书城科普读物科学我知道-Why能源
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第24章 有哪些不同形态的生物质能?

1.古老薪柴换新颜

薪柴是人类学会钻木取火之后,首先利用的能源,尽管它的采伐和利用已有上百万年的历史,但至今还是人类掘取的能源之一。现在,世界上仍有许多国家,每年要消费掉大量薪柴。

我国一亿七千万户农户,绝大部分靠薪柴为主要生活能源。过去,由于“重斧头,轻锄头,只伐不养,只造不管”,致使我国的森林覆盖面积逐年减少。全国广大农村严重缺烧。据有关方面统计,全国实际年薪柴需要量为1.8亿吨,折合标准煤1.038亿吨,但所能提供的薪柴量只有8858万吨,差距甚大。

后来,我国由于种植了薪柴林供应薪柴,薪柴栽种面积增加,同时贯彻植树造林、绿化荒山的政策后,全国薪柴资源得到了开发和保护。在今后相当长的一段时间内,薪柴仍将是我国农民的主要燃料。

英国和德国的有关专家预测,芦苇将会成为欧洲未来很有希望的能源,它具有生长快、不用肥料、不打农药、可保护环境等优点,所以,很受专家们的重视与青睐。

芦苇,原生长在中国和日本,是常年生植物,它不用施肥,每个季节可长到3米高,同时,抗病和抗虫的能力很强,不用喷撒农药,燃烧后,尽管像其他的生物燃料一样,会排放CO2,但是,在生长过程中,为了光合作用,却要吸入大量的CO2。它的根部能吸入硝酸根等化学物质,这样有利于保护地下水的水质。据德国科学家估计,每公顷土地每年可收获干芦苇30吨,是白杨和柳树等快生植物的一倍,所以,德国的农民,把芦苇称为“大象草”,意味着它的生长速度快和收割量大。

英国和德国正在研究以芦苇代替石油和煤炭等能源,一是直接将它作为小型热电站的燃料;二是将它合成氢气,在加工原油时,用作提高轻质油收率的原材料;三是代替取暖油,作家庭取暖用燃料。

英国和德国的农业科研部门,都征用了大量土地来试种芦苇,仅德国就有一个占地面积为130公顷的试种基地,目前还在继续扩大。

如果种植柳树和白杨树,尽管它们生长很快,但要间隔3年,才能砍伐一次,平均每公顷每年的产量只有16吨。现在种植芦苇,每年都可收割。平均每公顷每年的产量能达到20~35吨,即使按20吨计算,它也是一种很有发展前景的能源。

科学家们一直在尝试从生物量中获取能源,也曾设计成功以木片和蔗渣作燃料的发电厂。但是,人们一直未能找出一种真正有效的方法,来将生物量转化成便于运输的燃料。现在,东京日立公司与石油替换品发展研究所配合,已在实验中取得从生物量中萃取乙醇的方法。该法在工业上的实用希望极大。

新法解决了多年来使科学家们伤脑筋的怎样除去木质素的问题。植物纤维中的木质素极为坚韧,难以使植物细胞壁受到分解。较早的方法中要使用毒性化学品,但新法则用臭氧来除去木质素。留下的纤维素再用酶处理掉,以生成葡萄糖,然后发酵成乙醇,用作燃料或用来生产无铅汽油。

这个从植物中提取乙醇的方法,可使所耗的能量不超过所产生的能量。但目前的困难是,生物量体积庞大,运输费用昂贵,因而利用该法的发电厂,必须靠近生物量的来源区(如糖厂)。

我国制订的《国民经济和社会发展第十个五年计划纲要》提出,要“开发燃料乙醇等石油替代品,采取措施节约石油资源”。将玉米秸秆、苎麻、芦苇、甘蔗渣、柠檬酸渣、酒糟、谷壳等木质纤维素含量高的原料,通过生物转化得到液态燃料——酒精可作为石油的能源替代产品。据此,研究可再生的清洁生物质能源并经过能源形态转换用于交通和冶炼等行业,已成为我国科技发展的迫切需要。

2.干净的沼气备受人们重视

人畜的粪便、垃圾都是人类社会的抛弃物,处理不当还有碍卫生。人们将粪便、秸秆、杂草、垃圾等有机物,置入沼气池内,在厌氧菌的作用下发酵产生沼气,沼气是以甲烷为主体的混合可燃气体,它可以像天然气一样由管道传输,可以用来烧饭、点灯、发电,是一种理想干净的能源。发展沼气不但可以变废为宝,提取能源,而且可以净化环境,将粪便和垃圾加以集中处置,从而大大减少传染病的流行机会。同时,办沼气还是优化生态环境,形成一种最佳的生物链的先决条件。沼气池里排出来的肥渣可以喂蚯蚓,蚯蚓长大了可用来喂猪和鸡,猪粪、鸡粪又可作生产沼气的原料,肥水还可当肥料,增加农业产量。

沼气已受世界各国的重视,无论是工业发达的国家,还是发展中的国家都十分重视发展沼气。即使包括美国这样经济发达国家在内,也都积极发展沼气,甚至在积极发展大型沼气工厂。美国俄克拉何马州一家沼气工厂饲养了七万五千多头牲口,每天用200吨动物粪便作为产沼气原料,大量生产沼气,并通过地下管道将沼气和天然气一起输送出去,作为工业动力能源。

