2.1 农林废弃物的组成及能源化利用方法
农林废弃物是农业废弃物和林业废弃物的总称，分别指农业和林业生产、加工过程产生的固体废弃物。
2.1.1 农业废弃物的组成
农业废弃物是农业生产的副产物，也是我国农村的传统燃料，主要包括：农业生产过程中的废弃物，如农作物收获时残留在农田内的农作物秸秆（麦秸、稻草、棉秆、麻秆、芦苇、玉米秸、高粱秸、甘蔗渣和豆秸等）；农产品加工业的废弃物，如农业生产过程中剩余的稻壳等。目前全国农村作为能源的秸秆消费量约2.86×108t，但大多数还是低效利用，即直接在柴灶上燃烧，其转换效率仅为10%～20%。随着农村经济的发展和农民收入的增加，改用优质燃料（液化气、电炊、沼气、型煤）的家庭越来越多，各地均出现收获后在田边地头放火焚烧秸秆的现象，既危害了环境，又浪费了资源。目前我国农业废弃物的利用率和前几年相比不仅没有提高，反而有所降低，许多地区废秸秆量已占总秸秆量的60%以上，因此，加快秸秆的优质化转换利用势在必行。
（1）麦秸
我国麦秸资源年产量达1亿吨左右，大部分未得到合理利用，造成了资源的极大浪费。
麦秸的主要化学成分是纤维素、半纤维素和木质素。麦秸节间纤维素含量最高，麦秸半纤维素中聚戊糖的含量相当于阔叶树材的最高值。麦秸次要成分中的灰分含量远高于木材，而灰分中95%以上是SiO2。麦秸的热水抽提物含量也较高，为10%～23%，其中果胶质仅为10%左右，大部分为淀粉等低聚糖。麦秸的1%氢氧化钠抽提物含量大约比木材高1倍，说明麦秸中低分子碳水化合物的含量较高。
麦秸自身密度较小，节间的平均密度为0.313g/cm3（绝对含水率W=8.9%），接近根部的节间壁较厚，密度为0.316g/cm3，节的密度为0.341g/cm3（W=8.9%），节鞘的平均密度为0.257g/cm3（W=8.9%）。从节间的横切面看，表皮处坚实，平均密度为0.383g/cm3，中层为0.307g/cm3，内层为0.298g/cm3。
（2）稻草
稻为禾科禾亚科稻属，别名禾、粳、糯。稻是重要的粮食作物，稻草是水稻的茎，一般指脱粒后的稻秆。稻草是主要的农作物秸秆资源之一，根据联合国粮农组织统计，全世界稻草年总产量为44982.7万吨，主要分布在中国、印度、日本等国，其中我国为17218.4万吨，占世界总量的38.3%。除在部分地区用作造纸（制造包装纸、普通文化用纸、草纸板等）、种植食用菌外，目前大部分直接燃烧，利用比例较低。
稻草自身的热导率很小，仅为0.035W/（m·℃），5mm稻草板的热导率为0.108W/（m·℃）。稻草中粗蛋白含量3%，粗脂肪含量1%左右，灰分含量3%～12%，尤其草叶、草穗又高于茎秆。灰分中SiO2含量很高，达60%以上。稻秆的密度很小，热值约为煤的1/2，能量密度低。我国每年稻草的产量近2亿吨，若考虑与稻秆性质相近的农作物秸秆，则一年总量计5.52亿吨，折合标准煤约2.26亿吨。
与煤的化学组成和结构相比，稻草的基本结构单元中具有较少的缩合芳香环化合物和较多的脂肪烃结构以及较多数量和种类的含氧官能团，侧链比较长，这些特点使得稻秆在较低的温度下就能发生热解反应，析出挥发分迅速，但析出的气态物中存在高含氧量的碳氧化物，挥发分热值较低。稻秆在热解过程中生成气、液、固三种产物。
稻草的H/C（氢碳原子比）与O/C（氧碳原子比）值较高。H/C值越高，越有利于生成液态的轻质芳烃或气态的烷烃，一般苯和苯酚的H/C值等于或大于1，CH4的H/C值是4；而O/C值高表明包含与氧的桥键（—O—）相关的各种基团，容易断裂键而形成气态挥发性产物。
