我國生物質(zhì)能源利用現(xiàn)狀

徐麗華，羅　鵬，嚴(yán)　明

(肇慶市順鑫煤化工科技有限公司，廣東　肇慶　526238)

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我國生物質(zhì)能源利用現(xiàn)狀

徐麗華，羅鵬，嚴(yán)明

(肇慶市順鑫煤化工科技有限公司，廣東肇慶526238)

發(fā)展儲(chǔ)量巨大的可再生生物質(zhì)能可以幫助緩解世界能源危機(jī)，扭轉(zhuǎn)由于大量化石燃料使用造成全球環(huán)境惡化的趨勢。對生物質(zhì)進(jìn)行了分類，介紹了現(xiàn)代生物至能的3種生產(chǎn)轉(zhuǎn)化方式、相應(yīng)產(chǎn)品及其應(yīng)用情況，分析各種生物燃料的優(yōu)缺點(diǎn)和所面臨的挑戰(zhàn),進(jìn)一步指出生物質(zhì)能的開發(fā)利用,對于我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、能源安全以及環(huán)境保護(hù)具有十分重要的意義。

生物質(zhì)；轉(zhuǎn)化途徑；能源

能源是人類生存和社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)，當(dāng)前社會(huì)的主要能源是化石能源(屬于不可再生資源)。與此同時(shí)，社會(huì)的高速發(fā)展，也加劇了化石能源的消耗，使得環(huán)境惡化，大量CO2的排放也加劇了溫室效應(yīng)，嚴(yán)重威脅人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

能源短缺和環(huán)境問題迫使全球走向低碳。低碳經(jīng)濟(jì)的核心是新能源技術(shù)，其中，生物質(zhì)能源[1]是不容忽視的。生物質(zhì)能源是太陽能以化學(xué)能形式貯存在生物質(zhì)中的能量形式。它能直接轉(zhuǎn)化為常規(guī)的固、液及氣態(tài)燃料，取之不盡，是一種可再生能源，同時(shí)也是唯一一種可再生碳源。生物質(zhì)能源還具有高效、清潔、可持續(xù)的特點(diǎn)。但目前對生物質(zhì)能源利用率還很低，大多是單純?nèi)紵?，因此尋求更為高效的加工利用方式是我們?dāng)前所面臨的難題。

地球上每年經(jīng)光合作用產(chǎn)生的物質(zhì)有1700億噸左右，其蘊(yùn)含的能量相當(dāng)于全球能源消耗總量的10～20倍，但目前利用率不到3%。我國生物質(zhì)能源潛力巨大，“十一五”已完成實(shí)驗(yàn)研究，“十二五”逐步應(yīng)用，至“十三五”期間，我國生物質(zhì)能源將大面積推廣。

1　生物質(zhì)的概述

生物質(zhì)[2]是指經(jīng)光合作用而形成的可再生或可循環(huán)的有機(jī)物質(zhì)，包括所有的動(dòng)植物及微生物，以及由這些生命體排泄和代謝的所有有機(jī)物質(zhì)，它可以在較短的周期內(nèi)重新生成。地球上生物資源相當(dāng)豐富，植物每年經(jīng)光合作用生成的生物質(zhì)總量約為1440～1700億噸(干重)，其中海洋每年可生產(chǎn)500億噸物資。生物質(zhì)資源不僅數(shù)量龐大，且形態(tài)多樣。通常生物質(zhì)資源可分為以下幾類[3]：

(1)農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能源 包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)后的廢棄物(如秸稈等)、農(nóng)業(yè)加工業(yè)的廢棄物(如稻殼等)和能源植物(如油料植物等)。

(2)林業(yè)生物質(zhì)能源 包括各種樹木和草本植物等；也包括木材利用加工過程中產(chǎn)生的鋸末等；還包括林業(yè)副產(chǎn)品的廢棄物，如果殼和果核等。

