生物质利用现状

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生物质利用现状                      肖军 段菁春　王华　庄新国
     毫无疑问, 可持续发展已成为21 世纪人类的共识, 能源使用上的“开源节流”正是实现能源可持续发展的有效措施之一。“开源”是指因煤、石油和天然气等传统不可再生的化石能源面临着枯竭(其使用年限分别仅剩220 a、40 a 和60 a)  , 迫切需要其他能源来进行补充和替代, 即建立多种能源并存(包括可再生和不可再生) 的新体系;“节流”则是指采用新技术、新方法提高基础能源的使用效率, 降低能耗和环境污染, 增加其使用年限。生物质的使用既是“开源”的重要的组成部分, 又是“节流”的有效手段, 因此其研究具有重大的理论和实践意义。
1　生物质的定义及我国生物质资源量
        所谓生物质是指有机物中除化石燃料外的所有来源于动、植物能再生的物质。生物质能则是指直接或间接地通过绿色植物的光合作用, 把太阳能转化为化学能后固定和贮藏在生物体内的能量。由绿色植物派生的生物质包括: (a) 城市垃圾: 工业、生活和商业垃圾, 全球每年排放100 亿吨;(b) 有机废水: 工业废水和生活污水, 全球每年排放4500 亿吨; (c) 粪便: 禽、畜粪便等, 全球每年排放数百亿吨以上; (d) 林业生物质: 薪柴、落叶、树皮、树根及林业加工废弃物等; (e) 农业废弃物: 秸秆、果壳、果核、玉米芯等; (f) 水生植物: 藻类、浮萍、水葫芦、水风信子等; (g) 能源植物: 生长迅速, 轮伐期短的乔木、灌木和草本植物。
     生物质被喻为即时利用的绿色煤炭, 具有挥发分和炭活性高,N、S 含量低(含N 量0. 5%～ 3% , 含S 量0. 1%～ 1. 5% )、灰分低(0. 1%～ 3% )。同时生物质燃烧过程具有CO 2 零排放的特点, 这对于缓解日益严重的“温室效应”有着特殊的意义[ 4 ]。我国生物质资源丰富, 据统计, 全国近年秸杆年产量约6 亿吨[ 5 ] , 薪柴年产量(包括木材砍伐的废弃物) 为2 亿吨左右, 还有大量的人畜粪便及工业排放的有机废料、废渣, 每年生物质资源总量折合成标准煤2～4 亿吨。目前除少量生物质被用于农村家庭燃料或饲料外, 绝大多数生物质被露天焚烧、填埋, 或直接丢弃在田间地头进行生物降解。因此很有必要加强对生物质利用的研究。
2　生物质利用的主要技术
目前对生物质转化利用方式的研究主要集中在以下方面:
(1) 热解技术。该项技术是生物质在反应器中完全缺氧或只提供有限氧和不加催化剂条件下, 高温分解为生物炭、生物油和可燃气的热化学反应过程。热裂解工艺有以下3 种类型: ①慢速热解(烧炭法)。主要用于木炭烧制; ②常规热解。是将生物质原料放入常规热解装置中进行, 经热解, 可得到原料重量20%～ 25% 的生物炭、10%～ 20% 的生物油;
③快速热解。快速热解产物中的生物油, 一般可以达到原料重量的40%～ 60% , 快速热解过程需要的热量以热解产生的部分气体为热源供应。
(2) 物质液化技术。
该技术是以生物质为原料,制取液体燃料的工艺。将生物质转化为液体燃料使用, 是有效利用生物质能的最佳途径, 其转换方法可分为热化法(气化、高温分解、液化)、生化法(水解、发酵)、机械法(压榨、提取) 和化学法(甲醇合成、脂化) , 生物质液化的主要产品是甲醇、乙醇和生物柴油。在巴西, 1 t 甘蔗可生产酒精65 L (95% 乙醇) ,该国车辆已普遍使用乙醇或60% 酒精+ 33%甲醇+ 7% 汽油。新西兰则利用饲料甜菜、紫百梧和松树生产酒精。澳大利亚利用桉树发酵工艺生产酒精, 用于汽车燃料。美国把乙醇添加在汽油中用于汽车燃料。此外, 日本、德国、加拿大、印度、印尼、菲律宾等国也非常重视酒精燃料的开发。
(3) 生物质气化技术。
