生物质环保能源产业链发展探讨

赵郁新

（湖南省益阳市金本新能源有限公司，湖南 桃江 413400）

生物质环保能源产业链发展探讨

赵郁新

（湖南省益阳市金本新能源有限公司，湖南 桃江 413400）

简述了生物质概念及生物质利用技术的概况，介绍了生物质（竹、木剩余物）气、炭、液、油四联产生物质能源利用产业链的发展思路，对生物质利用的市场应用及发展进行了分析预测。

生物质；能源利用；产业链；节能减排；市场预测

目前，人类正面临着资源短缺和废弃物严重污染环境的双重压力。在常规能源价格异常高涨、可开采资源日益枯竭的形势下，积极开发资源的可持续利用技术，建立可持续发展的能源系统，促进社会环境的进步和生态环境的改善是当今世界普遍关注的焦点问题。农业废弃物作为一种可储存和运输的再生能源，其简单低效的直接燃烧已不能满足现代社会对能量的需求，但高效的洁净转化和开发综合利用已越来越引起能源领域的广泛重视。因此，积极开发利用洁净的可再生能源、减轻环境污染、改善农村能源结构，已经成为全社会的共识。

1 生物质及生物质的利用

1.1 生物质概念

所谓生物质即是由光合作用产生的所有生物有机体的总称，包括陆地植物（含农作物、林产物）、海产物（各种海草）和城市垃圾（纸张、天然纤维）等，本文论述的生物质是指竹、木剩余料。据统计，作为植物生物质的主要成分—木质素和纤维素每年以约1640亿吨的速度再生，如以能量换算则相当于石油产量的15～20倍。如果这部分资源得到好地利用，人类相当于拥有一个取之不尽的资源宝库。生物质来源于空气中的CO2，燃烧后再生成CO2，所以不会增加空气中CO2的含量，因此生物质比矿物质能源更为清洁。

1.2 生物质的利用

国外许多国家从上世纪70年代重新重视生物质能源的开发利用，在时间和技术上比我国早20多年。我国是从上世纪90年代才加大研究开发投入。目前，成熟的技术有：1）生物质气化：转化为沼气或直接气化；2）生物质固化：秸秆棒、木炭或型炭；3）生物质油化：利用含油脂的生物质生产生物柴油；4）生物质液化：利用含淀粉的生物质生产工业乙醇，或生产生物质水煤浆；5）生物质电化：利用生物质发电。

生物质实现产业化，商业化是难以克服的瓶颈。因存在如下问题：

（1）主要技术虽然成功，但相关技术没有突破。直接气化技术要克服焦油的问题，固化技术要克服高温散型的问题，生物质水煤浆需要克服分离的问题。

（2）特殊生物质需要种植，规模化等待时间过长。油脂类植物一般需要3～5年成熟，7～8年高产，要发展足够规模，其育种种植周期可能需要20年。

（3）冲击粮食安全。淀粉类生物质生产乙醇，有可能冲击粮食安全，发展规模受限，或得不到补助而无法生存。

（4）投资成本高。发电厂、供气站投资成本高，新能源企业难以承受。

（5）运行成本高。生物质具有分散和受季节影响的天然属性，有些应用由于需求量大、供应范围广、旺季原料供应不足、库存占用资金大、运输成本高等原因而导致运行成本过高。

（6）安全隐患大。乙醇、油品是易燃易爆物品，需要特殊的储存、运输设施。

（7）扩大产能困难。原料、设施、运输、运行、安全等诸多因素导致产能扩大困难，试点易、推广难。

（8）盈利模式单一。基本上依靠政府补助生存和发展，自我赢利能力低。

总体上看，生物质能源的现状是社会效益比经济效益大，长远战略意义比近期现实意义大。对于生物质的利用，过去，国内外无一例外走的都是一条低效之路。例如：利用生物质直接燃烧发电，效率低、发电成本比上网电价高，企业生存只能依赖国家政策扶持；同时，对于生物质秸杆的应用也很有限，生物质气化和沼气推广的商品化程度也很低；再加上产品附加值太小，导致生物质的产品应用不能大规模商品化。

