我国生物质转化技术应用现状及展望

张国平,王永豪

(国能荥阳热电有限公司,河南荥阳 450100)

进入21世纪以来,随着经济的高速发展,我国面临化石能源枯竭、生态环境恶化、能源安全无法保障等一系列问题。可再生能源作为能源发展战略的重要组成部分,也是未来传统能源转型和新能源探索的重要发展方向。作为世界公认的继煤、油、气后第四大能源库,生物质能源的应用呈持续增长趋势。生物质(biomass)是指利用大气、水、土地等通过光合作用而产生的各种有机体,包括所有的动植物和微生物。生物质能则是太阳能以化学能形式储存在生物质中的能量形式,它一直是人类赖以生存的重要能源之一[1]。中国是一个农业大国,生物质资源丰富。据统计,我国每年生产超过6亿t的秸秆,其中约4亿t可用作能源燃料;林业生物质资源量约为190亿t,其中可提供的能量约为3亿t,生物质能发展潜力巨大。我国提出在“十四五”期间重视对生物质能源的资源化利用,取得生物质能源在发电、供暖、天然气和液体燃料等领域的关键性技术研究突破。生物质转化技术主要包括物理化学转化技术、生物化学转化技术及热化学转化技术,每一种技术都以其独特的优势在生物质高值化利用中占据地位[2-4]。目前,虽然关于生物质转化利用技术的文献较多,但关于不同生物质转化技术的运行原理、现存缺陷及每种技术的应用现状及存在的问题等方面的文献较少。基于此,该研究对现有生物质转化技术进行总结,并对其应用现状进行分析,提出建议,以期为促进生物质利用提供思路。

1 我国生物质转化技术

1.1 热化学转化技术生物质热化学转化主要包括气化、热解和液化,通过各自不同的技术手段、严格的试验条件、高效的反应器等得到不同的目标产物。生物质气化技术是在高温、空气、水蒸气等条件的作用下,使生物质大分子化合物发生热解、氧化、还原、重整等一系列反应,进而获得含CO、H2和CH4等组分的气体。该过程根据反应温度和产物不同,可以分为干燥、热解、氧化和还原4个阶段;按照不同的分类方式有不同的气化种类(表1)[5]。从产品角度来看,除了有用的气体组分以外;还有焦油、灰分、水分等,所以产品气需要净化后才能使用。水分和灰分的处理比较容易,而焦油的处理是生物质气化技术应用的一大难题。目前焦油的处理方式主要分为物理和化学法[6]。

表1 生物质气化技术分类

生物质热裂解技术是在无氧或缺氧的条件下,通过高温手段切断大分子有机物、碳氢化合物,使之转变成为含碳数更少的低分子,最后生成各种较小的分子[7]。热解过程可得到液、气和固三相产物,产物的分布可通过控制工艺类型和反应工况来实现,如温度、反应时间、加热速率等(表2)。在生物质热解过程中,反应器的类型极其重要,它决定了热量的供给方式和热解反应进行的程度,也决定了最终产物的分布。目前,常见的热解反应器有固定床反应器、鼓泡流化床、循环流化床等;另外,还衍生出一系列的改良式反应器,如内循环串行流化床反应器、旋转锥反应器、螺旋反应器等[8]。

表2 热解工艺类型及产物分布

生物质液化技术是生物质原料经过干燥和粉碎,在中温(500～600 ℃)、高加热速率(104～105K/s)、极短停留时间(2 s)及无氧或少氧的条件下,将生物质直接热解得到的中间液态产物分子在断裂生成气体之前经过快速冷却得到生物油的过程。该过程一般包括原料预处理、进料装置、热解反应器、热解产物气固分离、热解气冷却与生物油收集等[9-10]。同时,反应器也是核心点,几种反应器的优缺点见表3[11]。

