生物質(zhì)能開發(fā)利用的概況及展望

楊帥 王昊毅 張杰 宋春東 丁坤 馬彥華

摘要：在面臨化石能源枯竭和環(huán)境保護(hù)問題上，各國(guó)將生物質(zhì)能的開發(fā)利用視為解決資源問題及減少污染的有效途徑。這必將使生物質(zhì)能的開發(fā)利用發(fā)展迅速。為此，本文概述了國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)能開發(fā)利用的現(xiàn)狀，以及展望了我國(guó)生物質(zhì)能開發(fā)利用的前景。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)能;開發(fā)利用;前景

生物質(zhì)能是太陽(yáng)能以化學(xué)能形式儲(chǔ)存在生物質(zhì)中，是以生物質(zhì)為載體的能量[1]。正當(dāng)世界面臨能源短缺危機(jī)與環(huán)境污染問題，各個(gè)國(guó)家都高度重視以可再生、化石能源替代為核心的生物質(zhì)能的發(fā)展。通過物理、化學(xué)、生物等方法可以將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為固、液、氣態(tài)，用于發(fā)電、生物質(zhì)液體燃料和成型燃料等[2]。

目前，我國(guó)的能源消耗依然以煤炭為主，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)能源消耗日益劇增[3]。然而我國(guó)能夠用來(lái)開發(fā)利用的生物質(zhì)原料很多都被直接廢棄，因此合理地利用生物質(zhì)能，能夠緩解我國(guó)能源緊張問題，促進(jìn)資源的循環(huán)利用以及減少環(huán)境污染，是調(diào)整中國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的主要目標(biāo)[4]。

1 生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)

生物質(zhì)發(fā)電被認(rèn)為是“零排放”的電力能源。生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)主要有三種形式：生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電、沼氣發(fā)電和生物質(zhì)氣化發(fā)電[5]。

1.1 生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電

生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電技術(shù)是指將秸稈、樹枝類木質(zhì)纖維素等直接送入特殊燃燒室內(nèi)燃燒，利用燃燒過程中產(chǎn)生的熱氣流或高壓蒸汽發(fā)電。直接燃燒發(fā)電技術(shù)具有處理系統(tǒng)直觀、風(fēng)險(xiǎn)小和投資少等優(yōu)點(diǎn)[6]。

近幾年來(lái)，我國(guó)在生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電產(chǎn)業(yè)化方面也取得了很大的進(jìn)展。國(guó)內(nèi)生物質(zhì)電站應(yīng)用最多的是循環(huán)流化床爐和水冷振動(dòng)爐排高溫高壓生物質(zhì)料鍋爐。2011年，臨沂工程作為國(guó)內(nèi)新一代生物質(zhì)直燃發(fā)電工程的示范代表項(xiàng)目，以樹皮、枝椏等為燃料，采用水冷振動(dòng)爐排高溫高壓生物質(zhì)燃料鍋爐，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益[7]。此外，山東電力工程咨詢?cè)河邢薰咀鳛槲覈?guó)生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電技術(shù)的引領(lǐng)者，不斷開拓創(chuàng)新生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電技術(shù)。

目前，生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電作為最常用的生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)，技術(shù)已基本成熟，將是未來(lái)生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)中發(fā)展規(guī)模最大的部分[8]。

1.2 沼氣發(fā)電

沼氣發(fā)電是利用有機(jī)廢棄物，經(jīng)過厭氧發(fā)酵處理使其產(chǎn)生沼氣，并以此來(lái)驅(qū)動(dòng)沼氣發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電，該技術(shù)綜合能源利用率達(dá)到80%以上[9]。

在我國(guó)，沼氣行業(yè)的發(fā)展關(guān)注程度不斷增高?！?018年中國(guó)生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)排名報(bào)告》中顯示，我國(guó)2018年沼氣發(fā)電項(xiàng)目共136個(gè)，裝機(jī)總量達(dá)49.9萬(wàn)千瓦，發(fā)電量達(dá)22.13億千瓦時(shí)，上網(wǎng)電量19.25億千瓦時(shí)[10]。預(yù)計(jì)到2020年，國(guó)內(nèi)沼氣年應(yīng)用總量將會(huì)實(shí)現(xiàn)440億立方米，農(nóng)村沼氣應(yīng)用量將會(huì)實(shí)現(xiàn)300億立方米[11]。

