维普资讯 http://www.cqvip.com 第22卷第3期 2 0 0 7年9月 河北林果研究 Vo1.22 No.3 Sep.2007 HI |EI JOI瓜NAL OF F0RES1RY AND ORCHARD RESEARCH 文章编号:1007—4961(2007)03—0262—05 生物质能源的利用技术与开发对策 支乾坤 ,左春丽 ,赵会艳 ,杨文学 (1河北省木兰林管局,河北围场068450;2扬州工业职业技术学院,江苏扬州2251307) 摘要:生物质能源是十分重要的可再生能源,高效转化利用生物质能源对解决能源、生态环境问题将起到十分 积极的作用。世界各国尤其是发达国家都很重视生物质能源的研究与开发。本文概述了生物质能资源的类 型和特点以及国内外研究和开发进展,并从我国实际情况出发,提出研究开发前景和建议。 关键词:生物质;能源;研究;应用 中图分类号:TK 65 文献标识码:A Research and utilization of biomass energy ZHI Qian—kun ,ZUO Chun—li2,ZHAO Hui—yan ,YANG Wen—xue (1 Mulan Forestry Management Bureau fHeobei Province,Weichang 068450,Chia;n 2 Yangzhou College ofIndustrial Technology,Yangzhou 225007,China) Abstract:Biomass is all important part of renewable energy resource.Higl1 effective utilization and development of biomass enery has pgositive effects on solving enery agnd environment problems.In countires worldwide,especially in the developed countries,extra attentions have been paid to research and development of biomass.In this paper,sorts and characteristics of biomass energy resource,the progress of research and development in domestic and abroad are summarized.According to the situation in China,proposals on research and development prospect are put forward. Key words:biomass;energy;research;utilization 随着经济的发展和人民生活水平的提高,能源 短缺和环境污染日益成为困扰人类社会发展的主要 问题。按一前技术水平和2003年的开采量计算,石 油、煤炭和天然气分别可供开发41年、192年和 67年…。随着化石能源的无节制使用,环境问题变 植物种类丰富、幅员辽阔,有大量荒芜土地可以种植 能源作物;我国又是一个农业大国,每年至少产生数 亿吨的农作物废弃物。研究发展生物质能源产业, 符合我国资源、社会、环境和谐发展的战略需求和目 标。 得日益严重,如全球气温变暖、损害臭氧层、破坏生 态圈平衡、释放有害物质、引起酸雨等。因此,开发 和寻找新的替代能源已成为人类社会在21世纪必 须解决的重大课题,生物质能源可再生而不会枯竭, 同时起着保护和改善生态环境的重要作用,是未来 最重要的替代能源之一。 1 生物质能资源的类型和特点 1.1生物质能资源的类型 生物质种类繁多,是地球上分布最广泛的物质, 包括水生和陆生生物及其代谢产物,但是只有能够 作为能源用途的生物质才属于生物质能资源,其基 本条件是资源的可获得性和可利用性。