1.2.1 生物质直接燃烧发电

目前，国内利用生物质原料发电的电厂，全靠国家每度电补贴0.4元来维持生产，且多数电厂的生物质原料供应困难，这是由于生物质自身的特点造成的。

（1）原料运输成本高。生物质的密度小，一般木质密度为每立方厘米0.6克，含水量平均在20%以上，干物质的发热量为每公斤3500大卡，每立方米的热量是56万大卡。生物质炭的密度约1.1，平均每公斤发热量是5000大卡，每立方米的热量是550万大卡，是生物质的10倍。也就是说，生物质原料的运输成本是生物质炭的10倍，是煤的15倍。经测算，生物质的平均运输半径为100公里，每度电的原料运输成本是0.1元。

（2）贮藏困难。无论是农作物类秸秆，还是自然界的植物类秸秆，都具有泡、松、软的征状，以及易燃、易腐等特点；并且生物质含水量高，会繁殖大量微生物，在自然分解过程中会消耗大量的生物质能。

（3）发电效率低。生物质发电，理论热值是按每度电本身的热功当量860大卡即0.1229千克标准煤计算，据生物质发电厂测算，每2吨秸秆的发电量相当于1吨煤，原料成本按每吨370元计，每度电的原料成本是0.32元。

（4）电厂投资巨大。建立一个年发电量为1亿度的工厂，需投资5亿元。按运行20年计算，每度电的折旧成本约0.25元。

综上所述，电厂生产每度电的3项主要成本合计已达到0.67元。实际现有生产1度电的成本超出0.73元。因此，利用生物质发电是建立在免税和国家补贴的政策上得以生存的产业。

1.2.2 生物质直接压缩成型技术

（1）生物质固化简单说就是将生物质粉碎、添加黏胶剂、加压干燥成型，制成棒状或块状，比如秸杆棒。生物质制棒的过程是一个高能耗的过程：一是要烘干，每烘干1吨含水量约10%的生物质棒原料，要消耗0.8吨以上生物质（生物质含水量高达30%以上，且属生物体，细胞所含水分不易蒸发，导致原料不易烘干，烘干成本高），能源效率低于10%；二是每制1吨生物质棒要消耗150度电（生物质只要含有10%的水分，就有一定的弹性，不易压缩成型）。

（2）生物质棒没有将植物改性，因而燃烧性能差。主要表现在：1）在低温燃烧时产生大量黑烟，严重污染环境；2）燃烧温度低，炉温约700℃，比燃煤锅炉的温度要低300℃以上，锅炉的出力只相当于煤锅炉的70%，影响了锅炉的效率；3）燃烧不完全，在低温燃烧时，灰分中有50%的炭。

1.2.3 生物质原料自身的多样性及复杂性

生物质原料的种类繁多，其木质素、纤维素、果胶质等成分含量有较大差别。生物质原料的力传导性很差，反弹性很强，被压缩成型的条件也有很大差异。生物质原料由低密度压缩成高密度的过程中存在原料喂料问题，以及原料的含水量随原料种类、地域、季节及气候不同变化的问题，而原料水分问题是制约生物质热压成型的难题。

1.2.4 成型燃料设备的工作环境恶劣

生物质原料在收集过程中会携带大量的粉尘、泥土砂粒，导致生产环境恶劣，并影响设备的使用寿命和稳定性，因此提高加工设备成型部件的使用寿命也是一项技术难题。

1.3 机制木炭

机制木炭的生产更是一个高能耗的过程，其生产工艺是将生物质制成棒后再进行炭化。每生产1吨生物质棒需要3吨原料锯木屑，约耗300度电，生产周期为15天。3公斤锯木屑棒的热量是13,500大卡，1公斤木炭的热量是7000大卡，能源转化率为50%。因此从制棒过程来计算，在不计300度电费的前提下，其能源效率也只有51%。

因机制木炭的生产效率低，产量少，一般的企业都在年产300吨以下。且因锯木屑原料的局限性，机制木炭只用于烧烤，不能用于烧锅炉。因为，木炭在高温燃烧时，结构力下降，易散，堵塞通风，燃烧不完全。因此，机制木炭不能用于锅炉与窑炉。同时，更为严重的问题是，在木炭的制备过程中会产生大量烟尘排放，严重污染空气。

2 生物质能源产业链的系统创新

针对上述情况，选择将生物质在产气的同时产炭，在所产气体中净化回收液体，这样可大大提高可燃气体和炭的品质；约用0.02%能耗加工成型炭，用以替代锅炉烧柴油、重油和城市用煤，提高产品的商品价值，同时，对锅炉进行节能技术改造，降低能耗约15%，将可大幅提高产品的竞争力。

