生物质能和其市场潜力

石尧（英国南安普顿大学 环境工程学院 能源与可持续系，英国南安普顿 SO17 1BJ）



生物质能和其市场潜力

石尧
（英国南安普顿大学 环境工程学院 能源与可持续系，英国南安普顿 SO17 1BJ）

【摘要】工业革命完成之后，化石燃料成为了推动文明进步发展的引擎。生物质能是可再生的环境友好的燃料，而化石燃料是不可再生的有污染的燃料。通过政府津贴的支持，生物质能在许多发达国家已经得到了长足的发展，而在发展中国家还没有有效利用。能源安全是发展生物质能的另外一个原因，一个良好应用生物质能的国家队国际化石燃料价格的波动是有抵抗力的。生物质的原料是十分充足的，因为居民日常生活中，林业，农业都能获取。随着生物质能利用技术愈发的成熟，生物质能将会在人类社会中扮演更重要的角色。

【关键词】生物质能 生物质 市场 环保

1 简介

近几年来，温室气体的排放成为了可持续发展的绊脚石，而生物质能被视为可以改善这种状况的关键之一。尽管OPEC组织为了和来自美国的页岩气竞争压低了石油价格，能源危机始终是对政府的挑战。以全球为范围长期来看，生物质的生产潜能在发展中国家譬如拉美，撒哈拉以南地区和东欧地区将会是巨大的［1］。这意味着生物质能的市场潜力同样会很大。虽然生物质燃料的燃烧会伴随着温室气体的排放，但这些碳是生物质中固有的碳，并不会增加生物圈碳循环中碳的总量。有三种方式将生物质转化成生物质燃料：物理转化、化学转化、生物转化，不同种类的生物质燃料通过不同的转化方法获取。这些生物质燃料可以应用在譬如内燃机，发电机组，集中供热等一些影响到大部分居民日常生活的范畴。

2 利用生物质能的技术

有主要三种方式获取生物质原料，区别存在于初级，第二级和第三级废物之中。主要残留物是在生产使用作物和林业加工的过程中产生的，比如森林和秸秆中疏伐。二次废料来自于食品加工，比如饮料工业，造纸厂。叔胺残基在生物质衍生的商品被使用后变得可以加以利用，也就是说它源自于城市固体废弃物，废木料，淤泥中的有机物成分［2］。生物质转化技术将生物质原料转化为固体液体或气体形态的生物燃料提供给用户。另一方面，转化技术将生物质直接转化为能量。这个章节包含三节：2.1节描述了将生物质转化为固态燃料的物理转化方法，2.2节涵盖了三种重要的获取各种生物质燃料的化学转化方法，2.3节描述了两种生物转化的方法。

2.1 物理转化方法：压缩成型

未经过压缩成型的生物质燃料存在譬如过快挥发，难以控制空气供给的问题。在普通的锅炉中难以解决这些问题，所以分散和过轻的生物质染发聊需要压缩成型来讲提高热值进而加以充分燃烧利用。普通生物质压缩成型的过程图1所示［3］：

在乡村地区有丰富的生物质资源，比如，稻草，谷壳。为了在燃烧生物质时不结渣，搜集这些生物质时防止土壤的混入非常重要。研磨是压缩成型之前非常重要的一个步骤，大尺寸的原料像稻草需要研磨，而小尺寸的原料譬如谷壳只需要清除大尺寸的无关渣滓。在进行下个步骤之前，脱水会将湿度控制在10%-15%之间［4］。预压是为了提高生产率。在预压的过程中，加热可以软化原料中的木质素，这对粘合和使原料易于压缩非常重要。切割和打包是产品销售前的最后一步。这种压缩成型的固体生物质燃料是煤炭的良好替代物，可以应用于供热锅炉，热水锅炉，小型发电机组。

2.2 化学转化

生物质化学转化技术对于高效利用生物质资源很重要。它主要包括四个方法：燃烧，热解，气化和液化。

（1）燃烧是将生物质转化为能量的最普遍方式，它是可燃物和氧化剂之间的化学反应，释放出剧烈的热。获取热能是燃烧的主要目的。（2）热解：热解的产物范围比较大：有固体，液体，气体的生物质燃料。由操作条件可将热解分为两种。第一种是快速热解，温度高蒸汽停留时间短。烧蚀系统，流化床，搅拌床，真空热解系统是这个处理过程中需要的组件。另一种是慢速热解，它是对相对大的固体颗粒的舒缓加热伴随着更长的水蒸气停留时间，温度比快速热解更低。在这个处理过程中，需要大的蒸馏器，搅拌鼓窑，旋转窑和螺钉热解器，而操作条件应该为了保持产品如气体，焦油和焦炭的不变性而保持不变［5］。（3）气化：煤和包括热解过程中产生的各种气体发生反应。然而，大部分参与反应的气体是人工添加的。水蒸气和氧气在气化过程中被用作反应物，同时反应产生了CO，H2，CO2，CH4和H2O。纯氧气比空气更适合参与反应，因为空气中混有太多的氮气会造成燃料热值的降低，水蒸气会提升热值因为它会增加燃料中氢气的成分。在另一方面，二氧化碳协助在Ni/Al催化反应中将碳，焦油和甲烷转化成氢气和一氧化碳［6］。（4）液化：液化后主要有三种产物，生物燃油部分，燃气部分和在溶剂中的固体部分（比如水）。整个过程的温度在250-400℃之间，压力在5-20MPa之间［7］。