2.1.2 林木废弃物的组成
林木废弃物是指在森林培育、抚育等经营管理及木材生产、加工和消费过程中产生的废弃物，按照来源又可细分为采伐剩余物、造材剩余物、抚育和间伐剩余物、木材加工剩余物、建筑木质废料、拆迁木质废料、装修木质废料、废弃木质家具以及废弃木质包装材料等。采伐剩余物是在森林和林木采伐过程中产生的枝桠、梢头、树皮、树叶、树根和藤条等。造材剩余物是在森林和林木采伐以及木质产品初加工过程中产生的截头、枝桠等。工业用材林中幼龄抚育及间伐剩余物主要是生态林、经济林、绿化林抚育和修整得到的木材。木材加工剩余物是在木制品加工过程中产生的板皮、板条、木竹截头、锯末、碎单板、木芯、木屑、刨花、木块、边角余料、砂光粉尘等。建筑木质废料是在建筑物建造过程中产生的废旧木模板、木胶合板和木脚手架等。拆迁木质废料是在房屋本体拆迁过程中产生的门窗、梁、柱、椽、木板等木质材料。装修木质废料是在建筑装饰装修过程中产生的木质废料。废弃木质家具是指废弃的木质家具或家具部件。废弃木质包装材料是废弃的木质包装物及拆解下来的木质材料。可以看出，林木剩余物的形式非常复杂多样，有木屑、锯末、刨花、板皮、枝桠、截头、木片、木板等等。
据统计，林木剩余物甚至可以占到人类原木蓄积量的50%，数量巨大。森林采伐时，原木仅占森林总量的30%左右，约70%的大量采伐剩余物留在林地中，若不合理利用，不但造成资源的浪费，而且妨碍森林的更新。在森林采伐剩余物中，约有20%的小径木及弯曲材、30%的树墩与树根、20%的枝桠、20%的树梢及10%的树皮。另外，林木剩余物还包括林业副产品生产中的一些副产物，如椰子壳、核桃壳、油茶壳、杏核、桃核等果核。
（1）林木抚育、间伐剩余物
根据国家林业局相关技术规定，中幼龄林在其生长过程中间伐2～4次。森林抚育间伐平均出材量6.0m3/hm2（20%间伐强度），可产生5.51亿立方米小径材，换算成生物质量为5亿吨。针叶树种和阔叶树种的修枝次数不同，平均为2～3次。在林木抚育期间，可产生1.84亿吨枝条。全国中幼龄林抚育间伐量为6.84亿吨。
林业生产和森林更新过程中产生的剩余物有采伐剩余物、造林剩余物和加工剩余物。树干是林木生物质的主要部分，约占70%，采伐后的枝和叶约占30%。
根据各林区采伐数据和样地数据，采伐剩余物（梢头+枝+叶）约占林木生物质量的40%。我国用材林达到采伐标准的成熟林和过熟林的面积为1468.57万公顷，蓄积量27.4亿立方米，总生物质量32.14亿吨。防护林和特种用途林需要采伐更新的过熟林面积307.75万公顷，蓄积量7.13亿立方米，总生物质量8.36亿吨。林木采伐更新总量40.5亿吨，采伐剩余物量约16.2亿吨。
天然林是我国森林资源的主体，全国天然林面积占林地面积的68.49%，占森林蓄积量的87.56%。天然林资源尤其是天然用材林的大部分集中在人口密度较小的山区，经过长时间的砍伐后，剩余的森林地处偏僻之处、交通闭塞、运输困难，所以这些地区森林所生产的采伐剩余物难以利用。另外，国家实施了天然林保护工程，天然林采伐受到严格限制。上述区域的采伐剩余物和抚育间伐物受政策和自然条件限制，利用难度大。其他地区（大部分是人工林），近30%的采伐剩余物和抚育间伐物可以利用，约为7亿吨。
