生物質能和其市場潛力

石堯（英國南安普頓大學 環境工程學院 能源與可持續系，英國南安普頓 SO17 1BJ）

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生物質能和其市場潛力

石堯
（英國南安普頓大學 環境工程學院 能源與可持續系，英國南安普頓 SO17 1BJ）

【摘要】工業革命完成之后，化石燃料成為了推動文明進步發展的引擎。生物質能是可再生的環境友好的燃料，而化石燃料是不可再生的有污染的燃料。通過政府津貼的支持，生物質能在許多發達國家已經得到了長足的發展，而在發展中國家還沒有有效利用。能源安全是發展生物質能的另外一個原因，一個良好應用生物質能的國家隊國際化石燃料價格的波動是有抵抗力的。生物質的原料是十分充足的，因為居民日常生活中，林業，農業都能獲取。隨著生物質能利用技術愈發的成熟，生物質能將會在人類社會中扮演更重要的角色。

【關鍵詞】生物質能 生物質 市場 環保

1 簡介

近幾年來，溫室氣體的排放成為了可持續發展的絆腳石，而生物質能被視為可以改善這種狀況的關鍵之一。盡管OPEC組織為了和來自美國的頁巖氣競爭壓低了石油價格，能源危機始終是對政府的挑戰。以全球為范圍長期來看，生物質的生產潛能在發展中國家譬如拉美，撒哈拉以南地區和東歐地區將會是巨大的［1］。這意味著生物質能的市場潛力同樣會很大。雖然生物質燃料的燃燒會伴隨著溫室氣體的排放，但這些碳是生物質中固有的碳，并不會增加生物圈碳循環中碳的總量。有三種方式將生物質轉化成生物質燃料：物理轉化、化學轉化、生物轉化，不同種類的生物質燃料通過不同的轉化方法獲取。這些生物質燃料可以應用在譬如內燃機，發電機組，集中供熱等一些影響到大部分居民日常生活的范疇。

2 利用生物質能的技術

有主要三種方式獲取生物質原料，區別存在于初級，第二級和第三級廢物之中。主要殘留物是在生產使用作物和林業加工的過程中產生的，比如森林和秸稈中疏伐。二次廢料來自于食品加工，比如飲料工業，造紙廠。叔胺殘基在生物質衍生的商品被使用后變得可以加以利用，也就是說它源自于城市固體廢棄物，廢木料，淤泥中的有機物成分［2］。生物質轉化技術將生物質原料轉化為固體液體或氣體形態的生物燃料提供給用戶。另一方面，轉化技術將生物質直接轉化為能量。這個章節包含三節：2.1節描述了將生物質轉化為固態燃料的物理轉化方法，2.2節涵蓋了三種重要的獲取各種生物質燃料的化學轉化方法，2.3節描述了兩種生物轉化的方法。

2.1 物理轉化方法：壓縮成型

未經過壓縮成型的生物質燃料存在譬如過快揮發，難以控制空氣供給的問題。在普通的鍋爐中難以解決這些問題，所以分散和過輕的生物質染發聊需要壓縮成型來講提高熱值進而加以充分燃燒利用。普通生物質壓縮成型的過程圖1所示［3］：

在鄉村地區有豐富的生物質資源，比如，稻草，谷殼。為了在燃燒生物質時不結渣，搜集這些生物質時防止土壤的混入非常重要。研磨是壓縮成型之前非常重要的一個步驟，大尺寸的原料像稻草需要研磨，而小尺寸的原料譬如谷殼只需要清除大尺寸的無關渣滓。在進行下個步驟之前，脫水會將濕度控制在10%-15%之間［4］。預壓是為了提高生產率。在預壓的過程中，加熱可以軟化原料中的木質素，這對粘合和使原料易于壓縮非常重要。切割和打包是產品銷售前的最后一步。這種壓縮成型的固體生物質燃料是煤炭的良好替代物，可以應用于供熱鍋爐，熱水鍋爐，小型發電機組。

2.2 化學轉化

生物質化學轉化技術對于高效利用生物質資源很重要。它主要包括四個方法：燃燒，熱解，氣化和液化。

（1）燃燒是將生物質轉化為能量的最普遍方式，它是可燃物和氧化劑之間的化學反應，釋放出劇烈的熱。獲取熱能是燃燒的主要目的。（2）熱解：熱解的產物范圍比較大：有固體，液體，氣體的生物質燃料。由操作條件可將熱解分為兩種。第一種是快速熱解，溫度高蒸汽停留時間短。燒蝕系統，流化床，攪拌床，真空熱解系統是這個處理過程中需要的組件。另一種是慢速熱解，它是對相對大的固體顆粒的舒緩加熱伴隨著更長的水蒸氣停留時間，溫度比快速熱解更低。在這個處理過程中，需要大的蒸餾器，攪拌鼓窯，旋轉窯和螺釘熱解器，而操作條件應該為了保持產品如氣體，焦油和焦炭的不變性而保持不變［5］。（3）氣化：煤和包括熱解過程中產生的各種氣體發生反應。然而，大部分參與反應的氣體是人工添加的。水蒸氣和氧氣在氣化過程中被用作反應物，同時反應產生了CO，H2，CO2，CH4和H2O。純氧氣比空氣更適合參與反應，因為空氣中混有太多的氮氣會造成燃料熱值的降低，水蒸氣會提升熱值因為它會增加燃料中氫氣的成分。在另一方面，二氧化碳協助在Ni/Al催化反應中將碳，焦油和甲烷轉化成氫氣和一氧化碳［6］。（4）液化：液化后主要有三種產物，生物燃油部分，燃氣部分和在溶劑中的固體部分（比如水）。整個過程的溫度在250-400℃之間，壓力在5-20MPa之間［7］。

