生物質有機廢物能源化利用的研究進展

陸孝燕，曾 旭

（1.嘉興市固體廢物處置有限責任公司，浙江 嘉興 314000；2.同濟大學環境科學與工程學院，上海 200092）

隨著我國社會的不斷發展，化石能源需求不斷增加。在未來的很長時間內，城市化和工業化的進一步發展必然會導致化石能源的日益短缺，因此開發和利用可再生能源具有十分重要的意義[1]。最近幾十年來，生物質能的利用受到了廣泛的關注。生物質能具有利用轉化成本較低、易普及、儲量巨大、分布廣泛的特點，同時其能源化利用不產生溫室氣體，可以作為一種碳平衡的能源來源加以利用。因此，采用合適的技術手段將生物質能轉化為高附加值的能源來加以利用，有可能用于替代或者減輕對化石能源的過分依賴，對于有效降低溫室氣體排放、保障國家能源安全和可持續發展都具有重要意義。

1 生物質有機廢物的轉化技術

生物質是指利用綠色植物光合作用而形成的可再生的有機物質，一般包括農作物秸稈、樹木等木質纖維素、農產品加工業下腳料和農林廢棄物等[2]。目前，生物質有機廢物的轉化技術主要包括：直接氧化利用獲得熱氣流、高壓氣流及用于發電的原料；物理轉化獲得固體成型燃料；化學轉化（熱解、液化和氣化等）轉化成木炭、焦油、燃油和燃料等；生物轉化（羧基溶解、水解與發酵）制備高附加產物，如生物乙醇、沼氣、生物柴油等生物燃料[3-5]。

我國的生物質轉化技術起步較晚，目前年生產生物燃料為20萬t，相比于發達國家，在規模化和市場化方面還需進一步發展。生物質厭氧發酵技術主要以農作物為原料，使用微生物將其降解的技術；燃料乙醇多以糧食為原料，阻礙了其大規模的生產。

2 生物質有機廢物的能源化利用

近年來，化學轉化法由于具有轉化效率高、選擇性好的特點，日益受到重視。從目標產物的形態上看，其可以分為生物質液化技術和生物質氣化技術。

液化技術是通過超臨界萃取、高壓液化和HTU技術，將生物質能轉化為能量密度較高的液體燃料。γ-戊內酯（GVL）可以作為能源來利用，與汽油相比，具有更高的安全系數和能量密度和更低的飽和蒸氣壓[6]。GVL和汽油按照一定比例混合后，能大幅度降低汽車尾氣中CO等物質的指標[7]。利用生物質制備GVL的方法主要為：生物質衍生物-LA及其酯類加氫制備GVL[8]。

近年來，利用纖維素、半纖維素及其降解產物來制備GVL的研究日益受到重視。Ding等人使用Al摻雜的磷酸鈮作為催化劑來水解纖維素，酸解液直接使用催化劑（Ru/C）將其完全轉化為GVL[9]。Yang等人分別使用果糖、糠醇和5-羥甲基糠醛作為原料，首先酸解酯化制得LA乙酯，然后使用R-Ni為催化劑，異丙醇作為氫源，在室溫條件下反應9 h催化制得的GVL，獲得的產率分別為50%、86%和66%[10]。另外，其還可作為綠色反應溶劑，化學性質穩定且無毒無害，日益受到廣泛關注。劉念等利用GVL代替傳統的二甲基亞砜作為反應介質，研究果糖催化轉化為5-羥甲基糠醛（5-HMF）的綠色過程與離子液體溶劑相比，同樣高效且更加綠色友好[11]。

氣化技術是將生物質轉化為高壓氫、燃料乙醇、甲醇和二甲醚等[12]。目前，中國是全世界氣化技術發展最快的國家。自2013年起，中國己經新建了超過45座氣化技術工廠[13]。我國目前的生物質氣化多以木屑、秸稈、稻殼等為原料進行。中糧集團曾在廣西北海投資建設了木薯燃料乙醇試點項目。諸葛店村氣化集中供氣站投產，為300多戶農村家庭供氣，運行過程負荷率也達到了60%[14]。

Gordillo G等以上吸式固定床為氣化反應器，研究了空氣與水蒸氣比例和空氣配比在空氣和空氣-水蒸氣兩種氣化方式下對畜牧糞便氣化特性的影響[15]。Srinath S等研究了稻殼在流化床內氣化特性，分析了不同的反應條件對最終產氣熱值的影響[16]。在生物質氣化方面，目前的研究主要集中在如何提高氣化效率和產氣熱值等，系統性的詳細研究有利于更好地發揮氣化技術的優勢和推廣應用。

3 結語

面對化石資源的巨大消耗和溫室效應的日益加劇，生物質有機廢物作為豐富的可再生資源，其能源化利用已經成為當前研究的熱點。在生物質液化和氣化方面，采用熱化學轉化的方法將生物質轉化成能夠利用的能源化產品，符合生物質能源化利用的方向，具有重要的研究價值和應用前景。