生物質(zhì)利用技術(shù)進展

張世鑫，陳明光，吳陳亮，史 磊，李 楠，李建漳， 黃建萍，吳獻銘，王慶文，葉 萌

（1.中國華能集團清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京 102209；2.華電（漳平）能源有限公司，福建 漳平 364400）

生物質(zhì)（Biomass）是指能夠利用光合作用把CO2和H2O 轉(zhuǎn)化為葡萄糖從而實現(xiàn)光能的儲存，自身又能將葡萄糖聚合為纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和淀粉等構(gòu)成植物本身的基礎(chǔ)物質(zhì)的有機化合物，即一切能夠利用綠色植物光合作用所形成的有機化合物，包括除化石燃料外的微生物及其排泄與代謝物和植物等。生物質(zhì)固廢是人類在利用生物質(zhì)的過程中生產(chǎn)和消費產(chǎn)生的廢棄物，其能量密度、可用性都有顯著的降低。根據(jù)《農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2007-2015年）》中“不與人爭糧，不與糧爭地”的基本原則，本文主要論述生物質(zhì)固廢的應(yīng)用技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r。

1 生物質(zhì)利用技術(shù)概述

1.1 生物質(zhì)固廢主要來源

廢棄生物質(zhì)材料主要來源如圖1所示，主要可分三大類，農(nóng)林業(yè)（農(nóng)作物廢棄物、畜禽糞便、林業(yè)加工廢料等）、工業(yè)（酒糟、壓榨副產(chǎn)品、藥渣等）、城市固廢（餐廚垃圾、市政園林垃圾、生活垃 圾等）。

《全國農(nóng)作物秸稈資源調(diào)查與評價報告》數(shù)據(jù)顯示，2009年，全國農(nóng)作物秸稈理論資源量為8.20億t（風(fēng)干，含水率為15%），可收集資源量為6.87 億t[1]。2007年，我國畜禽糞便總量為12.47 億t，其中可開發(fā)用量大約在8.8 億t，畜禽糞便的主要來源是牛糞、豬糞和雞糞，分別達到4.64 億t，3.39 億t 和0.80 億t， 預(yù)計到2020年，我國禽畜糞便排放量將達40 億t[2]。林業(yè)生物質(zhì)資源是區(qū)域內(nèi)植物生物量的總和，即區(qū)域內(nèi)森林自然產(chǎn)生長和林業(yè)生產(chǎn)過程可提供的生物質(zhì)，在林業(yè)加工過程中，廢棄物主要來源于森林采伐、原木造材和木材加工等，如木屑、鋸末、刨花，每年約有1.1 億t[3]。工業(yè)生產(chǎn)過程中也會產(chǎn)生生物質(zhì)固廢，蔗渣每年近1 億t，稻殼每年4 000 萬t，花生殼500 萬t。據(jù)統(tǒng)計，2015年我國的垃圾產(chǎn)量達到 2.1 億t，全國的垃圾年產(chǎn)量仍以每年8%～10%的速度增長。246 個大、中城市生活垃圾產(chǎn)生量1.86 億t， 處置量1.81 億t，處置率達97.3%[4]。

我國生物質(zhì)固廢的主要特點為量大、分布廣、利用率低、開發(fā)潛力大以及環(huán)境治理迫切度高。

圖1 生物質(zhì)固廢來源

1.2 生物質(zhì)主要利用技術(shù)

