生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化技術的應用探討

文/王雪芬

0 引言

當今世界經(jīng)濟的快速發(fā)展，導致煤、石油、天然氣等傳統(tǒng)不可再生能源正面臨枯竭，人們亟需開發(fā)多種新型的可再生能源，以面對傳統(tǒng)能源枯竭的危機。目前，新能源異軍突起，包括太陽能、海洋能、風能、生物質(zhì)能、核聚變能等等，極大地滿足了人們對能源的需求。生物質(zhì)能是新能源中的一種，來源于生物質(zhì)，也是太陽能以化學能形式貯存于生物中的一種能量形式，具有清潔、可再生等特性，逐漸收到人們的重視，成為解決能源危機和環(huán)境污染的重要途徑。

1 生物質(zhì)及生物質(zhì)能

生物質(zhì)(Biomass) 指通過光合作用將CO2和H2轉(zhuǎn)化為能量并能夠生長的各種有機體，包括所有的動物、植物和微生物。生物質(zhì)能(Bioenergy)指綠色植物通過直接或間接的光合作用，將太陽能轉(zhuǎn)化為化學能貯存在植物體內(nèi)的能量形式。因此，生物質(zhì)能源本質(zhì)上是太陽能的一種表現(xiàn)形式，是一種可再生能源，也是唯一的一種可再生碳源，生物質(zhì)能利用過程如下:

6CO2+12H2O + 太陽能→C6H12O6+ H2O +6O2

2 生物質(zhì)能的來源及特點

2.1 生物質(zhì)能源的分類

總體而言，生物質(zhì)能源主要分為3大類：植物類、非植物類和微生物類。其中，能源植物是生物質(zhì)能源中的主要組成部分，主要包括林業(yè)資源、秸稈等植物；非植物類主要指畜禽糞便和生活環(huán)境中的有機成分等；微生物類主要指利用微生物發(fā)酵而生產(chǎn)的能源，如沼氣、燃料乙醇、生物質(zhì)油等。

2.2 生物質(zhì)能源的特點

（1）可再生性。我國擁有豐富的自然資源和可利用資源,生物質(zhì)能源是通過植物的光合作用實現(xiàn)再生, 是可再生能源，可以維持能源的永久利用。

（2）能源總量豐富，分布廣泛。地球上生物質(zhì)能源儲量豐富，根據(jù)生物學家估算，地球每年能生產(chǎn)1 500～1 750億噸生物質(zhì)，遠遠超過全球的能源需求總量，是目前全世界總能耗的10倍左右。目前，生物質(zhì)能源僅次于煤炭、石油和天然氣，是世界第四大能源。另外，生物質(zhì)資源的分布也非常廣泛，只要有綠色植物生長的地方就能夠獲得生物質(zhì)資源，可以滿足各地發(fā)展生物質(zhì)能源的需要。

（3）清潔性。

硫化物和氮化物是環(huán)境污染的首要因素，而生物質(zhì)中的硫含量和氮含量較低，因此，在生物質(zhì)能源的轉(zhuǎn)化利用過程中，生成的硫化物和氮化物含量非常少，幾乎不會對環(huán)境造成不良影響。生物質(zhì)的利用是一個可逆循環(huán)利用的過程，是一個二氧化碳固定和釋放的循環(huán)過程，在此過程中，二氧化碳的凈排放量接近于零，可以極大地緩解地球日益嚴重的“溫室效應”。

（4）應用廣泛。

生物質(zhì)能的應用形式多樣，可以直接燃燒、發(fā)電、生產(chǎn)沼氣、制備燃料酒精、熱裂解生產(chǎn)生物質(zhì)油等，廣泛應用于社會經(jīng)濟的各個行業(yè)。

3 生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化利用方式及技術探討

生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化利用方式主要包括燃燒、熱化學轉(zhuǎn)化、生物轉(zhuǎn)化和物理化學等。

3.1 燃燒法

生物質(zhì)燃料特性與化石燃料不同，生物質(zhì)是通過進行光合作用，利用太陽能和空氣中的二氧化碳而生成的，在燃燒過程釋放的二氧化碳，因此，在生成和燃燒兩個過程中吸收和釋放的碳含量基本相等，可以被認為是二氧化碳的零排放。另外，生物質(zhì)的組成中，含有的氮和硫元素極少，燃燒不會對環(huán)境造成不良影響。但是生物質(zhì)的密度小，組織結構松散，體積較大，需要對其采取一定的措施，進行物理轉(zhuǎn)化才能被高效利用。固化成型技術是生物質(zhì)物理轉(zhuǎn)化最常見的方法之一。固化成型技術主要指利用高壓將體積大、組織結構松散的生物質(zhì)原料壓縮成組織結構致密的成型燃料，可以進行直接燃燒，解決了生物質(zhì)原料運輸和儲存成本高、熱效率低等問題。但是固化成型技術也存在成本較高、容易受季節(jié)影響等弊端，使其大規(guī)模應用受到制約。

