生物能源技術進步與產業發展觀察

文/梁　峰　張　瑞　劉秀花

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生物能源技術進步與產業發展觀察

文/梁峰張瑞劉秀花

人類社會的發展離不開優質能源的開發和先進能源技術的利用，能源是整個世界發展和經濟增長的最基本動力。

生物質能源有明顯的優勢，既能保障能源安全，又能減輕環境污染，還是可再生能源。不僅有資源再生、技術可靠的特點，還有對環境無害、經濟可行的發展優勢。目前能源形勢日趨嚴峻，世界各國積極調整本國能源發展戰略，著力發展利用生物質能源，比如美國的能源農場、巴西的乙醇能源計劃、印度的綠色能源工程、日本的新陽光計劃等。

世界生物能源狀況

生物能源的生產大國主要是發展中國家中國、印度、尼日利亞等，占70%左右，其次是經合組織（OECD）國家美國、巴西和歐洲也是生物燃料的主要供應地，占30%左右。

第一代生物燃料來自農作物（如甘蔗、甜菜、玉米、大豆）。使用傳統的技術，如發酵和酯基轉移反應，運用糖類，植物油或動物脂肪生產最常見的產品，如生物柴油、生物乙醇和沼氣。目前，投入最大的是從甘蔗和玉米中生產乙醇，從油籽中生產生物柴油。第一代生物燃料的優勢是高生產率、已建立完整的收割模式、便于原料的獲取和生產生物燃料（乙醇或生物柴油）。然而，面臨的挑戰是對生產作物的巨大需求。此外，他們還與食品工業相互競爭（原料、作物、作物生長所需土地），對全球糧食市場產生了巨大影響。

第二代生物燃料的生產所用的原料不與食品工業相競爭。包括農產品加工業中產生的木纖維材料，如提取糖或油，稻殼（蔗渣、棕櫚心）和玉米加工中的廢物等。與第一代生物燃料相比，土地的利用和環境管理更有效率。

大多數第三代生物燃料工藝的生產技術仍處于商業開發階段。這些生物燃料還沒有遇到第一代生物燃料的問題，但其主要問題是土壤競爭。由于原料和技術的應用，第三代生物燃料被稱為先進的生物燃料。這些生物燃料從專門的微生物如細菌、微藻類而來。基于現有科學知識和預測技術，被認為是可行的能源原料，而沒有第一代和第二代生物燃料的相應缺點。通常通過基因工程等技術,形成特定的工程微生物。，杜克大學化學和生物化學教授Eric Toone說：“如果沒有合成生物學，生物燃料的價格和產量永遠不可能能夠與汽油，柴油或航空燃油相競爭”。但合成生物學存在一定的潛在風險,應該明確如何使用。

生物質能產業發展及主要技術

根據BP公司《2015年世界能源統計評論》，中國在的生物燃料發展速度較慢，全球居第七位。后來者如阿根廷、印度尼西亞發展得很快。從20世紀80年代以來，我國生物質能的應用技術研究一直受到國家的重視。國家“六五”計劃就開始設立研究課題，進行重點攻關，主要在氣化、固化、熱解和液化等方面開展工作。

生物質氣化技術是一種熱化學處理技術，用氧氣、氫氣或水蒸氣等作汽化劑，生物質中的碳在高溫條件下通過熱化學反應轉化為可燃氣體 (主要成分為一氧化碳、氫氣和甲烷等)的熱化學反應。生物質在氣化作用下轉換為高品質的氣態燃料，可直接應用于鍋爐燃料或者發電，它產生所需的熱量、電力、合成氣進行間接液化來生產甲醇、二甲醚等液體燃料和化工產品。該方法能提高能量轉化效率是通過改變生物質原料的形態，從而獲得高品位能源。生物質氣化的優點有：具有就地取材、減少污染、廢物利用及使用方便衛生等優點。

現在的生物質氣化技術主要包括固定床、流化床、直接干餾熱解三種工藝形式。其中固定床技術最為簡單，投資低，易于操作。但產生的燃氣熱值低，一般在5 000千焦/立方米左右，并且焦油含量高，易堵塞管路。流化床工藝得到的生物質燃氣熱值高，可達12 000千焦/立方米，燃氣產率和氣化效率也分別達到了0.95和63%，但是這一工藝設備復雜，操作不易掌握。直接干餾熱解技術能達到很高的熱值，但還處于試驗階段。流化床生物質氣化爐比固定床生物質氣化具有更大的經濟性，應該成為我國今后生物質氣化設備研究的主要方向。目前我國利用現有技術，研究開發效率較高及經濟上可行的生物質氣化發電技術在我國將成為生物質高效利用的一個主要課題。

生物質液化技術是把固體狀態的生物質經過一系列化學加工過為，將其轉化成液體燃料的清潔利用技術，可分為直接液化、快速熱解等方法。在很早以前人們就用谷物、高粱等通過水解液化生產酒精。21世紀80年代以來，生物質的快速熱解技術有了很大的發展，其中最引人注目的是在超高速升溫條件卜的生物質直接高溫快速熱解新技術。國際能源署(IEA)組織了加拿大、芬蘭、意大利等一個研究小組進行了長達一余年的研究工作，在此方面做了深入的研究。我國對生物質液化也極為重視，目前在海口建成了一座年產2萬噸的生物質燃料廠，該廠以薯類作物為原料生產乙醇、干冰等產品，將低品位、能量密度低的生物質轉化為優質液體燃料和化學品。此外，我國還進行用甜高粱制取酒精的研究工作，用酒精做汽車燃料具有很多優點。