按原料来源 生物质能是世界第四大能源,2004年亚洲、非 洲的大多数发展中国家,生物质能的消费量占全国 能源消费总量的40%以上;美国是工业化国家中消 耗生物质能最多的国家,生物质能约占美国能源总 分,则主要包括以下几类:①农业生产废弃物,主要 为作物秸秆;②薪柴、枝、r材和柴草;③农林加工废 弃物,木屑、谷壳和果壳;④人畜粪便和生活有机垃 量的4%;奥地利、瑞典和荷兰的生物质能消费占总 能源消费的比重分别为12%、18%和23% j。我国 收稿日期:2007—01—09;修改稿收期:2007—03—20 圾等;⑤工业有机废弃物,有机废水和废渣等;⑥能 源作物,包括所有可作为能源用途的农作物、林木和 作者简介:支乾坤(1978一),男,}q-lL兴隆人,助理』二程师,主要从事森林资源调查及规划设计工作。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第3期 水生植物资源等 J。 支乾坤等:生物质能源的利用技术与开发对策 挥发组分,将生物质转化成气体燃料比较容易实现; ⑤生物质燃烧后灰分少,并且不易黏结,可以简化除 1.2生物质能资源的特点 与化石燃料相比,生物质具有以下特点:①生物 质原料可再生,具有多样性和广泛性的特点。地球 灰设备;⑥生物质能量密度小,重量轻、体积大,属于 低品位能源,给运输和保存带来一定的难度 。 上每年生长的生物能总量达1 400亿~1 80o ̄L t(干 重),相当于目前世界总能耗的l0倍,资源开发潜力 十分巨大_4 ;②生物质是低碳燃料,燃用时产生的 2 生物质能源的利用技术 以前人类对生物质能的利用基本上是以直接燃 烧的方式利用它的热量。直到20世纪,特别是近 一C02,可被等量生长的植物光合作用所吸收,这就是 人们常说的实现温室气体的“零”排放,可以缓解日 益严重的“温室效应”;③生物质的s、N含量少,从 而可减少对环境造成的污染;④生物质的挥发份含 、二十年,人们普遍提高了能源与环保意识,对地 球固有的化石燃料的日趋减少有一种危机感,在可 再生能源方面寻求能源的持续供给,使生物质利用 技术的研究与应用有了快速的发展。生物质能的利 用技术如图1所示。 量高,容易燃烧,在400℃左右的温度下,大部分挥 发分可释出,而煤在800℃时才释放出30%左右的 图1生物质能利用技术 Fig.1 The utilization of biomass energy 图2我国南方“猪一沼一果”能源生态模式示意图 Fig.2 The energy ecosystem mode of“pig—biogas—fruit’’in southen China 2.1生物质直接燃烧技术 与煤的混合燃烧在国外研究的比较早,我国广州能 源研究所也在开展这方面的研究。 2.2沼气技术 直接燃烧是把生物质转换成能量所通用的基本 过程。燃烧过程所产生的热和蒸汽可用于发电,或 向需要的地方供热,如各种规模的工业过程、空间加 热、煮饭以及家庭供暖等。对城市来说,焚烧不但处 理了垃圾,还回收了部分能量,具有较好的发展前 沼气是有机物在厌氧和其他适:直条件下,经沼 气微生物分解代谢产生的以甲烷和二二氧化碳为主体 的混合气体。规模小的沼气池可以解决家庭用电和 燃气问题,并为农业生产提供肥料。大中型沼气工 景。目前的研究热点主要集中在提高燃烧效率上, 维普资讯 http://www.cqvip.com 河北林果研究 第22卷 程是指单体发酵容积大于50 m3或El产气量大于50 rn3,对于处理农业废弃物(禽畜粪污等)和城市生活 污水发挥很大作用。在我国南方地区,有523万农 户用上了“猪一沼一果”能源生态模式(见图2) J。 2.3生物质气化技术 生物质气化是在不完全燃烧条件下,将生物质 原料加热,使较高分子量的有机碳氢化合物链裂解, 变成较低分子量的CO、H2、CH4等可燃性气体,在转 换过程中需要加入气化剂(空气、氧气、水蒸气等)。 