我国生物质能源开发的研究和分析

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我国生物质能源开发的研究和分析

■ 章 芸 陈秋波 邓 燔

《现代农业科技》　2007年第12期

摘要　生物质能源是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第4位的能源，在整个能源系统中占有重要地位。对生物质能源及国外生物质能源的研究和应用情况进行了概述，并综述了我国生物质能源的开发现状和研究开发前景。
　　关键词　生物质能源；开发；应用；现状；前景
　　能源短缺问题是长期困扰人类社会发展的主要问题之一，寻找开发新型能源已迫在眉睫。生态城市和清洁生产已在全球推广和发展。[1]随着对人类环境的要求不断提高和技术进步，逐步开发太阳能、生物质能源、可再生能源是世界能源消费的必然趋势。生物质能源是理想的可再生能源之一，使用生物质能源，几乎不产生污染，资源可再生而不会枯竭，同时起着保护和改善生态环境的双重作用。要实现国民经济的持续增长，改变传统的能源生产方式和消费方式，合理开发利用生物质能源是中国的一项必然选择[2]。现在，生物质资源的开发和利用越来越受到广泛的关注。
　　
　　1我国当前面临的能源困境
　　
　　中国是一个具有12亿人口、960万平方千米国土的发展中国家。中国的自然资源丰富，可开采煤和油的贮量分别为9667亿吨和787亿吨，天然气贮量为60亿立方米，可利用水资源为3.8亿千瓦，我国的森林覆盖率是13.8%。但是，由于我国人口众多，人均自然资源拥有量很少。例如人均煤贮量只有2.9t，为世界人均量的11.6%[3]。
　　中国地质科学院的《未来20年中国矿产资源的需求与安全供应问题》报告预测：未来20a中国石油需求缺口超过60亿吨，天然气超过2万亿立方米，钢铁缺口总量为30亿吨，铜超过5 000万吨，精炼铝1亿吨，即重要矿产资源的供应将是不可持续的。目前，中国能源消费结构为：煤74%，天然气1.7%，原油1.6%，核能0.4%，水能5.3%；而世界同期能源消耗量构成的平均比例是煤29.8%，石油39%，天然气23.7%，核电7.5%。专家预测，2020年我国主要矿产品需求将介于23~36亿吨之间，是目前的2倍，除煤以外，绝大部分大宗矿产品均需国外资源补充。我国石油需求年均增长7.4%（全球为1.4%），全球石油需求增加的25%来自中国。国际能源署（IEA）预测我国2030年对石油进口依赖程度将达到80%，与目前美国的水平相当（美国为58%）。在未来20a间如果保持GDP年均增长7%以上的潜力，我国则面临能源供应必须保持每年递增4%左右的压力[4]。面对能量短缺和环境保护的压力，中国必须大力发展可再生能源，并提高能量运用效率[5]。
　　
　　2生物质能源概述
　　
　　生物质能源是蕴藏在生物质中的能量，是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内部的能量。通常包括木材及森林工业废弃物、农业废弃物、水生植物、油料植物及城市垃圾等。生物质能源是人类用火以来，最早直接应用的能源。随着人类文明的进步，生物质能源的应用研究开发几经波折，在第二次世界大战前后，欧洲的木质能源应用研究达到高峰，然后随着石油化工和煤化工的发展，生物质能源的应用逐渐趋于低谷。到20世纪70年代中期，由于中东战争引发的全球性能源危机，可再生能源包括木质能源在内的开发利用研究，重新引起了人们的重视。人们深刻认识到石油、煤、天然气等化石能源的资源有限性和环境污染问题，而生物质能源具有以下几个优点：
　　2.1可再生性
　　人类使用的三大主要能源是原油、天然气和煤炭，但它们都是不可再生的能源。生物质能分布面积广，能因地制宜地进行种植，并能通过规模化种植，保证产量，是一种可再生的种植能源，而非一次性能源。通过开发生物质能源植物，将逐步加强世界各国在能源方面的独立性，减少对石油市场的依赖，可以在保障能源供应、稳定经济发展方面发挥积极作用。
　　2.2可储藏性和可替代性
