我國生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

張國平,王永豪

(國能滎陽熱電有限公司,河南滎陽 450100)

進入21世紀以來,隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展,我國面臨化石能源枯竭、生態(tài)環(huán)境惡化、能源安全無法保障等一系列問題。可再生能源作為能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分,也是未來傳統(tǒng)能源轉(zhuǎn)型和新能源探索的重要發(fā)展方向。作為世界公認的繼煤、油、氣后第四大能源庫,生物質(zhì)能源的應(yīng)用呈持續(xù)增長趨勢。生物質(zhì)(biomass)是指利用大氣、水、土地等通過光合作用而產(chǎn)生的各種有機體,包括所有的動植物和微生物。生物質(zhì)能則是太陽能以化學能形式儲存在生物質(zhì)中的能量形式,它一直是人類賴以生存的重要能源之一[1]。中國是一個農(nóng)業(yè)大國,生物質(zhì)資源豐富。據(jù)統(tǒng)計,我國每年生產(chǎn)超過6億t的秸稈,其中約4億t可用作能源燃料;林業(yè)生物質(zhì)資源量約為190億t,其中可提供的能量約為3億t,生物質(zhì)能發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｎ覈岢鲈凇笆奈濉逼陂g重視對生物質(zhì)能源的資源化利用,取得生物質(zhì)能源在發(fā)電、供暖、天然氣和液體燃料等領(lǐng)域的關(guān)鍵性技術(shù)研究突破。生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)主要包括物理化學轉(zhuǎn)化技術(shù)、生物化學轉(zhuǎn)化技術(shù)及熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù),每一種技術(shù)都以其獨特的優(yōu)勢在生物質(zhì)高值化利用中占據(jù)地位[2-4]。目前,雖然關(guān)于生物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用技術(shù)的文獻較多,但關(guān)于不同生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)的運行原理、現(xiàn)存缺陷及每種技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及存在的問題等方面的文獻較少。基于此,該研究對現(xiàn)有生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)進行總結(jié),并對其應(yīng)用現(xiàn)狀進行分析,提出建議,以期為促進生物質(zhì)利用提供思路。

1 我國生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)

1.1 熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化主要包括氣化、熱解和液化,通過各自不同的技術(shù)手段、嚴格的試驗條件、高效的反應(yīng)器等得到不同的目標產(chǎn)物。生物質(zhì)氣化技術(shù)是在高溫、空氣、水蒸氣等條件的作用下,使生物質(zhì)大分子化合物發(fā)生熱解、氧化、還原、重整等一系列反應(yīng),進而獲得含CO、H2和CH4等組分的氣體。該過程根據(jù)反應(yīng)溫度和產(chǎn)物不同,可以分為干燥、熱解、氧化和還原4個階段;按照不同的分類方式有不同的氣化種類(表1)[5]。從產(chǎn)品角度來看,除了有用的氣體組分以外;還有焦油、灰分、水分等,所以產(chǎn)品氣需要凈化后才能使用。水分和灰分的處理比較容易,而焦油的處理是生物質(zhì)氣化技術(shù)應(yīng)用的一大難題。目前焦油的處理方式主要分為物理和化學法[6]。

表1 生物質(zhì)氣化技術(shù)分類

生物質(zhì)熱裂解技術(shù)是在無氧或缺氧的條件下,通過高溫手段切斷大分子有機物、碳氫化合物,使之轉(zhuǎn)變成為含碳數(shù)更少的低分子,最后生成各種較小的分子[7]。熱解過程可得到液、氣和固三相產(chǎn)物,產(chǎn)物的分布可通過控制工藝類型和反應(yīng)工況來實現(xiàn),如溫度、反應(yīng)時間、加熱速率等(表2)。在生物質(zhì)熱解過程中,反應(yīng)器的類型極其重要,它決定了熱量的供給方式和熱解反應(yīng)進行的程度,也決定了最終產(chǎn)物的分布。目前,常見的熱解反應(yīng)器有固定床反應(yīng)器、鼓泡流化床、循環(huán)流化床等;另外,還衍生出一系列的改良式反應(yīng)器,如內(nèi)循環(huán)串行流化床反應(yīng)器、旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器、螺旋反應(yīng)器等[8]。

