6 能源草研究进展.ppt

农学院解新明,6能源草研究进展,背景介绍,联合国气候变化框架公约（UnitedNationsFrameworkConventiononClimateChange）1992年6月在里约热内卢的联合国环境与发展大会上，150多个国家制定。目标是将大气中温室气体浓度稳定在不对气候系统造成危害的水平。至今已召开了14次缔约方大会。第15次2009年12月，将在丹麦的哥本哈根举行。1997年12月（第３次）通过了京都议定书，对2012年前主要发达国家减排温室气体的种类、减排时间表和额度等作出了具体规定。即从2008年到2012年间，主要工业发达国家的温室气体排放量要在1990年的基础上平均减少5.2％，其中欧盟将6种温室气体的排放量削减8％，美国削减7％，日本削减6％。2008年７月８日，八国集团领导人在八国集团首脑会议上就温室气体长期减排目标达成一致。将寻求与框架公约其他缔约国共同实现到2050年将全球温室气体排放量减少至少一半的长期目标。2009年７月８日，八国集团领导人表示，愿与其他国家一起到2050年使全球温室气体排放量至少减半，并且发达国家排放总量届时应减少80％以上。,背景介绍,2009年9月22日，联合国气候变化峰会在联纽约联合国总部举行，中国国家主席胡锦涛出席峰会开幕式并发表题为携手应对气候变化挑战的重要讲话。承诺中国将进一步把应对气候变化纳入经济社会发展规划，并继续采取强有力的措施。一是加强节能、提高能效工作，争取到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年有显著下降。二是大力发展可再生能源和核能，争取到2020年非化石能源占一次能源消费比重达到15％左右。三是大力增加森林碳汇，争取到2020年森林面积比2005年增加4000万公顷，森林蓄积量比2005年增加13亿立方米。四是大力发展绿色经济，积极发展低碳经济和循环经济，研发和推广气候友好技术。,6.1能源植物的概念,能源植物通常是指那些具有合成较高还原性烃能力的、并可产生接近石油成分或可替代石油产品的植物，以及富含油脂或碳水化合物的植物。广义包含所有的陆地和海洋植物；狭义是指能量富集型植物、高能量密度植物。目前发现300多种树木和400多种花草。我国可转换为能源用途的作物和植物品种有200多种.6.1.1能源植物的分类6.1.1.2根据制取或提供燃料的方式1以制酒精为目的的一年生或多年生作物，如玉米、甘蔗、甜高粱、甘薯、木薯等；2以生产燃料油（如生物柴油、烃类物质）为目的的植物，如油菜、绿玉树等；3用于直接燃烧的植物；4可供厌氧发酵的藻类或其他植物,6.1.1能源植物的分类,6.1.1.2根据形成能源载体物质的成分1淀粉和糖料植物类富含淀粉和糖类，用于生产燃料乙醇。如小麦、大麦、玉米、籽粒高粱等禾谷类作物以及甘薯、木薯、马铃薯等薯类作物。2油脂植物类富含油脂，通过脂化过程形成脂肪酸甲酯类物质，即生物柴油。油菜、向日葵、蓖麻和大豆是最主要的一年生油脂作物。3石油植物富含类似石油成分（如烷烃、环烷烃等）的植物。例如麻风树、油楠、续随子、光皮树、西蒙得木、绿玉树等。通过脱脂处理可作为柴油使用。4木质纤维素植物类富含纤维素、半纤维素和木质素，可以通过转化获得热能、电能、乙醇和生物气体等。主要的木本类能源作物有桉树、杨树和柳树等，主要的草本植物有柳枝稷（PanicumvirgatumL.）、芒类Miscanthusspp.、虉草（PhalarisarundinaceaL.）和芦竹（ArundodonaxL.）等,6.1.2能源植物利用技术,6.1.2.1直接燃烧法DirectCombustion通常是在蒸汽循环作用下将生物质能转化为热能和电能,为烹饪、取暖、工业生产和发电提供热量和蒸汽。燃烧最常用的是锅炉燃烧和流化床燃烧技术,后者由于氮氧化物的低排放特性迅速得到青睐。6.1.2.2生物化学转化（1）发酵Fermentation发酵是生物质间接液化的一种。是指通过微生物作用或是化学合成法生成液体燃料,常见的如乙醇发酵。乙醇的发酵底物几乎包括各种原始生物材料,最主要的原料为甘蔗、小麦、谷类、甜菜和木材。