　　利用现代技术可以将生物质能通过热转化、化学转化、高能转化和生物转化等方法，转化成替代化石燃料的汽油、煤油和柴油及含氧燃料添加物甲醇和二甲醚、燃料乙醇等。如在热转化方面，生物质能大体上可在下述三方面为人类提供能源：一是直接燃烧提供热能；二是气化提供燃料气，可以发电或用于城市煤气；三是液化制取液体产品，这种产品便于储存和输送，可替代部分场合下使用的燃料油，还可进一步生产其他化学品。
　　2.3资源丰富
　　我国生物质能源相当丰富，仅各类农业废弃物（如秸秆等）的资源量每年即有3.08亿吨标煤，薪柴资源量为1.3亿吨标煤，加上粪便、城市垃圾等，资源总量估计可达6.5亿吨标煤以上，约相当于1995年全国能源消费总量的一半。据估计，我国每年产生的生物质总量有50多亿吨（干重），相当于20多亿吨油当量，约为我国目前一次能源总消耗量的3倍。然而目前我国商品化的生物质能源仅占一次能源消费的0.5%左右。
　　2.4二氧化碳零排放
　　酸雨、温室效应等等都已给人们赖以生存的地球带来了灾难性后果。而使用大自然馈赠的生物质能源，几乎不产生污染，使用过程中几乎没有二氧化硫产生，生物质能燃料燃烧所释放出的二氧化硫大体上相当于其生长时通过光合作用所吸收的二氧化硫，所以应用生物质能源时二氧化硫的排放可以认为是零，这是气、油、煤等常规能源所无法比拟的。用生物质代替煤，10亿焦耳能可以减少放出0.025t碳[6]。3国外生物质能源的研究和应用
　　现代生物质能源的研究工作始于20世纪50年代末60年代初。70年代以来，鉴于常规能源资源的有限性和环境压力的增加，世界上许多国家重新加强了对新能源和可再生能源技术发展的支持，有许多国家都制定了相应的开发研究计划，如日本的阳光计划、印度的绿色能源工程、美国的能源农场和巴西的酒精能源计划等，其中生物质液体燃料的开发研究都占有相当的比重。其他诸如菲律宾、加拿大、芬兰等国，都是生物质资源丰富的国家，在开发和利用生物质液体能源方面都具有较先进的技术水平。加拿大利用生物能源每年减少二氧化硫排放550万吨[7]。英国、德国、法国、日本、美国及原苏朕等国家早在20世纪50年代就利用厌氧消化技术处理城市和工厂污水，既治理了污染，又获得了能源。垃圾填埋气体能量项目作为绿色能源也在美联邦**支持下得到发展[8]。稻壳、蔗渣等农林废弃物，直接发电或通过热解气化供热发电的装置在北美、西欧、日本和巴西等许多地区和国家屡见不鲜，在美国生物能源占有非常重要的位置，以农林产物及废弃物生产的能源满足了全国3%以上的能源需求，且每年对该类能源的消费以2%的速度递增[9]。
　　3.1巴西
　　巴西是世界上生物质能源生产及利用的先驱，全球最大的生物质能源项目普罗阿克尔（ProAlcool）于1975年在巴西建立。至今，巴西已利用蔗渣生产了约2 000亿升生物乙醇，现在每日以乙醇替代20万桶进口石油，在20世纪80年代峰期有500多万辆机动车使用纯乙醇作燃料，另有900万辆使用混合了20%乙醇的汽油。从1976年起，普罗阿克尔项目投资113亿美元，以生物乙醇替代了270亿美元的进口汽油。近年来巴西蔗渣发电率提高，许多蒸馏厂除了生产液态燃料外，还用蔗渣发电若自给有余，则出售给国家电网。
3.2美国
　　世界第二大生物乙醇生产国是美国。1994年其生物乙醇生产总量约52亿升，目前估计年产63亿升或更多。美国有20多个州生产乙醇，生产总量约占燃料油总销售量的10%，约有1亿辆机动车使用含有乙醇的汽油。如E10和E85（分别含10%和85%的乙醇）型汽油等。美国总能源消费中生物质能源占4%（1998年），生物质原料发电装机容量约1 000MW。目前生物质能源生产及利用可提供7万个就业岗位，2020年将提供26万个工作岗位，届时生物质发电总装机容量要超过300亿瓦特。
　　
本文原文
　　3.3波兰
