生物質能源的分類利用技術研究

張得政, 張 霞, 蔡宗壽, 楊 飛, 何東成

(云南農業大學機電工程學院，云南昆明 650201)

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生物質能源的分類利用技術研究

張得政, 張 霞*, 蔡宗壽, 楊 飛, 何東成

(云南農業大學機電工程學院，云南昆明 650201)

摘要綜述了世界生物質能源分類利用技術現狀，包括生物質固化利用技術、生物質液化利用技術、生物質氣化利用技術，從生物質固化成型燃料、生物質液體燃料、生物質氣化燃料幾方面，分析了我國生物質能源開發利用現狀，根據國內外現有政策提出了加快生物質能源發展的建議。

關鍵詞固化；液化；氣化；生物質；能源；發展

近年來，三大化石能源的使用造成了二氧化碳排放量呈幾何級數增長趨勢，導致全球大范圍氣候異常和局部氣候失衡，因此研發和利用可再生清潔能源具有重要意義。生物質能是太陽能以化學能形式貯存在生物質中的可再生能源，能夠長期保障人們的生活用能[1]，在所有能源中具有不可替代的地位[2]。研究和開發可再生生物質能源可有效控制溫室效應和酸雨等環境危機[3]。生物質能燃燒過程中產生的二氧化碳近似為零，是控制溫室效應的重要途徑之一[4]，如果能夠大規模種植能源作物，逐漸實現生物質燃料的大規模生產，按年產 1 億 t 計算， 就能減少5.5%的二氧化碳排放[5]。20世紀70年代世界各國開始重視對生物質能源的研發，相應的許多國家也根據自身國情計劃今后如何發展生物質能源，并且紛紛投入大量人力和物力。生物質能是太陽能的一種形式,能夠在一定條件下轉化為固體顆粒、液體生物乙醇和氣體沼氣等燃料,是一種可長期獲取的可再生能源[6]。據估計，2017年世界生物質燃料消費將增加到811億美元，比2014年擴大1倍[7]。筆者介紹了世界各國生物質固化、液化和氣化的利用現狀，對我國發展生物質能源的已有平臺做了綜述，提出了國內生物質能源的發展建議，以期為生物質能源的開發和利用提供借鑒。

1世界生物質能源分類利用技術現狀

生物質能源的利用可以分為直接燃燒利用，壓縮成致密顆粒利用，通過化學方式轉化成液體利用，以及在高溫下添加汽化劑反應或發酵成可燃氣體利用。以下筆者就世界上生物質固化利用、液化利用及氣化利用的現狀作出介紹。

1.1生物質固化利用技術生物質能源的固化利用技術是把生物質粉碎成細小顆粒，然后在設定好溫度、濕度和壓力的情況下，用顆粒燃料成型機壓縮成為熱值高、密度大的成型燃料，能很好地克服生物質熱值低、體積大、物理形態不規則等缺點。由于顆粒燃料的熱值接近煤熱值的60%，可以成為煤、天然氣等的替代燃料[8]。在20世紀30年代，全球開始對生物質顆粒燃料進行研發，直至70年代石油危機期間才作為產業發展起來。20世紀90年代，隨著大量的一次性石化能源的損耗和溫室效應及酸雨等環境危機的日益嚴重，加大可再生能源的研發力度迫在眉睫。1997年經世界各國的努力，第1次以法規的形式制定出《京都協議書》限制溫室氣體的排放，并于2005年生效，要求各個簽署國在2008～2012年的溫室氣體排放總量要比1990年下降5個百分點。2009年制定的《哥本哈根協議書》要求在2050年全球溫室氣體總量要比1990年下降80%。另外，許多國家還根據國情制定了適合本國的法律法規，這大大刺激了新能源的發展。生物質顆粒燃料再次進入到人們的視線，其產量在21世紀后以 18%～25%的速度增長[9]。2000年世界生物質顆粒燃料僅有165.0萬t，2010年已達到1 570.0萬t，增長了近10倍。主要產區聚集在歐盟和北美洲國家，其在2010年產量分別達到928.6萬和432.0萬t，占世界總產量的59.3%和27.6%，而東歐俄羅斯地區和亞洲、澳洲地區產量分別只占世界總量的9.2%和3.9%[10]。1991年瑞典顆粒燃料廠家只有2家，2003年達到30家，1990年年產量只有1.0萬t， 2004年達到100.0萬t。在2008年，其廠家達到94家，年產顆粒燃料220.0萬t[11]。在2010年丹麥、荷蘭、意大利、比利時和瑞典是生物質顆粒燃料進口量最大的國家，而加拿大、俄羅斯、德國、波蘭和美國是出口量最大的國家。2010年加拿大生物質顆粒燃料出口量達到165.5萬t，約為生產總量的95%，成為世界生物質顆粒燃料的最大出口國。目前，用于發電和供暖是生物質顆粒燃料的主要途徑，主要用于取暖的國家有法國、奧地利、意大利和德國，而在芬蘭、丹麥、瑞典主要用于發電[12]。

