我國生物質轉化技術應用現狀及展望

張國平,王永豪

(國能滎陽熱電有限公司,河南滎陽 450100)

進入21世紀以來,隨著經濟的高速發展,我國面臨化石能源枯竭、生態環境惡化、能源安全無法保障等一系列問題。可再生能源作為能源發展戰略的重要組成部分,也是未來傳統能源轉型和新能源探索的重要發展方向。作為世界公認的繼煤、油、氣后第四大能源庫,生物質能源的應用呈持續增長趨勢。生物質(biomass)是指利用大氣、水、土地等通過光合作用而產生的各種有機體,包括所有的動植物和微生物。生物質能則是太陽能以化學能形式儲存在生物質中的能量形式,它一直是人類賴以生存的重要能源之一[1]。中國是一個農業大國,生物質資源豐富。據統計,我國每年生產超過6億t的秸稈,其中約4億t可用作能源燃料;林業生物質資源量約為190億t,其中可提供的能量約為3億t,生物質能發展潛力巨大。我國提出在“十四五”期間重視對生物質能源的資源化利用,取得生物質能源在發電、供暖、天然氣和液體燃料等領域的關鍵性技術研究突破。生物質轉化技術主要包括物理化學轉化技術、生物化學轉化技術及熱化學轉化技術,每一種技術都以其獨特的優勢在生物質高值化利用中占據地位[2-4]。目前,雖然關于生物質轉化利用技術的文獻較多,但關于不同生物質轉化技術的運行原理、現存缺陷及每種技術的應用現狀及存在的問題等方面的文獻較少。基于此,該研究對現有生物質轉化技術進行總結,并對其應用現狀進行分析,提出建議,以期為促進生物質利用提供思路。

1 我國生物質轉化技術

1.1 熱化學轉化技術生物質熱化學轉化主要包括氣化、熱解和液化,通過各自不同的技術手段、嚴格的試驗條件、高效的反應器等得到不同的目標產物。生物質氣化技術是在高溫、空氣、水蒸氣等條件的作用下,使生物質大分子化合物發生熱解、氧化、還原、重整等一系列反應,進而獲得含CO、H2和CH4等組分的氣體。該過程根據反應溫度和產物不同,可以分為干燥、熱解、氧化和還原4個階段;按照不同的分類方式有不同的氣化種類(表1)[5]。從產品角度來看,除了有用的氣體組分以外;還有焦油、灰分、水分等,所以產品氣需要凈化后才能使用。水分和灰分的處理比較容易,而焦油的處理是生物質氣化技術應用的一大難題。目前焦油的處理方式主要分為物理和化學法[6]。

表1 生物質氣化技術分類

生物質熱裂解技術是在無氧或缺氧的條件下,通過高溫手段切斷大分子有機物、碳氫化合物,使之轉變成為含碳數更少的低分子,最后生成各種較小的分子[7]。熱解過程可得到液、氣和固三相產物,產物的分布可通過控制工藝類型和反應工況來實現,如溫度、反應時間、加熱速率等(表2)。在生物質熱解過程中,反應器的類型極其重要,它決定了熱量的供給方式和熱解反應進行的程度,也決定了最終產物的分布。目前,常見的熱解反應器有固定床反應器、鼓泡流化床、循環流化床等;另外,還衍生出一系列的改良式反應器,如內循環串行流化床反應器、旋轉錐反應器、螺旋反應器等[8]。

表2 熱解工藝類型及產物分布

生物質液化技術是生物質原料經過干燥和粉碎,在中溫(500～600 ℃)、高加熱速率(104～105K/s)、極短停留時間(2 s)及無氧或少氧的條件下,將生物質直接熱解得到的中間液態產物分子在斷裂生成氣體之前經過快速冷卻得到生物油的過程。該過程一般包括原料預處理、進料裝置、熱解反應器、熱解產物氣固分離、熱解氣冷卻與生物油收集等[9-10]。同時,反應器也是核心點,幾種反應器的優缺點見表3[11]。