表2 熱解工藝類型及產(chǎn)物分布

生物質(zhì)液化技術(shù)是生物質(zhì)原料經(jīng)過干燥和粉碎,在中溫(500～600 ℃)、高加熱速率(104～105K/s)、極短停留時間(2 s)及無氧或少氧的條件下,將生物質(zhì)直接熱解得到的中間液態(tài)產(chǎn)物分子在斷裂生成氣體之前經(jīng)過快速冷卻得到生物油的過程。該過程一般包括原料預處理、進料裝置、熱解反應(yīng)器、熱解產(chǎn)物氣固分離、熱解氣冷卻與生物油收集等[9-10]。同時,反應(yīng)器也是核心點,幾種反應(yīng)器的優(yōu)缺點見表3[11]。

表3 不同類型反應(yīng)器的優(yōu)缺點

綜上所述,隨著對生物質(zhì)能利用的日益重視,生物質(zhì)轉(zhuǎn)換技術(shù)也日益成熟,生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)可作為生物質(zhì)利用的重要途徑。

1.2 生物化學轉(zhuǎn)化技術(shù)生物化學轉(zhuǎn)化技術(shù)指的是在微生物的作用下,對生物質(zhì)原料進行加工處理,使其轉(zhuǎn)化成氣體燃料和液體燃料等工業(yè)所需的能源,主要是指厭氧發(fā)酵技術(shù)。厭氧發(fā)酵過程本質(zhì)上是微生物的培養(yǎng)、繁殖過程,原料既是產(chǎn)生沼氣的底物,又是厭氧發(fā)酵細菌賴以生存的養(yǎng)料來源[12]。首先經(jīng)細菌作用將生物質(zhì)分解得到的有機廢水置于厭氧反應(yīng)器內(nèi)發(fā)酵為有機酸、醇、H2、CO2等產(chǎn)物;然后由產(chǎn)氫、產(chǎn)乙酸菌將有機酸和醇類代謝為乙酸和氫,最后由產(chǎn)CH4菌將乙酸和H2、CO2等轉(zhuǎn)化為CH4;其中CH4的體積分數(shù)為55%～65%,CO2氣體混合物的體積分數(shù)為30%～40%[7]。影響該過程的因素包括溫度、pH、底物濃度、物料停留時間、攪拌轉(zhuǎn)速和金屬離子等[13]。厭氧發(fā)酵制氫被認為是更具有發(fā)展?jié)摿Φ纳镔|(zhì)資源生物轉(zhuǎn)化制氫方式。研究者從產(chǎn)氫的機理、細菌的選育、細菌的生理生態(tài)學、生物制氫反應(yīng)設(shè)備的研制等方面進行了大量研究[14]。

1.3 生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)我國常見的生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)有生物質(zhì)直燃發(fā)電、燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電、生物質(zhì)氣化發(fā)電和生物質(zhì)沼氣發(fā)電,目前我國的生物質(zhì)發(fā)電以直燃發(fā)電為主,該技術(shù)起步較晚但發(fā)展非常迅速,主要包括農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電、垃圾焚燒發(fā)電和沼氣發(fā)電[15]。

生物質(zhì)燃燒發(fā)電是我國生物質(zhì)能源利用的主要方式,包括直接燃燒法和混合燃燒法(圖1)。目前,我國生物質(zhì)發(fā)電以直接燃燒為主并且技術(shù)已經(jīng)趨近完善,單機容量可達15 MW[16]。我國的生物質(zhì)燃燒發(fā)電總裝機容量從2016年的12.1 GW增長到2019年的22.5 GW,連續(xù)3年增幅超20%[7]。截至2020年,我國生物質(zhì)燃燒發(fā)電總裝機容量已達到29.52 GW,連續(xù)3年位列世界第一[17]。生物質(zhì)氣化發(fā)電是指先將生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)化為可燃氣,再送往燃氣機內(nèi)進行燃燒發(fā)電的技術(shù)[18]。該技術(shù)不僅可以緩解能源危機,還能解決環(huán)境污染問題。近年來,流化床氣化爐和內(nèi)燃機結(jié)合的氣化發(fā)電系統(tǒng)是目前我國應(yīng)用較為廣泛的發(fā)電系統(tǒng),該系統(tǒng)采用內(nèi)燃機系統(tǒng),降低了對燃氣雜質(zhì)的要求和系統(tǒng)成本,并已在東南亞國家推廣應(yīng)用,取得了顯著的經(jīng)濟和社會效益。沼氣發(fā)電作為一種新興的利用技術(shù)逐漸被發(fā)展,其原理是通過厭氧發(fā)酵處理技術(shù)對工業(yè)、農(nóng)業(yè)和城鎮(zhèn)生活中的有機廢棄物進行高效處理,再對產(chǎn)生的沼氣加以利用驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電,即首先利用氣體收集系統(tǒng)完成氣體收集,隨后氣體進入凈化加壓系統(tǒng)預處理,最后沼氣引擎發(fā)電機組與控制系統(tǒng)氣體完成發(fā)電并由電力輸出系統(tǒng)輸出[19]。沼氣生產(chǎn)是利用生物質(zhì)生產(chǎn)能源載體和實現(xiàn)多種環(huán)境效益的有效手段,該技術(shù)的成熟發(fā)展對于改善和維護區(qū)域生活環(huán)境、促進當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展和農(nóng)民增收、實現(xiàn)能源的循環(huán)利用具有重要意義。

