生物質能作為新能源的應用現(xiàn)狀分析

楊艷華 湯慶飛 張立 鄭仕鴻

(重慶科技學院冶金與材料工程學院，重慶 401331)

目前人類主要使用的石化能源正面臨枯竭的危險，迫切需要開發(fā)出一種新型的可再生能源，以此來減少人們對石化能源的依賴，同時降低對生存環(huán)境的破壞。生物質能源作為第一選擇，因其具有清潔性和可再生等特性，開發(fā)生物質能成為解決當前我國面臨的能源安全、環(huán)境污染的重要途徑，加之其規(guī)?；蜕唐坊l(fā)展迅速，因而具有廣闊的應用前景，可在國家能源結構中扮演重要的角色。

生物質(biomass)指通過光合作用可將CO2和H2轉化為能量并能夠生長的可再生有機物質，包括秸稈、甘蔗、林業(yè)廢棄物、城市垃圾和其他廢棄物材料。生物質能(bioenergy)指綠色植物通過直接或間接的光合作用，將太陽能轉化為化學能貯存在植物體內的能量，是一種可再生能源，也是唯一的一種可再生碳源［1］，生物質能利用過程如下:

我國作為能源消耗大國，石化能源短缺，經濟的發(fā)展常以環(huán)境污染、生態(tài)破壞和能源過度消耗為代價。同時我國也是農業(yè)大國，若將我國儲量豐富的生物質資源利用起來，則可以有效解決“三農”、環(huán)保、能源等問題［2］。

1 生物質新能源的應用現(xiàn)狀

(1)美國的應用現(xiàn)狀

1973年美國建立區(qū)域性生物質能計劃［3］，并相繼出臺了一系列的政策法規(guī)，加快生物質能源的發(fā)展，為美國擁有先進的生物質能源技術的開發(fā)奠定了基礎。2000年，美國設立了生物質能源研發(fā)部門，專項撥款，加大投入力度;2012年出臺的新農業(yè)法案，以財政補貼促進生產燃料乙醇的玉米產量增長，玉米價格上漲使得支撐農產品高價的手段得到了加強;并于2013年4月發(fā)布《生物質創(chuàng)新計劃項目》，開發(fā)生物質運用到飛機和船只。美國生物質直接燃燒發(fā)電技術在1979年已得到應用，當年裝機容量僅有22 MW，近年來得到迅速發(fā)展，2010年裝機容量有10 400 MW，截至2012年底，生物質能源發(fā)電量的75%屬于直接燃燒發(fā)電，總裝機容量達到22 000 MW［4-5］，有望在 2020年突破 40 000 MW。燃料乙醇是目前世界上備受關注的石化燃料代替品，美國燃料乙醇生產居世界第一位，生產原料主要有玉米、馬鈴薯等，年產乙醇40億m3，與乙醇混合的汽油占該國總耗油量的三成以上［6］。

(2)歐盟的應用現(xiàn)狀

上世紀爆發(fā)的3次“石油危機”，引起了世界范圍內的能源恐慌，由此各國紛紛制訂可再生能源計劃，建立安全、清潔、可持續(xù)的新能源產業(yè)。歐盟各政府頒布了相應的政策法規(guī)，對生物質能的研究和開發(fā)給予財政支持。目前歐洲生物質能發(fā)展迅速，主要應用領域有轉化生物柴油和生物質能發(fā)電，在生物質能供暖方面，也有較高的市場化水平。

歐盟成為全球最大的生物柴油生產基地，得益于在原料生產、加工制造等環(huán)節(jié)給予的優(yōu)惠政策，原料主要來自于國內的菜籽油以及進口的棕櫚油和豆油［7］，目前年產量已達世界總產量的65%。表1為近年歐洲生物柴油產量，從2011年開始，歐洲生物柴油產量連續(xù)2年下滑，2012年跌至低谷。因此為確保歐洲各國生物質柴油行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，自2013年起，政府決定對國外進口生物質柴油征收臨時反傾銷稅，壓制阿根廷和印尼等出口國對歐洲市場的影響，從而促進了本土產能的增長。

