生物質(zhì)潔凈能源利用技術(shù)

武全萍　王桂娟　李業(yè)發(fā)

(中國科技大學(xué)熱科學(xué)系 安徽合肥 230000)

　　摘要：生物質(zhì)能是與環(huán)境友好的潔凈能源，具有廣闊的開發(fā)利用前景，綜述了生物質(zhì)能技術(shù)轉(zhuǎn)換方式和可利用途徑，介紹了國內(nèi)外利用生物質(zhì)能的狀況。

　　生物質(zhì)能是隨著化石能源危機(jī)及回歸生態(tài)平衡而被人類重新認(rèn)識的，它是蘊(yùn)藏在生物質(zhì)中的能量，是綠色植物通過葉綠素將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能而儲存在生物質(zhì)內(nèi)部的能量。生物質(zhì)能是在煤炭、石油和天然氣之后居于世界能源消費(fèi)總量第4位的能源，在整個能源系統(tǒng)中占有重要地位。生物質(zhì)資源不僅儲量豐富，而且還可再生，目前世界擁有的生物質(zhì)資源約18.41×10.1t[1]，如以能量換算，相當(dāng)于目前石油產(chǎn)量的15～20倍[2]。如果這部分資源能得到充分利用，人類相當(dāng)于擁有了一個取之不竭，用之不盡的資源寶庫。

　　生物質(zhì)來源于CO2(光合作用)，燃燒后產(chǎn)生CO2，所以燃用生物質(zhì)時可以認(rèn)為CO2的排放是零，甚至有所減少(考慮到燃燒后草木灰中含有大量的K2CO3)。因此生物質(zhì)與礦物燃料相比更為潔凈。生物質(zhì)能的缺點(diǎn)是熱值及熱效率低，體積大，不易運(yùn)輸，直接燃燒生物質(zhì)的熱效率僅為10%～30%，因此作為高效潔凈燃料必須經(jīng)過技術(shù)加工[3]。

　　生物質(zhì)燃料除了可替代部分石油、煤炭等化石燃料外，更有變廢為寶、保護(hù)環(huán)境和資源綜合利用的功能，開發(fā)生物質(zhì)能有助于減輕溫室效應(yīng)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。

　　1國內(nèi)外利用生物質(zhì)能狀況

　　目前生物質(zhì)能的研究與開發(fā)已成為全球的熱門課題之一，受到世界各國政府與科學(xué)家的關(guān)注。1992年世界環(huán)境與發(fā)展大會后，歐美國家即大力發(fā)展生物質(zhì)能。北歐各國大力發(fā)展木材發(fā)電，德國大力發(fā)展沼氣。歐盟規(guī)劃2010年可再生能源比例達(dá)12%，每年可替代2000萬t石油，其中成本較低的生物質(zhì)能約占80%。瑞典對廢木材的利用十分重視，生物質(zhì)能比已達(dá)20%；法國將生物質(zhì)能甲酯化后和柴油并用以替代石油；美國加快木柴發(fā)電和燃料乙醇的啟用，利用農(nóng)作物及其廢物制造乙醇，作為汽車燃料，1999年明確提出規(guī)劃到2010年生物制品及生物質(zhì)能的產(chǎn)量將為當(dāng)時水平的3倍，生物質(zhì)能比達(dá)10%；生物質(zhì)能是丹麥主要的可再生能源，2000年丹麥生物質(zhì)能約占全國可再生能源的85%，作為世界風(fēng)力機(jī)主要的供應(yīng)者，其風(fēng)能只占10%；古巴盛產(chǎn)甘蔗，大量的甘蔗渣可用于燃燒發(fā)電，該國政府已與聯(lián)合國發(fā)展組織、世界環(huán)境基金會聯(lián)合進(jìn)行國際合作，預(yù)計投資1億美元興建以甘蔗渣為原料的環(huán)保電廠，預(yù)計所生產(chǎn)的電能可足夠古巴全國使用。

　　我國每年的農(nóng)林廢棄物已超過10億t，具有廣闊的開發(fā)前景，生物質(zhì)能占農(nóng)村總能耗的近70%，占全國總能耗的近(1/4)[1]。我國沼氣的使用有較長歷史，在發(fā)展中國家處于領(lǐng)先地位。以甲醇為燃料的公交車在北京試運(yùn)成功，另外數(shù)十輛公交車也在進(jìn)行改裝，準(zhǔn)備加入“棄油燒酒”的行列，據(jù)預(yù)測，2050年我國生物質(zhì)能開發(fā)利用量將達(dá)到275Mt標(biāo)準(zhǔn)煤，占一次能源供應(yīng)量的8%[3]。