Keikhosro等采用毛霉、根霉和酵母对稀酸预处理过的稻草进行同步糖化发酵,根霉发酵乙醇产率达74,副产物为乳酸；毛霉达到68的产率。我国重点技术研发方向是利用甜高梁、木薯及木质纤维素等非粮食原料生产燃料乙醇,并建设规模化原料供应基地,建立生物质液体燃料加工企业。,6.1.2能源植物利用技术,（2）厌氧性消化Anaerobicdigestion是指利用微生物在缺氧条件下消化易腐生物质,使其彻底分解,产生氢气和甲烷等高能清洁燃料即沼气的过程。目前,木质纤维素类物质分解是沼气生产的瓶颈问题。由于对厌氧消化所需要的嫌氧微生物的研究仍较肤浅,致使无法圆满解决产气效率低等现象。如果这一课题的研究得到质的进展,则可将原料由目前以人畜粪便为主扩大到各种秸秆、枝叶类,可以大大扩展沼气原料来源。6.1.2.3热化学转化ThermochemicalConversion热化学转化技术与其他技术相比,具有功耗少、转化率高、较易工业化等优点。生物质热化学转化包括气化、热解、液化和超临界萃取,其中气化和液化技术是生物质热化学利用的主要形式。,6.1.2能源植物利用技术,（1）气化及气化发电GasificationandGasificationPowerGeneration是指在一定的热力学条件下,将组成生物质的碳氢化合物转化为含一氧化碳和氢气等可燃气体的过程。这些产物既可供直接燃用,也可用来发电,进行热电联产联供,从而实现生物质的高效清洁利用。此外,欧共体还开展了生物质气化合成甲醇、氨的研究。该技术在奥地利、丹麦、芬兰、法国、挪威、瑞典和美国等国家产生的生物质能在总能源消耗中所占的比例增加相当迅速。“十五”期间,国家863计划在1MW的生物质气化发电系统的基础上,研制开发出4～6MW的生物质气化燃气蒸汽联合循环发电系统,建成了相应的示范工程,燃气发电机组单机功率达500kW,系统效率也提高到28,为生物质气化发电技术的产业化奠定了很好的基础。国家电网公司担任大股东的国能生物质发电公司目前已有19个秸秆发电项目得到主管部门批准,大唐、华电、国电、中电等集团也纷纷加入,河北、山东、江苏、安徽、河南、黑龙江等省的100多个县市开始投建或是签订秸秆发电项目。,6.1.2能源植物利用技术,（2）热解Pyrolysis在隔绝空气条件下加热生物质,在少量空气存在的条件下部分燃烧产生碳氢化合物、含油液体和残炭的混合物,为热解产物。可生产焦炭和甲醇、丙酮、乙酸、焦油等副产物。热解按温度、升温速率、反应时间和颗粒大小等条件,可分为慢速热解、常规热解和闪速热解3种方式。快速热解是以非粮食类的生物质为原料制取液体燃料的方法之一,尺度小的稻壳、木屑等的干燥物料是快速热解工艺的理想原料。由快速热解工艺获得的液体燃料含氧量高,但是热值较石化燃料低,还需要进一步精制处理才能有效利用。如果能够开发出选择性优良的快速热解工艺,生产出低含氧量,高热值的液体燃料,那么快速热解工艺将具有非常强的竞争力。,6.1.2能源植物利用技术,（3）热解液化PyrolysisLiquefaction生物质的热解液化是在缺氧条件下将生物质迅速加热到500～600℃,使之主要转换成液化产物油的一种工艺。这种液体燃料既可以直接作为燃料使用,也可以再转化为品位更高的液体燃料或价值更高的化工产品。高压液化技术是生物质直接液化技术的一种,是指在较高压力、一定温度和溶剂、催化剂存在等条件下对生物质进行液化反应制取液体产品的技术。相比同为直接液化的快速热裂解法,该技术具有工艺简捷、易于大规模工业化生产等特点。,6.1.2能源植物利用技术,（4）超临界流体萃取Supercriticalfluidextraction,SCFE利用二氧化碳、乙醇、丙酮和水等溶剂在超临界状态下作为溶剂或反应物进行化学反应,使生物质液化成燃料的工艺。工艺的特点不需要还原剂和催化剂;由于超临界流体具有高的溶解能力,可以从反应区快速除去生成木炭的中间反应产物,从而减少了木炭的生成,并改善了热传递性。超临界流体SCF具有气液两重性的特点,它既有与气体相当的高渗透能力和低黏度,又兼有与液体相近的密度和对许多物质优良的溶解能力。在超临界水中,将煤炭和生物质能源转化为清洁的氢能,具有气态产物中氢气含量高,无需对原料进行干燥,反应不生成焦油等副产品,不造成二次污染等优点。