1、引言
    未来科技、经济和社会发展的竞争首先是资源的竞争。人类能够长久依赖的未来能源必须储量丰富、可再生利用且无环境污染。以植物为主，每年以近2000亿t的速度不断再生的生物质资源将是人类未来的理想选择。大力开发生物质资源，对于改善我国以化石燃料为主的能源结构，延长化石燃料使用时间，改变能源的生产方式和消费方式，建立持续发展的能源系统，促进社会经济的发展和生态环境的改善具有重大意义。因此，生物质能源的开发和利用得到了人们广泛的关注和世界各国政府的重视，但生物质能源的种类很多，有必要对其进行概要而又综合的分析。
    目前正在应用或研究中的生物质能源主要有沼气、生物质燃气（秸秆气化）、生物发酵制取氢气等气体燃料；燃料乙醇、生物柴油、生物质裂解液化等液体燃料；炭棒、木炭砖、颗粒燃料等固体燃料。现就生物质能源的种类以及生产各种生物质能源的相应技术及其国内外研究进展、存在问题等进行分析和论述。
2、固体燃料
    固体燃料是以木材屑末下脚料、植物秸秆、各种糠渣谷壳等为原料，经成型机挤压成型制成薪棒或颗粒等，然后脱烟炭化成清洁炭或直接燃用，从而达到了很高的CO，排放标准，是一种比较简洁的生物质能源生产方法。现在，辽宁省能源研究所、西北农业大学、中国林业科学研究院、陕西武功轻工机械厂、江苏东海县粮食机械厂等10余家单位研究和开发生物质成型燃料技术和设备。其中环模滚压成型方式生产的颗粒燃料主要用作锅炉燃料…，其工艺流程需要消耗大量能量，原料的湿度要求在12%左右，湿度太高和太低都不能很好成粒。为了达到这个湿度，很多原料要烘干以后才能用于制粒，而且压制出来的热颗粒（颗粒温度可达95～110℃）要冷却才能进行包装。其中烘干和冷却两项工艺消耗的能量在制粒全过程中占25%~35%，加之成型过程中机器的磨损比较大，致使颗粒成型机的产品制造成本较高。所以，降低整个制粒生产过程的成本，是生物质颗粒燃料推广应用的关键，30码期期必中销售生产颗粒机、木屑颗粒机等生物质颗粒燃料，同时我们还大量销售杨木木屑颗粒燃料。
    意大利研制开发的ETS( Eco Tre System)新型木质颗粒制粒生产系统对原料的湿度适应性强，大部分原料不需要干燥即可直接用于制粒，成粒以后的升温只有10~15℃，压制出来的颗粒温度较低，无须冷却即可直接进行包装，通常可以去掉干燥和冷却2道工序，但是这套系统价格昂贵。
3、液体燃料
3.1燃料乙醇
    10%的燃料乙醇与汽油混合的乙醇汽油已经在使用，但目前以淀粉为原料的燃料乙醇生产从其生产成本来讲不具有经济意义，是纯粹的政策产物。因此以包括植物纤维在内的生物质为原料，不是采用传统意义上的酵母而是采用工业微生物，创建现代生物燃料乙醇产业，生产具有经济意义的燃料乙醇商品是人们所期待的。
    美国能源部根据现有技术的组合以及今后的研究开发和技术进步，对纤维乙醇生产成本进行了预测，认为2015年燃料乙醇生产成本与现在相比将降低36%，达到与石油竞争的成本水平。但美国的相关研究机构和企业并不是等待这一天的到来，而是积极将现有技术进行最佳组合，尽可能地降低成本，推进产业化进程。美国具有代表性的产业化项目是BIC公司的以蔗糖渣为原料的燃料乙醇生产项目，它是采用两段稀硫酸加水分解法对纤维进行糖化，其特点是可以将C5、C6糖有效分离，并采用转基因大肠杆菌对C5糖发酵，这个项目2002年末建成投产，每年生产能力为8.7万m3。另外还有MASA-DA公司的以纤维类城市垃圾为原料，以及Arkenol公司的以稻壳为原料的燃料乙醇生产项目，二者均是采用浓硫酸法对纤维进行糖化，利用交换树脂回收硫酸。同时，欧洲、加拿大等也都在进行大体相同的研究开发。
    2000年我国政府初步规划了燃料乙醇发展战略，制定了财政支持政策等。河南农业大学进行了生物质（秸秆）纤维燃料乙醇生产工艺试验研究；华东理工大学开展了生物质酸水解制取乙醇的试验研究，但尚未达到工业化生产水平。
