秸稈能源化利用技術(shù)現(xiàn)狀與趨勢(shì)

專(zhuān)家簡(jiǎn)介：孟海波，現(xiàn)任農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院農(nóng)村能源與環(huán)保研究所副所長(zhǎng)、研究員，博士學(xué)位，研究生導(dǎo)師。主持完成國(guó)家、省部級(jí)課題30余項(xiàng)，獲得國(guó)家專(zhuān)利14項(xiàng)、省部級(jí)科技成果5項(xiàng)，制定農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)16項(xiàng)，發(fā)表論文45篇、專(zhuān)著3部。研究成果“秸稈成型燃料高效清潔生產(chǎn)與燃燒關(guān)鍵技術(shù)裝備”獲得2013年度國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)；“秸稈固體成型燃料產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)與保障體系研究”獲得2012年中國(guó)機(jī)械工業(yè)科技二等獎(jiǎng)；“農(nóng)作物秸稈能源化利用資源調(diào)查與評(píng)價(jià)研究”，獲得2010年國(guó)家能源局優(yōu)秀成果獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。2005年獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

作物秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的另一半產(chǎn)品，實(shí)際上是被棄置的資源，秸稈能源化利用是延長(zhǎng)種植、養(yǎng)殖等產(chǎn)業(yè)鏈，帶動(dòng)加工、制造等產(chǎn)業(yè)升級(jí)，提供能源產(chǎn)品服務(wù)的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，與新型城鎮(zhèn)化、生態(tài)環(huán)保、能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化息息相關(guān)。目前，我國(guó)作物秸稈能源化利用技術(shù)主要有高效燃燒、成型燃料、生物氣化、熱解氣化、發(fā)電和纖維素乙醇等，都得到了不同程度的發(fā)展和應(yīng)用。本文作簡(jiǎn)要介紹如下：

一、秸稈高效燃燒技術(shù)

秸稈高效燃燒技術(shù)是指以秸稈、薪柴等為燃料，以節(jié)約能源和提高熱效率為核心，用于家庭炊事及供暖的省柴灶、生物質(zhì)爐和節(jié)能炕等技術(shù)。其中，省柴灶是對(duì)改良柴灶進(jìn)一步改進(jìn)的結(jié)果，其熱效率多數(shù)達(dá)到22%～30%，主要由灶體、爐門(mén)、爐箅、燃燒室、進(jìn)風(fēng)道、攔火圈、回?zé)煹篮蜔焽璧葮?gòu)成；生物質(zhì)爐具則一般以秸稈成型燃料為原料，根據(jù)用途的不同，可分為炊事?tīng)t、采暖爐和炊事采暖兩用爐；節(jié)能炕是舊式火炕的改良，綜合熱效率大于60%，根據(jù)其與地面接觸的形式，可分為落地炕和架空炕兩種。

現(xiàn)階段，我國(guó)農(nóng)村生活用能結(jié)構(gòu)雖然發(fā)生了一定的變化，但薪柴、秸稈等生物質(zhì)能仍占消費(fèi)總能量的50%以上，是農(nóng)村生活中的主要能源。我國(guó)農(nóng)村中這種能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)不會(huì)發(fā)生大的變化，因此，在農(nóng)村特別是偏遠(yuǎn)山區(qū)，生物質(zhì)爐灶仍然是農(nóng)民炊事、取暖的主要生活用能設(shè)備。隨著農(nóng)村的城鎮(zhèn)化和農(nóng)民生活水平的提高，廣大農(nóng)民對(duì)燃煤和生物質(zhì)能燃燒提出了更高的要求。因此，在鞏固省柴節(jié)煤成果的基礎(chǔ)上，需要組織定型爐灶的生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)居民灶具的商品化，完善省柴節(jié)煤爐灶的產(chǎn)業(yè)體系和服務(wù)體系。

二、秸稈成型燃料技術(shù)

秸稈成型燃料技術(shù)是指將具有均勻粒度的農(nóng)作物秸稈原料進(jìn)行適當(dāng)干燥，在一定壓力作用下，制成顆粒狀、塊狀或棒狀等各種成型燃料的過(guò)程。