　　2生物質(zhì)轉(zhuǎn)換技術(shù)的主要能量載體

　　2.1氫氣

　　氫氣作為21世紀(jì)的清潔能源，倍受各國政府和研究人員的青睞。當(dāng)今制取氫氣的主要方法是化石燃料制氫，但化石燃料資源有限，對環(huán)境的污染幾乎不可逆轉(zhuǎn)；水電解制氫的技術(shù)已經(jīng)成熟，但能耗較高，對電力需求旺盛的國家，電解水制氫成本相當(dāng)高。目前，許多研究者對生物質(zhì)制氫很感興趣。Willams.R.H等對生物質(zhì)制氫的成本進(jìn)行評估，在考慮制氫帶來的社會、經(jīng)濟(jì)效益后，生物質(zhì)制取氫氣將是最廉價的制氫方式。生物質(zhì)制氫主要包括生物質(zhì)熱化學(xué)氣化制氫和生物質(zhì)發(fā)酵制氫。

　　2.1.1生物質(zhì)氣化制氫

　　生物質(zhì)氣化是指將預(yù)處理過的生物質(zhì)在氣化介質(zhì)中(如空氣、純氧、水蒸氣或這三者的混合物中)加熱至700℃以上，將生物質(zhì)分解成合成氣。生物質(zhì)氣化的主要產(chǎn)物為氫氣、一氧化碳、甲烷以及少量的二氧化碳與氮?dú)?，混合氣成分的組成因氣化溫度、壓力、氣化停留時間以及催化劑的不同而不同，氣化反應(yīng)器的選擇也是決定混合氣組成的一個重要因素。區(qū)別于常見的生物質(zhì)氣化制氫形式的有超臨界水生物質(zhì)催化氣化制氫和等離子體熱解氣化制氫。

　　超臨界水生物質(zhì)催化氣化制氫是一種新型高效的制氫技術(shù)，是利用超臨界水可以溶解多數(shù)有機(jī)物和氣體，而且密度高、粘性低、運(yùn)輸能力強(qiáng)的特性，可達(dá)到100%的生物質(zhì)氣化率，氣體產(chǎn)物中氫氣的體積百分含量甚至超過50%,反應(yīng)不生成焦油、木炭等副產(chǎn)品，不會造成二次污染。

　　用等離子體進(jìn)行生物質(zhì)轉(zhuǎn)化也引起了許多研究者的注意。典型的有電弧等離子體，其特點(diǎn)是溫度極高，可達(dá)到上萬度，并且這種等離子體還含有大量各種類型的帶電離子、中性離子以及電子等活性物。生物質(zhì)在氮的氣氛下經(jīng)電弧等離子體熱解后，產(chǎn)品的主要組分就是氫氣和一氧化碳。

　　2.1.2生物質(zhì)發(fā)酵制氫

　　微生物發(fā)酵制氫不僅可以利用生物質(zhì)中的化學(xué)鍵，而且可以利用光能。氫氣的產(chǎn)生通常是隨能量代謝過程進(jìn)行的。微生物在常溫常壓下進(jìn)行酶催化反應(yīng)即可制得氫氣。過去的20年內(nèi)，以生物質(zhì)為原材料制氫所用的微生物主要為光合細(xì)菌，但由于其原料來源于有機(jī)酸，限制了這種技術(shù)的工業(yè)化大規(guī)模使用。2000年美國年產(chǎn)H248億m3，已經(jīng)達(dá)到價值1000億美元的市場規(guī)模。

　　2.2乙醇

　　生物質(zhì)轉(zhuǎn)換為乙醇主要有熱化學(xué)轉(zhuǎn)換法和生物轉(zhuǎn)換法。

　　2.2.1熱化學(xué)轉(zhuǎn)化法制乙醇

　　熱化學(xué)轉(zhuǎn)化法制乙醇主要是指在一定溫度、壓力和時間控制條件下將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成液態(tài)燃料乙醇。生物質(zhì)氣化得到中等發(fā)熱值的燃料油和可燃性氣體(一氧化碳、氫氣、小分子烴類化合物)，把得到的氣體組分進(jìn)行重整，即調(diào)節(jié)氣體的比例，使其最適合合成特定的物質(zhì)，再通過催化合成，就可得到液體燃料乙醇(或甲醇、醚、汽油等)。