2.3 生物转化

主要有两种方式：水解发酵和厌氧消化。生物乙醇是水解发酵的产品而生物燃气是厌氧消化的产品。生物乙醇和生物燃气的燃烧是洁净环保的，因为燃烧产物只有水和二氧化碳。

水解发酵：富含糖分的木质纤维素生物质是这个处理过程的原料。在发酵之前需要进行预处理和酶法水解，预处理能够破坏木质纤维素的物理化学结构，使纤维素更容易被酶所降解；酶法水解利用酶将预处理后的纤维素转化为葡萄糖，为最后的发酵做准备。在发酵期间，微生物将葡萄糖转化为生物乙醇。发酵有两种方式：一次发酵和分批发酵。一次发酵中微生物被置于限定容积的媒介中，其发酵过程在糖分耗尽前不会停止。在分批发酵中，底物浓度将保持在低水平，新的介质会被加入以保持发酵的持续进行［8］。

图1　普通生物质压缩成型的过程

厌氧消化：利用微生物消化生物质并产生主要由甲烷和二氧化碳组成的生物燃气的过程，有固态厌氧消化和液态厌氧消化两种形式，比如厌氧消化的过程可以是木质纤维素生物质或大型海藻生物质。木质纤维素生物质是用于固态厌氧消化，固态厌氧消化在更高的有机负荷率和更高的容积沼气生产率下相对有效，而木质纤维素在农业生产中有丰富的原料。厌氧消化有四个阶段：水解，酸化，乙酸化和甲烷合成，合理的持续时间和各阶段的反应速度对于保证系统的正常运行至关重要［9］。

3 生物质能的市场潜力

生物质能作为一种传统石化燃料的替代品可以直接被运用于传统的设备中作为燃料。而其他的像风能，水电，光伏等可再生能源只能先被转化为电能之后再利用。生物质能来源于生物质，碳和氢这样的化学元素可以从原料中提取，经过第二章提到的加工过程，生物质在热机，锅炉中充分燃烧再转化为各种形态的能源，这是生物质能相对于其他种类可再生能源的优势。

现有生物质成型燃料（BMF），生物燃气（BGF），生物燃油（BOF）三种生物质燃料。作为一种固体燃料，BMF经过处理之后能够直接被应用到工业设备中获取能量。BGF是天然气的良好替代品，BOF可以用来替代汽油［10］。生物乙醇和汽油的混合燃油已被证实可以减少温室气体的排放，从而缓解城市交通污染［11］。在中国，乙醇汽油已在各地加油站广泛推行多年，随着中国机动车保有量的连年增长，不仅生物燃油随之扩大使用量，环境也会因此受到一定程度的保护。

中国就有丰富的生物质资源，大约2.61-3.51 billon tce/a，其中440-640 millon tce/a是可以利用的生物质原料，其中只有1.5-2.5%的生物质原料得到了利用，生物质原料的开发潜力是巨大的［12］。中国政府对生物质能发电进行补贴，比如2007年在内蒙古毛乌素修建的生物质直燃发电站就是以沙柳作为燃料的（Salix direct- fired power generation system，SDPGS）。尽管SDPGS需要政府的补贴以保证资金充足正常运行，但是其节能减排的作用是功效显著的，在投资回收期结束之后，发电站将会使纳税人和政府在经济上和生态环境上同时受益。在充足的生物质原料供应得到保证，电价补贴后合理的电价，未来的技术进步这些因素下，生物质能发电将有更好的应用前景［13］。

农村居民有足够的空间修建提供自用的沼气池，而且中国政府会对农村沼气池用户提供补贴，这种沼气池系统收集废物（比如排泄物）释放的生物燃气作为能源供给农户炊用［14］。欧洲是发展生物质能良好的地区之一，2010年欧洲生物能的发展目标是6000PJ，欧盟的东扩也为欧洲的生物质能发展带来了新的机遇，因为中欧和东欧地区富含农业生物质资源［15］。在意大利，意大利生物质能中心（Italian Biomass Centre）在意大利农村地区修建了分批沼气池发电机组（batch digester plants），这些机组以农村的农业生产废料和畜牧废料作为原料来产生生物燃气。这个项目是可回收成本的，因为安装的这些机组不仅仅将电供给农户使用，而且会将产生的部分电卖给电网，依靠电价补贴和市场价格获取利润［16］。

4 结语

总体来说，生物质能是一种利于可持续发展的可再生能源，能够作为化石燃料的替代品，增加供能的选择提升能源安全。同时，生物质能产生的价值可以为农村地区沼气池用户创收，减小城乡差距［17］。就现阶段来讲，生物质能的利用技术还没有化石燃料那样成熟，将生物质原料转化成生物燃油的成本高，对于发展中国家和农村地区，平衡利用生物质能和传统能源很重要。

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