秸稈生物質能源的應用現狀與前景

生物質是指利用大氣、水、土地等通過光合作用而產生的各種有機體。農作物秸稈是生物質的一個重要組成部分，是當今世界上僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源[1]，在世界能源總消費量中占14%，預計到本世紀中葉，采用新技術生產的各種生物質替代燃料將占全球總能源的40%以上[2]，如何讓秸稈生物質能源發揮最大的效益，是科學家們重點關注和研究的課題。

1 秸稈生物質利用的現狀

秸稈生物質具有多功能性，可作為燃料、飼料、肥料、生物基料和工業原料等。秸稈生物質利用主要有三個方面：一是種植(養殖)業綜合利用秸稈：秸稈快速腐熟還田、過腹還田和機械化直接還田、生產優質飼料和食用菌。二是秸稈能源化利用：秸稈生物氣化(沼氣)、熱解氣化、固化成型、炭化、纖維素制燃料乙醇。三是以秸稈為原料的加工業：生產非木紙漿、人造板材、包裝材料、餐具等產品，以及秸稈飼料加工業和秸稈編織業[3]。

1.1 國內現狀

我國農民對作物秸稈的利用有悠久的歷史，秸稈除少量用于墊圈、喂養牲畜，部分用于堆漚肥外，大部分都作燃料燒掉。但隨著省柴節煤技術的推廣，燃煤和液化氣的普及，秸稈大量富余。我國是世界上最大的農業生產國，纖維素生物質資源豐富，總量在12億t以上[4]。目前，農村秸稈綜合利用率僅達到28．7%，與國家《秸稈焚燒和綜合利用管理辦法》中的年利用率達到60%，力爭到2015年秸稈綜合利用率超過80%的目標要求有很大差距[5]。自20世紀80年代以來，我國生物質能發展迅速，具體表現在：生物質發電從無到有;沼氣建設一路高歌;燃料乙醇產量躍居世界第三;生物柴油困境中尋求突破，得以快速發展[6]。

1.2 國外現狀

國外生物質能技術開發是從20 世紀70 年代末期開始的, 現在已有了很大進展[7]。秸稈直燃發電的先進設備已投放市場，熱解氣化技術也飛速猛進，燃料乙醇等多項技術裝備已進入規模化和商品化階段。

丹麥是世界上最早使用秸稈發電的國家。丹麥首都哥本哈根以南的阿維多發電廠建于20世紀90 年代，是全球效率最高、最環保的熱電聯供電廠之一，每年燃燒15萬t秸稈，可滿足幾十萬用戶的供熱和用電需求。

在加拿大首都渥太華以北的農業區,每年在收割季節，玉米收割機一邊收割一邊把玉米稈切碎，切碎的玉米稈作為肥料返到田里。

在日本，主要有兩種秸稈處理方式：混入土中作為肥料，或作粗飼料喂養家畜。近年日本地球環境產業技術研究機構與本田技術研究所共同研制出從秸稈纖維素中提取酒精燃料的技術, 向實用化發展。

秸稈在美國的用途很廣，可作飼料、手工制品，還用來蓋房。有關秸稈與纖維素乙醇的提煉問題，則是秸稈綜合回收利用在美國的最新進展[8]。

2 秸稈生物質的能源化應用

國內外生物質能利用技術經過20多年的研究和發展，其能源化應用主要有：已經普及的節能灶、小沼氣；處于示范、推廣階段的厭氧處理糞便和秸稈氣化集中供氣技術；處于中試階段的生物質能壓制成型及其配套技術；正在研究中的纖維素原料制取酒精、熱化學液化技術、供熱發電和燃氣催化制取氫氣等。可提供的能量主要有電能、熱能和交通能源。