圖1 生物質(zhì)燃燒發(fā)電工藝流程

因此,充分利用傳統(tǒng)的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù),開發(fā)生物質(zhì)高質(zhì)化利用的新技術(shù),將生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化為高附加值的能源化產(chǎn)品、化學品、燃料,對于建立可持續(xù)發(fā)展的能源體系,促進社會和經(jīng)濟的發(fā)展及改善生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

2 我國生物質(zhì)轉(zhuǎn)化應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 生物質(zhì)發(fā)電生物質(zhì)能發(fā)電是生物質(zhì)的主要利用形式,最早的生物質(zhì)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)可追溯到丹麥的BWE公司,1973年開始研究生物質(zhì)直接發(fā)電技術(shù)[20]。20世紀80年代開始,歐美各國的生物質(zhì)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)進入了高速發(fā)展時期[3,21]。為推動生物質(zhì)能發(fā)電,我國發(fā)布了一系列生物質(zhì)能利用政策,包括《生物質(zhì)能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》《全國林業(yè)生物質(zhì)能發(fā)展規(guī)劃(2011—2020年)》等,并通過財政直接補貼的形式加快其發(fā)展。目前,我國生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展勢頭迅猛,未來前景廣闊。2015—2020年累計裝機量和年發(fā)電量的年均增長率分別為23.4%和20.6%。據(jù)泛能源大數(shù)據(jù)與戰(zhàn)略研究中心及《中國生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)排名報告2019》的數(shù)據(jù)顯示,農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電項目主要集中在農(nóng)作物豐富的華北、東北、華中和華南地區(qū);截至2019年底,全國已投產(chǎn)生物質(zhì)能發(fā)電項目1 069個,生物質(zhì)發(fā)電項目數(shù)排名前6位的省份是山東、河南、安徽、浙江、廣東和江蘇,分別為139、93、88、86、83和77個,這6個省份的生物質(zhì)能發(fā)電項目分布情況如圖2[22]。2022年一季度生物質(zhì)發(fā)電新增裝機87萬kW,新增裝機排名前5位的省份是黑龍江、遼寧、江西、貴州和廣西(圖3a);生物質(zhì)發(fā)電累計裝機達3 883萬kW,累計裝機排名前5位的省份是山東、廣東、江蘇、浙江和黑龍江(圖3b);生物質(zhì)上網(wǎng)發(fā)電量450億kW·h,發(fā)電量排名前6位的省份是廣東、山東、浙江、江蘇、安徽和河南(圖3c)。綜上,生物質(zhì)發(fā)電累計裝機量和生物質(zhì)上網(wǎng)發(fā)電量呈現(xiàn)良好態(tài)勢,新增裝機容量呈現(xiàn)沿海帶動內(nèi)陸,共同促進經(jīng)濟發(fā)展的趨勢。經(jīng)預計,到2025年,全社會用電量為8.79萬億kW·h,可再生能源發(fā)電量為2.81萬億kW·h,可再生能源發(fā)電量占全社會用電量比重將達到32%左右,生物質(zhì)能年發(fā)電量將占可再生能源發(fā)電量的11.5%;到2050年,可再生能源占一次能源消費比重將達到50%左右,可再生能源發(fā)電量占全社會用電量比重將達到70%左右,生物質(zhì)能發(fā)電量約為3 235億kW·h,較2019年的1 111萬kW·h實現(xiàn)翻番。生物質(zhì)能發(fā)電發(fā)展前景較好,發(fā)展空間巨大。

注:每個綠色圓形圖標表示1個生物質(zhì)發(fā)電項目。

圖3 2022年生物質(zhì)發(fā)電裝機容量及上網(wǎng)情況

2.2 生物質(zhì)燃料化技術(shù)

