1【原创】生物质 序 57 橡树村 2008-01-15 00:19:17
2007年，大家印象最深的就是涨价，原油涨价，黄金涨价，食品涨价。其中最让人头疼的就是食品涨价，而说到2007年食品涨价的一个罪魁祸首，就是美国人把玉米都拿去做乙醇了，从而影响到全世界的粮食价格，饲料价格，肉制品的价格。

扩大以玉米为原料的生产的乙醇的比例，是小布什政府发展生物能源战略的一部分。生物能源本来听起来很美好的东西，绿色呀，环保呀，帽子一大堆，怎么会带来这么大的危害呢？生物能源究竟还值不值得发展呢？

这个系列里面，打算系统介绍一下目前可能利用的生物资源的状况，以及利用的方法，难题等等。

这是我目前从事的工作。对啦，现在油价这么高，咱也要玩生物能源了。具体的说，我现在做的工作是利用生物质合成柴油，被称为第二代生物能源的东西，写的我当然会说这个方向一些好话。用到的资料有书，有文献，都是公开资料，具体的就不列出了。基本上是综述，写的时候尽可能的照顾科普。涉及到的很多领域都不是我的专业，有错的地方，河里的牛多，不要客气。

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老马丁 荐,爱莲 荐,晨枫 荐,

2第12章换地方了 橡树村 2008-01-21 08:03:24
橡树村:【原创】生物质 十二 燃烧

2【原创】生物质 十一 废弃物 14 橡树村 2008-01-20 12:08:50
能够用于能源的生物质废弃物，包括农业残余物，木质废弃物，禽畜废弃物等农林畜牧业的废弃物，还包括城市垃圾等生活废弃物，也包括造纸废水之类的工业废弃物。基本上含有有机质的废弃物都可以有潜在的能源利用价值。

农业残渣就是农作物收获之后农田中产生的残余物，主要就是谷物，根茎作物，甘蔗残余物等等。蔬菜之类的也有很多残余物，但是收集实在太困难，一般不予考虑。另外使用甘蔗制糖，会产生大量的蔗渣，也是很好的能源原料。仔细地说的，农业残渣会包括，麸皮，稻草，米糠，秸秆等等。这些残渣不同的物种不同的部位主要成分会有区别，适合不同的利用方法，各有各自的特点。

2000年的统计，全世界有农业废弃物30亿吨，其中最多的是米残余物，达到28%，然后是麦残余物25%，余米残余物20%，甘蔗残余物12%，另有蔗渣占6%，还有根茎作物的残余物9%。按照能量来算，资源总量是14.6EJ，其中米的残余物占到3.4EJ，甘蔗渣，小麦残余物各有3.3EJ。目前农业废弃物的利用主要是燃烧和气化两个方法，在很多国家已经工业化，而利用农业废弃物发酵生产乙醇发展也比较快。不过大部分的农业废弃物并没有得到有效利用，在很多国家虽然农业废弃物有所利用，但是目的并不是能源。

木质废弃物包括木材加工时候的各种废料，这个总量并不很清楚。这些废木头有很大的比例被造纸工业消耗掉，也有不少当作燃料烧掉，大约有不到10%被丢弃。现在有北欧的国家进口木质废弃物用于能源。

畜禽废弃物主要就是粪尿，还包括加工畜禽时候的副产物，加工残余物，敷料，污泥等等。这些物质一般含水量高，富含各种各样的有机质，是很好的肥料。这种废弃物的总量很难估算，广泛用于肥料和饲料，不过由于疯牛病带来的影响，其利用也受到了一些限制。目前很少把畜禽废弃物用于能源。

城市垃圾在一些国家不被列到生物质范围内，各个国家的城市垃圾的定义也都不大一样，不同的地区的城市垃圾组成变化也很大。目前的城市垃圾也有很多的用途，垃圾焚烧可以回收垃圾中的能量，填埋也仍然在很多国家使用，此外还可以堆肥。其他的利用方法，还包括碳化，甲烷发酵等。

造纸废水，也叫黑液，里面含有大量的纤维素和半纤维素，还有木质素，目前有专门的装置利用这些原料来燃烧，回收能量。这个回收锅炉在19世纪就开始使用了，不过在发展中国家应用并不普及。


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2哈哈！ 1 老马丁 2008-01-20 06:50:43