生物質固化技術是將生物質中的木質素在加熱條件下液化、軟化，使它具有一定的粘著強度，然后使用機械方式給生物質施加一定壓力，使散的生物質轉變成具有一定形狀、密度的燃料。固化技術能夠提高能源密度、改善燃燒特性、實現優質能源轉化，這使它受到國內外工作者的強烈關注。現在固化技術主要用于采用生物質資源加工成型炭，國外在這方面早有研究，但嚴格保密。而我國在這方面的研究處于初步階段，一些企業用窯燒法等傳統木炭生產技術制造成型炭，生產周期太長在20多天，而且質量極其不均勻，成品率很低，在50%～55%，比烘烤炭低大約10%左右，但它更加清潔，從生物質資源品味的角度看確實是一種好方法。

生物質能源發展趨勢

根據中國工程院《中國可再生能源發展戰略研究報告》，中國含太陽能的清潔能源開采資源量為21.48億噸標準煤，其中生物質能占54.5%，是水電的兩倍和風電的3.5倍。且在新能源中，生物質能是唯一可再生的碳源，并能轉化為固態、液態、氣態燃料。可以說看，生物質能是最具發展潛力的可再生能源。

巴黎氣候大會于2015年11月30日至12月11日在巴黎召開,中國已承諾到2030年左右二氧化碳排放達到峰值且將努力早日達峰，并計劃到2030年非化石能源占一次能源消費比重提高到20%，到2030年單位國內生產總值二氧化碳排放將比2005年下降60%～65%；中國還宣布拿出200億元人民幣建立“中國氣候變化南南合作基金”。另外，中國還計劃于2017年啟動全國碳排放交易體系。低碳經濟蓄勢待發，生物質能迅速發展。

生物質能源將逐步替代化石能源，而且對整個人類及地球生態環境均有重大的意義。人類能源經歷的階段：一是未使用化石能源下碳平衡階段，化石能源消耗量緩慢生長，CO2不支持植物大規模快速增長，人類面臨的主要問題是生態環境差、沙漠化擴大現象嚴重；二是大量使用化石能源碳增長階段，大量使用化石能源后，CO2快速增加，氣候變暖，降雨增加，植物生長速度加快，森林及植被被面積快速增加，生物質能源發展快速；三是后化石能源下的碳平衡階段，此階段大氣中CO2趨于平穩，生物質體量巨大，再生能力增加，生物能源技術設施及產能逐步滿足人類需求，化石能源失去經濟性與適用性。

生物質能在“十三五”中作為可再生能源的主體地位確立，2020年生物質能在可再生能源中占比將達到30%，超過光伏和風電的總和。

2014年，全球范圍內可再生能源領域共提供770萬就業崗位，其中生物質能領域提供了超過 200萬個就業崗位。如果“十三五”期間燃料乙醇全面推廣，每年可減少二氧化碳排放約1 680萬噸；顯著降低汽車尾氣中PM2.5約50%的排放，其它有害物質減排30%；可以拉動直接投資1 500億元，間接拉動農業、裝備制造和交通運輸業等領域投資5 000億元；增加直接就業崗位7萬個，間接帶動就業崗位50萬個，年增加農民收入600億元；每年生產1 400萬噸燃料乙醇，同時聯產高蛋白飼料450萬噸、電力260億千瓦時、生物天然氣100億立方米、生物有機肥200萬噸等，年產值1 680億元以上，社會、環境和經濟效益顯著。

未來幾十年的一個中心問題是怎樣將環境的影響和滿足世界食物和能源需求的潛在好處內化到我們的經濟體系中。這是一個復雜的問題，不是一個簡單的方案和幾個部門可以解決的，它需要環保主義者，經濟學家，技術專家，農業組織，公民參與以及世界各國政府之間的新的合作。近幾年，國內大力推動生物質能源的發展，持續加大對生物質發電、生物質設備、生物質燃料基地建設、生物質供熱項目、生物質垃圾處理等方面的投入力度。就能源當量而言，生物質能已成為我國僅次于煤炭、石油、天然氣的第四大能源。

從全球看來，生物質多聯產發電、生物天然氣的技術、裝備和商業化的運作模式已經成熟，產業規模正在快速擴展。但在我國，生物質能獲得的關注和認同遠不及風能、太陽能。而歐洲的生物質能是其最大的可再生能源分支，比重高達60%。由化石能源向清潔能源轉型的世界大勢中，中國在生物質能的起跑線上已經落后。綜合全球生物質發展及國內能源需求的增長、低碳清潔發展、可再生和對化石能源多途徑的替代等因素，考慮到資源的循環利用、減排環保，促進農村經濟和中小城鎮建設、增加農民收入等問題，中國都應該比任何國家更加重視發展生物質能源。

生物質能與傳統能源相比，具有分布分散、密度低、成分復雜、生產的周期性等劣勢，增加了生物質能開發的難度，難與常規化石能源在市場上形成競爭。然而，任何一個新產品、新技術在發展初期成本一定是較高的，這與技術水平、市場占有率和認知度有關。化石能源的成熟利用是建立在200多年科研積累基礎之上的，而生物質能利用技術發展時間不足20年。我們需要給新生事物一些“寬容”和成長的空間，生物質能終將主導未來。

作者單位：（生物精煉河南省工程實驗室河南科技期刊傳媒集團商丘師范學院）