生物质作为能源存在的问题

生物质相对化石能源来说，热值和热转化效率比较低。这是生物质作为能源利用中的大问题，也主要是因为这个原因，很多生物质也常常被称为“低（等）级”燃料。在经过高温以及高压的地质转化过程后，生物质得到了一定程度的还原和聚合，形成了诸如石油、煤等今天使用的化石能源。但是生物质本身含有较高的氧，特别是多糖类化合物，在进行氧化的过程中，由于电势差的内在原因，决定了单位生物质本身产能就不如相同的化石能源。另外，由于生物质较为疏松并具有一定的韧性，在加工过程中比化石能源也困难一些，导致终的生物质制品与燃烧时的空气或者氧气接触不良，不能有效地释放热量。

生物质作为能源使用时的第二个重要问题就是污染的问题。生物质能源利用中可能产生的污染形式相比化石能源也要更多一些。
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首先，人们一般的看法是植物生物质在能量转化的整个循环中实现了温室气体的零排放，这是生物质相对化石能源大的优势，但是这并不意味着植物在能源利用中就不会释放出其他的污染物。煤在燃烧时的大污染物就是含硫以及含氮的污染物，会对空气质量造成严重的危害，而这些化合物原本很大一部分就是来源于形成煤的生物质。目前应用多的植物生物质是秸秆类植物，其中既包括了含木质纤维素的草本植物例如芒草、皇竹草等，也包括了相当的农业或工业生物质残余物，例如麦秆、稻秆、麻骨、棉秆等。这些生物质在能源利用中会导致的共同问题就是氮的污染。由于种植技术和生物育种技术的发展，相关行业在利用植物的时候更关注行业所需部分的改进，比如棉花和些麻在纺织工业中的应用就是如此。棉桃中的棉纤维和苎麻秆中的麻纤维成熟所需的时间在经过若千年的改进后，已经比以前大大缩短了。但是在棉桃和麻纤维收割的时候，这些植物的其余部分却还远未成熟，其中的蛋白质含量相当高，在某些品种中，其蛋白质含量甚至可以超过30％，若转换为氮含量甚至接近5％，这比某些煤中的氮含量还要高，在燃烧时造成的大气氮污染就更为严重一些。　这些生物质残余物中又含有大量的纤维，作为饲料使用又不太合适或者至少需要较长的发酵时期。现实中，这些生物质残余物往往被废弃掉。相同的情况也出现在农业生物质废弃物中，有研究证明，麦秆中的蛋白质含量在－周内可以从40％下降到５％左右，而为了收割并继续进行其他粮食作物的种植，农民们往往不会多等一个星期，这些秸秆或者破收割后燃烧，或者留在农田中被烧荒，造成的结果都是产生了大量的含氮空气污染物。

其次，常见的能源植物并不是－般意义上的超积累植物，这也就是说它们从土壤中吸收并积累在植物体内的重金属或者其他污染物的量并不大。但是能源植物有着庞大的生物量产出，因此在相同条件下，能源植物从土壤中提取的重金属也很多。尽管超积累植物生物质中的重金属含量可以是普通植物的１００倍以上，但是其生物量产出很低，在相同种植条件下还不及能源植物生物量的百分之一。因此，能源植物在修复土壤中重金属或者其他污染物上是非常有效的，但是这也为能源利用带来了难题，其中主要问题在于重金属。

重金属不会随着能源利用过程而，能源利用中消耗的植物生物量一般都非常大，这就造成了其中的重金属总量也很大。重金属或者存在于燃烧后的飞灰中，或者在生物质热解后存在于焦炭或者焦油中，终燃烧后仍然存在于飞灰中。根据包含重金属的颗粒大小，重金属可以存在于残渣或者气溶胶中，由于重金属总量很大，这两种物质中的重金属浓度也很高。如果在残渣中，可以集中处理，例如在生物质燃烧后生成的半焦中就含有很大量的重金属。半焦的物理化学性质与活性炭非常相似，理论上可以作为活性炭使用，但是其中的大量重金属在使用过程中可能被释放出来造成介质的重金属污染，因此目前半焦主要被集中填埋处理。如果由于燃烧时的通风条件或者温度条件的改变而造成重金属大量出现在气溶胶中，后有可能会形成严重的空气重金属污染，通过气溶胶的方式直接被人体摄入。

同植物类生物质比较起来，污泥中的重金属和氮、硫等污染物的含量则要更高一些，在热转化过程中生成的污染物含量也要高很多，这都是能源利用中需要注意的。人畜粪便也有相同的情况，因此目前这些生物质的主要能源利用形式为溜气生产，这样可以有效避开一些污染物，但是也导致了大量能量未得到有效利用。

