生物質(zhì)能源的研究綜述

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(蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院 應(yīng)用化學(xué)工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

隨著技術(shù)革命的不斷進(jìn)步，人類社會(huì)對(duì)能源的需求量和消耗量也日益俱增，傳統(tǒng)的化石能源的壓力也愈來愈大，以太陽能、生物質(zhì)能為代表的新能源這個(gè)時(shí)候應(yīng)運(yùn)而生，受到越來越多國家能源工作者的關(guān)注。本文將主要介紹下生物質(zhì)能的特點(diǎn)以及利用技術(shù)的進(jìn)展。

1 生物質(zhì)能源的概述

1.1 什么是生物質(zhì)能源

傳統(tǒng)意義上的生物質(zhì)能源是指以生物質(zhì)作為載體的能量，即太陽能以化學(xué)能的形式將能量儲(chǔ)存在可以生長的有機(jī)生物質(zhì)中。所以可以說生物質(zhì)能源也是太陽能的一種表現(xiàn)形式，是直接或間接地來源于綠色植物的光合作用，然后通過某種技術(shù)將其轉(zhuǎn)化為常規(guī)的燃料，可以是氣態(tài)、固態(tài)以及液態(tài)。能源工作者一致認(rèn)為生物質(zhì)能源是真正意義上的取之不盡、用之不竭，是一種可再生的能源，甚至可以說生物質(zhì)能源是能源之源，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的化石能源(如煤、石油等)的形成離不開生物質(zhì)[1]。

1.2 生物質(zhì)能源的特點(diǎn)

生物質(zhì)能源作為備受關(guān)注的新能源之一，具有很多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，比如清潔、可再生等，但是也具有一些不可忽視的缺點(diǎn)，比如分布密集性差、分布不均衡等。

1.2.1 生物質(zhì)能源的優(yōu)點(diǎn)

生物質(zhì)能源最大的優(yōu)點(diǎn)就是相比較其他新能源來講，利用技術(shù)上的難題是最少的，而相比較傳統(tǒng)的化石能源來講，生物質(zhì)能源的可再生性又是其無法比擬的。總結(jié)生物質(zhì)能源的優(yōu)點(diǎn)主要就是地球總的蘊(yùn)藏量較大，屬于清潔可再生資源，同時(shí)也屬于廉價(jià)易利用的能源，可以加以開發(fā)利用的應(yīng)用范圍也比較廣[2]。

1.2.2 生物質(zhì)能源的缺點(diǎn)

生物質(zhì)能源的蘊(yùn)藏量雖然是地球上最豐富的能源之一，但是分布卻比較分散，所以在利用的過程中，收集、運(yùn)輸以及前處理的投資成本比較高，同時(shí)不同種類的生物質(zhì)能源分布不均衡，在利用的過程中與傳統(tǒng)的農(nóng)林業(yè)的資源使用不協(xié)調(diào)。所以直至目前，生物質(zhì)能源的利用還只是小規(guī)模的利用，未能將資源合理的規(guī)劃整合利用。一般情況下，生物質(zhì)中的水分含量比較大，這直接導(dǎo)致了生物質(zhì)能源在利用的時(shí)候其燃燒值和熱裂解特性比較低。

1.3 生物質(zhì)能的分類

廣義上講有機(jī)物質(zhì)中除了礦物燃料以外的其他所有來源于動(dòng)植物的能源物質(zhì)都屬于生物質(zhì)能源范圍，這類物質(zhì)就包括植物、木材、林業(yè)廢棄物、農(nóng)業(yè)廢棄物、工業(yè)有機(jī)廢棄物以及動(dòng)物糞便等。我們根據(jù)生物質(zhì)的來源的不同，把生物質(zhì)能源先分成5大類：農(nóng)業(yè)資源、林業(yè)資源、工業(yè)有機(jī)廢水、生活污水、城市固體廢棄物以及畜禽糞便。其中，農(nóng)林業(yè)資源是生物質(zhì)能源的主要來源，也是目前利用量最大、利用技術(shù)最成熟的生物質(zhì)能源[3]。

2 生物質(zhì)能源的利用

地球上的可以利用的生物質(zhì)能資源非常豐富。據(jù)統(tǒng)計(jì)，地球上每年通過光合作用產(chǎn)生的生物有機(jī)質(zhì)約有1730億噸，這些生物質(zhì)中所蘊(yùn)含的能量是全球能源消耗總量的10～20倍，數(shù)據(jù)相當(dāng)可觀，可是截至目前，全球?qū)ι镔|(zhì)能源的利用率甚至沒有達(dá)到3%。即使這樣，人類對(duì)生物質(zhì)能源的利用量卻在所有能源利用中排名第四，是僅次于傳統(tǒng)的三大化石能源利用量。生物質(zhì)能源可以用作沼氣(主要在新農(nóng)村建設(shè)中)，可以壓縮成型固體燃料以增加其利用過程中的能量密度，也可以氣化發(fā)電用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃煤，還要熱裂解生產(chǎn)生物柴油等，以及應(yīng)用在國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域之中[4]。

目前，人類對(duì)生物質(zhì)能源的利用方式主要有直接燃燒法(比如農(nóng)作物的秸稈、薪柴等)，或者采用生化轉(zhuǎn)化、液化技術(shù)、氣化技術(shù)轉(zhuǎn)化成氣體或者液體燃燒，還可以制造固體的生物炭。在我國，生物質(zhì)能源的利用方式最主要的有直接燃燒法、熱化學(xué)轉(zhuǎn)化法和生物轉(zhuǎn)化法這三種途徑。

