自改革开放以来，中国已成为世界上规模最大、发展最快的新兴经济体之一。根据中国统计年鉴2017的数据显示，国内生产总值（GDP）增长率每年接近10%，2016年，国内生产总值已经达74.41万亿元。与此同时，中国的能源消耗总量在数量和增长率方面也有所增长。图1.1所示为1990—2016年中国GDP和能源消耗总量之间的关系。从图中可以清楚地看到，GDP强劲而持续地增长，能源消耗总量也保持持续增长。能源消耗总量的增长带来的负面影响十分突出，图1.2所示为1990—2016年中国能源消耗总量和CO2排放量之间的变化情况，随着能源消耗总量的增加，CO2的排放量也屡创新高。截至2016年，中国每年的CO2排放量达到了102.5亿吨标准煤。众所周知，CO2是温室气体，是导致全球变暖的重要因素之一，而产生二氧化碳的主要原因在于人类对化石能源的过度依赖。图1.3所示为我国各主要能源消耗的占比，其中，煤、石油和天然气仍是目前最主要的能源。据2016年数据显示，以上三种能源的消耗占能源消耗总量的86.7%。其他能源主要包括核能、风能、水能、太阳能、生物质能，总共占比只有13.3%，这部分能源的消耗过程是不产生CO2的。值得肯定的是，近年来，煤、石油和天然气等化石能源占能源消耗总量的比重是持续下降的，其他能源在能源消耗总量中扮演了越来越重要的角色。

图1.1　1990—2016年中国GDP和能源消耗总量之间的关系

化石能源的总量有限，且难以在短期内再生，核能存在一定的安全风险，生物质能将成为未来能源发展的主要趋势。

图1.2　1990—2016年中国能源消耗总量与CO2排放量之间的关系

通过光合作用形成的有机体称为生物质。微生物和动植物都属于生物质。生物质能是一种只依靠太阳能就能源源不断产生的能源，由于其可再生、产量大，因此一直是人类长期使用的一种重要能源。

图1.3　1990—2016年中国各主要能源消耗占比

根据国际能源机构（IEA）的统计，2015年，世界一次能源供应总量（TPES）为13 647百万吨油当量（Mtoe），其中，由可再生能源提供的约为13.4%，即1823Mtoe，较2014年的1784Mtoe有一定的增长。图1.4所示为2015年全球可再生能源供应的占比情况，从图中可以发现，固态生物燃料是占比最大的可再生能源，占全球可再生能源供应的63.7%，这主要是因为其在发展中国家的广泛非商业用途（即住宅供暖和烹饪），第二大来源是水力发电，占世界TPES的2.5%或可再生能源供应的18.3%。地热能、液态生物燃料、气态生物燃料、太阳能和风能等各占较小份额，构成了可再生能源供应的其余部分。

图1.4　2015年全球可再生能源供应的占比情况

在这些能源中，属于生物质能范围的包括固态、液态、气态生物燃料和可再生的城市垃圾，其总量约占可再生能源供应量的70.7%，所以生物质能是可再生能源领域中资源量最大且零碳排放的一种能源，但是目前生物质的利用情况并不理想，由于技术经济原因，目前仍有大量生物质被露天焚烧，这种处理方式带来了严重的大气污染，研究表明生物质焚烧是产生雾霾的一个重要因素。研究如何清洁、高效、可持续地利用生物质能在解决能源危机、改善环境等诸多方面都具有重要的意义。

直接燃烧技术、热化学转化技术、生物化学转化技术是目前国内外主流的生物质利用技术。生物质能转化的技术路线如图1.5所示。

图1.5　生物质能转化的技术路线

1.直接燃烧(www.daowen.com)

自古以来最常见的生物质能利用方式就是直接燃烧。目前，在我国仍有部分农村家庭采用生物质直接燃烧来取暖做饭，但是这种利用方式的热效率极低，是对资源的极大浪费。近年来兴起的生物质发电、供暖、热电联产应用的也是生物质直接燃烧技术，但已大大提高了资源的利用率。比如湖南省，有大量的竹木资源，不少地区都有生物质能发电厂利用其加工后的废弃物进行发电。利用生物质直接燃烧发电的技术已经十分成熟。目前，最新的研究表明，在生物质中掺混煤后燃烧发电是最经济的技术，但不管使用哪种技术，直接燃烧所带来的二次污染问题一直没有得到很好的解决。这是阻碍生物质直接燃烧技术发展的重要因素。