  生物质气化技术主要有热解气化技术和厌氧发酵生产沼气技术等。其中热解气化技术主要用于生物质发电, 而沼气生产技术主要用于农村家庭用燃气。沼气发酵利用的是有机废弃物, 如农作物秸秆、粪便、有机废水等转化为气体燃料。沼气发酵装置在处理高含水有机废弃物方面是非常有用的, 是其它处理技术无法替代的有效处理途径。截止到1996 年底, 我国推广农村户用沼气池602 万口, 供2 500 万人使用; 沼气工程592 处, 总池容33. 5×104m 3, 供0. 2 万户用气; 城镇生活污水净化沼气池5. 2 万座, 总池容180. 8×104m 3, 年产沼气2 305×104m 3,供2. 8 万多户用气。沼气发酵系统与农业结合十分密切, 能有效促进农村经济的发展, 有利于保护农村生态环境, 使农业发展走可持续发展之路[ 11 ]。生物质气化发电技术在国外发展较快。1992年, 美国大约有1 000 个利用木材气化的发电厂, 运行装机650 万千瓦, 年发电42 亿千瓦时, 发电成本4～ 6 美分ö千瓦时, 每千瓦投资2 000～ 3 000 美元:加州电力供应的40% 来源于生物质发电, 目前生物质动力工业在美国已成为仅次于水电的第二大可再生能源工业。自“六五”以来, 我国也开展了相应的工作, 并得了一系列卓有成效的研究成果, 特别是山东省科学院能源研究所研制开发的秸秆生物质气化集中供气系统, 在农村具有广阔的应用前景[ 11 ]。
(4) 生物质固化成型技术。
  固化成型技术是将经过粉碎、具有一定粒度的生物质(如秸秆、果壳、木屑、稻草等) , 放入挤压成型机中, 在一定压力和温度的作用下制成棒状、块状或粒状物的加工工艺[ 8 ]。压制成型后的燃料容重可达1 200kgöm, 热值约16MJökg, 含水率在12% 以下, 体积缩小为1ö8～ 1ö6。成型燃料热性能优于木材, 与中质混煤相当, 而且点火容易, 便于运输和贮存, 可作为生物质气化炉、高效燃烧炉和小型锅炉的燃料。但是生物质压实技术需要附属的生物质压实设备, 尤其是生物质高压成型设备及制作生物质焦碳的设备价格昂贵, 这无疑增加了生物质的成本, 限制了生物质的利用。(5) 生物质直接燃烧技术。生物质的直接燃烧技术由于其成本低, 利用量大, 一直为各国所重视。但是受生物质原料供应影响, 生产规模较小, 效率较低。同时由于生物质特性差异较大, 必须为不同生物质设计专用的锅炉设备。单燃生物质发电的经济性比较差, 目前主要在有稳定生物质原料来源的制糖厂和林木加工企业使用较多。为了克服单燃生物质发电的缺点, 目前使用较多的是利用大型电厂的设备, 将生物质与煤混燃发电。大型电厂混燃发电能够克服原料供应波动的影响, 在原料供应充时进行混燃, 在原料供应不足时单燃煤。利用大型电厂混燃发电, 无需或只需对设备进行很小的改造, 能够利用大型电厂的规模经济, 热效率高。目前生物质与煤混燃技术在欧洲和美国利用较多, 也是研究的热点。
3　生物质利用所面临的主要问题及其解决方法分析
　　目前, 生物质利用所面临的问题主要有:
(1) 体积密度和能量密度低。大多数生物质体积密度很低, 大大低于煤炭的体积密度。例如稻草和稻谷壳的体积密度分别大约为50kg/m 3 和122kg/m 3, 而褐煤和烟煤的体积密度分别为560～ 600kg/m 3 和800～ 900kg/m3, 无烟煤更高达1 400～1 900 kg/m3。生物质的能量密度也大大低于煤炭, 热值从7 000kJ/k g (牛粪)～ 21 000kJ/kg (废弃木料)不等, 而煤炭的热值从褐煤到无烟煤热值范围为20 000～ 33 000kJök g。由于生物质的体积密度、能量密度较小, 运输、储存费用都相对较高, 一般认为生物质的利用半径仅为80～ 120km , 这大大限制了大型电厂对生物质能的有效利用。提高生物质的体积、能量密度是生物质利用的重要研究方向。目前采用的主要技术有打包、制作生物质高压成型块以及制作生物质焦碳。打包的稻草体积密度可达70～ 90 kg/m3, 热值可达260～360kW ·m3 (1kW ·h≈ 3. 6×106J ) ; 而稻草的生物质高压成型块体密度更高达450～ 650 kg/m3, 热值达1 800～ 2 800kW ·h/m3; 制作生物质焦炭更能使生物质接近煤的体密度及热值, 并具有良好的研磨性。