表3 不同類型反應器的優缺點

綜上所述,隨著對生物質能利用的日益重視,生物質轉換技術也日益成熟,生物質熱化學轉化技術可作為生物質利用的重要途徑。

1.2 生物化學轉化技術生物化學轉化技術指的是在微生物的作用下,對生物質原料進行加工處理,使其轉化成氣體燃料和液體燃料等工業所需的能源,主要是指厭氧發酵技術。厭氧發酵過程本質上是微生物的培養、繁殖過程,原料既是產生沼氣的底物,又是厭氧發酵細菌賴以生存的養料來源[12]。首先經細菌作用將生物質分解得到的有機廢水置于厭氧反應器內發酵為有機酸、醇、H2、CO2等產物;然后由產氫、產乙酸菌將有機酸和醇類代謝為乙酸和氫,最后由產CH4菌將乙酸和H2、CO2等轉化為CH4;其中CH4的體積分數為55%～65%,CO2氣體混合物的體積分數為30%～40%[7]。影響該過程的因素包括溫度、pH、底物濃度、物料停留時間、攪拌轉速和金屬離子等[13]。厭氧發酵制氫被認為是更具有發展潛力的生物質資源生物轉化制氫方式。研究者從產氫的機理、細菌的選育、細菌的生理生態學、生物制氫反應設備的研制等方面進行了大量研究[14]。

1.3 生物質發電技術我國常見的生物質發電技術有生物質直燃發電、燃煤耦合生物質發電、生物質氣化發電和生物質沼氣發電,目前我國的生物質發電以直燃發電為主,該技術起步較晚但發展非常迅速,主要包括農林生物質發電、垃圾焚燒發電和沼氣發電[15]。

生物質燃燒發電是我國生物質能源利用的主要方式,包括直接燃燒法和混合燃燒法(圖1)。目前,我國生物質發電以直接燃燒為主并且技術已經趨近完善,單機容量可達15 MW[16]。我國的生物質燃燒發電總裝機容量從2016年的12.1 GW增長到2019年的22.5 GW,連續3年增幅超20%[7]。截至2020年,我國生物質燃燒發電總裝機容量已達到29.52 GW,連續3年位列世界第一[17]。生物質氣化發電是指先將生物質原料轉化為可燃氣,再送往燃氣機內進行燃燒發電的技術[18]。該技術不僅可以緩解能源危機,還能解決環境污染問題。近年來,流化床氣化爐和內燃機結合的氣化發電系統是目前我國應用較為廣泛的發電系統,該系統采用內燃機系統,降低了對燃氣雜質的要求和系統成本,并已在東南亞國家推廣應用,取得了顯著的經濟和社會效益。沼氣發電作為一種新興的利用技術逐漸被發展,其原理是通過厭氧發酵處理技術對工業、農業和城鎮生活中的有機廢棄物進行高效處理,再對產生的沼氣加以利用驅動發電機發電,即首先利用氣體收集系統完成氣體收集,隨后氣體進入凈化加壓系統預處理,最后沼氣引擎發電機組與控制系統氣體完成發電并由電力輸出系統輸出[19]。沼氣生產是利用生物質生產能源載體和實現多種環境效益的有效手段,該技術的成熟發展對于改善和維護區域生活環境、促進當地經濟發展和農民增收、實現能源的循環利用具有重要意義。

圖1 生物質燃燒發電工藝流程

因此,充分利用傳統的生物質轉化技術,開發生物質高質化利用的新技術,將生物質資源轉化為高附加值的能源化產品、化學品、燃料,對于建立可持續發展的能源體系,促進社會和經濟的發展及改善生態環境具有重要意義。

