生物質環保能源產業鏈發展探討

趙郁新

（湖南省益陽市金本新能源有限公司，湖南 桃江 413400）

生物質環保能源產業鏈發展探討

趙郁新

（湖南省益陽市金本新能源有限公司，湖南 桃江 413400）

簡述了生物質概念及生物質利用技術的概況，介紹了生物質（竹、木剩余物）氣、炭、液、油四聯產生物質能源利用產業鏈的發展思路，對生物質利用的市場應用及發展進行了分析預測。

生物質；能源利用；產業鏈；節能減排；市場預測

目前，人類正面臨著資源短缺和廢棄物嚴重污染環境的雙重壓力。在常規能源價格異常高漲、可開采資源日益枯竭的形勢下，積極開發資源的可持續利用技術，建立可持續發展的能源系統，促進社會環境的進步和生態環境的改善是當今世界普遍關注的焦點問題。農業廢棄物作為一種可儲存和運輸的再生能源，其簡單低效的直接燃燒已不能滿足現代社會對能量的需求，但高效的潔凈轉化和開發綜合利用已越來越引起能源領域的廣泛重視。因此，積極開發利用潔凈的可再生能源、減輕環境污染、改善農村能源結構，已經成為全社會的共識。

1 生物質及生物質的利用

1.1 生物質概念

所謂生物質即是由光合作用產生的所有生物有機體的總稱，包括陸地植物（含農作物、林產物）、海產物（各種海草）和城市垃圾（紙張、天然纖維）等，本文論述的生物質是指竹、木剩余料。據統計，作為植物生物質的主要成分—木質素和纖維素每年以約1640億噸的速度再生，如以能量換算則相當于石油產量的15～20倍。如果這部分資源得到好地利用，人類相當于擁有一個取之不盡的資源寶庫。生物質來源于空氣中的CO2，燃燒后再生成CO2，所以不會增加空氣中CO2的含量，因此生物質比礦物質能源更為清潔。

1.2 生物質的利用

國外許多國家從上世紀70年代重新重視生物質能源的開發利用，在時間和技術上比我國早20多年。我國是從上世紀90年代才加大研究開發投入。目前，成熟的技術有：1）生物質氣化：轉化為沼氣或直接氣化；2）生物質固化：秸稈棒、木炭或型炭；3）生物質油化：利用含油脂的生物質生產生物柴油；4）生物質液化：利用含淀粉的生物質生產工業乙醇，或生產生物質水煤漿；5）生物質電化：利用生物質發電。

生物質實現產業化，商業化是難以克服的瓶頸。因存在如下問題：

（1）主要技術雖然成功，但相關技術沒有突破。直接氣化技術要克服焦油的問題，固化技術要克服高溫散型的問題，生物質水煤漿需要克服分離的問題。

（2）特殊生物質需要種植，規模化等待時間過長。油脂類植物一般需要3～5年成熟，7～8年高產，要發展足夠規模，其育種種植周期可能需要20年。

（3）沖擊糧食安全。淀粉類生物質生產乙醇，有可能沖擊糧食安全，發展規模受限，或得不到補助而無法生存。

（4）投資成本高。發電廠、供氣站投資成本高，新能源企業難以承受。

（5）運行成本高。生物質具有分散和受季節影響的天然屬性，有些應用由于需求量大、供應范圍廣、旺季原料供應不足、庫存占用資金大、運輸成本高等原因而導致運行成本過高。

（6）安全隱患大。乙醇、油品是易燃易爆物品，需要特殊的儲存、運輸設施。

（7）擴大產能困難。原料、設施、運輸、運行、安全等諸多因素導致產能擴大困難，試點易、推廣難。

（8）盈利模式單一。基本上依靠政府補助生存和發展，自我贏利能力低。

總體上看，生物質能源的現狀是社會效益比經濟效益大，長遠戰略意義比近期現實意義大。對于生物質的利用，過去，國內外無一例外走的都是一條低效之路。例如：利用生物質直接燃燒發電，效率低、發電成本比上網電價高，企業生存只能依賴國家政策扶持；同時，對于生物質秸桿的應用也很有限，生物質氣化和沼氣推廣的商品化程度也很低；再加上產品附加值太小，導致生物質的產品應用不能大規模商品化。

