生物質(zhì)能源發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

婁喜艷 丁錦平

（1.商丘工學(xué)院土木工程學(xué)院，河南商丘 476000；2.商丘師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院植物與微生物互作重點實驗室，河南商丘 476000）

中國是一個能源生產(chǎn)大國，也是能源消費大國。發(fā)展生物質(zhì)能源已成為減少環(huán)境污染、緩解能源供需矛盾的重要途徑。在提倡節(jié)能減排、新能源開發(fā)利用和建成小康社會的背景下，大力推廣生物質(zhì)能應(yīng)用技術(shù)，充分利用生物質(zhì)能源，不僅有利于治理農(nóng)業(yè)面源污染，優(yōu)化農(nóng)村環(huán)境，還能有效緩解農(nóng)村能源短缺，促進經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展，對推進社會主義現(xiàn)代化建設(shè)，構(gòu)建和諧社會具有重要的現(xiàn)實意義[1]。但是，我國生物質(zhì)能利用尚處于起步階段，面臨著原料供給不穩(wěn)定、自主研發(fā)能力弱、配套政策不健全等多方面的困難[2]。如何創(chuàng)新機制和技術(shù)，優(yōu)化各方面的條件，大力促進我國生物質(zhì)能源及其產(chǎn)業(yè)的快速、高效發(fā)展，是一個亟待探討的關(guān)鍵問題。

1 生物質(zhì)能源概述

1.1 生物質(zhì)能源的定義

生物質(zhì)是指森林林木及其他木本植物通過光合作用將太陽能轉(zhuǎn)化而形成的有機物質(zhì)。生物質(zhì)能源，是指貯藏在林木生物質(zhì)中的生物量轉(zhuǎn)化形成的能源，主要是指通過直接燃燒或者現(xiàn)代轉(zhuǎn)化技術(shù)形成的可用于發(fā)電和供熱的能源[3]。

1.2 生物質(zhì)能源的分類和特點

依據(jù)來源的不同，可以將適合于能源利用的生物質(zhì)分為林業(yè)資源、農(nóng)業(yè)資源、生活污水和工業(yè)有機廢水、城市固體廢物和畜禽糞便等五大類。生物質(zhì)能源具有可再生性、低污染性、廣泛分布性、總量豐富性等特點。

2 我國生物質(zhì)能源發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 資源現(xiàn)狀

我國生物質(zhì)原料主要來自農(nóng)林產(chǎn)業(yè)，分布遍及全國各自然生態(tài)區(qū)，根據(jù)我國國情，生物質(zhì)資源開發(fā)應(yīng)以有機廢棄物和利用邊際性土地種植的能源植物作為其原料主要來源[4]。我國森林生物量約180億噸，每年可獲得的資源量約9億噸，可用于能源開發(fā)的資源量近3億噸；我國“三北”地區(qū)林木生物質(zhì)能源資每年林木生物質(zhì)能源可利用量約1.1億噸[5]。從自然資源、生產(chǎn)能力、市場需求及生態(tài)需求方面對林木生物質(zhì)能源發(fā)展?jié)摿M行分析，得出我國沿海地區(qū)秸稈、畜禽糞便、林業(yè)剩余物三類生物質(zhì)資源量合計折標(biāo)準(zhǔn)煤617萬多噸[6]；我國存在約20億畝的山地、灘涂、鹽堿地等邊際性土地，不宜種植糧食作物，但可以作為能源等專業(yè)植物種植的土地。按這些土地的20%利用計算，每年約生產(chǎn)10億噸生物質(zhì)；全國年產(chǎn)有機廢水25.2億噸，廢渣0.7億噸，可獲得沼氣資源量為106.8億m3；城市固體廢棄物年產(chǎn)生量約1.5億噸，每年以8%～10%的速度持續(xù)增長；生物質(zhì)資源總量和生物質(zhì)能總量分別為8722.69萬噸和1.32 ×1015kJ，其中林木剩余物總量為16.93萬噸，生物質(zhì)能總量為3.122×1012kJ[7]。

2.2 技術(shù)現(xiàn)狀

2.2.1 生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)