2 我國生物質轉化應用現狀

2.1 生物質發電生物質能發電是生物質的主要利用形式,最早的生物質能發電產業可追溯到丹麥的BWE公司,1973年開始研究生物質直接發電技術[20]。20世紀80年代開始,歐美各國的生物質能發電產業進入了高速發展時期[3,21]。為推動生物質能發電,我國發布了一系列生物質能利用政策,包括《生物質能發展“十三五”規劃》《全國林業生物質能發展規劃(2011—2020年)》等,并通過財政直接補貼的形式加快其發展。目前,我國生物質能發電技術產業的發展勢頭迅猛,未來前景廣闊。2015—2020年累計裝機量和年發電量的年均增長率分別為23.4%和20.6%。據泛能源大數據與戰略研究中心及《中國生物質發電產業排名報告2019》的數據顯示,農林生物質發電項目主要集中在農作物豐富的華北、東北、華中和華南地區;截至2019年底,全國已投產生物質能發電項目1 069個,生物質發電項目數排名前6位的省份是山東、河南、安徽、浙江、廣東和江蘇,分別為139、93、88、86、83和77個,這6個省份的生物質能發電項目分布情況如圖2[22]。2022年一季度生物質發電新增裝機87萬kW,新增裝機排名前5位的省份是黑龍江、遼寧、江西、貴州和廣西(圖3a);生物質發電累計裝機達3 883萬kW,累計裝機排名前5位的省份是山東、廣東、江蘇、浙江和黑龍江(圖3b);生物質上網發電量450億kW·h,發電量排名前6位的省份是廣東、山東、浙江、江蘇、安徽和河南(圖3c)。綜上,生物質發電累計裝機量和生物質上網發電量呈現良好態勢,新增裝機容量呈現沿海帶動內陸,共同促進經濟發展的趨勢。經預計,到2025年,全社會用電量為8.79萬億kW·h,可再生能源發電量為2.81萬億kW·h,可再生能源發電量占全社會用電量比重將達到32%左右,生物質能年發電量將占可再生能源發電量的11.5%;到2050年,可再生能源占一次能源消費比重將達到50%左右,可再生能源發電量占全社會用電量比重將達到70%左右,生物質能發電量約為3 235億kW·h,較2019年的1 111萬kW·h實現翻番。生物質能發電發展前景較好,發展空間巨大。

注:每個綠色圓形圖標表示1個生物質發電項目。

圖3 2022年生物質發電裝機容量及上網情況

2.2 生物質燃料化技術

2.2.1生物質液體燃料。生物質液體燃料因性能接近傳統石化燃料,燃燒時碳排放相對較低,原料來源廣泛等獨特優勢,在未來能源體系中承擔著助力石油產品碳減排、補充石油需求、提高國家能源安全水平的角色[23]。2020 年全球生物燃料(主要為燃料乙醇和生物柴油)總產量為 6.1×108桶,消費地區主要集中在美國、巴西、印度尼西亞、中國、德國、法國等國家(圖4)[24]。由生物質獲取的液體燃料的形式主要包括燃料乙醇、生物柴油和生物航煤等,燃料乙醇和生物柴油的制備技術及應用狀態見表4[25]。

圖4 2020年全球生物質液體燃料消費主要分布情況

表4 生物質氣體燃料的制備技術及應用狀態

在新冠肺炎疫情及多重因素的影響下,燃料乙醇在全球范圍內的開發和利用呈現明顯的不對稱性,美國、巴西是燃料乙醇產業規模最大的國家,占全球燃料乙醇產量超過80%;此外,還包括歐盟、中國、印度、加拿大等(圖5)。在“30·60”雙碳目標及相關重大舉措加速推進的背景下,生物燃料乙醇作為我國戰略性新興產業,受到越來越多的關注。截至2019年底,已有13個省(區、市)試點推廣E10乙醇汽油,乙醇汽油消費量約占同期全國汽油消費總量的20%。目前,我國生物燃料乙醇已實現部分汽油替代,為綠色交通提供了支撐。根據統計,2020年我國燃料乙醇產量達到274萬t(約33億L),占全球產量的3%。2021年7月,國家能源局印發《2021年能源工作指導意見》明確提出,要加快推進纖維素等非糧生物燃料乙醇產業示范,指出了發展纖維素燃料乙醇將是生物燃料乙醇的重點方向。如今,我國第2代乙醇生產技術的年生產能力處在1萬～10萬t的中試規模,而國內在建或籌建的生物燃料乙醇項目仍以第1代和第1.5代技術為主。表5為我國主要的生物燃料乙醇生產企業[26]。

注:數據來源于PEA。

表5 我國主要生產生物燃料乙醇的企業、原料品種及產能

生物柴油作為一種綠色能源,具備環保與減排性能好、可再生等特性,一般與化石柴油摻混使用。我國生物柴油行業在2014—2021年整體上實現了快速發展,行業產能持續走高。2021年中國生物柴油產量約150萬t,表觀需求量為38.2萬t,技術水平總體處于世界前列,是目前世界上最主要的生物柴油生產和出口國。另外,生物航油具有與化石航煤組成相似、性能接近、減排貢獻大,與發動機和燃油系統兼容性好等優點,被認為是實現航空業CO2減排最有效的手段,也是發展最快的生物液體燃料之一。自2009年以來,生物航煤制備技術持續進步,相關產業快速發展。截至目前,有幾十家航空公司使用了生物航油,并積極參與投資生物航油的生產,我國早在2009年之前就陸續布局開展相關研究。

