生物质能源工程技术研究进展

唐亮

摘要：研究生物质能源工程技术在能源安全、环境保护、农村发展方面的重要意义，介绍国内外生物质能源工程技术的研究发展历程和现状，为加速我国生物能源的开发利用提供理论参考。

关键词：生物质能源；工程技术；环境保护；农村发展

中图分类号： S216.2 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2016）01-0067-03

未来科技、经济和社会发展的竞争首先是能源的竞争。目前，全世界约85%的能源是通过燃烧化石燃料获得的，按现在的消费量推算，世界石油资源在今后50～80 a间将消耗殆尽。因此，开发和利用新能源来替代化石能源，已得到世界各国的高度重视。2002年，在约翰内斯堡举行的世界峰会上，各国首脑取得了共识：发展可再生能源对人类可持续发展至关重要。我国作为农业生产大国，生物质资源数量巨大，每年农业生产废弃物产量约为6.5亿t，到2015年，产量可达7.3亿t，可产生超过12 EJ的能量。

1 发展生物质能源工程技术的意义

1.1 保障国家能源安全

近年来，随着经济的持续快速发展，能源需求不断增加，我国正面临着严峻的能源安全形势。2005年，全国一次能源消耗量已达到22.2亿标准煤，约占世界能源消耗总量的15%，是世界第二大能源消耗国。“十一五”至2020年是我国全面建设小康社会的重要时期，能源需求将持续增长，因此，积极开发生物质能源、逐步减少化石能源消耗、提高可再生能源利用比重，是我国保障能源安全的重要战略举措。

1.2 保护环境及可再生资源

我国能源消费结构以煤为主，是世界第一大煤炭生产和消费国。2005年，我国煤炭消费量为21.4亿t，占一次能源消费总量的68.7%。大量燃用煤炭造成了严重的环境问题。据统计，全国CO2排放总量的90%是由燃煤造成的，酸雨面积已占全国的1/3，大气污染损失已相当于全国GDP的10%。预计2030年，我国可能成为世界第一排放大国。开发利用清洁的、丰富的生物质能是有效替代化石能源、减少污染物排放、保护环境、实现可持续发展的重要措施。

1.3 促进农村经济发展

我国有80%的人口生活在农村，秸秆和薪柴等生物质能是农村的主要生活燃料，不仅利用效率低，而且造成严重的室内外环境污染，危害人体健康。而在华东、华南地区，富裕起来的农民对优质能源的需求日益增加，直接燃用秸秆等低品位的能源越来越少，导致大量农业废弃物被焚烧在田间。按照全国生物质能开发利用工作会议上确定的目标设想，如果到2020年我国实现1.1亿t标准煤的开发利用量，将创造产值2 000多亿元，推动相关行业产值2 000多亿元。其中，农村经济产值将增加1 000亿元，增加就业机会50万～100万个，这对我国新农村和小城镇建设将起到十分重要的推动作用。

2 国内外生物质能源研究现状

2.1 国外

2.1.1 生物质热解气化技术 自20世纪70年代起，美国开始研究以城市生活垃圾、木材、秸秆为原料的热解回收能量技术。热解气化所得可燃气可直接燃烧，用于供暖、做饭、城市煤气和燃气发电。欧美国家的生物质气化发电技术处于领先水平，美国总装机容量已达9×103 MW，单机容量达10～25 MW，预计2020年将达3×105 MW；丹麦建有许多小型的利用木材和秸秆的气化炉，用于家庭冬季供暖；瑞典能源中心采用生物质气化和联合循环发电等先进技术在巴西建立了一座装机容量为20～30 MW的蔗渣发电系统。

2.1.2 生物质液化技术 最早从事生物质液化技术研究的是美国矿物局匹兹堡能源研究中心，其在35 ℃及高压条件下，以碳酸钠为催化剂，把木屑转化成重油。近年来，欧洲等国在生物质液化技术方面开展了大量研究。其中，德国在此方面处于较高的研究水平，如德国的Choren工业公司于2002年在Freigerg建立了一个大型的生物质液化示范工厂，使用的原料主要是木屑和秸秆。该工厂已生产出高品质的生物燃油，达到车用燃油要求，生产成本接近同热值的化石燃料。

目前，有关液化技术的研究主要集中在如何提高液化产物收率、寻求高效精制技术、降低运行成本、实现产物综合利用和工业化生产等方面。Lappas等采用循环流化床反应器对木质素类生物质进行快速直接液化，发现在生物质中加入一定比例的二氧化硅和ZSM—5后，生物质能有效地被催化裂解成液体产物，液体产物的收率高达70%以上。同时，该技术与常规液化技术相比，液体中有机物的含量明显提高，而副产物水、焦炭和气体产物的比例明显降低。

2.1.3 生物质乙醇化技术 乙醇可以通过含糖、淀粉或纤维素的生物质发酵过程得到，但以作物秸秆为原料生产乙醇的技术难度就大多了，主要的解决方法是对作物秸秆进行各种处理，以提高纤维素酶的水解效率。最有发展前景的途径是，通过基因工程技术培养出能产生高效纤维素水解酶的生物新菌种。尽管以作物秸秆为原料生产乙醇还有很大的难度，但国内外在此方面还是进行了很多的研究。在美国环保署的支持下，2001年在加州建立了一个大型的以作物秸秆为原料生产乙醇的示范工厂，以评价这种技术和工艺的经济性和应用的可行性。

