大有作为的植物燃料

　　能源是维系国民经济和社会持续发展的基础。自人类社会诞生以来，煤炭、石油和天然气一直扮演着不同时期能源消费的重要角色。石化能源是不可再生的能源，无限开采与有限贮量之间的矛盾，加剧了能源危机，特别是石化燃料引起的温室效应、环境污染等一系列生态危机，已经严重地威胁着人类的生存，影响着社会的持续发展。开发可再生植物燃料，逐步替代日益减少的石化燃料，因地制宜，优势互补，促进能源消费结构从单一化走向多元化，这是人类社会面临的重大而急迫的任务。



　　目前实施的“玉米转化汽油醇”工程，标志着我国在植物燃料研究开发领域迈出了稳健的步伐。



　　用玉米驱动汽车



　　玉米是粮食，怎能开动汽车？许多人可能会有这样的疑问——因为玉米留给我们的印象太深刻了。



　　我们都记着玉米的好处，一碗玉米粥可使肚腹舒舒服服，能饱餐一顿玉米窝头更是求之不得的。当然，那是过去的年代。生活在今天的青年人大多与玉米没有太多的交情，偶然吃一顿只能是换一换口味而已，没有太多的记忆，更没有刻骨铭心，因为玉米多与家禽家畜的生活联系在一起，什么猪饲料、鸡饲料等等，都少不了玉米，所以玉米又有“饲料之王”的称号。



　　玉米是六畜兴旺的重要基础。资料表明，100公斤玉米的饲用价值相当于135公斤燕麦、120公斤高粱或150公斤籼米。以玉米为主要成分的饲料，每2～3公斤即可换回1公斤肉食，玉米的秸秆还可制作成青贮饲料。世界上大约65%的玉米被用作饲料。



　　玉米是重要的工业原料。玉米籽粒的淀粉含量在70%以上，有直链和支链两种淀粉类型。淀粉是食品、医药、化工等行业必不可少的原料。玉米的用途渗透到工农业生产的各个方面，直接影响着国计民生。



　　玉米是生性泼辣的大田作物，世界上分布最广的作物之一。从北纬58度到南纬35-40度的广大地区都能茁壮成长，染绿一方。其中，北美洲种植面积最大，亚洲、非洲和拉丁美洲次之。玉米的栽培面积和总产量，仅次于小麦和水稻位居第三位。



　　正是看重了玉米的这些特点，我国正式开展实施了“玉米转化汽油醇”工程。这一能源工程的主要内容是，以玉米为主要原料生产乙醇，将乙醇与汽油按照一定比例混合，配制成廉价而高效的“汽油醇”，作为机动车的优质燃料。因为生产的是无水乙醇，可按照任意比例与汽油形成混合燃料。



　　乙醇作为燃料还有一个更为鲜为人知的优点，就是减少有害气体排放，改善环境质量。使用汽油醇燃料，现有汽车无须改装就能保持原有的动力性能，并且燃烧完全，能明显降低汽车尾气中有害物质的排放量，降低环境污染30%以上。汽油中添加乙醇，除了替代一部分汽油外，还能清洁发动机，减少机油用量，是一项集新能源开发、环境保护为一体的全新工程。



　　早在2000年，我国就确定了吉林省年产30万吨乙醇的生产线和河南天冠集团年产20万吨乙醇的生产线。玉米将逐步成为汽车的动力源泉之一。



　　异军突起的植物燃料



　　事实上，研究开发以乙醇为主体的植物燃料由来已久。巴西是世界上惟一不供应纯汽油的国家。1975年，在世界上首次提出“汽油醇计划”，1977年，添加20%乙醇的汽车正式在圣保罗市运行，1980年提高到22%的比例在全国推行。如今，巴西车辆普遍使用60%乙醇+33%甲醇+7%汽油的混合燃料。巴西年产乙醇1000万吨，其中97%用于汽车燃料。实施“汽油醇计划”给巴西带来了三大收益：形成了独立的经济能源运行系统，刺激了农业、乙醇工业及相关行业发展，环境质量显著改善。