(3)水生類生物質(zhì)能源 主要包括藻類、浮萍等。

(4)微生物類 主要包括光合成微生物如硫細(xì)菌、非硫細(xì)菌等。

(5)禽畜糞便 它是其他形態(tài)生物質(zhì)(糧食、作物和牧草等)的轉(zhuǎn)化形式，如糞便、尿及其與墊草的混合物。

我國生物質(zhì)生產(chǎn)量達(dá)60億噸干物質(zhì)，相當(dāng)于年耗能量的2.5倍。但目前對生物質(zhì)的利用主要是直接燃燒，不僅浪費(fèi)能源，還造成大氣污染。因此，尋求更高效的生物質(zhì)利用技術(shù)，開發(fā)高品位的優(yōu)質(zhì)能源勢在必行。

2　生物燃料的生產(chǎn)轉(zhuǎn)化途徑

生物質(zhì)能的組織結(jié)構(gòu)與常規(guī)化石燃料相似，它的利用方式也與化石燃料相似。當(dāng)前，獲得生物燃料的方式[4]主要有3種：物理轉(zhuǎn)化、傳統(tǒng)化學(xué)轉(zhuǎn)化和熱化學(xué)轉(zhuǎn)化。根據(jù)轉(zhuǎn)化路經(jīng)的不同，在技術(shù)路線、生產(chǎn)成本和所得產(chǎn)品上有一定差異。

2.1物理轉(zhuǎn)化

物理轉(zhuǎn)化途徑是通過改變生物質(zhì)的形態(tài)得到各種高密度的固體成型燃料。這一轉(zhuǎn)化途徑是借助外力作用下，如通過高溫/高壓作用將松散的生物質(zhì)原料壓縮成具有一定形狀和密度的成型物，以減少運(yùn)輸成本，提高燃燒效率。原料經(jīng)壓縮成型后，密度可達(dá)1.1～1.4 g/cm3(與中質(zhì)煤相當(dāng))，燃燒特性明顯改善，火力持久黑煙小，爐膛溫度高。

2.2傳統(tǒng)化學(xué)轉(zhuǎn)化

傳統(tǒng)化學(xué)轉(zhuǎn)化是目前生物質(zhì)能應(yīng)用最廣泛的一種途徑。以生物發(fā)酵為代表，它不僅包括傳統(tǒng)的發(fā)酵制取乙醇和沼氣，也包括現(xiàn)代的ABE發(fā)酵技術(shù)制取丁醇和發(fā)酵制氫技術(shù)。生物化學(xué)轉(zhuǎn)化方法的另一種重要技術(shù)就是生產(chǎn)生物柴油的酯化反應(yīng)法(1988年由德國科學(xué)家拜耳研制成功)。

但是，無論是現(xiàn)代的發(fā)酵技術(shù)還是傳統(tǒng)的發(fā)酵技術(shù)，均存在周期長的特點(diǎn)，這就使得其效率較低。且傳統(tǒng)化學(xué)轉(zhuǎn)化方法都是為制得單一產(chǎn)品，在市場經(jīng)濟(jì)中抗風(fēng)險(xiǎn)能力較弱，不利于實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)能的商業(yè)價(jià)值。

2.3熱化學(xué)轉(zhuǎn)化

熱化學(xué)轉(zhuǎn)化的方式包括:燃燒、液化、熱解和氣化。

直接燃燒是指將可燃燒的生物質(zhì)直接投入特殊燃燒設(shè)備中燃燒，燃燒過程中產(chǎn)生的熱氣流或高壓蒸汽用于發(fā)電或供暖，它與目前的燃煤發(fā)電、供暖相似，在燃燒設(shè)備上有一定差異[5]。生物質(zhì)燃燒是一種直觀、簡單、投資少的方法。

