1.2 生物质的组成与特性
1.2.1 化学组成
生物质是多种复杂的高分子有机化合物组成的复合体，其组成成分多种多样，主要有纤维素、半纤维素、木质素以及少量的淀粉、蛋白质、脂质等。其中纤维素、半纤维素和木质素的存在形态如图1.2所示。不同种类的生物质，其成分差异很大。从能源利用的角度来看，利用潜力较大的是由纤维素、半纤维素组成的全纤维素类生物质。上述组成成分由于化学结构的不同，其反应特性也不同，因此根据生物质的组成特性选择相应的能量转化方式十分重要。典型生物质材料的组成成分见表1.3。
表1.3 典型生物质材料的主要组成成分（空干基）
1.纤维素
纤维素是由D-葡萄糖通过β-葡萄糖苷键连接而成的多糖。其分子以（C6H12O5）n表示，n为聚合度，为几千至几万，结构式如图1.3所示。纤维素完全水解后生成D-葡萄糖（单体），部分水解则生成纤维二糖、纤维三糖等n=4~10的多糖。纤维素具有晶体结构，不溶于水，无还原性，水解一般需要浓酸或稀酸在加压下进行。棉花几乎100%由纤维素组成；而木材中还含有一定量的半纤维素和木质素，纤维素平均含量为40%~50%。
图1.2 生物质的主要成分结构图
图1.3 纤维素结构式
2.半纤维素
纤维素是仅由D-葡萄糖结构单元组成的多糖，而半纤维素则是由D-木糖、D-阿拉伯糖（以上均为戊糖，五碳单糖）、D-甘露糖、D-半乳糖、D-葡萄糖（以上均为己糖，六碳单糖）等结构单元构成的多糖。其中戊糖多于己糖，平均分子式可表示为（C5H8O4）n。与纤维素有规律的链状结构不同，半纤维素含有支链结构，聚合度为50~200，低于纤维素的聚合度，结构式如图1.4所示。因此，半纤维素与纤维素相比，易于分解，大多可溶于碱溶液。半纤维素中含量较多的是木聚糖，它是D-木糖经1,4-糖苷键缩合形成的产物。半纤维素大量存在于植物的木质化部分，如秸秆、种皮、坚果壳和玉米穗等，其含量依植物种类、部位和老幼程度而有所不同，半纤维素前驱体是核糖苷酸。
图1.4 半纤维素结构式
3.木质素
木质素是植物界中仅次于纤维素的最丰富的有机高聚物。广泛分布在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所特有的化学成分。木质素是一类由苯丙烷单元，通过醚键和碳碳键连接的复杂的无定型高聚物，它和半纤维素一起作为细胞间质填充在细胞壁的微细纤维之间，加固木化组织的细胞壁，也存在于细胞间层，把相邻的细胞黏结在一起。木质素具有立体结构，而且难以被微生物及化学试剂分解，所以具有构成植物骨骼和保护植物的功能，结构式如图1.5所示。
4.淀粉
淀粉与纤维素一样，是由D-葡萄糖（和一部分麦芽糖）结构单元构成的多糖，纤维素是以β-葡萄糖苷键结合而成的，而淀粉是以α-葡萄糖苷键结合而成的。此外，纤维素不溶于水，而淀粉则分为在热水中可溶和不可溶两部分，可溶部分称为直链淀粉，占淀粉的10%~20%，相对分子量1万~6万；而不溶部分称为支链淀粉，占淀粉的80%~90%，相对分子量5万~10万，支链淀粉具有分枝状结构。淀粉在种子、块状（根）茎及其他部位以微粒状态存在于玉米、大豆、山芋、米、麦等农产品中，作为食物具有极高的价值。
图1.5 木质素结构式
5.蛋白质
蛋白质是构成细胞的重要物质，约占细胞总干重的60%以上，蛋白质是由多种氨基酸组成，相对分子质量很大，由五千到百万以上，氨基酸主要由碳（C）、氢（H）、氧（O）三种元素组成，另外还有氮（N）和硫（S）。构成蛋白质的氨基酸有20多种，细胞中的储存蛋白质以多种形式存在与细胞壁中成固体状态，生理活性较稳定，可以分为结晶和无定形。粗蛋白含量约相当于该物质中氮元素含量乘以6.25。