    纤维酸解糖化以及C5糖和C6糖不能同步发酵等造成纤维乙醇生产工艺复杂，因此目前产业化规模都不是很大，基本上处于生产试验阶段，还需进一步解决C5糖和C6糖同步发酵，燃料酒精制备过程中木质素利用，利用纤维降解微生物进行纤维乙醇直接发酵等技术问题。特别是利用纤维降解微生物的纤维糖化技术如果能有所突破，将对纤维乙醇的产业化起到巨大的推动作用。
3.2生物柴油
    目前生物柴油的生产主要来自两种原料，一是食用油（大豆油、菜籽油）或其废弃油，二是其它油脂和野生油料作物。
    以食用油为原料利用化学方法生产生物柴油技术比较成熟。美国能源部2001年新建了国家生物质能开发中心，强化推广生物柴油，加里福尼亚州成为美国首先使用生物柴油的州。美国已有多家生物柴油生产厂商，如NOPEC公司每年具有3.8万mi的设计生产能力，夏威夷的太平洋生物柴油公司规模也很大，美国通用汽车公司也竭力鼓励职工使用生物柴油。而生物柴油运用最多的是欧洲，因为欧洲国家对替代燃料的立法支持、差别税收以及对油籽生产的补贴共同促进了生物柴油的价格对其它柴油燃料价格的竞争性．而且欧洲会议免除了生物柴油90%的税收。目前日本生物柴油发展也很快，每年生产能力己达40万t。在欧盟各国，以前通常被用来做饲料油的废食用油脂现在也正转向生产生物柴油。与国外相比，我国在发展生物柴油方面还有相当大的差距。但是以食用油为原料制备生物柴油关键是在降低生产成本以及跟人类争嘴等方面的问题，还需进一步探讨和研究。
    利用废弃油以及野生油料作物生产生物柴油是有前途的。随着生产生物柴油所需的工业油籽需求量的不断增长，出于工业目的种植油籽的预留地面积也迅速增长。但在我国人多地少的情况下，不宜过多占用耕地种植菜籽等生物柴油的原料，应因地制宜，利用山区种植油料植物或者利用废油、动物脂肪等为原料用于生物柴油的生产，而且必须在种植上解决相应问题，如优良品种的选择、耕地的合理使用等。生物柴油具有优良的环保特性，是柴油的最佳替代品，但它仅限于柴油发动机或柴油车的使用。
    在生产实践中，制取生物柴油普遍采用的方法是利用酯交换反应进行，整个过程复杂，同时也存在很多技术问题。如：①催化剂的研制；②酶的选择性、寿命及反应时间；③生物柴油的凝点高，影响低温起动性；④反应的接触界面问题；⑤甘油皂对油品质量的影响；⑥残留甲醇与甘油的腐蚀性问题；⑦生物柴油的品质等。
3.3生物质裂解
    目前生物质裂解的方法很多，但主流是生物质快速热裂解和高压液化技术。在近10年中，北美在裂解过程的研究方面进展迅速，建立了处理量为1360kg/h的示范装置。比利时有250kg/h的流化床裂解装置。在美国、加拿大、欧洲和澳大利亚，50kg/h的快速裂解示范装置正在运行。例如：意大利Alten公司生物质热解装置；加拿大ENSYN公司研制的热解装置采用上流式循环流化床反应器；荷兰Twente大学研制的热解装置采用了旋转锥形生物热解反应器，该装置己引进安装在沈阳农业大学综合能源示范基地；美国太阳能研究所(SERI)研制了漩涡式生物热解反应器，据估计用该装置要实现完全转化，生物质微粒大约需要循环15次。所以说，不论什么方法其生产过程都是耗能巨大的。就目前的情况看，如果不解决生产过程能耗问题，生物质裂解生产液体燃料就没有发展前途。另外，裂解生产出的生物质油是一种复杂的有机混合物，包含成百上千的从属于数个化学类别的物质，至今对其相关的分析还处于探讨研究中，其生物油的性质也比较独特，其应用范围受到了一定的限制。我国在这方面的工作开展得较晚，研究中运用的热解工艺基本上是参照了以上国外技术。
4、气体燃料
4.1秸秆气化
    秸秆气化生产生物质燃气主要以秸秆、稻壳、锯末等为原料，在高温缺氧的热解炉中生成以一氧化碳、氢气等为主的燃气。
    美国Davy Mckee公司开发的上流式固定床生物质气化炉，木材处理能力为200 t/d，从炉的顶部通过重叠开闭料斗进料，热空气从下至上吹入。其特点是结构简单，但由于上升热空气的偏流等原因影响物料预热的均匀性，并且热空气在上升过程中冷却形成焦油，易造成燃气出口堵塞等问题。针对这一问题，法国Entropie公司开发了并行流式固定床气化炉，其特点是有一个独立的氧化炉，在气化炉内生成的含有焦油的燃气被送入氧化炉，使焦油在氧化炉内燃烧掉，减少燃气内的焦油成分；美国IGT公司开发的循环式流动床生物质气化炉，木材处理能力为90 t/d，它克服了上流式固定床物料预热均匀性问题，但物料如沸腾一样被搅拌，低温状态下未燃粉末容易随气流排出，为此大多采用从反应层底部喂入的方法，目前流动床气化炉占主流地位：美国FERCO公司的采用间接加热方式的二塔式循环流动床气化炉，氧化和气化分别在各自的炉内进行，增加了气化速度，减小了炉的体积，但结构比较复杂。
