能源植物的开发与利用

能源植物的开发与利用周海霞，袁丽红南京工业大学制药与生命科学学院，南京（210009）E-mail：[e-mail]摘要：随着世界能源危机的加剧，生物质能源的开发利用已成为当今国际上的一大热点。本文通过对能源植物国内外研究进展及开发利用现状进行综述，简单介绍生物质能源的生产技术，分析存在的问题，并针对能源植物的特点及我国国情提出一些建议。关键词：生物能；开发利用；综述；能源植物；生物质能源中图分类号：Q949.9文献标识码：A0.引言能源是现代社会赖以生存和发展的基础，随着社会的发展，能源危机已成为当今世界面临的巨大挑战。据世界能源权威机构1999年底的分析，世界已探明的主要矿物燃料储量和开采量不容乐观，其中石油剩余可采年限仅有40年[1]，其年消耗量占世界能源总消耗量的40.5％[2]。从发展的角度看，化石能源终将耗竭，加之其燃烧时产生的有害物质严重污染了生态环境。传统的能源结构已经开始调整，作为未来的主要能源只能依赖于可再生能源和受控核聚变能。因此，国内外的能源研究人员正积极探索发展替代燃料和可再生能源。生物质是一种重要的可再生能源。生物质能是指利用生物可再生原料和太阳能生产的清洁和可持续利用的能源，包括燃料酒精、生物柴油、生物制氢、生物质气化及液化燃料等。能源植物是昀有前景的生物质能之一。本文从能源植物的概念、分类入手，对其国内外研究进展和开发利用现状、生物能源生产技术及存在的问题进行了综述。1.能源植物定义绿色植物通过光合作用将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内部，这种生物质能实际上是太阳能的一种存在形式。所以广义的能源植物几乎可以包括所有植物。植物的生物质能是一种广为人类利用的能源，其使用量仅次于媒、石油和天然气而居于世界能源消耗总量第四位。但以目前的技术水平，还不能将所有植物都用于能源开发。因此，一般意义上讲能源植物通常是指那些利用光能效率高，具有合成较高还原性烃的能力，可产生接近石油成分和可替代石油使用的产品的植物以及富含油脂、糖类淀粉类、纤维素等的植物[3,4]。2.能源植物的分类能源植物种类繁多，生态分布广泛，有草本、乔木和灌木类等。目前全世界已发现的能源植物主要集中在夹竹桃科、大戟科、萝科、菊科、桃金娘科以及豆科，品种主要有绿玉树、续随子、橡胶树、西蒙德木、甜菜、甘蔗、木薯、苦配巴树、油棕榈树、南洋油桐树、黄连木、象草等。为了研究利用方便，这里按其使用的功能和转化为替代能源的化学成分将能源植物主要分为四类。2.1富含类似石油成分的能源植物这类植物合成的分子结构类似于石油烃类，如烷烃、环烷烃等。富含烃类的植物是植物能源的昀佳来源，生产成本低，利用率高。目前已发现并受到能源专家赏识的有续随子、绿玉树、西谷椰子、西蒙得木、巴西橡胶树等。例如巴西橡胶树分泌的乳汁与石油成分极其相似，不需提炼就可以直接作为柴油使用，每一株树年产量高达40L。我国海南省特产植物油楠树的树干含有一种类似煤油的淡棕色可燃性油质液体，在树干上钻个洞，就会流出这种液体，也可以直接用作燃料油。2.2富含高糖、高淀粉和纤维素等碳水化合物的能源植物利用这些植物所得到的昀终产品是乙醇。这类植物种类多，且分布广，如木薯、马铃薯、菊芋、甜菜以及禾本科的甘蔗、高粱、玉米等农作物都是生产乙醇的良好原料[5]。2.3富含油脂的能源植物这类植物既是人类食物的重要组成部分,又是工业用途非常广泛的原料。对富含油脂的能源植物进行加工是制备生物柴油的有效途径。世界上富含油的植物达万种以上，我国有近千种,有的含油率很高，如桂北木姜子种子含油率达64.4%，樟科植物黄脉钓樟种子含油率高达67.2%。这类植物有些种类存储量很大，如种子含油达15%～25%的苍耳子广布华北、东北、西北等地，资源丰富，仅陕西省的年产量就达1.35万t。集中分布于内蒙、陕西、甘肃和宁夏的白沙蒿、黑沙蒿，种子含油16%～23%，蕴藏量高达50万t。