。特別是利用纖維降解微生物的纖維糖化技術如果能有所突破，將對纖維乙醇的產業化起到巨大的推動作用。
3.2生物柴油
    目前生物柴油的生產主要來自兩種原料，一是食用油（大豆油、菜籽油）或其廢棄油，二是其它油脂和野生油料作物。
    以食用油為原料利用化學方法生產生物柴油技術比較成熟。美國能源部2001年新建了國家生物質能開發中心，強化推廣生物柴油，加里福尼亞州成為美國首先使用生物柴油的州。美國已有多家生物柴油生產廠商，如NOPEC公司每年具有3.8萬mi的設計生產能力，夏威夷的太平洋生物柴油公司規模也很大，美國通用汽車公司也竭力鼓勵職工使用生物柴油。而生物柴油運用最多的是歐洲，因為歐洲國家對替代燃料的立法支持、差別稅收以及對油籽生產的補貼共同促進了生物柴油的價格對其它柴油燃料價格的競爭性．而且歐洲會議免除了生物柴油90%的稅收。目前日本生物柴油發展也很快，每年生產能力己達40萬t。在歐盟各國，以前通常被用來做飼料油的廢食用油脂現在也正轉向生產生物柴油。與國外相比，我國在發展生物柴油方面還有相當大的差距。但是以食用油為原料制備生物柴油關鍵是在降低生產成本以及跟人類爭嘴等方面的問題，還需進一步探討和研究。
    利用廢棄油以及野生油料作物生產生物柴油是有前途的。隨著生產生物柴油所需的工業油籽需求量的不斷增長，出于工業目的種植油籽的預留地面積也迅速增長。但在我國人多地少的情況下，不宜過多占用耕地種植菜籽等生物柴油的原料，應因地制宜，利用山區種植油料植物或者利用廢油、動物脂肪等為原料用于生物柴油的生產，而且必須在種植上解決相應問題，如優良品種的選擇、耕地的合理使用等。生物柴油具有優良的環保特性，是柴油的最佳替代品，但它僅限于柴油發動機或柴油車的使用。
    在生產實踐中，制取生物柴油普遍采用的方法是利用酯交換反應進行，整個過程復雜，同時也存在很多技術問題。如：①催化劑的研制；②酶的選擇性、壽命及反應時間；③生物柴油的凝點高，影響低溫起動性；④反應的接觸界面問題；⑤甘油皂對油品質量的影響；⑥殘留甲醇與甘油的腐蝕性問題；⑦生物柴油的品質等。
3.3生物質裂解
    目前生物質裂解的方法很多，但主流是生物質快速熱裂解和高壓液化技術。在近10年中，北美在裂解過程的研究方面進展迅速，建立了處理量為1360kg/h的示范裝置。比利時有250kg/h的流化床裂解裝置。在美國、加拿大、歐洲和澳大利亞，50kg/h的快速裂解示范裝置正在運行。例如：意大利Alten公司生物質熱解裝置；加拿大ENSYN公司研制的熱解裝置采用上流式循環流化床反應器；荷蘭Twente大學研制的熱解裝置采用了旋轉錐形生物熱解反應器，該裝置己引進安裝在沈陽農業大學綜合能源示范基地；美國太陽能研究所(SERI)研制了漩渦式生物熱解反應器，據估計用該裝置要實現完全轉化，生物質微粒大約需要循環15次。所以說，不論什么方法其生產過程都是耗能巨大的。就目前的情況看，如果不解決生產過程能耗問題，生物質裂解生產液體燃料就沒有發展前途。另外，裂解生產出的生物質油是一種復雜的有機混合物，包含成百上千的從屬于數個化學類別的物質，至今對其相關的分析還處于探討研究中，其生物油的性質也比較獨特，其應用范圍受到了一定的限制。我國在這方面的工作開展得較晚，研究中運用的熱解工藝基本上是參照了以上國外技術。
4、氣體燃料
4.1秸稈氣化
    秸稈氣化生產生物質燃氣主要以秸稈、稻殼、鋸末等為原料，在高溫缺氧的熱解爐中生成以一氧化碳、氫氣等為主的燃氣。
    美國Davy Mckee公司開發的上流式固定床生物質氣化爐，木材處理能力為200 t/d，從爐的頂部通過重疊開閉料斗進料，熱空氣從下至上吹入。其特點是結構簡單，但由于上升熱空氣的偏流等原因影響物料預熱的均勻性，并且熱空氣在上升過程中冷卻形成焦油，易造成燃氣出口堵塞等問題。針對這一問題，法國Entropie公司開發了并行流式固定床氣化爐，其特點是有一個獨立的氧化爐，在氣化爐內生成的含有焦油的燃氣被送入氧化爐，使焦油在氧化爐內燃燒掉，減少燃氣內的焦油成分；美國IGT公司開發的循環式流動床生物質氣化爐，木材處理能力為90 t/d，它克服了上流式固定床物料預熱均勻性問題，但物料如沸騰一樣被攪拌，低溫狀態下未燃粉末容易隨氣流排出，為此大多采用從反應層底部喂入的方法，目前流動床氣化爐占主流地位：美國FERCO公司的采用間接加熱方式的二塔式循環流動床氣化爐，氧化和氣化分別在各自的爐內進行，增加了氣化速度，減小了爐的體積，但結構比較復雜。