可作为SCF的物质很多,如二氧化碳、六氟化硫、乙烷、甲醇、氨和水等。利用SCFE进行生物质转化已有很多应用。,6.1.2能源植物利用技术,6.1.2.4固体成型技术BriquettingTechnology是指在一定温度与压力作用下,将原来分散的、没有一定形状的植物生物质压制成具有一定形状、密度较大的各种成型燃料的高新技术。秸秆、谷壳和木材等的屑末下脚料由于体积密度小,占用空间大,直接焚烧浪费资源且污染环境。该技术则能以连续的工艺和工厂化的生产方式将这些低品位的生物质转化为易储存、易运输、能量密度高的高品位生物质燃料,从而使燃烧性能得到明显改善,热利用效率显著提高,为高效再利用农林废弃物、农作物秸秆等提供了一条很好的途径。目前国内开发的生物质颗粒燃料成型技术Highzones技术,比“热压成型技术”减少了烘干、成型时加热及降温等3个耗能程序,可就地将原料及时压缩成颗粒燃料,解决了生物质燃料规模化应用中存在的收、运、储成本高的瓶颈问题,便于在原料产地推广使用。,6.1.2能源植物利用技术,6.1.2.5生物柴油制取BiodieselProduction是生物质直接液化的一种。主要是采用机械方法,用压榨或是提取等工艺获得可燃烧的油品,如棉籽油等,经提炼液体油直接用于燃烧或将其经乳化、高温裂解或酯化处理后作为替代柴油的方法。植物油黏度较大,直接用作燃料油会出现结焦炭化等现象,采用以低碳醇为酯化剂,用酸、碱或酶作催化剂,将原料油进行酯化处理后获得相应的脂肪酸酯,即生物柴油。生物柴油性能与石化柴油相近,并且具有硫含量低、分解性能好、燃烧效率高等特点,大大降低了环境污染,是石化柴油的优良可再生替代品。美国以豆油为原料制备生物柴油,欧洲以油菜籽为原料。棕榈油、葵籽油、米糠油等也是最常见的原料。动植物废弃餐饮油是一种很好的制备生物柴油的原料。日本主要用废油为原料制备生物柴油。我国中科大、石油化工研究院、西北农林科技大、辽宁能源所等分别进行了实验研发和小型工业试验,一系列关键技术已被掌握。海南、四川和福建几家公司开发出拥有自主知识产权的技术,相继建成年产超过万吨生物柴油的生产企业。,6.2多年生能源禾草研究进展,6.2.1研究和开发多年生能源禾草的意义和背景生物质能是一类既有助于减轻温室效应,又可替代部分石油、煤炭等化石燃料的绿色能源。据估计，地球上每年通过植物光合作用固定的碳达21011t，含能量达31021J，被认为是仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源。在世界各国主要利用油菜、大豆、玉米、甘蔗、甜高粱等作物原料生产生物柴油或燃料乙醇。我国也已具备大规模生产生物质能源的条件。但我国是拥有13亿多人口的大国，大多数大豆、玉米、油菜籽、甘蔗等经济作物产品在相当长时间内仍将是国民赖以生存的生活必需品，加上我国现有农用良田十分有限，要划出大量农地作为发展生物能源基地需要慎重论证。,6.2.1研究和开发多年生能源禾草的意义和背景,多年生禾草作为能源植物的特点在于它们具有快速增长的高生物质产量，而且其细胞壁含有丰富的木质素、纤维素和半纤维素，这正是作为能源植物所必备的基本条件。特别是当它们被用做固体生物燃料时更是如此。主要原因有二第一，它们具有高热值，其木质素中的碳含量很高（64）；第二，强烈木质化的植株在低含水量的情况下仍能保持直立。因此多年生禾草的生物质有较低的含水量，甚至在茎秆尚未收获时即可干燥，而且推迟收获期也可以改善生物质的质量。另外，在多年生禾草的生物质中，其木质素和纤维素含量高于一年生植物。这类禾草不仅可以通过直接燃烧来生产热能或电能，也可以通过固化、汽化和液化等手段转化成相应的能源产品，更重要的是生产和利用多年生能源禾草还具有如下生态学益处,6.2.1研究和开发多年生能源禾草的意义和背景,1）用其生物质替代化石燃料可减少CO2的排放量；2）在长达十几年的生产栽培期间，对土壤的耕作仅限于建植当年，可降低土壤侵蚀的风险，增加土壤碳含量；3）营养物质可通过根茎系统进行循环利用，因此对化肥的输入要求很低；4）天然害虫较少，不需要或很少需要杀虫剂；5）可有效利用和改良农业废弃地、农田边际土地、荒地、盐碱地、干旱地、山坡地、重金属污染农田、滨海滩涂等土地资源；6）由于长期免于土壤干涉，再加上晚冬至早春的延迟收获制度，以及无杀虫剂的使用，可导致多年生禾草群丛中不同物种，特别是鸟类、哺乳动物和昆虫数量的增加。