第三种重要的污染物在于燃烧中产生的环境污染物。与含氮和含硫等燃烧过程中产生的污染物不同，这类污染物是由燃烧本身特性所决定的，其典型代表就是二嗜英。相关研究已经证明二嗯英的生成量与温度有直接的关系，生物质由于其本身特性，在直接燃烧时温度难以超过600℃，这造成了大量的二噶英生成，其根源还是在于生物质燃烧技术上。

生物质作为能源中所要面临的第三个问题就是生态问题，这个问题需要从两个方面进行讨论；其是大量收割生物质进行能源生产后带来的环境破坏；另－个方面则是大量的能源作物的种植带来的环境危害。

植物不仅仅提供了本身的生物质产出，还要为动物和微生物提供生活的栖息地，同时还承担着环境中的空气、水土的循环流通作用以及成为一个生态系统中的种群演进的一环。简单举例来说，一片芦苇荡就可以成为一个成熟的生态系统，在芦苇相互盘结的根状茎上，动物例如野鸭、候鸟等可以在上面筑巢、生活，摄取其中的食物例如浮游生物或者鱼虾，其下则为鱼虾提供了生活的栖息地，通过对浮游生物的摄食获得生长，根际微生物则可以同土壤微生物和水中的微生物进行相互的群体交换。如果将芦苇收割，这些生物都丧失了生活的栖息地，即使是仅仅收割了水上或者地上部分，也会完全摧毁整个生态系统。另外，芦苇也是水生生态系统中的先锋植物，芦苇首先生活在岸边靠近水的部分，芦苇的逐年死亡在岸边土壤中形成生物质的堆积层，一些其他的植物就会逐渐替换芦苇，增加整个生态系统中的生物多样性。人为对芦苇生物质的收割会严重影响土壤中生物质的积累，造成生态系统进化的缓慢或者退化，对环境的影响是潜在而难以预测的，时至今日，也没有见到较为深人的理论研究来论证收割量与生物量持续生产之间的关系。

另－方面，能源植物通常对水肥的要求不高，但是生长很迅速，很短时间内就能长得很高，这样会严重影响其他植物对阳光资源的获取。这－点在普通的树林中就可以发现，如果树木有较大的树冠，地面的草类生长不会太好。黄连木林在我国贵州等地区的荒地上生长时就会影响当地杂草的生长。与之类似，芒草等草本木质纤维素类植物原本是丛生杂草，它们与当地的其他植物之间有着较好的共存关系，但是如果通过人工种植的方式大量培育，由于其生长迅速，会对其他植物的生长造成影响，破坏物种多样性。

另外，很多植物同时会通过生成次生代谢产物的形式来抑制其他植物的生长。其中有名的莫过于曼陀罗的生物碱对其他植物的拮抗作用。在曼陀罗集中种植的情况下，种植区内以及周边几乎不能生长其他的草类植物，这一点在选择能源植物的种类时也是需要特别注意的。

生物质在能源工业中的大量应用可能还会导致同其他行业的冲突，在皇竹草的利用中就突出体现了这一点。皇竹草本是作为饲料用草培育出来的，每年可以分蘖８０－９０株，结合其株高，可以为养殖业提供充足的饲料来源。同其他草本植物－样，皇竹草在生长期超过４个月后蛋白质含量急剧下降，而纤维含量迅速升高。在某些气候条件下，这一生长期要缩短到３个月，因此也为能源利用提供了可能。因此在同一地区，当其他的生物质来源受限的时候，对皇竹草的能源利用就不可避免的影响到养殖行业。而对芦苇的利用情况也是如此，能源行业与造纸业之间的中突在局部地区也很突出。

尽管作为农业残余的秸秆产量在农村很大，但是将这种生物质残余物收集到能源生产中去的时候会影响－些欠发达地区的人民生活，在我国部分欠发达地区，很多人依然采用燃烧秸秆的方式来提供日常生活所需的能量。

生物质能源面对的后一个，也是应用中现实的一个问题是反应器的构建。我国南方秸秆资源丰富，如果充分利用，能够在广东地区完全替代化石资源在当地工业中的应用。然而效率低下的反应器严重束缚了当地的生物质资源利用。生物质能源在产能过程中需要大量的加料并同时去除灰烬，为煤炭或者石油燃烧而设计的反应器完全不适合生物质的燃烧，过多的人工处理不仅带来了大量的能量损失，而且加快了设备的报废。原始的敲打式生产设备的方法不能用来建造生物质反应器。同样的问题也出现在生物质发电和供热中，由于这两种利用方式并不像燃烧要求那么高，这一问题在我国北方和中部还不是显得那么突出，但是当生物质应用企业越来越多的时候，提升其利用效率对生物质行业的可持续发展也变得越来越具有现实意义。