液化是指通過化學(xué)方法將生物質(zhì)轉(zhuǎn)變成液體產(chǎn)品的過程，有直接液化和間接液化之分。直接液化是將生物質(zhì)、催化劑和溶劑置于高壓設(shè)備中，高溫高壓下制取液體燃料，并副產(chǎn)氣體。間接液化是先將生物質(zhì)氣化制成小分子氣體后再進(jìn)行催化合成液體產(chǎn)品的過程。直接液化的反應(yīng)條件較間接液化更為苛刻。無論是直接液化還是間接液化，催化劑、反應(yīng)器的研究、開發(fā)與放大是關(guān)鍵，生物質(zhì)液化技術(shù)可以借鑒我國煤直接和間接液化的工業(yè)裝置。

生物質(zhì)熱解是在無氧或少氧條件下持續(xù)給生物質(zhì)加熱，所發(fā)生的一系列物理和化學(xué)變化。在該過程中生物質(zhì)大分子受熱斷裂成各種小分子，并發(fā)生小分子結(jié)合成大分子的過程，得到包含氣、液、固三相反應(yīng)產(chǎn)物。氣體產(chǎn)物以H2、CO和小分子烴類為主，液體產(chǎn)物為生物油，固體產(chǎn)物為木炭。通過控制反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間，可得到不同比例的產(chǎn)物。

氣化是指生物質(zhì)原料在隔絕空氣加熱條件下與氣化劑發(fā)生不完全燃燒的能量轉(zhuǎn)換過程，生物質(zhì)裂解后，與氣化劑反應(yīng)生成小分子可燃?xì)怏w。氣化劑種類不同，所得的小分子可燃?xì)怏w也不盡相同，其熱值也有較大差異。經(jīng)生物質(zhì)轉(zhuǎn)變成的小分子氣體，既能通過二次燃燒發(fā)電、供熱、民用炊事等，也可進(jìn)一步加工制取液體燃料。

熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)較多，如利用效率高、加工成本低以及產(chǎn)品多元化。就我國當(dāng)前形勢來看，氣化是一種較受歡迎的利用途徑，它具有較高的熱效率和豐富的產(chǎn)品方案；但快速熱解途徑仍處于發(fā)展階段。

3　主要生物質(zhì)能概述

生物能源主要是指由生物質(zhì)原料生產(chǎn)的液體產(chǎn)品替代油料，以生物柴油和燃料乙醇最為歡迎。發(fā)展可替代化石能源的生物能源，既可減輕對石油和煤炭資源的依賴，降低對環(huán)境的污染，又可延伸農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，被認(rèn)為是解決全球能源危機(jī)的最理想途徑。

3.1生物柴油

生物柴油指以各種油料植物及餐飲廢棄油脂等為原料油通過酯交換工藝制成的再生性柴油燃料，其理化性質(zhì)與柴油相似甚至更優(yōu)(冷濾點(diǎn)、閃點(diǎn)、燃燒功率高、含硫低等)。目前，真正用于生物柴油工業(yè)化生產(chǎn)的原料有大豆、油菜籽和棕櫚油等，其他的諸如各種食用油和植物油只在內(nèi)燃機(jī)上進(jìn)行了評價(jià)試驗(yàn)，并沒有進(jìn)行應(yīng)用。

3.2燃料乙醇

燃料乙醇主要由生物質(zhì)進(jìn)行生物發(fā)酵等途徑獲得。燃料乙醇經(jīng)變性后與汽油配成一定比例可制成乙醇汽油使用。目前可用來生產(chǎn)燃料乙醇的原料有很多，除了谷物、海洋藻類外，還有資源更豐富的農(nóng)作物秸稈、樹木、林業(yè)廢料及生活垃圾等。但燃料乙醇也有諸多缺點(diǎn)，首先它并不是“油”，只是油品的優(yōu)良品質(zhì)改良劑，且易引起氧化、生銹和腐蝕等問題。

