能源植物

能源植物EnergyPlant————赵景威前言：然而在我国，现存可利用植物资源丰富，据60年代初的普查，按单项用途一种一次计，共2411种，尚不及全国植物种类的1/10。中国是一个人口大国，人均耕地不到0.1hm2，要完全以农产品为原料生产生物质燃料是不可能的。但中国有广大的山区、沙区可供栽种乔灌木油料植物。作为生物质燃料油的原料，油料植物不仅可以为我国的生物质燃料油工业提供丰富的可再生原料，还有利于农村产业结构调整，可增加农民收入，解决部分农村剩余劳动力，对保障能源安全、保护生态环境、促进农业和加工业发展、繁荣农村经济，将产生重要和深远的影响。目前世界各国生物质燃料油的用量都在100万t以下，所用原料各不相同。美国以大豆为原料，欧洲以油菜籽为原料，巴西以蓖麻籽为原料，日本和中国以废食用油为原料。与发达国家相比我国新能源开发利用时间相对较晚，新能源生产技术相对较低。由于技术和设备国产化程度不高，导致我国新能源开发利用成本高，相对于同类产品，其市场竞争能力弱。一，能源植物概述所谓的能源植物，是经专门种植，含糖类(碳氢化合物)较高，用于提供能源原料的草本和木本植物。主要是某些农作物及有机残留物，林木、森林工业残留物，藻类、水生植物也是有待开发的能源植物。使用植物作为能源，可以作为固体燃料，或借助科学方法转换为炭、可燃气或生物原油等。能源植物油是一类贮存于植物器官中，经加工后可以提取植物燃料油的油性物质。它通过植物有机体内一系列的生理生化过程而形成，以一定的结构与形式存在于油脂或挥发性油类等物质中。它不断地在植物器官中积累，可被人们用多种方式对其进行不断地采集，具有可再生性。其中种子含油量在40%以上的植物为154种。能源油料植物是一类含有能源植物油成分的植物种（或变种），是一类可再生资源。植物燃料油是通过油料植物油的提取加工后生产出的一种可以替代石化能源的燃料性油料物质。富含类似石油成分的能源植物续随子、绿玉树、西谷椰子、西蒙得木、巴西橡胶树等均属此类植物。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。依据其能源植物在不同用途上的分类可以划分为：富含高糖、高淀粉和纤维素等碳水化合物利用这些植物所得到的最终产品是乙醇。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。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1.35万吨。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。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。现当今已经发展起来的能源植物主要有：麻疯树、油楠、油菜、向日葵、棕榈、花生菊芋、甘蔗、甜高粱。下面主要对以上9种能源植物进行描述。麻疯树（JatrophacurcasL）麻风树为喜光阳性植物，根系粗壮发达，具有较强的耐干旱瘠薄能力，枝、干、根近肉质，组织松软，含水分、浆汁多、有毒性而又不易燃烧，抗病虫害。原产美洲，现广泛分布于亚热带及干热河谷地区，我国引种有300多年的历史。野生麻风树分布于两广、琼、云、贵、川等省，以及非洲的莫桑比克、赞比亚等国，澳大利亚的昆士兰及北澳地区，美国佛罗里达的奥兰多地区、夏威夷群岛地区等均有分布。干热河谷野生状态下的种子，一般一年一熟，少有一年两熟，枝、干具再生能力，种子发芽率在90%以上。麻疯树生长迅速，生命力强，在部份地方可以形成连片的森林群落。由于该树种植可用杆插法繁殖，而且成活率高，生长速度快，头年就有收成，产量逐年增加，果实采摘可达50年。