秸稈生物質(zhì)能源的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景

【專家解說】：生物質(zhì)是指利用大氣、水、土地等通過光合作用而產(chǎn)生的各種有機(jī)體。農(nóng)作物秸稈是生物質(zhì)的一個重要組成部分，是當(dāng)今世界上僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源，在世界能源總消費(fèi)量中占14%，預(yù)計(jì)到本世紀(jì)中葉，采用新技術(shù)生產(chǎn)的各種生物質(zhì)替代燃料將占全球總能源的40%以上，如何讓秸稈生物質(zhì)能源發(fā)揮最大的效益，是科學(xué)家們重點(diǎn)關(guān)注和研究的課題。
1秸稈生物質(zhì)利用的現(xiàn)狀
秸稈生物質(zhì)具有多功能性，可作為燃料、飼料、肥料、生物基料和工業(yè)原料等。秸稈生物質(zhì)利用主要有三個方面：一是種植(養(yǎng)殖)業(yè)綜合利用秸稈：秸稈快速腐熟還田、過腹還田和機(jī)械化直接還田、生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)飼料和食用菌。二是秸稈能源化利用：秸稈生物氣化(沼氣)、熱解氣化、固化成型、炭化、纖維素制燃料乙醇。三是以秸稈為原料的加工業(yè)：生產(chǎn)非木紙漿、人造板材、包裝材料、餐具等產(chǎn)品，以及秸稈飼料加工業(yè)和秸稈編織業(yè)。
1.1國內(nèi)現(xiàn)狀
我國農(nóng)民對作物秸稈的利用有悠久的歷史，秸稈除少量用于墊圈、喂養(yǎng)牲畜，部分用于堆漚肥外，大部分都作燃料燒掉。但隨著省柴節(jié)煤技術(shù)的推廣，燃煤和液化氣的普及，秸稈大量富余。我國是世界上最大的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)國，纖維素生物質(zhì)資源豐富，總量在12億t以上。目前，農(nóng)村秸稈綜合利用率僅達(dá)到28.7%，與國家秸稈焚燒和綜合利用管理辦法中的年利用率達(dá)到60%，力爭到2015年秸稈綜合利用率超過80%的目標(biāo)要求有很大差距。自20世紀(jì)80年代以來，我國生物質(zhì)能發(fā)展迅速，具體表現(xiàn)在：生物質(zhì)發(fā)電從無到有；沼氣建設(shè)一路高歌；燃料乙醇產(chǎn)量躍居世界第三；生物柴油困境中尋求突破，得以快速發(fā)展。
1.2國外現(xiàn)狀
國外生物質(zhì)能技術(shù)開發(fā)是從20世紀(jì)70年代末期開始的，現(xiàn)在已有了很大進(jìn)展[7]。秸稈直燃發(fā)電的先進(jìn)設(shè)備已投放市場，熱解氣化技術(shù)也飛速猛進(jìn)，燃料乙醇等多項(xiàng)技術(shù)裝備已進(jìn)入規(guī)?；蜕唐坊A段。
丹麥?zhǔn)鞘澜缟献钤缡褂媒斩挵l(fā)電的國家。丹麥?zhǔn)锥几绫竟阅系陌⒕S多發(fā)電廠建于20世紀(jì)90年代，是全球效率最高、最環(huán)保的熱電聯(lián)供電廠之一，每年燃燒15萬t秸稈，可滿足幾十萬用戶的供熱和用電需求。
在加拿大首都渥太華以北的農(nóng)業(yè)區(qū)，每年在收割季節(jié)，玉米收割機(jī)一邊收割一邊把玉米稈切碎，切碎的玉米稈作為肥料返到田里。
在日本，主要有兩種秸稈處理方式：混入土中作為肥料，或作粗飼料喂養(yǎng)家畜。近年日本地球環(huán)境產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究機(jī)構(gòu)與本田技術(shù)研究所共同研制出從秸稈纖維素中提取酒精燃料的技術(shù)，向?qū)嵱没l(fā)展。
秸稈在美國的用途很廣，可作飼料、手工制品，還用來蓋房。有關(guān)秸稈與纖維素乙醇的提煉問題，則是秸稈綜合回收利用在美國的最新進(jìn)展。
2秸稈生物質(zhì)的能源化應(yīng)用