2.2 国内

我国于20个世纪50年代开始秸秆气化技术的研究。到目前为止，秸秆气化技术比较完善，甚至在某些方面处于世界领先水平。

中国科学院广州能源研究所在循环流化床气化发电方面取得了一系列进展，成功开发出4MWe的秸秆气化技术。通过开展生物质整体气化联合循环技术研究，建设并运行了多套气化发电系统。西安交通大学着重于生物质超临界催化气化制氢方面的基础研究。中国林业科学院林产化学工业研究所在生物质流态化气化技术、内循环锥形流化床富氧气化技术方面取得了成果；天津大学着重于生物质流化床快速热解-催化蒸汽重整制氢及催化气化技术的开发研究，目前正在进行生物质流化床高效气化供气系统的开发；中国科技大学进行了生物质等离子体气化、秸秆气化合成等技术的研究；清华大学进行了生物质流化床热解气化及气化过程的混合神经网络模型研究；山东大学开发了下吸式固定床气化技术；山东省科学院能源研究所开发了低焦油二步法气化技术；浙江大学对双流化床气化技术进行了研究，并开发示范了中热值气化供气与发电装置；华中科技大学进行了流化床的气化研究；东南大学提出了串联流化床零排放制氢技术路线；同济大学进行了生物质固定床气化过程的研究。此外，哈尔滨工业大学、上海交通大学、中国科学院山西煤炭化学研究所、江汉大学、华南理工大学、太原理工大学、河南省科学院能源研究所等单位也取得了一些特色性的研究进展。

我国是世界上开展沼气技术研究最早的国家之一。全国建有沼气池的农户在600万户以上，建成大中型沼气池460多座。大中型沼气池年处理有机废物3 000万t左右，其中主要是动物粪便和作物秸秆。目前，厌氧消化技术主要向以下几方面发展：一是大型化、工业化；二是开发以作物秸秆为主原料的厌氧消化技术；三是沼气的工业化应用。我国小型户用沼气技术已相当成熟，无论在技术上还是在推广使用上，均处于国际领先地位。但大中型沼气项目比较少，无法适应工业化的需求。北京化工大学在农业部的支持下，在山东省泰安市建立了我国也是世界上第一个以作物秸秆为“主”原料的大规模厌氧消化装置。建设9个反应器，总反应体积450 m3，年可消耗玉米秸288 t、牛粪360 t，其中，玉米秸秆的使用量占干物质总量的60%以上；年生产沼气69 120 m3，可为全村180户农户提供生活用能，同时还可生产出104 t有机肥料。该项目在技术上有两大重要突破：一是对难以生物降解的玉米秸秆进行化学预处理，明显提高了玉米秸的可厌氧消化性；二是利用太阳能加热反应器提高消化温度和效率，使反应器在春季和秋季实现中温消化，在夏季实现高温消化。结果显示，与一般的厌氧消化系统相比，该系统的消化效率和产气量可提高1倍以上。

我国开展作物秸秆液化技术的研究起步较晚。张全国等利用玉米秸秆液化技术制得生物焦油，它是由烃类、酚类、酸类、醛类、酯类等多种有机成分组成的混合物；蒸馏所得140～200 ℃轻质馏出物，各方面性能指标与车用柴油相近，可作为发动机燃料的替代品；而200 ℃以上重质馏出物可进一步加工制造焦油抗聚剂、抗氧剂、工业杂酚和生物沥青增塑剂等化学品。2004年，Song等利用热重分析法对玉米秸秆液化技术进行了深入研究，发现碳酸钠对液化过程有明显的促进作用。当碳酸钠加入量高于1.0%时，液化的活化能随之降低，差热质量分析曲线由2个峰变为1个峰；在3 mL/min水溶剂与25 MPa压力下对玉米秸秆进行液化时，其液化率可达95%以上，生物油的收率可提高到47.2%。徐保江等开发了作物秸秆液化制生物油旋转锥式生物质热解系统，该模型可为所需固体滞留期设计出适宜的反应器锥角、结构尺寸、热载体、粒径等工艺参数，提高了生物质油的收率和液化反应器的设计能力。

3 结论

生物质能应用技术的研究开发，在现阶段主要是从生态环境、环境保护的角度出发，从中长期来看，可弥补资源有限性的不足。因此，生物质能源开发利用的社会效益远远大于经济效益，需要国家的政策扶持和财力支撑，并制订相关政策鼓励和支持企业投资生物质能源开发项目。

我国有丰富的生物质资源，但人均资源相对偏小，因此，在生物质应用技术发展方向上，我国分散的能源系统应首先满足农村乡、镇、村不断增长的能量需求，重点解决居民生活用能，减少化石能源尤其是煤炭的使用。在经济条件较发达的乡村地区应大力推广木煤气化系统，同时推广成型燃料及专用取暖炉以取代煤炉取暖的小型锅炉，并着手研发专门使用生物质的直接燃料锅炉。

国家在科研项目安排方面，应给生物质能应用研究留一定的空间，强化生物质能化学转换中的催化降解、直接和间接液化机理，高产生物能基因及其变异性规律，生物转化微生物“杂交”等基础理论和应用研究，加强生物质研究领域的国际交流与合作，引进国外先进的生物质利用技术和设备，加快我国生物质开发利用的步伐，建立符合我国国情的生物质能开发利用结构体系。