　　同巴西一样，美国用法律强制推行“汽油醇计划”，鼓励生产和消费汽油醇。从1978年至今，美国通过数十项法案，从能源、交通、税收、环保、农业等方面对汽油醇给予支持。美国  “汽油醇”(把10%的乙醇添加在90%的汽油中)用量占全国汽油总量的70%，乙醇的年消费量500万吨。汽油醇还为美国带来了可观的综合效益。以1997年为例，全年美国汽车燃料使用乙醇512万吨，转化玉米1500万吨，占美国当年玉米总产量的7%，为社会提供了19.52万个就业机会，联邦政府从中多收入36亿美元。从20世纪80年代起，德国、荷兰、加拿大、瑞典等发达国家开始了汽油醇的推广。1995年，英国、法国、南非、古巴、泰国等越来越多的国家和地区纷纷加入到这一行列中来。



　　目前，以美国、巴西、日本和德国生产燃料乙醇的技术水平最高，效益最好。德国用剩余马铃薯和甜菜生产燃料乙醇，建立起日处理原料500～600吨、每小时乙醇产量2000升的工艺流程，谱写出了废物利用的新篇章。澳大利亚以木薯为原料生产燃料乙醇，在巴布亚新几内亚建造工厂，产品质量和产量均达到国际先进水平。巴西利用高光合效率的高粱和甘蔗建成了规模化的乙醇发酵生产工艺，乙醇年产量达到111亿公升，全国有200万辆汽车使用汽油醇燃料。



　　植物燃料源于自然



　　万物生长靠太阳。人类赖以生存的能源都是直接或间接地来自太阳光能，在生物进化发展的漫长历程中，光合作用的出现是生命世界的一次革命。绿色植物通过光合作用吸收太阳能，同化二氧化碳和水，转化形成有机物质。全球植物每年形成的有机物质，可产生的能量相当于1000亿吨石油，是目前全世界年能耗的50倍。我们现在所利用的煤炭就是在地质史上的石炭纪侥幸贮存的宝贵太阳能。可见，在色彩缤纷的植物世界里，蕴藏着巨量的能源，是未被开发利用的可再生能源的“富矿”。



　　当然，并非从所有的绿色植物中都可以提取可供生产生活需要的能源。能源植物是绿色世界的重要组成部分，它通常是指那些具有合成较高还原形式烃的能力，接近石油成分和可替代石油使用的植物，以及富含油脂的植物。按照化学成分的差别，能源植物分为以下几类。



　　一是富含类似石油成分的能源植物。石油的主要成分是烃类，如烷烃、环烷烃等，汽油、柴油、煤油等即是石油分馏后不同的组分。富含烃类的植物是植物燃料的最佳来源，生产成本低，利用率高。续随子、绿玉树、古巴香胶树、银胶菊和西蒙得木等是其杰出代表。如古巴香胶树分泌的乳汁与石油相似，不需要提炼即可作为柴油使用，每株树的年产量达40升。



　　植物广泛分布在世界的各个角落，含有石油成分的植物的分布也很广泛，种类多达千种。主要包括大戟科、萝摩科、夹竹桃科、桑科、菊科、桃金娘科和豆科等植物。有的产量大，在燃料性能方面接近普通柴油，如油桐、小桐子、光皮树、油楠树等；有的繁殖能力强，生长周期短，贮藏量大，对环境的适应性强，如续随子、西蒙得木、蒲公英、油莎草等。这些都是具有极大发展前途的燃料油植物。