根据《中国森林资源报告2014—2018》，我国森林面积2.2亿公顷，森林覆盖率22.96%，森林蓄积量175.6亿立方米；人工林面积0.69亿公顷，蓄积量24.83亿立方米。面积和蓄积量连续30多年保持“双增长”，成为全球森林资源增长最多的国家。
2018年，我国森林年均采伐量3.34亿立方米。其中，天然林年均采伐量1.79亿立方米，减少5%；人工林年均采伐量1.55亿立方米，增加26%；人工林采伐量占森林采伐量的46%，上升了7个百分点，森林采伐继续向人工林转移。每年的采伐量约合3.91亿吨林木质生物量，按采伐剩余物占总采伐量40%的比例计算，约产生1.56亿吨采伐剩余物。经济林、竹林的修剪枝丫量和木材加工剩余物全部作为能源为0.2～0.3亿吨。
由于我国一些地区农民燃料短缺，专门用作燃料的薪炭林太少，所以常以材林充抵生活燃料，这就属于“过耗”。近年来过耗现象已趋减少，而且造林绿化快速发展，全国用材林已形成5700多万公顷的中幼龄林，通过抚育间伐，可提供1亿多吨的生物质原料。
（2）木材加工剩余物
根据国家统计局发布的2018年国民经济数据，全国木材产量8432亿立方米，比上年增长0.4%。木材加工剩余物数量为原木的34.4%，其中，板条、板皮、刨花等占全部剩余物的71%，锯末占29%。木材加工剩余物为2911.27万立方米，换算成质量为2620.12万吨。
2.1.3 农林废弃物对环境的影响
农林废弃物如不加以收集利用，会对环境造成如下影响：
①农林废弃物的大量堆积，会占用大量的土地，影响人们的出行与交通。
②由于农林废弃物大多属着火点较低的可燃物，在“天干物燥”的秋冬季节，极易引起火灾，造成生命和财产的损失。
③农林废弃物长期堆放，会因腐败变质而散发出难闻的气味，影响居民的正常生活和身体健康。
为解决这一问题，以往农村都是采用就地焚烧的方式进行处理，因此每到收割季节，全国到处可见焚烧农作物秸秆的现象，导致大气污染非常严重，有的甚至直接威胁到交通安全。近年来，虽然农村已禁止焚烧秸秆，但农林废弃物不会因禁止焚烧就不产生，因此需找到一个妥善的解决办法。
现有农林废弃物资源的综合利用途径相当多，很多途径的资源利用率和经济效益都很高，但消耗量小，不能从根本上解决农林废弃物资源的处理和利用。如将农林废弃物资源作为能源载体，不仅能够最大量地处理农林废弃物，且产物不存在销路问题，而且还是唯一可液化的可再生能源，同时还是可通过光合作用实现大气中CO2和O2循环平衡的载体，在世界能源安全和碳减排中均将起到重要的作用。
2.1.4 农林废弃物的能源化利用方法
对于农林废弃物，因其中含有大量的化学能，因此可采用热化学转化（如直接燃烧、热化学液化、热化学气化和热化学炭化等）、物理转化（加工成成型燃料）和生物转化（如生物液化制燃料乙醇、丁醇和生物柴油，生物气化制沼气和氢气）的方法，将化学能转化为热能或高品位的能源物质而实现利用。
（1）直接燃烧
直接燃烧是指针对不同形状的农林废弃物原料，采用特定的燃烧方法及相适应的炉型使其与氧气发生燃烧反应，同时放出热量。直接燃烧的目的是利用其燃烧放出的热值，因此采用的炉型应尽可能使农林废弃物燃尽，即尽可能放出更多的热量。
根据农林废弃物形状及尺寸，采用的燃烧方法有层状燃烧、沸腾燃烧、流化燃烧、悬浮燃烧等，相应的燃烧设备分别为层燃炉、沸腾燃烧炉、流化床燃烧器（也称流化床锅炉）、悬浮燃烧炉等。
由于农林废弃物直接燃烧的热利用效率低，而且在燃烧过程中会产生大量的烟气和粉尘，因此已逐渐被热化学液化、热化学气化和热化学炭化等热化学转化技术和生物液化、生物气化等生物转化技术取代。