,6.2.2多年生能源禾草在欧美国家的发展现状,6.2.2.1美国1978年，美国能源部（DOE）就设立了一项有关生物质能给料的发展计划项目，主要是针对不同树种进行筛选，特称为“短轮伐期林木作物计划项目（SRWCP）”，并由橡树岭国家实验室（ORNL）负责实施。1984年又设立了“草本能源植物研究计划项目（HECP）”，其主要研究对象为多年生禾草。从经济上讲，HECP计划在试验地的选择上更加广泛，与农场的合作更加方便。HECP计划开始时主要集中于草种的筛选，试验地设在俄亥俄州、印第安纳州、弗吉尼亚州、爱荷华州和北达科他州，试验内容包括产量潜力鉴定、生化组分检测和最佳田间管理措施构建等。在1985～1989年间从35种草本植物中筛选出18种最具潜力的禾草。1990，HECP更名为“生物质能给料发展计划项目（BFDP）”。,6.2.2.1美国,从1991年起，BFDP项目被集中投放到了模式植物系统的研究上，并从中选取柳枝稷（PanicumvirgatumL.）作为模式植物加以重点研究，以求达到快速应用和示范的目的。1992年，美国能源部又通过BFDP启动了6个专项课题，持续对柳枝稷的研究给予资助。为了配合生物质能计划的开展，美国能源部还于2000年成立了国家生物质能中心，对能源部所属实验室的生物质研发项目进行统筹安排，并提供技术支持。该中心设在国家可再生能源实验室（NREL），另外，橡树岭国家实验室（ORNL）、阿尔贡国家实验室（ANL）、爱达荷国家工程与环境实验室（INEEL）、西北太平洋国家实验室（PNNL）等也都参与了该中心的研究。其中，ORNL和INEEL从事生物质收集、运输、储藏等方面的研发工作；生物质的性能评价主要由NREL、ORNL及INEEL来完成。,6.2.2.1美国,目前，美国生物质能的重点研发领域主要为五大块1）生物质给料研发；2）糖转化平台核心技术研发；3）热化学转化平台技术研发；4）生物质产品研发；5）集成化的生物质提炼厂。在2005年有关生物质能的11个研发项目中，有1项就是专门针对柳枝稷的，项目名称为“开发低木质素柳枝稷增加乙醇产量”。该项目拟对几个主要的木质素生物合成酶，如肉桂醇脱氢酶（CAD）、咖啡酸甲基转移酶（COMT）等进行转基因调控，来培育低木质素含量的柳枝稷。另外，还拟通过对香豆酸3-羟基化酶（C3H）、醛脱氢酶（ALDH）和COMTⅡ等基因的调控来降低柳枝稷中多聚精与木质素的相互作用。开发出来的转基因材料将与未经处理的材料进行乙醇转化效率对比测试，经证明能提高乙醇生产效率的转基因系列将用于柳枝稷的品种培育和开发。,6.2.2.2欧洲,欧洲的研究起始于芒属植物（Miscanthus）。20世纪60年代，在丹麦进行了将芒草作为能源植物的第一个试验，并在1983年建立了第一个试验基地。1989年启动了欧洲JOULF计划项目，分别在丹麦、德国、爱尔兰和英国建立了试验基地，用来研究横跨北欧的巨芒草（MiscanthusgiganteusGreefetDeu.）的生物量潜力。1993年，在欧洲AIR计划项目下开展了一个将田间试验延伸到南欧的大工程，其中包括希腊、意大利和西班牙。另外，丹麦、荷兰、德国、奥地利和瑞士等国的国家项目也都资助了有关芒属植物的生殖、发育、管理实践以及收获和加工方面的研究工作。1997年，在欧洲FAIR计划项目的引导下，一个有关全欧不同基因型芒属植物的筛选和杂交育种的项目被启动。巨芒草的燃烧产能研究也得到了荷兰“全球大气污染和气候变化国家研究计划”和EC-AIR计划下的“欧洲芒草网络”工程项目的资助。,6.2.2.2欧洲,除芒属植物外，欧洲人还开展了对许多本土草种以及引进草种的研究与筛选工作，并重点对芦竹和虉草展开了深入研究。在过去的10多年中，面向工业用的虉草育种研究已经在瑞典和芬兰进行，不同虉草品种在北欧各国的表现得到评价，同时将虉草作为固体生物燃料的可行性也得到了证实。就芦竹而言，作为能源植物的产量表现和栽培技术的研究也已开始，在欧洲FAIR组织机构下的“芦竹网”也于1997年1月建立，目的在于为这种植物的研究与应用提供信息。