　　二是富含高糖、高淀粉和纤维素等碳水化合物的能源植物。这是乙醇的快速生长点，是21世纪植物燃料的重要来源。这类植物种类较多，分布比较广泛。如，西谷椰子、菊芋、木薯、马铃薯、甜菜、高粱、玉米、甘蔗等等，都是生产乙醇的好原料。富含碳水化合物的植物再生速度快，每年产生的能量相当于600亿至800亿吨石油，为全世界每年石油总产量的20至27倍。我国仅稻草、麦草、蔗渣、芦苇、竹子等，年产量就超过10亿吨，这是取之不尽的植物能源。



　　三是富含油脂的能源植物。它们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。大豆、向日葵等富含油脂，经过转化以后用于内燃机在很多国家获得成功。美国把豆油和甲醇、氢氧化钠混合，洗去油里的甘油得到“大豆柴油”，然后将30%的“大豆柴油”和70%的普通柴油混合成汽车燃料使用，在圣路易斯和佳登尼亚等城市的公共汽车喝得就是这种“大豆柴油”。



　　世界上富油的植物达万种以上，我国有近千种，其中有的含油量很高。如，桂北木姜子的种子含油率达64.4%。黄脉钓樟种仁含油率高达67.2%。许多植物不仅含油率高，而且存储量很大。例如，苍耳广布华北、东北、西北，瘦果含油15-25%，种仁含油44%。资源十分丰富，仅陕西省的年产量就达1350万公斤。集中分布于内蒙、陕西、甘肃和宁夏的白沙蒿和黑沙蒿，种子含油16-23%，蕴藏量高达5亿公斤。



　　许多人认为，植物油，包括食用油和非食用油，作为一类替代能源是自然的选择。早在1900年巴黎博览会上，德国工程师鲁道夫?迪塞就曾使用花生油作发动机燃料。20世纪70年代末，石油制造商将汽油与发酵玉米胚芽中的乙醇混合，生产出清洁的混合燃料，至今使用。20世纪80年代以来，全世界众多科技工作者在各方面深入进行植物油直接或深加工后作为内燃机用燃料的研究，对产油植物的种类和分布以及所产油的性质进行了分析，研究植物油作为燃料的技术可行性，特别是作为柴油机燃料的可行性，揭示了某些植物油是柴油的理想替代燃料。



　　在美国，农场主们希望植物油开发获得成功，以扩大农作物市场和农产品综合利用的深度，增加经济效益，美国农业部国家农业应用研究中心的科研人员正在进行这方面的研究。同样，在我国，植物油及其各种深加工燃料作为内燃机代用燃料的研究试验也越来越深入，取得了一定成果，但有些关键、难点问题还需进行试验研究。在石化能源日渐枯竭的形势下，植物油燃料是一种有前途、有希望的代用燃料。



　　可见，绿色植物作为一种可更新可再生的绿色能源资源，优点是不言而喻的。首先，再生能力强，可一次种植，长期受益。能源植物同其它植物一样，在自然条件适宜的情况下，具有生生不息的活力，可源源不断地提供植物燃料。如一株古巴香胶树的寿命长达百年，烃类的生产能力可随植株的不断生长而逐年提高；中国象草种植一次，可收获20年。其次，减少污染，保护环境，维持生态平衡。植物燃料在燃烧的过程中产生的废气和毒物比石化燃料少，还能绝绿化荒山，调节气候，保持水土，净化环境，对于维护生态平衡具有重要的作用。第三，没有危险性和局限性，具有较高的经济效益和生态效益。



　　开发植物燃料方兴未艾



　　植物能源无一伦比的光明前景，为能源研究注入了新的活力。20世纪60年代以来，植物能源的开发研究一浪高过一浪。



　　首先闯入这一领域的是科学技术先进的美国。自20世纪70年代后期开始，以美国加州大学诺贝尔奖获得者卡尔文博士为代表的研究小组足迹世界各地，它们从寻找产生类似于石油成分的树种入手，集中研究了十字花科、菊科、大戟科、豆科、棕榈科等十几个科的大部分植物，分析了这些植物的化学成分，从中筛选引种了开发价值极高的续随子和绿玉树等树种进行栽培实验，开创了人工种植石油植物的先河，在加州南部建立起2公顷的石油植物林场，年收获植物石油50吨，并作了工业应用的可行性分析研究，提出通过栽培某些富含类似烃类物质的植物，即营造“石油人工林”，生产可再生的光合作用产品，走出了一条技术可行、经济实用的植物能源开发之路。