根據(jù)主要工藝特征的差別，可以從廣義上將秸稈固體成型工藝劃分為濕壓成型、熱壓成型和碳化成型等三種主要形式。其中，熱壓成型法是目前普遍采用的秸稈固體成型方法，其工藝過(guò)程一般為：原料粉碎-干燥混合-擠壓成型-冷卻包裝等環(huán)節(jié)，采用的成型機(jī)主要有螺旋擠壓式成型機(jī)、活塞式成型機(jī)和模輥擠壓式顆粒成型機(jī)等幾種。

秸稈成型燃料技術(shù)生產(chǎn)工藝、設(shè)備簡(jiǎn)單，易于操作，成本較低，加工生產(chǎn)的成型燃料熱效率高，燃燒性能好，便于貯運(yùn)（可長(zhǎng)時(shí)間存貯和長(zhǎng)途運(yùn)輸），易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和大規(guī)模使用，可滿(mǎn)足農(nóng)村居民炊事、取暖用能需求，可為城鎮(zhèn)社區(qū)區(qū)域供熱提供清潔燃料，還可用于蔬菜、瓜果溫室大棚和園林花卉暖房保溫取暖用能。具備條件的地區(qū)秸稈成型燃料還可供生物質(zhì)發(fā)電。近年來(lái)，在中央和地方各級(jí)政府的支持下，秸稈成型燃料技術(shù)通過(guò)小規(guī)模的試點(diǎn)示范，初步探索出推廣應(yīng)用的寶貴經(jīng)驗(yàn)，秸稈成型燃料技術(shù)得到了快速發(fā)展，技術(shù)水平逐漸提高并趨于成熟。但是，在目前階段該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展仍受到政策、技術(shù)、市場(chǎng)、信息和服務(wù)等諸多因素的制約，涉及到政府管理部門(mén)、金融機(jī)構(gòu)、科研單位、生產(chǎn)企業(yè)和服務(wù)體系等各個(gè)環(huán)節(jié)，缺一不可。

據(jù)估算，中國(guó)農(nóng)村地區(qū)居民每年炊事熱水用能約1.3億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，北方地區(qū)采暖每年用能約0.7億噸標(biāo)準(zhǔn)煤 ，能源需求量巨大。隨著中央政府和地方各級(jí)政府部門(mén)的積極引導(dǎo)和大力推動(dòng)，秸稈成型燃料將成為農(nóng)村能源的生力軍，成為農(nóng)村沼氣的必要補(bǔ)充，甚至滲入到城市用能和商業(yè)發(fā)電領(lǐng)域中，部分替代煤炭，成為商品能源。

三、秸稈生物氣化技術(shù)

秸稈生物氣化技術(shù)又稱(chēng)秸稈沼氣技術(shù)，是指利用微生物的厭氧消化作用將秸稈轉(zhuǎn)化成沼氣和沼渣（固體有機(jī)肥料）的處理技術(shù)。根據(jù)厭氧消化器的容積大小，可以分為戶(hù)用秸稈沼氣、聯(lián)戶(hù)秸稈小型沼氣工程和大型秸稈沼氣技術(shù)等三種。

目前，我國(guó)農(nóng)村沼氣生產(chǎn)遇到原料供給緊缺問(wèn)題。隨著分散養(yǎng)殖的減少和規(guī)?；B(yǎng)殖的發(fā)展，出現(xiàn)了原料“點(diǎn)源”供應(yīng)與能源“面”需求不適的矛盾（即：集中養(yǎng)殖區(qū)與農(nóng)戶(hù)布局的關(guān)系，無(wú)養(yǎng)殖區(qū)農(nóng)戶(hù)的沼氣原料來(lái)源問(wèn)題等）。而秸稈分布在我國(guó)廣大農(nóng)村，呈“面”分布，來(lái)源廣泛，數(shù)量巨大，適用性更廣，可就地獲得、就地建站，可以與“點(diǎn)源”供應(yīng)的畜禽糞便互補(bǔ)。目前我國(guó)有3.4億噸秸稈未能有效利用，因此秸稈生物氣化（沼氣）有著充足的原料來(lái)源。可見(jiàn)沼氣發(fā)酵原料多樣性，或使用多種原料的混合料是今后發(fā)展趨勢(shì)。