表3 不同类型反应器的优缺点

综上所述,随着对生物质能利用的日益重视,生物质转换技术也日益成熟,生物质热化学转化技术可作为生物质利用的重要途径。

1.2 生物化学转化技术生物化学转化技术指的是在微生物的作用下,对生物质原料进行加工处理,使其转化成气体燃料和液体燃料等工业所需的能源,主要是指厌氧发酵技术。厌氧发酵过程本质上是微生物的培养、繁殖过程,原料既是产生沼气的底物,又是厌氧发酵细菌赖以生存的养料来源[12]。首先经细菌作用将生物质分解得到的有机废水置于厌氧反应器内发酵为有机酸、醇、H2、CO2等产物;然后由产氢、产乙酸菌将有机酸和醇类代谢为乙酸和氢,最后由产CH4菌将乙酸和H2、CO2等转化为CH4;其中CH4的体积分数为55%～65%,CO2气体混合物的体积分数为30%～40%[7]。影响该过程的因素包括温度、pH、底物浓度、物料停留时间、搅拌转速和金属离子等[13]。厌氧发酵制氢被认为是更具有发展潜力的生物质资源生物转化制氢方式。研究者从产氢的机理、细菌的选育、细菌的生理生态学、生物制氢反应设备的研制等方面进行了大量研究[14]。

1.3 生物质发电技术我国常见的生物质发电技术有生物质直燃发电、燃煤耦合生物质发电、生物质气化发电和生物质沼气发电,目前我国的生物质发电以直燃发电为主,该技术起步较晚但发展非常迅速,主要包括农林生物质发电、垃圾焚烧发电和沼气发电[15]。

生物质燃烧发电是我国生物质能源利用的主要方式,包括直接燃烧法和混合燃烧法(图1)。目前,我国生物质发电以直接燃烧为主并且技术已经趋近完善,单机容量可达15 MW[16]。我国的生物质燃烧发电总装机容量从2016年的12.1 GW增长到2019年的22.5 GW,连续3年增幅超20%[7]。截至2020年,我国生物质燃烧发电总装机容量已达到29.52 GW,连续3年位列世界第一[17]。生物质气化发电是指先将生物质原料转化为可燃气,再送往燃气机内进行燃烧发电的技术[18]。该技术不仅可以缓解能源危机,还能解决环境污染问题。近年来,流化床气化炉和内燃机结合的气化发电系统是目前我国应用较为广泛的发电系统,该系统采用内燃机系统,降低了对燃气杂质的要求和系统成本,并已在东南亚国家推广应用,取得了显著的经济和社会效益。沼气发电作为一种新兴的利用技术逐渐被发展,其原理是通过厌氧发酵处理技术对工业、农业和城镇生活中的有机废弃物进行高效处理,再对产生的沼气加以利用驱动发电机发电,即首先利用气体收集系统完成气体收集,随后气体进入净化加压系统预处理,最后沼气引擎发电机组与控制系统气体完成发电并由电力输出系统输出[19]。沼气生产是利用生物质生产能源载体和实现多种环境效益的有效手段,该技术的成熟发展对于改善和维护区域生活环境、促进当地经济发展和农民增收、实现能源的循环利用具有重要意义。

图1 生物质燃烧发电工艺流程

因此,充分利用传统的生物质转化技术,开发生物质高质化利用的新技术,将生物质资源转化为高附加值的能源化产品、化学品、燃料,对于建立可持续发展的能源体系,促进社会和经济的发展及改善生态环境具有重要意义。