1.2.1 生物質直接燃燒發電

目前，國內利用生物質原料發電的電廠，全靠國家每度電補貼0.4元來維持生產，且多數電廠的生物質原料供應困難，這是由于生物質自身的特點造成的。

（1）原料運輸成本高。生物質的密度小，一般木質密度為每立方厘米0.6克，含水量平均在20%以上，干物質的發熱量為每公斤3500大卡，每立方米的熱量是56萬大卡。生物質炭的密度約1.1，平均每公斤發熱量是5000大卡，每立方米的熱量是550萬大卡，是生物質的10倍。也就是說，生物質原料的運輸成本是生物質炭的10倍，是煤的15倍。經測算，生物質的平均運輸半徑為100公里，每度電的原料運輸成本是0.1元。

（2）貯藏困難。無論是農作物類秸稈，還是自然界的植物類秸稈，都具有泡、松、軟的征狀，以及易燃、易腐等特點；并且生物質含水量高，會繁殖大量微生物，在自然分解過程中會消耗大量的生物質能。

（3）發電效率低。生物質發電，理論熱值是按每度電本身的熱功當量860大卡即0.1229千克標準煤計算，據生物質發電廠測算，每2噸秸稈的發電量相當于1噸煤，原料成本按每噸370元計，每度電的原料成本是0.32元。

（4）電廠投資巨大。建立一個年發電量為1億度的工廠，需投資5億元。按運行20年計算，每度電的折舊成本約0.25元。

綜上所述，電廠生產每度電的3項主要成本合計已達到0.67元。實際現有生產1度電的成本超出0.73元。因此，利用生物質發電是建立在免稅和國家補貼的政策上得以生存的產業。

1.2.2 生物質直接壓縮成型技術

（1）生物質固化簡單說就是將生物質粉碎、添加黏膠劑、加壓干燥成型，制成棒狀或塊狀，比如秸桿棒。生物質制棒的過程是一個高能耗的過程：一是要烘干，每烘干1噸含水量約10%的生物質棒原料，要消耗0.8噸以上生物質（生物質含水量高達30%以上，且屬生物體，細胞所含水分不易蒸發，導致原料不易烘干，烘干成本高），能源效率低于10%；二是每制1噸生物質棒要消耗150度電（生物質只要含有10%的水分，就有一定的彈性，不易壓縮成型）。

（2）生物質棒沒有將植物改性，因而燃燒性能差。主要表現在：1）在低溫燃燒時產生大量黑煙，嚴重污染環境；2）燃燒溫度低，爐溫約700℃，比燃煤鍋爐的溫度要低300℃以上，鍋爐的出力只相當于煤鍋爐的70%，影響了鍋爐的效率；3）燃燒不完全，在低溫燃燒時，灰分中有50%的炭。

1.2.3 生物質原料自身的多樣性及復雜性

生物質原料的種類繁多，其木質素、纖維素、果膠質等成分含量有較大差別。生物質原料的力傳導性很差，反彈性很強，被壓縮成型的條件也有很大差異。生物質原料由低密度壓縮成高密度的過程中存在原料喂料問題，以及原料的含水量隨原料種類、地域、季節及氣候不同變化的問題，而原料水分問題是制約生物質熱壓成型的難題。

1.2.4 成型燃料設備的工作環境惡劣

生物質原料在收集過程中會攜帶大量的粉塵、泥土砂粒，導致生產環境惡劣，并影響設備的使用壽命和穩定性，因此提高加工設備成型部件的使用壽命也是一項技術難題。

1.3 機制木炭

機制木炭的生產更是一個高能耗的過程，其生產工藝是將生物質制成棒后再進行炭化。每生產1噸生物質棒需要3噸原料鋸木屑，約耗300度電，生產周期為15天。3公斤鋸木屑棒的熱量是13,500大卡，1公斤木炭的熱量是7000大卡，能源轉化率為50%。因此從制棒過程來計算，在不計300度電費的前提下，其能源效率也只有51%。

因機制木炭的生產效率低，產量少，一般的企業都在年產300噸以下。且因鋸木屑原料的局限性，機制木炭只用于燒烤，不能用于燒鍋爐。因為，木炭在高溫燃燒時，結構力下降，易散，堵塞通風，燃燒不完全。因此，機制木炭不能用于鍋爐與窯爐。同時，更為嚴重的問題是，在木炭的制備過程中會產生大量煙塵排放，嚴重污染空氣。

2 生物質能源產業鏈的系統創新

針對上述情況，選擇將生物質在產氣的同時產炭，在所產氣體中凈化回收液體，這樣可大大提高可燃氣體和炭的品質；約用0.02%能耗加工成型炭，用以替代鍋爐燒柴油、重油和城市用煤，提高產品的商品價值，同時，對鍋爐進行節能技術改造，降低能耗約15%，將可大幅提高產品的競爭力。

