生物質廢棄物資源化技術的研究現狀與展望*

劉延坤，孫清芳，李冬梅，陳志強

（1.黑龍江省森林工程與環(huán)境研究所，黑龍江 哈爾濱 150080;2.哈爾濱工業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150090；3.黑龍江省化工研究院，黑龍江 哈爾濱 150078）

綜 述

生物質廢棄物資源化技術的研究現狀與展望*

劉延坤1，孫清芳1，李冬梅2，陳志強3

（1.黑龍江省森林工程與環(huán)境研究所，黑龍江 哈爾濱 150080;2.哈爾濱工業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150090；3.黑龍江省化工研究院，黑龍江 哈爾濱 150078）

面對能源緊張和環(huán)境保護的雙重壓力，生物質廢棄物資源化開發(fā)利用引起了國內外的廣泛關注。本文介紹了生物質廢棄物的主要來源，綜述了世界各國生物質廢棄物再利用技術的研究、應用及產業(yè)發(fā)展現況，分析了其作為生物質能源的經濟、社會、環(huán)境效益，展望了該產業(yè)的發(fā)展前景，對該產業(yè)的發(fā)展提出了建議。

生物質廢棄物；資源化；現狀

Abstract:Under the pressure from the energy and environmental protection，the utilization of biomass wastes have attracted great attention.The sources of biomass wastes were introduced.The current situation of research,application and development of the utilization of biomass wastes all over the world wa is reviewed in this paper.The economic,social and environmental benefits of the utilization of biomass wastes were analyzed.The prospect and development pattern of bio-diesel industry in China were pointed outaswell.

Keywords:biomasswaste；utilization；status

隨著人口的增長和人民生活水平的提高，能源需求不斷增長，以化石燃料為主的傳統能源日趨緊缺；因煤炭、石油等利用而帶來的諸如溫室效應等環(huán)境問題日益嚴重。面對著能源緊張和環(huán)境保護的雙重壓力，生物質廢棄物資源化開發(fā)利用引起了廣泛關注。

利用生物質廢棄物制取生物能源是目前世界上生物質能研究開發(fā)的前沿技術，該技術是將木材、竹子、農作物秸稈等農林業(yè)廢棄物為主的生物質，轉化為高品位的易儲存、易運輸、能量密度高且使用方便的能源，如燃料乙醇、生物柴油、沼氣、生物質型煤等[1,2]，并可以從中提取具有商業(yè)價值的化工產品。生物質廢棄物在其整個利用周期能夠保持碳的平衡，可以實現CO2的零排放，是能夠固定碳的唯一可再生能源。在當今世界能源結構中，生物質能約占14%，主要是作為燃料，通過燃料燃燒獲取能量，不但利用效率低而且因不完全燃燒容易造成CO、煙塵等環(huán)境污染。因此，如何有效利用生物質廢棄物資源，實現生物質廢棄物的資源化利用，獲得相應有價值的產物，對我國這樣的農業(yè)大國具有重要的現實意義。

1 生物質廢棄物的來源

生物質廢棄物資源主要包括:農業(yè)廢棄物，林業(yè)廢棄物，城市和工業(yè)廢棄物等。據估計世界范圍年產生物質廢棄物約100～150億t[3]。

（1）農業(yè)廢棄物 是農業(yè)生產的副產品和糧食加工行業(yè)排出的谷殼等廢棄物，如麥草、玉米秸稈、大豆渣、果殼、果核、玉米芯和甘蔗渣等。我國農作物秸稈年產量約為7億t左右，其中造肥還田及其收集損失約占15%，剩余的5.95億t，除了作為飼料、工業(yè)原料之外，大多處于低效利用方式即直接在柴灶上燃燒，其轉換效率僅為10%～20%左右。而且隨著農村經濟的發(fā)展，農民收入的增加，地區(qū)差異正在逐步擴大，農村生活用能中商品能源的比例正以較快的速度增加，在較為接近商品能源產區(qū)的農村地區(qū)或富裕的農村地區(qū)，商品能源（如煤、液化石油氣等）已成為其主要的炊事用能。以傳統方式利用的秸稈大量被取代，致使被棄于地頭田間直接燃燒的秸稈量逐年增大，許多地區(qū)廢棄秸稈量已占總秸稈量的60%以上，既危害環(huán)境，又浪費資源。因此，加快秸稈的優(yōu)質化轉換利用勢在必行。

（2）林業(yè)廢棄物 主要包括薪材、落葉、樹皮、樹根及林業(yè)加工廢棄物等，我國采伐造材所得的原木材積僅為立木蓄積量的65%左右[4]，其余均作為剩余物。黑龍江省現有森林面積1895萬hm2，總蓄積量14.98億m3，森林覆蓋率達41.9%，森林面積、森林總蓄積和木材產量均居全國首位，是國家最重要的國有林區(qū)和最大的木材生產基地。每年森林采伐面積約為419萬m3，僅此一項可得到63～105萬m3的林間剩余物（枝丫、樹梢、樹皮等）。如此巨大的閑置資源如能得到合理利用，將會極大地緩解森林資源緊缺及木材供需矛盾。