拉丁美洲已有28个国家和地区不同程度地开展了沼气技术的研究与应用。沼气技术的应用领域可分为四类:农业废物、工业废物、城市下水道污水、城市垃圾。

农业沼气的开发:绝大多数沼气池是建在农村,单个体积为7~40立方米的小型池,发酵原料主要为畜粪,也有人粪和其他农业废物,所建沼气池主要用于炊事等。

工业沼气的开发:甘蔗、水果、咖啡等农副产品加工产生的高浓度有机废物,肉类、奶类加工产生的废水,造纸工业和石油化工废水都可用沼气技术加以处理。到目前为止,至少有25种工艺废水、废物在拉丁美洲开展了沼气发酵的研究,其中使用最多的是酒精厂废醪和咖啡加工后废壳、废水的消化。据报道,仅墨西哥每年就从甘蔗加工废液中回收3万桶石油当量的沼气能源。在巴西,目前有102个工业沼气发酵罐,总容积达7657立方米。

城市下水道污水沼气的开发:在城镇下水道污水厌氧处理方面,已有33个国家研究应用报道,其中近一半是实验室试验项目,其余是生产规模的应用,发酵罐单体容积为200~3300立方米。拉美是当今利用这项技术的领先者。1990年9月哥伦比亚布卡拉曼加两座总容积为6600立方米的上流式厌氧污泥床发酵罐已成功启动。

城市垃圾沼气开发:利用城市垃圾卫生堆埋场技术,可从垃圾中获得沼气。其投资运行费用低,并可以回收能源。据理论计算,一吨垃圾在堆废场发酵10~20年,可产400立方米沼气,实践中可回收100~200立方米。拉丁美洲现在是发展中国家中采用卫生堆埋场技术的先行者。智利和巴西已有5座堆埋场进行沼气开发。还有5座在计划开发中,其中4座在巴西,1座在哥伦比亚。

从垃圾开发沼气,降低了垃圾堆埋场的运行管理费用,其次是减少石油进口,第三是减轻了大气污染。沼气经过净化后,可用作市镇汽车的燃料,减轻汽车尾气污染;如作为城市煤气,则为市民提供一种廉价的气体能源。

拉丁美洲目前沼气年产量约2.173亿立方米,相当于18.64万吨油当量。其中,农村沼气340万立方米,相当于2900吨油当量,占总量的1.6%;工业和城市污水沼气1.257亿立方米,相当于10.78万吨油当量,占57.8%;垃圾堆埋场沼气8820万立方米,相当于7.57万吨油当量,占40.6%。

拉丁美洲的沼气开发对我们的启示是,应当抓紧发展工业和城镇污水沼气和垃圾堆埋场沼气。

我国广大农村也正大力推广沼气。一个10立方米的沼气池,全年可产沼气400立方米以上,可解决5口人的农户全年的生活燃料,相当于3亩活立薪炭林或2吨煤炭。

一些积极发展沼气的地区,还开始建设家庭生态农业工程,有些农户建起了与猪栏、厕所相通的“三结合”沼气池,人畜粪便自动流入沼气池,以沼气肥渣喂鸡,肥水肥田或流入小池塘喂鱼或养水浮莲。庭园四周种植绿树和花草,环境优美,五谷丰登,造成了五业协调发展的良性生态循环。

而利用沼气建立的净化公厕采用厌氧和好氧发酵相结合处理粪便污水,具有四级发酵工艺,第一二节为厌氧发酵,三四节为好氧发酵,采用环流、折流和生物填料的新装置,增加发酵量的流动,延长了发酵液的滞留期,有效地杀灭各种病菌虫卵,使厌、好氧发酵更为完善,达到国家卫生排放标准。创造了无害化的卫生环境,保护了水资源。

3.绿色的油库造福人类

如果有人告诉你,石油可以种出来,也许你不会相信,但是从植物中可以提炼出石油,这是千真万确的事。

人类在长期的生产实践中,经过细心的观察,发现在数以万计的植物中,有的会分泌出类似于石油的乳汁;有的籽实或枝叶里含有很高的油分,只要通过简单的加工,便能提取出各种各样的植物油,这种植物油可以代替柴油当燃料。还有人发现,利用各种农副产品和废料发酵和蒸馏,制成酒精和甲醇,也是汽油的理想代用品。现在,有些已经突破了技术和经济难关,在全世界范围内推广应用。

早在20世纪初,柴油机的发明者狄塞尔就在他发明的柴油机上,试验过以各种植物油作燃料。后来,由于中东的廉价石油流入国际市场,“绿色的油库”曾一度被人们遗忘。1973年,中东爆发石油危机,油价猛涨,一些国家又开始重视植物油的研究和开发利用。

现在,在世界范围内已经找到许多种可以提取燃料油的植物。除了我们所熟悉的油菜籽、向日葵等油料作物外,在美国发现了一种名叫美洲香槐的石油树,这种树长成时,可以像割橡胶一样,从树干的表皮取出白色乳汁,这种乳汁只要稍加提炼,就会得到石油。此外,东南亚的合欢树,我国台湾省的高冠树,美国的“绿玉树”、“续随树”,都属于石油树。

还有一种能在沙漠恶劣环境下生活的灌木植物,名叫霍霍巴,它的果实含有50%~60%油性乳汁,经过提炼就是高级精密机械的润滑油。

油料作物还有大豆、花生、棉籽、油橄榄、桔皮等,都可榨油。

我国是研究油料植物较早的国家之一,但由于食油缺乏,油料作物得先满足人民日常生活食油所需,作为燃料的为数不多。不过,亦有一些地区的农村,在农忙季节,因柴油缺乏也曾以植物油代替柴油,也收到了较好的经济效果。

可以预计,随着石油资源的消耗,石油产量的下降,人类终将打开“绿色的油库”,为满足社会对液态燃料的日益增多的需要。