生物質(zhì)能和其市場潛力

石堯（英國南安普頓大學(xué) 環(huán)境工程學(xué)院 能源與可持續(xù)系，英國南安普頓 SO17 1BJ）

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生物質(zhì)能和其市場潛力

石堯
（英國南安普頓大學(xué) 環(huán)境工程學(xué)院 能源與可持續(xù)系，英國南安普頓 SO17 1BJ）

【摘要】工業(yè)革命完成之后，化石燃料成為了推動文明進步發(fā)展的引擎。生物質(zhì)能是可再生的環(huán)境友好的燃料，而化石燃料是不可再生的有污染的燃料。通過政府津貼的支持，生物質(zhì)能在許多發(fā)達(dá)國家已經(jīng)得到了長足的發(fā)展，而在發(fā)展中國家還沒有有效利用。能源安全是發(fā)展生物質(zhì)能的另外一個原因，一個良好應(yīng)用生物質(zhì)能的國家隊國際化石燃料價格的波動是有抵抗力的。生物質(zhì)的原料是十分充足的，因為居民日常生活中，林業(yè)，農(nóng)業(yè)都能獲取。隨著生物質(zhì)能利用技術(shù)愈發(fā)的成熟，生物質(zhì)能將會在人類社會中扮演更重要的角色。

【關(guān)鍵詞】生物質(zhì)能 生物質(zhì) 市場 環(huán)保

1 簡介

近幾年來，溫室氣體的排放成為了可持續(xù)發(fā)展的絆腳石，而生物質(zhì)能被視為可以改善這種狀況的關(guān)鍵之一。盡管OPEC組織為了和來自美國的頁巖氣競爭壓低了石油價格，能源危機始終是對政府的挑戰(zhàn)。以全球為范圍長期來看，生物質(zhì)的生產(chǎn)潛能在發(fā)展中國家譬如拉美，撒哈拉以南地區(qū)和東歐地區(qū)將會是巨大的［1］。這意味著生物質(zhì)能的市場潛力同樣會很大。雖然生物質(zhì)燃料的燃燒會伴隨著溫室氣體的排放，但這些碳是生物質(zhì)中固有的碳，并不會增加生物圈碳循環(huán)中碳的總量。有三種方式將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成生物質(zhì)燃料：物理轉(zhuǎn)化、化學(xué)轉(zhuǎn)化、生物轉(zhuǎn)化，不同種類的生物質(zhì)燃料通過不同的轉(zhuǎn)化方法獲取。這些生物質(zhì)燃料可以應(yīng)用在譬如內(nèi)燃機，發(fā)電機組，集中供熱等一些影響到大部分居民日常生活的范疇。

2 利用生物質(zhì)能的技術(shù)

有主要三種方式獲取生物質(zhì)原料，區(qū)別存在于初級，第二級和第三級廢物之中。主要殘留物是在生產(chǎn)使用作物和林業(yè)加工的過程中產(chǎn)生的，比如森林和秸稈中疏伐。二次廢料來自于食品加工，比如飲料工業(yè)，造紙廠。叔胺殘基在生物質(zhì)衍生的商品被使用后變得可以加以利用，也就是說它源自于城市固體廢棄物，廢木料，淤泥中的有機物成分［2］。生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)將生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)化為固體液體或氣體形態(tài)的生物燃料提供給用戶。另一方面，轉(zhuǎn)化技術(shù)將生物質(zhì)直接轉(zhuǎn)化為能量。這個章節(jié)包含三節(jié)：2.1節(jié)描述了將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為固態(tài)燃料的物理轉(zhuǎn)化方法，2.2節(jié)涵蓋了三種重要的獲取各種生物質(zhì)燃料的化學(xué)轉(zhuǎn)化方法，2.3節(jié)描述了兩種生物轉(zhuǎn)化的方法。

2.1 物理轉(zhuǎn)化方法：壓縮成型

未經(jīng)過壓縮成型的生物質(zhì)燃料存在譬如過快揮發(fā)，難以控制空氣供給的問題。在普通的鍋爐中難以解決這些問題，所以分散和過輕的生物質(zhì)染發(fā)聊需要壓縮成型來講提高熱值進而加以充分燃燒利用。普通生物質(zhì)壓縮成型的過程圖1所示［3］：