國內(nèi)外生物質(zhì)能利用技術(shù)經(jīng)過20多年的研究和發(fā)展，其能源化應(yīng)用主要有：已經(jīng)普及的節(jié)能灶、小沼氣；處于示范、推廣階段的厭氧處理糞便和秸稈氣化集中供氣技術(shù)；處于中試階段的生物質(zhì)能壓制成型及其配套技術(shù)；正在研究中的纖維素原料制取酒精、熱化學(xué)液化技術(shù)、供熱發(fā)電和燃?xì)獯呋迫錃獾取？商峁┑哪芰恐饕须娔堋崮芎徒煌茉础?br>2.1電能
生物質(zhì)能發(fā)電主要有兩條工藝技術(shù)路線，即氣化發(fā)電和直接燃燒發(fā)電。
世界各國高度重視秸稈發(fā)電項(xiàng)目的開發(fā)，將其作為21世紀(jì)發(fā)展可再生能源的戰(zhàn)略重點(diǎn)和具備發(fā)展?jié)摿Φ漠a(chǎn)業(yè)。丹麥已建有130多座秸稈發(fā)電站，秸稈發(fā)電等可再生能源已占該國能源消耗總量的24%，丹麥BWE發(fā)電技術(shù)也在西班牙、英國、瑞典、芬蘭、法國等國投產(chǎn)運(yùn)行多年，其中英國坎貝斯的生物質(zhì)能發(fā)電廠是目前世界上最大的秸稈發(fā)電廠，裝機(jī)容量3.8萬kW；其它如日本的“陽光計(jì)劃”、美國的“能源農(nóng)場”，美國有350座生物質(zhì)發(fā)電站，總裝機(jī)容量達(dá)7000MW，提供了大約6.6萬個工作崗位，2010年美國生物質(zhì)能發(fā)電達(dá)到13000MW裝機(jī)容量；印度有“綠色能源工廠”等，秸稈發(fā)電技術(shù)已被聯(lián)合國列為重點(diǎn)項(xiàng)目予以推廣。我國的秸稈發(fā)電技術(shù)雖然起步較晚，但發(fā)展較快，國內(nèi)在建農(nóng)作物秸稈發(fā)電項(xiàng)目136個，分布在河南、黑龍江、遼寧、新疆、江蘇、廣東、浙江、甘肅等多個省市。根據(jù)我國新能源和可再生能源發(fā)展綱要提出的目標(biāo)和國家發(fā)改委的要求，至2020年，五大電力公司清潔燃料發(fā)電要占到總發(fā)電的5%以上，生物質(zhì)能發(fā)電裝機(jī)容量要超過3000萬kW。
2.2熱能
秸稈生物質(zhì)通過液化或固化等方式制造成燃料可直接供熱，或是制造成秸稈清潔煤炭等等。秸稈煤炭是一種新型的生物質(zhì)再生能源，環(huán)保清潔，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原煤的成本和市場價格，應(yīng)用范圍極為廣泛，可以代替木柴、原煤、液化氣，廣泛用于生活爐灶、取暖爐、熱水鍋爐、工業(yè)鍋爐等。但是如何將生物質(zhì)燃料像煤、煤氣和天然氣一樣在老百姓的生活中普及，還需大力宣傳和推廣。
2.3交通能源
秸稈的主要成分是碳、氫、氧等元素，有機(jī)成分以纖維素、半纖維素為主，其次為木質(zhì)素、蛋白質(zhì)、脂肪、灰分等，用秸稈轉(zhuǎn)化的生物燃料如生物乙醇和生物柴油作為交通能源，同石油、天然氣和煤等化石燃料相比，最大特點(diǎn)是可再生性和對環(huán)境更友好。國際上生物交通能源技術(shù)相對成熟，主要路線是：谷物、秸稈、其它植物等發(fā)酵生產(chǎn)乙醇-車用油、乙烯、無毒溶劑及上百種化工、原材料產(chǎn)品等；我國秸稈交通能源技術(shù)研究雖然起步較晚，但日趨成熟，有些正形成小型規(guī)模和商品化。
3秸稈生物質(zhì)能源化應(yīng)用技術(shù)
秸稈生物質(zhì)能源化應(yīng)用技術(shù)主要包括秸稈沼氣(生物氣化)、秸稈固化成型燃料、秸稈熱解氣化、直燃發(fā)電和秸稈干餾等方式。
3.1沼氣發(fā)酵生物法(生物氣化)
秸稈生物氣化是秸稈在厭氧條件下經(jīng)微生物發(fā)酵而產(chǎn)生沼氣和有機(jī)肥料的技術(shù)工程，可利用稻草、麥秸、玉米秸等多種秸稈，并可與農(nóng)村生活垃圾、果蔬廢物、糞便等混合發(fā)酵，原料組合非常靈活，來源充足，有著廣闊的發(fā)展空間和發(fā)展?jié)摿?。秸稈沼氣技術(shù)分為戶用秸稈沼氣和秸稈沼氣集中供氣兩種形式。秸稈入池產(chǎn)氣后產(chǎn)生的沼渣作肥料還田，提高了秸稈資源的利用效率，氣化效率通?？蛇_(dá)70%~80%。