最后于2008-01-20 10:22:01改,共1次;

2【原创】生物质 十 水生生物质 11 橡树村 2008-01-19 22:03:48
能被作为能源利用的水生生物质，淡水里面，主要是种子植物，比如水葫芦，浮萍之类的，也有浮油的小球藻，螺旋藻。海水里面，也有种子植物比如海带，裙带菜，紫菜，石花菜之类的，种类不少。

藻类被人们利用也已经很久了，海藻很久以前就是食物，也用作肥料，微细藻现在被当成健康食品，也可以提取出来不少高增值的天然提取物。那些提取出来的东西究竟如何五花八门，但是价格都卖得不低。

水生生物的生长速度是比较快的。有日本的资料讲，每五十天，水生生物的植株数要增加100倍，也就是六七天的时间就翻一番。个别的报告有意50天内植株数量从1株增加到1000株，三个月增加到2000株的报道。在光合作用充足的地方，水葫芦的生长速度纪录是每年每平方米21公斤干重，折合每年每公顷水面210吨干物质的产量。微细藻在户外培养，生长速度能达到每天每平方米2-10克，折合每年7.3-36吨，但是在条件良好的时候，最大生长速度却可以达到每天每平方米500克，折合每年每公顷1830吨！对比陆地生物每年每公顷最多几十吨干物质的产量，水生生物质显然很有开发潜力。

目前水葫芦的利用还不算多，有的作为饲料使用，有的被列为生物甲烷（沼气）的原料。海藻类的应用就比较广泛了，目前全世界天然褐藻的年收获是130万吨，天然红藻类81万吨。人工养殖最近开始增长。中国的海带在98年产量就达到400万吨，主要作为食品。目前藻类生物除了食品，还是很多健康食品保健品的来源。

目前水葫芦的资源量还没有确切数字。这个东西在很多地方都被称为绿色污染，造成江河堵塞，利用还很少。如果能成功利用，应该是不错的。天然藻类的养殖场面积变化较大，很多是在浅海，不过随着浅海水质逐渐变差，天然藻类的生长也受到了很大影响。那些已提取物为目标的藻类养殖虽然越来越多，但是这些藻类一般养殖技术复杂，人工大规模养殖困难很多，价格也比较离谱，不适合作为能源物质，还期待人工养殖技术的进一步发展。

水生生物的含水量非常高，作为能源物质利用，大部分的工艺都需要使用干物质，而脱水的能源成本非常高，所以就限制了水生生物在能源领域的应用。可能比较合适的应用方法，也就是甲烷发酵得到沼气了。


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最后于2008-01-20 00:21:29改,共1次;

3甲烷发酵得到沼气？ 小愚 2008-02-07 07:38:51
老兄好文啊。。

这个能不能多说点？甲烷从哪里来的？它自己不就是能源物质了吗？为什么还要发酵成沼气？

4甲烷发酵是个工艺的名字 橡树村 2008-02-07 08:05:04
不是使用甲烷作为原料，而是生成甲烷。
这里有一点点介绍，不过不详细。

橡树村:【原创】生物质 十九 甲烷发酵

3又得宝了 2 黄有财 2008-01-21 10:01:09

3有错字？ 2 njyd 2008-01-19 22:55:32

天？

合？

4改了，谢谢 橡树村 2008-01-20 00:21:46

2【原创】生物质 九 淀粉类，糖类，油类 12 橡树村 2008-01-19 08:08:00
淀粉，糖类生产性，油类生产型的生物质，其实有的可以算到木本，更多的可以算到草本。这里面拿出来说，是因为利用的物质有一些特殊。

生产淀粉，糖类的植物很多，这些淀粉，糖，经过发酵之后，可以形成乙醇，是目前生物乙醇的原料。

淀粉类的植物包括土豆，红薯，玉米，小麦，大麦，木薯，西谷椰子等等。这些基本上也都是粮食。糖类的植物，常见的就是甘蔗，甜菜。这些物种人类都已经种植了很多年，对这些作物的研究也很多，通过品种改良，栽培技术的提高等等，产量在过去的几十年里面都有很大提高。但是呢，似乎进一步的提高单位产量也已经比较困难了。现在推广这些物种的种植，主要是在扩大其种植范围方面下文章，比如通过技术增加耐寒，耐干，耐盐等等性质。当然了，单纯的扩大耕种面积就可以增加其生产量。现在小麦，稻，玉米三种作物，年产量基本上都在6多亿吨，马铃薯大约在年产3亿吨，其他的品种产量基本上都在2亿吨以下。