　　卡尔文的成功引起强烈反响，激起了研究开发植物能源的浪潮。英、美、日、瑞典、巴西、俄罗斯等国都纷纷投入大量的人力、物力和财力，成立相关的研究机构，加大植物能源的研究力度。同时，各国以种植石油植物为主的能源开发基地迅速崛起。美国在全国开辟种植了几百万公顷的各种石油植物速生林，建立了35个由三角叶杨、桤木、黑槐、桉树等能源植物组成的试验场。利用海藻类生产石油的试验研究亦逐步自成体系，捷报频传。现在每天每平方米水面可以从藻体中生产出类石油的燃料122升，成本费仅与化石燃料相当。对此，美国能源部信心十足，他们预测，用海藻生产的能源近年内即可满足全国燃料油总需求量的8%。此外，巴西建立起200万公顷的速生桉树林。英国专门拨出60万公顷的土地种植石油树。瑞士在“绿色能源计划”中，预计用10年的时间，种植10万公顷石油树种，以解决全国每年50%的石油需求量。菲律宾种植有1.2万公顷银合欢树，计划6年之后能收获石油100万桶。为了鼓励种植石油植物，欧共体15国还联合出台了对植物燃料减免90%消费税的优惠政策。至此，以植物石油燃料为主体的绿色能源异军突起，开始迈入实用化开发研究的新阶段。



　　为了充分利用资源充足的能源植物，世界各国同时还在积极开展以乙醇为主体的混合燃料，及以油酯转化为主要途径的酯化燃料的研究、实验、开发和利用。1981年，罗斯探讨乙醇的制取工艺流程，从多种富含碳水化合物的植物中找到了生产利用乙醇燃料的方法，开创了开发利用燃料乙醇的良好开端。1982年，伊格研究白杨树木材液化生产乙醇的技术，开辟了燃料乙醇生产的新途径。1984年，日本的无蒸煮法生产乙醇技术获得专利权。这些先进的技术与方法，为燃料乙醇的产业化生产奠定了坚实的基础。



　　此外，在产乙醇菌株的筛选方面也取得可喜进展。中国科学院成都生物研究所分离培养的热纤梭菌，其厌氧分解率在一周内达50%左右，开创了乙醇生产的新途径。光合产物中富含乙醇的植物也不断被发现，如生长在菲律宾山区的汉加树，每年三熟，每次每株收获果实约15公斤，果实中含15%的乙醇，经过分离提纯可直接用于内燃机。



　　科学的核心是创新。我国拥有热带、亚热带、暖温带、寒温带及高原高寒区域，植物区系成分复杂，种类繁多，其中，能源植物种类之多在世界上屈指可数。我国已发现含油量在20%以上的植物390多种，并且木本植物明显多于草本植物，两者的比例为3：1。从这些能源植物中，现已筛选出油楠、乌桕、小桐子、岩桂、四合木等可供开发利用的种类。这是开发利用植物燃料的资源优势。



　　我国栽培油料植物的成功经验，还可为种植能源植物提供了可行的模式。世界上大部分油料植物在我国都有成功的种植经验。如大豆、油菜、花生、芝麻、油桐、蓖麻、核桃、油莎草、红花等，其中有些种类最初仅限于南方或北方栽培，现已推广到全国各地。这些可为能源植物的引种驯化和大面积栽培提供了极大的方便。正因为如此，续随子、西蒙得木等在我国的引种栽培极为成功，可望短时间内即能建立起新的能源基地。凭借良好的发展基础，学习借鉴世界各国先进的研究成果，我国的植物燃料一定会有较快的发展，以适应国家经济持续发展的需要。