從我國(guó)沼氣發(fā)展的現(xiàn)狀看，由于沼氣發(fā)電具有對(duì)環(huán)境友好、安全穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)迅速發(fā)展的道路上，將為國(guó)家清潔能源和環(huán)境保護(hù)事業(yè)做出不可磨滅的貢獻(xiàn)。

1.3 生物質(zhì)氣化發(fā)電

生物質(zhì)氣化發(fā)電是指基于熱化學(xué)轉(zhuǎn)換原理將固態(tài)生物質(zhì)氣化，生成可燃性氣體，再通過外燃機(jī)或內(nèi)燃機(jī)做功發(fā)電[22]。生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)成熟、靈活，對(duì)環(huán)境友好，大大減少了CO2和SO2等污染物排放，并且發(fā)電規(guī)模較小時(shí)經(jīng)濟(jì)性較好、成本低、易回收[12]。

生物質(zhì)氣化發(fā)電推進(jìn)之初，學(xué)者們和電廠主要使用氣化爐、內(nèi)燃機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行研究及生產(chǎn)，該類型氣化發(fā)電工藝簡(jiǎn)單，處理對(duì)象廣泛。目前伴隨著研究人員不斷探索，使得發(fā)電功率和發(fā)電效率增加。

作為高效清潔的現(xiàn)代化生物質(zhì)能利用方式，生物質(zhì)氣化發(fā)電具有良好的發(fā)展前景，并且生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)非常適合農(nóng)村偏遠(yuǎn)、分散地區(qū)，這對(duì)于補(bǔ)充我國(guó)能源供應(yīng)具有重要意義。但是存在的問題仍然不可無(wú)視，例如，現(xiàn)發(fā)電技術(shù)欠成熟、發(fā)電系統(tǒng)效率低（一般不足18%）、氣化發(fā)電成本高，以及焦油含量偏高的生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的氣體會(huì)造成二次污染。因此，我國(guó)應(yīng)該積極吸取國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，選擇合適催化劑，提高生物質(zhì)氣化發(fā)電時(shí)燃?xì)猱a(chǎn)率，并結(jié)合中國(guó)國(guó)情，開發(fā)出氣化發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的設(shè)備和技術(shù)[13]。

2 生物質(zhì)液體燃料技術(shù)

生物質(zhì)液體燃料作為可替代石油燃料的能源產(chǎn)品，主要包括燃料乙醇、生物柴油、生物質(zhì)裂解油等[14]。

2.1 燃料乙醇技術(shù)

目前制取燃料乙醇最主要的方法是生物質(zhì)發(fā)酵法，不同的生物質(zhì)原料采取的生產(chǎn)工藝有所不同，碾磨、液化以及糖化工藝主要用于含有淀粉的生物質(zhì)（一代燃料乙醇），預(yù)處理和水解用于木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)（二代燃料乙醇）[15]。

2002年燃料乙醇產(chǎn)業(yè)應(yīng)運(yùn)而生。目前我國(guó)是世界上第三大生物燃料乙醇生產(chǎn)國(guó)和應(yīng)用國(guó)?！吨袊?guó)工業(yè)生物技術(shù)白皮書暨中國(guó)生物工業(yè)投資分析報(bào)告2017》指出，我國(guó)燃料乙醇產(chǎn)量有望迎來(lái)廣闊增長(zhǎng)空間。2018年4月，國(guó)家能源局在京已將生物燃料乙醇產(chǎn)業(yè)總體布局方案初步擬定完成，繼續(xù)規(guī)范有序地推廣生物燃料乙醇的應(yīng)用[16]。

2018年我國(guó)主要燃料乙醇項(xiàng)目（見下表），其中采用玉米作為原料的乙醇產(chǎn)能100多萬(wàn)噸，占生物乙醇總產(chǎn)能的70%以上[17]。

