生物質能源工程技術研究進展

唐亮

摘要：研究生物質能源工程技術在能源安全、環境保護、農村發展方面的重要意義，介紹國內外生物質能源工程技術的研究發展歷程和現狀，為加速我國生物能源的開發利用提供理論參考。

關鍵詞：生物質能源；工程技術；環境保護；農村發展

中圖分類號： S216.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2016）01-0067-03

未來科技、經濟和社會發展的競爭首先是能源的競爭。目前，全世界約85%的能源是通過燃燒化石燃料獲得的，按現在的消費量推算，世界石油資源在今后50～80 a間將消耗殆盡。因此，開發和利用新能源來替代化石能源，已得到世界各國的高度重視。2002年，在約翰內斯堡舉行的世界峰會上，各國首腦取得了共識：發展可再生能源對人類可持續發展至關重要。我國作為農業生產大國，生物質資源數量巨大，每年農業生產廢棄物產量約為6.5億t，到2015年，產量可達7.3億t，可產生超過12 EJ的能量。

1 發展生物質能源工程技術的意義

1.1 保障國家能源安全

近年來，隨著經濟的持續快速發展，能源需求不斷增加，我國正面臨著嚴峻的能源安全形勢。2005年，全國一次能源消耗量已達到22.2億標準煤，約占世界能源消耗總量的15%，是世界第二大能源消耗國。“十一五”至2020年是我國全面建設小康社會的重要時期，能源需求將持續增長，因此，積極開發生物質能源、逐步減少化石能源消耗、提高可再生能源利用比重，是我國保障能源安全的重要戰略舉措。

1.2 保護環境及可再生資源

我國能源消費結構以煤為主，是世界第一大煤炭生產和消費國。2005年，我國煤炭消費量為21.4億t，占一次能源消費總量的68.7%。大量燃用煤炭造成了嚴重的環境問題。據統計，全國CO2排放總量的90%是由燃煤造成的，酸雨面積已占全國的1/3，大氣污染損失已相當于全國GDP的10%。預計2030年，我國可能成為世界第一排放大國。開發利用清潔的、豐富的生物質能是有效替代化石能源、減少污染物排放、保護環境、實現可持續發展的重要措施。

1.3 促進農村經濟發展

我國有80%的人口生活在農村，秸稈和薪柴等生物質能是農村的主要生活燃料，不僅利用效率低，而且造成嚴重的室內外環境污染，危害人體健康。而在華東、華南地區，富裕起來的農民對優質能源的需求日益增加，直接燃用秸稈等低品位的能源越來越少，導致大量農業廢棄物被焚燒在田間。按照全國生物質能開發利用工作會議上確定的目標設想，如果到2020年我國實現1.1億t標準煤的開發利用量，將創造產值2 000多億元，推動相關行業產值2 000多億元。其中，農村經濟產值將增加1 000億元，增加就業機會50萬～100萬個，這對我國新農村和小城鎮建設將起到十分重要的推動作用。

2 國內外生物質能源研究現狀

2.1 國外

2.1.1 生物質熱解氣化技術 自20世紀70年代起，美國開始研究以城市生活垃圾、木材、秸稈為原料的熱解回收能量技術。熱解氣化所得可燃氣可直接燃燒，用于供暖、做飯、城市煤氣和燃氣發電。歐美國家的生物質氣化發電技術處于領先水平，美國總裝機容量已達9×103 MW，單機容量達10～25 MW，預計2020年將達3×105 MW；丹麥建有許多小型的利用木材和秸稈的氣化爐，用于家庭冬季供暖；瑞典能源中心采用生物質氣化和聯合循環發電等先進技術在巴西建立了一座裝機容量為20～30 MW的蔗渣發電系統。

2.1.2 生物質液化技術 最早從事生物質液化技術研究的是美國礦物局匹茲堡能源研究中心，其在35 ℃及高壓條件下，以碳酸鈉為催化劑，把木屑轉化成重油。近年來，歐洲等國在生物質液化技術方面開展了大量研究。其中，德國在此方面處于較高的研究水平，如德國的Choren工業公司于2002年在Freigerg建立了一個大型的生物質液化示范工廠，使用的原料主要是木屑和秸稈。該工廠已生產出高品質的生物燃油，達到車用燃油要求，生產成本接近同熱值的化石燃料。

目前，有關液化技術的研究主要集中在如何提高液化產物收率、尋求高效精制技術、降低運行成本、實現產物綜合利用和工業化生產等方面。Lappas等采用循環流化床反應器對木質素類生物質進行快速直接液化，發現在生物質中加入一定比例的二氧化硅和ZSM—5后，生物質能有效地被催化裂解成液體產物，液體產物的收率高達70%以上。同時，該技術與常規液化技術相比，液體中有機物的含量明顯提高，而副產物水、焦炭和氣體產物的比例明顯降低。

2.1.3 生物質乙醇化技術 乙醇可以通過含糖、淀粉或纖維素的生物質發酵過程得到，但以作物秸稈為原料生產乙醇的技術難度就大多了，主要的解決方法是對作物秸稈進行各種處理，以提高纖維素酶的水解效率。最有發展前景的途徑是，通過基因工程技術培養出能產生高效纖維素水解酶的生物新菌種。盡管以作物秸稈為原料生產乙醇還有很大的難度，但國內外在此方面還是進行了很多的研究。在美國環保署的支持下，2001年在加州建立了一個大型的以作物秸稈為原料生產乙醇的示范工廠，以評價這種技術和工藝的經濟性和應用的可行性。