水花生、水浮莲、水葫芦等一些高等淡水植物也有很大的产油潜力。生存在淡水中的丛粒藻（绿藻门四胞藻目），就如同产油机，能够直接排出液态燃油[6]。2.4用于薪炭的能源植物这类植物主要提供薪柴和木炭。如杨柳科、桃金娘科桉属、银合欢属等。目前世界上较好的薪炭树种有加拿大杨、意大利杨、美国梧桐等。近来我国也发展了一些适合作薪炭的树种，如紫穗槐、沙枣、旱柳、泡桐等，有的地方种植薪炭林3~5年就见效，平均每公顷（10000m2，15亩）薪炭林可产干柴15t左右。美国种植的芒草可燃性强，收获后的干草能利用现有技术轻易制成燃料用于电厂发电。3.国内外能源植物研究开发和利用概况3.1国际能源植物的研究开发和利用情况国际上能源植物的研究始于20世纪50年代末60年代初，发展于70年代，自80年代以来得到迅速发展。1986年美国加州大学诺贝尔奖获得者卡尔文博士在加州福尼亚大面积地成功引种了具有极高开发价值的续随子和绿玉树等树种，每公顷可收获120~140桶石油，并作了工业应用的可行性分析研究，提出营造“石油人工林”，开创了人工种植石油植物的先河[7]。至此在全球迅速掀起了一股开发研究能源植物的热潮，许多国家都制定了相应的开发研究计划。如日本的“阳光计划”、印度的“绿色能源工程”、美国的“能源农场”和巴西的“酒精能源计划”等。随着更多的“柴油树”、“酒精树”和“蜡树”等植物的发现及栽培技术的不断成熟，世界各地纷纷建立了“石油植物园”、“能源林场”等，栽种一些产生近似石油燃料的植物。英国、法国、日本、巴西、俄罗斯等国也相继开展石油植物的研究与应用，借助基因工程技术培育新树种，采用更先进的栽培技术来提高产量。目前，美国已种植有一百多万公顷的石油速生林，并建立了三角叶杨、桤木、黑槐、桉树等石油植物研究基地；菲律宾有1.2万公顷的银合欢树，6年后可收1000万桶石油；日本则建立了5万m2的石油植物试验场，种植15万株石油植物，年产石油100多桶；瑞士“绿色能源计划”打算用10年种植10万公顷石油植物，解决全国一年50%石油需求量。泰国利用椰子油制作的汽车燃料加油站在泰国中部巴蜀府开始营业，成为世界上第一个椰子油加油站。巴西是乙醇燃料开发应用昀有特色的国家，实施了世界上规模昀大的“乙醇种植”计划。2004年，巴西的乙醇产量达146亿L，乙醇消费量超过122亿L。目前巴西乙醇产量占世界总产量的44%，出口量的66%。美国通过采用基因工程技术，对木质纤维素进行了成功的乙醇转化。从1980年到2000年的20年内，美国的燃料乙醇生产量由66.24亿L增加到617亿L。此外，还陆续发现了一些很有前景的能源植物资源。南美洲北部有一种本土植物——苦配巴(CopaíferaL.)，主要生长在巴西亚马逊流域的密林和丛林中，其树高大，有粗大的树干和光滑的表皮，只要在树干上钻一个孔，就能流出金黄色的油状树液，每株成年树每年能产油10kg～15kg，成份非常接近柴油。阿联酋大学的瑟林姆教授等人发现了一种名叫“霍霍巴(Jojba)”的植物—希蒙得木(Simmondsiachinensis(Link)Schneider)，生长在美洲沙漠或半沙漠地区，种子含油率达44％～58％，其油在国际上被誉为“液体黄金”、“绿色石油”，广泛用于航空、航天、机械、化工、等领域。产于澳大利亚的古巴树(又称柴油树)，每棵成年树每年可获得约25L燃料油，且这种油可直接用于柴油机。油棕榈树也是一种石油树，3年后开花结果，每公顷可年产油1万kg。柳枝稷(PanicumvirgatumL.)是美国草原地区用于水土保持或作为牛饲料的乡土植物，自从发现它可被用来生产乙醇后，美国联邦政府认为这种植物具有成为能源作物的潜力并加紧了对这种植物的研究。澳大利亚北部生长的两种多年生野草—桉叶藤(CryptostegiagrandifloraR.Br)和牛角瓜(Calotropisgigantean(Linn.)DryanderexAitonf.)