2.2.1生物質(zhì)液體燃料。生物質(zhì)液體燃料因性能接近傳統(tǒng)石化燃料,燃燒時碳排放相對較低,原料來源廣泛等獨特優(yōu)勢,在未來能源體系中承擔著助力石油產(chǎn)品碳減排、補充石油需求、提高國家能源安全水平的角色[23]。2020 年全球生物燃料(主要為燃料乙醇和生物柴油)總產(chǎn)量為 6.1×108桶,消費地區(qū)主要集中在美國、巴西、印度尼西亞、中國、德國、法國等國家(圖4)[24]。由生物質(zhì)獲取的液體燃料的形式主要包括燃料乙醇、生物柴油和生物航煤等,燃料乙醇和生物柴油的制備技術(shù)及應(yīng)用狀態(tài)見表4[25]。

圖4 2020年全球生物質(zhì)液體燃料消費主要分布情況

表4 生物質(zhì)氣體燃料的制備技術(shù)及應(yīng)用狀態(tài)

在新冠肺炎疫情及多重因素的影響下,燃料乙醇在全球范圍內(nèi)的開發(fā)和利用呈現(xiàn)明顯的不對稱性,美國、巴西是燃料乙醇產(chǎn)業(yè)規(guī)模最大的國家,占全球燃料乙醇產(chǎn)量超過80%;此外,還包括歐盟、中國、印度、加拿大等(圖5)。在“30·60”雙碳目標及相關(guān)重大舉措加速推進的背景下,生物燃料乙醇作為我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè),受到越來越多的關(guān)注。截至2019年底,已有13個省(區(qū)、市)試點推廣E10乙醇汽油,乙醇汽油消費量約占同期全國汽油消費總量的20%。目前,我國生物燃料乙醇已實現(xiàn)部分汽油替代,為綠色交通提供了支撐。根據(jù)統(tǒng)計,2020年我國燃料乙醇產(chǎn)量達到274萬t(約33億L),占全球產(chǎn)量的3%。2021年7月,國家能源局印發(fā)《2021年能源工作指導意見》明確提出,要加快推進纖維素等非糧生物燃料乙醇產(chǎn)業(yè)示范,指出了發(fā)展纖維素燃料乙醇將是生物燃料乙醇的重點方向。如今,我國第2代乙醇生產(chǎn)技術(shù)的年生產(chǎn)能力處在1萬～10萬t的中試規(guī)模,而國內(nèi)在建或籌建的生物燃料乙醇項目仍以第1代和第1.5代技術(shù)為主。表5為我國主要的生物燃料乙醇生產(chǎn)企業(yè)[26]。

注:數(shù)據(jù)來源于PEA。

表5 我國主要生產(chǎn)生物燃料乙醇的企業(yè)、原料品種及產(chǎn)能

生物柴油作為一種綠色能源,具備環(huán)保與減排性能好、可再生等特性,一般與化石柴油摻混使用。我國生物柴油行業(yè)在2014—2021年整體上實現(xiàn)了快速發(fā)展,行業(yè)產(chǎn)能持續(xù)走高。2021年中國生物柴油產(chǎn)量約150萬t,表觀需求量為38.2萬t,技術(shù)水平總體處于世界前列,是目前世界上最主要的生物柴油生產(chǎn)和出口國。另外,生物航油具有與化石航煤組成相似、性能接近、減排貢獻大,與發(fā)動機和燃油系統(tǒng)兼容性好等優(yōu)點,被認為是實現(xiàn)航空業(yè)CO2減排最有效的手段,也是發(fā)展最快的生物液體燃料之一。自2009年以來,生物航煤制備技術(shù)持續(xù)進步,相關(guān)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。截至目前,有幾十家航空公司使用了生物航油,并積極參與投資生物航油的生產(chǎn),我國早在2009年之前就陸續(xù)布局開展相關(guān)研究。