    我国在生物质气化技术方面前几年有较大的发展，装置主要有中国农业机械化科学研究院能源动力所研制的ND - 900型农残余物生物质气化装置；中国科学院广州能源研究所在广东湛江为一家木料厂设计并运行了一套循环流化床式生物质气化装置，目的是要回收能源并防止木粉对环境造成污染；山东省能源研究所在胶州市前石龙村建立了一个生物质气化系统；中国林业科学研究院进行了生物质催化气化技术研究等。但是在实际应用方面这几年有所回落，峰值大约在20世纪90年代末至21世纪初。原因在于从生产到使用的整套技术体系、管理体系、相应政策法规都不健全的情况下匆匆上马，国家投资支持力度一旦减弱，其推广和应用马上步履艰难。例如在山东济青高速公路沿线以及全国其它一些地方，不少早些时期建成的气化工程几乎处于停产状态；造成几十万、上百万的工程设备闲置被锈蚀。因此必须解决生产过程的污染、安全、焦油净化，燃气的安全利用等技术问题。因为气化后的一氧化碳是有毒气体，把有毒气体直接提供给家庭使用是有问题的，必须有相应的安全使用措施，因此可以探讨生物质气化燃气其它利用途径（如作为原材料进行其它材料的生产，低热值燃气的高效发电等）。
4.2生物制氢
    生物质制氢技术有生物质气化制氢和利用高浓度有机废水或固体有机废弃物厌氧发酵进行生物制氢。后者可提高有机污染物的处理能力，但目前产氢率不高，利用产酸相反应器并不一定均能获得可观的氢气。因此在产酸相反应器中如何提高产氢速率、消除产氢抑制因素、实现规模化产氢等方面有待进一步的突破。
    在国外，1997年SparlingE报道了通过加入1%（体积分数）的乙炔或者25 mmol/L的溴乙烯( BES)抑制甲烷菌的生长；1999年Lay等人报道了经热处理的消化污泥和富集培养的产氢细菌的产氢气率为140mL/g TVS.( Total Volatile Solids)；2000年Okamoto等人研究了城市固体垃圾中不同有机废物的产氢特性，研究结果表明碳水化合物具有最好的产氢转化优势，其次是脂类，最后是蛋白质；2000年MIZUITIO报道了厌氧微生物间歇处理豆制品厂废水的产氢情况，H。含量达63%，氢气产率为
2. 54mol/mol(己糖)；同年Nolke的研究表明，利用豆制品废水、稻米糠、小麦米糠的产氢率可分别达到14~ 21mL/gVS( Volatile Solids)、31~61mL/gVS、10~ 43mL/gVS。
    我国也有相关的研究，哈尔滨工业大学对发酵产氢细菌B49生理特性及其固定化应用进行了研究；华南环境科学研究所进行了自固定强化高效菌种活性保持的研究。在生物制氢研究及应用过程中，菌种的筛选及培育优良菌种是厌氧发酵产氢技术的关键因素之一，但是在微生物发酵制氢领域，菌种选育几乎还是空白。国外对产氢机理进行了大量的研究，但至今对生成氢气的具体步骤仍没有定论。另外，国内外对不同气、液相条件下对发酵产氢的影响机理和效果的研究也较少。可见生物制氢起步比较晚，技术不是很成熟，为了推进发酵法生物制氢的产业化，关键因素是培育高效产氢发酵菌种，进一步提高系统的产氢能力，降低生产成本。
4.3  厌氧发酵生产沼气
    厌氧发酵生产沼气是比较成熟的技术，并且在生产过程没有能源消耗。实际上人们认为地球上存在的化石能源就是生物质在厌氧条件下形成的，因此认为利用厌氧微生物生产沼气是最有希望的可持续的能源生产。20世纪80年代以前，发展中国家主要发展沼气池技术，以农作物秸秆和畜禽粪便为原料生产沼气作为生活炊事燃料，而发达国家则主要处理禽畜粪便和高浓度有机废水。20世纪80年代以后，大型沼气工程相继出现，开始进入产业化和商品化阶段。