糖类的作物，主要就是甘蔗和甜菜。甘蔗的年产量大约在13亿吨，甜菜的年产量大约是2亿吨。甘蔗最近几年在热带地区有扩大的势头，甜菜产量基本稳定。

淀粉，糖类的植物性生产总量，在2000年是42亿吨，听起来挺多的。但是呢，世界人口60亿，要维持这么多人吃饱饭，42亿吨并不多。实际上，现在世界上大约有8亿人口缺少粮食。这些作物的产量基本上稳定了，增长有限，但是人口增长却没完没了。所以呢，虽然这类物质是很好的能源材料，但是拿来解决能源问题，总让人觉得不那么对头。巴西使用甘蔗生产乙醇，也还算好，但是现在大规模的是用玉米生产乙醇，就立刻导致了玉米价格上扬，然后就是饲料涨价，肉制品涨价，那些缺少粮食的地方立刻就感受到了压力。有人说用粮食作乙醇是犯罪，虽然不知道说话的这个人喝不喝酒支持犯罪，但是这个说法也还是有道理的。

油类的作物含有油脂，这些由现在一般被用于食品，是重要的食品辅料，也有一定的比例用于油脂化学行业。作为能源来利用呢，就是生物柴油这个形式。

世界四大油类作物，是油椰子，油菜，大豆，向日葵。单位面积生产能力最高的是油椰子，每年每公顷有4吨的油产量。油椰子也就是棕榈，主要分布在热带，特别是马来西亚，印尼，还有尼日利亚，冈比亚等。目前世界45%的产量在马来西亚。油菜分布在比较寒冷的地区，亚洲，欧洲，北美都有广泛种植，产量最多的是中国，加拿大，印度，加在一起占了世界的60%。油菜提取的菜籽油，主要是作为食用油使用，在欧洲，是生物柴油的主要原料。油菜每年每公顷产油0.5-0.9吨。大豆主要生产国是美国，中国，巴西，每年每公顷产油0.3-0.4吨，广泛用于食用油，也是涂料，油光漆等等的化工原料。向日葵油产量每年每吨0.5-0.8吨，在俄罗斯，东欧，美国，阿根廷广泛种植，主要用作色拉油。

2000年的油脂产量，大豆油2500万吨，棕榈油2100万吨，菜籽油1400万吨，葵花油950万吨，占了全部油脂产量的60%。其他的油料植物还有花生油440万吨，棉籽油390万吨。总产量大约在1.1亿吨，75%用于食品。

油脂可以生产生物柴油，这个产品有很多优良的性能，是第一代生物能源燃料的明星。不过毕竟除了棕榈油之外，油脂的增产空间已经很小，用于能源，又要和人抢食品，也是有很多问题的。棕榈油的产量应该还有很大的空间，可以在热带地区大规模种植，成本也低，油类作物用于能源的话，这个应该是个好的选择。


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2【原创】生物质 八 草本生物质 11 橡树村 2008-01-18 22:35:05
草本生物质就是草呀！其实广义的草本的定义要广一些，草本，指的是草地上生长的稻科，豆科的植物。这里面，有很多已经都被人利用了，作为粮食，饲料使用。比如稻，麦，玉米，高粱等等都是稻科植物，这些作物的残余物，秸秆之类的，也就被纳入到草本生物质的范畴了。除了人类已经大规模种植的，还有很多的野草没有得到利用。

草本生物质的物质生产量比木本还快！前面讲了，热带地区，桉树，合欢树啦，最高一公顷一年也就生产30吨的干物质。草呢？有一种象草，也叫紫狼尾草，每年每公顷能生产80吨的干物质！并且呢，草本植物再生能力超强，持续性好，很多品种都可以长期稳定生产。在一些长期种植试验里面，长达七年的时间，几内亚草都可以每年每公顷生产40吨以上的干重。还有呢，草本植物的适应性很不错，能在很多种环境上生长繁殖，也能很方便的晒干，这样就能降低了除水的能耗。所以作为能源原料，的确是非常有前景的。