欧洲对柳枝稷的认识是来自于美国的启示，从1988年起，欧盟基金项目对柳枝稷的研发也进行了资助，并对其生产性能展开了小规模的田间试验，有20多个品种被测试。,6.2.3几种模式能源禾草的产能效益,6.2.3.1柳枝稷（PanicumvirgatumL.）作为能源植物，其基本要求是干物质产量和辐射利用率要高。柳枝稷干物质年产量，大约在835thm-2间变动。许多优良品种的平均产量比研究计划开始时提高了50。,6.2.3.1柳枝稷（PanicumvirgatumL.）,柳枝稷的太阳能利用率为0.891.07gMJ-1J，以光合活动辐射（PAR）为基础的辐射利用率为1.962.20gMJ-1。若以年产量10thm-2计，其能量产量就相当于30桶原油。生物质的水分和灰分含量对其能量生产具有重要影响。水分含量高，会提高生产中的干燥成本；K、Na、Cl、Si等元素的含量过高，容易形成残渣和污垢，腐蚀燃烧炉，降低生产效率，降低生物质的热值。理想的燃烧质量应具有高含量的木质素和纤维素，同时又有低的灰分元素含量。,6.2.3.1柳枝稷（PanicumvirgatumL.）,6.2.3.1柳枝稷（PanicumvirgatumL.）,将柳枝稷生物质与煤炭共燃（混燃）（co-firing；co-combustion）发电，是成本最为低廉的生物质利用方式。1998年，由美国能源部、南方公司、南方研究所、EPRI和FosterWheeler发展公司等多家单位联合参与，启动了评估柳枝稷与煤炭共燃产能的可行性分析、成本核算及利润评估的研究计划。研究涵盖了从田间栽培到工厂生产的全过程。结果发现，将10柳枝稷和90煤炭混合具有较好的燃烧性能，SOx和NOx的排放量也相应降低。柳枝稷也可作为热化学处理的原材料，通过热解和气化作用生产甲醇、综合燃气、热解油；通过生化转化生产乙醇或甲烷。生产等量乙醇的能量投入，玉米比柳枝稷高出4.5倍，其中玉米的能量输出输入比为1.11.2，而柳枝稷为4.34。每公顷柳枝稷生产的乙醇比玉米等一年生作物高55；若将机械运输、燃料运输、作物运输、以及化肥、石灰、种子、机械使用等能量投入合计在内进行总体计算，柳枝稷的能量回报率（Routput/）为1217，玉米谷粒为6，如果秸秆也被利用，其R值最多也只能达到8。。,6.2.3.1柳枝稷（PanicumvirgatumL.）,柳枝稷还可与煤炭共气化（co-gasification）来进行能源生产。通常在煤炭气化中是以碱性金属盐，特别是含钾的碱性金属盐作为催化剂的，但由于价格昂贵，难于实现商业化生产。快速生长的生物质中含有丰富的钾，可以为气化反应提供廉价的催化剂。将柳枝稷和焦炭在895℃条件下共气化,柳枝稷灰分可使焦炭的气化速度提高8倍。这既降低了煤炭气化的成本，也有效地利用了柳枝稷的生物质能，可谓一举两得。若柳枝稷的市场价格为44/t时，在13Mhm2美国农田上生产柳枝稷就比生产常规作物有更高的收益，将生态效益也考虑在内，由此而产生的能量比化石能源还会便宜。柳枝稷虽然原产北美，但在中国已有几十年的引种栽培历史，在黄土高原也有很强的适应性，因此在中国的温带地区发展柳枝稷是大有前途的。,6.2.3.2巨芒草（Miscanthusgiganteus）,巨芒草干物质产量为1040thm-2a-1。非灌溉条件下，其辐射利用率RUE为2.76～3.29gMJ-1，热值为16.5MJkg-1，产能量为291GJhm-2a-1，净产能为284GJhm-2a-1，能量输出输入比为47。灌溉和施氮肥情况下，最大产能量为564GJhm-2a-1，净产能量为543GJhm-2a-1，能量输出输入比为22。,6.2.3.2巨芒草（Miscanthusgiganteus）,在欧洲，业已开展了巨芒草与煤炭共燃的生产性试验一是将各占50的巨芒草与煤炭于78MW循环流化床燃烧炉燃烧；二是将20巨芒草和80的煤炭在160MW粉碎燃料炉燃烧。若以20thm-2a-1产量计，在发电厂周围50km半径内（面积为19,500hm2），可生产巨芒草干物质39,000t，对一个263MW热电厂来说，每年可有7000h能量输出。这样，每年可节省234,000t硬煤，并减少60,400tCO2的排放量。