雙碳目標(biāo)下生物質(zhì)能發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用路徑研究

梁志松 何 楠 周 旺 周順龍 林曦鵬

（1.畢節(jié)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)國(guó)家能源大規(guī)模物理儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)中心，貴州 畢節(jié) 551700；

2.中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所，北京 100190）

0 引言

2021 年12 月，《BP 世界能源統(tǒng)計(jì)2021 年鑒》的發(fā)布，對(duì)當(dāng)下全球能源形勢(shì)及相關(guān)工業(yè)排放等做了詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)分析報(bào)告。 目前全球的一次能源消耗情況逐年呈現(xiàn)5%以上的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)， 這對(duì)于全球經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展將會(huì)產(chǎn)生重要影響，必須要尋求可替代的可再生能源進(jìn)行工業(yè)能源體系的轉(zhuǎn)型利用。 本文通過對(duì)我國(guó)生物質(zhì)能的發(fā)展利用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，主要是從生物柴油、生物質(zhì)氣化等方面進(jìn)行著重介紹，并針對(duì)性地提出一系列的前景發(fā)展建議等， 為2030 年碳達(dá)峰和2060 年碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供可參考的依據(jù)。

1 我國(guó)生物質(zhì)能現(xiàn)狀概述

1.1 我國(guó)生物質(zhì)能資源現(xiàn)狀

與傳統(tǒng)化石能源相比，生物質(zhì)能在整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的零碳排放。 生物質(zhì)能主要包括植物（如農(nóng)林廢棄物、油料植物、水生植物）、一些微生物以及動(dòng)物的一些糞便排泄物等，這些很多都是利用CO來進(jìn)行光合作用完成自身的生長(zhǎng)發(fā)育的，通過對(duì)這些生物質(zhì)原料的加工利用， 將其應(yīng)用到工業(yè)、農(nóng)業(yè)等生產(chǎn)生活中，產(chǎn)生的CO排放物又可以用于它們自身的光合作用，所以從整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)來看，是真正意義上的零碳排放，這對(duì)于雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)是可以做出直接貢獻(xiàn)的。 我國(guó)幅員遼闊，擁有不同的氣候性地帶和地形地貌，這對(duì)于生物質(zhì)資源的生長(zhǎng)是極其重要的，這也造就了我國(guó)豐富、基數(shù)巨大的生物質(zhì)資源。 據(jù)國(guó)家能源局及相關(guān)部門的統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年可以利用到工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活中的生物質(zhì)資源總量通過標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)進(jìn)行折算，相當(dāng)于4.6 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占我國(guó)每年煤炭消耗量的十分之一左右，這個(gè)數(shù)字的背后具有重大戰(zhàn)略意義，因?yàn)槊禾康纫淮文茉撮_采是有限的，但是生物質(zhì)能每年都會(huì)生長(zhǎng)，是相當(dāng)于取之不竭的，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1.2 我國(guó)生物質(zhì)能利用技術(shù)現(xiàn)狀

我國(guó)地大物博， 生物多樣性資源梯級(jí)層次高，而且生物質(zhì)的種類和組成也呈現(xiàn)多樣化特性，主要形成了固體、液體、氣體等多樣性的梯級(jí)利用，對(duì)此相關(guān)的專家學(xué)者專門對(duì)不同種類的生物質(zhì)資源進(jìn)行研究，逐漸形成產(chǎn)學(xué)研綜合一體化的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用示范及工業(yè)生產(chǎn)，這給生物質(zhì)能的全面利用形成了豐富的理論支撐和實(shí)踐探索。 圖1 為生物質(zhì)能利用技術(shù)的過程，當(dāng)前主要有以下幾方面的利用技術(shù)：

圖1 生物質(zhì)能利用技術(shù)

（1）直接燃燒技術(shù)，主要是生物質(zhì)能的顆粒成型固體燃燒，一般在偏遠(yuǎn)地區(qū)的家庭或者是小型的鍋爐廠使用，這種能量品質(zhì)較低，效率也較低。

（2）生物質(zhì)沼氣發(fā)酵技術(shù)，這種在很多農(nóng)村地區(qū)使用較為廣泛， 產(chǎn)生的沼氣可以適用于家庭照明、取暖、做飯等，而且發(fā)酵后的肥料還能用作肥料。

（3）生物質(zhì)氣化技術(shù)，主要是通過不同的氣化條件及技術(shù)將生物質(zhì)原料熱解或催化成清潔的氣體燃料，而且熱值較高，適用于工業(yè)生產(chǎn)。

（4）生物柴油技術(shù)，生物柴油技術(shù)就是通過化學(xué)催化酯化反應(yīng)將生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)化成可以燃燒的燃油，可以將生物柴油應(yīng)用于汽車或者航空領(lǐng)域中，目前正在積極地大力發(fā)展，具有極大的發(fā)展前景。 本文主要是從生物柴油、生物質(zhì)氣化等方面進(jìn)行著重介紹。