　　波兰的生物质能源资源比较丰富，每年全国可提供林木废料1 600万立方米，作物秸秆2 500万吨，污水处理生成污泥干重250万吨，牲畜粪便1.25亿立方米，卫生填方2 845hm2。但大部分资源未得到充分利用。1998年波兰已有1.8万个以林木废料作燃料的小型锅炉，总热容量为6亿瓦特；1996年后陆续建成1亿瓦特以秸秆为原料的锅炉100多个；1998年建成第一家以污水处理生成的污泥作燃料的焚烧厂，同时发电和供热，每日焚烧干污泥10t，生产热能200万瓦特；每年生产乙醇130mL，其中有100mL用于机动车辆。现有900多个小型乙醇蒸馏厂，生产的乙醇经提炼成为纯净的无水乙醇，在炼油厂混合成E94E汽油供应市场。波兰最近还研制成功能利用高含水量（60%）的生物质原料和以废水处理厂的污泥为原料的热解气化装置，生产热能和电能。
　　3.4英国
　　英国的可再生能源生产仅占其能源总供应量的1%，但在1990年**的NFFO（非化石燃料条例）颁布后，生物质能源开发不断发展，英国**在NFFO中许诺了发展生物质能源的几项优惠政策。之后又许诺，对在建的2个生物质能源热电联合生产线生产的电能，要保价全部收购。这是英国能源工业的机遇，也是英国的能源战略[10]。英国将很快使生物质能源生产和利用这一领域步入国际领先行列。
　　3.5其他国家
　　在欧洲，斯堪地纳维亚国家生产和利用生物质能源较多。芬兰利用林木废料生产的能源占其总能源产量的14%，另有5%的生物质能源来自泥炭。**要求2005年以前生物质能源供应要占总能源需求的27%，主要是利用林木废料采用热电联合（CHP）工艺生产热能和电能；日本也采用绿色能源生产热能[11]。瑞典生物质能源生产总量占其能源总需求的17%，主要是利用无工艺价值的木材采用热电联合装置产热和供电。瑞典现有1.5~2hm2能源林作为部分热电生产原料，该国能源林生产和繁殖技术及有关设备出口国外。尤其是联合汽化（BIG-CC）工艺世界领先；丹麦生物质能源生产可满足其能源总需求的17%，尚有16%的潜力可挖。丹麦的生物质能源发展目标是2005年全国二氧化碳排放量要比1988年减少20%，2030年减少50%，生物质能源供应要占能源总供应量的30%；奥地利目前利用林木废料生产的能源占其能源总供应量的13%[12]。
　　
　　4我国生物质能源开发现状
　　
　　我国利用陈粮或玉米生产酒精，也具有一定规模。如山东九九集团已建成年产50万吨燃料乙醇的绿色能源工程，其建设规模及生产能力跃居欧、亚、非三大洲之首，单机生产能力为世界第一，总投资21亿元，同时副产31.5万吨高蛋白饲料原料DDGS、4.5万吨玉米胚芽油、10万吨优质玉米粕，并在全国范围内率先研制、开发汽油醇，荣获了4种规格的汽油醇产品环保合格评定书。此外，还有于2003年12月投产的吉林30万吨玉米乙醇项目。黑龙江30万吨燃料乙醇项目，则是引进国外先进的连续发酵技术及分子筛脱水先进工艺，总投资10.6亿元。河南省南阳市利用陈粮生产酒精，并将汽油醇燃料在全市推广利用[13]。
　　目前，我国对生物质成型燃料燃烧所进行的基础理论研究很少，对生物质成型燃料的燃烧机理及动力学特征研究才刚刚开始，关于生物质成型燃料燃烧理论与数据还没有人系统地提出。关于生物质成型燃料燃烧设备的设计与研究也才开始起步。生物质能作物的引进种植和生物质颗粒燃料的利用，在我国尚处于试验研制阶段。因而先行的试验研究意义重大，是十分必要的[14]。
　　生物质能源技术已经在我国推广开来，但目前的转化技术仍存在很多问题，如农村能源企业规模小、技术和设备落后，产品质量差、转化成本高等。我国在生物质能源缺氧技术方面具有较高水平，如中国的沼气建设是全世界范围的先行者。但与国外相比，生物质气化、发电、液化方面仍有差距，我国需学习并改造国外先进技术，使其适应中国农村能源发展形势[15]。
　　
　　5我国生物质能源的研究开发和前景
　　
　　据估计，我国1995年的垃圾排量达1.223 9亿吨，若全部用于发电，则可发电490亿千瓦·时。我国农村每年有各类秸秆6.2亿吨，利用60%可产沼气744亿立方米；每年有各种牲畜粪便34.781亿吨，可产沼气1 536.2亿立方米，每年农村有人粪尿1.7亿吨，可产沼气88.4亿立方米。三项总计年产沼气2 368.6亿立方米[16]。
　　5.1生物酒精