生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)主要包括：直接燃燒發(fā)電、與煤混燃發(fā)電、氣化發(fā)電以及沼氣、填埋氣發(fā)電等[8]。生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電的原理是，由生物質(zhì)鍋爐設(shè)備利用生物質(zhì)直接燃燒后的熱能產(chǎn)生蒸汽，再利用蒸汽推動汽輪機發(fā)電系統(tǒng)進行發(fā)電，在原理上與燃煤鍋爐火力發(fā)電十分相似。通常燃燒發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成包括原料收集系統(tǒng)、預(yù)處理系統(tǒng)、儲存系統(tǒng)、給料系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、熱利用系統(tǒng)和煙氣排放處理系統(tǒng)。

目前，國內(nèi)最大的機組為1.5萬kW，主要是將平原地帶農(nóng)民廢棄的麥秸、玉米秸、稻草拿來燃燒發(fā)電。在南方地區(qū)，許多糖廠利用甘蔗渣發(fā)電。我國的生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的最大裝機容量與國外相比，還有很大差距[9]。

2.2.2 生物質(zhì)液體燃料技術(shù)

生物質(zhì)液體燃料主要包括燃料乙醇、生物柴油、生物質(zhì)裂解油和生物質(zhì)合成燃料等。近20年來，利用甘蔗、玉米等糖和淀粉類原料制取燃料乙醇，利用動植物油脂制取生物柴油的技術(shù)已經(jīng)逐步實現(xiàn)商業(yè)化。目前玉米乙醇、生物柴油等第一代液體生物燃料已經(jīng)逐步應(yīng)用于國內(nèi)外工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，成為石油燃料的有力補充[10]。生物質(zhì)液體燃料技術(shù)和產(chǎn)業(yè)在我國剛開始起步，2000年以來，我國初步建立了以陳化糧玉米為原料的燃料乙醇工業(yè)和以廢棄油脂為原料的生物柴油工業(yè)，可年產(chǎn)約102萬噸燃料乙醇和10萬噸生物柴油。

2.2.3 生物質(zhì)固體燃料及沼氣技術(shù)

固體燃料是以木材屑末下腳料、植物秸稈、各種糠渣谷殼等為原料，經(jīng)成型機擠壓成型制成薪棒或顆粒等，然后脫煙炭化成清潔炭或直接燃用，從而達到了很高的CO2排放標(biāo)準(zhǔn)，是一種比較簡潔的生物質(zhì)能源生產(chǎn)方法?，F(xiàn)在，遼寧省能源研究所、西北農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國林業(yè)科學(xué)研究院、陜西武功輕工機械廠、江蘇東海縣糧食機械廠等10余家單位研究和開發(fā)生物質(zhì)成型燃料技術(shù)和設(shè)備[11]。

生物質(zhì)在厭氧環(huán)境通過微生物發(fā)酵產(chǎn)生一種以甲烷為主要成分的可燃性混合氣體，即沼氣。到2008年底，全國已經(jīng)建設(shè)農(nóng)村戶用沼氣池約3 000萬口，生活污水凈化沼氣池14萬處。畜禽養(yǎng)殖場和工業(yè)廢水沼氣工程達到2 700多處，年產(chǎn)沼氣約100億m3，為近8 000萬農(nóng)村人口提供了優(yōu)質(zhì)的生活燃料。

3 生物質(zhì)能源的應(yīng)用前景

3.1 物質(zhì)固體成型燃料和氣化發(fā)電開發(fā)利用

目前，我國平均每年林業(yè)廢棄物及加工剩余物高達數(shù)億噸，加工的剩余物十分豐富，潛力巨大。這些資源都是高燃燒值生物原料，一般燃燒熱值高達4 000～4 800kcal／kg，是發(fā)展林業(yè)生物質(zhì)的固體成型燃料和氣化發(fā)電的重要原料。近些年來，我國林業(yè)生物質(zhì)固體成型燃料和氣化發(fā)電方面已日趨成熟，并舉辦了一些規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化示范活動，這些舉措都為生物資源的大規(guī)模能源化的開發(fā)打下了良好基礎(chǔ)。

3.2 生物乙醇開發(fā)利用

以戰(zhàn)略發(fā)展的眼光來看，世界許多國家都將各種植物纖維素作為可供生產(chǎn)燃料酒精的豐富且廉價的原料來源，自20世紀(jì)50年代起，我國先后開展了生物質(zhì)化學(xué)酸水解、纖維素酶水解法的研究和探索。隨著科學(xué)技術(shù)的進步和轉(zhuǎn)化技術(shù)的突破，在不久的將來，有望實現(xiàn)利用木質(zhì)纖維素生產(chǎn)生物酒精的大規(guī)模生產(chǎn)。因此，可再生能源的開發(fā)和利用必將起到越來越重要的作用。