(2) 生物质供应和价格不稳定。生物质由于受季节因素影响, 供应不稳定, 给大规模工业利用带来困难。同时受播种面积和其他利用方式竞争的影响, 使生物质的价格不稳定, 加大了工业利用的经营风险。国外比较常用的方法是进行国家干预, 在政策上进行倾斜, 如加强对电厂污染物排放的限制, 甚至就CO 2 排放征税; 鼓励使用对环境没有多大危害的生物质能, 并进行经费补贴; 在荒地增加生物质的种植面积等等。国内基本没有什么举措。
(3) 生物质组成性质差异大。生物质在水分含量、挥发份含量、热值和灰份化学组成上差异巨大。这给电厂利用生物质带来困难。当一种生物质的供应受到影响时, 很难寻找到合适的替代品。这加大了电厂利用生物质的经营风险。可能的解决方法之一是较大规模地种植与粮食生产没有冲突的能源植物, 如短期轮作矮林(SRC)和禾本科能源作物(HEC) , 从而提供组成性质相对稳定的生物质。
(4) 水分含量。大多数生物质水分含量并不高,但某些生物质如蔗渣、下水道污泥和牲畜粪便水分含量可高达40%～ 50%。对于水分高的生物质在燃烧时会面临许多问题: 高的水分含量会导致点火性能恶化, 降低燃烧温度, 从而影响燃烧效率和质量;同时在燃烧时产生大量含水蒸汽的烟气, 这需要更大的烟气处理设备。因此, 主要的解决途径应是在燃烧前对生物质进行一些必要的除湿处理。
(5) 灰成分。由于许多生物质的灰份中含有很高含量的K2O , 这造成灰的灰熔点下降。灰熔点的下降会引起流化床的床料粘结和换热面灰污、结垢和腐蚀问题。在如何解决生物质燃烧中灰分低熔点的问题上, 许多专家认为可行且有效的方法有: (a) 降低燃烧温度; (b ) 使用添加剂, 主要包括A l2O 3、CaO、M gO、白云石和高岭土等, 它们能够有效的提高灰的软化温度; (c) 与其它燃料(如煤炭) 混燃。将生物质与煤混燃, 煤中的灰分也能够有效地降低燃料中碱金属的浓度。此外, 生物质利用还存在纤维素含量高, 不易粉碎以及加料设备易阻塞的问题。针对这一系列的困难, 笔者曾作过一些研究发现, 认为生物质的低温热解是一种比较好的方法, 既能破坏生物质中纤维素结构而提高其可磨性, 又能较大程度地减少热解过程的能量损耗, 同时还能够提高生物质的能量密度。
4　结　语
  从生物质的利用现状来看, 我国生物质资源虽然十分丰富, 其使用也有很多的优点, 但同样也面临着不少的困难和问题, 能否解决好这些困难和问题是能否充分利用生物质资源的关键。
结合我国现有研究开发技术水平和对新能源、可再生能源利用程度低的实际情况, 笔者认为我国生物质的利用要注意以下几点:
(1) 国家政策的支持。目前国内生物质资源开发利用的成本一般比较高, 因此仅靠市场机制来进行调控和发展是不大现实的, 还得依赖国家政策的支持, 包括: 战略上制定中、长期生物质能的发展规划; 给予发展生物质能以优惠贷款、延长还贷期、降低贷款利率、减少税种、降低税率等; 对投资、生产和使用生物燃料的企业补贴资助; 建立合理高效的管理机制等等。
( 2) 基础研究的深入。21 世纪生物质能利用前景十分广阔, 但真正实际应用还取决于生物质的各种转化利用技术能否突破, 研究课题主要包括:各种生物质能源转换技术与发电系统相结合; 经济上可行的生物质热气化生产技术开发和工艺; 沼气发酵残留物利用机理和生物活性物质研究及商品化开发; 速生、高效、富含碳氢化合物的植物物种(包括植物、藻类和水生植物等) 选育及推广示范; 植物油脂的改性及相关性能试验; 垃圾能源的规模化利用与示范推广; 利用有机废水的微生物发酵制氢(菌种优化、选育工艺和装置等) ; 生物质热解液化的实用化技术; 沼气和热解气化的集中供气系统相关技术等等。
(3) 宣传力度的加强。提高国民的能源危机和环境意识, 加强国民对生物质能等新的可再生能源的认识, 同时也要加大以生物质资源为基础的开发项目的市场开发力度, 充分挖掘其潜力。