根据Clifton-Brown的报道，2000年芒草的产电量在欧盟15国中占其总产电量的9，其中爱尔兰最高，占总产电量的37，西班牙最少，占其总产电量的1.5。,6.2.3.2巨芒草（Miscanthusspp.）,要保证燃烧的稳定性就需要有低的N、P、K、S等矿物质元素和水分含量。与一年生禾谷类作物相比，巨芒草具有这样的优势，因为在冬季或来年春季收获时，其矿物质营养可被转移到地下根茎中。在密度为2株m-2，施N肥量为100kghm-2的条件下，巨芒草的矿物质含量分别为N0.20.25、P0.06、K0.65、Cl0.11、S0.25，低于稻草N0.46、K1.2、Cl0.47和S0.35的相应含量。巨芒草也具有2030的低水分含量，这有助于降低储藏和燃烧成本。其挥发性物质是煤炭的3倍，这意味着它比煤炭具有更好的点火稳定性。短轮伐期林木（SRC）也是欧美国家重点研发的一类能源植物，但Price等认为，巨芒草比这类植物更具优势，因为短轮伐期林木的干物质产量为1012thm-2a-1，且只能每23年利用1次，而巨芒草不仅干物质产量高（通常为2030thm-2a-1，有时可达40thm-2a-1），而且可以连续利用15年，从干物质生产的能量投入来看，巨芒草2条生产链的平均能量消耗（17440.5MJhm-2a-1）也低于柳树2条生产链的平均值（19373.5MJhm-2a-1）。,6.2.3.3虉草（PhalarisarundinaceaL.）,虉草的生物质产量对各种环境因素的依赖性较大，如土壤类型、降水量、播种时间和施肥量等。在芬兰和瑞典其干物质产量为512thm-2a-1，在英国为6～12thm-2a-1。,6.2.3.3虉草（PhalarisarundinaceaL.）,延迟收获可改善虉草燃烧和气化的质量，可使引起锅炉管道污垢和腐蚀的主要元素，如K、Ca、Mg、P、Cl等的含量减少26倍，同时可提高在1070C至1400C温度下灰分的熔化温度。特别是在春季收获制度下，营养物质可被再次循环利用，也可减少肥料施用成本。每生产1GJ能量的原料成本是农作物秸秆的3倍，但将虉草和秸秆按照一定的比例混合，可使其成本低于秸秆单独使用时的成本，降幅可达1520。根据Larsson的研究，在瑞典Bjurholm自治区将220hm2废弃农田用于种植虉草，其生产的生物质燃料可占该地区家庭耗能量的25。,6.2.3.4芦竹（ArundodonaxL.）,芦竹的生物质产量也随种植地和生产条件的不同有较大的变化，通常为5～35thm-2a-1，而且不同部位的热值各不相同。从希腊的情况来看，茎秆的热值为17.318.8MJkg-1，叶为14.818.2MJkg-1，并随群体和生育期的不同而不同。就叶片而言，在非灌溉处理下，其热值为17.2MJkg-1；在灌溉处理下，为16.1MJkg-1。,6.2.3.4芦竹（ArundodonaxL.）,随群体和生育期的不同，其灰分在干物质中含量的变化范围为4.87.4，固定碳含量17.719.4;2月份收获时，茎秆含N量为0.20.4，叶片为1。通常，一年生作物需要将能量投入的50用于耕作和播种生产，而多年生禾草的优势在于能把种植投入分散到整个栽培期间，这样就使得能量输出输入比更加令人满意。例如，芦竹在6年种植期内的能量输出输入比为26～100（从施肥到不施肥），远远高于谷粒作物的8.5，甚至高于芒草。,6.2.3.5象草（Pennisetumpurpureum）,象草的株高通常为4m左右，变幅在2～8m之间，叶长30～150cm，宽3～4cm，分蘖数最多可达50。年干物质产量随种植地、品种以及施肥量的不同而不同，巴西为66t/hm2，哥斯达黎加58t/hm2，萨尔瓦多85t/hm2，肯尼亚48t/hm2，马拉维14t/hm2，巴基斯坦为64t/hm2，波多黎各岛84t/hm2，泰国76t/hm2，乌干达30t/hm2，美国佛罗里达为40t/hm2，澳大利亚昆士兰试验产量为70t/hm2，预期产量为5055t/hm2，中国云南为51～59t/hm2。