2.2.2生物質氣體燃料。生物質氣體燃料主要包括生物合成氣、生物沼氣及生物氫氣,生物質氣體燃料的制備技術及應用見表6[25]。據統計,我國每年的沼氣產量為143億m3,相當于2 160萬tce,可減少CO2排放量超過5 260萬t[27-28]。利用秸稈沼氣等項目都是沼氣作為能源供應模式的常見實例。生物質合成氣經過提純和凈化之后與高品質的天然氣相當,可滿足城市燃氣的需求。生物制氫是當前較為熱門的制取氫氣技術,具有清潔高效、原料來源廣的特點,被認為是具有前景的新型氫源[29]。此外,伴隨氫燃料電池汽車的推廣,生物制氫技術的研發在全球范圍內得到高度關注[30]。亞化咨詢《中國加氫站項目數據庫》顯示,截至2021年12月,中國已建成、規劃中和建設階段的加氫站超過300座[31]。隨著技術水平的提升以及政策的開放,我國加氫站正朝著大規模、高加注壓力、制加氫一體化、“油氣電氫”綜合能源站、液氫站等方向發展。可以預見,隨著我國節能減排理念的不斷深入,國家對于此類的資源循環技術的扶持力度也會不斷加大,進而推動整個行業的技術發展和進步,改變當前能源結構,將生物質能源的高值化利用視為改善生態環境的重要途徑,提升生物質資源的使用效率。

表6 生物質氣體燃料的制備技術及應用狀態

綜上所述,我國生物質能利用目前仍處于初級階段。生物質發電裝機容量居世界第一,處于國際領先水平。生物質液體燃料方面,雖然自2019年來發展迅速,但與美國等發達國家相比仍差距較大,屬于跟跑階段,隨著碳中和目標的提出,生物質液體燃料迎來了飛速發展階段。生物質氣體燃料方面,沼氣利用水平仍然落后于歐洲國家,開發利用水平較低,生物質制氫技術還處于基礎研究階段。

3 結論與展望

以生物質轉化技術及應用為重點,綜述了生物質熱化學轉化技術、生物化學轉化技術、生物質發電技術的原理及過程。其中,熱化學轉化技術作為生物質轉化技術研究的熱點,主要包括熱解、液化及氣化等,生物轉化技術以發酵制氫為主,生物質發電技術以直燃發電為主。通過分析生物質轉化技術在我國的應用情況發現,生物質作為能源的主要應用方式是生物質發電和制備生物質燃料。生物質發電已超預期目標,裝機容量達全球領先地位,有力推動了我國實現碳達峰目標與碳中和愿景;生物質液體燃料因其性能接近傳統石化燃料,燃燒時碳排放相對較低,原料來源廣泛等獨特優勢,在未來能源體系中承擔著助力石油產品碳減排、補充石油需求、提高國家能源安全水平的角色,尤其生物航油是航空業實現CO2減排最有效的手段;生物質氣體燃料制備合成氣和制氫技術被認為是較有前景的新型氫源。對我國生物質轉化及應用方面的政策及標準進行了簡單梳理發現,我國政府高度重視生物質“凈零排放”的理念及在其中的作用。隨著生物質能產業發展政策的完善,技術水平的進一步提高,生物質能多元化開發利用或將迎來蓬勃發展的新機遇。

自2019年以來,我國頒布了一系列文件與規劃助力生物質快速發展,主要集中在生物柴油、生物燃料乙醇、生物質清潔取暖、生物質發電、生物質制氫、生物質液體燃料等行業。但由于多重因素的影響,還要針對當前的形勢,采取“對癥下藥”的策略,沼氣厭氧發酵的研究應用應集中在多元物料的協同發酵及燃氣提純凈化技術的研究方面,生物質氣化發電技術應針對氣化效率低、焦油難處理等問題進行突破,生物質熱解氣化技術應以提高有效產氣成分的產率、減少氣化過程中焦油產量以及改善氣化條件和新型廉價高效催化劑的設計和研發等作為未來研究的主要方向,燃料乙醇產業的發展必須立足于“不與民爭糧、不與糧爭地”的原則,繼續優化各關鍵過程技術,不斷提高生產效率,降低生產成本[32]。