２１世紀(jì)綠色能源——生物質(zhì)能

周廣森　原玉豐

摘要：目前，能源和環(huán)境問題已成為國際性熱點(diǎn)話題，引起人們的廣泛關(guān)注。開發(fā)新能源，替代石油、天燃?xì)夂兔禾窟@三種常規(guī)能源，已經(jīng)成為人類發(fā)展史上的緊迫課題。為此，在分析當(dāng)前能源緊張局勢以及環(huán)境保護(hù)緊迫性的基礎(chǔ)上，論述了開發(fā)新型清潔能源——生物質(zhì)能的可行性和利用技術(shù)，提出了我國生物質(zhì)能源發(fā)展的必要政策保證。

關(guān)鍵詞：一次能源；生物質(zhì)能；清潔能源；環(huán)境保護(hù)

０ 引言

人類社會發(fā)展到二十一世紀(jì)，能源與環(huán)境保護(hù)已成為限制社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要瓶頸。根據(jù)國際能源機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)，如果按目前的速度不加節(jié)制地發(fā)展下去，人類使用的主要能源（石油、天然氣和煤炭）的地球儲量供人類開采的年限分別只有40年、50年和240年。另外，此三種常規(guī)能源的使用方式所帶來的環(huán)境問題日益嚴(yán)重，表現(xiàn)為大氣污染、臭氧層破壞和溫室效應(yīng)加劇、自然災(zāi)害頻繁發(fā)生等。長期這樣發(fā)展下去將使自然界失去供養(yǎng)人類生存的能力。

1 生物質(zhì)能的提出與利用現(xiàn)狀

新能源和可再生能源技術(shù)是二十一世紀(jì)世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展中最具有決定性影響的五個技術(shù)領(lǐng)域之一。所謂新能源，是指區(qū)別于煤、石油、天然氣等常規(guī)能源的新能源，特點(diǎn)是可再生，一般為非碳能源。新能源包括太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽堋⑸镔|(zhì)能等一次能源以及二次能源中的氫能等。發(fā)展新能源已成為許多國家努力追求的目標(biāo)。在國際上，新能源和可再生能源技術(shù)越來越受到重視。

比如，美國國會在2000年通過了“生物質(zhì)研發(fā)法案”，2002年提出了《發(fā)展和推進(jìn)生物質(zhì)基產(chǎn)品和生物能源》報(bào)告以及《生物質(zhì)技術(shù)路線圖》，成立了“生物質(zhì)項(xiàng)目辦公室”和“生物質(zhì)技術(shù)咨詢委員會”。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國2001年生物質(zhì)能占能量供給的3％，并計(jì)劃2020年使生物質(zhì)能源和生物質(zhì)基產(chǎn)品較2001年增加20倍，在二十一世紀(jì)中葉利用可再生能源量要達(dá)到整個能源利用總量的1/3。歐盟自上個世紀(jì)90年代初就開始高度重視能源戰(zhàn)略，強(qiáng)調(diào)節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境，要求成員國積極加強(qiáng)可再生能源的研發(fā)和使用，并陸續(xù)出臺了多項(xiàng)能源發(fā)展計(jì)劃，將可再生能源研究列為歐盟第六個研究與技術(shù)發(fā)展框架計(jì)劃中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。按照歐盟的要求，到2010年可再生能源在電力市場上增長1倍，達(dá)到12％；到2020年生物質(zhì)燃料在傳統(tǒng)的燃料市場中占有20％的比例。