生物質（竹木剩余物）氣、炭、液、油四聯產生物質能源利用產業鏈的發展思路是：利用竹、木剩余料產氣、產炭、產液、供熱、發電的系統技術設備，達到最佳循環利用生物質的效果。具體流程是：利用竹木加工后的廢棄物或森林不成材的原料生產可燃氣體和炭制品。竹木廢棄物經皮帶輸送機送入產氣、產炭熱解爐內，與鼓風機送入的空氣氧化劑在高溫下反應，產生含CO、H2、CO2、N2、CnHm小分子烴類等成分的氣體，生物質熱解氣化的同時形成竹木炭，氣體經管道送入螺旋式除塵器，清除掉大部分的粉塵，再進入冷卻凈化系統，除去氣體中的水蒸汽和焦油等雜質，并將焦油、竹（木）醋液等進行回收儲存利用。凈化清潔后的氣體經增壓泵增壓進入氣體存儲罐，以供以后的鍋爐供熱或發電使用；在熱解產氣的同時竹木炭已成型，只需在爐體內進行缺氧密閉就可成炭；最后在設置的出炭口取炭，雙爐循環運行。

利用生物質（竹、木剩余料）產氣、產炭、產液、供熱、發電系統技術設備循環利用生物質，省去了傳統制炭技術將生物質粉碎、烘干、螺桿擠壓成型的工序和15天的炭化時間，將生物質放入炭化爐，用1天時間加溫熱解產氣炭化，1噸生物質耗電約5度就可生產1667m3氣體、0.25噸炭，回收0.23噸竹（木）醋液，回收竹（木）焦油0.08噸。這樣，每生產10,000大卡生物質氣、炭，較傳統制炭技術節約生物質53%，節電95%，生產周期縮短91%，節約生產費用（原料除外）71%。投資1套GB5T-200KW系統設備，只需350萬元（廠房、場地除外），年用竹木剩余料1530噸，就可年產氣168萬m3，產炭428噸，產竹木醋液382噸，產竹木焦油122.4噸，為型炭和農藥、醫藥生產提供了大量的原料；氣可發電75萬度，可獲年產值568.65萬元，年稅利199.05萬元。特別是竹炭的深加工利用價值更高。

為了進一步降低生產成本，工廠選址可以進行合理布局，根據生物質資源分布情況，在方圓半徑5公里內（即80平方公里，相當于一個鄉鎮），根據原材料的多少建立一個生物質氣、炭、液三聯產的工廠，原材料越多，系統設備的容量越大，生產成本越低，利潤空間越大。

生物質氣、炭、液、油四聯產系統配套專用燃氣鍋爐，燃氣內燃發電機組，提高燃氣效率，機械化、自動化操作，減輕勞動強度。該系統易形成巨大產能，取得顯著的社會效益和經濟效益。

生物能源產業鏈較傳統生物能源技術具有顯著節約能源、改善能源環境、降低投資、形成巨大產能等特點，能滿足工業和生活市場的需要，是低碳能源最有效的實施技術。以4.8兆瓦（氣化發電、炭、液三聯產）發電為參數，該技術與其他四種傳統能源技術的對比情況見表1～表4。

表1 生物能源產業鏈與生物質直燒發電技術的對比

表2 生物質能源產業鏈與生物質壓縮成型技術的對比

表3 機制木炭與生物質氣化技術的對比

表4 生物質氣化技術與爐式燒制炭技術的對比

目前，國內企業不斷研發新能源生物質氣化供熱發電系統設備及竹木炭系列產品，研制的氣炭兩用爐，在產氣的同時產炭，并回收竹（木）醋液、焦油等；將生物質廢棄物料綜合利用，達到了最佳效果；生物質氣化供熱系統和生物質產氣、產炭雙用爐，炭、液回收利用創新與應用技術已通過國家高技術企業發展評價中心專家評審；獲得了由湖南省科技廳組織評審的《科技成果鑒定證書》；其科技成果為國內先進水平；氣炭兩用爐，凈化燃氣、炭、液回收利用、供熱、生物質發電系統設備已被國家發改委能源研究所確定為推廣應用工藝技術。其技術設備所產竹炭按《空氣凈化用竹炭》（GB/T 26900-2011）國家強制性標準檢測，固定碳含量為93.04%（一級標準≥85.00%）；甲醛吸附率119.02mg/g（一級標準≥100.00mg/g）；苯吸附率124.04mg/g（一級標準≥60.00mg/g）；TVOC吸附率115.14mg/g（一級標準≥40.00）。