,6.2.3.5象草（Pennisetumpurpureum）,在佛罗里达，象草和甘蔗基于TSR（totalsolarradiation）的辐射利用率为1.11～1.25gDM/MJ，基于PAR（photosyntheticallyactiveradiation）的辐射利用率为2.54～2.90gDM/MJ,总能量产量为645～859GJ/hm2a。,6.2.3.5象草（Pennisetumpurpureum）,将象草作为能源作物的研究工作起始于20世纪80年代的美国。首先由芝加哥煤气研究所（GRI）和佛罗里达大学食物和农业科学所（IFAS）联合参与组建了生物质计划项目中心。主要研究内容包括有发展前景的生物质能作物的鉴定和遗传改良；生物质能作物的田间栽培和收获等管理措施；厌氧消化池的设计；厌氧消化有机物及其生物化学特性；生物质能作物的组织培养技术；与生物质发酵有关的形态特征和化学特性等。研究对象主要包括象草、甘蔗、银合欢和桉树等几类植物。经过长达20年的研究，证明其可用于乙醇、沼气和电能的生产。,6.2.3.5象草（Pennisetumpurpureum）,从生物质产量来看，象草的干物质产量约为40t/t/hm2a，略低于甘蔗的最高产量（49t/t/hm2a），却高于其他2类木本植物。,6.2.3.5象草（Pennisetumpurpureum）,每公顷生物质的乙醇产量依次为，甘蔗为21千升，象草17千升，银合欢16千升，桉树14千升。燃烧发电，每公顷的产电量依次为，象草51.4MWh，银合欢48.4MWh，桉树43.3Mwh，甘蔗41.7MWh。从成本核算来看，象草的农田生产和收获成本为24～32/dryt、甘蔗23～35/dryt、银合欢16～47/dryt、桉树为32～36/dryt。Jewell等研究发现，象草在总固体（TS）消化率为810的情况下，当挥发固体VS加载速度为12g/kgd时，产气量为3.3L/kgd；加载速度为18g/kgd时，产气量为5.4L/kgd，并具有67的挥发固体转化率。在高总固体消化率为2530的情况下，微量营养物成为限制因素，当补充微量营养物后，且挥发固体加载速度为24g/kgd时，产气量可达到7.5L/kgd。Schank等也对象草20个不同的基因型（包括象草的种内杂种及象草与珍珠粟的种间杂种）的沼气发酵性能进行了评估，发现其中3个三倍体品种41S,44S,23AX叶片的甲烷产量（以每克挥发固体VS的产气量计）为0.31-0.33L/g；四倍体PI300086叶片的产气量为0.278L/g；最终叶片的平均产甲烷量为0.31L/g，茎秆的产量为0.29L/g。,6.2.4能源禾草的研发与攻关,从世界能源的需求状况来看，对液体燃料的需求更为迫切。因此，人们就将目光聚焦到木质纤维素制取燃料乙醇的技术攻关与生产工艺上。纤维素制取乙醇技术的基本原理是把纤维素水解为单糖，再把单糖发酵为乙醇。由于在植物细胞壁中，纤维素、半纤维素和木质素是紧密交织在一起的，木质素构成了微生物降解纤维素和半纤维素的天然屏障，使得其不能分解完整的纤维质原料。针对这一问题，科学家又从以下几个方面开展了相应的科学研究1）培育低木质素含量和低木质化程度的能源禾草新品种，在美国已开展了低木质素柳枝稷基因工程育种的研究，并且得到了美国农业部和能源部联合生物质能开发、示范项目的资助；2）木质素降解技术研究，包括木质素降解真菌的分离与筛选、转基因工程菌研制、木质素生物降解的生理生化机制、木质素降解酶的特征特性研究等方面；3）纤维素酶解机制与纤维素酶生产技术研究，目的在于降低纤维素酶的生产成本，提高酶的利用效率。,6.3建议与思考,6.3.1因地制宜发展我国的能源禾草我国目前的水土资源状况是水土流失面积占国土面积的37；森林覆盖率为16.55，低于世界平均水平（29.6）；全国耕地面积净减少616.0万hm2，年均净减少耕地123.2万hm2。同时，我国却有近1亿hm2的荒山荒地及边际土地没有得到真正有效利用。目前，燃料乙醇的生产普遍以甘蔗、玉米、甜高梁、陈化粮等粮食作物为生产原料，3.5t粮食才能生产1t乙醇，在我国大规模发展该项生产，势必占用耕地，并与保障粮食安全发生冲突。生物柴油常用油料作物和动物脂肪为原料，同样受到资源与成本的限制。这些问题的最终解决有赖于深入研究与开发不与农业争耕地的新型能源植物。柳枝稷、芒草等能源禾草就是一类可在非农用土地上种植的能源植物。