2.2 生物柴油

生物柴油是以廢棄油脂、油料作物等為主要原料，通過物理及化學(xué)反應(yīng)制備得到的綠色能源[18]。目前，具有實(shí)際工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的生物柴油制備方法主要是酯交換法，其優(yōu)點(diǎn)在于，環(huán)境污染小、反應(yīng)條件溫和、工藝成熟、通用性好、費(fèi)用較低、產(chǎn)品性質(zhì)穩(wěn)定、轉(zhuǎn)化率高等[19]。

我國(guó)在生物柴油領(lǐng)域的研發(fā)工作起步較早，上個(gè)世紀(jì)八十年代初期，專家學(xué)者著手從植物油中提煉生物柴油，開始了對(duì)生物柴油能源開發(fā)的初步探索[20]。2017年起，全國(guó)全面供應(yīng)符合國(guó)Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)的車用柴油（含B5生物柴油），2018年，生物柴油已經(jīng)在上海地區(qū)全市近200個(gè)加油站提供[21]。

生物柴油，已經(jīng)被公認(rèn)為礦物柴油的合適補(bǔ)充，具有原料來(lái)源豐富、清潔衛(wèi)生以及可再生等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)資源循環(huán)利用，解決能源緊張和生態(tài)環(huán)境問題有十分重要的意義。

2.3 生物質(zhì)熱裂解技術(shù)

熱裂解技術(shù)是在惰性氣氛下，利用熱能使生物質(zhì)大分子鍵斷裂，不斷轉(zhuǎn)變?yōu)樾》肿拥倪^程。快速熱裂解技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單和轉(zhuǎn)化高效等優(yōu)點(diǎn)，在生物質(zhì)領(lǐng)域得到了很好的發(fā)展與應(yīng)用[22]。

國(guó)內(nèi)企業(yè)界與科技界聯(lián)合進(jìn)行了生物質(zhì)流化床熱解裝置的建設(shè)，安徽易能生物能源有限公司引進(jìn)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的生物質(zhì)流化床熱解技術(shù)，建成了自熱式生物質(zhì)熱裂解示范裝置。廣州迪森集團(tuán)公司建成了千噸級(jí)生物質(zhì)熱解工業(yè)示范裝置。蕪湖市恒久再生能源有限公司，發(fā)明了一種生物質(zhì)多單元連續(xù)熱裂解集成系統(tǒng)。

我國(guó)建成的生物質(zhì)熱解裝置已達(dá)數(shù)十套，生物質(zhì)熱解的能源轉(zhuǎn)化效率可達(dá)60%以上。但由于大部分熱解裝置都以生物油為目標(biāo)產(chǎn)品，而生物油的推廣應(yīng)用還存在一定困難，從而使得目前已建成的裝置均未實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)[23]。

3 開發(fā)利用生物質(zhì)能的前景

我國(guó)生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)在一系列政策引領(lǐng)下不斷發(fā)展壯大，經(jīng)歷了從無(wú)到有，從小到大，從弱到強(qiáng)的成長(zhǎng)之路。我國(guó)一系列的規(guī)劃和政策表明我國(guó)大力發(fā)展生物質(zhì)能的迫切性，而面對(duì)能源的需求量增長(zhǎng)，農(nóng)業(yè)污染嚴(yán)重等問題，我國(guó)確實(shí)應(yīng)該相較于任何其他國(guó)家都要注重生物質(zhì)能的開發(fā)與利用。我國(guó)應(yīng)該在技術(shù)上創(chuàng)新，政策上支持，不斷完善結(jié)構(gòu)，積極借鑒他國(guó)經(jīng)驗(yàn)，按照我國(guó)生物質(zhì)能源基本國(guó)情，去探索一條屬于自己的特色生物質(zhì)能源發(fā)展道路。

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作者簡(jiǎn)介：楊帥（1995—），男，漢族，內(nèi)蒙古赤峰人，碩士，研究方向：草原畜牧業(yè)裝備制造。

*通訊作者：馬彥華（1979—），女，蒙古族，遼寧人，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：草原畜牧業(yè)裝備制造。