3.3 秸稈技術(shù)

秸稈是一種廉價、量大、面廣的生物質(zhì)資源。秸稈燃燒值約為標(biāo)準(zhǔn)煤的59%，秸稈蛋白質(zhì)含量約5%，纖維素含量在30%左右，還含有一定量的鈣、磷等礦物質(zhì)。1 000kg普通秸稈的營養(yǎng)價值平均與250kg糧食的營養(yǎng)價值相當(dāng)。我們必須要加大秸稈生物質(zhì)綜合利用技術(shù)的推廣，科學(xué)應(yīng)用秸稈類煤化、秸稈制取乙醇和生物質(zhì)油等成熟先進的技術(shù)，逐步實現(xiàn)秸稈從簡單利用向綜合利用的轉(zhuǎn)變，引導(dǎo)秸稈綜合利用的有序、健康發(fā)展。

3.4 物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展對環(huán)境的影響

林木生物質(zhì)能源的發(fā)展，對CO2減排的作用對生態(tài)環(huán)境所產(chǎn)生的影響已成為目前學(xué)術(shù)界備受關(guān)注的話題。從我國林木生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀來看，目前重點發(fā)展方向為定向培育能源林，通過能源植物的良種選育、集中化栽培，必將大大提高森林覆蓋率，并且能有效促進綠化和防止土地退化，有利于改善生態(tài)環(huán)境。

4 對于生物質(zhì)能源發(fā)展的進一步思考

4.1 大力培育森林資源，為開發(fā)利用生物質(zhì)能源打好基礎(chǔ)

我國的現(xiàn)狀是人多耕地少，山地面積廣。因此，要發(fā)展生物質(zhì)能源，首先應(yīng)大力開發(fā)森林資源，特別是有針對性地營造能源林，為積累資源打好基礎(chǔ)。此外，國家也可制定并實施“能源林工程”，加大投入力度，對開發(fā)能源林的企業(yè)給予一定的資金補助，以提高培養(yǎng)能源林的積極性，加快資源發(fā)展步伐。

4.2 大力開展科學(xué)研究，為開發(fā)利用生物質(zhì)能源提供科技支撐

國家有關(guān)部門應(yīng)重視生物質(zhì)能源技術(shù)多學(xué)科交叉的特點，注重融合和引進。開發(fā)利用生物質(zhì)能源是一項新興的產(chǎn)業(yè)，有很多技術(shù)難題需要解決。因此，著力開展生物質(zhì)能源的科學(xué)研究工作，要從樹種選育、高產(chǎn)栽培、采收運輸、加工利用等各個環(huán)節(jié)開始，開展技術(shù)攻關(guān)，突破關(guān)鍵技術(shù)，從而達到降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益以及市場競爭力的目標(biāo)，為有效地利用生物質(zhì)能源提供技術(shù)支撐。國家有關(guān)部門要在人力、財力和物力上，應(yīng)對科研工作給予大力支持。

4.3 加強對外合作與交流，加快我國生物質(zhì)能源發(fā)展步伐

歐洲一些國家在生物質(zhì)能源開發(fā)和利用方面均處于領(lǐng)先地位，特別是在林業(yè)生物質(zhì)發(fā)電、供暖等技術(shù)方面已很成熟，而我國在這些方面卻剛剛起步。為了縮小與國外的差距，我國應(yīng)采取充分借鑒和吸取國外已有技術(shù)和經(jīng)驗，并且應(yīng)加強對外的合作與交流，必要時，需通過派出國內(nèi)高級技術(shù)和管理人員到國外進修、誠邀外國權(quán)威專家來國內(nèi)講學(xué)培訓(xùn)、開展合作項目等多種方式進行交流與合作，推動并加快我國生物質(zhì)能源的發(fā)展和創(chuàng)新。此外，我們還必須堅持自主開發(fā)與引進吸收相結(jié)合的技術(shù)方式，要根據(jù)我國原料的特征、設(shè)備管理水平和吸收能力等方面進行引進，有目的、有選擇地引進，同時加大加強我國自身科研投入和力度，堅持引進和創(chuàng)新相結(jié)合的發(fā)展模式，爭取在某些關(guān)鍵性技術(shù)或方法上取得突破，全面掌握有關(guān)的核心技術(shù)，爭取實現(xiàn)技術(shù)和設(shè)備的國產(chǎn)化，提高我國在相關(guān)領(lǐng)域的國際競爭水平。

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