秸稈能源化利用技術現狀與趨勢

專家簡介：孟海波，現任農業部規劃設計研究院農村能源與環保研究所副所長、研究員，博士學位，研究生導師。主持完成國家、省部級課題30余項，獲得國家專利14項、省部級科技成果5項，制定農業行業標準16項，發表論文45篇、專著3部。研究成果“秸稈成型燃料高效清潔生產與燃燒關鍵技術裝備”獲得2013年度國家科技進步二等獎；“秸稈固體成型燃料產業化關鍵技術與保障體系研究”獲得2012年中國機械工業科技二等獎；“農作物秸稈能源化利用資源調查與評價研究”，獲得2010年國家能源局優秀成果獎二等獎。2005年獲得國家科技進步二等獎。

作物秸稈是農業生產的另一半產品，實際上是被棄置的資源，秸稈能源化利用是延長種植、養殖等產業鏈，帶動加工、制造等產業升級，提供能源產品服務的戰略性新興產業之一，與新型城鎮化、生態環保、能源結構優化息息相關。目前，我國作物秸稈能源化利用技術主要有高效燃燒、成型燃料、生物氣化、熱解氣化、發電和纖維素乙醇等，都得到了不同程度的發展和應用。本文作簡要介紹如下：

一、秸稈高效燃燒技術

秸稈高效燃燒技術是指以秸稈、薪柴等為燃料，以節約能源和提高熱效率為核心，用于家庭炊事及供暖的省柴灶、生物質爐和節能炕等技術。其中，省柴灶是對改良柴灶進一步改進的結果，其熱效率多數達到22%～30%，主要由灶體、爐門、爐箅、燃燒室、進風道、攔火圈、回煙道和煙囪等構成；生物質爐具則一般以秸稈成型燃料為原料，根據用途的不同，可分為炊事爐、采暖爐和炊事采暖兩用爐；節能炕是舊式火炕的改良，綜合熱效率大于60%，根據其與地面接觸的形式，可分為落地炕和架空炕兩種。

現階段，我國農村生活用能結構雖然發生了一定的變化，但薪柴、秸稈等生物質能仍占消費總能量的50%以上，是農村生活中的主要能源。我國農村中這種能源消費結構在相當長的時期內不會發生大的變化，因此，在農村特別是偏遠山區，生物質爐灶仍然是農民炊事、取暖的主要生活用能設備。隨著農村的城鎮化和農民生活水平的提高，廣大農民對燃煤和生物質能燃燒提出了更高的要求。因此，在鞏固省柴節煤成果的基礎上，需要組織定型爐灶的生產，實現居民灶具的商品化，完善省柴節煤爐灶的產業體系和服務體系。

二、秸稈成型燃料技術

秸稈成型燃料技術是指將具有均勻粒度的農作物秸稈原料進行適當干燥，在一定壓力作用下，制成顆粒狀、塊狀或棒狀等各種成型燃料的過程。

根據主要工藝特征的差別，可以從廣義上將秸稈固體成型工藝劃分為濕壓成型、熱壓成型和碳化成型等三種主要形式。其中，熱壓成型法是目前普遍采用的秸稈固體成型方法，其工藝過程一般為：原料粉碎-干燥混合-擠壓成型-冷卻包裝等環節，采用的成型機主要有螺旋擠壓式成型機、活塞式成型機和模輥擠壓式顆粒成型機等幾種。

秸稈成型燃料技術生產工藝、設備簡單，易于操作，成本較低，加工生產的成型燃料熱效率高，燃燒性能好，便于貯運（可長時間存貯和長途運輸），易于實現產業化生產和大規模使用，可滿足農村居民炊事、取暖用能需求，可為城鎮社區區域供熱提供清潔燃料，還可用于蔬菜、瓜果溫室大棚和園林花卉暖房保溫取暖用能。具備條件的地區秸稈成型燃料還可供生物質發電。近年來，在中央和地方各級政府的支持下，秸稈成型燃料技術通過小規模的試點示范，初步探索出推廣應用的寶貴經驗，秸稈成型燃料技術得到了快速發展，技術水平逐漸提高并趨于成熟。但是，在目前階段該產業的發展仍受到政策、技術、市場、信息和服務等諸多因素的制約，涉及到政府管理部門、金融機構、科研單位、生產企業和服務體系等各個環節，缺一不可。

