生物能源技術(shù)進(jìn)步與產(chǎn)業(yè)發(fā)展觀察

文/梁　峰　張　瑞　劉秀花

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生物能源技術(shù)進(jìn)步與產(chǎn)業(yè)發(fā)展觀察

文/梁峰張瑞劉秀花

人類社會的發(fā)展離不開優(yōu)質(zhì)能源的開發(fā)和先進(jìn)能源技術(shù)的利用，能源是整個世界發(fā)展和經(jīng)濟(jì)增長的最基本動力。

生物質(zhì)能源有明顯的優(yōu)勢，既能保障能源安全，又能減輕環(huán)境污染，還是可再生能源。不僅有資源再生、技術(shù)可靠的特點(diǎn)，還有對環(huán)境無害、經(jīng)濟(jì)可行的發(fā)展優(yōu)勢。目前能源形勢日趨嚴(yán)峻，世界各國積極調(diào)整本國能源發(fā)展戰(zhàn)略，著力發(fā)展利用生物質(zhì)能源，比如美國的能源農(nóng)場、巴西的乙醇能源計(jì)劃、印度的綠色能源工程、日本的新陽光計(jì)劃等。

世界生物能源狀況

生物能源的生產(chǎn)大國主要是發(fā)展中國家中國、印度、尼日利亞等，占70%左右，其次是經(jīng)合組織（OECD）國家美國、巴西和歐洲也是生物燃料的主要供應(yīng)地，占30%左右。

第一代生物燃料來自農(nóng)作物（如甘蔗、甜菜、玉米、大豆）。使用傳統(tǒng)的技術(shù)，如發(fā)酵和酯基轉(zhuǎn)移反應(yīng)，運(yùn)用糖類，植物油或動物脂肪生產(chǎn)最常見的產(chǎn)品，如生物柴油、生物乙醇和沼氣。目前，投入最大的是從甘蔗和玉米中生產(chǎn)乙醇，從油籽中生產(chǎn)生物柴油。第一代生物燃料的優(yōu)勢是高生產(chǎn)率、已建立完整的收割模式、便于原料的獲取和生產(chǎn)生物燃料（乙醇或生物柴油）。然而，面臨的挑戰(zhàn)是對生產(chǎn)作物的巨大需求。此外，他們還與食品工業(yè)相互競爭（原料、作物、作物生長所需土地），對全球糧食市場產(chǎn)生了巨大影響。

第二代生物燃料的生產(chǎn)所用的原料不與食品工業(yè)相競爭。包括農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)中產(chǎn)生的木纖維材料，如提取糖或油，稻殼（蔗渣、棕櫚心）和玉米加工中的廢物等。與第一代生物燃料相比，土地的利用和環(huán)境管理更有效率。

大多數(shù)第三代生物燃料工藝的生產(chǎn)技術(shù)仍處于商業(yè)開發(fā)階段。這些生物燃料還沒有遇到第一代生物燃料的問題，但其主要問題是土壤競爭。由于原料和技術(shù)的應(yīng)用，第三代生物燃料被稱為先進(jìn)的生物燃料。這些生物燃料從專門的微生物如細(xì)菌、微藻類而來?；诂F(xiàn)有科學(xué)知識和預(yù)測技術(shù)，被認(rèn)為是可行的能源原料，而沒有第一代和第二代生物燃料的相應(yīng)缺點(diǎn)。通常通過基因工程等技術(shù),形成特定的工程微生物。，杜克大學(xué)化學(xué)和生物化學(xué)教授Eric Toone說：“如果沒有合成生物學(xué)，生物燃料的價格和產(chǎn)量永遠(yuǎn)不可能能夠與汽油，柴油或航空燃油相競爭”。但合成生物學(xué)存在一定的潛在風(fēng)險,應(yīng)該明確如何使用。

生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展及主要技術(shù)

根據(jù)BP公司《2015年世界能源統(tǒng)計(jì)評論》，中國在的生物燃料發(fā)展速度較慢，全球居第七位。后來者如阿根廷、印度尼西亞發(fā)展得很快。從20世紀(jì)80年代以來，我國生物質(zhì)能的應(yīng)用技術(shù)研究一直受到國家的重視。國家“六五”計(jì)劃就開始設(shè)立研究課題，進(jìn)行重點(diǎn)攻關(guān)，主要在氣化、固化、熱解和液化等方面開展工作。

生物質(zhì)氣化技術(shù)是一種熱化學(xué)處理技術(shù)，用氧氣、氫氣或水蒸氣等作汽化劑，生物質(zhì)中的碳在高溫條件下通過熱化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w (主要成分為一氧化碳、氫氣和甲烷等)的熱化學(xué)反應(yīng)。生物質(zhì)在氣化作用下轉(zhuǎn)換為高品質(zhì)的氣態(tài)燃料，可直接應(yīng)用于鍋爐燃料或者發(fā)電，它產(chǎn)生所需的熱量、電力、合成氣進(jìn)行間接液化來生產(chǎn)甲醇、二甲醚等液體燃料和化工產(chǎn)品。該方法能提高能量轉(zhuǎn)化效率是通過改變生物質(zhì)原料的形態(tài)，從而獲得高品位能源。生物質(zhì)氣化的優(yōu)點(diǎn)有：具有就地取材、減少污染、廢物利用及使用方便衛(wèi)生等優(yōu)點(diǎn)。