秸稈沼氣技術(shù)的工藝流程為：秸稈預(yù)處理#堆漚#投料#加水封池#點(diǎn)火試氣。由于秸稈中含有大量的纖維素、木質(zhì)素，導(dǎo)致分解速度較慢，產(chǎn)氣周期較長。若將秸稈直接入沼氣池進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)氣慢、氣量少、不經(jīng)濟(jì)、難以大面積推廣應(yīng)用。為了提高產(chǎn)氣量，主要應(yīng)解決預(yù)處理技術(shù)和發(fā)酵菌種及適合秸稈物料特性的高效厭氧發(fā)酵反應(yīng)器研制等問題。
沼氣發(fā)酵的優(yōu)點(diǎn)：(1)菌種在適合的情況下，發(fā)酵及供能速度快；(2)原料簡單易得，利用率較高；(3)前期投入少，不需要大型機(jī)械和復(fù)雜環(huán)境。
沼氣發(fā)酵的缺點(diǎn)：(1)建廠條件高，需要配套的小項(xiàng)目多，投資成本高，短期內(nèi)效益低；(2)小型沼氣工程存在產(chǎn)氣不穩(wěn)定及發(fā)酵速度慢、相對效率低的問題；(3)大型沼氣工程技術(shù)要求高，推廣難度大。
3.2秸稈氣化爐氣化法(熱解氣化)
秸稈熱解氣化是以農(nóng)作物秸稈、稻殼、木屑、樹枝以及農(nóng)村有機(jī)廢棄物等為原料，在氣化爐中缺氧的情況下進(jìn)行燃燒，使秸稈在700~850?的氣化溫度下發(fā)生熱解氣化反應(yīng)，產(chǎn)生一氧化碳、氫氣、甲烷等可燃?xì)怏w用于工業(yè)發(fā)電、熱電聯(lián)產(chǎn)、液體燃料合成、居民集中供氣、工業(yè)燃?xì)忮仩t、工業(yè)干燥和采暖供熱等方面。
秸稈熱解氣化的優(yōu)點(diǎn)：(1)秸稈燃燒充分，基本沒有煙熏，殘余灰燼少；(2)熱值高，2t秸稈的熱值相當(dāng)于1t煤，燃燒溫度高，火力強(qiáng)，節(jié)省時間；(3)燃燒的火焰溫度、熱能強(qiáng)度可控制調(diào)節(jié)，并實(shí)現(xiàn)開、關(guān)兩位操作，使用方便；(4)不受季節(jié)約束，可實(shí)現(xiàn)不間斷供氣；(5)不需要輔助能源或化學(xué)添加劑。
秸稈熱解氣化的缺點(diǎn)：(1)熱解氣化過程中揮發(fā)出多種有機(jī)化合物和焦油，若不加以回收利用，
易造成環(huán)境污染和二次污染；(2)只利用了單一的可燃?xì)?，資源利用率低，且存在一定的安全隱患。
經(jīng)過近20年的努力，我國生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)日趨完善。我國自行研制的集中供氣和戶用氣化爐產(chǎn)品已進(jìn)入實(shí)用化試驗(yàn)及示范階段，形成了多個系列的爐型，可滿足多種物料的氣化要求，在生產(chǎn)、生活用能、發(fā)電、干燥、供暖等領(lǐng)域得到利用。
現(xiàn)已研發(fā)出突破性的生物質(zhì)能源聯(lián)產(chǎn)綜合利用技術(shù)，即在氣化爐內(nèi)將生物質(zhì)材料在限制供氧的條件下燃燒，發(fā)生一系列燃燒反應(yīng)，同時回收產(chǎn)生的氣、液、炭和熱水。熱解產(chǎn)生的氣體主要含有甲烷、乙烯、一氧化碳、氫氣等可燃性氣體，可將其輸入燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電或直接向用戶供氣；產(chǎn)生的液體中含有酸類、醇類、酯類、醛類、酮類、酚類等多種化學(xué)成分，可用作家畜、家禽飼養(yǎng)中的消毒殺菌液、除臭劑，或用作促進(jìn)作物生長的葉面肥，在有機(jī)農(nóng)作物種植中施用；產(chǎn)生的固體生物質(zhì)炭經(jīng)過處理可作為工業(yè)用炭、生活用炭、有機(jī)復(fù)合肥、肥料緩釋劑等；冷卻爐體產(chǎn)生的熱水可用于工業(yè)或民用，這項(xiàng)技術(shù)具有良好的推廣和應(yīng)用前景。