如圖2所示，生物質(zhì)利用技術(shù)主要有四個方向：能源化、飼料化、肥料化和材料化。生物質(zhì)能源化利用技術(shù)包括：直接燃燒利用（發(fā)電或供熱）、制成型燃料、制氣態(tài)燃料（沼氣、生物天然氣等）、制液態(tài)燃料（生物乙醇、生物柴油等）；生物質(zhì)飼料化技術(shù)包括：青貯飼料、微貯飼料、氨化飼料、單細(xì)胞蛋白飼料等；廣義上的有機肥品種主要有堆肥、漚肥、廄肥、沼氣肥、綠肥、純天然礦物質(zhì)肥、餅肥、泥肥等，狹義上指的是使用有機生物質(zhì)廢物，如植物殘體等，使用物理化學(xué)、生物或復(fù)合技術(shù)，經(jīng)過加工，消除有害物質(zhì)達到無害化標(biāo)準(zhǔn)而形成的，根據(jù)微生物的生長情況以及反應(yīng)過程的需氧程度分為厭氧堆肥和好氧堆肥兩種；生物質(zhì)材料化利用技術(shù)主要有：做建筑材料（纖維板、刨花板、鋸末板、稻殼板等）、做食品原料及藥物中間體（低聚木糖、木糖醇、阿魏酸等）、做生物基高分子材料（將天然高分子改性制備生物質(zhì)新材料、制備可降解生物基高分子材料等）、做環(huán)保餐具等。

生物質(zhì)能源化利用呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢：多元化分布式應(yīng)用；生物天然氣、成型燃料；生物液體燃料形成燃料乙醇、混合醇、生物柴油等豐富的能源衍生替代產(chǎn)品，不斷擴展航空燃料、化工基礎(chǔ)原料等應(yīng)用領(lǐng)域。

1.2.1 飼料化利用技術(shù)

青貯是通過微生物厭氧發(fā)酵和化學(xué)作用，將切碎的新鮮玉米秸稈在密閉無氧條件下制成的一種飼料，其適口性好、消化率高和營養(yǎng)豐富，是保證常年均衡供應(yīng)家畜飼料的有效措施。

圖2 生物質(zhì)主要利用技術(shù)

微貯是利用微生物發(fā)酵作用對農(nóng)作物秸稈進行保存的一種貯存技術(shù)。微貯技術(shù)還能夠提高農(nóng)作物秸稈的營養(yǎng)價值。微貯技術(shù)在實施時通常使用秸稈、牧草、藤蔓等作為原料，添加有益微生物后，通過微生物的發(fā)酵作用最后得到具有酸香氣味、適口性好的粗飼料。微貯飼料能夠在適宜的保存條件下長時間保留原料原有的營養(yǎng)價值。

氨化飼料是指將切碎的秸稈裝入窖內(nèi)或堆放城垛后通入氨氣或噴灑氨水密封保存一段時間制成的飼料。氨化秸稈飼料只適宜飼喂反芻家畜（牛、羊等），而不適宜飼喂驢、馬、騾子、豬等家畜。

單細(xì)胞蛋白，也稱作微生物蛋白，是以工業(yè)、農(nóng)業(yè)廢棄物及石油廢料等為原料通過人工培養(yǎng)而獲得的微生物菌體。單細(xì)胞蛋白與純蛋白質(zhì)不同，它是由脂肪、蛋白質(zhì)、核酸非蛋白氮化合物、碳水化合物、維生素和無機化合物等組成的細(xì)胞質(zhì)團。

1.2.2 肥料化利用技術(shù)

有機肥是主要來源于動植物，施用于土壤中以提供植物營養(yǎng)為其主要功能的含碳物料，有機肥的生產(chǎn)主要是通過生物質(zhì)，如動植物廢棄物、植物殘體加工而來，去除了其中的有毒有害物質(zhì)，如重金屬、病原體等。