秸稈生物氣化（沼氣）技術(shù)在生物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率（TS利用率）、生物氣品位（清潔的高熱值燃?xì)猓?、污染物零排放（副產(chǎn)物是沼氣和沼渣，無(wú)沼液排放）等方面都具有明顯優(yōu)勢(shì)，是環(huán)境友好的清潔生產(chǎn)過(guò)程，也是秸稈經(jīng)濟(jì)利用的有效途徑之一?！敖斩捝餁饣ㄕ託猓奔夹g(shù)的產(chǎn)業(yè)化瓶頸是經(jīng)濟(jì)和技術(shù)都可行的工業(yè)級(jí)設(shè)施、裝備，目前已有突破性進(jìn)展。隨著工程技術(shù)和裝備的不斷進(jìn)步，運(yùn)行管理模式的完善，可以達(dá)到秸稈沼氣工業(yè)化生產(chǎn)、物業(yè)化管理、規(guī)模化供氣，有著廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值和需求。

四、秸稈熱解氣化技術(shù)

秸稈熱解氣化技術(shù)是使作物秸稈在控制氧含量條件下，通過(guò)高溫?zé)峤鈿饣瘜⒐腆w生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成為主要含CO（一氧化碳）、H2（氫氣）、CH4（甲烷）、CnHm（碳?xì)浠衔铮┑瓤扇細(xì)怏w，用于工業(yè)發(fā)電、熱電聯(lián)產(chǎn)、液體燃料合成、居民集中供氣、工業(yè)燃?xì)忮仩t、工業(yè)干燥和采暖供熱等方面。按照不同工藝路線(xiàn)以及燃料燃燒形式等不同，目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的有固定床氣化爐、流化床氣化爐和干餾等三種。

生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)已有半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展歷史，在發(fā)展過(guò)程中取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，在我國(guó)已建設(shè)了730多處集中供氣站、供熱和50多處氣化發(fā)電站，運(yùn)行實(shí)踐表明：技術(shù)成熟、適合中國(guó)農(nóng)村分散獨(dú)立供能需求，能夠滿(mǎn)足新農(nóng)村建設(shè)需要。

生物質(zhì)作為一種儲(chǔ)量豐富的可再生能源，利用氣化技術(shù)轉(zhuǎn)化為清潔能源，其SO2（二氧化硫）排放量只相當(dāng)于煤的1/10，NOX（氮氧化物）排放量?jī)H為煤的1/5左右，燃燒過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了CO2的零排放，減少了空氣污染，保護(hù)了環(huán)境，同時(shí)也為農(nóng)林廢棄物的規(guī)?；锰峁┝送緩?，實(shí)現(xiàn)了資源的節(jié)約化利用。德國(guó)斯達(dá)特可特大學(xué)的能源經(jīng)濟(jì)及能源合理利用研究所對(duì)生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)換成高品位燃料的不同技術(shù)路線(xiàn)（氣化、制木炭、裂解油、植物油、酒精、沼氣）做了系統(tǒng)的分析比較，最后得出結(jié)論無(wú)論是環(huán)境效益方面還是社會(huì)效益方面，生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)都將是最有發(fā)展前途的中遠(yuǎn)期項(xiàng)目之一。生物質(zhì)氣化具有廣闊的發(fā)展前景，未來(lái)生物質(zhì)能源將在可再生能源中占有重要地位。

我國(guó)農(nóng)村擁有豐富的作物秸稈資源，秸稈的收集和運(yùn)輸，增加了直接就業(yè)的機(jī)會(huì)，而秸稈等生物質(zhì)原料收購(gòu)能增加農(nóng)民的收入，實(shí)現(xiàn)變廢為寶，做到源于農(nóng)民還給農(nóng)民。當(dāng)今能源緊缺、價(jià)格不斷攀升，嚴(yán)峻的能源供需矛盾，迫使我們必須大力開(kāi)發(fā)新能源，秸稈氣化燃?xì)庾鳛樯钊細(xì)饣蚬I(yè)燃料，可節(jié)約大量的石油、煤炭等商品能源，減輕對(duì)優(yōu)質(zhì)商品能源的需求壓力，有著良好的市場(chǎng)前景。