（3）城市和工業(yè)廢棄物 主要是由居民生活垃圾，商業(yè)、服務業(yè)垃圾、少量建筑垃圾和工業(yè)垃圾等廢棄物所構成的混合物，成分比較復雜，其構成主要受居民生活水平、能源結構、城市建設、綠化面積以及季節(jié)變化的影響。隨著城市規(guī)模的擴大和城市化進程的加速，中國城鎮(zhèn)垃圾的產生量和堆積量逐年增加，具有有機物含量高、易降解成分含量高等特點。

2 生物質廢棄物資源化現狀

目前，許多國家相繼進行生物質廢棄物資源化利用技術開發(fā)和研究，早在1979年，美國就開始采用生物質燃料直接燃燒發(fā)電，近年來美國生物能源的開發(fā)主要致力于利用有機固體廢棄物生產生物能源，如采用濕法處理垃圾產沼氣，回收沼氣用于發(fā)電，同時生產肥料，其生產效益非常可觀；采用木材、玉米秸稈等纖維廢棄物生產燃料乙醇的產業(yè)化攻關項目等方面的研究。在政府相關政策的支持下，歐盟各國都開始加強生物質能的利用工作，其中，德國、丹麥、瑞典、奧地利和芬蘭在生物質發(fā)電方面處于領先地位，芬蘭、瑞典和奧地利的生物質發(fā)電量分別占到了總能源供應量的22%、18%和12%。芬蘭和瑞典有歐洲范圍內最大的森林植被面積，林木質資源十分豐富，林業(yè)生物質能源是他們的主要發(fā)展方向，瑞典15%的能源供應來自以森林采伐剩余物和木材加工剩余物（如樹皮、木屑、木片等）為原料制備的生物質燃料[5]。英國也對能源作物和森林廢棄物的利用做出了長期規(guī)劃，截止到2010年，生物質發(fā)電占總量的10%；另外，采用超短觸裂解技術將木屑等農林廢棄物轉化為液體生物油技術近年來在國際可再生資源轉化技術研究十分活躍。此外，丹麥、荷蘭、德國、意大利、瑞士等許多歐洲國家在生物質廢棄物資源化利用技術方面取得了很大的進展。同時，發(fā)展中國家也己經展開了此方面的研究，如孟加拉國、印度、馬來西亞等。

我國與發(fā)達國家相比相對落后，但研究開發(fā)生物質廢棄物資源高效轉換利用技術方面已形成一致意見。全國多家高校及科研機構在研制生物質利用裝置上都相繼取得了一系列的成果，如哈爾濱工業(yè)大學、中國農科院、廣州能源所、浙江大學、中科院化冶所、大連科學院等都在開發(fā)利用生物質能。另外，我國在將生物質轉化為高品位能源技術的研制和開發(fā)上取得了較大進展，例如:生物質氣化、液化和致密成型等等，其中生物質的氣化己進入應用階段，尤其是在生物質氣化集中供氣技術和中小型生物質氣化發(fā)電技術方面更取得了較大進展，由于投資小，比較適合農村地區(qū)使用，具有良好的競技性和社會效益，在小范圍內推廣，有較好的發(fā)展前景。目前，已有不少研究單位、工廠和公司從事生物質能高品位利用和開發(fā)的研制、示范試驗、批量生產和銷售服務。

3 生物質廢棄物利用技術

生物質廢棄物利用技術一般分為物理技術、化學技術和生物技術[6-8]。目前，世界各國主要集中在化學技術方面的研究。生物質廢棄物利用技術及產品見圖1。

圖1 生物質廢棄物利用技術與產品Fig.1 The utilization technology ofbiomasswastes and products

4 效益分析

4.1 經濟意義

在過去的幾年里，國際原油價格飛速上漲，而我國己經超過日本成為世界二大能源消費國，超過1/3的原油需要進口，這對于我國經濟的穩(wěn)定和發(fā)展極不利。由于我國石油和天然氣資源缺乏，預計2020年之后，石油供給的對外依存度將超過60%，天然氣供給對外依存度將超過40%。我國煤炭資源雖然比豐富，但煤炭大量開采、運輸和使用對環(huán)境造成很大負面影響，而且煤炭資源總歸是有限的，總有消耗殆盡之時。因而，利用現代技術開發(fā)包括生物質能在內的再生能源資源，通過適當的政策和資金支持，有效發(fā)揮市場機制的作用，積極促進這些可再生能源的發(fā)展，對緩解常規(guī)能源供應不足的壓力，節(jié)約外匯資金，實現經濟可持續(xù)發(fā)展將會起到十分重要的作用。我國的生物質資源非常豐富，中國每年產出的農林廢棄物量相當可觀，以食用菌培養(yǎng)系統中最常見的副產品菌糠為例，2000年我國菌糠年生產量己達300萬t左右，有很大的開發(fā)潛力；將生物質廢棄物轉化為高品質能源的技術和產品具有極大的潛在市場，充分開發(fā)利用生物質能源具有重要的經濟意義。