1.2.1 生物柴油

生物柴油和石化柴油在物理化學(xué)參數(shù)方面非常接近的，無論是在密度、元素組成，還是硫含量、含氧量等方面都具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，所以其在應(yīng)用方面以及相關(guān)的設(shè)備技術(shù)方面不需要進(jìn)行很大的改動(dòng)。當(dāng)前國(guó)家能源部門以及地方政府已經(jīng)相繼出臺(tái)了很多的政策文件支持和鼓勵(lì)生物柴油的發(fā)展，其中應(yīng)用最為廣泛的就是作為汽油、柴油混合添加應(yīng)用，不但可以改善汽車尾氣的排放而且對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)等性能的影響不大。 研究顯示，在傳統(tǒng)的石化柴油中添加10%的生物柴油， 可以降低汽車尾氣中50%的CO和60%的SO和NOx，優(yōu)化效果是極佳的。 同時(shí)對(duì)當(dāng)前人們最為關(guān)注的地溝油問題，可以通過催化酯化反應(yīng)將廢棄的地溝油轉(zhuǎn)化成生物柴油，不僅可以杜絕這些危害人們健康的地溝油二次流回餐桌，同時(shí)也促進(jìn)了生物柴油產(chǎn)業(yè)及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。

1.2.2 生物質(zhì)氣化

生物質(zhì)氣化是在一定的熱力學(xué)條件下，借助于空氣部分（或者氧氣）、水蒸氣的作用，使生物質(zhì)的高聚物發(fā)生熱解、氧化、還原重整反應(yīng)，最終轉(zhuǎn)化為一氧化碳、氫氣和低分子烴類等可燃?xì)怏w的過程。 目前主要的一些氣化工藝技術(shù)有以下兩種。

（1）固定床氣化工藝。

固定床是最早的一種氣化技術(shù)， 在具體的工藝中，生物質(zhì)通過氣化爐的頂部進(jìn)料，然后氧氣或空氣等氣化劑從底部鼓入，兩者逆向接觸流動(dòng)以此實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)的氣化，因?yàn)橄鄬?duì)于氣化劑的鼓入壓力和流動(dòng)速度來說，原料生物質(zhì)的相對(duì)速度很小，所以也常被叫作固定床氣化；但是其實(shí)生物質(zhì)料是在以很小的速度緩慢下降的，也有的科學(xué)家將其稱為移動(dòng)氣化床。 由于固定床氣化工藝對(duì)于生物質(zhì)的進(jìn)料質(zhì)量要求不高，對(duì)于絕大多數(shù)的生物質(zhì)原料都適用，所以在生物質(zhì)氣化的起步應(yīng)用階段固定床占據(jù)了絕大多數(shù)的企業(yè)生產(chǎn)線， 同時(shí)該工藝的氣化壓力可以提高到較高的工況，對(duì)氣化劑的消耗量也較小，另外固定床的反應(yīng)溫度較低，對(duì)于反應(yīng)條件沒有那么苛刻。

（2）流化床氣化工藝。

流化床氣化工藝是將原料生物質(zhì)通過機(jī)械粉碎的方法，制備成小顆粒的生物質(zhì)料，一般粒度直徑在0～10 mm 之間，然后在高溫高壓的氣化劑中，使得顆粒處于流化狀態(tài)， 而氣化劑處于劇烈的攪拌和摻混中，通過傳熱傳質(zhì)粉處于懸浮沸騰狀態(tài)，所以稱之為流化床。 這種氣化工藝爐內(nèi)的流化床溫度分布均勻，有利于充分換熱沸騰懸浮，氣固兩相介質(zhì)可以均勻換熱混合，因此整個(gè)狀態(tài)停留的時(shí)間較短，流化床內(nèi)的壓力損失低，有利于對(duì)設(shè)備內(nèi)部的保護(hù)，內(nèi)部的氣體和固態(tài)成分都處于混合過程中的動(dòng)態(tài)平衡過程，兩者的組分分布保持相對(duì)穩(wěn)定，最終形成穩(wěn)定的水生物質(zhì)氣產(chǎn)出，同時(shí)經(jīng)過旋風(fēng)分離器后，可以將生物質(zhì)氣組分中較大的顆粒分離出來，并經(jīng)過循環(huán)系統(tǒng)返送到進(jìn)料口中，實(shí)現(xiàn)了原料生物質(zhì)的高效利用，分離后的粗質(zhì)氣經(jīng)過余熱回收系統(tǒng)，將熱量回收利用，然后經(jīng)過水冷和除塵，得到較為精純的水氣。

2 雙碳目標(biāo)下我國(guó)生物質(zhì)能應(yīng)用發(fā)展建議

2.1 做好生物質(zhì)能發(fā)展頂層設(shè)計(jì)