據估算，中國農村地區居民每年炊事熱水用能約1.3億噸標準煤，北方地區采暖每年用能約0.7億噸標準煤 ，能源需求量巨大。隨著中央政府和地方各級政府部門的積極引導和大力推動，秸稈成型燃料將成為農村能源的生力軍，成為農村沼氣的必要補充，甚至滲入到城市用能和商業發電領域中，部分替代煤炭，成為商品能源。

三、秸稈生物氣化技術

秸稈生物氣化技術又稱秸稈沼氣技術，是指利用微生物的厭氧消化作用將秸稈轉化成沼氣和沼渣（固體有機肥料）的處理技術。根據厭氧消化器的容積大小，可以分為戶用秸稈沼氣、聯戶秸稈小型沼氣工程和大型秸稈沼氣技術等三種。

目前，我國農村沼氣生產遇到原料供給緊缺問題。隨著分散養殖的減少和規模化養殖的發展，出現了原料“點源”供應與能源“面”需求不適的矛盾（即：集中養殖區與農戶布局的關系，無養殖區農戶的沼氣原料來源問題等）。而秸稈分布在我國廣大農村，呈“面”分布，來源廣泛，數量巨大，適用性更廣，可就地獲得、就地建站，可以與“點源”供應的畜禽糞便互補。目前我國有3.4億噸秸稈未能有效利用，因此秸稈生物氣化（沼氣）有著充足的原料來源。可見沼氣發酵原料多樣性，或使用多種原料的混合料是今后發展趨勢。

秸稈生物氣化（沼氣）技術在生物質轉化效率（TS利用率）、生物氣品位（清潔的高熱值燃氣）、污染物零排放（副產物是沼氣和沼渣，無沼液排放）等方面都具有明顯優勢，是環境友好的清潔生產過程，也是秸稈經濟利用的有效途徑之一。“秸稈生物氣化（沼氣）”技術的產業化瓶頸是經濟和技術都可行的工業級設施、裝備，目前已有突破性進展。隨著工程技術和裝備的不斷進步，運行管理模式的完善，可以達到秸稈沼氣工業化生產、物業化管理、規模化供氣，有著廣泛的市場應用價值和需求。

四、秸稈熱解氣化技術

秸稈熱解氣化技術是使作物秸稈在控制氧含量條件下，通過高溫熱解氣化將固體生物質轉化成為主要含CO（一氧化碳）、H2（氫氣）、CH4（甲烷）、CnHm（碳氫化合物）等可燃氣體，用于工業發電、熱電聯產、液體燃料合成、居民集中供氣、工業燃氣鍋爐、工業干燥和采暖供熱等方面。按照不同工藝路線以及燃料燃燒形式等不同，目前國內應用較多的有固定床氣化爐、流化床氣化爐和干餾等三種。

生物質熱解氣化技術已有半個多世紀的發展歷史，在發展過程中取得了長足的進步，在我國已建設了730多處集中供氣站、供熱和50多處氣化發電站，運行實踐表明：技術成熟、適合中國農村分散獨立供能需求，能夠滿足新農村建設需要。

生物質作為一種儲量豐富的可再生能源，利用氣化技術轉化為清潔能源，其SO2（二氧化硫）排放量只相當于煤的1/10，NOX（氮氧化物）排放量僅為煤的1/5左右，燃燒過程中實現了CO2的零排放，減少了空氣污染，保護了環境，同時也為農林廢棄物的規模化利用提供了途徑，實現了資源的節約化利用。德國斯達特可特大學的能源經濟及能源合理利用研究所對生物質原料轉換成高品位燃料的不同技術路線（氣化、制木炭、裂解油、植物油、酒精、沼氣）做了系統的分析比較，最后得出結論無論是環境效益方面還是社會效益方面，生物質熱解氣化技術都將是最有發展前途的中遠期項目之一。生物質氣化具有廣闊的發展前景，未來生物質能源將在可再生能源中占有重要地位。