3 生物質的市場應用及發展預測

3.1 發展環境

隨著全球化石能源價格的飛速上漲，能源成本在高耗能企業或高固定成本企業中所占的比例越來越高，難以消化。根據現已探明的石油儲存量計算大概還可使用20年，而我國作為能源進口大國，正積極研究和發展可替代能源。

研究成果表明，生物質燃料可替代煤和油，生物質發電也是生物質能源綜合利用的主要發展方向，生物質能源將是一個新興的能源產業，潛在產業規模巨大。我國每年林業枝丫材及鋸材廢棄物約3億噸，農作物秸稈約7.8億噸，目前大部分沒有得到有效利用。根據2007年國家統計局公布的數據，以柴油和重油為燃料的鍋爐和窯爐能耗約1億噸，替代需要約2億噸生物質環保型炭（柴油熱量10,500kcal/公斤，生物質炭熱量5000kcal/公斤，柴油目前市場銷售價格為6.5元/公斤，生物質炭的價格為1.5元/公斤），由此可見，其中的竹木炭市場就可為用戶節省4500億元并同時創造3000億元的產值。因此開發生物質能源關系到國家的能源戰略，關系到“三農”的問題。國家頒布實施了《中華人民共和國可再生能源法》以及《可再生能源“十一五”規劃》。按照規劃，2015年后是產業化階段，2020年是普及應用階段。國家的立法保障和規劃指導，奠定了整個生物質利用產業有序快速發展的基礎。

生物質能源的市場潛力是舉世公認的，只要技術和市場條件容許，現有的能源企業以及對生物質能源的認識，都會有進入的沖動，該產業既傳統又朝陽。

3.2 市場應用效益預測

以長沙市為例，2005年長沙市的能源消費最多的三大部分為：工業能源終端消費852.32萬噸標準煤，占消費總量的54.22%；批發、零售、住宿、餐飲業消費222.41萬噸標準煤，占消費總量的14.15%；城鄉居民生活消費214.05萬噸標準煤，占消費總量的13.62%。2005年長沙市能源消費量和構成見表5。

如果生物質炭產品能替代長沙市煤品與油品燃料消費的5%，產量將可達到78萬噸（按等能量計算，1噸煤相當于1噸型炭，1噸油品約與2噸型炭相當），產值約12億元。考慮株洲市、湘潭市也按煤品和油品同樣的替代比例5%計算，型炭產量合計會超過150萬噸，產值超過22.5億元。生物質炭產品具有高環境效益和明顯的低使用成本的特性，完全可以替代傳統燃料煤和重油、鍋爐用柴油，應用市場非常廣泛。

表5 2005年長沙市能源消費量和構成

若以1個縣使用70萬噸竹木剩余物利用代替煤炭的SO2減排計算， 3公斤竹木剩余物相當于1公斤標煤；70萬噸相當于23萬噸標煤；燒1噸煤，產生1600×S%千克SO2，1萬立方米廢氣，產生200千克煙塵。S煤含硫率一般是1.5%左右；100個縣即可減排552噸SO2、100×1萬立方米廢氣、460噸煙塵。因而生物質的利用具有巨大的減排SO2和能源效應。

[1] 湖南省節能監測中心監測報告（湘節能監〔2013〕13號）[R].

[2] 湖南省產商品質量監督檢驗研究院（湘檢12013-J11778）[R].

[3] 湖南省產商品質量監督檢驗研究院（湘檢B2014-W12917）[R].

[4] 科學技術成果鑒定證書（湘科鑒委字〔2013〕117號）[Z].

[5] 空氣凈化用竹炭（GB/T26900-2011）[S].

[6] 桃江縣大本山新能源科技發展有限公司企業標準（Q/NA001-2013）[S].

[7] 秸稈氣化裝置和系統測試方法（NY/T1017-2006）[S].

[8] 趙世榮，謝朝柱.中國現代竹業概論[M].長沙：湖南人民出版社.

[9] 馮玉杰.現代生物技術在環境工程的應用[M].北京：化學工業出版社.

聲 明

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《中國環保產業》編輯部

Probe into Development of Environmental Protection and Energy Industry Chain of Biomass

ZHAO Yu-xin
(Hunan Yiyang Jinmu New Energy Co., Ltd, Hunan Taojiang 413400, China)

The paper explains the biomass concept and the general situation of utilization technology of biomass, presents the development considerations on the industry chain of biomass energy utilization generated by gas, charcoal, liquid and oil of biomass (bamboo, wood residues), and makes analysis and forecast on the market application and development of biomass use.

biomass; energy utilization; industry chain; energy saving and emission reduction; market forecast

X324

B

1006-5377（2014）08-0042-05