生物質能源工程技術研究進展

唐亮

摘要：研究生物質能源工程技術在能源安全、環(huán)境保護、農(nóng)村發(fā)展方面的重要意義，介紹國內(nèi)外生物質能源工程技術的研究發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，為加速我國生物能源的開發(fā)利用提供理論參考。

關鍵詞：生物質能源；工程技術；環(huán)境保護；農(nóng)村發(fā)展

中圖分類號： S216.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2016）01-0067-03

未來科技、經(jīng)濟和社會發(fā)展的競爭首先是能源的競爭。目前，全世界約85%的能源是通過燃燒化石燃料獲得的，按現(xiàn)在的消費量推算，世界石油資源在今后50～80 a間將消耗殆盡。因此，開發(fā)和利用新能源來替代化石能源，已得到世界各國的高度重視。2002年，在約翰內(nèi)斯堡舉行的世界峰會上，各國首腦取得了共識：發(fā)展可再生能源對人類可持續(xù)發(fā)展至關重要。我國作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，生物質資源數(shù)量巨大，每年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢棄物產(chǎn)量約為6.5億t，到2015年，產(chǎn)量可達7.3億t，可產(chǎn)生超過12 EJ的能量。

1 發(fā)展生物質能源工程技術的意義

1.1 保障國家能源安全

近年來，隨著經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展，能源需求不斷增加，我國正面臨著嚴峻的能源安全形勢。2005年，全國一次能源消耗量已達到22.2億標準煤，約占世界能源消耗總量的15%，是世界第二大能源消耗國。“十一五”至2020年是我國全面建設小康社會的重要時期，能源需求將持續(xù)增長，因此，積極開發(fā)生物質能源、逐步減少化石能源消耗、提高可再生能源利用比重，是我國保障能源安全的重要戰(zhàn)略舉措。

1.2 保護環(huán)境及可再生資源

我國能源消費結構以煤為主，是世界第一大煤炭生產(chǎn)和消費國。2005年，我國煤炭消費量為21.4億t，占一次能源消費總量的68.7%。大量燃用煤炭造成了嚴重的環(huán)境問題。據(jù)統(tǒng)計，全國CO2排放總量的90%是由燃煤造成的，酸雨面積已占全國的1/3，大氣污染損失已相當于全國GDP的10%。預計2030年，我國可能成為世界第一排放大國。開發(fā)利用清潔的、豐富的生物質能是有效替代化石能源、減少污染物排放、保護環(huán)境、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要措施。

1.3 促進農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展

我國有80%的人口生活在農(nóng)村，秸稈和薪柴等生物質能是農(nóng)村的主要生活燃料，不僅利用效率低，而且造成嚴重的室內(nèi)外環(huán)境污染，危害人體健康。而在華東、華南地區(qū)，富裕起來的農(nóng)民對優(yōu)質能源的需求日益增加，直接燃用秸稈等低品位的能源越來越少，導致大量農(nóng)業(yè)廢棄物被焚燒在田間。按照全國生物質能開發(fā)利用工作會議上確定的目標設想，如果到2020年我國實現(xiàn)1.1億t標準煤的開發(fā)利用量，將創(chuàng)造產(chǎn)值2 000多億元，推動相關行業(yè)產(chǎn)值2 000多億元。其中，農(nóng)村經(jīng)濟產(chǎn)值將增加1 000億元，增加就業(yè)機會50萬～100萬個，這對我國新農(nóng)村和小城鎮(zhèn)建設將起到十分重要的推動作用。

2 國內(nèi)外生物質能源研究現(xiàn)狀

2.1 國外

2.1.1 生物質熱解氣化技術 自20世紀70年代起，美國開始研究以城市生活垃圾、木材、秸稈為原料的熱解回收能量技術。熱解氣化所得可燃氣可直接燃燒，用于供暖、做飯、城市煤氣和燃氣發(fā)電。歐美國家的生物質氣化發(fā)電技術處于領先水平，美國總裝機容量已達9×103 MW，單機容量達10～25 MW，預計2020年將達3×105 MW；丹麥建有許多小型的利用木材和秸稈的氣化爐，用于家庭冬季供暖；瑞典能源中心采用生物質氣化和聯(lián)合循環(huán)發(fā)電等先進技術在巴西建立了一座裝機容量為20～30 MW的蔗渣發(fā)電系統(tǒng)。