2 我国生物质转化应用现状

2.1 生物质发电生物质能发电是生物质的主要利用形式,最早的生物质能发电产业可追溯到丹麦的BWE公司,1973年开始研究生物质直接发电技术[20]。20世纪80年代开始,欧美各国的生物质能发电产业进入了高速发展时期[3,21]。为推动生物质能发电,我国发布了一系列生物质能利用政策,包括《生物质能发展“十三五”规划》《全国林业生物质能发展规划(2011—2020年)》等,并通过财政直接补贴的形式加快其发展。目前,我国生物质能发电技术产业的发展势头迅猛,未来前景广阔。2015—2020年累计装机量和年发电量的年均增长率分别为23.4%和20.6%。据泛能源大数据与战略研究中心及《中国生物质发电产业排名报告2019》的数据显示,农林生物质发电项目主要集中在农作物丰富的华北、东北、华中和华南地区;截至2019年底,全国已投产生物质能发电项目1 069个,生物质发电项目数排名前6位的省份是山东、河南、安徽、浙江、广东和江苏,分别为139、93、88、86、83和77个,这6个省份的生物质能发电项目分布情况如图2[22]。2022年一季度生物质发电新增装机87万kW,新增装机排名前5位的省份是黑龙江、辽宁、江西、贵州和广西(图3a);生物质发电累计装机达3 883万kW,累计装机排名前5位的省份是山东、广东、江苏、浙江和黑龙江(图3b);生物质上网发电量450亿kW·h,发电量排名前6位的省份是广东、山东、浙江、江苏、安徽和河南(图3c)。综上,生物质发电累计装机量和生物质上网发电量呈现良好态势,新增装机容量呈现沿海带动内陆,共同促进经济发展的趋势。经预计,到2025年,全社会用电量为8.79万亿kW·h,可再生能源发电量为2.81万亿kW·h,可再生能源发电量占全社会用电量比重将达到32%左右,生物质能年发电量将占可再生能源发电量的11.5%;到2050年,可再生能源占一次能源消费比重将达到50%左右,可再生能源发电量占全社会用电量比重将达到70%左右,生物质能发电量约为3 235亿kW·h,较2019年的1 111万kW·h实现翻番。生物质能发电发展前景较好,发展空间巨大。

注:每个绿色圆形图标表示1个生物质发电项目。

图3 2022年生物质发电装机容量及上网情况

2.2 生物质燃料化技术

2.2.1生物质液体燃料。生物质液体燃料因性能接近传统石化燃料,燃烧时碳排放相对较低,原料来源广泛等独特优势,在未来能源体系中承担着助力石油产品碳减排、补充石油需求、提高国家能源安全水平的角色[23]。2020 年全球生物燃料(主要为燃料乙醇和生物柴油)总产量为 6.1×108桶,消费地区主要集中在美国、巴西、印度尼西亚、中国、德国、法国等国家(图4)[24]。由生物质获取的液体燃料的形式主要包括燃料乙醇、生物柴油和生物航煤等,燃料乙醇和生物柴油的制备技术及应用状态见表4[25]。

图4 2020年全球生物质液体燃料消费主要分布情况

表4 生物质气体燃料的制备技术及应用状态

在新冠肺炎疫情及多重因素的影响下,燃料乙醇在全球范围内的开发和利用呈现明显的不对称性,美国、巴西是燃料乙醇产业规模最大的国家,占全球燃料乙醇产量超过80%;此外,还包括欧盟、中国、印度、加拿大等(图5)。在“30·60”双碳目标及相关重大举措加速推进的背景下,生物燃料乙醇作为我国战略性新兴产业,受到越来越多的关注。截至2019年底,已有13个省(区、市)试点推广E10乙醇汽油,乙醇汽油消费量约占同期全国汽油消费总量的20%。目前,我国生物燃料乙醇已实现部分汽油替代,为绿色交通提供了支撑。根据统计,2020年我国燃料乙醇产量达到274万t(约33亿L),占全球产量的3%。2021年7月,国家能源局印发《2021年能源工作指导意见》明确提出,要加快推进纤维素等非粮生物燃料乙醇产业示范,指出了发展纤维素燃料乙醇将是生物燃料乙醇的重点方向。如今,我国第2代乙醇生产技术的年生产能力处在1万～10万t的中试规模,而国内在建或筹建的生物燃料乙醇项目仍以第1代和第1.5代技术为主。表5为我国主要的生物燃料乙醇生产企业[26]。

注:数据来源于PEA。

表5 我国主要生产生物燃料乙醇的企业、原料品种及产能

生物柴油作为一种绿色能源,具备环保与减排性能好、可再生等特性,一般与化石柴油掺混使用。我国生物柴油行业在2014—2021年整体上实现了快速发展,行业产能持续走高。2021年中国生物柴油产量约150万t,表观需求量为38.2万t,技术水平总体处于世界前列,是目前世界上最主要的生物柴油生产和出口国。另外,生物航油具有与化石航煤组成相似、性能接近、减排贡献大,与发动机和燃油系统兼容性好等优点,被认为是实现航空业CO2减排最有效的手段,也是发展最快的生物液体燃料之一。自2009年以来,生物航煤制备技术持续进步,相关产业快速发展。截至目前,有几十家航空公司使用了生物航油,并积极参与投资生物航油的生产,我国早在2009年之前就陆续布局开展相关研究。