我國政府也一直關(guān)心新能源和可再生能源的開發(fā)利用，面對常規(guī)能源供應(yīng)日漸緊張的趨勢及其所帶來的環(huán)境危害，研發(fā)新的能源已成為能源科研工作者們的首要課題。但是，中國長期以來在能源規(guī)劃、分配和統(tǒng)計(jì)中，主要關(guān)注供城市使用的能源——電力的開發(fā)上（如利用風(fēng)能、海洋能等來發(fā)電），往往忽視了豐富的農(nóng)村可再生綠色清潔能源——生物質(zhì)能。生物質(zhì)能是蘊(yùn)藏在生物質(zhì)中的能量，是綠色植物通過葉綠素將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能而儲存在生物質(zhì)內(nèi)的能量，通常包括木材、森林廢棄物、農(nóng)業(yè)廢棄物、水生植物、油料植物、城市和工業(yè)有機(jī)廢棄物、動物糞便等。生物質(zhì)能具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢：一是用本地資源代替進(jìn)口能源，減少國家對進(jìn)口能源的依賴性; 二是使用能方式多樣化，減少對一種能源的依賴；三是用生物質(zhì)代替礦物燃料減少CO2排放，因?yàn)橹参锏墓夂献饔眯枰钠涫褂眠^程中釋放出的CO2; 四是生物質(zhì)資源分布廣泛，到處可以獲得，是能源分散供給體系的一種極佳能源。1

2 生物質(zhì)能利用新技術(shù)

隨著生物質(zhì)能的利用，能源作物的種植就引起人們的興趣。現(xiàn)在進(jìn)行了多類能源作物的研究，涉及技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、能源和環(huán)境等多個方面，從種植、收割到利用過程全面分析其作為能源的潛力。其技術(shù)路線為: 種植能源作物—收割—粉碎—存儲—?dú)饣獌艋l(fā)電。能源作物可分為木質(zhì)作物（用于供熱、小型電廠）、草本作物（供燃燒用）、含油種子作物（制造生物柴油）、高糖作物（制造乙醇）等。這些能源作物不但經(jīng)濟(jì)效益高，而且適于在我國的任何地區(qū)生長，從而可以增加農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)收入，解決種田效益低、農(nóng)民不愿耕種土地等問題。生物質(zhì)能的主要利用方式有致密成型、聯(lián)合燃燒、聯(lián)合氣化、化學(xué)轉(zhuǎn)換等。

2.1 致密成型

生物質(zhì)的能量密度低、體積大，在我國農(nóng)村地區(qū)生物質(zhì)的燃燒還是以傳統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)化形式為主，效率很低，一般在15%-20%左右。若大量的集中使用和運(yùn)輸，會大大增加其成本。生物質(zhì)秸稈的致密成型，將會很好地解決其體積大和利用效率低等問題。其方法是以農(nóng)作物廢棄物（秸稈）為主要原料，經(jīng)粉碎、揉搓、高壓軋制成塊狀燃料。目前市場上軋制方式一般采用液壓式和螺旋式兩種，生物質(zhì)經(jīng)過致密成型后具有比重大、熱效率高、燃燒好、成本低、使用方便、潔凈衛(wèi)生等優(yōu)點(diǎn)，可替代薪柴、煤、液化氣，廣泛用于生活爐灶、取暖爐、烘干爐等。

2.2 聯(lián)合燃燒

生物質(zhì)的致密成型雖然解決了生物質(zhì)的能量密度低、體積大等問題，但是由于其致密成型成本高而不適于大型生物質(zhì)發(fā)電廠。所以，在大型燃煤電廠，一般將生物質(zhì)與礦物燃料進(jìn)行聯(lián)合燃燒。它不僅為生物質(zhì)和礦物燃料的優(yōu)化混合提供了機(jī)會，同時許多現(xiàn)存設(shè)備不需太大的改動，使整個投資費(fèi)用降低，更積極的影響是大型電廠的可調(diào)節(jié)性大，能適應(yīng)不同混合燃燒，使得燃燒裝置能適應(yīng)當(dāng)?shù)厣镔|(zhì)的特點(diǎn)。值得注意的是，聯(lián)合燃燒中生物質(zhì)的份量不能太多。如使用含氯生物質(zhì)（秸稈、稻草等）燃燒時，當(dāng)熱交換器表面溫度超過400℃，會產(chǎn)生高溫腐蝕現(xiàn)象——生物質(zhì)燃燒生成的堿會使煤電廠中脫硝催化劑失活。總之，利用生物質(zhì)發(fā)電不僅是能源計(jì)劃的內(nèi)容，而且對社會和經(jīng)濟(jì)都有重要影響。

