生物質能利用的研究現狀及特點

史方芳

（山東交通學院，山東 濟南 250023）

0 引言

生物質是植物通過光合作用生成的有機物，作為清潔的可再生能源，由于在生物質生成過程吸收二氧化碳，屬于廢物利用，生物質能的利用已成為全世界的共識。作為能源利用的生物質能主要有農作物、油料作物、林木、木材加工生產的殘余物、農副產品加工的廢渣、城市生活垃圾中的部分生物廢棄物。20世紀70年代中期，全球性能源危機，可再生能源，重新引起了人們的重視。化石燃料的使用是大氣污染的主要原因，而使用大自然饋贈的生物質能，幾乎不產生污染，生物質能的開發得到越來越多國家的重視，生物質能的開發利用研究也成為世界性的熱門研究課題。美國、日本、加拿大等國家氣化技術已得到很大發展，巴西、美國等用甘蔗、玉米等提取乙醇，作為汽車燃料；加拿大有很多實驗室和大學開展了生物質的氣化技術研究；英國也開發了適合生物質能發電的燃氣輪機技術和高效氣化技術。我國未來的能源形勢十分嚴峻，人均一次能源及其有限。我國擁有豐富的生物質資源，若采用新技術來利用這些生物質能，并提高它的利用率，不僅能節約大量礦物燃料，又可改善生態環境。

1 生物質能利用的主要技術

生物質能源轉換技術包括化學轉換、物理轉換和生物轉換，圖1所示。

圖1 生物質能轉換技術及產品

1.1 化學轉換技術

生物質化學轉換包括燃燒、液化、氣化、熱解等方法。其中，最簡單的利用方法是直接燃燒。但是，直接燃燒煙塵大、熱效率低、能源浪費大。除農村外，一般在城鎮不提倡直接燃燒的方法。生物質熱解技術是生物質受高溫加熱后，其分子破裂而產生可燃氣體（一般為CO、H2、CH4等的混合氣體）、液體（焦油）及固體（木炭）的熱加工過程。采用直接熱解液化方法可將生物質轉變為生物燃油。據估算，生物燃油的能源利用效率約為直接燃燒物質的4倍，若將生物燃油作為汽油添加劑，其經濟效益更加顯著。 生物質氣化是指將固體或液體燃料轉換為氣體燃料的熱化學過程。生物質與煤相比，揮發分含量高，灰分含量少，固定碳含量雖少但活性卻比煤的高許多。因此，生物質通過氣化之后加以利用，比煤氣化后再利用的效果要好。

1.2 生物質物理轉換技術

生物質熱解技術主要指生物質壓制成型技術。將農林剩余物進行粉碎烘干分級處理，放入成型擠壓機，在一定的溫度和壓力下形成較高密度的固體燃料——壓塊細密成型技術。該方法使用專用技術和設備，在農村有很大的推廣價值。

1.3 生物化學轉換技術

該技術主要是利用生物質厭氧發酵生成沼氣（一種可燃的混合氣體，其中CH4占55%～70%，CO2占25%～40%）和在微生物作用下生成酒精等能源產品。包括厭氧發酵制取沼氣、微生物制取酒精、生物制氫、生物柴油等。

2 生物質能氣化技術

生物質氣化是指固態生物質原料在高溫下部分氧化的轉化過程。所謂氣化是指將固體或液體轉化為氣體燃料的熱化學過程。為了提供反應的熱力學條件，氣化過程需要供給空氣或氧氣，使原料發生部分燃燒。盡可能將能量保留在反應得到的可燃氣中，氣化后的產物是含H2、CO及低分子CmHn等可燃性氣體。所用氣化劑不同，得到的氣體燃料也不同。目前應用最廣的是用空氣作為氣化劑，產生的氣體主要作為燃料，用于鍋爐、民用爐灶、發電等場合。通過生物質氣化可以得到合成氣，可進一步轉變為甲醇或提煉得到氫氣。整個過程分為干燥、熱解、氧化和還原。