2.1 生物質(zhì)直接燃燒法

在今后相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，生物質(zhì)直接燃燒法由于利用技術(shù)難題較少的優(yōu)勢(shì)，將成為我國生物質(zhì)能源利用的主要方式，包括爐灶燃燒技術(shù)、鍋爐燃燒技術(shù)、致密成型技術(shù)和垃圾焚燒技術(shù)等。其中，爐灶燃燒是最傳統(tǒng)的利用生物質(zhì)能源的方式，在我國部分農(nóng)村地區(qū)至今仍在用燒柴灶，可是這種利用方式效率十分低，故而是逐漸要被淘汰的。目前，較為理想的生物質(zhì)能源直接燃燒利用方式是聯(lián)合燃燒法，這種方式是將生物質(zhì)能源摻入到傳統(tǒng)的燃煤中一起燃燒發(fā)電，這種方法最大的優(yōu)勢(shì)是減少了傳統(tǒng)燃煤燃燒此法可減少SO2、NO2等對(duì)環(huán)境有污染的氣體的排放量，同時(shí)又增加了生物炭的能量密度和燃燒值[5]。

2.2 生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)換法

生物質(zhì)的熱化學(xué)轉(zhuǎn)換法是指在特定的條件下(比如特定的溫度和壓力)，讓生物質(zhì)發(fā)生汽化、碳化、液化或者熱解，以此方式來生產(chǎn)氣體或液體燃料的轉(zhuǎn)換利用技術(shù)。通過這種利用方法可以獲得高品位的木炭焦油以及可燃?xì)怏w，產(chǎn)生的氣體甚至可以直接作為燃料用于發(fā)動(dòng)機(jī)和鍋爐燃燒，故而可以說是生物質(zhì)能源利用技術(shù)較理想的方式，再通過熱加工技術(shù)的不同，將其分為高溫干餾、熱解、生物質(zhì)液化等方法。

2.3 生物質(zhì)生物化學(xué)轉(zhuǎn)換法

生物質(zhì)的生物化學(xué)轉(zhuǎn)換指的是生物質(zhì)在微生物的發(fā)酵作用下，生成沼氣、酒精等能源產(chǎn)品，所以包括了生物質(zhì)-沼氣轉(zhuǎn)換和生物質(zhì)-乙醇轉(zhuǎn)換等。根據(jù)其轉(zhuǎn)化過程中利用的介質(zhì)不同，又將其分為厭氧消化技術(shù)和酶技術(shù)。酶技術(shù)指的是直接利用微生物體內(nèi)的酶分解生物質(zhì)，生成液體燃料(比如燃料乙醇)。厭氧消化技術(shù)指的是利用厭氧微生物將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w(比如沼氣)，特別強(qiáng)調(diào)的是這種轉(zhuǎn)換技術(shù)要在缺氧的環(huán)境中完成[6]。

3 開發(fā)利用生物質(zhì)能的意義

目前由于傳統(tǒng)能源的大量消耗，以及傳統(tǒng)能源帶來的環(huán)境問題日益嚴(yán)重，所以合理的開發(fā)利用生物質(zhì)能源將會(huì)是人類發(fā)展史上具有歷史性的革命舉措，可以說，未來的能源結(jié)構(gòu)將是以生物質(zhì)能源為典型代表的多種可再生能源開發(fā)利用能源體系。

4 生物質(zhì)能開發(fā)利用中存在的問題

雖然生物質(zhì)能源是全球被認(rèn)為應(yīng)用范圍最廣泛的能源之一，但是至今卻因?yàn)槔眉夹g(shù)問題尚未被人們合理利用，故而在未來相當(dāng)長的時(shí)間里，生物質(zhì)能源技術(shù)的開發(fā)與研究將仍是全球范圍內(nèi)重大的熱門課題之一。我國的生物質(zhì)能源利用技術(shù)產(chǎn)業(yè)雖然是從引進(jìn)國外的技術(shù)開始，但是截至目前，我國大部分生物質(zhì)能源利用技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自主化，商業(yè)化，但是與國際先進(jìn)水平相比，利用技術(shù)以及應(yīng)用范圍仍然存在較大差距，同時(shí)在開發(fā)研究過程中還存在一些其他問題，比如：生物質(zhì)能源技術(shù)的研究開發(fā)利用缺乏長期系統(tǒng)的整體規(guī)劃以及穩(wěn)定持續(xù)的政策支持[7]。

5 生物質(zhì)能源開發(fā)利用的前景

發(fā)展生物質(zhì)能源不僅可以緩解全球能源危機(jī)，滿足人類社會(huì)對(duì)能源的需求量，保護(hù)全球的能源安全，還對(duì)全球的環(huán)境保護(hù)有著舉足輕重的意義。尤其是我國的傳統(tǒng)化石能源資源有限，消耗量日益劇增，但是我國生物質(zhì)資源種類豐富，分布的區(qū)域較廣，故而在我國，生物質(zhì)能源的開發(fā)利用潛力巨大，市場的需求量也較大。故而我們應(yīng)當(dāng)以可持續(xù)發(fā)展的理論作為指導(dǎo)，科學(xué)、合理、高效地進(jìn)行生物質(zhì)能源利用技術(shù)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)地、持續(xù)地、合理地進(jìn)行發(fā)展。