3.2 熱化學轉(zhuǎn)化

熱化學轉(zhuǎn)化方式是生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化常用的方法之一。熱化學轉(zhuǎn)化法主要是利用熱化學相關技術將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為流體形式的燃料，主要包括生物質(zhì)氣化和液化兩大類。

3.2.1 生物質(zhì)氣化

生物質(zhì)氣化是指借助一定的熱力學條件，利用氧氣、水蒸氣的作用，使生物質(zhì)發(fā)生熱解、氧化還原反應，最終轉(zhuǎn)化為氫氣、一氧化碳和低分子烴類等可燃氣體的過程。生物質(zhì)的氣化產(chǎn)物在發(fā)電、供熱、合成化學品等領域被廣泛使用。生物質(zhì)制氫是典型的熱化學轉(zhuǎn)化技術之一。生物質(zhì)制氫是一種熱裂解技術，如今發(fā)展已較為成熟。生物質(zhì)制氫主要是將生物質(zhì)原料壓制成型，置于汽化爐或裂解爐中進行裂解反應，使生物質(zhì)分解為可燃氣體和烴類，然后再進行二次催化裂解和一系列的化學反應，制得氫含量高的燃料氣。生物制氫由于具有工藝條件簡單、成本相對較低、有寬廣的原料適應性等優(yōu)點，而具有廣闊的應用前景。

3.2.2 生物質(zhì)液化

生物質(zhì)液化是指在一定條件下，將生物質(zhì)與溶劑混合并相互作用，使部分或全部生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為液體的過程。目前，生物質(zhì)液化技術常見于制取燃料乙醇和生物質(zhì)油。燃料乙醇的原材料主要是雅津甜高粱、玉米、木薯、海藻、雅津糖芋、苦配巴樹等。主要是先將生物質(zhì)原材料破碎，然后再利用生物酶催化或者化學水解等方法將原材料轉(zhuǎn)化為多糖，再經(jīng)過TCA等途徑生成乙醇。得到的乙醇再經(jīng)過提純、脫水制得燃料乙醇。利用生物質(zhì)生產(chǎn)的生物質(zhì)油具有高粘度、不穩(wěn)定性等理化性質(zhì)，其生產(chǎn)方法主要有閃速裂解、真空裂解和微博裂解等。

3.3 生物轉(zhuǎn)化

沼氣發(fā)酵是指在一定溫度、濕度和酸堿度的條件下，動物糞便、生活有機垃圾、工業(yè)有機廢水等生物質(zhì)經(jīng)過多種微生物的厭氧發(fā)酵，最后由甲烷古菌參與，從而在嚴格的無氧環(huán)境中產(chǎn)生一種以甲烷為主要成分的混合可燃氣體。與傳統(tǒng)的煤炭等燃料相比，使用沼氣每年可減少碳排放量5 000多萬噸，這既是一種重要的環(huán)保技術，也是一種有效的能源供應技術。另外，在生產(chǎn)沼氣的同時會產(chǎn)生大量的有機肥料，每年可為農(nóng)民節(jié)約肥料費用400多億元，具有可觀的經(jīng)濟效益。但是沼氣發(fā)酵容易受到季節(jié)性和地域性影響，農(nóng)村會具備相應的生產(chǎn)條件，但是不適用于城市。

3.4 生物質(zhì)發(fā)電

利用生物質(zhì)發(fā)電的主要方式是直接燃燒發(fā)電和氣化發(fā)電。直接燃燒發(fā)電是利用生物質(zhì)代替煤炭等傳統(tǒng)能源，直接燃燒產(chǎn)生熱量，通過加熱生物質(zhì)進行發(fā)電。生物質(zhì)氣化發(fā)電是指缺氧條件下，生物質(zhì)在氣化爐中轉(zhuǎn)化為可燃氣體，可燃氣體燃料經(jīng)凈化后直接進入鍋爐或者原動機中燃燒發(fā)電。目前可采用秸稈氣化發(fā)電、秸稈直接燃燒發(fā)電、煤和秸稈混合燃燒發(fā)電等幾種技術路線。2022年前三季度，我國生物質(zhì)發(fā)電量為1 129億千瓦時，累計裝機達4 060萬千瓦。隨著生物質(zhì)能發(fā)電技術的提高和國家在新能源領域的投入加大以及社會可持續(xù)發(fā)展的需要，生物質(zhì)能發(fā)電裝機容量會繼續(xù)增大，為實現(xiàn)負碳排放（BECCS）、碳中和貢獻力量。