气化产生的可燃气可广泛用于炊事、采暖和作物烘 干,还可以用作内燃机、热气机等动力装置的燃料, 输出电力或动力。气化反应器有固定床、流化床和 旋转床3大类,目前的研究热点主要集中在循环流 化床气化和焦油的催化裂解处理上。 2.4生物质热解技术 生物质热解是指生物质在基本无氧气(与空气 隔绝)的情形下,通过热化学转换生成炭、液体和气 体产物的过程。由于目标产品的不同,通过控制反 应条件,生物质热解技术可以分为干馏制木煤气、制 炭和快速热解制生物油技术。生物质快速热解制取 生物油技术已成为国内外生物质能源利用技术研究 热点,生物 由在升温速率为1 000%/S以上时,热解 油的产率可以达到60%以上 。 2.5生物质液化技术 液化是指通过化学方式将生物质转换成液体产 品的过程。液化技术主要有间接液化和直接液化两 类。间接液化就是把生物质气化成气体后,再进一 步合成反应成为液体产品;或者采用水解法,把生物 质中的纤维素、半纤维素转化为多糖,然后再用生物 技术发酵成为酒精。直接液化是把生物质放在高压 设备中,添加适宜的催化剂,在一定的工艺条件下反 应,制成液化油,作为汽车用燃料,或进一步分离加 工成化工产品。这类技术是生物质能的研究热点。 3 国内外生物质能源的开发利用现状 3.1 国外生物质能源的开发利用 川 目前生物质能开发利用技术成为世界重点研究 课题之一,许多国家都制定了相应开发研究计划,如 日本的“阳光计划”、美国的“能源农场”、印度的“绿 色能源工程”和巴西的“酒精能源计划”等。 美国在生物质利用方面处于世界领先地位,有 350多座生物质发电站,主要集中在纸浆、纸产品加 工厂和其他林产品加工厂,据有关科学家预测,到 2010年生物质发电将达到13 000 MW装机容量;在 20世纪70年代研究开发了颗粒成型燃料,并研究 开发了专门使用颗粒成型燃料的炉灶,用于家庭或 暖房取暖,目前在北美有50万户以上家庭使用这种 专用取暖炉,颗粒成型燃料年产量达80万t;1995年 Hawaii大学和Vermont大学在国家能源部的资助下 开展了流化床气化发电工作,Hawaii大学建立了El 处理生物质量为100 t的工业化压力气化系统,Ver— mont大学建立了生产能力达到200 t/d的气化工业 装置,发电能力为50 MW。另外,美国每年以农村生 物质和玉米为原料生产乙醇约450万t,计划到2010 年,可再生的生物质可提供约5 300万t乙醇。 奥地利成功地推行建立燃烧木质能源的区域供 电计划,目前已有八、九十个容量为1~2 MW的区 域供热站,年供热10×109MJ。瑞典和丹麦正在实 行利用生物质进行热电联产的计划,1999年瑞典供 热和热电联产所消耗的能源中,26%是生物质能。 El本从20世纪40年始了生物质成型技术研 究,开发出单头、多头螺杆挤压成型机,生产棒状成 型燃料,其年生产量达25万t左右。20世纪70年 代末,巴西开始实施大规模的木薯和甘蔗制乙醇计 划,全国现有485个乙醇生产厂,年产乙醇137亿 升,有4O0万辆汽车采用纯乙醇燃料。欧洲近年来 大力开发生物柴油技术,在德国发展最为迅速,已经 形成近百万吨的生产能力,并制定了面向商业化应 用的扶持和技术标准等。美国、新西兰、日本、 德国和加拿大等国先后开展了从生物质制取液化油 的研究工作,将生物质粉碎处理后置于反应器内,经 化学反应转化为液化油,其发热量达3.5×104 kJ/kg 左右,用木质原料液化的得率为绝干原料的50%以 上。 3.2我国生物质能源的开发利用¨ 我国生物质能的应用技术研究,从“六五”计划 就开始设立研究课题,进行重点攻关,主要在气化、 固化、热解和液化等方面开展研究开发工作。我国 经过20多年的研究开发和示范推广,生物质能源的 应用已取得很大的进展。 中国林科院林化所从20世纪80年始研究 开发了以生物质为原料的上吸式气化炉,已先后在 黑龙江、福建、安徽、河北等地建成工业化装置,最近 又研究开发了锥形流化床气化系统,供乡镇居民生 活用气,气体热值为7 MJ/Nm左右。