    我國在生物質氣化技術方面前幾年有較大的發展，裝置主要有中國農業機械化科學研究院能源動力所研制的ND - 900型農殘余物生物質氣化裝置；中國科學院廣州能源研究所在廣東湛江為一家木料廠設計并運行了一套循環流化床式生物質氣化裝置，目的是要回收能源并防止木粉對環境造成污染；山東省能源研究所在膠州市前石龍村建立了一個生物質氣化系統；中國林業科學研究院進行了生物質催化氣化技術研究等。但是在實際應用方面這幾年有所回落，峰值大約在20世紀90年代末至21世紀初。原因在于從生產到使用的整套技術體系、管理體系、相應政策法規都不健全的情況下匆匆上馬，國家投資支持力度一旦減弱，其推廣和應用馬上步履艱難。例如在山東濟青高速公路沿線以及全國其它一些地方，不少早些時期建成的氣化工程幾乎處于停產狀態；造成幾十萬、上百萬的工程設備閑置被銹蝕。因此必須解決生產過程的污染、安全、焦油凈化，燃氣的安全利用等技術問題。因為氣化后的一氧化碳是有毒氣體，把有毒氣體直接提供給家庭使用是有問題的，必須有相應的安全使用措施，因此可以探討生物質氣化燃氣其它利用途徑（如作為原材料進行其它材料的生產，低熱值燃氣的高效發電等）。
4.2生物制氫
    生物質制氫技術有生物質氣化制氫和利用高濃度有機廢水或固體有機廢棄物厭氧發酵進行生物制氫。后者可提高有機污染物的處理能力，但目前產氫率不高，利用產酸相反應器并不一定均能獲得可觀的氫氣。因此在產酸相反應器中如何提高產氫速率、消除產氫抑制因素、實現規模化產氫等方面有待進一步的突破。
    在國外，1997年SparlingE報道了通過加入1%（體積分數）的乙炔或者25 mmol/L的溴乙烯( BES)抑制甲烷菌的生長；1999年Lay等人報道了經熱處理的消化污泥和富集培養的產氫細菌的產氫氣率為140mL/g TVS.( Total Volatile Solids)；2000年Okamoto等人研究了城市固體垃圾中不同有機廢物的產氫特性，研究結果表明碳水化合物具有最好的產氫轉化優勢，其次是脂類，最后是蛋白質；2000年MIZUITIO報道了厭氧微生物間歇處理豆制品廠廢水的產氫情況，H。含量達63%，氫氣產率為
2. 54mol/mol(己糖)；同年Nolke的研究表明，利用豆制品廢水、稻米糠、小麥米糠的產氫率可分別達到14~ 21mL/gVS( Volatile Solids)、31~61mL/gVS、10~ 43mL/gVS。
    我國也有相關的研究，哈爾濱工業大學對發酵產氫細菌B49生理特性及其固定化應用進行了研究；華南環境科學研究所進行了自固定強化高效菌種活性保持的研究。在生物制氫研究及應用過程中，菌種的篩選及培育優良菌種是厭氧發酵產氫技術的關鍵因素之一，但是在微生物發酵制氫領域，菌種選育幾乎還是空白。國外對產氫機理進行了大量的研究，但至今對生成氫氣的具體步驟仍沒有定論。另外，國內外對不同氣、液相條件下對發酵產氫的影響機理和效果的研究也較少。可見生物制氫起步比較晚，技術不是很成熟，為了推進發酵法生物制氫的產業化，關鍵因素是培育高效產氫發酵菌種，進一步提高系統的產氫能力，降低生產成本。
4.3  厭氧發酵生產沼氣
    厭氧發酵生產沼氣是比較成熟的技術，并且在生產過程沒有能源消耗。實際上人們認為地球上存在的化石能源就是生物質在厭氧條件下形成的，因此認為利用厭氧微生物生產沼氣是最有希望的可持續的能源生產。20世紀80年代以前，發展中國家主要發展沼氣池技術，以農作物秸稈和畜禽糞便為原料生產沼氣作為生活炊事燃料，而發達國家則主要處理禽畜糞便和高濃度有機廢水。20世紀80年代以后，大型沼氣工程相繼出現，開始進入產業化和商品化階段。