2.热化学转化技术

生物质热化学转化技术主要分为生物质气化和生物质液化两种。

1）生物质气化技术

生物质气化技术是指将生物质置于高温环境中，通过发生热裂解和氧化还原反应将其转化为可燃气的过程。生物质气化技术适合用于转化木屑、稻壳、秸秆、甘蔗渣等硬质生物质原料。通过与生物质厌氧发酵技术所需要的原料相比可以发现，生物质气化技术与生物质厌氧发酵技术在原料适应性方面有明显差异，不适合厌氧发酵的生物质原材料却适合作为生物质气化的原材料。

生物质气化炉是用来气化生物质的设备，生物质在生物质气化炉中由固态转变为气态燃料。生物质气化炉主要分为固定床气化炉和流化床气化炉两大类，它是生物质气化系统的关键设备。固定床气化炉主要包括上吸式、下吸式两种结构。流化床气化炉主要包括鼓泡床、循环流化床、双床流化床和气流床气化炉。本书研究的生物质与煤复合串行气化过程就是基于流化床气化炉开发出的一种新气化方法。

2）生物质液化技术

热化学转换方法中的生物质液化是指在无氧或低氧环境下，生物质被加热升温，其内部分子分解产生焦炭、燃料液体和可燃气体的过程。生物质液化是生物质能的一种重要利用形式，依据液化工艺中升温的速率以及最终达到的液化温度，可以把生物质液化工艺分为慢速裂解、常规裂解、快速裂解、高压液化等几种不同的方式。其中，慢速裂解的升温速率最低，最终液化温度也是最低的，约为400℃，由于液化温度低，所以整个液化过程时间较长。常规裂解的升温速率较慢速裂解高，为10～100℃／min，最终液化温度也较慢速裂解高，约为500℃，其在反应器内的裂解停留时间可以缩短至0.5～5 s。而快速裂解则拥有很高的升温速率，可以达到103～104℃／s，这也使得其裂解停留时间非常短，只需0.5～1 s即可完成反应。另外，其最终液化温度大约为500℃。前述几种液化方式都是常压下进行的，而高压液化则是在10 MPa的压力环境下进行液化，液化温度为250～400℃，停留时间相对较长，需要20 min～2 h。

慢速裂解又称为生物质的碳化，因为其能得到35%的焦炭产率；快速裂解的产物则以液体产物为主，很少有焦炭的成分，液体产量可达70%～80%；高压液化过程需要添加催化剂，其液体产物不但品质好，热值高，而且还能通过不同的溶剂萃取后分离出燃油或者其他化学产品。

3.生物化学转化技术

生物化学转化技术主要是利用微生物对生物质进行发酵后得到各自产物的技术。这些产物包括沼气、生物制氢和生物燃料。

1）沼气

沼气是各种有机物质（包括农业废弃物如秸秆，人、畜、禽粪便等）在还原条件下（隔绝空气），并在合适的温度、pH值下，经过微生物发酵作用产生的可燃烧气体，其主要成分是甲烷。沼气的用途十分广泛，除了能直接燃烧用于炊事外，纯度较高的沼气还能作为内燃机的燃料进行发电或驱动车辆行驶，所以研发纯化技术是目前沼气研究的重点领域。另外，随着沼气用途和用量的不断扩大，研究沼气发酵规模的大型化、厌氧菌种的诱变和筛选也变得越来越重要。

2）生物制氢

沼气中的氢含量极低，若需提升所产气体中的氢含量，则可通过微生物催化脱氢方法制氢实现，该方法称为生物制氢。目前该领域应用最广的是发酵细菌产氢技术。该技术对环境条件要求较低同时也有较高的产氢速率，而最具前景的技术是光合细菌产氢技术，其产氢速率高于发酵细菌，且产氢浓度高，对太阳光谱的适应范围广。基于以上原因，光合细菌产氢技术目前已成为生物制氢领域研究的重点。

3）生物燃料

由生物质用生物化学转换方法制成的液体燃料称为生物燃料。生物燃料主要包括燃料乙醇、生物柴油和航空生物燃料等，它可以替代由石油制取的汽油和柴油，是可再生能源开发利用的重要方向。生物燃料技术目前已较成熟，国内外都有商用，如巴西已大量使用生物柴油取代常见的化石能源。另外，我国也有部分省市设立有加生物柴油的加油站，但是由于目前生物燃料的原材料以玉米等粮食为主，对于我国这样拥有14亿人口的大国而言，粮食安全问题不可忽视，因此仅有限利用生物燃料，利用非粮作物生产生物燃料是该领域的重要研究方向。