　　2.2.2生物轉(zhuǎn)換法制乙醇

　　乙醇是生物質(zhì)發(fā)酵制備能量載體的主要目標(biāo)產(chǎn)物之一，最常用的產(chǎn)生乙醇的微生物是酵母。傳統(tǒng)的酵母發(fā)酵法采用谷物或甘蔗糖蜜作為原料，這種制備燃料乙醇的技術(shù)已經(jīng)趨于成熟并有較大規(guī)模應(yīng)用，而對含大量纖維素的植物來說，正在開發(fā)將纖維素水解為糖后再制取乙醇的技術(shù)，對植物中數(shù)量僅次于糖的木糖來說，用轉(zhuǎn)基因酵母發(fā)酵后生產(chǎn)乙醇的技術(shù)也在研發(fā)中。

　　美國和巴西都已把燃料乙醇大量用于汽車燃料中，2000年巴西用甘蔗制燃料乙醇總產(chǎn)量達(dá)793萬t，約占該國汽油消耗量的1/3。美國除用玉米生物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇外，還資助用生物質(zhì)燃料廢料生產(chǎn)燃料乙醇的開發(fā)，Logen公司投產(chǎn)了世界上最大的采用纖維素廢料(小麥禾桿、大麥禾桿等)生產(chǎn)乙醇的裝置，該公司現(xiàn)采用谷物生產(chǎn)乙醇的費(fèi)用約為29美分/L，采用這一新技術(shù)預(yù)計可使未來的工業(yè)生產(chǎn)費(fèi)用減少到約23.78美分/L[7]。美國希望2030年生產(chǎn)850億L乙醇，價格將下降到14美分/L[1]。我國已將生產(chǎn)燃料乙醇項目列入“十五規(guī)劃”中，并將全面推廣使用車用乙醇汽油，正式頒布“變性燃料乙醇”和“車用乙醇汽油”兩項國家標(biāo)準(zhǔn)。近年來我國已開始大力推進(jìn)用玉米制乙醇的工業(yè)化生產(chǎn)，吉林省投資29億元建設(shè)年產(chǎn)60萬t燃料乙醇的項目已于2001年批準(zhǔn)動工，河南和安徽也在進(jìn)行此類項目的調(diào)研。

　　2.3沼氣

　　沼氣技術(shù)在污水處理、堆肥制造、人畜類便、農(nóng)作物秸桿和食品廢物處理等方面已經(jīng)得到廣泛利用，其過程是把生物質(zhì)有機(jī)廢物放在容器中并與細(xì)菌混合，細(xì)菌便在容器中迅速繁殖起來，細(xì)菌在分解過程中釋放出甲烷、氨和二氧化碳。據(jù)報道，印度早在1981年就開始發(fā)展以村為單位的利用家畜糞便生產(chǎn)沼氣的農(nóng)村沼氣國家開發(fā)計劃，在這個計劃指導(dǎo)下，每年新建沼氣池大約118萬座之多。美國俄克拉荷馬州的一家熱回收處理廠建成一套將牛糞轉(zhuǎn)化為沼氣的生產(chǎn)工廠，10萬頭牛的糞便每日能轉(zhuǎn)化為5×104m3的沼氣，可滿足當(dāng)?shù)亟?萬戶家庭使用[2]。我國應(yīng)用沼氣的歷史較長，全國共建成近1000座工業(yè)廢水和畜禽糞便沼氣工程，形成約6億m3/a的生產(chǎn)能力，農(nóng)村沼氣用戶已超過688萬戶，推廣規(guī)模和技術(shù)水平在發(fā)展中國家領(lǐng)先[3]。

　　2.4生物柴油

　　從向日葵、大豆、菜籽、棕櫚、椰子等植物種子中提取的植物油經(jīng)甲酯酰化后可供柴油機(jī)使用，稱為生物柴油。生物柴油具有許多優(yōu)良的品質(zhì)：含氧高，含硫量低，分解性能好，燃燒效率高，潤滑性能大大優(yōu)于石油柴油，可以減少對發(fā)動機(jī)的磨損，開口閃點(diǎn)高(160℃)，儲存、運(yùn)輸、使用更安全，生物柴油還具有良好的環(huán)境性能，有利于減輕大氣污染。

　　2001年歐盟的生物柴油產(chǎn)量已達(dá)100萬t，美國3年里從1500t猛增到2001年的6萬t。日本的莫茲三重公司于2001年開發(fā)成功用廢食用油制造生物柴油的裝置，日處理廢食用油1200L，油的回收率達(dá)80%～85%。京都市于2002年4月投資1.9億日元，建立日產(chǎn)生物柴油5000L的廢食用油生產(chǎn)生物柴油的裝置，2003年投產(chǎn)后主要供于市公共汽車和垃圾運(yùn)輸車使用。美國可再生能源實驗室近年應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)開發(fā)海洋微藻，在戶外種植表明，其脂質(zhì)含量高達(dá)40%，每畝這種產(chǎn)品可提煉生物柴油1～2.5t，在近海種植其前景會很好。

