我國生物質能源利用現狀

徐麗華，羅　鵬，嚴　明

(肇慶市順鑫煤化工科技有限公司，廣東　肇慶　526238)

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我國生物質能源利用現狀

徐麗華，羅鵬，嚴明

(肇慶市順鑫煤化工科技有限公司，廣東肇慶526238)

發展儲量巨大的可再生生物質能可以幫助緩解世界能源危機，扭轉由于大量化石燃料使用造成全球環境惡化的趨勢。對生物質進行了分類，介紹了現代生物至能的3種生產轉化方式、相應產品及其應用情況，分析各種生物燃料的優缺點和所面臨的挑戰,進一步指出生物質能的開發利用,對于我國能源結構調整、能源安全以及環境保護具有十分重要的意義。

生物質；轉化途徑；能源

能源是人類生存和社會發展的基礎，當前社會的主要能源是化石能源(屬于不可再生資源)。與此同時，社會的高速發展，也加劇了化石能源的消耗，使得環境惡化，大量CO2的排放也加劇了溫室效應，嚴重威脅人類社會的可持續發展。

能源短缺和環境問題迫使全球走向低碳。低碳經濟的核心是新能源技術，其中，生物質能源[1]是不容忽視的。生物質能源是太陽能以化學能形式貯存在生物質中的能量形式。它能直接轉化為常規的固、液及氣態燃料，取之不盡，是一種可再生能源，同時也是唯一一種可再生碳源。生物質能源還具有高效、清潔、可持續的特點。但目前對生物質能源利用率還很低，大多是單純燃燒，因此尋求更為高效的加工利用方式是我們當前所面臨的難題。

地球上每年經光合作用產生的物質有1700億噸左右，其蘊含的能量相當于全球能源消耗總量的10～20倍，但目前利用率不到3%。我國生物質能源潛力巨大，“十一五”已完成實驗研究，“十二五”逐步應用，至“十三五”期間，我國生物質能源將大面積推廣。

1　生物質的概述

生物質[2]是指經光合作用而形成的可再生或可循環的有機物質，包括所有的動植物及微生物，以及由這些生命體排泄和代謝的所有有機物質，它可以在較短的周期內重新生成。地球上生物資源相當豐富，植物每年經光合作用生成的生物質總量約為1440～1700億噸(干重)，其中海洋每年可生產500億噸物資。生物質資源不僅數量龐大，且形態多樣。通常生物質資源可分為以下幾類[3]：

(1)農業生物質能源 包括農業生產后的廢棄物(如秸稈等)、農業加工業的廢棄物(如稻殼等)和能源植物(如油料植物等)。

(2)林業生物質能源 包括各種樹木和草本植物等；也包括木材利用加工過程中產生的鋸末等；還包括林業副產品的廢棄物，如果殼和果核等。

(3)水生類生物質能源 主要包括藻類、浮萍等。

(4)微生物類 主要包括光合成微生物如硫細菌、非硫細菌等。

(5)禽畜糞便 它是其他形態生物質(糧食、作物和牧草等)的轉化形式，如糞便、尿及其與墊草的混合物。

我國生物質生產量達60億噸干物質，相當于年耗能量的2.5倍。但目前對生物質的利用主要是直接燃燒，不僅浪費能源，還造成大氣污染。因此，尋求更高效的生物質利用技術，開發高品位的優質能源勢在必行。

2　生物燃料的生產轉化途徑

生物質能的組織結構與常規化石燃料相似，它的利用方式也與化石燃料相似。當前，獲得生物燃料的方式[4]主要有3種：物理轉化、傳統化學轉化和熱化學轉化。根據轉化路經的不同，在技術路線、生產成本和所得產品上有一定差異。