2.3 生物轉化

主要有兩種方式：水解發酵和厭氧消化。生物乙醇是水解發酵的產品而生物燃氣是厭氧消化的產品。生物乙醇和生物燃氣的燃燒是潔凈環保的，因為燃燒產物只有水和二氧化碳。

水解發酵：富含糖分的木質纖維素生物質是這個處理過程的原料。在發酵之前需要進行預處理和酶法水解，預處理能夠破壞木質纖維素的物理化學結構，使纖維素更容易被酶所降解；酶法水解利用酶將預處理后的纖維素轉化為葡萄糖，為最后的發酵做準備。在發酵期間，微生物將葡萄糖轉化為生物乙醇。發酵有兩種方式：一次發酵和分批發酵。一次發酵中微生物被置于限定容積的媒介中，其發酵過程在糖分耗盡前不會停止。在分批發酵中，底物濃度將保持在低水平，新的介質會被加入以保持發酵的持續進行［8］。

圖1　普通生物質壓縮成型的過程

厭氧消化：利用微生物消化生物質并產生主要由甲烷和二氧化碳組成的生物燃氣的過程，有固態厭氧消化和液態厭氧消化兩種形式，比如厭氧消化的過程可以是木質纖維素生物質或大型海藻生物質。木質纖維素生物質是用于固態厭氧消化，固態厭氧消化在更高的有機負荷率和更高的容積沼氣生產率下相對有效，而木質纖維素在農業生產中有豐富的原料。厭氧消化有四個階段：水解，酸化，乙酸化和甲烷合成，合理的持續時間和各階段的反應速度對于保證系統的正常運行至關重要［9］。

3 生物質能的市場潛力

生物質能作為一種傳統石化燃料的替代品可以直接被運用于傳統的設備中作為燃料。而其他的像風能，水電，光伏等可再生能源只能先被轉化為電能之后再利用。生物質能來源于生物質，碳和氫這樣的化學元素可以從原料中提取，經過第二章提到的加工過程，生物質在熱機，鍋爐中充分燃燒再轉化為各種形態的能源，這是生物質能相對于其他種類可再生能源的優勢。

現有生物質成型燃料（BMF），生物燃氣（BGF），生物燃油（BOF）三種生物質燃料。作為一種固體燃料，BMF經過處理之后能夠直接被應用到工業設備中獲取能量。BGF是天然氣的良好替代品，BOF可以用來替代汽油［10］。生物乙醇和汽油的混合燃油已被證實可以減少溫室氣體的排放，從而緩解城市交通污染［11］。在中國，乙醇汽油已在各地加油站廣泛推行多年，隨著中國機動車保有量的連年增長，不僅生物燃油隨之擴大使用量，環境也會因此受到一定程度的保護。

中國就有豐富的生物質資源，大約2.61-3.51 billon tce/a，其中440-640 millon tce/a是可以利用的生物質原料，其中只有1.5-2.5%的生物質原料得到了利用，生物質原料的開發潛力是巨大的［12］。中國政府對生物質能發電進行補貼，比如2007年在內蒙古毛烏素修建的生物質直燃發電站就是以沙柳作為燃料的（Salix direct- fired power generation system，SDPGS）。盡管SDPGS需要政府的補貼以保證資金充足正常運行，但是其節能減排的作用是功效顯著的，在投資回收期結束之后，發電站將會使納稅人和政府在經濟上和生態環境上同時受益。在充足的生物質原料供應得到保證，電價補貼后合理的電價，未來的技術進步這些因素下，生物質能發電將有更好的應用前景［13］。

農村居民有足夠的空間修建提供自用的沼氣池，而且中國政府會對農村沼氣池用戶提供補貼，這種沼氣池系統收集廢物（比如排泄物）釋放的生物燃氣作為能源供給農戶炊用［14］。歐洲是發展生物質能良好的地區之一，2010年歐洲生物能的發展目標是6000PJ，歐盟的東擴也為歐洲的生物質能發展帶來了新的機遇，因為中歐和東歐地區富含農業生物質資源［15］。在意大利，意大利生物質能中心（Italian Biomass Centre）在意大利農村地區修建了分批沼氣池發電機組（batch digester plants），這些機組以農村的農業生產廢料和畜牧廢料作為原料來產生生物燃氣。這個項目是可回收成本的，因為安裝的這些機組不僅僅將電供給農戶使用，而且會將產生的部分電賣給電網，依靠電價補貼和市場價格獲取利潤［16］。

4 結語

總體來說，生物質能是一種利于可持續發展的可再生能源，能夠作為化石燃料的替代品，增加供能的選擇提升能源安全。同時，生物質能產生的價值可以為農村地區沼氣池用戶創收，減小城鄉差距［17］。就現階段來講，生物質能的利用技術還沒有化石燃料那樣成熟，將生物質原料轉化成生物燃油的成本高，對于發展中國家和農村地區，平衡利用生物質能和傳統能源很重要。

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