2.1 電能

生物質能發電主要有兩條工藝技術路線，即氣化發電和直接燃燒發電。

世界各國高度重視秸稈發電項目的開發，將其作為21世紀發展可再生能源的戰略重點和具備發展潛力的產業。丹麥已建有130多座秸稈發電站，秸稈發電等可再生能源已占該國能源消耗總量的24%，丹麥BWE發電技術也在西班牙、英國、瑞典、芬蘭、法國等國投產運行多年，其中英國坎貝斯的生物質能發電廠是目前世界上最大的秸稈發電廠，裝機容量3.8萬kW；其它如日本的“陽光計劃”、美國的“能源農場”，美國有350座生物質發電站，總裝機容量達7000 MW，提供了大約6.6萬個工作崗位，2010年美國生物質能發電達到13 000 MW裝機容量；印度有“綠色能源工廠”等，秸稈發電技術已被聯合國列為重點項目予以推廣。我國的秸稈發電技術雖然起步較晚，但發展較快，國內在建農作物秸稈發電項目136個，分布在河南、黑龍江、遼寧、新疆、江蘇、廣東、浙江、甘肅等多個省市。根據我國新能源和可再生能源發展綱要提出的目標和國家發改委的要求[9]，至2020年，五大電力公司清潔燃料發電要占到總發電的5% 以上，生物質能發電裝機容量要超過3000萬kW。

2.2 熱能

秸稈生物質通過液化或固化等方式制造成燃料可直接供熱，或是制造成秸稈清潔煤炭等等。秸稈煤炭是一種新型的生物質再生能源，環保清潔，遠遠低于原煤的成本和市場價格，應用范圍極為廣泛，可以代替木柴、原煤、液化氣，廣泛用于生活爐灶、取暖爐、熱水鍋爐、工業鍋爐等。但是如何將生物質燃料像煤、煤氣和天然氣一樣在老百姓的生活中普及，還需大力宣傳和推廣。

2.3 交通能源

秸稈的主要成分是碳、氫、氧等元素,有機成分以纖維素、半纖維素為主,其次為木質素、蛋白質、脂肪、灰分等,用秸稈轉化的生物燃料如生物乙醇和生物柴油作為交通能源,同石油、天然氣和煤等化石燃料相比，最大特點是可再生性和對環境更友好[10]。國際上生物交通能源技術相對成熟，主要路線是：谷物、秸稈、其它植物等發酵生產乙醇-車用油、乙烯、無毒溶劑及上百種化工、原材料產品等[11]；我國秸稈交通能源技術研究雖然起步較晚，但日趨成熟，有些正形成小型規模和商品化。

3 秸稈生物質能源化應用技術

秸稈生物質能源化應用技術主要包括秸稈沼氣(生物氣化)、秸稈固化成型燃料、秸稈熱解氣化、直燃發電和秸稈干餾等方式。

3.1 沼氣發酵生物法(生物氣化)

秸稈生物氣化是秸稈在厭氧條件下經微生物發酵而產生沼氣和有機肥料的技術工程，可利用稻草、麥秸、玉米秸等多種秸稈，并可與農村生活垃圾、果蔬廢物、糞便等混合發酵，原料組合非常靈活，來源充足，有著廣闊的發展空間和發展潛力。秸稈沼氣技術分為戶用秸稈沼氣和秸稈沼氣集中供氣兩種形式。秸稈入池產氣后產生的沼渣作肥料還田，提高了秸稈資源的利用效率，氣化效率通常可達70%～80%[12]。

秸稈沼氣技術的工藝流程為：秸稈預處理—堆漚—投料—加水封池—點火試氣。由于秸稈中含有大量的纖維素、木質素，導致分解速度較慢，產氣周期較長。若將秸稈直接入沼氣池進行發酵產氣慢、氣量少、不經濟、難以大面積推廣應用[13]。為了提高產氣量,主要應解決預處理技術和發酵菌種及適合秸稈物料特性的高效厭氧發酵反應器研制等問題。

沼氣發酵的優點:(1)菌種在適合的情況下，發酵及供能速度快；(2)原料簡單易得，利用率較高；(3)前期投入少，不需要大型機械和復雜環境。

沼氣發酵的缺點:(1)建廠條件高，需要配套的小項目多，投資成本高，短期內效益低；(2)小型沼氣工程存在產氣不穩定及發酵速度慢、相對效率低的問題；(3)大型沼氣工程技術要求高，推廣難度大。

3.2 秸稈氣化爐氣化法(熱解氣化)

秸稈熱解氣化是以農作物秸稈、稻殼、木屑、樹枝以及農村有機廢棄物等為原料，在氣化爐中缺氧的情況下進行燃燒，使秸稈在700～850℃的氣化溫度下發生熱解氣化反應,產生一氧化碳、氫氣、甲烷等可燃氣體用于工業發電、熱電聯產、液體燃料合成、居民集中供氣、工業燃氣鍋爐、工業干燥和采暖供熱等方面。