2.1物理轉化

物理轉化途徑是通過改變生物質的形態得到各種高密度的固體成型燃料。這一轉化途徑是借助外力作用下，如通過高溫/高壓作用將松散的生物質原料壓縮成具有一定形狀和密度的成型物，以減少運輸成本，提高燃燒效率。原料經壓縮成型后，密度可達1.1～1.4 g/cm3(與中質煤相當)，燃燒特性明顯改善，火力持久黑煙小，爐膛溫度高。

2.2傳統化學轉化

傳統化學轉化是目前生物質能應用最廣泛的一種途徑。以生物發酵為代表，它不僅包括傳統的發酵制取乙醇和沼氣，也包括現代的ABE發酵技術制取丁醇和發酵制氫技術。生物化學轉化方法的另一種重要技術就是生產生物柴油的酯化反應法(1988年由德國科學家拜耳研制成功)。

但是，無論是現代的發酵技術還是傳統的發酵技術，均存在周期長的特點，這就使得其效率較低。且傳統化學轉化方法都是為制得單一產品，在市場經濟中抗風險能力較弱，不利于實現生物質能的商業價值。

2.3熱化學轉化

熱化學轉化的方式包括:燃燒、液化、熱解和氣化。

直接燃燒是指將可燃燒的生物質直接投入特殊燃燒設備中燃燒，燃燒過程中產生的熱氣流或高壓蒸汽用于發電或供暖，它與目前的燃煤發電、供暖相似，在燃燒設備上有一定差異[5]。生物質燃燒是一種直觀、簡單、投資少的方法。

液化是指通過化學方法將生物質轉變成液體產品的過程，有直接液化和間接液化之分。直接液化是將生物質、催化劑和溶劑置于高壓設備中，高溫高壓下制取液體燃料，并副產氣體。間接液化是先將生物質氣化制成小分子氣體后再進行催化合成液體產品的過程。直接液化的反應條件較間接液化更為苛刻。無論是直接液化還是間接液化，催化劑、反應器的研究、開發與放大是關鍵，生物質液化技術可以借鑒我國煤直接和間接液化的工業裝置。

生物質熱解是在無氧或少氧條件下持續給生物質加熱，所發生的一系列物理和化學變化。在該過程中生物質大分子受熱斷裂成各種小分子，并發生小分子結合成大分子的過程，得到包含氣、液、固三相反應產物。氣體產物以H2、CO和小分子烴類為主，液體產物為生物油，固體產物為木炭。通過控制反應溫度和反應時間，可得到不同比例的產物。

氣化是指生物質原料在隔絕空氣加熱條件下與氣化劑發生不完全燃燒的能量轉換過程，生物質裂解后，與氣化劑反應生成小分子可燃氣體。氣化劑種類不同，所得的小分子可燃氣體也不盡相同，其熱值也有較大差異。經生物質轉變成的小分子氣體，既能通過二次燃燒發電、供熱、民用炊事等，也可進一步加工制取液體燃料。

熱化學轉化技術的優點較多，如利用效率高、加工成本低以及產品多元化。就我國當前形勢來看，氣化是一種較受歡迎的利用途徑，它具有較高的熱效率和豐富的產品方案；但快速熱解途徑仍處于發展階段。

3　主要生物質能概述

生物能源主要是指由生物質原料生產的液體產品替代油料，以生物柴油和燃料乙醇最為歡迎。發展可替代化石能源的生物能源，既可減輕對石油和煤炭資源的依賴，降低對環境的污染，又可延伸農業產業鏈，被認為是解決全球能源危機的最理想途徑。

3.1生物柴油

生物柴油指以各種油料植物及餐飲廢棄油脂等為原料油通過酯交換工藝制成的再生性柴油燃料，其理化性質與柴油相似甚至更優(冷濾點、閃點、燃燒功率高、含硫低等)。目前，真正用于生物柴油工業化生產的原料有大豆、油菜籽和棕櫚油等，其他的諸如各種食用油和植物油只在內燃機上進行了評價試驗，并沒有進行應用。