2.2.2生物质气体燃料。生物质气体燃料主要包括生物合成气、生物沼气及生物氢气,生物质气体燃料的制备技术及应用见表6[25]。据统计,我国每年的沼气产量为143亿m3,相当于2 160万tce,可减少CO2排放量超过5 260万t[27-28]。利用秸秆沼气等项目都是沼气作为能源供应模式的常见实例。生物质合成气经过提纯和净化之后与高品质的天然气相当,可满足城市燃气的需求。生物制氢是当前较为热门的制取氢气技术,具有清洁高效、原料来源广的特点,被认为是具有前景的新型氢源[29]。此外,伴随氢燃料电池汽车的推广,生物制氢技术的研发在全球范围内得到高度关注[30]。亚化咨询《中国加氢站项目数据库》显示,截至2021年12月,中国已建成、规划中和建设阶段的加氢站超过300座[31]。随着技术水平的提升以及政策的开放,我国加氢站正朝着大规模、高加注压力、制加氢一体化、“油气电氢”综合能源站、液氢站等方向发展。可以预见,随着我国节能减排理念的不断深入,国家对于此类的资源循环技术的扶持力度也会不断加大,进而推动整个行业的技术发展和进步,改变当前能源结构,将生物质能源的高值化利用视为改善生态环境的重要途径,提升生物质资源的使用效率。

表6 生物质气体燃料的制备技术及应用状态

综上所述,我国生物质能利用目前仍处于初级阶段。生物质发电装机容量居世界第一,处于国际领先水平。生物质液体燃料方面,虽然自2019年来发展迅速,但与美国等发达国家相比仍差距较大,属于跟跑阶段,随着碳中和目标的提出,生物质液体燃料迎来了飞速发展阶段。生物质气体燃料方面,沼气利用水平仍然落后于欧洲国家,开发利用水平较低,生物质制氢技术还处于基础研究阶段。

3 结论与展望

以生物质转化技术及应用为重点,综述了生物质热化学转化技术、生物化学转化技术、生物质发电技术的原理及过程。其中,热化学转化技术作为生物质转化技术研究的热点,主要包括热解、液化及气化等,生物转化技术以发酵制氢为主,生物质发电技术以直燃发电为主。通过分析生物质转化技术在我国的应用情况发现,生物质作为能源的主要应用方式是生物质发电和制备生物质燃料。生物质发电已超预期目标,装机容量达全球领先地位,有力推动了我国实现碳达峰目标与碳中和愿景;生物质液体燃料因其性能接近传统石化燃料,燃烧时碳排放相对较低,原料来源广泛等独特优势,在未来能源体系中承担着助力石油产品碳减排、补充石油需求、提高国家能源安全水平的角色,尤其生物航油是航空业实现CO2减排最有效的手段;生物质气体燃料制备合成气和制氢技术被认为是较有前景的新型氢源。对我国生物质转化及应用方面的政策及标准进行了简单梳理发现,我国政府高度重视生物质“净零排放”的理念及在其中的作用。随着生物质能产业发展政策的完善,技术水平的进一步提高,生物质能多元化开发利用或将迎来蓬勃发展的新机遇。

自2019年以来,我国颁布了一系列文件与规划助力生物质快速发展,主要集中在生物柴油、生物燃料乙醇、生物质清洁取暖、生物质发电、生物质制氢、生物质液体燃料等行业。但由于多重因素的影响,还要针对当前的形势,采取“对症下药”的策略,沼气厌氧发酵的研究应用应集中在多元物料的协同发酵及燃气提纯净化技术的研究方面,生物质气化发电技术应针对气化效率低、焦油难处理等问题进行突破,生物质热解气化技术应以提高有效产气成分的产率、减少气化过程中焦油产量以及改善气化条件和新型廉价高效催化剂的设计和研发等作为未来研究的主要方向,燃料乙醇产业的发展必须立足于“不与民争粮、不与粮争地”的原则,继续优化各关键过程技术,不断提高生产效率,降低生产成本[32]。