2.1.2 生物質液化技術 最早從事生物質液化技術研究的是美國礦物局匹茲堡能源研究中心，其在35 ℃及高壓條件下，以碳酸鈉為催化劑，把木屑轉化成重油。近年來，歐洲等國在生物質液化技術方面開展了大量研究。其中，德國在此方面處于較高的研究水平，如德國的Choren工業(yè)公司于2002年在Freigerg建立了一個大型的生物質液化示范工廠，使用的原料主要是木屑和秸稈。該工廠已生產(chǎn)出高品質的生物燃油，達到車用燃油要求，生產(chǎn)成本接近同熱值的化石燃料。

目前，有關液化技術的研究主要集中在如何提高液化產(chǎn)物收率、尋求高效精制技術、降低運行成本、實現(xiàn)產(chǎn)物綜合利用和工業(yè)化生產(chǎn)等方面。Lappas等采用循環(huán)流化床反應器對木質素類生物質進行快速直接液化，發(fā)現(xiàn)在生物質中加入一定比例的二氧化硅和ZSM—5后，生物質能有效地被催化裂解成液體產(chǎn)物，液體產(chǎn)物的收率高達70%以上。同時，該技術與常規(guī)液化技術相比，液體中有機物的含量明顯提高，而副產(chǎn)物水、焦炭和氣體產(chǎn)物的比例明顯降低。

2.1.3 生物質乙醇化技術 乙醇可以通過含糖、淀粉或纖維素的生物質發(fā)酵過程得到，但以作物秸稈為原料生產(chǎn)乙醇的技術難度就大多了，主要的解決方法是對作物秸稈進行各種處理，以提高纖維素酶的水解效率。最有發(fā)展前景的途徑是，通過基因工程技術培養(yǎng)出能產(chǎn)生高效纖維素水解酶的生物新菌種。盡管以作物秸稈為原料生產(chǎn)乙醇還有很大的難度，但國內(nèi)外在此方面還是進行了很多的研究。在美國環(huán)保署的支持下，2001年在加州建立了一個大型的以作物秸稈為原料生產(chǎn)乙醇的示范工廠，以評價這種技術和工藝的經(jīng)濟性和應用的可行性。

2.2 國內(nèi)

我國于20個世紀50年代開始秸稈氣化技術的研究。到目前為止，秸稈氣化技術比較完善，甚至在某些方面處于世界領先水平。

中國科學院廣州能源研究所在循環(huán)流化床氣化發(fā)電方面取得了一系列進展，成功開發(fā)出4MWe的秸稈氣化技術。通過開展生物質整體氣化聯(lián)合循環(huán)技術研究，建設并運行了多套氣化發(fā)電系統(tǒng)。西安交通大學著重于生物質超臨界催化氣化制氫方面的基礎研究。中國林業(yè)科學院林產(chǎn)化學工業(yè)研究所在生物質流態(tài)化氣化技術、內(nèi)循環(huán)錐形流化床富氧氣化技術方面取得了成果；天津大學著重于生物質流化床快速熱解-催化蒸汽重整制氫及催化氣化技術的開發(fā)研究，目前正在進行生物質流化床高效氣化供氣系統(tǒng)的開發(fā)；中國科技大學進行了生物質等離子體氣化、秸稈氣化合成等技術的研究；清華大學進行了生物質流化床熱解氣化及氣化過程的混合神經(jīng)網(wǎng)絡模型研究；山東大學開發(fā)了下吸式固定床氣化技術；山東省科學院能源研究所開發(fā)了低焦油二步法氣化技術；浙江大學對雙流化床氣化技術進行了研究，并開發(fā)示范了中熱值氣化供氣與發(fā)電裝置；華中科技大學進行了流化床的氣化研究；東南大學提出了串聯(lián)流化床零排放制氫技術路線；同濟大學進行了生物質固定床氣化過程的研究。此外，哈爾濱工業(yè)大學、上海交通大學、中國科學院山西煤炭化學研究所、江漢大學、華南理工大學、太原理工大學、河南省科學院能源研究所等單位也取得了一些特色性的研究進展。