秸稈熱解氣化的優點:(1)秸稈燃燒充分，基本沒有煙熏，殘余灰燼少;(2)熱值高，2 t秸稈的熱值相當于1 t煤，燃燒溫度高，火力強，節省時間;(3)燃燒的火焰溫度、熱能強度可控制調節,并實現開、關兩位操作,使用方便;(4)不受季節約束,可實現不間斷供氣[14];(5)不需要輔助能源或化學添加劑。

秸稈熱解氣化的缺點:(1)熱解氣化過程中揮發出多種有機化合物和焦油，若不加以回收利用，易造成環境污染和二次污染；(2)只利用了單一的可燃氣，資源利用率低,且存在一定的安全隱患。

經過近20年的努力，我國生物質熱解氣化技術日趨完善。我國自行研制的集中供氣和戶用氣化爐產品已進入實用化試驗及示范階段，形成了多個系列的爐型，可滿足多種物料的氣化要求，在生產、生活用能、發電、干燥、供暖等領域得到利用。

現已研發出突破性的生物質能源聯產綜合利用技術，即在氣化爐內將生物質材料在限制供氧的條件下燃燒，發生一系列燃燒反應，同時回收產生的氣、液、炭和熱水。熱解產生的氣體主要含有甲烷、乙烯、一氧化碳、氫氣等可燃性氣體，可將其輸入燃氣輪機發電或直接向用戶供氣；產生的液體中含有酸類、醇類、酯類、醛類、酮類、酚類等多種化學成分，可用作家畜、家禽飼養中的消毒殺菌液、除臭劑，或用作促進作物生長的葉面肥，在有機農作物種植中施用；產生的固體生物質炭經過處理可作為工業用炭、生活用炭、有機復合肥、肥料緩釋劑等；冷卻爐體產生的熱水可用于工業或民用，這項技術具有良好的推廣和應用前景。

3.3 直接燃燒法

直接燃燒法是直接將收集的秸稈生物質原料集中、粉碎、干燥后投入鍋爐中燃燒發電，可以采用鍋爐—蒸汽—蒸汽輪機—發電機的工藝方式，也可以采用熱電聯供的方式以提高系統效率。該技術基本成熟，已經進入商業化應用階段。對于秸稈發電廠來說，給料方式主要有兩種：一種是切碎給料,一種是整包給料。以6 MW秸稈直燃發電系統為例，該系統采用汽輪機組進行發電，發電效率20%，自用電率10%，碳轉化率90%, 系統總供電效率18%[15]。

直接燃燒法是目前在秸稈生物質能源化利用中最簡單方便也是唯一實現規模化應用的方法。但缺點明顯：其熱效率僅為氣化的三分之一，且投資大；由于秸稈燃料中堿金屬以及氯元素的含量相對較高，燃燒后將產生較強的高溫腐蝕，并引發床料聚團、結渣等問題；燃燒面積大，不能充分利用資源；生物質燃燒過程產生的細粒子影響城市和區域空氣質量，降低大氣能見度，損害人體健康，甚至影響區域和全球氣候。

根據國外生物質發電廠運行實績統計以及我國權威部門測算，生物質燃燒發電成本遠高于常規燃煤發電成本，約為煤電的1.5倍。盡管如此，大力發展秸稈發電，不僅可以減少由于在田間地頭大量焚燒、廢棄秸稈所造成的污染，變廢為寶，化害為利，而且對解決“三農”問題、促進經濟發展具有重要作用。截至2008年8月底,我國共上馬了生物質能發電項目136個,總裝機規模220萬kW[16]。

3.4 液化乙醇法

乙醇作為替代能源，已在巴西、美國、瑞典、中國等得到應用。傳統的由玉米秸稈制備乙醇的工藝包括預處理、水解、發酵3個步驟[17]。通過預處理分離木質素等不利于發酵的成分、破壞纖維素的束狀結構、提高纖維素水解效率、降低纖維素酶的成本、開發木糖發酵用的微生物菌種和優化生產過程等，均是生產乙醇的關鍵。而最近研究出的木材液化過程中，木質素首先被液化，其次是半纖維素，最后才是纖維素，這就有可能將秸稈中木質素等不利于發酵制備乙醇的成分與纖維素分離，達到秸稈預處理的目的[18]。分離的程度是制備乙醇的關鍵。