1.2生物質液化利用技術生物質能源液化利用技術是指在特定條件下把生物質通過化學方法分解成為可以混合到汽油或柴油中使用的液體燃料的過程。生物燃料乙醇在汽油中含量低于10%～15%時，可以不用對現有汽車發動機進行改進，且含乙醇汽油還具有辛烷值高和抗暴性能好的優點。2008年世界生物質燃料產值達到348億美元，比2007年增加37.0%[13]。2009年世界燃料乙醇達到5 860.0萬t，比2008年增加了12.7%，估計世界生物燃料會在2016時以每年12.9%的速度遞增，全球生物質燃料總量將會在2030年達到1.2億t[14]。2005年美國躍為燃料乙醇生產總量最大國,2008年美國的燃料乙醇生產量同比上升122.85億L,生產廠家達到170個[15]。2007年發布的《能源獨立和安全法》中提到本國汽車在2022年前期間需要增加1 638.00億L，主要是乙醇的生物質燃料作為動力源。2004年歐洲燃料乙醇用量達175.0萬t，并且其傳統燃料中乙醇或其他生物化學燃料最少要占2.0%。歐洲燃料乙醇在2006年達到15.65億L，與2005年相比提升了71.0%。而德國生物乙醇總量達到4.31億L，西班牙國家的生物乙醇總量達到4.02億L，法國生物乙醇總量達到2.50億L，歐洲于2007年規定各成員國到2020年生物燃料在交通運輸中消耗的總量要占到10.0%[15]。而巴西是世界上唯一一個不供應純汽油的國家，在2008年Dilma Rossef表示：全國燃料乙醇已經代替了50%的汽油，并且該比例還在繼續增長。靈活燃料汽車(FFV)市場自從2003年啟動以來，已使用的汽車達到700余萬輛。目前巴西90%以上在銷汽車是FFV汽車[16]。

1.3生物質氣化利用技術生物質氣化是指在一定條件下生物質通過氣化介質發生化學反應或通過發酵反應生成可燃氣體的過程。筆者主要對世界生物燃氣發展狀況作出綜述。20世紀90年代以后，尤其是進入21世紀，國際上開始對沼氣投入大量研究[17-18]。

從圖1可以看出，歐盟及其中的德國分別從2010年總產量217.5億和133.4億m3到2011年總產量201.7億和101.4億m3，分別下降了15.8億和32.0億m3；瑞典和丹麥的總產量相對來說比較穩定；中國和美國則呈現快速增長趨勢。美國沼氣研發源自于20世紀上半葉的能源壓力，當時只是基礎研究，主要是厭氧菌的基因排序及沼液中存在的特殊酶等，進入21世紀后，美國將沼氣研究提高到為本國創造更多就業機會、保障美國能源安全等高度。聯合國工業發展組在《生物質能源戰略(2007)》中提出，生物質天然氣可以從沼氣中被提純出來，這一發現可以使被提純出來的生物質天然氣加入現存國家天氣管網。2012年主要國家生物燃氣凈提純處理能力：德國為117 806 m3/h,瑞士為2 225 m3/h，美國為73 700 m3/h，挪威為1 500 m3/h，瑞典為26 505 m3/h，法國為1 400 m3/h，荷蘭為9 130 m3/h，英國為1 000 m3/h，西班牙為4 100 m3/h，日本為550 m3/h，奧地利為2 210 m3/h，丹麥為500 m3/h。

圖1　不同國家的生物燃氣總產量Fig.1　Total production of biogas in different countries

2008年歐盟制定如何應對未來世界氣候變化時表示，全部能源消費的20%要用可再生能源來代替，用于交通方面的可再生能源占10%，以上所有數據其中的50%是生物天然氣[19]。近年來，沼氣的發展已不僅僅是對廢棄物厭氧發酵處理，而是從玉米、小麥等能源作物提取出來。2010年瑞典共有7萬輛壓縮生物天然氣的汽車在使用中，且加氣站總數達到500余個。2008～2014年瑞典總共為扶持沼氣生產廠家投出6億多克朗。生物天然氣方面，德國在歐盟處于領先地位，在2000年時全國沼氣加工廠總數量只達到1 000個，到2010年全國已有5 000個沼氣加工廠，占據歐洲全部沼氣加工廠的80%以上[17]。

2我國生物質能源開發利用現狀

自“十五”以來，我國對生物質能源規模化研究利用已開始重視起來，尤其是《可再生能源法》成立以后，生物質能源等可再生資源有了相關法律的支撐，一系列行業規劃、監管措施及扶持政策相繼出臺,對我國生物質能源的快速發展奠定了堅實的基礎。

2.1生物質固化成型燃料2005年《可再生能源法》通過以后，通過立法形式確定了可在生能源在國家發展中的重要位置，在同年11月為配合《可再生能源法》的實施，我國又在此基礎上繼續出臺了《可在生能源產業發展指導目錄》，而生物質能項目在其中就達到13個，占總數量的15%。2008年10月我國在《秸稈能源化利用補助資金管理暫行辦法》中提出對生產生物質成型燃料的廠家中注冊金額超過1 000萬元，并且生物質原料的消耗在1萬t以上的廠家進行綜合性補貼。