堆肥是利用廣泛存在于自然界中的微生物，通過人為篩選組合使其能夠?qū)⑸镔|(zhì)中可降解的有機物轉(zhuǎn)化為更加穩(wěn)定的腐殖質(zhì)的轉(zhuǎn)化反應(yīng)過程。根據(jù)微生物的生長情況以及反應(yīng)過程的需氧程度，可分為厭氧堆肥與好氧堆肥兩種。厭氧堆肥是在無氧條件下利用專性和兼性厭氧微生物對生物質(zhì)進行作用，利用微生物產(chǎn)生的酶將廢物中的有機物進行分解轉(zhuǎn)化，獲得的最終產(chǎn)物是CH4、CO2、熱量和腐殖質(zhì)。好氧堆肥是指在有氧條件下，專性和兼性微生物作用于廢物，利用微生物產(chǎn)生的酶將有機物進行分解轉(zhuǎn)化，獲得的最終產(chǎn)物是CO2、H2O、熱量和腐殖質(zhì)。腐殖質(zhì)是生物體在土壤中經(jīng)微生物分解而形成的有機物質(zhì)，顏色為黑褐色，主要組成元素為C、H、O、N、S、P 等，含有植物生長發(fā)育所需要的一些元素，能改善土壤，增加肥力。

1.2.3 材料化利用技術(shù)

利用固體廢棄物生產(chǎn)的新型建筑材料具有節(jié)能效果突出、墻體自重減輕、節(jié)省自然資源、保護環(huán)境的優(yōu)點。例如，利用農(nóng)業(yè)秸稈固廢制作新型建材（利用棉稈纖維堆強樹脂制作纖維板、復(fù)合板，麥稈增強水泥制作水泥復(fù)合板，甘蔗渣纖維增強石膏制作石膏復(fù)合板，玉米稈增強礦渣制作礦渣復(fù)合板等）；利用竹木廢物制作新型建材（利用廢棄木材制作纖維板、中密度纖維板、刨花板、木纖維波形瓦，利用鋸末制作薄鋸末板，利用廢棄木材制作墻體及芯層、制作輕質(zhì)混凝土地面等）；利用造紙工業(yè)廢物制作新型建材（樹脂纖維板、層壓板、水泥復(fù)合板等）；利用植物果殼制作新型建材（利用稻殼增強樹脂制作稻殼板，利用花生殼增強氯氧鎂水泥制作花生殼板等）。

2 生物質(zhì)能源化利用技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

國家政策對生物質(zhì)能的利用有較強的推進作用，2017年國家十部委編制了《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃（2017-2021）》，2017年國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合下發(fā)了《關(guān)于促進生物質(zhì)能供熱發(fā)展指導(dǎo)意見的通知》，2017年國家能源局、原環(huán)境保護部聯(lián)合下發(fā)了《關(guān)于開展燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技改試點工作的通知》，2018年國家能源局下發(fā)了《關(guān)于開展“百個城鎮(zhèn)”生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)縣域清潔供熱示范項目建設(shè)的通知》[5-8]。這幾項文件的出臺，標(biāo)志著我國“生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)”“燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電”是生物質(zhì)能利用的必然趨勢，是未來替代縣域燃煤，特別是替代農(nóng)村散煤的重要方式。

2.1 生物質(zhì)發(fā)電（供熱）

當(dāng)前，我國生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴大?！?018年中國生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)排名報告》顯示，截至2017年12月31日，全國已投產(chǎn)生物質(zhì)發(fā)電項目744 個，并網(wǎng)裝機容量1 475.83 萬kW。生物質(zhì)發(fā)電工藝包括生物質(zhì)直燃發(fā)電、生物質(zhì)氣化發(fā)電、沼氣發(fā)電、生物質(zhì)燃煤混燃發(fā)電。

2.1.1 直燃發(fā)電

（1）工藝。生物質(zhì)燃燒發(fā)電所用的燃燒方式一般為鍋爐燃燒，生物質(zhì)直燃技術(shù)主要分為固定床燃燒、流化床燃燒和懸浮燃燒技術(shù)。

（2）規(guī)模。湛江生物質(zhì)發(fā)電廠于2011年8月20日正式投入商運，規(guī)劃總裝機容量為4×50 MW，一期工程2×50 MW，是目前國內(nèi)單機容量及總裝機容量最大的純?nèi)忌镔|(zhì)發(fā)電廠，是世界上最大的生物質(zhì)發(fā)電廠[9]。泰國NPP9 項目裝備1×135 MW 發(fā)電機組，使用清華大學(xué)設(shè)計，裝有生產(chǎn)負(fù)荷達到384 t/h的純生物質(zhì)鍋爐，這是目前世界單機容量最大的生物質(zhì)發(fā)電機組[10]。