生物质（竹木剩余物）气、炭、液、油四联产生物质能源利用产业链的发展思路是：利用竹、木剩余料产气、产炭、产液、供热、发电的系统技术设备，达到最佳循环利用生物质的效果。具体流程是：利用竹木加工后的废弃物或森林不成材的原料生产可燃气体和炭制品。竹木废弃物经皮带输送机送入产气、产炭热解炉内，与鼓风机送入的空气氧化剂在高温下反应，产生含CO、H2、CO2、N2、CnHm小分子烃类等成分的气体，生物质热解气化的同时形成竹木炭，气体经管道送入螺旋式除尘器，清除掉大部分的粉尘，再进入冷却净化系统，除去气体中的水蒸汽和焦油等杂质，并将焦油、竹（木）醋液等进行回收储存利用。净化清洁后的气体经增压泵增压进入气体存储罐，以供以后的锅炉供热或发电使用；在热解产气的同时竹木炭已成型，只需在炉体内进行缺氧密闭就可成炭；最后在设置的出炭口取炭，双炉循环运行。

利用生物质（竹、木剩余料）产气、产炭、产液、供热、发电系统技术设备循环利用生物质，省去了传统制炭技术将生物质粉碎、烘干、螺杆挤压成型的工序和15天的炭化时间，将生物质放入炭化炉，用1天时间加温热解产气炭化，1吨生物质耗电约5度就可生产1667m3气体、0.25吨炭，回收0.23吨竹（木）醋液，回收竹（木）焦油0.08吨。这样，每生产10,000大卡生物质气、炭，较传统制炭技术节约生物质53%，节电95%，生产周期缩短91%，节约生产费用（原料除外）71%。投资1套GB5T-200KW系统设备，只需350万元（厂房、场地除外），年用竹木剩余料1530吨，就可年产气168万m3，产炭428吨，产竹木醋液382吨，产竹木焦油122.4吨，为型炭和农药、医药生产提供了大量的原料；气可发电75万度，可获年产值568.65万元，年税利199.05万元。特别是竹炭的深加工利用价值更高。

为了进一步降低生产成本，工厂选址可以进行合理布局，根据生物质资源分布情况，在方圆半径5公里内（即80平方公里，相当于一个乡镇），根据原材料的多少建立一个生物质气、炭、液三联产的工厂，原材料越多，系统设备的容量越大，生产成本越低，利润空间越大。

生物质气、炭、液、油四联产系统配套专用燃气锅炉，燃气内燃发电机组，提高燃气效率，机械化、自动化操作，减轻劳动强度。该系统易形成巨大产能，取得显著的社会效益和经济效益。

生物能源产业链较传统生物能源技术具有显著节约能源、改善能源环境、降低投资、形成巨大产能等特点，能满足工业和生活市场的需要，是低碳能源最有效的实施技术。以4.8兆瓦（气化发电、炭、液三联产）发电为参数，该技术与其他四种传统能源技术的对比情况见表1～表4。

表1 生物能源产业链与生物质直烧发电技术的对比

表2 生物质能源产业链与生物质压缩成型技术的对比

表3 机制木炭与生物质气化技术的对比

表4 生物质气化技术与炉式烧制炭技术的对比

目前，国内企业不断研发新能源生物质气化供热发电系统设备及竹木炭系列产品，研制的气炭两用炉，在产气的同时产炭，并回收竹（木）醋液、焦油等；将生物质废弃物料综合利用，达到了最佳效果；生物质气化供热系统和生物质产气、产炭双用炉，炭、液回收利用创新与应用技术已通过国家高技术企业发展评价中心专家评审；获得了由湖南省科技厅组织评审的《科技成果鉴定证书》；其科技成果为国内先进水平；气炭两用炉，净化燃气、炭、液回收利用、供热、生物质发电系统设备已被国家发改委能源研究所确定为推广应用工艺技术。其技术设备所产竹炭按《空气净化用竹炭》（GB/T 26900-2011）国家强制性标准检测，固定碳含量为93.04%（一级标准≥85.00%）；甲醛吸附率119.02mg/g（一级标准≥100.00mg/g）；苯吸附率124.04mg/g（一级标准≥60.00mg/g）；TVOC吸附率115.14mg/g（一级标准≥40.00）。

3 生物质的市场应用及发展预测

3.1 发展环境

随着全球化石能源价格的飞速上涨，能源成本在高耗能企业或高固定成本企业中所占的比例越来越高，难以消化。根据现已探明的石油储存量计算大概还可使用20年，而我国作为能源进口大国，正积极研究和发展可替代能源。