2.2.2生物質(zhì)氣體燃料。生物質(zhì)氣體燃料主要包括生物合成氣、生物沼氣及生物氫氣,生物質(zhì)氣體燃料的制備技術(shù)及應(yīng)用見表6[25]。據(jù)統(tǒng)計,我國每年的沼氣產(chǎn)量為143億m3,相當于2 160萬tce,可減少CO2排放量超過5 260萬t[27-28]。利用秸稈沼氣等項目都是沼氣作為能源供應(yīng)模式的常見實例。生物質(zhì)合成氣經(jīng)過提純和凈化之后與高品質(zhì)的天然氣相當,可滿足城市燃氣的需求。生物制氫是當前較為熱門的制取氫氣技術(shù),具有清潔高效、原料來源廣的特點,被認為是具有前景的新型氫源[29]。此外,伴隨氫燃料電池汽車的推廣,生物制氫技術(shù)的研發(fā)在全球范圍內(nèi)得到高度關(guān)注[30]。亞化咨詢《中國加氫站項目數(shù)據(jù)庫》顯示,截至2021年12月,中國已建成、規(guī)劃中和建設(shè)階段的加氫站超過300座[31]。隨著技術(shù)水平的提升以及政策的開放,我國加氫站正朝著大規(guī)模、高加注壓力、制加氫一體化、“油氣電氫”綜合能源站、液氫站等方向發(fā)展?？梢灶A見,隨著我國節(jié)能減排理念的不斷深入,國家對于此類的資源循環(huán)技術(shù)的扶持力度也會不斷加大,進而推動整個行業(yè)的技術(shù)發(fā)展和進步,改變當前能源結(jié)構(gòu),將生物質(zhì)能源的高值化利用視為改善生態(tài)環(huán)境的重要途徑,提升生物質(zhì)資源的使用效率。

表6 生物質(zhì)氣體燃料的制備技術(shù)及應(yīng)用狀態(tài)

綜上所述,我國生物質(zhì)能利用目前仍處于初級階段。生物質(zhì)發(fā)電裝機容量居世界第一,處于國際領(lǐng)先水平。生物質(zhì)液體燃料方面,雖然自2019年來發(fā)展迅速,但與美國等發(fā)達國家相比仍差距較大,屬于跟跑階段,隨著碳中和目標的提出,生物質(zhì)液體燃料迎來了飛速發(fā)展階段。生物質(zhì)氣體燃料方面,沼氣利用水平仍然落后于歐洲國家,開發(fā)利用水平較低,生物質(zhì)制氫技術(shù)還處于基礎(chǔ)研究階段。

3 結(jié)論與展望

以生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)及應(yīng)用為重點,綜述了生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)、生物化學轉(zhuǎn)化技術(shù)、生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的原理及過程。其中,熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)作為生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)研究的熱點,主要包括熱解、液化及氣化等,生物轉(zhuǎn)化技術(shù)以發(fā)酵制氫為主,生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)以直燃發(fā)電為主。通過分析生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)在我國的應(yīng)用情況發(fā)現(xiàn),生物質(zhì)作為能源的主要應(yīng)用方式是生物質(zhì)發(fā)電和制備生物質(zhì)燃料。生物質(zhì)發(fā)電已超預期目標,裝機容量達全球領(lǐng)先地位,有力推動了我國實現(xiàn)碳達峰目標與碳中和愿景;生物質(zhì)液體燃料因其性能接近傳統(tǒng)石化燃料,燃燒時碳排放相對較低,原料來源廣泛等獨特優(yōu)勢,在未來能源體系中承擔著助力石油產(chǎn)品碳減排、補充石油需求、提高國家能源安全水平的角色,尤其生物航油是航空業(yè)實現(xiàn)CO2減排最有效的手段;生物質(zhì)氣體燃料制備合成氣和制氫技術(shù)被認為是較有前景的新型氫源。對我國生物質(zhì)轉(zhuǎn)化及應(yīng)用方面的政策及標準進行了簡單梳理發(fā)現(xiàn),我國政府高度重視生物質(zhì)“凈零排放”的理念及在其中的作用。隨著生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策的完善,技術(shù)水平的進一步提高,生物質(zhì)能多元化開發(fā)利用或?qū)⒂瓉砼畈l(fā)展的新機遇。

自2019年以來,我國頒布了一系列文件與規(guī)劃助力生物質(zhì)快速發(fā)展,主要集中在生物柴油、生物燃料乙醇、生物質(zhì)清潔取暖、生物質(zhì)發(fā)電、生物質(zhì)制氫、生物質(zhì)液體燃料等行業(yè)。但由于多重因素的影響,還要針對當前的形勢,采取“對癥下藥”的策略,沼氣厭氧發(fā)酵的研究應(yīng)用應(yīng)集中在多元物料的協(xié)同發(fā)酵及燃氣提純凈化技術(shù)的研究方面,生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)應(yīng)針對氣化效率低、焦油難處理等問題進行突破,生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)應(yīng)以提高有效產(chǎn)氣成分的產(chǎn)率、減少氣化過程中焦油產(chǎn)量以及改善氣化條件和新型廉價高效催化劑的設(shè)計和研發(fā)等作為未來研究的主要方向,燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的發(fā)展必須立足于“不與民爭糧、不與糧爭地”的原則,繼續(xù)優(yōu)化各關(guān)鍵過程技術(shù),不斷提高生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本[32]。