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變廢為寶：利用廢棄生物質(zhì)生產(chǎn)燃料
在當(dāng)今社會(huì)，環(huán)境保護(hù)與能源需求的平衡已成為全球性的挑戰(zhàn)。生物能源作為一種重要的可再生資源，其潛力逐漸受到關(guān)注。通過(guò)將廢棄的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為寶貴的能源資源，不僅可以有效地解決廢棄物處理問(wèn)題，還能為構(gòu)建更清潔、可持續(xù)的能源體系做出貢獻(xiàn)。
生物質(zhì)與生物質(zhì)能（源）
什么是生物質(zhì)？根據(jù)國(guó)際能源機(jī)構(gòu)（IEA）的定義，生物質(zhì)（biomass），是指通過(guò)光合作用而形成的各種有機(jī)體，包括所有的動(dòng)植物和微生物。
生物質(zhì)能是太陽(yáng)能以化學(xué)能形式儲(chǔ)存在生物質(zhì)中的能量形式，作為僅次于煤炭、石油、天然氣的第四大能源，生物能源具有豐富的資源、可持續(xù)性和環(huán)保性等特點(diǎn)。
廢棄生物質(zhì)的利用
目前除了專門種植用于生產(chǎn)生物燃料的的糧食比如玉米、大豆等，隨著技術(shù)的發(fā)展，大量廢棄的生物質(zhì)也逐步被開發(fā)利用，這些廢棄物包括農(nóng)作物的廢棄物、森林殘余物、木材廠廢棄物、城市固體廢棄物、食物廢棄物、廢棄的脂肪、油脂等。
廢棄生物質(zhì)是一種低廉的可再生能源，目前正廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生物燃料，包括纖維素乙醇、生物柴油和可再生碳?xì)浠衔?"即用型 "燃料。目前最常用的兩種生物燃料是乙醇和生物柴油。生物燃料可用于飛機(jī)、汽車等交通工具，不僅在功能上等同于石油燃料，同時(shí)能大幅度降低碳排放。
廢棄生物質(zhì)也可采用與化石燃料相同的工藝，將生物物質(zhì)中儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)化為電力。生物發(fā)電可以抵消發(fā)電廠燃燒碳燃料的需求，從而降低發(fā)電的碳強(qiáng)度，并提高發(fā)電的靈活性，增強(qiáng)電網(wǎng)的可靠性。
綜合生物煉油廠還可以在生產(chǎn)生物燃料的同時(shí)生產(chǎn)生物產(chǎn)品，比如塑料、潤(rùn)滑油、工業(yè)化學(xué)品等可再生生物產(chǎn)品。這種聯(lián)合生產(chǎn)戰(zhàn)略為生物質(zhì)資源的利用提供了一種更高效、更具成本效益的綜合方法。
據(jù)美國(guó)能源部的《2016 億噸報(bào)告：推進(jìn)國(guó)內(nèi)資源，促進(jìn)生物經(jīng)濟(jì)繁榮發(fā)展》得出結(jié)論：到 2040 年，美國(guó)有潛力每年生產(chǎn) 10億干噸非糧食生物質(zhì)資源，并仍能滿足對(duì)糧食、飼料和纖維的需求。10 億噸生物質(zhì)可以:
? 生產(chǎn)多達(dá) 500 億加侖的生物燃料
? 生產(chǎn) 500 億磅生物基化學(xué)品和生物產(chǎn)品
? 產(chǎn)生 850 億千瓦時(shí)的電力，可供 700 萬(wàn)戶家庭使用
生物質(zhì)轉(zhuǎn)化生物燃料技術(shù)
生產(chǎn)高級(jí)生物燃料（如纖維素乙醇和可再生碳?xì)浠衔锶剂希┩ǔＰ枰?jīng)過(guò)多個(gè)步驟。首先，必須分解植物細(xì)胞壁的堅(jiān)韌剛性結(jié)構(gòu)，其中包括緊密結(jié)合在一起的生物分子纖維素、半纖維素和木質(zhì)素。可通過(guò)高溫解構(gòu)或低溫解構(gòu)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。
高溫解構(gòu)
高溫解構(gòu)法利用極高的溫度和壓力將固體生物質(zhì)分解成液態(tài)或氣態(tài)中間產(chǎn)物。這種方法主要有三種途徑：熱解、氣化、水熱液化。
在熱解過(guò)程中，生物質(zhì)在無(wú)氧環(huán)境中以高溫（500°C-700°C）快速加熱。熱量將生物質(zhì)分解成熱解蒸汽、氣體和焦炭。除去焦炭后，蒸氣冷卻并冷凝成液態(tài) "生物原油"。
氣化過(guò)程與此略有類似；不過(guò)，生物質(zhì)暴露在更高的溫度范圍內(nèi)（>700°C），并含有一些氧氣，從而產(chǎn)生合成氣（或合成氣）——一種主要由一氧化碳和氫氣組成的混合物。
在處理藻類等濕原料時(shí)，水熱液化是首選的熱工藝。這種工藝使用溫度適中（200°C-350°C）、壓力較高的水，將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為液態(tài)生物原油。
低溫解構(gòu)
低溫解構(gòu)通常利用稱為酶的生物催化劑或化學(xué)品將原料分解為中間產(chǎn)物。首先，生物質(zhì)要經(jīng)過(guò)預(yù)處理步驟，打開植物和藻類細(xì)胞壁的物理結(jié)構(gòu)，使纖維素和半纖維素等糖類聚合物更容易獲得。然后，在稱為水解的過(guò)程中，這些聚合物會(huì)被酶或化學(xué)分解成簡(jiǎn)單的糖構(gòu)件。
升級(jí)
解構(gòu)后，粗生物油、合成氣、糖和其他化學(xué)構(gòu)件等中間產(chǎn)物必須進(jìn)行升級(jí)，才能生產(chǎn)出成品。這一步驟可以是生物處理，也可以是化學(xué)處理。
細(xì)菌、酵母和藍(lán)藻等微生物可將糖或氣體中間產(chǎn)物發(fā)酵成燃料混合料和化學(xué)品。另外，糖和其他中間流（如生物油和合成氣）可使用催化劑進(jìn)行處理，以去除任何不需要的或活性化合物，從而改善儲(chǔ)存和處理性能。
提純后的成品是可以在商業(yè)市場(chǎng)上銷售的燃料或生物產(chǎn)品，也可以作為石油精煉廠或化學(xué)品制造廠進(jìn)行精加工的穩(wěn)定中間產(chǎn)物。
廢棄生物質(zhì)的利用不僅是環(huán)境保護(hù)的重要舉措，也是構(gòu)建可持續(xù)能源體系的關(guān)鍵一環(huán)。隨著技術(shù)的進(jìn)步和政策的支持，廢棄生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化將成為未來(lái)能源發(fā)展的重要路徑之一。
資料來(lái)源：
https://www.energy.gov/eere/bioenergy/bioenergy-basics
https://www.energy.gov/eere/bioenergy/biofuel-basics
https://www.energy.gov/eere/bioenergy/conversion-technologies
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