2.3 聯(lián)合氣化

傳統(tǒng)熱解氣化過程中產(chǎn)生的焦油會對管道、灶具、燃?xì)馔钙康仍斐啥氯⑽廴竞透g。而聯(lián)合氣化是將生物質(zhì)及其他廢棄物與煤粉按一定比例混合在循環(huán)流化床內(nèi)進(jìn)行氣化，焦油濃度低。其優(yōu)點(diǎn)：一是減少生物質(zhì)原料供應(yīng)受季節(jié)因素的影響。二是在大型煤氣化爐中進(jìn)行聯(lián)合氣化，可解決生物質(zhì)規(guī)模利用問題。三是可解決劣質(zhì)煤的應(yīng)用問題。劣質(zhì)煤有機(jī)組分低，不能維持氣化自供熱過程，單獨(dú)氣化很困難，生物質(zhì)具有低灰分、低硫分、高揮發(fā)性和高活性的固定碳，與煤混合氣化非常有效。四是聯(lián)合氣化后產(chǎn)生焦油等有害物質(zhì)少。進(jìn)一步研究表明，在特定的加壓流化床中，對木材和煤進(jìn)行聯(lián)合氣化，由于反應(yīng)活性的增加，灰中的炭含量減少，氣體產(chǎn)量比單獨(dú)氣化木材和煤都高。

2.4 化學(xué)轉(zhuǎn)換

生物質(zhì)的化學(xué)轉(zhuǎn)換包括熱化學(xué)轉(zhuǎn)化和生物化學(xué)轉(zhuǎn)化。

熱化學(xué)轉(zhuǎn)化是指在一定溫度和條件下，使生物質(zhì)氣化、炭化、熱解和催化液化，以生產(chǎn)氣態(tài)燃料、液態(tài)燃料和化學(xué)物質(zhì)的技術(shù)。生物質(zhì)液化就是生物質(zhì)在極高的加熱速度下裂解(1000～10000℃/s)，可最大限度地得到液體產(chǎn)物。其中基本不含灰分及硫等對環(huán)境有害的物質(zhì)，可直接作為燃料使用。

生物化學(xué)轉(zhuǎn)換包括生物質(zhì)棗沼氣轉(zhuǎn)換（秸稈沼氣）和生物質(zhì)棗乙醇轉(zhuǎn)換（秸稈乙醇）。沼氣轉(zhuǎn)換是有機(jī)物質(zhì)在厭氧環(huán)境中，通過微生物發(fā)酵產(chǎn)生一種以甲烷為主要成分的可燃性混合氣體，即沼氣。乙醇轉(zhuǎn)換是利用糖質(zhì)、淀粉和纖維素等原料經(jīng)發(fā)酵制成乙醇。沼氣轉(zhuǎn)換在中國的適用面很廣，適于我國農(nóng)民眾多的國情，尤其適合于南方地區(qū)。不僅解決了農(nóng)民的做飯燃料問題、而且還用于生活照明、農(nóng)田灌溉等。目前生物質(zhì)制取乙醇在替代汽油方面也取得了佳績。以目前全國汽車擁有量計(jì)算，加入10％乙醇作替代后，每年可節(jié)約汽油3600萬t和轉(zhuǎn)化糧食數(shù)千萬t，從而可減少燃油進(jìn)口開支7億多美元，而且能夠使農(nóng)民增收百億元，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益非常可觀。另外，乙醇汽油潔凈度高，可明顯降低大氣污染，真正實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