表1 近年歐洲生物柴油產量 萬t

在生物質能電力方面，政府通過建立分離支持給付系統(tǒng)，使得勞動生產者享有45歐元/公頃資金補貼，保障各國發(fā)展生物質能原料的供應。芬蘭在歐洲建立了最大的生物質發(fā)電站，德國和丹麥主要開發(fā)熱電聯(lián)產業(yè)，到2005年底，德國建成140多個區(qū)域熱電聯(lián)發(fā)電廠［8］。

(3)中國的應用現(xiàn)狀

我國是農業(yè)大國，每年約有6.87億t生物質資源，約折合3.4億 t標準煤［9］。主要包括農作物秸稈、禽畜糞便和城市固體有機垃圾，其帶來的綜合效益十分可觀，因而受到高度重視，主要應用在生物乙醇、生物柴油、固體成型燃料和生物質發(fā)電行業(yè)。

①生物乙醇的應用。我國生產生物乙醇的原料有甘蔗、甜高粱、木薯等高能品種，并建立了年產能力達5 000 t的甜高粱莖稈生產乙醇的工業(yè)示范裝置。因傳統(tǒng)糧食生產乙醇價格昂貴，為降低生產成本，我國已轉向對微生物混合發(fā)酵法的研發(fā)［10］。國家發(fā)改委稱到2020年，我國15%生物質燃料將應用在汽車、輪船等行業(yè)。

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②生物柴油的應用。生物柴油提煉來自動植物油，如大豆、油菜、動物油脂以及餐飲垃圾，因其環(huán)保性、潤滑性、安全性能良好，可與石化柴油混合作為燃料。在2005年6月，我國使用自主研發(fā)的生物酶法生產生物柴油，技術指標達到歐美生物柴油標準，標志著我國生物質柴油研究取得了突破性進展。2010年生物質柴油產能達300萬t/a，主要用于交通運輸行業(yè)，并提出了在2020年，生物柴油產能達200萬t的目標，已在海南建立的6萬t/a裝置，產量居我國首位［11］。

③生物質固體成型燃料的應用。生物質固體成型燃料是將城市垃圾或農林廢棄物，通過外力作用，壓縮成型來增加其密度的可燃物質，具有高效、清潔、無污染等優(yōu)點。我國的生物質成型燃料生產設備有螺旋擠壓式、活塞沖壓式、模輥碾壓式［12］，燃料形狀主要有塊狀、棒狀、顆粒狀3種形式。2009年總產量為 76.6 萬 t，預計 2015年達到2 000萬 t［13］。北京奧科瑞豐公司年產量為60萬t，居全國最高，主要應用在直接燃燒取暖與工業(yè)鍋爐等。

2 生物質新能源開發(fā)利用存在的問題

生物質能已經成為世界第四大能源［13］，為促進生物質能的發(fā)展，我國也出臺了很多政策法規(guī)，實現(xiàn)能源消費和環(huán)境保護共贏，促進生態(tài)經濟可持續(xù)發(fā)展。表2給出了我國生物質能應用領域和發(fā)展目標規(guī)劃［15-17］。

表2 我國生物質能應用領域和發(fā)展目標

由表2看出，在我國“十二五”規(guī)劃當中，要實現(xiàn)2015生物質發(fā)電總裝機容量為13 GW，比2009年增長3倍，具體包括農林生物質發(fā)電量8 000 MW，沼氣發(fā)電2 000 MW，垃圾焚燒發(fā)電3 000 MW，預計2020年增長到30 GW。生物質成型燃料方面更是提出了高目標，2009年到2015年實現(xiàn)突破性增長，2020年產量達到2015年產量的1.5倍。為實現(xiàn)發(fā)展目標，也相應出臺了一系列鼓勵和支持政策，包括經濟補助、稅收優(yōu)惠、環(huán)保推動和科技支持等［18］。由此我們可以看到，生物質能作為新興產業(yè)，將會迎來快速的發(fā)展。