3.3直接燃燒法
直接燃燒法是直接將收集的秸稈生物質(zhì)原料集中、粉碎、干燥后投入鍋爐中燃燒發(fā)電，可以采用鍋爐－蒸汽－蒸汽輪機(jī)－發(fā)電機(jī)的工藝方式，也可以采用熱電聯(lián)供的方式以提高系統(tǒng)效率。該技術(shù)基本成熟，已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段。對于秸稈發(fā)電廠來說，給料方式主要有兩種：一種是切碎給料，一種是整包給料。以6MW秸稈直燃發(fā)電系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)采用汽輪機(jī)組進(jìn)行發(fā)電，發(fā)電效率20%，自用電率10%，碳轉(zhuǎn)化率90%，系統(tǒng)總供電效率18%。
直接燃燒法是目前在秸稈生物質(zhì)能源化利用中最簡單方便也是唯一實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用的方法。但缺點(diǎn)明顯：其熱效率僅為氣化的三分之一，且投資大；由于秸稈燃料中堿金屬以及氯元素的含量相對較高，燃燒后將產(chǎn)生較強(qiáng)的高溫腐蝕，并引發(fā)床料聚團(tuán)、結(jié)渣等問題；燃燒面積大，不能充分利用資源；生物質(zhì)燃燒過程產(chǎn)生的細(xì)粒子影響城市和區(qū)域空氣質(zhì)量，降低大氣能見度，損害人體健康，甚至影響區(qū)域和全球氣候。
根據(jù)國外生物質(zhì)發(fā)電廠運(yùn)行實(shí)績統(tǒng)計(jì)以及我國權(quán)威部門測算，生物質(zhì)燃燒發(fā)電成本遠(yuǎn)高于常規(guī)燃煤發(fā)電成本，約為煤電的1.5倍。盡管如此，大力發(fā)展秸稈發(fā)電，不僅可以減少由于在田間地頭大量焚燒、廢棄秸稈所造成的污染，變廢為寶，化害為利，而且對解決“三農(nóng)”問題、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用。截至2008年8月底，我國共上馬了生物質(zhì)能發(fā)電項(xiàng)目136個，總裝機(jī)規(guī)模220萬kW。
3.4液化乙醇法
乙醇作為替代能源，已在巴西、美國、瑞典、中國等得到應(yīng)用。傳統(tǒng)的由玉米秸稈制備乙醇的工藝包括預(yù)處理、水解、發(fā)酵3個步驟。通過預(yù)處理分離木質(zhì)素等不利于發(fā)酵的成分、破壞纖維素的束狀結(jié)構(gòu)、提高纖維素水解效率、降低纖維素酶的成本、開發(fā)木糖發(fā)酵用的微生物菌種和優(yōu)化生產(chǎn)過程等，均是生產(chǎn)乙醇的關(guān)鍵。而最近研究出的木材液化過程中，木質(zhì)素首先被液化，其次是半纖維素，最后才是纖維素，這就有可能將秸稈中木質(zhì)素等不利于發(fā)酵制備乙醇的成分與纖維素分離，達(dá)到秸稈預(yù)處理的目的。分離的程度是制備乙醇的關(guān)鍵。
利用農(nóng)作物秸稈為原料生產(chǎn)生物乙醇，同時聯(lián)產(chǎn)重要的碳四平臺化合物丁二酸。丁二酸可生產(chǎn)新型可降解塑料PBS等新材料，有著極其廣闊的投資與應(yīng)用前景。據(jù)了解，我國每年約產(chǎn)生1.5億t玉米秸稈，利用纖維素轉(zhuǎn)化利用技術(shù)，可生產(chǎn)1500萬t生物燃料及1800萬t加工產(chǎn)品，相當(dāng)于4500萬t石油產(chǎn)生的價值。秸稈乙醇項(xiàng)目還可實(shí)現(xiàn)真正意義上的純生物流程生產(chǎn)。其生產(chǎn)過程基本不消耗化學(xué)能源，每6t秸稈纖維大約產(chǎn)生1t乙醇、1t二氧化碳，除去損耗的余渣約3.5t，可代替煤用于鍋爐。整個流程將是真正意義上的取之自然、用于自然、回歸自然的純天然過程。
隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，麥秸、玉米稈、稻草經(jīng)過生產(chǎn)加工，最終都可以變成能夠替代石油的燃料乙醇，可逐步替換目前的石油制品燃料，降低中國過高的原油依賴度，對緩解我國能源短缺、提高農(nóng)民收入、保護(hù)大氣環(huán)境等均有重要的戰(zhàn)略意義。國家發(fā)改委宣布：中國將在未來使用更多的非糧乙醇燃料來替代原油，具體包括2010年開始每年使用超過200萬t非糧農(nóng)作物提煉出來的乙醇燃料以及20萬t生物柴油，而到2020年分別增加至1000萬t和200萬t。
3.5壓塊固化燃燒法
植物細(xì)胞中除含有纖維素、半纖維素外還含有木質(zhì)素，木質(zhì)素是具有芳香族特性的結(jié)構(gòu)單體為苯丙烷型的立體結(jié)構(gòu)高分子化合物，其常溫下不溶于任何有機(jī)溶劑，但在200~300?時會軟化液化，此時如施加一定的壓力可使其與纖維素緊密粘接，并與相鄰秸稈顆?；ハ嗄z接，冷卻后即可固化成型。秸稈制煤、制炭技術(shù)是以玉米、大豆、棉花、水稻等農(nóng)作物秸稈，以及廢棄的花生殼、鋸末、雜草、稻殼、樹枝等為燃料，在隔絕空氣的條件下，快速處理成秸稈炭，經(jīng)粉碎后，再與粘土和其它粘合劑混合，壓制成蜂窩煤型或炭棒型。
壓塊固化燃燒的優(yōu)點(diǎn)：(1)通過生物質(zhì)壓塊機(jī)等進(jìn)行短時間內(nèi)的轉(zhuǎn)化，非常方便省時；(2)密度大，燃燒時間長，體積縮小6~8倍，密度為1.1~1.4t%m-3；(3)熱值高，方便運(yùn)輸和貯藏。
壓塊固化燃燒的缺點(diǎn)：成本較高，尚未能推廣用于電廠，多為小范圍的供熱等。
壓塊固化是極具投資價值的高回報技術(shù)。秸稈煤炭應(yīng)用范圍廣，可以代替木柴、液化氣，能廣泛用于生活爐灶、取暖爐、熱水鍋爐、工業(yè)鍋爐等。根據(jù)農(nóng)業(yè)部的目標(biāo)，2010年，結(jié)合解決農(nóng)村基本能源需要和改變農(nóng)村用能方式，全國將建成400個左右秸稈固化成型燃料應(yīng)用示范點(diǎn)，秸稈固化成型燃料年利用量達(dá)到100萬t左右；到2015年，秸稈固化成型燃料年利用量達(dá)到2000萬t左右。
3.6其它方法
目前，還有將秸稈通過固態(tài)微貯水解預(yù)處理和催化產(chǎn)氫即利用氫能并通過氫能發(fā)電的研究。
4展望
據(jù)專家預(yù)測，如果將秸稈利用技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，以50km為半徑建設(shè)小型秸稈加工廠，那么按秸稈到廠價40元%t-1，農(nóng)民每畝就可增收200元以上；如果我國每年能利用全國50%的作物秸稈、40%的畜禽糞便、30%的林業(yè)廢棄物，以及開發(fā)5%的邊際土地種植能源作物，并建設(shè)約1000個生物質(zhì)轉(zhuǎn)化工廠，那么其產(chǎn)出的能源就相當(dāng)于年產(chǎn)5000萬t石油，約為一個大慶油田的年產(chǎn)量，可創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益400億元并提供1000多萬個就業(yè)崗位。
今后我國秸稈生物質(zhì)能利用技術(shù)將在以下方面發(fā)展：高效直接燃燒技術(shù)與設(shè)備、集約化綜合開發(fā)利用、新技術(shù)開發(fā)。希望國家各級政府和部門加快推進(jìn)秸稈生物質(zhì)能源綜合利用，促進(jìn)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會建設(shè)。

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