　　目前，生物酒精是应用最广泛的生物燃料，也是较为理想的汽油替代品，具有辛烷值高、抗暴性好等优点。生物酒精的传统制作过程是水解发酵法。首先是生物质在催化剂的存在下发生水解反应，转化成五碳糖或六碳糖，然后糖类经过发酵转化成酒精，最后通过蒸馏形成最终的酒精。生物酒精原料可以是纤维类原料，几乎包括所有的农林废弃物、城市生活有机垃圾和工业有机废弃物等，原料更广泛，成本更低廉。
　　5.2生物柴油
　　生物柴油是一种酯，它是由大豆或其他油类植物、动物油脂等通过酯化过程合成的。有机油类植物与醇在催化剂的存在下，发生酯化反应，形成硬脂（甲酯或乙酯），即生物柴油。目前美国、法国等发达国家生产生物柴油的原料主要是大豆油或菜籽油，但以食用油为原料制取生物柴油不符合我国国情。因此，有人提出用一种野生木本植物——光皮树作为生产生物柴油的原料，以降低生产成本。大约20%～30%的生物柴油和传统的石油柴油混合，除具有与石油相当的燃料燃烧性能外，还具有更好的防发动机磨损和清洁性能。
　　5.3生物甲醇
　　生物质制得的甲醇，燃烧释放的二氧化碳量与生物质通过光合作用吸收的二氧化碳量相等。因此它具有二氧化碳零排放的优点。生物质制甲醇主要是气化法。首先将原料进行加氢气化反应，产生富含甲烷的气体，经热解生产含一氧化碳和氢的合成气，在催化剂的条件下生成甲醇[17]。
5.4沼气
　　全国大概有800万个农户型沼气池，2 500万农民受益，主要用作炊事和照明。还有1万多套大中型沼气设施，分布于食品厂、酿酒厂或畜牧场，沼气场把沼气出售给沼气中心供应站，提供民用或发电。中国约有900个沼气发电厂，装机总容量约800万瓦特[8]。
　　其中如猪沼果（菜渔）技术模式是以户用沼气池技术为核心发展起来的沼气综合利用技术[18]。
　　5.5炉灶燃烧技术
　　自20世纪70年代以来，**先后实施了一大批生物质能利用研究项目和示范工程，到1996年底推广省柴节煤炉灶1.7亿户，每年减少了数千万吨标准煤的能源消耗。在最近的一段时间内，节柴灶的推广应用仍然是农村，特别是偏远山村生物质能利用的一个重要方面。采用先进技术提高全国数亿台小型炉具的燃烧和热利用效率，降低污染物的排放，开发燃用农作物的生物质炉具，实现农村炉具的商品化、规模化，以达到更广泛的应用，对于改变我国农村现有的燃烧状况具有重大的意义，而且也具有非常广阔的市场前景。
　　5.6生物质的直接燃烧与混合燃烧技术
　　哈尔滨工业大学较早进行了生物质燃料的流化床燃烧技术研究，研制成功12.5t/h燃甘蔗渣流化床锅炉。浙江大学提出了用于不同规模、各种炉型的生物质燃烧系统的生物质利用转化方案，并先后与无锡锅炉厂、杭州锅炉厂合作开发了10t/h燃用咖啡渣流化床发电锅炉、35t/h燃用稻壳流化床锅炉以及10t/h燃用稻壳的链条炉。另外，为了提高生物质在小型燃烧装置上的利用效率，浙江大学还致力于成型燃烧技术和流化床混烧技术的研究。浙江宁波中华纸业公司分别于1997年和1998年投运220t/h烟煤和纸渣混烧的CFB锅炉，为目前最大的生物质混烧锅炉[19]。
　　
　　
　　6结语
　　
　　地球上的生物量的潜力决定着开发利用可再生能源——生物质能源的比率。在21世纪，以化石燃料为主体的世界能源系统将转换成以生物质能、风能、地热能和太阳能等可再生能源为主体的新的世界能源系统。我国生物质能源资源丰富，随着我国生物质能源产业化的技术发展与市场条件完善，生物质能源的应用将具有极好的综合效益，既有助于治理不断恶化的环境，又能缓解日益严重的能源短缺问题，使资源问题和环境问题得到双重缓解。
　　生物质能源在未来世纪将成为可持续能源重要部分。我国幅员辽阔，但化石能源资源有限，生物质资源丰富，发展生物质能源具有重要的战略意义和现实意义。采用高新技术将秸秆、禽畜粪便和有机废水等生物质转化为高品位能源，开发生物质能源将涉及农村发展、能源开发、环境保护、资源保护、国家安全和生态平衡等诸多利益。
　　
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　　注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。

njw1979

对于能源紧张的今天，似乎未来的发展方向应偏重于生物质能源开发的研究。