雙碳目標下生物質能發展現狀及應用路徑研究

梁志松 何 楠 周 旺 周順龍 林曦鵬

（1.畢節高新技術產業開發區國家能源大規模物理儲能技術研發中心，貴州 畢節 551700；

2.中國科學院工程熱物理研究所，北京 100190）

0 引言

2021 年12 月，《BP 世界能源統計2021 年鑒》的發布，對當下全球能源形勢及相關工業排放等做了詳細的統計分析報告。 目前全球的一次能源消耗情況逐年呈現5%以上的增長態勢， 這對于全球經濟的可持續發展將會產生重要影響，必須要尋求可替代的可再生能源進行工業能源體系的轉型利用。 本文通過對我國生物質能的發展利用現狀進行分析，主要是從生物柴油、生物質氣化等方面進行著重介紹，并針對性地提出一系列的前景發展建議等， 為2030 年碳達峰和2060 年碳中和目標的實現提供可參考的依據。

1 我國生物質能現狀概述

1.1 我國生物質能資源現狀

與傳統化石能源相比，生物質能在整個生態系統中可以實現真正意義上的零碳排放。 生物質能主要包括植物（如農林廢棄物、油料植物、水生植物）、一些微生物以及動物的一些糞便排泄物等，這些很多都是利用CO來進行光合作用完成自身的生長發育的，通過對這些生物質原料的加工利用， 將其應用到工業、農業等生產生活中，產生的CO排放物又可以用于它們自身的光合作用，所以從整個生態系統來看，是真正意義上的零碳排放，這對于雙碳目標的實現是可以做出直接貢獻的。 我國幅員遼闊，擁有不同的氣候性地帶和地形地貌，這對于生物質資源的生長是極其重要的，這也造就了我國豐富、基數巨大的生物質資源。 據國家能源局及相關部門的統計，我國每年可以利用到工業、農業生產生活中的生物質資源總量通過標準煤系數進行折算，相當于4.6 億噸標準煤，占我國每年煤炭消耗量的十分之一左右，這個數字的背后具有重大戰略意義，因為煤炭等一次能源開采是有限的，但是生物質能每年都會生長，是相當于取之不竭的，具有廣闊的應用前景。

1.2 我國生物質能利用技術現狀

我國地大物博， 生物多樣性資源梯級層次高，而且生物質的種類和組成也呈現多樣化特性，主要形成了固體、液體、氣體等多樣性的梯級利用，對此相關的專家學者專門對不同種類的生物質資源進行研究，逐漸形成產學研綜合一體化的產業化應用示范及工業生產，這給生物質能的全面利用形成了豐富的理論支撐和實踐探索。 圖1 為生物質能利用技術的過程，當前主要有以下幾方面的利用技術：

圖1 生物質能利用技術

（1）直接燃燒技術，主要是生物質能的顆粒成型固體燃燒，一般在偏遠地區的家庭或者是小型的鍋爐廠使用，這種能量品質較低，效率也較低。

（2）生物質沼氣發酵技術，這種在很多農村地區使用較為廣泛， 產生的沼氣可以適用于家庭照明、取暖、做飯等，而且發酵后的肥料還能用作肥料。

（3）生物質氣化技術，主要是通過不同的氣化條件及技術將生物質原料熱解或催化成清潔的氣體燃料，而且熱值較高，適用于工業生產。

（4）生物柴油技術，生物柴油技術就是通過化學催化酯化反應將生物質原料轉化成可以燃燒的燃油，可以將生物柴油應用于汽車或者航空領域中，目前正在積極地大力發展，具有極大的發展前景。 本文主要是從生物柴油、生物質氣化等方面進行著重介紹。

1.2.1 生物柴油

生物柴油和石化柴油在物理化學參數方面非常接近的，無論是在密度、元素組成，還是硫含量、含氧量等方面都具有其獨特的優勢，所以其在應用方面以及相關的設備技術方面不需要進行很大的改動。當前國家能源部門以及地方政府已經相繼出臺了很多的政策文件支持和鼓勵生物柴油的發展，其中應用最為廣泛的就是作為汽油、柴油混合添加應用，不但可以改善汽車尾氣的排放而且對于發動機等性能的影響不大。 研究顯示，在傳統的石化柴油中添加10%的生物柴油， 可以降低汽車尾氣中50%的CO和60%的SO和NOx，優化效果是極佳的。 同時對當前人們最為關注的地溝油問題，可以通過催化酯化反應將廢棄的地溝油轉化成生物柴油，不僅可以杜絕這些危害人們健康的地溝油二次流回餐桌，同時也促進了生物柴油產業及相關技術的發展。

1.2.2 生物質氣化

生物質氣化是在一定的熱力學條件下，借助于空氣部分（或者氧氣）、水蒸氣的作用，使生物質的高聚物發生熱解、氧化、還原重整反應，最終轉化為一氧化碳、氫氣和低分子烴類等可燃氣體的過程。 目前主要的一些氣化工藝技術有以下兩種。

