生物質能源轉化技術的應用探討

文/王雪芬

0 引言

當今世界經濟的快速發展，導致煤、石油、天然氣等傳統不可再生能源正面臨枯竭，人們亟需開發多種新型的可再生能源，以面對傳統能源枯竭的危機。目前，新能源異軍突起，包括太陽能、海洋能、風能、生物質能、核聚變能等等，極大地滿足了人們對能源的需求。生物質能是新能源中的一種，來源于生物質，也是太陽能以化學能形式貯存于生物中的一種能量形式，具有清潔、可再生等特性，逐漸收到人們的重視，成為解決能源危機和環境污染的重要途徑。

1 生物質及生物質能

生物質(Biomass) 指通過光合作用將CO2和H2轉化為能量并能夠生長的各種有機體，包括所有的動物、植物和微生物。生物質能(Bioenergy)指綠色植物通過直接或間接的光合作用，將太陽能轉化為化學能貯存在植物體內的能量形式。因此，生物質能源本質上是太陽能的一種表現形式，是一種可再生能源，也是唯一的一種可再生碳源，生物質能利用過程如下:

6CO2+12H2O + 太陽能→C6H12O6+ H2O +6O2

2 生物質能的來源及特點

2.1 生物質能源的分類

總體而言，生物質能源主要分為3大類：植物類、非植物類和微生物類。其中，能源植物是生物質能源中的主要組成部分，主要包括林業資源、秸稈等植物；非植物類主要指畜禽糞便和生活環境中的有機成分等；微生物類主要指利用微生物發酵而生產的能源，如沼氣、燃料乙醇、生物質油等。

2.2 生物質能源的特點

（1）可再生性。我國擁有豐富的自然資源和可利用資源,生物質能源是通過植物的光合作用實現再生, 是可再生能源，可以維持能源的永久利用。

（2）能源總量豐富，分布廣泛。地球上生物質能源儲量豐富，根據生物學家估算，地球每年能生產1 500～1 750億噸生物質，遠遠超過全球的能源需求總量，是目前全世界總能耗的10倍左右。目前，生物質能源僅次于煤炭、石油和天然氣，是世界第四大能源。另外，生物質資源的分布也非常廣泛，只要有綠色植物生長的地方就能夠獲得生物質資源，可以滿足各地發展生物質能源的需要。

（3）清潔性。

硫化物和氮化物是環境污染的首要因素，而生物質中的硫含量和氮含量較低，因此，在生物質能源的轉化利用過程中，生成的硫化物和氮化物含量非常少，幾乎不會對環境造成不良影響。生物質的利用是一個可逆循環利用的過程，是一個二氧化碳固定和釋放的循環過程，在此過程中，二氧化碳的凈排放量接近于零，可以極大地緩解地球日益嚴重的“溫室效應”。

（4）應用廣泛。

生物質能的應用形式多樣，可以直接燃燒、發電、生產沼氣、制備燃料酒精、熱裂解生產生物質油等，廣泛應用于社會經濟的各個行業。

3 生物質能的轉化利用方式及技術探討

生物質的轉化利用方式主要包括燃燒、熱化學轉化、生物轉化和物理化學等。

3.1 燃燒法

生物質燃料特性與化石燃料不同，生物質是通過進行光合作用，利用太陽能和空氣中的二氧化碳而生成的，在燃燒過程釋放的二氧化碳，因此，在生成和燃燒兩個過程中吸收和釋放的碳含量基本相等，可以被認為是二氧化碳的零排放。另外，生物質的組成中，含有的氮和硫元素極少，燃燒不會對環境造成不良影響。但是生物質的密度小，組織結構松散，體積較大，需要對其采取一定的措施，進行物理轉化才能被高效利用。固化成型技術是生物質物理轉化最常見的方法之一。固化成型技術主要指利用高壓將體積大、組織結構松散的生物質原料壓縮成組織結構致密的成型燃料，可以進行直接燃燒，解決了生物質原料運輸和儲存成本高、熱效率低等問題。但是固化成型技術也存在成本較高、容易受季節影響等弊端，使其大規模應用受到制約。

3.2 熱化學轉化

熱化學轉化方式是生物質能轉化常用的方法之一。熱化學轉化法主要是利用熱化學相關技術將生物質轉化為流體形式的燃料，主要包括生物質氣化和液化兩大類。

3.2.1 生物質氣化

生物質氣化是指借助一定的熱力學條件，利用氧氣、水蒸氣的作用，使生物質發生熱解、氧化還原反應，最終轉化為氫氣、一氧化碳和低分子烴類等可燃氣體的過程。生物質的氣化產物在發電、供熱、合成化學品等領域被廣泛使用。生物質制氫是典型的熱化學轉化技術之一。生物質制氫是一種熱裂解技術，如今發展已較為成熟。生物質制氫主要是將生物質原料壓制成型，置于汽化爐或裂解爐中進行裂解反應，使生物質分解為可燃氣體和烴類，然后再進行二次催化裂解和一系列的化學反應，制得氫含量高的燃料氣。生物制氫由于具有工藝條件簡單、成本相對較低、有寬廣的原料適應性等優點，而具有廣闊的應用前景。

3.2.2 生物質液化

生物質液化是指在一定條件下，將生物質與溶劑混合并相互作用，使部分或全部生物質轉化為液體的過程。目前，生物質液化技術常見于制取燃料乙醇和生物質油。燃料乙醇的原材料主要是雅津甜高粱、玉米、木薯、海藻、雅津糖芋、苦配巴樹等。主要是先將生物質原材料破碎，然后再利用生物酶催化或者化學水解等方法將原材料轉化為多糖，再經過TCA等途徑生成乙醇。得到的乙醇再經過提純、脫水制得燃料乙醇。利用生物質生產的生物質油具有高粘度、不穩定性等理化性質，其生產方法主要有閃速裂解、真空裂解和微博裂解等。

3.3 生物轉化

沼氣發酵是指在一定溫度、濕度和酸堿度的條件下，動物糞便、生活有機垃圾、工業有機廢水等生物質經過多種微生物的厭氧發酵，最后由甲烷古菌參與，從而在嚴格的無氧環境中產生一種以甲烷為主要成分的混合可燃氣體。與傳統的煤炭等燃料相比，使用沼氣每年可減少碳排放量5 000多萬噸，這既是一種重要的環保技術，也是一種有效的能源供應技術。另外，在生產沼氣的同時會產生大量的有機肥料，每年可為農民節約肥料費用400多億元，具有可觀的經濟效益。但是沼氣發酵容易受到季節性和地域性影響，農村會具備相應的生產條件，但是不適用于城市。

3.4 生物質發電

利用生物質發電的主要方式是直接燃燒發電和氣化發電。直接燃燒發電是利用生物質代替煤炭等傳統能源，直接燃燒產生熱量，通過加熱生物質進行發電。生物質氣化發電是指缺氧條件下，生物質在氣化爐中轉化為可燃氣體，可燃氣體燃料經凈化后直接進入鍋爐或者原動機中燃燒發電。目前可采用秸稈氣化發電、秸稈直接燃燒發電、煤和秸稈混合燃燒發電等幾種技術路線。2022年前三季度，我國生物質發電量為1 129億千瓦時，累計裝機達4 060萬千瓦。隨著生物質能發電技術的提高和國家在新能源領域的投入加大以及社會可持續發展的需要，生物質能發電裝機容量會繼續增大，為實現負碳排放（BECCS）、碳中和貢獻力量。