　　21世纪将是植物能源大展宏图的世纪！-



　　(责编  邹  星)



　　常见的能源植物



　　西蒙得木



　　又名火火巴，自然分布于墨西哥北部沙漠和美国加利福尼亚州南部。系灌丛植物，生长期长达百年，树叶常青，根系深入土层达10米，是干旱河谷地区绿化荒山保持水土的理想树种和名贵的工业原料。100年前印第安土著人就食用西蒙得木的果实。20世纪70年代，科学家发现西蒙得木油可以代替鲸蜡作高级化妆品。近20年来，随着科技的发展，对西蒙得木油进行了更深度的开发和广泛应用。



　　西蒙得木油从果核中提取，主要是高功效性的直链四十二双烯脂。它极抗氧化、耐高温、耐高压、熔点高，已成为航空、航天精密仪器和磁记忆媒体等高科技行业的润滑剂。药用可治疗癌症、高血压、心脏病、皮肤病，并广泛用于高级化妆品，是生产护肤、护发、美容和防晒霜的优质原料，具有很高的经济价值。目前，世界市场上西蒙得木油供不应求，现时国际价格每吨达3～5万美元，被称之为液体黄金。



　　银胶菊



　　菊科银胶菊属中唯一产胶的物种，又名银色橡胶菊，因叶子具银灰色而得名。为多年生常绿灌木，高60～90厘米，寿命30～40年。花浅黄色，着生于花茎分枝的花梗上，花茎有叶或无叶，靠风和昆虫传粉。主茎不明显，茎基部多分枝，形成稠密丛状灌木。单叶互生，根系发达，各部位的细胞里均含橡胶，以茎和根的韧皮部含胶量最多，木质部较少，叶片含胶极少。



　　银胶菊天然分布于墨西哥中、北部一直伸延到美国得克萨斯州南部。极耐干旱，喜强光照，温暖气候。喜欢生长在石灰质渗透性良好的砂壤土杂有大量碎石块的地方。播种后生长6个月即可开花结实。雨量适宜或有灌溉，生长3年即可收获。收获时可整株连根拔起，亦可只割取地上部分，前法可获得全部产量，后法则可节省重植费用，每公顷可产胶1000～1500公斤。



　　绿玉树



　　又称神仙棒、绿珊瑚、龙骨树，大戟科热带灌木或小乔木，原产于非洲沙漠。绿玉树不长叶子，尽是光溜溜、绿玉般的枝条，春天开黄绿色小花。全株含有带毒的白色乳液，乳汁中碳氢化合物含量很高，是有希望的石油替代植物。海南岛三亚市南山文化旅游区内的海山奇观山上遍地生长着野生的绿玉树。



　　绿玉树茎干光滑，圆柱状，无叶片，是较为奇异的观茎植物。可盆栽作室内陈设装饰，也可作植物形态变异的教学实验材料。



　　西谷椰子



　　西谷椰子树属棕榈科植物，又称米树，与棕榈、槟榔以及椰子等是同科兄弟姐妹。主要分布于马来半岛、印尼诸岛和巴布来新几内亚等地，树干挺直，叶长，约有3～6米，终年常绿。寿命很短，只有10～20年。一生中只开一次花，开花后整株枯死。西谷椰子的树皮内全是淀粉，开花之前，是淀粉贮存的最高峰。奇怪的是，这些积存了一生的几百公斤淀粉会在开花后很短时间内消耗掉。为了及时地收获大自然赐给人类的食粮，当地人在开花前就把它砍倒，刮取树干内的淀粉。



　　自古以来，米树的淀粉一直是当地土著居民的重要食粮。他们把刮到的淀粉放在桶内，加水搅拌成米汤，澄清后干燥，然后再加工成一粒粒洁白晶莹的“大米”，这就是著名的“西谷米(西米)”。目前世界上仍有几百万人依靠西谷米维持生活。