而且种植这类植物还会对生态环境产生积极的影响。因此，根据原料多元化、多样化、多渠道的要求，以及我国的国情，利用种植能源植物，使其成为生物质能源可持续发展的重要原料，才是发展我国生物质能产业的真正出路。,6.3.1因地制宜发展我国的能源禾草,中国作为一个资源大国不乏像柳枝稷、芒、虉草和芦竹这样的能源植物，其中芒、虉草和芦竹在我国就有天然分布，另外还有类芦属（Neyraudia）、河八王属（Narenga）、蔗茅属（Erianthus）、菅草属（Themeda）和狼尾草属Pennisetum等生物质产量很高的C4多年生禾草，以及大叶章（Deyeuxialangsdorffii）、芦苇（Phragmitesaustralis）、粽叶芦（Thysanolaenamaxima）等高大C3禾草，缺乏的是系统的研究利用和开发评价。世界自然基金会的一份中国生物质能利用技术评价报告显示，我国生物质资源非常丰富，但利用率却十分低下，而且主要作为初级能源在农村被利用。从上述禾草的地理分布和生态特点来看，在我国的东北、华北和西北一带比较适合发展大叶章、芦苇、柳枝稷、虉草等禾草；在长江中下游及以南广大地区，适合发展芒类、芦竹、类芦、菅草等；在华南地区，除了芒类、芦竹、菅草和类芦外，粽叶芦、象草（Pennisetumpurpurreum）、河八王、蔗茅等禾草也具有很高的生物质产量。特别需要说明的是，华南地区具有我国最好的水热条件，禾草的发育通常都很高大，是发展能源禾草的理想地理区域。,6.3.2发展前景及存在的问题,多年生禾草作为能源植物的优势在于这类植物可以有效利用荒地、盐碱地、干旱地、山坡地、农业弃耕地和滩涂等不宜种粮的土地，用其生物质替代化石燃料，可减少CO2的排放量，同时对土地又有保养作用。从国外的发展情况来看，未来的主要目标是发展高效低污染的生物质整体气化联合循环系统（Integratedgasificationcombinedcycle，IGCC）技术和生物质直接液化技术，来对植物生物质进行能量转化。根据吴创之等的介绍，2010年，发达国家将把目标集中于IGCC发电系统上，目前美国正在进行6MWIGCC项目和60MW中热值IGCC项目的工业示范运作，而且美国的生物质发电量以每年7的速度增加；在欧盟，生物质占能源总消耗也要求逐渐增加到15。2030年，生物质发电技术将完全市场化，生物质能所占比例将大幅度提高；同时生物质制取液体燃料技术也日趋成熟，部分技术进入商业应用。2050年，生物质发电和液体燃料，无论从经济上还是环境上，将比常规能源具有更强的竞争力。因此，研究和发展多年生能源禾草，将来必有用武之地。,6.3.2发展前景及存在的问题,根据可再生能源中长期发展规划确定的主要发展目标2010年,生物质发电达到5.5106kW,生物液体燃料达到2.0106t,沼气年利用量达到19109m3,生物固体成型燃料达到1106t,生物质能源年利用量占到一次能源消费量的1;2020年,生物质发电装机达到30106kW,生物液体燃料达到10106t,沼气年利用量达到40109m3,生物固体成型燃料达到50106t,到时我国生物质能源消费量有望占到整个石油消费量20,生物质年利用量占到一次能源消费量的4。,6.3.2发展前景及存在的问题,当然，有关能源禾草的开发利用目前仍处在研究和试验阶段，真正的产业链尚未形成，所面临的主要问题有1）品种资源较为短缺，芒和芦竹仍保持有种子休眠性等野生性特征；2）体积大、难于贮存和运输；3）连续多年的产量稳定性还尚未得到全面评价；4）建植成本仍相对较高，并占能源生产成本的大部分；5）目前的主要利用方式是直接燃烧、固化和气化发电，生物与化学转化利用仍处在试验研究阶段。,6.3.2发展前景及存在的问题,就我国的国情而言，生物质能的商业化还存在更多的障碍，例如，市场发育不完全，体制不健全；政府缺少对生物质能与常规能源的竞争补贴；生物质能转化技术水平相对落后，生物质能发电系统不如常规能源可靠，系统控制水平低下，虽然我国是世界上利用沼气最好的国家，但由于一次性投资大，而能源产出小，经济效益比较差。因此，在我国要使禾草能源生产达到产业化的目标，还有很长的路要走。,YourTopicGoesHere,Yoursubtopicgoeshere,