2.1.2 氣化發(fā)電（1）工藝。生物質(zhì)氣化發(fā)電即通過氣化作用將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可燃?xì)猓瑑艋蟮臍怏w燃料燃燒驅(qū)動燃?xì)廨啓C或燃燒后產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。該技術(shù)是生物質(zhì)能最有效、最潔凈的利用方法之一，目前處于產(chǎn)業(yè)化早期。

（2）規(guī)模。大唐吉林長山熱電廠66 萬kW 超臨界燃煤發(fā)電機組耦合2 萬kW 生物質(zhì)發(fā)電改造示范項目為國內(nèi)首個最大國家級燃煤耦合生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)改造試點示范項目[11]。

2.1.3 沼氣發(fā)電

（1）工藝。根據(jù)秸稈物料在反應(yīng)器中的形態(tài)（有無流動水），可分為液態(tài)消化、固態(tài)消化和固液兩相消化工藝。

（2）規(guī)模。國家能源局發(fā)布《2016年度全國生物質(zhì)發(fā)電監(jiān)測評價報告》，截至2016年底，共有26個省份投產(chǎn)了138 個沼氣發(fā)電項目，裝機容量35 萬kW。2016年，全國沼氣發(fā)電量15 億kW·h，年利用小時數(shù)4 320 h。

青島大型生物質(zhì)能源項目是國內(nèi)第一個秸稈和尾菜綜合處理項目，是目前國內(nèi)最大的秸稈和尾菜沼氣工程項目。該項目每年可處理黃儲秸稈7 萬t、白菜垃圾4 萬t，同時產(chǎn)生天然氣666 萬標(biāo)準(zhǔn)立方米、固態(tài)有機肥2.49 萬t、沼液肥2.23 萬t。

2.1.4 混燃發(fā)電（耦合發(fā)電）

大型燃煤鍋爐耦合生物質(zhì)燃燒發(fā)電技術(shù)是解決火電機組CO2減排方案之一。大型燃煤鍋爐耦合生物質(zhì)燃燒發(fā)電技術(shù)在歐洲得到推動和發(fā)展得益于該技術(shù)比燃煤電廠的CO2排放量低、政府的補貼等。目前，歐洲大型燃煤鍋爐耦合生物質(zhì)燃燒技術(shù)的主流發(fā)展方向是生物質(zhì)與煤耦合燃燒。大型燃煤鍋爐耦合生物質(zhì)發(fā)電主要技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 大型燃煤鍋爐耦合生物質(zhì)發(fā)電主要技術(shù)路線

對于大型燃煤鍋爐耦合生物質(zhì)燃燒發(fā)電技術(shù)來說，生物質(zhì)磨和生物質(zhì)燃燒器可以實現(xiàn)100%燒生物質(zhì)燃料；生物質(zhì)磨和獨立的燃燒器可以耦合5%～40%的生物質(zhì)能量輸入；生物質(zhì)磨和共用的燃燒器可以耦合5%～40%的生物質(zhì)能量輸入；獨立的磨煤機和獨立的燃燒器可以耦合5%～15%生物質(zhì)能量輸入；共用的磨煤機和共用的燃燒器可以耦合5%～15%生物質(zhì)能量輸入。

2015年，荷蘭最新設(shè)計投運的鹿特丹的MPP3電廠是目前世界上最新建成的節(jié)能和CO2深度減排示范電廠。1 100 MW 超超臨界機組采取超超臨界參數(shù)+生物質(zhì)混燒+區(qū)域供熱+CO2捕集的CO2深度減排技術(shù)路線。機組容量：2×1 100 MW，機組參數(shù)：28.5 MPa/600℃/620℃，機組發(fā)電效率47%。生物質(zhì)混燒比例30%，準(zhǔn)備2019年投入使用。