能源結(jié)構(gòu)供應(yīng)是關(guān)系到工業(yè)發(fā)展和居民生活的重要因素，因此必須總攬全局，從國(guó)家層面出發(fā)制定好生物質(zhì)能發(fā)展的頂層設(shè)計(jì)規(guī)劃，這樣才能形成自上而下的發(fā)展綱要。 因?yàn)樯镔|(zhì)能發(fā)展是一項(xiàng)長(zhǎng)遠(yuǎn)的規(guī)劃，必須要多部門協(xié)調(diào)統(tǒng)籌做好生物質(zhì)資源的數(shù)據(jù)采集工作，然后結(jié)合經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展實(shí)際情況，布局生物質(zhì)能的發(fā)展產(chǎn)業(yè)。 在產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，要因地制宜地制定相關(guān)的支持政策，細(xì)化補(bǔ)貼方案，因?yàn)楫?dāng)前生物質(zhì)能能源利用的成本較高，所以一定要加大政策支持和資金投入，幫助企業(yè)快速完善生物質(zhì)能發(fā)展的完整產(chǎn)業(yè)鏈。 在技術(shù)利用方面，國(guó)家科技部門要做好牽頭工作，努力完善生物質(zhì)能利用的產(chǎn)學(xué)研一體化建設(shè)，更好地推進(jìn)行業(yè)的協(xié)同創(chuàng)新。

2.2 做好生物質(zhì)能利用層級(jí)優(yōu)化

我國(guó)生物質(zhì)能資源豐富，因?yàn)椴煌问降纳镔|(zhì)能的能源利用效率是不同的，同時(shí)在不同行業(yè)應(yīng)用的技術(shù)路徑也具有差異性，因此必須要做好生物質(zhì)能利用的層級(jí)利用，實(shí)現(xiàn)資源的有效配置，這樣才能更好以雙碳目標(biāo)為導(dǎo)向，根據(jù)市場(chǎng)建設(shè)需求來完善生物質(zhì)能的梯級(jí)利用。 目前生物質(zhì)能需要重點(diǎn)應(yīng)用在電力、生物質(zhì)制氫以及固體成型燃料等方面的應(yīng)用。 目前生物質(zhì)能利用應(yīng)該加大電力方面的投入使用，近年來我國(guó)電力供應(yīng)緊張，煤炭等一次能源的市場(chǎng)價(jià)格不斷上漲，很多地方甚至出現(xiàn)了限電現(xiàn)象，而生物質(zhì)能發(fā)電可以有效的提升電力市場(chǎng)負(fù)荷， 保障電力供應(yīng)安全，同時(shí)在節(jié)能減排方向也可以起到重要作用。 通過多層次的梯級(jí)利用，可以將當(dāng)前的整個(gè)生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)資源盤活，為實(shí)現(xiàn)行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展布局。

2.3 做好生物質(zhì)能利用和鄉(xiāng)村振興的有效銜接

發(fā)展生物質(zhì)能的相關(guān)產(chǎn)業(yè)所帶來的社會(huì)效益也是巨大的。 既能調(diào)整我國(guó)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)，帶動(dòng)油料林業(yè)的發(fā)展，同時(shí)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民也可以對(duì)相關(guān)的農(nóng)副產(chǎn)品進(jìn)行加工增加收入。 我國(guó)的油料植物和能源作物種類十分豐富，如麻風(fēng)樹、油桐、油茶，北方的大豆、黃連木，存活率高，油產(chǎn)量也很高。 但是由于油料作物的能量密度很低，收集和運(yùn)輸成本高，生產(chǎn)規(guī)模也不可能很大，大型企業(yè)能帶來的效益也少，而鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的生產(chǎn)機(jī)制靈活，非常適合從事這項(xiàng)產(chǎn)業(yè)，可以從農(nóng)民手中收集能源作物原料，在當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)一個(gè)榨油廠，再將原料油集中送往生物柴油企業(yè)，從而增加農(nóng)民收入。 可見，發(fā)展生物質(zhì)燃油產(chǎn)業(yè)可以為解決“三農(nóng)問題”發(fā)揮積極的作用。

3 結(jié)語

目前，全球經(jīng)濟(jì)在粗放式發(fā)展下，能源和環(huán)境問題之間的矛盾日益突出，碳達(dá)峰、碳中和及雙碳目標(biāo)的提出為今后較長(zhǎng)一段的時(shí)間內(nèi)，全球發(fā)展模式提供了可探索的路徑。 生物質(zhì)能作為一種重要的可再生能源， 為有效實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)提供了技術(shù)支撐和產(chǎn)業(yè)保障。 雙碳目標(biāo)下我國(guó)生物質(zhì)能的發(fā)展必須從國(guó)家層面做好頂層設(shè)計(jì)，制定相關(guān)的發(fā)展綱要，然后要做好生物質(zhì)能的梯級(jí)利用和優(yōu)化實(shí)施，因?yàn)檫@樣才能將生物質(zhì)能的利用效率達(dá)到最高，國(guó)家、企業(yè)和相關(guān)的科研院所要加大技術(shù)創(chuàng)新投入，多管齊下的實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)布局，做大做強(qiáng)。 同時(shí)要做好生物質(zhì)能利用和鄉(xiāng)村振興的有效銜接，因地制宜地發(fā)展鄉(xiāng)鎮(zhèn)產(chǎn)業(yè)，為提升農(nóng)村產(chǎn)業(yè)集群賦能。