现在的草本生物质的现存量并不高。草地本身的生态系统也非常丰富，草的根部也非常的热闹，草原起到的生态作用，也是很强的，不亚于热带雨林的作用。

草本生物质可以燃烧，现在也有直燃利用草本生物质的技术，不过呢，实际应用上还不如木本的利用效果好。草本生物质的利用，是目前的技术热点。

目前作为候选，可能被广泛利用的能源草本生物质也不少了。最高的纪录是在波多黎各种植的紫狼尾草，每年每公顷干物质85吨，夏威夷的甘蔗，每年每公顷也达到64吨干物质。这个是什么概念呢？每天的产量就是232公斤和176公斤！还是摸不清楚？一公顷是15亩，亩产就分别是11000斤和8500斤干物质！

草本植物在热带长得快，温带也不慢。玉米，高粱，在栽培的初期，生长速度也可以达到每天每公顷132-260公斤干物质。在温带，夏季的时候，是可以达到热带的生长速度的，利用潜力很很大。当然了，温带在冬季的时候，草本植物生长速度就不这么快了。

草本植物也算是人类最早使用的燃料了，应该和人类使用木头的时候差不多。到现在，草本植物也仍然被很多人作为燃料使用。当然了，传统的使用方法效率很低，新技术的发展，使得大规模使用草本植物成为可能，利用效率也有了很大提高。

草本植物的利用，除了燃烧，还可以干别的。比如现在已经有不少人喜欢和不喜欢的生物乙醇，常见原料是玉米和甘蔗，就都是草本。当然了目前的生物乙醇技术在和人抢粮食，需要寻找其他原料，我们后面还会具体说。

草本植物有多大的利用量呢？草本植物的面积，大约将近四千万平方公里，总的现存生物量不多，1000亿吨而已，比森林少很多。虽然一些草本的生长速度很快，但是大部分草本的生长速度没这么快，平均来讲，大草原上，每年每公顷生产量是9吨干物质，比热带雨林还是差了不少（和温带森林相当），也可以成为生物质的重要来源。

列一下一些草本植物的生长量，单位是每年每公顷干物质的吨数

多年生：
热带：
紫狼尾草    85
几内亚草    49
狼尾草      51
甘蔗        64
亚热带：
甘蔗        50
几内亚草    51
克育草      30
温带
百慕大草    30
黑麦草      27
鸭茅        22

一年生：
高粱        29-47
玉米        27-34
几内亚草    17-24
稻          16-19
小麦        12-15


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2【原创】生物质 七 木质生物质 13 橡树村 2008-01-18 15:51:21
木质的生物质当然就是木头，这几乎是人类最早用于能源的生物质了。现在呢，成材的木头当然还是不舍得当能源使用，所以没有多大用处的木头才用于能源。

森林生产的生物质原料，包括各种各样原因采伐下来的没有商业价值的木材。比如人工森林里面的杂木，形态不好的树木需要清理，比如为了控制人工林生长进行的间伐遗弃的部分。这些木材往往运输价格高，缺乏商业价值，被弃置在森林里面。森林主伐的时候，也会有将近三分之一的木材资源，比如枝叶，树梢等等，没有商业价值而被弃置。这些都是未被利用的资源。

目前的估算，来源于人工森林的林地残余木材资源大约有每年400万吨，来源于天然森林的资源量大约是每年1000万吨。总量不少，不过利用起来还有很多麻烦，经济性还有问题。

以能源为目的专门种植的树木，当然是重要的木质生物质原料。这里面比较看好的，包括柳树，杨树，桦树等等生长迅速的树种。这些树木可以种植在田间，也可以专门种植。在热带，热门的树种包括桉树，合欢树等等。

大规模种植能源树种也是有不少问题需要注意的。比如这些树种大部分都是外来树种，那么对于当地的生态肯定有影响。同时对单一的树种进行扩大人工造林，也会降低生态系统的稳定性。这方面，人们在逐渐地改进人工造林的方式方法，尽可能的维持生态系统的稳定性和生物多样性。虽然仍然有各种各样的问题没有解决，但是这方面的研究和实践也是在不断进步的。