利用農作物秸稈為原料生產生物乙醇，同時聯產重要的碳四平臺化合物丁二酸。丁二酸可生產新型可降解塑料PBS等新材料，有著極其廣闊的投資與應用前景。據了解，我國每年約產生1.5億t玉米秸稈，利用纖維素轉化利用技術，可生產1500萬t生物燃料及1800萬t加工產品，相當于4500萬t石油產生的價值。秸稈乙醇項目還可實現真正意義上的純生物流程生產。其生產過程基本不消耗化學能源，每6 t秸稈纖維大約產生1 t乙醇、1 t二氧化碳，除去損耗的余渣約3.5 t，可代替煤用于鍋爐[19]。整個流程將是真正意義上的取之自然、用于自然、回歸自然的純天然過程。

隨著技術的不斷進步，麥秸、玉米稈、稻草經過生產加工，最終都可以變成能夠替代石油的燃料乙醇,可逐步替換目前的石油制品燃料，降低中國過高的原油依賴度，對緩解我國能源短缺、提高農民收入、保護大氣環境等均有重要的戰略意義。國家發改委宣布：中國將在未來使用更多的非糧乙醇燃料來替代原油，具體包括2010年開始每年使用超過200萬t非糧農作物提煉出來的乙醇燃料以及20萬t生物柴油，而到2020年分別增加至1000萬t和200萬t[20]。

3.5 壓塊固化燃燒法

植物細胞中除含有纖維素、半纖維素外還含有木質素，木質素是具有芳香族特性的結構單體為苯丙烷型的立體結構高分子化合物，其常溫下不溶于任何有機溶劑，但在200～300℃時會軟化液化，此時如施加一定的壓力可使其與纖維素緊密粘接，并與相鄰秸稈顆粒互相膠接，冷卻后即可固化成型[21]。秸稈制煤、制炭技術是以玉米、大豆、棉花、水稻等農作物秸稈，以及廢棄的花生殼、鋸末、雜草、稻殼、樹枝等為燃料，在隔絕空氣的條件下，快速處理成秸稈炭，經粉碎后，再與粘土和其它粘合劑混合，壓制成蜂窩煤型或炭棒型。

壓塊固化燃燒的優點:(1)通過生物質壓塊機等進行短時間內的轉化，非常方便省時；(2)密度大，燃燒時間長，體積縮小6～8倍，密度為1.1～1.4t·m-3；(3)熱值高，方便運輸和貯藏。

壓塊固化燃燒的缺點:成本較高，尚未能推廣用于電廠，多為小范圍的供熱等。

壓塊固化是極具投資價值的高回報技術。秸稈煤炭應用范圍廣，可以代替木柴、液化氣，能廣泛用于生活爐灶、取暖爐、熱水鍋爐、工業鍋爐等。根據農業部的目標，2010年，結合解決農村基本能源需要和改變農村用能方式，全國將建成400個左右秸稈固化成型燃料應用示范點，秸稈固化成型燃料年利用量達到100萬t左右；到2015年，秸稈固化成型燃料年利用量達到2000萬t左右[22]。

3.6 其它方法

目前，還有將秸稈通過固態微貯水解預處理和催化產氫即利用氫能并通過氫能發電的研究。

4 展望

據專家預測，如果將秸稈利用技術產業化，以50 km為半徑建設小型秸稈加工廠，那么按秸稈到廠價40元·t-1，農民每畝就可增收200元以上；如果我國每年能利用全國50%的作物秸稈、40%的畜禽糞便、30%的林業廢棄物，以及開發5%的邊際土地種植能源作物，并建設約1000個生物質轉化工廠，那么其產出的能源就相當于年產5000萬t石油，約為一個大慶油田的年產量，可創造經濟效益400億元并提供1000多萬個就業崗位[23]。

今后我國秸稈生物質能利用技術將在以下方面發展[24]：高效直接燃燒技術與設備、集約化綜合開發利用、新技術開發。希望國家各級政府和部門加快推進秸稈生物質能源綜合利用，促進資源節約型、環境友好型社會建設。

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