近年来，由于退耕还林的推动，各地大量种植。目前仅四川一地的麻疯树资源量即在26万亩以上，可产种籽17万吨，可提炼麻疯树油6万吨。麻风树有很高的经济价值，是国际上研究最多的能生产生物柴油的能源植物之一，是世界公认的最有可能成为未来替代化石能源的具有巨大开发潜力的树种，则被认为是极具炼柴油开发潜力的一种。同化石柴油相比，麻疯树油是一种绿色柴油，它对环境友好（麻疯树油硫含量低，SO2和硫化物排放量比0#柴油低10倍），低温启动性能好（无添加剂冷凝点达-20℃），润滑功能强（喷油泵、发动机缸体和连杆的磨损率低，使用寿命长），安全性能高（闪点高，不属于危险品，运输、储存方便），燃料性能佳（十六烷值高，燃烧性能好于柴油，燃烧残留物呈微酸性，使催化剂和发动机机油的使用寿命加长），而且具有可再生性。最近用麻风树油作燃油的研究取得了较大进展，经改性的麻疯树油可适用于各种柴油发动机，并在闪点、凝固点、硫含量、一氧化碳排放量、颗粒值等关键技术上均优于国内零号柴油，达到符合欧四标准的生物柴油，成分接近石化柴油，油流动性好，其中含有油酸、亚油酸、棕榈油酸等不饱和脂肪酸。油楠（SindoraglabraMerr.exdeWit）油楠是常绿阔叶乔木，高20～30米，胸径1米以上，树干挺拔，高大魁梧。一般从树苗到成品树需要5年左右的时间。叶子为偶数羽状复叶，小叶2～10对；小叶对生而微偏斜，革质，椭圆形或长椭圆形，长5～10厘米，宽2.5～5厘米，先端急尖或骤尖，基部钝形或圆，无毛。油楠的花期为4—5月，花排成顶生的圆锥花序，长15～20厘米，密生黄色毛；花较小，雌雄同体；萼片4片,两片2合生，最上面的阔卵形，其他3片椭圆状披针形，长约7～8毫米，外面密生黄棕色绒毛，萼片外面常有软刺（国产种），有一极短的管和基生的花盘，裂片4片，上面2枚合生；花瓣通常为一片，很少2片，被包于最上面萼片内，外面密生长柔毛；雄蕊10枚，上面1枚稍短而无花药，其他9枚合生成一束，花丝基部连合，上面1枚的最长，突出；花药丁字着生，花柱长，拳卷。子房近卵形，密生毛，具有短柄，有胚珠2～7颗；油楠的荚果成熟期为6～8月，荚果扁平，斜圆形，长4～8厘米，阔3.8～4.7厘米，果瓣坚硬，有散生、短的直刺，很少无刺，刺在受到损伤时常有胶汁流出；种子1～2颗，含油量较高，可入药。油楠是热带、亚热带的能源树种，其树干木质内含有丰富的一种淡棕色可燃性油质液体，气味清香，颜色如同煤油，用棉花蘸上一点火就着，可燃性能与柴油相似，经过滤后可直接供柴油机使用，可作为柴油的代用品。当油楠长到12～15米高，胸径40～50厘米时，油楠树的心材部位就能形成黄色油状树液，分泌出树脂。当削开它的韧皮部或砍断枝丫时，油脂就会从伤口自行溢出。林业工人和当地居民常用来点灯照明，叫它“煤油树”。根据资料记载，油楠出油率高达90%以上。人们在采集油楠的树脂时，一般采用两种办法。一是在树干上钻个5厘米大小的孔，然后插入竹筒，经过2～3小时后，从孔中即可流出5～10升的油液，这样下来一株成年油楠一年可产50斤油，最多可产100斤。而是直接将油楠伐倒取油，一株伐倒后的油楠可从树心中流出几十斤油状物。在采伐过程中，有的植株锯到心材时，“柴油”就顺流而出，树液溢如泉涌；有的则在伐倒的树干断面上，渐渐分泌出“油”来。一棵大树采集一次就能流出7～8斤油，一天能产“柴油”10～15千克。1981年初，华南植物研究所的科研人员，从吊罗山林区采集了油楠树脂的样本，经过过滤、蒸馏、化验，发现油液中75%左右是无色透明具有清淡木香香气的芳香油，25%是棕色树脂类残渣。