另外，竹子也是很好的资源。利用竹子的麻烦在于大部分地方的竹子都是空心的，运输起来成本就比较高，经济性和能源利用性能大打折扣。非空心的竹子更有推广价值。

木质生物质的生长速度和地域有很大的关系，气温，降雨量，土壤情况，树种本身等等都影响生长速度。桉树和合欢树在东南亚地区每年每公顷土地生长的干物质是10-30吨，而中纬度地区的杉树，每年每公顷生长的干物质基本上在10吨以下。另外森林在种植后的早期生长较快，然后会逐渐放慢，所以究竟在什么时间进行砍伐，也是需要权衡的。

目前全世界的森林状况并不乐观，热带大约每年减少一千多万公顷，温带的植树造林比较多，每年增加几百万公顷，总的森林量，全世界是在减少。目前世界的森林总量大约在三十几亿公顷，树干的干重大约在3500亿吨，其中三分之一在南美。但是森林每年的净减少量接近一千万公顷，减少的地方主要也在南美。在这样的背景下，推广人工林应该是对保护地球环境是有好处的。在热带地区大面积种植人工林被很多人看成是生物能源利用的重要方向，并有可能在成本上与化石燃料竞争。当然在推广的过程中需要考虑生态影响以及对周围居民的社会经济影响等等，不是盲目的种树，不要打着环保的旗号破坏环境。

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3哪个呢？ 橡树村 2008-01-17 18:12:22
有哪个坑没填么？
至于答应写没写的东西，慢慢来。收集整理资料很花时间的。

2【原创】生物质 六 生物能含有量 14 橡树村 2008-01-17 07:04:48
挑选需要利用的生物质，就需要评价生物质里面所含有的能量。这个概念呢，叫做生物能含有量。生物能含有量的表示方法，是发热量，也就是生物质完全燃烧所能产生的热量，也就是燃烧热。不同的生物质燃烧的时候放出的热是有差别的，一般来讲含油越高，含碳越高，发热量也就越高。无机成分由于在燃烧的时候基本上没多大作用，所以基本上与这个数值没关系。

发热量传统上就有两个概念，一个叫高位发热量，一个叫低位发热量。产生这个原因，在于生物质燃烧之后，产物里面有水，这个水的状态不同，发热量就有区别。水（水蒸气）本身就含有大量的潜热，包括这部分潜热的燃烧热，是高位发热量，也叫总发热量。而不包括这部分潜热的发热量，就是低位发热量，也叫真发热量。没看明白？

换个说法。高位发热量测量的时候，物质的起终状态都是25度。这样呢，燃烧以后得到的水，就完全冷凝了下来，测量得到的燃烧能量里面，也就包括水冷凝所释放的能量。而测量低位发热量的时候，终止状态是在150摄氏度，这样水仍然是水蒸气的形式，水本身仍然含有很多的热量。

按照这个说法，高位发热量基本上都比低位发热量的数值大。比如无烟煤，高位发热量是34.1MJ/kg，而低位发热量就是33.3MJ/kg。不过具体的能源材料不同，高位发热量和低位发热量之间的比例也不同，比例从一到一点几不等。

高位发热量与低位发热量这两个概念各有各的用处，取决于具体的能源利用方法，所以同时使用。看资料的时候，要注意得到的发热量究竟是哪一个。

高位发热量和低位发热量并不能准确的描述生物质的能源价值。更加有用的概念，是有效发热量。生物质里面含有水和无机物，在真正燃烧的时候，这些成分都会带走一些热量，燃烧的时候加热周围的空气，维持火焰温度，排烟，灰分都会导致能量的损失。考虑了这些因素之后，得到的才是有效发热量。一般来讲，水含量越高有效发热量越低。这个有效发热量和具体的燃烧条件也是有关的，特别是燃烧温度对这个数值是有影响的。使用的时候要注意。

罗嗦半天，来讲生物质的发热量。能查到的生物质的发热量，一半上都会注明是干燥生物质为计算基准的。实际上，生物质里面含水很多。如果含水超过三分之二，那么基本上生物质的有效发热量就会是负的，完全没有利用价值。