6.其他有机成分
纤维素、半纤维素、木质素几乎是所有生物质的组成成分。与这些多糖类碳水化合物相比，生物质中含量较少（在不同物种中含量不同）的物质是甘油酯，它是甘油的脂肪酸酯，根据所结合的脂肪酸基团的数目，可分为甘油单脂、甘油二酯和甘油三酯，特别是甘油三酯，作为脂肪（油脂）在生物质中含量较多。
生物质中还含有少量的生物碱、色素、树脂、甾醇、萜烃、类萜、石蜡。他们虽然含量较低，但大多数具有生物学特性，作为化学品和药品的价值较高，这方面的有效利用正在开展之中。
7.无机成分（灰分）
虽然生物质是天然高分子有机物，但也含有微量的无机成分（灰分）。灰分中含有钙（Ca）、钾（K）、磷（P）、镁（Mg）、硅（Si）、铝（Al）、钡（Ba）、铁（Fe）、钛（Ti）、钠（Na）、锰（Mn）、锶（Sr）等金属，而金属含量则与生物质的种类有关。树木和草本植物燃烧后的残余灰分可以作为肥料播撒在土地上，有利于生物质生产的循环。
1.2.2 元素组成
生物质燃料中除含有少量的无机物和一定量的水分外，大部分是可以燃烧的有机物。生物质燃料的元素的基本组成是碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、硫（S）、磷（P）、钾（K）等元素。表1.4为典型生物质主要元素组成。
表1.4 典型生物质主要元素组成（单位：%，空干基）
（1）碳（C） 是燃料中的主要元素，其含量多少决定着燃料发热量的大小，含碳量越高发热量越高。碳燃烧后生成CO2或CO，并放出大量的热量。1kg纯碳完全燃烧释放约33913kJ的热量。碳的存在形式有两种：①碳与氢、氮等元素组成不稳定的碳氢化合物，为化合碳，燃烧时以挥发物析出燃烧；②固定碳，挥发物析出后在更高的温度下才能燃烧。柴草中固定碳的含量少于煤炭，而挥发物含量多于煤炭，所以容易着火燃烬。
（2）氢（H）常以碳氢化合物的形式存在，燃烧时以挥发气体析出。1kg氢燃料可放出142256kJ的热量。但氢的燃烧产物是水蒸气，汽化潜热要带走一部分热量，实际放热值为11970kJ。氢含量越高越容易燃烧。
（3）氧（O）助燃但本身不释放出热量，而且会降低燃料的发热量。
（4）氮（N）不能燃烧，一般情况下以自由态排入大气，但在高温状态下可与氧反应生成NOx污染大气环境。
（5）硫（S）是可燃物质，1kg硫燃烧放热9210kJ，燃烧产物SO2和SO3与水蒸气反应生成有害物质，腐蚀金属，污染大气，危害人体，影响动植物生长。生物质中硫含量并不大，占0.1%~0.2%。
（6）磷（P）可燃，燃烧后生成P2O5，是草木灰中的磷肥，在生物质元素组成中占比为0.2%~0.3%。
（7）钾（K）可燃，燃烧后生成氧化钾，是草木灰中的钾肥。
在生物质中还有一定量的水分和少量矿物质，水分在燃烧过程中产生水蒸气，带走一部分热量，其他不可燃的矿物质如SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3等组成灰分。灰分对燃料发热量有较大影响，灰分多，发热量就少，燃烧的温度就低。
生物质的元素组成与煤等传统化石能源相比，其含硫量和含氮量都较低，同时灰分含量也很小，燃烧后SOx、NOx和灰尘排放量都比化石燃料小得多，是一种清洁的燃料。生物质能的优点是燃烧容易、污染少、灰分较低；缺点是热值及热效率较低、体积大且不易运输。直接燃烧生物质的热效率仅为10%~30%。