在鄉(xiāng)村地區(qū)有豐富的生物質(zhì)資源，比如，稻草，谷殼。為了在燃燒生物質(zhì)時不結(jié)渣，搜集這些生物質(zhì)時防止土壤的混入非常重要。研磨是壓縮成型之前非常重要的一個步驟，大尺寸的原料像稻草需要研磨，而小尺寸的原料譬如谷殼只需要清除大尺寸的無關(guān)渣滓。在進行下個步驟之前，脫水會將濕度控制在10%-15%之間［4］。預(yù)壓是為了提高生產(chǎn)率。在預(yù)壓的過程中，加熱可以軟化原料中的木質(zhì)素，這對粘合和使原料易于壓縮非常重要。切割和打包是產(chǎn)品銷售前的最后一步。這種壓縮成型的固體生物質(zhì)燃料是煤炭的良好替代物，可以應(yīng)用于供熱鍋爐，熱水鍋爐，小型發(fā)電機組。

2.2 化學(xué)轉(zhuǎn)化

生物質(zhì)化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)對于高效利用生物質(zhì)資源很重要。它主要包括四個方法：燃燒，熱解，氣化和液化。

（1）燃燒是將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為能量的最普遍方式，它是可燃物和氧化劑之間的化學(xué)反應(yīng)，釋放出劇烈的熱。獲取熱能是燃燒的主要目的。（2）熱解：熱解的產(chǎn)物范圍比較大：有固體，液體，氣體的生物質(zhì)燃料。由操作條件可將熱解分為兩種。第一種是快速熱解，溫度高蒸汽停留時間短。燒蝕系統(tǒng)，流化床，攪拌床，真空熱解系統(tǒng)是這個處理過程中需要的組件。另一種是慢速熱解，它是對相對大的固體顆粒的舒緩加熱伴隨著更長的水蒸氣停留時間，溫度比快速熱解更低。在這個處理過程中，需要大的蒸餾器，攪拌鼓窯，旋轉(zhuǎn)窯和螺釘熱解器，而操作條件應(yīng)該為了保持產(chǎn)品如氣體，焦油和焦炭的不變性而保持不變［5］。（3）氣化：煤和包括熱解過程中產(chǎn)生的各種氣體發(fā)生反應(yīng)。然而，大部分參與反應(yīng)的氣體是人工添加的。水蒸氣和氧氣在氣化過程中被用作反應(yīng)物，同時反應(yīng)產(chǎn)生了CO，H2，CO2，CH4和H2O。純氧氣比空氣更適合參與反應(yīng)，因為空氣中混有太多的氮氣會造成燃料熱值的降低，水蒸氣會提升熱值因為它會增加燃料中氫氣的成分。在另一方面，二氧化碳協(xié)助在Ni/Al催化反應(yīng)中將碳，焦油和甲烷轉(zhuǎn)化成氫氣和一氧化碳［6］。（4）液化：液化后主要有三種產(chǎn)物，生物燃油部分，燃?xì)獠糠趾驮谌軇┲械墓腆w部分（比如水）。整個過程的溫度在250-400℃之間，壓力在5-20MPa之間［7］。

2.3 生物轉(zhuǎn)化

主要有兩種方式：水解發(fā)酵和厭氧消化。生物乙醇是水解發(fā)酵的產(chǎn)品而生物燃?xì)馐菂捬跸漠a(chǎn)品。生物乙醇和生物燃?xì)獾娜紵菨崈舡h(huán)保的，因為燃燒產(chǎn)物只有水和二氧化碳。

水解發(fā)酵：富含糖分的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)是這個處理過程的原料。在發(fā)酵之前需要進行預(yù)處理和酶法水解，預(yù)處理能夠破壞木質(zhì)纖維素的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)，使纖維素更容易被酶所降解；酶法水解利用酶將預(yù)處理后的纖維素轉(zhuǎn)化為葡萄糖，為最后的發(fā)酵做準(zhǔn)備。在發(fā)酵期間，微生物將葡萄糖轉(zhuǎn)化為生物乙醇。發(fā)酵有兩種方式：一次發(fā)酵和分批發(fā)酵。一次發(fā)酵中微生物被置于限定容積的媒介中，其發(fā)酵過程在糖分耗盡前不會停止。在分批發(fā)酵中，底物濃度將保持在低水平，新的介質(zhì)會被加入以保持發(fā)酵的持續(xù)進行［8］。

圖1　普通生物質(zhì)壓縮成型的過程

厭氧消化：利用微生物消化生物質(zhì)并產(chǎn)生主要由甲烷和二氧化碳組成的生物燃?xì)獾倪^程，有固態(tài)厭氧消化和液態(tài)厭氧消化兩種形式，比如厭氧消化的過程可以是木質(zhì)纖維素生物質(zhì)或大型海藻生物質(zhì)。木質(zhì)纖維素生物質(zhì)是用于固態(tài)厭氧消化，固態(tài)厭氧消化在更高的有機負(fù)荷率和更高的容積沼氣生產(chǎn)率下相對有效，而木質(zhì)纖維素在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有豐富的原料。厭氧消化有四個階段：水解，酸化，乙酸化和甲烷合成，合理的持續(xù)時間和各階段的反應(yīng)速度對于保證系統(tǒng)的正常運行至關(guān)重要［9］。