我國農村擁有豐富的作物秸稈資源，秸稈的收集和運輸，增加了直接就業的機會，而秸稈等生物質原料收購能增加農民的收入，實現變廢為寶，做到源于農民還給農民。當今能源緊缺、價格不斷攀升，嚴峻的能源供需矛盾，迫使我們必須大力開發新能源，秸稈氣化燃氣作為生活燃氣或工業燃料，可節約大量的石油、煤炭等商品能源，減輕對優質商品能源的需求壓力，有著良好的市場前景。

五、纖維素乙醇技術

纖維素乙醇技術又稱作“第二代生物能源”，是指以纖維素為原料生產燃料乙醇的技術，其轉化過程主要包括原料處理、糖化水解、發酵和蒸餾四個工序。由于每道工序可選擇的技術很多，一個完整的生產轉化流程可有多種的工序技術組合，很難概括，具體的技術選擇要考慮本地區的經濟基礎、技術條件、能源價格、原料價格、輔助原料價格等因素。

目前，國外纖維素乙醇產業化的研究已經步入一個關鍵時期，我國在這方面也有良好的基礎。為了使纖維素乙醇盡早地實現產業化，除了以上幾項關鍵技術進一步解決好外，還應當借鑒石油化工的經驗，堅持走生物精煉和乙醇聯產的模式，盡可能地提升和拓展底物的各組分的經濟價值，也許是促使纖維素乙醇產業化的重要途徑。

盡管木質纖維素原料本身非常廉價，但是將其轉化成乙醇的工藝過程非常復雜，還需消耗大量的能源。這主要是由木質纖維素自身的結構特性決定的，而得到的目標產物是經濟附加值并不很高的乙醇，致使在目前的條件下單位乙醇的經濟效益并不具備較強的市場優勢。而生物精煉和乙醇聯產模式就打破了原來由生物質生產單一產品的觀念，實現原料充分利用和產品價值最大化，就是所謂的“吃干榨凈”，利用木質纖維素的三大類組分也可以衍生出多種產品。例如：目前，大多的木糖醇廠主要是利用玉米芯中的半纖維素生產木糖醇，結果剩下大量的木糖渣（主要是纖維素和木質素），如果進行聯產模式，將剩下的纖維素與木質素進行組分分離，分別生產纖維乙醇和優質燃料或木素磺酸鹽，就有可能進一步提升產品的綜合效益。

六、秸稈發電技術

秸稈發電技術是農作物秸稈燃燒或轉化為可燃氣體后燃燒發電的技術。目前，秸稈發電的主要技術路線有秸稈直燃發電、秸稈混燃發電和秸稈氣化發電等三種。其中，秸稈直燃發電是指全部采用秸稈原料，在專用秸稈蒸汽鍋爐中燃燒，產生蒸汽，驅動蒸汽輪機，帶動發電機發電的過程；秸稈混燃發電是指農作物秸稈與煤、石油和天然氣等化石燃料，在同一鍋爐內混合燃燒產生蒸汽，驅動蒸汽輪機，帶動發電機發電的技術；秸稈氣化發電是指秸稈氣化后生成可燃氣體，經凈化后燃燒，驅動內燃機或燃氣輪機，帶動發電機發電的技術。

由于受到秸稈原料供應半徑以及農村勞動力成本增加等約束，秸稈發電受到制約，目前，單純秸稈發電的企業效益較差。隨著新型城鎮化和農村經濟的發展，在秸稈資源富集的地區發展秸稈熱電聯產提供清潔熱力、電力，將成為秸稈發電的未來發展趨勢。