3 我國開發(fā)利用生物質(zhì)能具有廣闊前景

我國雖然地大物博，但由于人口眾多，導(dǎo)致人均資源占有量很少，經(jīng)濟(jì)增長與資源短缺的矛盾十分突出。尤其是在經(jīng)濟(jì)進(jìn)入新一輪快速發(fā)展的大背景下，能源危機(jī)已日益顯現(xiàn)并成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，資源高消耗和技術(shù)水平相對較低必將帶來污染物的高排放。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國單位GDP氮氧化物排放量分別是日本的27.7倍、德國的16.6倍、美國的6.1倍；單位GDP二氧化硫排放量是日本的68.7倍、德國的26.4倍、美國的6倍。所以，能源的多元化、可持續(xù)與環(huán)境友好已是大勢所趨，開發(fā)利用生物質(zhì)能將為我國提供一次歷史機(jī)遇，具有廣闊的發(fā)展前景。

首先，生物質(zhì)能在中國具有很大的發(fā)展?jié)摿ΑＮ覈且粋€生物物種繁多的大國，擁有相當(dāng)可觀的生物資源總量。據(jù)農(nóng)業(yè)年鑒統(tǒng)計(jì)，我國年產(chǎn)7億多t作物秸稈，2億多萬t農(nóng)林廢棄物，25億多t畜禽糞便及大量有機(jī)廢棄物，以及1億多公頃不宜開墾農(nóng)田（但可種植高抗逆性能源植物的邊際性土地）。這些農(nóng)林廢棄物和邊際性土地，對生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)而言，是一筆相當(dāng)寶貴的資源。就資源總量而言，農(nóng)村廢棄物可年產(chǎn)出相當(dāng)8億t標(biāo)準(zhǔn)煤的能量（相當(dāng)于目前全國年商品能源消費(fèi)量的70％）；邊際性土地種植能源植物可年產(chǎn)出相當(dāng)6億t燃油的能量（相當(dāng)于目前全國石油年消費(fèi)量的1倍）。

其次，生物質(zhì)的有效利用有利于解決我國石油短缺問題和保障國家能源安全。由于國內(nèi)能源需求將持續(xù)增長，我國對國際石油資源的依存度達(dá)50％，這對我國能源安全構(gòu)成很大影響。所以，為實(shí)現(xiàn)能源多元化、清潔化供給，應(yīng)當(dāng)努力擴(kuò)大生物質(zhì)能源的供給途徑，積極調(diào)整能源產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，以減少石油對外依存度，降低受制于人的危險(xiǎn)，確保我國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和人民生活可持續(xù)改善，從某種程度上說。這是保障我國能源安全和國家安全的大戰(zhàn)略。

第三，有利于減少環(huán)境污染和促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。從長遠(yuǎn)發(fā)展戰(zhàn)略來看，這將是我國啟動循環(huán)經(jīng)濟(jì)的開始，貫徹科學(xué)發(fā)展觀的一條途徑。做好生物質(zhì)能的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化工作，將減少使用化石燃料造成的環(huán)境污染。因?yàn)槭褂蒙锶剂暇凭蜕锊裼团欧诺牡趸铩⒖晌腩w粒和二氧化碳較少，而二氧化碳通過光合作用，又能被能源作物所吸收，從而實(shí)現(xiàn)能源的可再生和二氧化碳的封閉循環(huán)。同時，農(nóng)林生物質(zhì)資源可以生產(chǎn)全降解的生物基塑料，替代不可降解的石油基塑料，由此保護(hù)耕地肥力和根治白色污染。此外，發(fā)展生物質(zhì)能源還可以充分利用各種有機(jī)廢棄物，從而減少生物垃圾對城鄉(xiāng)的環(huán)境污染。

第四，有利于發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟(jì)和提高農(nóng)民收入。利用農(nóng)林廢棄物和邊際性土地生產(chǎn)出的能源作物為原料，生產(chǎn)出高附加值的能源及生物化工產(chǎn)品，既解決了我國部分農(nóng)村剩余勞動力就業(yè)問題，又增加了農(nóng)民收入。

總之，生物質(zhì)能的綜合利用具有高效、節(jié)能、安全和環(huán)保等綜合效益，為可再生能源的開發(fā)利用提供了一條新的途徑，有效地改善了能源結(jié)構(gòu)，緩解了能源短缺帶來的壓力，是一項(xiàng)利國利民的工程。

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