3.2燃料乙醇

燃料乙醇主要由生物質進行生物發酵等途徑獲得。燃料乙醇經變性后與汽油配成一定比例可制成乙醇汽油使用。目前可用來生產燃料乙醇的原料有很多，除了谷物、海洋藻類外，還有資源更豐富的農作物秸稈、樹木、林業廢料及生活垃圾等。但燃料乙醇也有諸多缺點，首先它并不是“油”，只是油品的優良品質改良劑，且易引起氧化、生銹和腐蝕等問題。

3.3沼氣

它是指各種有機物質，在隔絕空氣和適宜的溫度、pH值條件下，經微生物發酵而成的一種可燃氣體，主要成分是CH4和少量的CO，殘余物可作為有機肥料。其發酵原料是有機廢物和農作物秸稈，2.5 kg 秸稈可以產生1 m3天然氣，1 m3沼氣熱值為23 MJ左右，相當于1 kg原煤的熱量。我國是世界上沼氣利用開展最好的國家，目前已進入商業化應用階段。

3.4氫氣

生物制氫包括光合生物制氫和厭氧發酵兩種途徑。是一種理想的持續產能模式，但目前還停留在實驗室探索研究階段，離商業化生產較遠。

4　生物能源的發展困境

盡管生物質能源的研究工作已開展多年，但由于生物質本身的局限，如單位土地面積的有機物能量偏低，有機物水分偏多(50%～60%)，在其發展過程中還存在許多問題。

(1) 雖然通過熱化學轉化可從植物原料獲取燃料乙醇和生物柴油，但是熱化學液化的機理和工藝仍需進一步研究。

(2) 纖維素的生物質轉化費用過于昂貴，如纖維素酶制劑占生物質轉化總成本的50%～60%，酶降解時活性低，用超臨界水處理時存在腐蝕問題和操作條件苛刻。

(3) 資源來源和生產成本問題。燃料乙醇和生物柴油的生產原料分別為糧食、油料作物與動物脂肪，均是日常必須品且我國人口眾多，大規模生產燃料乙醇和生物柴油勢必導致成本上升，并且危害糧食安全。

5　結　語

開發利用生物質能是調整能源結構、實現可持續發展的重要保障。雖然我國在生物質開發利用取得了一定成績，但由于起步較晚，與發達國家相比存在差距。加強生物質熱化學轉換、生物轉換的理論和應用研究，開發高效低成本的催化劑，優化現有轉換技術，對建立可持續發展的能源系統，調整我國的能源結構具有重大的意義。

[1]趙巖.生物質催化轉化制備芳烴化合物的研究[D].合肥：中國科學技術大學,2014.

[2]何會流.能源植物資源及應用潛力概述[J].安徽農業科學,2008,36(17):82-83.

[3]胡宗泰,王英閣,李繼香.生物柴油研究現狀和發展趨勢[J].糧食與油脂,2006(10):11-14.

[4]Pearce F.Fuels gold:big risks of the biofuel revolution[J].New Scientist,2006,191(2570):36-41.

[5]嚴鑫,吳明鋒.生物質發電及能源化綜合利用[J].山西電力,2014(6):52-55.

Present Situation of Biomass Energy Utilization in China

XU Li-hua,LUO Peng,YAN Ming

(Zhaoqing Shunxin Coal Industry Technology Co.,Ltd.,Guangdong Zhaoqing 526238,China)

Developing renewable clean biofuels using wildly available bioenergy can help alleviate the worsening world energy crisis and reverse the trend of deteriorating global environment caused prmiarily by the ever-increasing use of fossil.Three kinds of conversion routes,their corresponding products,and the scale of bio-fuel production and application worldwide were reviewed.The pros and cons of biofuels were analyzed,and the challenges for the development of biofuels were discussed.Development and utilization of biomass energy was significance to Chinese resource structure adjustment,resource safety and environmental protection were further pointed out.

biomass; conversion route; resource fuels

徐麗華(1987-)，女，工程師，主要從事潔凈煤技術研究。

TK6

A

1001-9677(2016)011-0047-03