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2生物质的物质成分
生物质是由多种复杂的高分子有机化合物组成的复合体,主要含有纤维素、半纤维素、木质素、淀粉、蛋白质、脂质、水分、灰分等,其中纤维素和半纤维素由碳水化合物组成,木质素则是由碳水化合物通过一系列生物化学反应合成的。碳水化合物通常称为糖类,是绿色植物通过光合作用合成的,由碳、氢和氧三种元素组成,所含氢氧的比例为二比一,和水一样,所以称为碳水化合物。碳水化合物一般分为单糖、低聚糖和多糖三类。地球上生物质总量中葡萄糖聚合物占50%以上,是贮存太阳能和支持生命活动的重要化学物质。
纤维素是最丰富的天然有机物,系由葡萄糖组成的大分子多糖,分子式为(C6H10O5)n,白色物质,不溶于水及一般有机溶剂,无还原性,是植物细胞壁的主要成分。棉花的纤维素含量最高,接近100%,而一般木材的纤维素也能占40%~50%。此外,麻、麦秆、稻草、甘蔗渣等,都是纤维素的丰富来源。
半纤维素是由几种不同类型单糖组成的异质多聚体,是木糖、甘露糖、葡萄糖等构成的一类多糖化合物,不同植物中半纤维素的含量、结构都不同。半纤维素大量存在于植物的木质化部分,如秸秆、种皮、坚果壳及玉米穗等,其含量依植物种类、部位和老幼程度而有所不同。
木质素是由聚合的芳香醇构成的复杂有机聚合物,存在于植物细胞壁中,主要作用是通过形成交织网来硬化细胞壁,起抗压作用。木质素在植物界中的含量仅次于纤维素和半纤维素,广泛分布于具有维管束的羊齿植物以上的高等植物中,是裸子植物和被子植物所特有的化学成分。木质素在木材中的含量为20%~40%,在禾本科植物中木质素含量一般为15%~25%(表2)。
淀粉是由D-葡萄糖分子聚合而成的化合物,通式为(C6H10O5)n,在细胞中以颗粒状态存在,通常为白色颗粒状粉末。淀粉是植物体中贮存的养分,多存在于植物的种子和块茎中。
蛋白质是构成细胞质的重要物质,是生命的物质基础。由多种氨基酸组成,分子量很大,氨基酸主要由碳、氢、氧3种元素组成,另外还有氮和硫。
脂类是不溶于水而溶于非极性溶剂的一大类有机化合物,是细胞中单位体积含能量最高的物质,主要化学元素是碳、氢、氧,有的脂类还含有磷和氮。植物种子会储存脂肪于子叶或胚乳中以供自身使用,是植物油的主要来源。
生物质中还含有一定量的水分和灰分。水分在燃烧过程中产生水蒸气,吸收热量而带走一部分热量。灰分主要是磷、钾、硅、铝、钙、铁等元素的氧化物,在纤维素生物质中,稻草与稻壳灰分含量较大,超过10%,而其他纤维素生物质灰分含量大多小于3%。
生物质的热值
碳是生物质中最重要的元素,含量多少决定着热值高低,也即决定着生物质作为能源来开发的品质。1kg碳完全燃烧可释放出33.915MJ的热量,燃烧后生成二氧化碳或一氧化碳。纯碳不易燃烧,含碳量越高燃点越高,点火越难,生物质的碳含量比煤炭少得多,因此更易点燃和燃尽。氢在生物质中常以碳氢化合物形式存在,含量越多,越容易燃烧,燃烧的结果是水蒸气。1kg氢燃烧释放出的热量,高位热值为142.3MJ,低位热值为119.7MJ。硫是一种有害物质,1kg硫燃烧释放出9.21MJ的热量,生成二氧化硫或三氧化硫,然后进一步与水蒸气发生化学反应生成亚硫酸或硫酸,危害植物生长。磷和钾都可燃,燃烧后释放出热量并分别生成植物生长所需要的磷肥和钾肥。氮和氧都是不可燃元素,会因吸热而降低燃料的发热量,氧在热解期间被释放出来以部分满足燃烧过程中对氧的需求。
即使在空气中干燥,生物质的水分含量也有15%~20%,水分含量的高低与生物质的热值密切相关。大多数生物质的热值范围为15~19GJ/t,远低于煤炭的29GJ/t,石油的42GJ/t,天然气的55GJ/t(表3)。生物质的平均能量密度较低,热值约相当于标准煤的一半左右,可近似把2个单位质量的生物质折算成1个单位质量的标准煤。大部分生物质原料比煤炭更易气化、反应和点火,因此更易发生热化学反应,用于热值更高燃料的生产。生物质灰分含量低于大部分煤炭,硫的含量远低于化石燃料,燃烧后对环境的污染明显小于石油和煤炭。
生物质能的资源保障性分析
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