（2）热化学液化
热化学液化是在一定的温度和压力条件下，将农林废弃物经过一系列化学加工过程，使其转化成生物油的热化学过程。农林废弃物热化学液化对原料的适应性强，生物质利用率高，反应时间短，易于工厂化生产，产品能量密度大，易于存储和运输，直接或加以改性精制就可作为优质车用燃料和化工原料，不存在产品规模和消费的地域限制问题，同时也可以处理生物质发酵残余物，因而成为国内外生物质液化研究开发的重点和热点。
根据热化学加工过程的不同技术路线，农林废弃物的液化可分为热解液化和水热液化。
1）热解液化
热解是指以农林废弃物为原料，在一定温度和缺氧条件下，使农林废弃物中的大分子物质裂解为小分子的气体和液体，残余物称为半焦。产生的小分子气体和液体都可以作为燃料，从而提升了农林废弃物的燃料品质。以追求气体产物收率最大化的热解称为热解气化；以追求液体产物收率最大化的热解称为热解液化；以追求固体产物收率最大化的热解称为热解炭化。
热解液化是将农林废弃物在隔绝空气的情况下快速加热，通过热化学反应，将原料直接裂解为粗油，反应速率快，处理量大，原料广谱性强，生产过程几乎不消耗水。生物油为主要产品，干基产率在70%左右，副产物为半焦、灰渣和气体，整个系统没有废气排出，处理过程几乎无污染。
农林废弃物热解液化最大的优点在于其产物生物油易存储、运输，为工农业大宗消耗品，不存在产品规模和消费的地域限制问题，生物油不但可以精制改性替代传统燃料，而且还可从中提取出许多附加值较高的化学品。采用分散热解、集中发电的方式，生物油通过内燃机、燃气轮机、蒸汽轮机完成发电，这些系统可产生热和能，能够达到更高的系统效率，一般为35%和45%，并且解决了因发电要求规模效益而带来的农林废弃物运输和储存成本以及场地费用等问题，适合于生物质能的特点，是一项极具经济性和产业化发展前景的技术。
2）水热液化
液化是在合适的催化剂、溶剂介质存在下，在反应温度200～400℃、反应压力5～25MPa、反应时间从2min至数小时条件下液化，生产生物油、半焦和干气。由于水安全、环保、易得，因此常用水作溶剂，即为水热液化。水热液化所得生物油的含氧量在10%左右，热值比热解液化的生物油高50%，物理和化学稳定性更好。
由于水的汽化相变焓为2260kJ/kg，比热容为4.2kJ/（kg·℃），使水汽化的热量是把等量的水从1℃加热到100℃所需热量的5倍，而对于高含水生物质（含水率通常高于70%），采用热解液化技术需要干燥，能耗过大，因而增加了生产成本。采用水热液化无需进行脱水和粉碎等高耗能步骤，还避免了水汽化，反应条件比快速热解温和，且其中的水分还能提供加氢裂解反应所需的·H和脱羧基的·OH，有利于热解反应的发生和短链烃的产生。与热解液化相比，水热液化能获得低氧含量、高热值、黏度相对较小、稳定性更好的生物油，因此适用于水生植物、藻类、养殖业粪便和二次有机污泥等高含水有机废弃物的规模化液化，极具经济性和工业化前景，成为国内外研究者和生产者关注的热点之一。
目前，水热液化还处于实验室研究阶段，尽管反应条件相对温和，但对设备要求较为苛刻、成本较高等缺点使其应用受到一定的限制。
（3）热化学气化
热化学气化是在一定的温度条件下，将农林废弃物经过一系列化学加工过程，使其转化成小分子气体的热化学过程。根据热化学加工过程的不同技术路线，农林废弃物的气化可分为热解气化、气化剂气化和水热气化。
1）热解气化