芬蘭建成世界上最大的混燒生物質(zhì)的循環(huán)流化床鍋爐——芬蘭Alholmens Kraft 550 MW 熱電廠。其中，燃料比例為：煤：泥煤：森林廢棄物：工業(yè)廢木材=10：45：10：35，其已經(jīng)成功運行多年，生物質(zhì)可以以任何比例與煤混燒，包括100%生物質(zhì)。

英國是目前世界上采取生物質(zhì)混燒技術(shù)最多的國家。目前共有16 座大型火電廠完成了生物質(zhì)混燒發(fā)電改造，其總裝機容量為25 366 MW，其中13 座為總?cè)萘砍^1 000 MW 的大型燃煤火電廠。英國近年來生物質(zhì)耦合燃燒技術(shù)發(fā)展表明，大型燃煤鍋爐可實現(xiàn)自由比例的生物質(zhì)燃料（0 ～100%）給鍋爐提供熱量，可實現(xiàn)100%的生物質(zhì)燃料，不再燒煤。

循環(huán)流化床熱容性較大，適合進行燃煤耦合生物質(zhì)固廢發(fā)電技術(shù)實施，采用皮帶+氣力輸送方式，改造成本低。2017年，該技術(shù)已在福建華電永安發(fā)電有限公司2×300 MW 機組實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，可處理城市工業(yè)固廢300 t/d，并可處理生物質(zhì)200 t/d。

2.2 生物質(zhì)制成型燃料

生物質(zhì)固化成型技術(shù)是將結(jié)構(gòu)松散的生物質(zhì)材料經(jīng)過干燥、粉碎和壓縮成型等工序加工成形狀規(guī)則、密度較大的固體燃料的過程，生物質(zhì)固化成型技術(shù)生產(chǎn)的固體燃料有成型顆粒、成型棒和成型塊等。

生物質(zhì)固體成型燃料，可以部分替代化石燃料用作發(fā)電和供暖，也可以替代薪柴用作家用燃料。與煤相比，生物固體成型燃料CO2的凈排放為零，NOx和SO2的排放大為減少。與傳統(tǒng)的薪材相比，它的密度較高，形狀和性質(zhì)較為均一，熱值高，便于應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域。在歐洲許多國家，顆粒狀、棒狀的生物質(zhì)固化燃料已經(jīng)在超市出售，這些燃料可以實現(xiàn)完全市場化運作而不需要依賴政府的補貼措施。此外，生物質(zhì)固化成型技術(shù)有助于提高森林資源的利用效率。

截至2015年，我國生物質(zhì)成型燃料年利用量約800 萬t，主要用于城鎮(zhèn)供暖和工業(yè)供熱等領(lǐng)域。根據(jù)《生物質(zhì)能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》目標(biāo)，到2020年，生物質(zhì)成型燃料年利用量要達到3 000 萬t。

我國的生物質(zhì)成型燃料生產(chǎn)設(shè)備有螺旋擠壓式、活塞沖壓式、模輥碾壓式，燃料形狀主要有塊狀、棒狀、顆粒狀3 種形式[12]。磨輥碾壓式成型設(shè)備可分為平模生物質(zhì)顆粒機和環(huán)模生物質(zhì)顆粒機，與螺旋式、柱塞式生物質(zhì)成型機相比，具有生產(chǎn)率高、對物料的適應(yīng)性好、工作狀態(tài)穩(wěn)定、可實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)等優(yōu)點，是目前生物質(zhì)成型發(fā)展的重點[13]。