，其茎、叶含碳氢化合物，可以用于提取石油。这些野草生长速度极快，每周长30cm，每年可以收割几次。美国加州“黄鼠草”(Ixerischinensis(Thunberg)Nakai)，每公顷可生产1t燃料油，如果人工种植，草和油的产量还能提高，每公顷生长的草料可提炼出6t石油[8]。日本科学家昀近发现一种芳草类芒属植物“象草”，1hm2平均每年可收获12t生物石油，比现有的任何能源植物都高产，且所产生的能源相当于用油菜籽制作的生物柴油的2倍，但其投入不及种植油菜的1/3，因此是一种理想的石油植物。3.2国内能源植物的开发利用现状我国是“贫油大国”，也是世界能源消费大国。1993年我国由石油净出口国变为净进口国，石油进口量逐年上升，目前对石油进口依赖度已超过1/3[9]。我国对能源植物的研究及开发利用起步较晚，与欧美发达国家相比还存在很大差距。但我国植物资源丰富，早在1982年分析了1581份植物样品，收集了974种植物，并编写成了《中国油脂植物》、《四川油脂植物》，选择出了一些高含油量的植物，如乌桕(Sapiumsebiferum(Linn.)Roxb)、小桐子(JatrophacurcasL.)、油楠(SindoraglabraMerr.exDeWi)、四合木(Tetraenamonglica)、五角枫(AcermonoMaxim)等。已查明我国油料植物为151科697属1554种，种子含油量在40％以上的植物154种；新近调查表明，我国能够规模化利用的生物质燃料油木本植物有10种，这10种植物均蕴藏着巨大的潜力，具有广阔的发展前景。我国对能源植物的利用虽处于初级阶段，但生物柴油产业得到了国务院领导和国家计委、国家经贸委、科技部等政府部门的高度重视和支持，并已列入国家计划。“七五”期间，四川省林业科学研究院等单位利用野生小桐子（麻疯树的果实）提取生物柴油获得了成功；中科院“八五”重点项目“燃料油植物的研究与应用技术”完成了金沙江流域燃料油植物资源的调查研究，建立了小桐子栽培示范区。湖南省在此期间完成了光皮树制取甲脂燃料油的工艺及其燃烧特性的研究；“九五”期间根据《新能源和可再生能源发展纲要》的框架，在中央有关部委和地方制定的计划中，优先项目是：对全国绿色能源植物资源进行普查，为制订长期研究开发提供科学依据；运用遗传工程和杂交育种技术，培育生产迅速、出油率高，更新周期短的新品种；进行能源植物燃料的基础研究和开发研究，包括能源植物燃烧特性，提炼工艺及综合利用和开发[10,11]。中国工程院有关负责人介绍，中国“十五”计划发展纲要提出发展各种石油替代品，将生物与现代化农业、能源与资源环境等项目列入国家863计划，把大力发展生物液体燃料确定为国家产业发展方向。据了解,“十一五”期间，我国规划生物柴油原料林基地建设规模83.91万公顷，原料林全部进入结实期后，将形成年产生物柴油125万多吨的原料供应能力。目前，已有一些颇具实力的企业和国外大型能源企业，进入麻疯树生物柴油这一领域，在各地筹建起有相当规模的生物柴油生产企业，预计未来全国麻疯树种植面积至少可达200万公顷以上，显示了良好的资源开发利用前景。国内对能源植物产品研究与开发主要集中在生物柴油和乙醇燃料两类上。生物柴油的研究内容涉及油脂植物的分布、选择、培育、遗传改良及加工工艺和设备等。用于生产生物柴油的主要原料有油菜籽、大豆、小桐子、黄连木(PistaciachinensBunge)、油楠等。小桐子含油率40%～60%，是生物柴油的理想原料[12]。海南正和生物能源公司、四川古杉油脂化工公司和福建新能源发展公司都已开发出拥有自主知识产权的技术，并相继建成了规模近万吨级的生物柴油生产厂。德国鲁奇化工股份有限公司、贵州省发改委、贵州金桐福生物柴油产业有限公司就中德合作贵州小油桐生物柴油示范项目签订了合作协议。西南生物柴油生产企业—