3.3沼氣

它是指各種有機(jī)物質(zhì)，在隔絕空氣和適宜的溫度、pH值條件下，經(jīng)微生物發(fā)酵而成的一種可燃?xì)怏w，主要成分是CH4和少量的CO，殘余物可作為有機(jī)肥料。其發(fā)酵原料是有機(jī)廢物和農(nóng)作物秸稈，2.5 kg 秸稈可以產(chǎn)生1 m3天然氣，1 m3沼氣熱值為23 MJ左右，相當(dāng)于1 kg原煤的熱量。我國是世界上沼氣利用開展最好的國家，目前已進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段。

3.4氫氣

生物制氫包括光合生物制氫和厭氧發(fā)酵兩種途徑。是一種理想的持續(xù)產(chǎn)能模式，但目前還停留在實(shí)驗(yàn)室探索研究階段，離商業(yè)化生產(chǎn)較遠(yuǎn)。

4　生物能源的發(fā)展困境

盡管生物質(zhì)能源的研究工作已開展多年，但由于生物質(zhì)本身的局限，如單位土地面積的有機(jī)物能量偏低，有機(jī)物水分偏多(50%～60%)，在其發(fā)展過程中還存在許多問題。

(1) 雖然通過熱化學(xué)轉(zhuǎn)化可從植物原料獲取燃料乙醇和生物柴油，但是熱化學(xué)液化的機(jī)理和工藝仍需進(jìn)一步研究。

(2) 纖維素的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化費(fèi)用過于昂貴，如纖維素酶制劑占生物質(zhì)轉(zhuǎn)化總成本的50%～60%，酶降解時(shí)活性低，用超臨界水處理時(shí)存在腐蝕問題和操作條件苛刻。

(3) 資源來源和生產(chǎn)成本問題。燃料乙醇和生物柴油的生產(chǎn)原料分別為糧食、油料作物與動(dòng)物脂肪，均是日常必須品且我國人口眾多，大規(guī)模生產(chǎn)燃料乙醇和生物柴油勢必導(dǎo)致成本上升，并且危害糧食安全。

5　結(jié)　語

開發(fā)利用生物質(zhì)能是調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要保障。雖然我國在生物質(zhì)開發(fā)利用取得了一定成績，但由于起步較晚，與發(fā)達(dá)國家相比存在差距。加強(qiáng)生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)換、生物轉(zhuǎn)換的理論和應(yīng)用研究，開發(fā)高效低成本的催化劑，優(yōu)化現(xiàn)有轉(zhuǎn)換技術(shù)，對建立可持續(xù)發(fā)展的能源系統(tǒng)，調(diào)整我國的能源結(jié)構(gòu)具有重大的意義。

[1]趙巖.生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化制備芳烴化合物的研究[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2014.

[2]何會(huì)流.能源植物資源及應(yīng)用潛力概述[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2008,36(17):82-83.

[3]胡宗泰,王英閣,李繼香.生物柴油研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].糧食與油脂,2006(10):11-14.

[4]Pearce F.Fuels gold:big risks of the biofuel revolution[J].New Scientist,2006,191(2570):36-41.

[5]嚴(yán)鑫,吳明鋒.生物質(zhì)發(fā)電及能源化綜合利用[J].山西電力,2014(6):52-55.

Present Situation of Biomass Energy Utilization in China

XU Li-hua,LUO Peng,YAN Ming

(Zhaoqing Shunxin Coal Industry Technology Co.,Ltd.,Guangdong Zhaoqing 526238,China)

Developing renewable clean biofuels using wildly available bioenergy can help alleviate the worsening world energy crisis and reverse the trend of deteriorating global environment caused prmiarily by the ever-increasing use of fossil.Three kinds of conversion routes,their corresponding products,and the scale of bio-fuel production and application worldwide were reviewed.The pros and cons of biofuels were analyzed,and the challenges for the development of biofuels were discussed.Development and utilization of biomass energy was significance to Chinese resource structure adjustment,resource safety and environmental protection were further pointed out.

biomass; conversion route; resource fuels

徐麗華(1987-)，女，工程師，主要從事潔凈煤技術(shù)研究。

TK6

A

1001-9677(2016)011-0047-03