我國是世界上開展沼氣技術研究最早的國家之一。全國建有沼氣池的農(nóng)戶在600萬戶以上，建成大中型沼氣池460多座。大中型沼氣池年處理有機廢物3 000萬t左右，其中主要是動物糞便和作物秸稈。目前，厭氧消化技術主要向以下幾方面發(fā)展：一是大型化、工業(yè)化；二是開發(fā)以作物秸稈為主原料的厭氧消化技術；三是沼氣的工業(yè)化應用。我國小型戶用沼氣技術已相當成熟，無論在技術上還是在推廣使用上，均處于國際領先地位。但大中型沼氣項目比較少，無法適應工業(yè)化的需求。北京化工大學在農(nóng)業(yè)部的支持下，在山東省泰安市建立了我國也是世界上第一個以作物秸稈為“主”原料的大規(guī)模厭氧消化裝置。建設9個反應器，總反應體積450 m3，年可消耗玉米秸288 t、牛糞360 t，其中，玉米秸稈的使用量占干物質總量的60%以上；年生產(chǎn)沼氣69 120 m3，可為全村180戶農(nóng)戶提供生活用能，同時還可生產(chǎn)出104 t有機肥料。該項目在技術上有兩大重要突破：一是對難以生物降解的玉米秸稈進行化學預處理，明顯提高了玉米秸的可厭氧消化性；二是利用太陽能加熱反應器提高消化溫度和效率，使反應器在春季和秋季實現(xiàn)中溫消化，在夏季實現(xiàn)高溫消化。結果顯示，與一般的厭氧消化系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的消化效率和產(chǎn)氣量可提高1倍以上。

我國開展作物秸稈液化技術的研究起步較晚。張全國等利用玉米秸稈液化技術制得生物焦油，它是由烴類、酚類、酸類、醛類、酯類等多種有機成分組成的混合物；蒸餾所得140～200 ℃輕質餾出物，各方面性能指標與車用柴油相近，可作為發(fā)動機燃料的替代品；而200 ℃以上重質餾出物可進一步加工制造焦油抗聚劑、抗氧劑、工業(yè)雜酚和生物瀝青增塑劑等化學品。2004年，Song等利用熱重分析法對玉米秸稈液化技術進行了深入研究，發(fā)現(xiàn)碳酸鈉對液化過程有明顯的促進作用。當碳酸鈉加入量高于1.0%時，液化的活化能隨之降低，差熱質量分析曲線由2個峰變?yōu)?個峰；在3 mL/min水溶劑與25 MPa壓力下對玉米秸稈進行液化時，其液化率可達95%以上，生物油的收率可提高到47.2%。徐保江等開發(fā)了作物秸稈液化制生物油旋轉錐式生物質熱解系統(tǒng)，該模型可為所需固體滯留期設計出適宜的反應器錐角、結構尺寸、熱載體、粒徑等工藝參數(shù)，提高了生物質油的收率和液化反應器的設計能力。

3 結論

生物質能應用技術的研究開發(fā)，在現(xiàn)階段主要是從生態(tài)環(huán)境、環(huán)境保護的角度出發(fā)，從中長期來看，可彌補資源有限性的不足。因此，生物質能源開發(fā)利用的社會效益遠遠大于經(jīng)濟效益，需要國家的政策扶持和財力支撐，并制訂相關政策鼓勵和支持企業(yè)投資生物質能源開發(fā)項目。

我國有豐富的生物質資源，但人均資源相對偏小，因此，在生物質應用技術發(fā)展方向上，我國分散的能源系統(tǒng)應首先滿足農(nóng)村鄉(xiāng)、鎮(zhèn)、村不斷增長的能量需求，重點解決居民生活用能，減少化石能源尤其是煤炭的使用。在經(jīng)濟條件較發(fā)達的鄉(xiāng)村地區(qū)應大力推廣木煤氣化系統(tǒng)，同時推廣成型燃料及專用取暖爐以取代煤爐取暖的小型鍋爐，并著手研發(fā)專門使用生物質的直接燃料鍋爐。

國家在科研項目安排方面，應給生物質能應用研究留一定的空間，強化生物質能化學轉換中的催化降解、直接和間接液化機理，高產(chǎn)生物能基因及其變異性規(guī)律，生物轉化微生物“雜交”等基礎理論和應用研究，加強生物質研究領域的國際交流與合作，引進國外先進的生物質利用技術和設備，加快我國生物質開發(fā)利用的步伐，建立符合我國國情的生物質能開發(fā)利用結構體系。