現(xiàn)在的生物質(zhì)氣化技術(shù)主要包括固定床、流化床、直接干餾熱解三種工藝形式。其中固定床技術(shù)最為簡單，投資低，易于操作。但產(chǎn)生的燃?xì)鉄嶂档?，一般? 000千焦/立方米左右，并且焦油含量高，易堵塞管路。流化床工藝得到的生物質(zhì)燃?xì)鉄嶂蹈?，可達(dá)12 000千焦/立方米，燃?xì)猱a(chǎn)率和氣化效率也分別達(dá)到了0.95和63%，但是這一工藝設(shè)備復(fù)雜，操作不易掌握。直接干餾熱解技術(shù)能達(dá)到很高的熱值，但還處于試驗(yàn)階段。流化床生物質(zhì)氣化爐比固定床生物質(zhì)氣化具有更大的經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)該成為我國今后生物質(zhì)氣化設(shè)備研究的主要方向。目前我國利用現(xiàn)有技術(shù)，研究開發(fā)效率較高及經(jīng)濟(jì)上可行的生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)在我國將成為生物質(zhì)高效利用的一個主要課題。

生物質(zhì)液化技術(shù)是把固體狀態(tài)的生物質(zhì)經(jīng)過一系列化學(xué)加工過為，將其轉(zhuǎn)化成液體燃料的清潔利用技術(shù)，可分為直接液化、快速熱解等方法。在很早以前人們就用谷物、高粱等通過水解液化生產(chǎn)酒精。21世紀(jì)80年代以來，生物質(zhì)的快速熱解技術(shù)有了很大的發(fā)展，其中最引人注目的是在超高速升溫條件卜的生物質(zhì)直接高溫快速熱解新技術(shù)。國際能源署(IEA)組織了加拿大、芬蘭、意大利等一個研究小組進(jìn)行了長達(dá)一余年的研究工作，在此方面做了深入的研究。我國對生物質(zhì)液化也極為重視，目前在?？诮ǔ闪艘蛔戤a(chǎn)2萬噸的生物質(zhì)燃料廠，該廠以薯類作物為原料生產(chǎn)乙醇、干冰等產(chǎn)品，將低品位、能量密度低的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)液體燃料和化學(xué)品。此外，我國還進(jìn)行用甜高粱制取酒精的研究工作，用酒精做汽車燃料具有很多優(yōu)點(diǎn)。

生物質(zhì)固化技術(shù)是將生物質(zhì)中的木質(zhì)素在加熱條件下液化、軟化，使它具有一定的粘著強(qiáng)度，然后使用機(jī)械方式給生物質(zhì)施加一定壓力，使散的生物質(zhì)轉(zhuǎn)變成具有一定形狀、密度的燃料。固化技術(shù)能夠提高能源密度、改善燃燒特性、實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)能源轉(zhuǎn)化，這使它受到國內(nèi)外工作者的強(qiáng)烈關(guān)注?，F(xiàn)在固化技術(shù)主要用于采用生物質(zhì)資源加工成型炭，國外在這方面早有研究，但嚴(yán)格保密。而我國在這方面的研究處于初步階段，一些企業(yè)用窯燒法等傳統(tǒng)木炭生產(chǎn)技術(shù)制造成型炭，生產(chǎn)周期太長在20多天，而且質(zhì)量極其不均勻，成品率很低，在50%～55%，比烘烤炭低大約10%左右，但它更加清潔，從生物質(zhì)資源品味的角度看確實(shí)是一種好方法。

生物質(zhì)能源發(fā)展趨勢

根據(jù)中國工程院《中國可再生能源發(fā)展戰(zhàn)略研究報告》，中國含太陽能的清潔能源開采資源量為21.48億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其中生物質(zhì)能占54.5%，是水電的兩倍和風(fēng)電的3.5倍。且在新能源中，生物質(zhì)能是唯一可再生的碳源，并能轉(zhuǎn)化為固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)燃料?？梢哉f看，生物質(zhì)能是最具發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉础?/p>

巴黎氣候大會于2015年11月30日至12月11日在巴黎召開,中國已承諾到2030年左右二氧化碳排放達(dá)到峰值且將努力早日達(dá)峰，并計(jì)劃到2030年非化石能源占一次能源消費(fèi)比重提高到20%，到2030年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005年下降60%～65%；中國還宣布拿出200億元人民幣建立“中國氣候變化南南合作基金”。另外，中國還計(jì)劃于2017年啟動全國碳排放交易體系。低碳經(jīng)濟(jì)蓄勢待發(fā)，生物質(zhì)能迅速發(fā)展。