2.2生物質液體燃料 “十五”計劃第1次提出加大生物質燃料酒精替代石油的要求，并且將生物質燃料產業開發納入國民經濟計劃。“十一五”要求擴大生物質燃料乙醇并實施在稅務、投資和強制性市場的份額制度。“十二五”提出在石化能源消耗中非石化能源占據其中的11.4%。2006年聯合部門發布了《關于發展生物質能源和生物化工財稅扶持政策的實施意見》，提出要加大可再生清潔生物質燃料取代一次性石化能源的力度。并在2011年6月，國家稅務局發布《關于明確廢棄動植物油生產純生物柴油免征消費稅使用范圍的通知》，更好地促進了生物質液體燃料的發展。

2.3生物質氣化燃料1996年出臺的《中華人民共和國經濟和社會發展“九五”計劃和2010年遠景目標綱要》首次指示要因地制宜地開發利用生物質能源，改善能源結構。2007年我國各部門聯合發布了《農村沼氣項目建設資金管理辦法》，規范了投資沼氣的建設資金預算及管理辦法。2008年出臺并于2009年年初實施《循環經濟促進法》，其中第34條提到支持綜合利用各種農業廢棄物以及木料碎屑等進行生物質沼氣發展。我國對沼氣的發展給予了大量財政補助，其中 “十五”期間扶持金額達35.34億元，“十一五” 期間扶持金額達202.00億元，2011年扶持金額達44.00億元。《全國農村沼氣服務體系建設方案》提到按照政府補貼，各沼氣建設地自籌等互相結合原則，而且各地方對籌建沼氣鄉村建設基地給予支持，并且對我國東部、中部、西部地區進行資金補貼。此外，《綠色能源示范縣建設補助資金管理暫行辦法》提出對沼氣發酵池的容積到達350 m3，每年年產到達10萬m3的項目，并且生活燃氣供給達到150戶住宅的項目提供中央財政補貼。

3我國生物質能源的發展建議

我國的生物質能源研究起步較晚，相比一些發達國家的研發進度仍有很大一段距離，筆者根據國內外現有政策對加快發展生物質能源提出以下建議：

(1)隨著一次性能源的快速損耗以及環境污染的加重，開發和利用生物質能源顯得越發重要，為防止一次能源危機及能夠在今后的國際形勢下應對自如，我國應該將生物質清潔能源開發及利用提升至國家安全戰略高度。

(2)在發展生物質能源的前提下，應該注重不與糧食爭地，確定糧食安全與發展能源作物并重，通過計劃種植能源作物，與實際開發利用相結合，做到發展進度與生物質資源齊頭并進，防止資源短缺與資源浪費。

(3)目前的生物質資源種類單一，應該擴大資源的種類，對能源草及其他資源量大的植被加大研發力度，找出能夠作為生物質能源資源的物種進行大量培育，或通過轉基因技術加快生長期，防止工業和商業化生產時出現資源短缺。

(4)國內技術尚在摸索發展期，應該加大國際交流力度，結合國內實情對研發團隊加大資金注入量。多與發達國家進行交互式合作研究，盡快突破一些關鍵技術的瓶頸。

4結語

我國生物質資源相當豐富，隨著一次性能源的損耗和環境污染的日益嚴重，發展和利用生物質能源成為必然趨勢。一些國家已經把生物質能源作為一種國家安全戰略能源，相信今后生物質能源會逐漸替代一次性能源成為主流能源。從發達國家生物質顆粒燃料、燃料乙醇和生物柴油以及沼氣的發展現狀可以看出，我國與之相比還存在距離。因此，我國應該提高對發展生物質能源的重視，加大政策和資金投入力度，完善法律法規體系，為開發和利用生物質能源提供堅實的后盾。

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Research on Classification and Utilization Technology of Biomass Energy

ZHANG De-zheng,ZHANG Xia*, CAI Zong-shou et al

(Faculty of Mechanical & Electrical Engineering, Yunnan Agricultural University, Kunming, Yunnan 650201)

AbstractThe status of classification and utilization technology of biomass energy in the world was reviewed, including biomass solidification, liquefaction and gasification utilization technology.The development and utilization status of biomass energy in China was analyzed from aspects of biomass solidifying fuel, biomass liquid fuel and biomass gasification fuel.According to existing policies at home and abroad, suggestions for accelerating the development of biomass energy were put forward.

Key wordsSolidification; Liquefaction; Gasification; Biomass; Energy; Development

基金項目國家自然科學基金項目(51265051)。

作者簡介張得政(1989- )，男，山東日照人，碩士研究生，研究方向：新能源。*通訊作者，副教授，碩士，碩士生導師，從事新能源研究。

收稿日期2016-02-09

中圖分類號S 216

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)08-081-03