生物质有机废物能源化利用的研究进展

2019-01-23陆孝燕

中国资源综合利用 2019年7期

陆孝燕，曾旭

（1.嘉兴市固体废物处置有限责任公司，浙江嘉兴 314000；2.同济大学环境科学与工程学院，上海 200092）

随着我国社会的不断发展，化石能源需求不断增加。在未来的很长时间内，城市化和工业化的进一步发展必然会导致化石能源的日益短缺，因此开发和利用可再生能源具有十分重要的意义[1]。最近几十年来，生物质能的利用受到了广泛的关注。生物质能具有利用转化成本较低、易普及、储量巨大、分布广泛的特点，同时其能源化利用不产生温室气体，可以作为一种碳平衡的能源来源加以利用。因此，采用合适的技术手段将生物质能转化为高附加值的能源来加以利用，有可能用于替代或者减轻对化石能源的过分依赖，对于有效降低温室气体排放、保障国家能源安全和可持续发展都具有重要意义。

1 生物质有机废物的转化技术

生物质是指利用绿色植物光合作用而形成的可再生的有机物质，一般包括农作物秸秆、树木等木质纤维素、农产品加工业下脚料和农林废弃物等[2]。目前，生物质有机废物的转化技术主要包括：直接氧化利用获得热气流、高压气流及用于发电的原料；物理转化获得固体成型燃料；化学转化（热解、液化和气化等）转化成木炭、焦油、燃油和燃料等；生物转化（羧基溶解、水解与发酵）制备高附加产物，如生物乙醇、沼气、生物柴油等生物燃料[3-5]。

我国的生物质转化技术起步较晚，目前年生产生物燃料为20万t，相比于发达国家，在规模化和市场化方面还需进一步发展。生物质厌氧发酵技术主要以农作物为原料，使用微生物将其降解的技术；燃料乙醇多以粮食为原料，阻碍了其大规模的生产。

2 生物质有机废物的能源化利用

近年来，化学转化法由于具有转化效率高、选择性好的特点，日益受到重视。从目标产物的形态上看，其可以分为生物质液化技术和生物质气化技术。

液化技术是通过超临界萃取、高压液化和HTU技术，将生物质能转化为能量密度较高的液体燃料。γ-戊内酯（GVL）可以作为能源来利用，与汽油相比，具有更高的安全系数和能量密度和更低的饱和蒸气压[6]。GVL和汽油按照一定比例混合后，能大幅度降低汽车尾气中CO等物质的指标[7]。利用生物质制备GVL的方法主要为：生物质衍生物-LA及其酯类加氢制备GVL[8]。

近年来，利用纤维素、半纤维素及其降解产物来制备GVL的研究日益受到重视。Ding等人使用Al掺杂的磷酸铌作为催化剂来水解纤维素，酸解液直接使用催化剂（Ru/C）将其完全转化为GVL[9]。Yang等人分别使用果糖、糠醇和5-羟甲基糠醛作为原料，首先酸解酯化制得LA乙酯，然后使用R-Ni为催化剂，异丙醇作为氢源，在室温条件下反应9 h催化制得的GVL，获得的产率分别为50%、86%和66%[10]。另外，其还可作为绿色反应溶剂，化学性质稳定且无毒无害，日益受到广泛关注。刘念等利用GVL代替传统的二甲基亚砜作为反应介质，研究果糖催化转化为5-羟甲基糠醛（5-HMF）的绿色过程与离子液体溶剂相比，同样高效且更加绿色友好[11]。

气化技术是将生物质转化为高压氢、燃料乙醇、甲醇和二甲醚等[12]。目前，中国是全世界气化技术发展最快的国家。自2013年起，中国己经新建了超过45座气化技术工厂[13]。我国目前的生物质气化多以木屑、秸秆、稻壳等为原料进行。中粮集团曾在广西北海投资建设了木薯燃料乙醇试点项目。诸葛店村气化集中供气站投产，为300多户农村家庭供气，运行过程负荷率也达到了60%[14]。

Gordillo G等以上吸式固定床为气化反应器，研究了空气与水蒸气比例和空气配比在空气和空气-水蒸气两种气化方式下对畜牧粪便气化特性的影响[15]。Srinath S等研究了稻壳在流化床内气化特性，分析了不同的反应条件对最终产气热值的影响[16]。在生物质气化方面，目前的研究主要集中在如何提高气化效率和产气热值等，系统性的详细研究有利于更好地发挥气化技术的优势和推广应用。