生物質(zhì)能源將逐步替代化石能源，而且對整個人類及地球生態(tài)環(huán)境均有重大的意義。人類能源經(jīng)歷的階段：一是未使用化石能源下碳平衡階段，化石能源消耗量緩慢生長，CO2不支持植物大規(guī)?？焖僭鲩L，人類面臨的主要問題是生態(tài)環(huán)境差、沙漠化擴(kuò)大現(xiàn)象嚴(yán)重；二是大量使用化石能源碳增長階段，大量使用化石能源后，CO2快速增加，氣候變暖，降雨增加，植物生長速度加快，森林及植被被面積快速增加，生物質(zhì)能源發(fā)展快速；三是后化石能源下的碳平衡階段，此階段大氣中CO2趨于平穩(wěn)，生物質(zhì)體量巨大，再生能力增加，生物能源技術(shù)設(shè)施及產(chǎn)能逐步滿足人類需求，化石能源失去經(jīng)濟(jì)性與適用性。

生物質(zhì)能在“十三五”中作為可再生能源的主體地位確立，2020年生物質(zhì)能在可再生能源中占比將達(dá)到30%，超過光伏和風(fēng)電的總和。

2014年，全球范圍內(nèi)可再生能源領(lǐng)域共提供770萬就業(yè)崗位，其中生物質(zhì)能領(lǐng)域提供了超過 200萬個就業(yè)崗位。如果“十三五”期間燃料乙醇全面推廣，每年可減少二氧化碳排放約1 680萬噸；顯著降低汽車尾氣中PM2.5約50%的排放，其它有害物質(zhì)減排30%；可以拉動直接投資1 500億元，間接拉動農(nóng)業(yè)、裝備制造和交通運(yùn)輸業(yè)等領(lǐng)域投資5 000億元；增加直接就業(yè)崗位7萬個，間接帶動就業(yè)崗位50萬個，年增加農(nóng)民收入600億元；每年生產(chǎn)1 400萬噸燃料乙醇，同時聯(lián)產(chǎn)高蛋白飼料450萬噸、電力260億千瓦時、生物天然氣100億立方米、生物有機(jī)肥200萬噸等，年產(chǎn)值1 680億元以上，社會、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益顯著。

未來幾十年的一個中心問題是怎樣將環(huán)境的影響和滿足世界食物和能源需求的潛在好處內(nèi)化到我們的經(jīng)濟(jì)體系中。這是一個復(fù)雜的問題，不是一個簡單的方案和幾個部門可以解決的，它需要環(huán)保主義者，經(jīng)濟(jì)學(xué)家，技術(shù)專家，農(nóng)業(yè)組織，公民參與以及世界各國政府之間的新的合作。近幾年，國內(nèi)大力推動生物質(zhì)能源的發(fā)展，持續(xù)加大對生物質(zhì)發(fā)電、生物質(zhì)設(shè)備、生物質(zhì)燃料基地建設(shè)、生物質(zhì)供熱項(xiàng)目、生物質(zhì)垃圾處理等方面的投入力度。就能源當(dāng)量而言，生物質(zhì)能已成為我國僅次于煤炭、石油、天然氣的第四大能源。

從全球看來，生物質(zhì)多聯(lián)產(chǎn)發(fā)電、生物天然氣的技術(shù)、裝備和商業(yè)化的運(yùn)作模式已經(jīng)成熟，產(chǎn)業(yè)規(guī)模正在快速擴(kuò)展。但在我國，生物質(zhì)能獲得的關(guān)注和認(rèn)同遠(yuǎn)不及風(fēng)能、太陽能。而歐洲的生物質(zhì)能是其最大的可再生能源分支，比重高達(dá)60%。由化石能源向清潔能源轉(zhuǎn)型的世界大勢中，中國在生物質(zhì)能的起跑線上已經(jīng)落后。綜合全球生物質(zhì)發(fā)展及國內(nèi)能源需求的增長、低碳清潔發(fā)展、可再生和對化石能源多途徑的替代等因素，考慮到資源的循環(huán)利用、減排環(huán)保，促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)和中小城鎮(zhèn)建設(shè)、增加農(nóng)民收入等問題，中國都應(yīng)該比任何國家更加重視發(fā)展生物質(zhì)能源。

生物質(zhì)能與傳統(tǒng)能源相比，具有分布分散、密度低、成分復(fù)雜、生產(chǎn)的周期性等劣勢，增加了生物質(zhì)能開發(fā)的難度，難與常規(guī)化石能源在市場上形成競爭。然而，任何一個新產(chǎn)品、新技術(shù)在發(fā)展初期成本一定是較高的，這與技術(shù)水平、市場占有率和認(rèn)知度有關(guān)?；茉吹某墒炖檬墙⒃?00多年科研積累基礎(chǔ)之上的，而生物質(zhì)能利用技術(shù)發(fā)展時間不足20年。我們需要給新生事物一些“寬容”和成長的空間，生物質(zhì)能終將主導(dǎo)未來。

作者單位：（生物精煉河南省工程實(shí)驗(yàn)室河南科技期刊傳媒集團(tuán)商丘師范學(xué)院）