研究成果表明，生物质燃料可替代煤和油，生物质发电也是生物质能源综合利用的主要发展方向，生物质能源将是一个新兴的能源产业，潜在产业规模巨大。我国每年林业枝丫材及锯材废弃物约3亿吨，农作物秸秆约7.8亿吨，目前大部分没有得到有效利用。根据2007年国家统计局公布的数据，以柴油和重油为燃料的锅炉和窑炉能耗约1亿吨，替代需要约2亿吨生物质环保型炭（柴油热量10,500kcal/公斤，生物质炭热量5000kcal/公斤，柴油目前市场销售价格为6.5元/公斤，生物质炭的价格为1.5元/公斤），由此可见，其中的竹木炭市场就可为用户节省4500亿元并同时创造3000亿元的产值。因此开发生物质能源关系到国家的能源战略，关系到“三农”的问题。国家颁布实施了《中华人民共和国可再生能源法》以及《可再生能源“十一五”规划》。按照规划，2015年后是产业化阶段，2020年是普及应用阶段。国家的立法保障和规划指导，奠定了整个生物质利用产业有序快速发展的基础。

生物质能源的市场潜力是举世公认的，只要技术和市场条件容许，现有的能源企业以及对生物质能源的认识，都会有进入的冲动，该产业既传统又朝阳。

3.2 市场应用效益预测

以长沙市为例，2005年长沙市的能源消费最多的三大部分为：工业能源终端消费852.32万吨标准煤，占消费总量的54.22%；批发、零售、住宿、餐饮业消费222.41万吨标准煤，占消费总量的14.15%；城乡居民生活消费214.05万吨标准煤，占消费总量的13.62%。2005年长沙市能源消费量和构成见表5。

如果生物质炭产品能替代长沙市煤品与油品燃料消费的5%，产量将可达到78万吨（按等能量计算，1吨煤相当于1吨型炭，1吨油品约与2吨型炭相当），产值约12亿元。考虑株洲市、湘潭市也按煤品和油品同样的替代比例5%计算，型炭产量合计会超过150万吨，产值超过22.5亿元。生物质炭产品具有高环境效益和明显的低使用成本的特性，完全可以替代传统燃料煤和重油、锅炉用柴油，应用市场非常广泛。

表5 2005年长沙市能源消费量和构成

若以1个县使用70万吨竹木剩余物利用代替煤炭的SO2减排计算， 3公斤竹木剩余物相当于1公斤标煤；70万吨相当于23万吨标煤；烧1吨煤，产生1600×S%千克SO2，1万立方米废气，产生200千克烟尘。S煤含硫率一般是1.5%左右；100个县即可减排552吨SO2、100×1万立方米废气、460吨烟尘。因而生物质的利用具有巨大的减排SO2和能源效应。

[1] 湖南省节能监测中心监测报告（湘节能监〔2013〕13号）[R].

[2] 湖南省产商品质量监督检验研究院（湘检12013-J11778）[R].

[3] 湖南省产商品质量监督检验研究院（湘检B2014-W12917）[R].

[4] 科学技术成果鉴定证书（湘科鉴委字〔2013〕117号）[Z].

[5] 空气净化用竹炭（GB/T26900-2011）[S].

[6] 桃江县大本山新能源科技发展有限公司企业标准（Q/NA001-2013）[S].

[7] 秸秆气化装置和系统测试方法（NY/T1017-2006）[S].

[8] 赵世荣，谢朝柱.中国现代竹业概论[M].长沙：湖南人民出版社.

[9] 冯玉杰.现代生物技术在环境工程的应用[M].北京：化学工业出版社.

声 明

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《中国环保产业》编辑部

Probe into Development of Environmental Protection and Energy Industry Chain of Biomass

ZHAO Yu-xin
(Hunan Yiyang Jinmu New Energy Co., Ltd, Hunan Taojiang 413400, China)

The paper explains the biomass concept and the general situation of utilization technology of biomass, presents the development considerations on the industry chain of biomass energy utilization generated by gas, charcoal, liquid and oil of biomass (bamboo, wood residues), and makes analysis and forecast on the market application and development of biomass use.

biomass; energy utilization; industry chain; energy saving and emission reduction; market forecast

X324

B

1006-5377（2014）08-0042-05