芳香油中有11种化合物，其中依兰烯含量40.8%，丁香烯30.5%、杜松烯6.4%，其他华拔烯、蛇麻烯等都在4.4%以下。油楠在我国海南岛还有一定的蕴藏量，在石油等矿物资源不断枯竭的今天，人们再次把注意力转向可再生资源——森林，而生长在海南岛的油楠，是我国未来很有希望的能源植物。为此，我国政府和有关部门已制定了保护和发展计划，在广东、广西和福建等省区已成功引种栽培。油菜（BrassicacampestrisL.）油菜为十字花科，芸苔属，一年生草本。直根系。茎直立，分枝较少，株高30-90cm。叶互生，分基生叶和茎生叶两种。基生叶不发达，匍匐生长，椭圆形，长10-20cm，有叶柄，大头羽状分裂，顶生裂片圆形或卵形，侧生琴状裂片5对，密被刺毛，有蜡粉。茎生叶和分枝叶无叶柄，下部茎生叶羽状半裂，基部扩展且抱茎，两面有硬毛和缘毛；上部茎生时提琴形或披针形，基部心形，抱茎，两侧有垂耳，全缘或有技状细齿。总状无限花序，着生于主茎或分枝顶端。花黄色，花瓣4，为典型的十字型。雄蕊6枚，为4强雄蕊。长角果条形，长3-8cm，宽2-3mm，先端有长9-24mm的喙，果梗长3—15mm。种子球形，紫褐色。细胞染色体：2n=20。北方小油菜原产中国西部，分布于中国的西北、华北、内蒙古及长江流域各省（区）世界各地也广泛分布。菜油直接作为工业用油主要用于以下几个方面：⑴润滑油与脱模剂菜油在高温下不易挥发，是良好的润滑油和脱模剂；而且芥酸含量越高，润滑性能越好，使用寿命愈长。原因是高芥酸油中含有链型聚甲烯，有显著的润滑特性。一般每1000万亩铸钢需1400吨高芥酸油⑵淬火油淬火油是使金属迅速散热而得到一定结构的加工方法。菜油宜作为金属热处理的淬火油和淬火油的添加剂，因为高芥酸菜油沸点、闪点高。热容量大，淬火冷却速度为160℃/秒，而矿物油仅为100℃/秒。⑶燃料油目前世界上能源短缺，利用菜油作燃料油已在很多国家进行了试验，如瑞典用菜油与矿物混合（50：50）作拖拉机燃料油，其功率不变，又无其他不良影响。但菜油作柴油机油在长期使用中，喷油器容易积碳，润滑油易被燃烧产物污染，引起零件损坏，尚有待进一步研究解决。棕榈（Trachycarpusfortunei(Hook.)H.Wendl）棕榈树属常绿乔木。树干圆柱形，高达10m，干茎达24cm。常残存有老叶柄及其下部的叶崤，叶簌竖干顶，形如扇，近圆形，茎50-70cm，掌状裂深达中下部；叶柄长40-100cm，两侧细齿明显。雌雄异株，圆锥状肉穗花序腋生，花小而黄色。核果肾状球形，茎约1cm，蓝褐色，被白粉。花期4-5月，10-11月果熟。油棕榈是棕榈科两种产油植物的统称，属于经济作物。分为两种，一种是原产于西非的非洲油棕榈，分布范围为安哥拉至冈比亚的西非地区、以及马来西亚和印度尼西亚。另一种是中美洲和南美洲北部的美洲油棕榈（又称黑果棕榈）。西非地区传统的棕榈油提取方法是先将果实捣碎、煮熟，破坏其果肉内的脂解酶，再加热后即可取下析出的凝皮状油脂。这种方法可以提取果实内50%至55%的油脂，称为“软式加工法”。后来对这种方法加以改进，加入酵母并用沸水煮，利用更高的温度提取更多（可达65%）的油脂，这一方法被称为“硬式加工法”。这两种方法都只能提取果肉内的油脂。欧洲人引入榨油机以及汽油溶脂等方法后，油脂提取率升至90%以上。油棕榈的果仁和果壳纤维富含油脂，可以提取果仁油和囊果被油，但其成分与果肉中所含油脂不同。油棕榈是油料作物种产油量最高的一种，经济种植平均每公顷产油约1吨。花生（Arachishypogaea）花生的果实为荚果，通常分为大中小三种，形状有蚕茧形，串珠形和曲棍形。蚕茧形的荚果多具有种子2粒，串珠形和曲棍形的荚果，一般都具有种子3粒以上。果壳的颜色多为黄白色，也有黄褐色、褐色或