干燥過程：生物質原料進入氣化器后，在熱量的作用下，首先被干燥。大約被加熱到200～300℃，原料中水分首先蒸發，產物為干原料和水蒸氣。

熱解反應：當溫度升高到300℃以上時開始發生熱解反應。熱解是高分子有機物在高溫下吸熱所發生的不可逆裂解反應。大分子碳氫化合物的碳鏈被打碎，析出生物質中的揮發物，只剩下殘余的木炭。熱解反應析出揮發分主要包括水蒸氣、氫氣、一氧化碳、甲烷、焦油及其他碳氫化合物。

氧化反應：熱解的剩余物木炭與被引入的空氣發生反應，同時釋放大量的熱以支持生物質干燥、熱解及后繼的還原反應進行，氧化反應速度較快，溫度可達1 000～1 200℃，其他揮發分參與反應后進一步降解。

還原過程：還原過程沒有氧氣存在，氧化層中的燃燒產物及水蒸氣與還原層中木炭發生還原反應，生成氫氣和一氧化碳等。這些氣體和揮發分組成了可燃氣體，完成了固體生物質向氣體燃料的轉化過程。 還原反應是吸熱反應，溫度將會降低到700～900℃。

3 生物質氣化發電技術

生物質氣化發電是先將生物質原料轉化為可燃氣體。再利用可燃氣推動燃氣發電設備發電。燃氣發電過程包括三方面：一是生物質氣化，把固體生物質轉化為氣體燃料；二是氣體凈化，氣化出來的燃氣都帶有一定的雜質，包括灰分、固體顆粒、焦油及冷凝物等，需經過凈化系統把雜質除去，凈化后的氣體即可用于發電；三是燃氣發電，通常采用蒸汽輪機、燃氣輪機及內燃機進行發電。生物質氣化發電的過程如圖2所示。

經預處理（以符合不同氣化爐的要求）的生物質原料，由進料系統送進氣化爐內。由于有限提供氧氣，生物質在氣化爐內不完全燃燒，發生氣化反應，生成可燃氣體，然后經過凈化用于發電。通常采用蒸汽輪機、燃氣輪機及內燃機進行發電。生物質氣化發電有三種方式。

圖2 生物質氣化發電過程圖

在蒸汽鍋爐內燃料燃燒生產蒸汽帶動蒸汽輪機發電。這種發電方式在原理上與燃煤的火力發電沒什么區別。對氣化氣要求不很嚴格，氣化氣在鍋爐內直接燃燒，產生蒸汽，再用蒸汽推動汽輪機帶動發電機發電。

在內燃機內燃燒帶動發電機發電。內燃機發電系統以簡單的燃氣內燃機為主，可單獨燃用低熱值的燃氣，也可以燃氣、油兩用，前者使用方便，后者工作穩定性好，效率較高。該系統屬于小型發電裝置。

在燃氣輪機內燃燒帶動發電機發電。它采用燃氣輪機，燃氣需增壓，否則發電效率較低，由于燃氣輪機對燃氣要求高并且需要有較高的自動控制水平，所以單獨采用燃氣輪機的生物質發電系統較少。多采用燃氣——蒸汽聯合循環發電系統，這種系統可以有效提高發電效率，是目前重點研究和推廣的。

4 結語

我國生物質能源利用的研究起步較晚，雖然經過多年的發展，產生了一定的社會效益和經濟效益，但和國外相比，仍然存在差距。我國是農業大國，生物質資源非常豐富，而且價格相對便宜，生物質資源的有效開發利用，不僅能解決能源短缺，節約大量的礦物燃料，還能有效減少溫室氣體的排放。綜上所述，生物質能源作為可再生的潔凈能源其開發利用勢在必行，無論從廢棄資源回收或能源結構轉換，還是從環境的改善和保護等方面均具有重大的意義。