这里列一下有代表性的生物质的发热量，列的都是干物质的高位发热量，单位是MJ/kg。

废弃物：

家畜粪便    13.4
活性污泥    18.3
锯屑        20.5

草本：

木薯        17.5
蓝草        18.7
高粱        17.6
柳枝稷      18.0

水生：

大型海带    10.3
水葫芦      16.0

木本：

赤杨        20.1
桉树        18.7
美国杉树    21.0
梧桐        19.4

副产物

纸          17.6
松树皮      20.1
稻草        15.2

比较一下其他燃料：

无烟煤      34.1
柴油        45.9
汽油        46.7
甲烷        55.5
氢气       141.9

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3为虾米老是炸得不是时候... 1 小木 2008-01-17 07:45:29

2【原创】生物质 五 生物质的化学成分 21 橡树村 2008-01-16 22:38:49
要利用生物质作为能源呢，生物质的化学成分就是比较重要的信息。不同的生物质优不同的化学成分，其可以被利用的价值，被利用的方法，也就有所区别。不过呢，对化学不感兴趣的，或者有机化学没有学过，或者已经忘光了的，这部分就跳过吧，讲的全是不好明白的名词。

总的来说，生物质的化学组成，包括纤维素，半纤维素，木质素，淀粉，蛋白质，各种各样的烃等等。树木类的生物质，含有的主要成分就是纤维素，半纤维素和木质素，草本的主要成分也是这三种，不过比例就千差万别了。谷类主要含的是淀粉，人吃粮食主要吸收的就是这个淀粉。污泥和粪便呢，里面既有很多蛋白质，脂什么的了。看看，不同的生物质组成成分差别是很大的。从能源角度来看，最有前景的就是含有纤维素和半纤维素的生物质。一般的来讲，陆生植物主要成分是纤维素，半纤维素，而水生植物的蛋白比例就比较高。

纤维素是由D-葡萄糖通过beta-葡萄糖苷键连接得到的多糖，分子量可以几千几万，看一个分子里面有多少个葡萄糖单元了。纤维素水解以后就可以得到葡萄糖，还有一些二糖，三糖的东西。纤维素本身耐酸耐碱，不溶于水。

半纤维素是由木糖，阿拉伯糖，甘露糖，半乳糖，葡萄糖等组合形成的。这个结构就比纤维素复杂一些了，会有很多支链什么的，分子一般也没有纤维素这么大，分子量也就是几千。半纤维素的稳定性也要比纤维素差一些，比较容易分解，并且很多还能溶解在碱里面。

木质素的基本结构单元是苯丙烷，整体结构是三维的，非常复杂，现在人们还没搞很清楚。木质素主要存在在木头里面，另外在甘蔗渣，玉米芯，花生壳，米糠等等里面也有。木质素的结构很稳定，所以很难被分解，微生物分解都很难，所以是植物保护自己的好材料，利用的时候就让人头疼了。由于不好处理，纤维素和木质素家在一起被称为粗纤维。

淀粉的结构单元也是葡萄糖，结合方式与纤维素不同就是了。结构不同，就导致了性质不同，有的淀粉是可以溶解在水里面的，有的需要溶解在热水里面，有的就不能溶解。能溶解的是直链淀粉，分子量大约在几万，不能溶解的是支链淀粉，是淀粉的主要形式，分子量业十几万，不过比直链淀粉大一些。淀粉主要存在于种子，块茎等等地方，粮食基本上淀粉含量都高，什么，米，麦子，玉米，大豆，山芋等等，都是淀粉的主要来源。半纤维素和淀粉一般被称为碳水化合物。

生物质里面的蛋白质种类也很多，不过所占的比例很少。蛋白质是生物质里面氮元素的主要存在形式。

除了这些主要的，生物质还有很多其他的成分，有的比例还很高，比如油料作物里面就含有各种各样的油脂，这可是好东西。其他的呢，还有很多，生物碱，色素，树脂，等等，其中很多产品都已经被提取出来，打上纯天然提取物的牌子，标上很高的价格出售。提取这些玩意比干生物能源可来钱多了。

生物质里面也有不少无机成分，在作为能源利用生物质的时候，这些无机成分导致的问题也不能忽略。各种各样的金属都会存在在生物质里面，虽然含量少。生物质作为能源被利用了以后，这些无机成分一般以灰的形式存在。目前的观点，认为这些无机成分应该放回到原料的产地里面去，维持产地的元素平衡，有利于生物质的生产循环。大规模处理生物质的时候这些灰分会带来一些技术上的麻烦。


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