山东省能源研 究所研究开发了下吸式气化炉,主要适用硬秸杆类 农业剩余物的气化,从20世纪90年代在农村居民 集中居住地区得到较好的推广应用。广州能源研究 维普资讯 http://www.cqvip.com 第3期 支乾坤等:生物质能源的利用技术与开发对策 品拟作为柴油的替代品。 265 所开发了外循环流化床生物质气化技术,已完成了 目前国内最大的发电能力为5 MW的气化发电系 统。辽宁能源所与意大利合作引进了一套下吸式气 化炉发电装置,发电能力30 kW。国内有数十家单 位从事同类技术的研究开发,目前全国已建立400 4 我国生物质能发展对策 4.1加大技术开发力度 生物质能开发技术已有大量研究并取得 一系 列成果,但对于实现其市场竞争优势还远远不够 技术进步是生产效率提高的前提,是降低生物质能 余个秸杆气化集中供气系统,气体热值一般在4~ l0 U/Nm。 我国从20世纪50年始了稀酸常压、稀酸 加压、浓酸大液比的水解和纤维素酶水解的研究,并 在南岔水解厂建立示范工程,主要利用木材加:[剩 余物制取乙醇和饲料酵母,设计生产能力为年产 4 000 t乙醇,产生的木质素作为生产活性炭的原料。 国内还开展了研究生物质原料的高压蒸汽爆破预处 理技术、纤维素酶制备技术、大规模酶降解技术、戊 糖己糖同步乙醇发酵技术、微生物细胞固定化技术、 在线杂菌防治技术,以及副产品木质素的深度加工 利用技术等,但是这些技术还处于研究阶段。“十 五”期间开展了用木屑为原料,稀盐酸水解制备酒 精,水解木质素制备高吸附能活性炭的研究。乙醇 燃料生产已接近100万t,其中甜高梁制取酒精的技 术已初步具备商业化发展的条件,目前试产规模已 达到年产5 000 t。 我国生物柴油的制备技术开发始于20世纪90 年代末,本世纪初得到人们的重视。国内许多科研 院所和高校单位在植物油理化特性、酯化工艺、柴油 添加剂和柴油机燃烧性能等方面开展了初步试验研 究。中国林科院林化所研究了生物柴油和高附加值 的化工产品综合制备技术,使得生物柴油的加工利 用不仅技术上可行,而且经济上能够实现产业化。 另外利用城市垃圾油和其他的废弃油脂生产生物柴 油技术,在国内也已经开始实现产业化,在福建已经 建立年生产1万t的生产装置。北京化工大学研究 了生物技术法生成生物柴油技术,建立了200 t/年 中问试验设备。 我国的生物质固化技术开始于1985年,经过20 多年的开发,现在国内已经开发成功的有棒状和颗 粒状成型燃料生产技术,现已达到工业化生产规模, 主要是利用木屑为原料,棒状成型燃料已经建立有 数十家生产企业。颗粒成型燃料的研究开发也取得 较好的进展。 生物质快速热解制备生物油技术的研究,最近 5年也已经开始进行,但是目前仍然是实验室研究。 研究的生物质液体转化率只有50%左右,快速热解 温度600 ̄C,液体油的热值为22 000 kJ/kg左右,产 成本和加强市场竞争性的一项重要措施,凶此要加 大生物质能技术研究。由于生物质存在种类复杂多 样、分布分散和能量密度低等先天“劣势”,在开发高 品位能源时要比化石燃料复杂,如污泥和 £业废水, 除了采用燃烧技术和物化转化技术 还要采用生物 转化技术,因而需要对一些特殊转化技术进行深入 研究。 4.2提供扶持、法律保证和资金支持 的支持是事物良好发展的:垦要外部环境 生物质能作为目前能源领域的“弱势产业”更需要政 策的扶持,欧盟l5国生物质能的发展关键在于 的保证上。生物质能发展具有良好的生态环境效 益,而化石能源产生严重的环境污染,国家需要加大 环境立法,使产品造成的生态环境效应转化为货币, 体现到产品价格中去,这将增加生物质能源的:竞争 优势。此外,生物质能产业作为新兴绿色产业,需要 大量资金投入,在信贷、融资等方面都应该给生 物质能产业创造便利条件,甚至于倾斜 4.3重视多元开发模式 生物质分布分散,能量密度低,运输、处理等成 本高。