五、纖維素乙醇技術(shù)

纖維素乙醇技術(shù)又稱(chēng)作“第二代生物能源”，是指以纖維素為原料生產(chǎn)燃料乙醇的技術(shù)，其轉(zhuǎn)化過(guò)程主要包括原料處理、糖化水解、發(fā)酵和蒸餾四個(gè)工序。由于每道工序可選擇的技術(shù)很多，一個(gè)完整的生產(chǎn)轉(zhuǎn)化流程可有多種的工序技術(shù)組合，很難概括，具體的技術(shù)選擇要考慮本地區(qū)的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)、技術(shù)條件、能源價(jià)格、原料價(jià)格、輔助原料價(jià)格等因素。

目前，國(guó)外纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)化的研究已經(jīng)步入一個(gè)關(guān)鍵時(shí)期，我國(guó)在這方面也有良好的基礎(chǔ)。為了使纖維素乙醇盡早地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，除了以上幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)一步解決好外，還應(yīng)當(dāng)借鑒石油化工的經(jīng)驗(yàn)，堅(jiān)持走生物精煉和乙醇聯(lián)產(chǎn)的模式，盡可能地提升和拓展底物的各組分的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，也許是促使纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)化的重要途徑。

盡管木質(zhì)纖維素原料本身非常廉價(jià)，但是將其轉(zhuǎn)化成乙醇的工藝過(guò)程非常復(fù)雜，還需消耗大量的能源。這主要是由木質(zhì)纖維素自身的結(jié)構(gòu)特性決定的，而得到的目標(biāo)產(chǎn)物是經(jīng)濟(jì)附加值并不很高的乙醇，致使在目前的條件下單位乙醇的經(jīng)濟(jì)效益并不具備較強(qiáng)的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。而生物精煉和乙醇聯(lián)產(chǎn)模式就打破了原來(lái)由生物質(zhì)生產(chǎn)單一產(chǎn)品的觀念，實(shí)現(xiàn)原料充分利用和產(chǎn)品價(jià)值最大化，就是所謂的“吃干榨凈”，利用木質(zhì)纖維素的三大類(lèi)組分也可以衍生出多種產(chǎn)品。例如：目前，大多的木糖醇廠主要是利用玉米芯中的半纖維素生產(chǎn)木糖醇，結(jié)果剩下大量的木糖渣（主要是纖維素和木質(zhì)素），如果進(jìn)行聯(lián)產(chǎn)模式，將剩下的纖維素與木質(zhì)素進(jìn)行組分分離，分別生產(chǎn)纖維乙醇和優(yōu)質(zhì)燃料或木素磺酸鹽，就有可能進(jìn)一步提升產(chǎn)品的綜合效益。

六、秸稈發(fā)電技術(shù)

秸稈發(fā)電技術(shù)是農(nóng)作物秸稈燃燒或轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w后燃燒發(fā)電的技術(shù)。目前，秸稈發(fā)電的主要技術(shù)路線(xiàn)有秸稈直燃發(fā)電、秸稈混燃發(fā)電和秸稈氣化發(fā)電等三種。其中，秸稈直燃發(fā)電是指全部采用秸稈原料，在專(zhuān)用秸稈蒸汽鍋爐中燃燒，產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的過(guò)程；秸稈混燃發(fā)電是指農(nóng)作物秸稈與煤、石油和天然氣等化石燃料，在同一鍋爐內(nèi)混合燃燒產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的技術(shù)；秸稈氣化發(fā)電是指秸稈氣化后生成可燃?xì)怏w，經(jīng)凈化后燃燒，驅(qū)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的技術(shù)。

由于受到秸稈原料供應(yīng)半徑以及農(nóng)村勞動(dòng)力成本增加等約束，秸稈發(fā)電受到制約，目前，單純秸稈發(fā)電的企業(yè)效益較差。隨著新型城鎮(zhèn)化和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在秸稈資源富集的地區(qū)發(fā)展秸稈熱電聯(lián)產(chǎn)提供清潔熱力、電力，將成為秸稈發(fā)電的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。