4. 3.1  厌氧发酵生产沼气的应用现状
    目前，日本、丹麦、荷兰、德国、法国、美国等发达国家均普遍采取厌氧法处理畜禽粪便。荷兰IC公司己使啤酒废水处理的产气率达到lOm3／(m3d)的水平；美国、英国、意大利等发达国家将沼气技术主要用于处理垃圾；英国以垃圾为原料实现沼气发电18MW，今后10年内还将投资1.5亿英镑，建造更多的垃圾沼气发电厂。
    目前，在我国南方某些省份农村户用沼气池已经相当普及，并建造了一大批较为大型的沼气工程。经过10多年的研究开发，厌氧发酵工艺技术有一定进展，例如猪粪中温厌氧发酵USR装置产气率达到2.2m3／(m3  d)，并且已有相当多的设计、施工和设备生产企业以及经营服务企业参与沼气工程建设。但是农村户用沼气池普遍存在产气率不高等问题。另外，家庭模式自然发酵是不可能使沼气成为商品的，必须进行工业化生产，提高沼气发酵速率，解决受气候条件限制等问题。
4. 3.2厌氧技术的研究现状
    在厌氧技术的基础研究上主要体现在3个方面，一是菌体对物料的适应能力及竞争机制的探讨（AW Lawrence，1969年；WL Chou等，1978年；SKBhatta Charya等，1986年）；二是产甲烷动态过程生化监测方法的研究（T Edwarda，1975年；RA Bionot，1981年）；三是探讨水解步骤降解高分子物质降解机制及生物调控机理（BD. Faison等，1985年；JABuswell等，1987年；D Cuullen．1997年）。从世界范围看，利用各种微生物协同作用生产甲烷的研究和应用，正处于方兴未艾的阶段。
    在厌氧发酵应用研究方面，目前仅限于农村的发酵池（俗称沼气池）的研究，而对于工业中应用的厌氧反应器，历史上研究较多并发展比较成熟的是以环保为目的、用于有机废水处理的厌氧反应器。如Schroepfer在20世纪50年代开发的厌氧接触反应器，它增大了厌氧反应器中的污泥浓度，处理负荷和效率显著提高，人们称其为第一代厌氧反应器。20世纪60年代以后出现了厌氧滤池(AF)、上流式厌氧污泥床( UASB)、下行式固定膜反应器(DSFF)、厌氧附着膜胀床反应器( AAFEB)、厌氧流化床( AFB)等第二代反应器。但第二代厌氧反应器的混合强度比较低，特别是在低负荷条件下生产效率不高。为此，在20世纪90年代初以厌氧膨胀颗粒污泥床( EGSB)、内循环反应器(IC)、升流式厌氧污泥床过滤器( UBF)为典型代表的第三代厌氧反应器相继出现30-33 3。
4.3.3  厌氧发酵存在的问题
    用于处理工业有机废水的厌氧发酵技术发展较快，其处理方式基本达到工业化水平，但在以能源生产为目的、处理各种固体有机废弃物方面还没有达到工业化水平。虽然沼气池的发展对解决农村能源问题起到了巨大作用，但仍局限于自产自用的家庭模式，沼气没有成为商品，因此受季节和地域限制，不能普遍推广和应用。与国外相比，我国在处理固体有机物方面的厌氧技术还有较大差距。主要表现在：①厌氧发酵产气率低，系统运行和管理自动化水平不高；②厌氧发酵和综合利用配套技术和设备还不成熟；③厌氧发酵技术产业化发展缓慢，不便于大规模市场推进。特别是在北方寒冷地区，沼气生产和利用受到很大的限制。
    综上所述，生物质能源的种类多、处理方法各异，但目前技术比较成熟、马上可以实现产业化的并不多，大多停留在研究阶段。固体燃料因其特殊的用途而有发展空间，但其应用领域有限；液体燃料中的燃料乙醇目前已经在使用，但仅以淀粉为原料生产的话其产量不会有大的突破，以纤维生产燃料乙醇和以动植物油或其废弃油生产生物柴油虽然还存在许多技术以及成本等问题，但在国外有产业化实例，随着技术的进步和研究的深入，相信相关问题会得到解决进而实现产业化；生物质裂解由于耗能巨大，目前在全球范围内还未见产业化实例；气体燃料中的沼气生产过程不但没有环境污染、而且可降解如农业秸秆、牲畜粪便、厨房垃圾等有机废弃物，并且生产过程不消耗其它能源，因此，是目前最有希望实现产业化的生物质能源之一，推动沼气的产业化和商品化进程，对发展生物质能源具有重大的现实意义。