在能源开发时应采用多样化利用模式,对于 农村地区分散现象可以采用沼气池、生物质气化集 中供气技术,对于大型污水处理厂等可以采用大 沼气工程等技术,具体情况需要具体分析;此外在生 物质能开发时要利用效益高的成熟技术,对于前景 广阔、不太成熟、效益不高的技术要加大研究力度, 可以进行示范。生物质能源化利用还将和生物质其 他一些用途产生冲突,不同用途问的分配量要进行 客观分析评价。 4.4坚持可持续性发展 生物质能开发利用不当会产生生态环境和社会 问题。以秸秆为例,当其大量离开农田系统,土壤肥 力会逐渐降低,土壤质量会不断退化,如果没有其他 有机物回补,农田将处于不可持续发展状态,因而秸 秆可离开农田量,或者秸秆离开农田,社会经济系统 如何回补农田系统,这些过程机理都需要深入研究。 对于能源作物,不同品种的耗水特性、生态适宜性以 维普资讯 http://www.cqvip.com
266 y 河北林果研究 第22卷 ;及与粮食安全的关系等等这些生态、社会问题都需 要进行深入细致研究。只有这样才能够避免生物质 电力,2003,20(5):l0一l6. [5]岳金方,应浩.工业木质素的热裂解试验研究[J].农业工程学 能开发过程中引发出其他生态环境和社会问题,从 而使生物质能的开发处于一种可持续发展状态。 报,2OO6,22(S1):125—128. [6]李景明.生物质能现状与发展[J].知识就是力量,2OO5,(11):l4 一l7. 5 总结 随着全球能源危机不断出现,以及化石能源大 [7]石元春.发展生物质产业[EB/ON].http://www.ca8.ac.cn/html/ Dif2005/03/2/05216.hun,2005—03—02. [8]孙孝仁.2l世纪世界能源发展前景[J].中国能源,2001,(2):19 越使用产生的生态环境问题,使得环境友好、资源丰 富的生物质能成为能源和生态环境领域研究的重 点。在生物质能的开发过程中,应加大技术研发,政 策扶持、法律保证、资金支持、开发模式和可持续评 价等方面的研究。在能源、生态环境和发展经济三 :k要素拉动下,生物质能在不远的将来一定会走向 能源的主流舞台,为解决能源短缺、生态环境恶化和 农民增收等问题做出巨大贡献。 参考文献: [1 j q ̄omas Korsfeldt,Zofia lazblin,Eva Centeno Lopez.Energy in Sweden 2OO4【RJ.Swedish Energy Agency Publications,2OO4. [2]张无敌,束洪川,孙世中,等.生物质能源转换技术与前景[J].新 能源,2OOO,22(1):l6—20. [3]袁振宏,吴创之.生物质能利用原理与技术[M].北京:化学工业 出版社,2005. [4 宋鸿伟,郭民臣.生物质气化发电技术发展状况的综述[J].现代 —20. [9]曾麟,王革华.世界主要发展生物质能国家的目的与举措[J]. 可再生能源,20O5,(2):53—55. [10]周中仁,吴文良.生物质能研究现状及展望[J].农业工程学报, 2005,21(12):l2一l5. [11]Chang J,DennisY C Leung,Wu C Z.A review onthe energy produc— tion,consumption,and prospect of renewable energy in China[J].Re— newable and Sustainable Energy Reviews,2003,(7):453—468. [12]蒋剑春.生物质能源应用研究现状与发展前景[J].林产化学与 工业。2002,22(2):75—80. [13]蒋剑春,应 浩.中国林业生物质能源转化技术产业化趋势 [J].林产化学与工业,2005,25(增刊):5—9 [14]周肇秋,马隆龙,李海滨,等.中国稻壳资源状况及其气化/燃烧 发电前景[J].可再生能源,2004,(6):7—10. [15]朱俊生.中国新能源和可再生能源发展状况[J].可再生能源, 2003,(2):3—8. (编辑郭丽娟)