2.2 國內

我國于20個世紀50年代開始秸稈氣化技術的研究。到目前為止，秸稈氣化技術比較完善，甚至在某些方面處于世界領先水平。

中國科學院廣州能源研究所在循環流化床氣化發電方面取得了一系列進展，成功開發出4MWe的秸稈氣化技術。通過開展生物質整體氣化聯合循環技術研究，建設并運行了多套氣化發電系統。西安交通大學著重于生物質超臨界催化氣化制氫方面的基礎研究。中國林業科學院林產化學工業研究所在生物質流態化氣化技術、內循環錐形流化床富氧氣化技術方面取得了成果；天津大學著重于生物質流化床快速熱解-催化蒸汽重整制氫及催化氣化技術的開發研究，目前正在進行生物質流化床高效氣化供氣系統的開發；中國科技大學進行了生物質等離子體氣化、秸稈氣化合成等技術的研究；清華大學進行了生物質流化床熱解氣化及氣化過程的混合神經網絡模型研究；山東大學開發了下吸式固定床氣化技術；山東省科學院能源研究所開發了低焦油二步法氣化技術；浙江大學對雙流化床氣化技術進行了研究，并開發示范了中熱值氣化供氣與發電裝置；華中科技大學進行了流化床的氣化研究；東南大學提出了串聯流化床零排放制氫技術路線；同濟大學進行了生物質固定床氣化過程的研究。此外，哈爾濱工業大學、上海交通大學、中國科學院山西煤炭化學研究所、江漢大學、華南理工大學、太原理工大學、河南省科學院能源研究所等單位也取得了一些特色性的研究進展。

我國是世界上開展沼氣技術研究最早的國家之一。全國建有沼氣池的農戶在600萬戶以上，建成大中型沼氣池460多座。大中型沼氣池年處理有機廢物3 000萬t左右，其中主要是動物糞便和作物秸稈。目前，厭氧消化技術主要向以下幾方面發展：一是大型化、工業化；二是開發以作物秸稈為主原料的厭氧消化技術；三是沼氣的工業化應用。我國小型戶用沼氣技術已相當成熟，無論在技術上還是在推廣使用上，均處于國際領先地位。但大中型沼氣項目比較少，無法適應工業化的需求。北京化工大學在農業部的支持下，在山東省泰安市建立了我國也是世界上第一個以作物秸稈為“主”原料的大規模厭氧消化裝置。建設9個反應器，總反應體積450 m3，年可消耗玉米秸288 t、牛糞360 t，其中，玉米秸稈的使用量占干物質總量的60%以上；年生產沼氣69 120 m3，可為全村180戶農戶提供生活用能，同時還可生產出104 t有機肥料。該項目在技術上有兩大重要突破：一是對難以生物降解的玉米秸稈進行化學預處理，明顯提高了玉米秸的可厭氧消化性；二是利用太陽能加熱反應器提高消化溫度和效率，使反應器在春季和秋季實現中溫消化，在夏季實現高溫消化。結果顯示，與一般的厭氧消化系統相比，該系統的消化效率和產氣量可提高1倍以上。

我國開展作物秸稈液化技術的研究起步較晚。張全國等利用玉米秸稈液化技術制得生物焦油，它是由烴類、酚類、酸類、醛類、酯類等多種有機成分組成的混合物；蒸餾所得140～200 ℃輕質餾出物，各方面性能指標與車用柴油相近，可作為發動機燃料的替代品；而200 ℃以上重質餾出物可進一步加工制造焦油抗聚劑、抗氧劑、工業雜酚和生物瀝青增塑劑等化學品。2004年，Song等利用熱重分析法對玉米秸稈液化技術進行了深入研究，發現碳酸鈉對液化過程有明顯的促進作用。當碳酸鈉加入量高于1.0%時，液化的活化能隨之降低，差熱質量分析曲線由2個峰變為1個峰；在3 mL/min水溶劑與25 MPa壓力下對玉米秸稈進行液化時，其液化率可達95%以上，生物油的收率可提高到47.2%。徐保江等開發了作物秸稈液化制生物油旋轉錐式生物質熱解系統，該模型可為所需固體滯留期設計出適宜的反應器錐角、結構尺寸、熱載體、粒徑等工藝參數，提高了生物質油的收率和液化反應器的設計能力。

3 結論

生物質能應用技術的研究開發，在現階段主要是從生態環境、環境保護的角度出發，從中長期來看，可彌補資源有限性的不足。因此，生物質能源開發利用的社會效益遠遠大于經濟效益，需要國家的政策扶持和財力支撐，并制訂相關政策鼓勵和支持企業投資生物質能源開發項目。

我國有豐富的生物質資源，但人均資源相對偏小，因此，在生物質應用技術發展方向上，我國分散的能源系統應首先滿足農村鄉、鎮、村不斷增長的能量需求，重點解決居民生活用能，減少化石能源尤其是煤炭的使用。在經濟條件較發達的鄉村地區應大力推廣木煤氣化系統，同時推廣成型燃料及專用取暖爐以取代煤爐取暖的小型鍋爐，并著手研發專門使用生物質的直接燃料鍋爐。

國家在科研項目安排方面，應給生物質能應用研究留一定的空間，強化生物質能化學轉換中的催化降解、直接和間接液化機理，高產生物能基因及其變異性規律，生物轉化微生物“雜交”等基礎理論和應用研究，加強生物質研究領域的國際交流與合作，引進國外先進的生物質利用技術和設備，加快我國生物質開發利用的步伐，建立符合我國國情的生物質能開發利用結構體系。