3 生物質(zhì)能的市場潛力

生物質(zhì)能作為一種傳統(tǒng)石化燃料的替代品可以直接被運用于傳統(tǒng)的設(shè)備中作為燃料。而其他的像風(fēng)能，水電，光伏等可再生能源只能先被轉(zhuǎn)化為電能之后再利用。生物質(zhì)能來源于生物質(zhì)，碳和氫這樣的化學(xué)元素可以從原料中提取，經(jīng)過第二章提到的加工過程，生物質(zhì)在熱機，鍋爐中充分燃燒再轉(zhuǎn)化為各種形態(tài)的能源，這是生物質(zhì)能相對于其他種類可再生能源的優(yōu)勢。

現(xiàn)有生物質(zhì)成型燃料（BMF），生物燃?xì)猓˙GF），生物燃油（BOF）三種生物質(zhì)燃料。作為一種固體燃料，BMF經(jīng)過處理之后能夠直接被應(yīng)用到工業(yè)設(shè)備中獲取能量。BGF是天然氣的良好替代品，BOF可以用來替代汽油［10］。生物乙醇和汽油的混合燃油已被證實可以減少溫室氣體的排放，從而緩解城市交通污染［11］。在中國，乙醇汽油已在各地加油站廣泛推行多年，隨著中國機動車保有量的連年增長，不僅生物燃油隨之?dāng)U大使用量，環(huán)境也會因此受到一定程度的保護。

中國就有豐富的生物質(zhì)資源，大約2.61-3.51 billon tce/a，其中440-640 millon tce/a是可以利用的生物質(zhì)原料，其中只有1.5-2.5%的生物質(zhì)原料得到了利用，生物質(zhì)原料的開發(fā)潛力是巨大的［12］。中國政府對生物質(zhì)能發(fā)電進行補貼，比如2007年在內(nèi)蒙古毛烏素修建的生物質(zhì)直燃發(fā)電站就是以沙柳作為燃料的（Salix direct- fired power generation system，SDPGS）。盡管SDPGS需要政府的補貼以保證資金充足正常運行，但是其節(jié)能減排的作用是功效顯著的，在投資回收期結(jié)束之后，發(fā)電站將會使納稅人和政府在經(jīng)濟上和生態(tài)環(huán)境上同時受益。在充足的生物質(zhì)原料供應(yīng)得到保證，電價補貼后合理的電價，未來的技術(shù)進步這些因素下，生物質(zhì)能發(fā)電將有更好的應(yīng)用前景［13］。

農(nóng)村居民有足夠的空間修建提供自用的沼氣池，而且中國政府會對農(nóng)村沼氣池用戶提供補貼，這種沼氣池系統(tǒng)收集廢物（比如排泄物）釋放的生物燃?xì)庾鳛槟茉垂┙o農(nóng)戶炊用［14］。歐洲是發(fā)展生物質(zhì)能良好的地區(qū)之一，2010年歐洲生物能的發(fā)展目標(biāo)是6000PJ，歐盟的東擴也為歐洲的生物質(zhì)能發(fā)展帶來了新的機遇，因為中歐和東歐地區(qū)富含農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源［15］。在意大利，意大利生物質(zhì)能中心（Italian Biomass Centre）在意大利農(nóng)村地區(qū)修建了分批沼氣池發(fā)電機組（batch digester plants），這些機組以農(nóng)村的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢料和畜牧廢料作為原料來產(chǎn)生生物燃?xì)?。這個項目是可回收成本的，因為安裝的這些機組不僅僅將電供給農(nóng)戶使用，而且會將產(chǎn)生的部分電賣給電網(wǎng)，依靠電價補貼和市場價格獲取利潤［16］。

4 結(jié)語

總體來說，生物質(zhì)能是一種利于可持續(xù)發(fā)展的可再生能源，能夠作為化石燃料的替代品，增加供能的選擇提升能源安全。同時，生物質(zhì)能產(chǎn)生的價值可以為農(nóng)村地區(qū)沼氣池用戶創(chuàng)收，減小城鄉(xiāng)差距［17］。就現(xiàn)階段來講，生物質(zhì)能的利用技術(shù)還沒有化石燃料那樣成熟，將生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)化成生物燃油的成本高，對于發(fā)展中國家和農(nóng)村地區(qū)，平衡利用生物質(zhì)能和傳統(tǒng)能源很重要。

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