2.3 生物質(zhì)制氣態(tài)燃料

生物質(zhì)氣化是在一定的熱力學(xué)條件下，在水蒸氣和氧的參與下，將組成生物質(zhì)的碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化為CO、H2等可燃?xì)怏w的過程。生物質(zhì)熱裂解是指生物質(zhì)在完全缺氧或只提供有限氧的條件下，利用熱能切斷生物質(zhì)大分子中碳?xì)浠衔锏幕瘜W(xué)鍵，使之轉(zhuǎn)化為小分子物質(zhì)的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)。熱解過程的終產(chǎn)物可以是液體生物油、可燃?xì)怏w和固體生物質(zhì)炭，產(chǎn)物的種類和比例與很多因素相關(guān)，如生物質(zhì)的尺寸、升溫速率、最終溫度和壓力等。

生物天然氣是指以生物質(zhì)廢棄物為原料，經(jīng)厭氧發(fā)酵然后凈化提純，生產(chǎn)出與常規(guī)天然氣成分、熱值等基本一致的綠色低碳、清潔環(huán)?？稍偕?xì)?。根?jù)《生物質(zhì)能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》目標(biāo)，到2020年，生物天然氣年利用量80 億m3。

2.4 生物質(zhì)制液態(tài)燃料

生物質(zhì)制液態(tài)燃料包括生物乙醇、生物柴油等。生物質(zhì)固廢生產(chǎn)乙醇技術(shù)是指以玉米秸稈、薯類廢棄物、小麥秸稈、糖蜜廢渣等為原料，經(jīng)發(fā)酵、蒸餾而制成乙醇，將乙醇進一步脫水，最終成為燃料乙醇。美國燃料乙醇生產(chǎn)居世界第一位，生產(chǎn)原料主要有玉米、馬鈴薯等，年產(chǎn)乙醇40 億m3，與乙醇混合的汽油占該國總耗油量的三成以上[12]。同樣，人們可以利用生物質(zhì)固廢生產(chǎn)柴油。生物柴油的制備方法有物理法和化學(xué)法。物理法包括直接混合法和微乳化法。化學(xué)法包括高溫?zé)崃呀夥?、脂交換法和超臨界法。

《生物質(zhì)能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》顯示，截至2015年，生物柴油年產(chǎn)量約80 萬t 燃料，生物乙醇年產(chǎn)量約210 萬t[14]。航空生物燃料的使用是民航部門的一項重要減排措施。在歐盟歐洲碳排放交易體系下，生物燃料飛機為零排放。所以，航空生物燃料的可持續(xù)要求將成為各方關(guān)注熱點。

2014年，中國民用航空局航空器適航審定司在北京向中國石化頒發(fā)了1 號生物航煤技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定項目批準(zhǔn)書（CTSOA），這標(biāo)志著備受國內(nèi)外關(guān)注的國產(chǎn)1 號生物航煤正式獲得適航批準(zhǔn)，并可投入商業(yè)使用。2017年，海南航空HU497 航班載著從餐飲廢油煉化而成的航空生物燃料，從北京首都國際機場騰空而起飛往美國芝加哥，標(biāo)志著首個中美綠色示范航線生物燃料航班成功起航。同時，海南航空開創(chuàng)行業(yè)先河，成為國內(nèi)首家使用生物燃料跨洋載客飛行的航空公司[15]。

3 結(jié)論

本文對生物質(zhì)利用技術(shù)進行了論述，包括能源化、飼料化、肥料化、材料化四個方向，重點對生物質(zhì)能源化利用進行了綜述。目前，我國生物質(zhì)能利用以發(fā)電為主，但是由于原材料采購環(huán)節(jié)的不可控，生物質(zhì)發(fā)電企業(yè)出現(xiàn)大面積虧損。通過政策分析可知，“生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)”“燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電”是生物質(zhì)能利用的必然趨勢。生物質(zhì)利用發(fā)展方向是在原有原料區(qū)發(fā)展生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)之外，因地制宜推進生物質(zhì)成型燃料、垃圾治理、生物制氣的發(fā)展，最終實現(xiàn)《生物質(zhì)能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》的目標(biāo)。