4. 3.1  厭氧發酵生產沼氣的應用現狀
    目前，日本、丹麥、荷蘭、德國、法國、美國等發達國家均普遍采取厭氧法處理畜禽糞便。荷蘭IC公司己使啤酒廢水處理的產氣率達到lOm3／(m3d)的水平；美國、英國、意大利等發達國家將沼氣技術主要用于處理垃圾；英國以垃圾為原料實現沼氣發電18MW，今后10年內還將投資1.5億英鎊，建造更多的垃圾沼氣發電廠。
    目前，在我國南方某些省份農村戶用沼氣池已經相當普及，并建造了一大批較為大型的沼氣工程。經過10多年的研究開發，厭氧發酵工藝技術有一定進展，例如豬糞中溫厭氧發酵USR裝置產氣率達到2.2m3／(m3  d)，并且已有相當多的設計、施工和設備生產企業以及經營服務企業參與沼氣工程建設。但是農村戶用沼氣池普遍存在產氣率不高等問題。另外，家庭模式自然發酵是不可能使沼氣成為商品的，必須進行工業化生產，提高沼氣發酵速率，解決受氣候條件限制等問題。
4. 3.2厭氧技術的研究現狀
    在厭氧技術的基礎研究上主要體現在3個方面，一是菌體對物料的適應能力及競爭機制的探討（AW Lawrence，1969年；WL Chou等，1978年；SKBhatta Charya等，1986年）；二是產甲烷動態過程生化監測方法的研究（T Edwarda，1975年；RA Bionot，1981年）；三是探討水解步驟降解高分子物質降解機制及生物調控機理（BD. Faison等，1985年；JABuswell等，1987年；D Cuullen．1997年）。從世界范圍看，利用各種微生物協同作用生產甲烷的研究和應用，正處于方興未艾的階段。
    在厭氧發酵應用研究方面，目前僅限于農村的發酵池（俗稱沼氣池）的研究，而對于工業中應用的厭氧反應器，歷史上研究較多并發展比較成熟的是以環保為目的、用于有機廢水處理的厭氧反應器。如Schroepfer在20世紀50年代開發的厭氧接觸反應器，它增大了厭氧反應器中的污泥濃度，處理負荷和效率顯著提高，人們稱其為第一代厭氧反應器。20世紀60年代以后出現了厭氧濾池(AF)、上流式厭氧污泥床( UASB)、下行式固定膜反應器(DSFF)、厭氧附著膜脹床反應器( AAFEB)、厭氧流化床( AFB)等第二代反應器。但第二代厭氧反應器的混合強度比較低，特別是在低負荷條件下生產效率不高。為此，在20世紀90年代初以厭氧膨脹顆粒污泥床( EGSB)、內循環反應器(IC)、升流式厭氧污泥床過濾器( UBF)為典型代表的第三代厭氧反應器相繼出現30-33 3。
4.3.3  厭氧發酵存在的問題
    用于處理工業有機廢水的厭氧發酵技術發展較快，其處理方式基本達到工業化水平，但在以能源生產為目的、處理各種固體有機廢棄物方面還沒有達到工業化水平。雖然沼氣池的發展對解決農村能源問題起到了巨大作用，但仍局限于自產自用的家庭模式，沼氣沒有成為商品，因此受季節和地域限制，不能普遍推廣和應用。與國外相比，我國在處理固體有機物方面的厭氧技術還有較大差距。主要表現在：①厭氧發酵產氣率低，系統運行和管理自動化水平不高；②厭氧發酵和綜合利用配套技術和設備還不成熟；③厭氧發酵技術產業化發展緩慢，不便于大規模市場推進。特別是在北方寒冷地區，沼氣生產和利用受到很大的限制。
    綜上所述，生物質能源的種類多、處理方法各異，但目前技術比較成熟、馬上可以實現產業化的并不多，大多停留在研究階段。固體燃料因其特殊的用途而有發展空間，但其應用領域有限；液體燃料中的燃料乙醇目前已經在使用，但僅以淀粉為原料生產的話其產量不會有大的突破，以纖維生產燃料乙醇和以動植物油或其廢棄油生產生物柴油雖然還存在許多技術以及成本等問題，但在國外有產業化實例，隨著技術的進步和研究的深入，相信相關問題會得到解決進而實現產業化；生物質裂解由于耗能巨大，目前在全球范圍內還未見產業化實例；氣體燃料中的沼氣生產過程不但沒有環境污染、而且可降解如農業秸稈、牲畜糞便、廚房垃圾等有機廢棄物，并且生產過程不消耗其它能源，因此，是目前最有希望實現產業化的生物質能源之一，推動沼氣的產業化和商品化進程，對發展生物質能源具有重大的現實意義。