但在具體項目的實施過程中，也面臨一些挑戰(zhàn)，最大的困難是原料資源基礎仍然薄弱［19］。生物質資源雖然豐富，但分散度高，能量密度低，儲運不方便，由于沒有建立起非糧原料供應體制和能源農業(yè)體制，導致了生物質資源收集難度大，加之生物質發(fā)電項目不合理布局，更會加重燃料惡性競爭現(xiàn)象［20］。例如凱迪電力公司因燃料收購模式陳舊，獲取燃料信息透明度低，不良中間商哄抬價格，導致部分生物質電廠停機;其次生物質能源兩頭被擠壓，其一對生物質能源的理解有偏差，由于早前生物柴油技術不高，收益不好，以至于技術成熟之后對其接受程度也不高。另外，生物柴油企業(yè)沒能與中石化、中石油大型企業(yè)建立良好的合作伙伴關系，靠賣家自己宣傳，收益大打折扣［21］，嚴重制約著我國生物質能源的大規(guī)模應用與發(fā)展。

因此如何轉換生物質能源利用方式，以及如何解決好生物質燃料持續(xù)供應、維護其利潤空間等問題，將是科研工作者研究開發(fā)的重點。

3 生物質新能源開發(fā)利用效益分析

生物質能作為新能源，尚處在研究和開發(fā)初級階段，但由于其擁有優(yōu)于石化能源的特點，已顯示出良好的經濟效益、社會效益和環(huán)境效益，為生物質能的可開發(fā)性和可行性提供了理論基礎。

(1)經濟效益

生物質具有適中的熱值，一般在16.748 MJ/kg左右，含雜質少，揮發(fā)分高，燃燒效率高，轉化性強［22］，只要適當選擇種類并利用現(xiàn)代科技手段略作加工，生產出熱值范圍為12.560 ～20.935 MJ/kg，市場價為800～1 000元/t的生物質燃料［23］，便可作為優(yōu)質、廉價燃料。其有效熱價低、成本低，經濟性比石化燃料好，加上其來源廣、量大［24］，所以，在一般工農業(yè)應用上，可完全替代石化燃料。表3列舉了各種燃料在普通工業(yè)鍋爐中的應用情況，生物質燃料在普通鍋爐上替代煤碳的優(yōu)越性十分明顯。

表3 各種燃料在普通工業(yè)鍋爐中的應用

(2)社會效益

我國每年產生大量農林廢棄物，約有三分子一的秸稈被直接燃燒，若能將其充分回收，可實現(xiàn)農民收入總額增收，促進貧窮地區(qū)發(fā)展，減少能源資源浪費;再者，新能源的出現(xiàn)會帶動設備生產企業(yè)和能源生產廠的發(fā)展，增加勞動就業(yè)崗位，這無疑可解決很多農村剩余勞動人口的就業(yè)問題;其次，生物質通過技術手段可以轉化為各種固態(tài)、液態(tài)燃料，減少常規(guī)能源消耗，實現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展。例如生物質可以代替價格昂貴的煤粉作為高爐噴吹的燃料，節(jié)約了成本。

(3)環(huán)境效益

目前，我國溫室氣體的排放量僅次于美國，排在第二位［25］，污染物主要來自于煤炭的燃燒，農林秸稈直接焚燒也會帶來地面空氣污染。固體成型燃料發(fā)電可以減少CO2的排放，用生物柴油代替石化燃料供能可以減少氮化物、硫化物對大氣的破壞;秋季收割過后，大量堆放的生物秸稈腐爛，造成地面污染和水污染。對生物質的回收利用，不但節(jié)約堆放空間，凈化地面環(huán)境，改善農村居住區(qū)生活條件，且生物質能更利于直接儲存和使用;酸水解生物質原料的副產物甲酸、乙酸、糠醛等可應用于工業(yè)和醫(yī)療行業(yè);生物質燃料燃燒的灰渣含有豐富的有機元素，可作為廢料還田，減少化肥的使用，提高綜合利用水平［26］。

4 結語

通過對國內外生物質能源應用現(xiàn)狀分析可以看出，生物質能已經利用到很多能源領域，已顯示出良好的經濟、社會和環(huán)境效益。因此生物質能作為一種新能源，擁有非常廣闊的前景。但目前我國對生物質的研發(fā)還處在初級階段，跟發(fā)達國家相比，技術水平和生產能力較為落后，實施過程中諸多問題亟待解決。因此應當促進生物質能立法，加快完善法律制度，增加對生物質能產業(yè)開發(fā)利用的成本投入，完善技術創(chuàng)新體系，增強國際間合作，推動生物質能源產業(yè)快速持續(xù)發(fā)展。

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