4.2 社會意義

我國有九億多人口生活在農村，占農村居民生活用能的70%的生物質能是在普通爐灶上直接燃燒，生物質資源利用水平低，嚴重阻礙了農村經濟和社會的發(fā)展。自1997年開始，國家在能源工業(yè)中采取了許多重大決策，使農村能源由當地能源和自然資源為主的狀況逐步向商品能源的方向轉變，生物質熱裂解制取生物油技術對于開辟新能源領域，促進當地經濟發(fā)展，加快我國農村經濟建設，維護社會穩(wěn)定和社會可持續(xù)發(fā)展有重要的意義。

4.3 環(huán)境意義

目前，環(huán)境污染給中國乃至全球帶來了嚴重的氣候和生態(tài)的負面效應，尤其使CO2的大量排放。煤、石油、天然氣等礦物燃料燃燒帶來的環(huán)境問題日益突出。據分析，目前全球每年排放SO2約2.9億t，其中80%為化石燃料燃燒排放所致。中國有30%以上的面積出現酸雨。此外，礦物燃料在燃燒過程中，排放出CO2氣體，在大氣層中不斷積累，溫室氣體在大氣中的濃度不斷增加，導致氣候變暖。2005年2月16日《聯合國氣候變化框架公約》締約國簽訂的《京都議定書》正式生效，在這一公約中對溫室氣體的排放有了嚴格的規(guī)定，這標志著人類對于“溫室效應”的控制邁出了堅實的一步，也體現出人類在發(fā)展經濟的同時更多關心了環(huán)境保護的問題。生物質能源具有CO2零排放的特點，是一種清潔能源，用生物油代替動力用油，減少了交通業(yè)、制造業(yè)對大氣的污染，有利于緩解日益嚴重的溫室效應和維持生態(tài)良性循環(huán)，是解決能源和環(huán)境問題的有效途徑之一。

5 展望

生物質能是一種重要的可再生能源，利用生物質廢棄物生產生物質能源可以緩解化石能源危機和環(huán)境污染，生物質能源的消費量也在直線上升，尤其是很多發(fā)達國家都大力扶持生物質廢棄物資源化產業(yè)。但是，我們必須看到，生物質廢棄物在資源化利用上還存在很多問題，各種轉化技術是生物質廢棄物能否達到大規(guī)模應用的關鍵。生物質廢棄物資源化應用應當以以下幾個方面為主：

（1）城市垃圾和工業(yè)農業(yè)廢棄物的綜合規(guī)模化利用及示范工廠建立。

（2）生物質的熱裂解液化產品的深加工。生物質熱裂解液化油中組分復雜，含有大量高價值化工品，而且可以一定程度上緩解化石能源危機。

（3）生物質制沼氣，因地制宜，在生物質原料富積的地區(qū)大力發(fā)展生物質制沼氣技術。

（4）燃料乙醇和生物柴油，這是目前世界上發(fā)展的熱點。它們共同的難點都是原料問題，積極發(fā)展這兩種替代燃料可以極大的緩解能源危機。

（5）無論從保護環(huán)境的角度還是能源利用的角度，生物質的發(fā)展都是勢在必行的，為了促進我國可再生能源產業(yè)發(fā)展，我國已于2005年通過了《可再生能源法》并于2006年開始實施，并且效仿國外可再生能源的發(fā)展方法，在政府的保障下，切實發(fā)展可再生能源。可以說，生物質能源的發(fā)展前景是廣闊的，而且在環(huán)境和經濟方面都有很大的意義。

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Current status and prospect of the utilization of biomasswastes*

LIU Yan-kun1,SUN Qing-fang1,LIDong-mei2,CHEN Zhi-qiang3
（1.Heilongjiang Forestry Engineering and Environment Institute,Harbin 150080，China;2.Harbin Institute of Technology,Harbin 150090，China;3.Heilongjiang Institute of Chemical Engineering,Harbin 150078，China）

TQ91

A

1002-1124（2011）03-0028-04

2010-12-31

黑龍江省財政基金支助項目

劉延坤（1979-），女，助理研究員，博士，2008年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學，環(huán)境工程專業(yè)，一直從事生物質能源研究工作。