　　2.5生物質(zhì)發(fā)電

　　生物質(zhì)發(fā)電包括直接燃燒發(fā)電和生物質(zhì)氣化發(fā)電。直接燃燒發(fā)電是指用工業(yè)鍋爐把生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化成優(yōu)質(zhì)的能源——電能。生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)的基本原理是把生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可燃?xì)?，再利用可燃?xì)馔苿尤細(xì)獍l(fā)電設(shè)備進(jìn)行發(fā)電。它既能解決生物質(zhì)難于燃用而且分散分布的缺點(diǎn)，又可以充分發(fā)揮燃?xì)獍l(fā)電技術(shù)設(shè)備緊湊而且污染少的優(yōu)點(diǎn)，所以氣化發(fā)電是生物質(zhì)能最有效最潔凈的利用方法之一。

　　美國在這方面的工作比較先進(jìn)，相關(guān)的生物質(zhì)發(fā)電站有350多座，發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)700MW，提供了大約6.6萬個工作崗位，據(jù)有關(guān)科學(xué)家估計，到2010年，生物質(zhì)發(fā)電將達(dá)到13000MW裝機(jī)容量，可安排17萬多就業(yè)人員[8]。瑞典和丹麥實行利用生物質(zhì)進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)的計劃，使生物質(zhì)在提供高品位電能的同時，滿足供熱的需求。2002年日本提出計劃2010年生物質(zhì)能發(fā)電達(dá)33萬kW。我國“十五”國家科技攻關(guān)計劃提出要推廣建成MW級電站10座以上，發(fā)電成本在0.25元/kWh左右。中科院廣州能源研究所對生物質(zhì)能的開發(fā)研究較早，最近又進(jìn)行了4MW級生物質(zhì)氣化燃?xì)?mdash;—蒸汽整體聯(lián)合循環(huán)發(fā)電示范工程的設(shè)計研究，并取得了較好的結(jié)果，該示范工程位于江蘇省鎮(zhèn)江市丹徒經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)。

　　2.6其它能量載體

　　生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換技術(shù)的能量載體很多，除上所述外還有其它如固化的成型燃料、熱分解液化的燃油、氣化后合成的液體燃料(甲醇、二甲醚)等。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人類對生物質(zhì)能的開發(fā)應(yīng)用一定會有更新的進(jìn)步。

　　3結(jié)論

　　(1)生物質(zhì)能作為一種古老而又新興的能源對人類經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生態(tài)平衡的保持起著舉足輕重的作用。政府應(yīng)對此進(jìn)行政策性引導(dǎo)，把發(fā)展新型生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)作為目標(biāo)，加強(qiáng)行業(yè)管理，通過稅收及其它經(jīng)濟(jì)手段將能源的外部社會成本和環(huán)境成本計入能源成本中，以增強(qiáng)生能質(zhì)能的競爭力。加強(qiáng)科研和開發(fā)，借鑒國外成功經(jīng)驗，在生物質(zhì)能應(yīng)用技術(shù)上盡快達(dá)到國際先進(jìn)水平。

　　(2)我國林木覆蓋率只有13%[9]，生態(tài)條件相當(dāng)薄弱，要因地制宜，利用現(xiàn)代生物技術(shù)，加快發(fā)展薪炭林，在大片非耕地上種植速生林，以保證充足的可再生生物質(zhì)原料，其次應(yīng)首先選擇農(nóng)業(yè)廢棄物(秸稈等)作為技術(shù)轉(zhuǎn)化的資源，使農(nóng)牧民都能介入能源市場，獲得穩(wěn)定的收入，提高大家生活質(zhì)量的同時改善人類的生存環(huán)境。

　　(3)實現(xiàn)生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換技術(shù)發(fā)展的多樣化，大力推廣農(nóng)村的沼氣利用技術(shù)，加快用非糧食類生物質(zhì)作原料生產(chǎn)燃料乙醇的研究，開發(fā)出有自主知識產(chǎn)權(quán)的實用技術(shù)，保障我國的能源安全和經(jīng)濟(jì)繁榮，利用我國現(xiàn)有的資源優(yōu)勢，深入發(fā)展生物質(zhì)潔凈能源。

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