（1）固定床氣化工藝。

固定床是最早的一種氣化技術， 在具體的工藝中，生物質通過氣化爐的頂部進料，然后氧氣或空氣等氣化劑從底部鼓入，兩者逆向接觸流動以此實現生物質的氣化，因為相對于氣化劑的鼓入壓力和流動速度來說，原料生物質的相對速度很小，所以也常被叫作固定床氣化；但是其實生物質料是在以很小的速度緩慢下降的，也有的科學家將其稱為移動氣化床。 由于固定床氣化工藝對于生物質的進料質量要求不高，對于絕大多數的生物質原料都適用，所以在生物質氣化的起步應用階段固定床占據了絕大多數的企業生產線， 同時該工藝的氣化壓力可以提高到較高的工況，對氣化劑的消耗量也較小，另外固定床的反應溫度較低，對于反應條件沒有那么苛刻。

（2）流化床氣化工藝。

流化床氣化工藝是將原料生物質通過機械粉碎的方法，制備成小顆粒的生物質料，一般粒度直徑在0～10 mm 之間，然后在高溫高壓的氣化劑中，使得顆粒處于流化狀態， 而氣化劑處于劇烈的攪拌和摻混中，通過傳熱傳質粉處于懸浮沸騰狀態，所以稱之為流化床。 這種氣化工藝爐內的流化床溫度分布均勻，有利于充分換熱沸騰懸浮，氣固兩相介質可以均勻換熱混合，因此整個狀態停留的時間較短，流化床內的壓力損失低，有利于對設備內部的保護，內部的氣體和固態成分都處于混合過程中的動態平衡過程，兩者的組分分布保持相對穩定，最終形成穩定的水生物質氣產出，同時經過旋風分離器后，可以將生物質氣組分中較大的顆粒分離出來，并經過循環系統返送到進料口中，實現了原料生物質的高效利用，分離后的粗質氣經過余熱回收系統，將熱量回收利用，然后經過水冷和除塵，得到較為精純的水氣。

2 雙碳目標下我國生物質能應用發展建議

2.1 做好生物質能發展頂層設計

能源結構供應是關系到工業發展和居民生活的重要因素，因此必須總攬全局，從國家層面出發制定好生物質能發展的頂層設計規劃，這樣才能形成自上而下的發展綱要。 因為生物質能發展是一項長遠的規劃，必須要多部門協調統籌做好生物質資源的數據采集工作，然后結合經濟社會發展實際情況，布局生物質能的發展產業。 在產業發展中，要因地制宜地制定相關的支持政策，細化補貼方案，因為當前生物質能能源利用的成本較高，所以一定要加大政策支持和資金投入，幫助企業快速完善生物質能發展的完整產業鏈。 在技術利用方面，國家科技部門要做好牽頭工作，努力完善生物質能利用的產學研一體化建設，更好地推進行業的協同創新。

2.2 做好生物質能利用層級優化

我國生物質能資源豐富，因為不同形式的生物質能的能源利用效率是不同的，同時在不同行業應用的技術路徑也具有差異性，因此必須要做好生物質能利用的層級利用，實現資源的有效配置，這樣才能更好以雙碳目標為導向，根據市場建設需求來完善生物質能的梯級利用。 目前生物質能需要重點應用在電力、生物質制氫以及固體成型燃料等方面的應用。 目前生物質能利用應該加大電力方面的投入使用，近年來我國電力供應緊張，煤炭等一次能源的市場價格不斷上漲，很多地方甚至出現了限電現象，而生物質能發電可以有效的提升電力市場負荷， 保障電力供應安全，同時在節能減排方向也可以起到重要作用。 通過多層次的梯級利用，可以將當前的整個生物質能產業資源盤活，為實現行業高質量發展布局。

2.3 做好生物質能利用和鄉村振興的有效銜接

發展生物質能的相關產業所帶來的社會效益也是巨大的。 既能調整我國農業結構，帶動油料林業的發展，同時當地農民也可以對相關的農副產品進行加工增加收入。 我國的油料植物和能源作物種類十分豐富，如麻風樹、油桐、油茶，北方的大豆、黃連木，存活率高，油產量也很高。 但是由于油料作物的能量密度很低，收集和運輸成本高，生產規模也不可能很大，大型企業能帶來的效益也少，而鄉鎮企業的生產機制靈活，非常適合從事這項產業，可以從農民手中收集能源作物原料，在當地建設一個榨油廠，再將原料油集中送往生物柴油企業，從而增加農民收入。 可見，發展生物質燃油產業可以為解決“三農問題”發揮積極的作用。

3 結語

目前，全球經濟在粗放式發展下，能源和環境問題之間的矛盾日益突出，碳達峰、碳中和及雙碳目標的提出為今后較長一段的時間內，全球發展模式提供了可探索的路徑。 生物質能作為一種重要的可再生能源， 為有效實現雙碳目標提供了技術支撐和產業保障。 雙碳目標下我國生物質能的發展必須從國家層面做好頂層設計，制定相關的發展綱要，然后要做好生物質能的梯級利用和優化實施，因為這樣才能將生物質能的利用效率達到最高，國家、企業和相關的科研院所要加大技術創新投入，多管齊下的實現生物質能產業布局，做大做強。 同時要做好生物質能利用和鄉村振興的有效銜接，因地制宜地發展鄉鎮產業，為提升農村產業集群賦能。