生物能源 - 生物質生產

---

---

有機材料被轉化為可利用的形式，稱為生物能源。在能源生產過程中使用的材料被稱為原料。

為了更好地理解生物質，我們將首先探索各種來源。

生物質生產是指有機物數量的增加。它是特定區域或種群中增加有機物。生物質被認為是可再生能源，因為它隨著植物和動物的生長而得到補充。

生產有兩種形式 -

• 初級生產是指植物透過光合作用產生能量。產生的多餘能量被儲存起來，並累加到生態系統中的總生物量中。初級生產可以根據某一年度的森林覆蓋總面積來估算。

• 次級生產是有機物被生物體吸收為機體組織。它包括動物的攝取，即攝食，無論是其他動物還是植物。它還涉及微生物對有機物的分解。次級生產可以估算為每年生產的肉類總量。

雖然生物質可以衡量為特定環境中活體和死體生物的質量，但生產卻難以估算。它只能估算為體積的增加，儘管部分新增生物質可能已透過自然過程被替換。

直接燃燒供熱

直接燃燒供熱是自最早的文明以來，生物質轉化為能源的最古老方法。熱化學轉化（燃燒）可以透過多種方式使用不同的原料來實現。

獨立燃燒

基於生物質的發電機使用源自植物油的柴油為柴油發電機提供燃料。發電機燃燒有機柴油產生能量來發電。

• 已知熱電聯產電廠可以同時產生電力和有用的熱能。陶瓷工業利用熱量乾燥粘土瓦等產品。

• 一些發電廠使用生物質加熱水併產生蒸汽來發電。生物質被燃燒以產生足夠的熱量來煮沸水。

• 城市固體廢物處理廠燃燒固體廢物發電。這種型別容易受到批評，因為固體廢物大多含有來自塑膠和合成纖維的有毒氣體。

生物質共燃

除了獨立燃燒外，生物質還可以與其他化石燃料混合燃燒以產生能量。這稱為共燃。

• 生物質可以直接作為煤炭燃燒。這被稱為直接共燃。

• 在其他情況下，生物質首先被加工成氣體，然後轉化為合成氣。

• 第三種情況是，化石燃料在不同的爐中燃燒，產生的能量隨後用於預熱蒸汽發電廠中的水。

燃燒型別

各種燃燒型別包括 -

• 固定床燃燒 - 這種方法是將固體生物質首先切割成小塊，然後在平坦的固定表面上燃燒。

• 移動床燃燒 - 在這種方法中，爐排被設定為不斷均勻地移動，留下灰燼。燃料在燃燒層中燃燒。

• 流化床燃燒 - 燃料在高壓下與沙子混合沸騰。沙子用於均勻分佈熱量。

• 燃燒器燃燒 - 在這種方法中，木粉和細粉被放置在類似於液體燃料的燃燒器中。

• 旋轉爐燃燒 - 使用窯爐燃燒水分含量高的有機物。食物殘渣或其他潮溼的農場廢物以這種方式燃燒。

熱解

熱解是透過在非常高的溫度下無氧燃燒生物燃料的另一種加工形式，這會導致完全燃燒。這會導致不可逆的物理和化學變化。氧化或鹵化過程的缺失導致非常緻密的生物燃料，可用於燃燒、共燃或轉化為氣體。

• 緩慢熱解發生在大約 400°C。它是製造固體木炭的過程。

• 快速熱解發生在 450°C 至 600°C 之間，產生有機氣體、熱解蒸汽和木炭。透過冷凝將蒸汽加工成液體形式作為生物油。這必須在 1 秒內完成以防止進一步反應。所得液體是比木材生物質密度更大的深棕色液體，並且在能量方面具有相同含量。

生物油有許多優點。它更容易運輸、燃燒和儲存。許多型別的原料可以透過熱解加工成生物油。

下圖說明了透過熱解將生物燃料中的能量轉化為可用形式的過程。

酒精發酵

酒精發酵是將糖轉化為纖維素的過程。該過程產生乙醇和二氧化碳作為副產品。由於該過程在沒有氧氣的情況下發生，因此被認為是厭氧的。除了烘焙麵包和製造酒精飲料外，此過程還會產生酒精燃料。酒精發酵的化學式如下所示 -

$C_{6}H_{12}O_{6}+酵母\longrightarrow\:2C_{2}H_{5}OH+2CO_{2}$

甘蔗是此過程的主要原料，尤其是在乾旱環境中。玉米或糖塊用於溫帶地區。

產品應用

產品具有以下應用 -

• 丙酮是一種用於生產食品新增劑、溶解膠水、稀釋油漆、去油劑和化妝品的產品。

• 氫氣在電力行業用作冷卻劑。它也用於氫燃料電池發電。

• 丁醇提供比乙醇更好的燃料。它也用作油漆、化妝品、樹脂、染料、聚合物提取和合成纖維製造的成分。

• 乙醇用作燃料、油漆成分和防腐劑新增劑。它也用於酒精飲料。

生物氣的厭氧消化

厭氧消化是有機物在沒有氧氣的情況下分解產生生物氣的生物過程。產酸菌和產乙酸菌等微生物將可生物降解物質轉化為生物氣。除了作為能源外，它還是一種廢物處理方法和環境保護技術。

產生二氧化碳和甲烷的這種轉化的主要方程式如下 -

$C_{6}H_{12}O_{6}\longrightarrow\:3CO_{2}+3CH_{4}$

分步過程解釋如下 -

• 步驟 1 - 將有機物分解成可轉化為較大分子。此過程稱為水解。

• 步驟 2 - 產酸菌作用於分解後的物質，將其轉化為揮發性脂肪酸 (VFA) 以及氨、CO2 和硫化氫。該過程稱為產酸。

• 步驟 3 - VFA 進一步分解成乙酸、二氧化碳和氫氣。

• 步驟 4 - 最後階段是將上述排放物結合起來產生甲醇、二氧化碳和水。