热解气化是在无氧或缺氧条件下将农林废弃物加热，使有机物产生热裂解，经冷凝后产生利用价值较高的燃气、燃油及固体半焦，但以气体产物产率为目标。
2）气化剂气化
气化剂气化简称气化，是采用某种气化剂，使农林废弃物在气化反应器中进行干燥、热解、燃烧和还原等热化学反应，生成含有CO、CH4、H2和CnHm等的可燃气体，热值高达16～21MJ/m3，除了直接燃烧用于炊事外，还可用作发电和热电冷多联产等。半焦可用作固体燃料、土壤改良剂、肥料缓释增效的载体以及高性能活性炭的原料等。灰渣富含钾、硅、镁、铁等作物所需元素，可用于肥料。
3）水热气化
水热气化是以水为溶剂，在合适的催化剂和一定的工艺条件下，使农林废弃物中的大分子物质发生裂解生成小分子的可燃气。
（4）热化学炭化
农林废弃物热化学炭化是指在一定温度条件下将农林废弃物中的有机组分进行热分解，使二氧化碳等气体从固体中被分离，同时又最大限度地保留农林废弃物中的碳值，使农林废弃物形成一种焦炭类的产品，通过提高其碳含量而提高其热值。根据热化学加工过程的不同技术路线，农林废弃物的炭化可分为热解炭化和水热炭化。
1）热解炭化
农林废弃物的热解炭化是在一定温度条件下，将满足含水率要求的农林废弃物进行热解，通过控制其操作条件（最主要是加热温度及升温速率），使农林废弃物中的有机组分分解产生气体、液体和固体，具体组成和性质与热解的方法和反应参数有关。如果热解是以追求固体产物的产率为目标，此时即为热解炭化，其过程的实质是在缺氧或少氧的情况下对生物质进行干馏，因此也称干馏炭化。
2）水热炭化
农林废弃物的水热炭化是在一定的温度和压力条件下，将农林废弃物放入密闭的水溶液中反应一定时间以制取焦炭的过程，实际上水热炭化是一种脱水脱羧的煤化过程。与传统的热解炭化相比，水热炭化的反应条件相对温和，脱水脱羧是一个放热过程，可为水热反应提供部分能量，因此水热炭化的能耗较低。另外，水热炭化产生的焦炭含有大量的含氧、含氮官能团，焦炭表面的吸水性和金属吸附性相对较强，可广泛用于纳米功能材料、炭复合材料、金属／合成金属材料等。
（5）物理转化
一般说来，农林废弃物的着火点很低，可直接作为燃料燃烧产热，但由于其能量密度较低，持续燃烧时间短，因此，也可采用物理转化的方式，将其加工成成型燃料，提高其能量密度，从而拓展其应用领域。
（6）生物液化
农林废弃物生物液化是指在微生物或酶的作用下，将农林废弃物转化为乙醇、丁醇等液化燃料。其中生物燃料乙醇的生产过程、反应机理和反应动力学等相对较为简单，生产工艺和装备与白酒生产几乎没什么不同，技术也很成熟，是近几年发展较快的生物质能转换技术。以稻草、谷物秸秆等农林废弃物为原料，将其转化为糖类，并在发酵桶中采用专用的细菌将糖类转化为生物丁醇和丙酮的液化技术，是当前国内外生物法液化技术研究的热点和未来的发展方向。
目前农林废弃物生物法液化存在的共性难题是反应时间长、发酵剩余物在70%以上、产品提纯能耗高等，急需解决的问题包括：提高生物质转化效率、处理能力和产率，降低生产成本；采用多种专用微生物和酶，将糖化、发酵和回收过程集成，开发连续化生产工艺，使发酵长时间地在峰值生产速率下完成，提高目标产物浓度，避免产品生成抑制问题；筛选和培育高效生物酶和专用菌，提高产率和原料适应性；开发先进的提纯分离技术，提高用能和用水效率。
（7）生物气化
农林废弃物生物气化是指在微生物或酶的作用下，通过厌氧发酵将农林废弃物转化为沼气或氢气等可燃气体。其中，农林废弃物厌氧发酵制沼气的技术已非常成熟，得到了普遍的应用。