楊艷華 湯慶飛 張立 鄭仕鴻

(重慶科技學(xué)院冶金與材料工程學(xué)院，重慶 401331)

目前人類主要使用的石化能源正面臨枯竭的危險(xiǎn)，迫切需要開發(fā)出一種新型的可再生能源，以此來減少人們對(duì)石化能源的依賴，同時(shí)降低對(duì)生存環(huán)境的破壞。生物質(zhì)能源作為第一選擇，因其具有清潔性和可再生等特性，開發(fā)生物質(zhì)能成為解決當(dāng)前我國(guó)面臨的能源安全、環(huán)境污染的重要途徑，加之其規(guī)?；蜕唐坊l(fā)展迅速，因而具有廣闊的應(yīng)用前景，可在國(guó)家能源結(jié)構(gòu)中扮演重要的角色。

生物質(zhì)(biomass)指通過光合作用可將CO2和H2轉(zhuǎn)化為能量并能夠生長(zhǎng)的可再生有機(jī)物質(zhì)，包括秸稈、甘蔗、林業(yè)廢棄物、城市垃圾和其他廢棄物材料。生物質(zhì)能(bioenergy)指綠色植物通過直接或間接的光合作用，將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能貯存在植物體內(nèi)的能量，是一種可再生能源，也是唯一的一種可再生碳源［1］，生物質(zhì)能利用過程如下:

我國(guó)作為能源消耗大國(guó)，石化能源短缺，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展常以環(huán)境污染、生態(tài)破壞和能源過度消耗為代價(jià)。同時(shí)我國(guó)也是農(nóng)業(yè)大國(guó)，若將我國(guó)儲(chǔ)量豐富的生物質(zhì)資源利用起來，則可以有效解決“三農(nóng)”、環(huán)保、能源等問題［2］。

1 生物質(zhì)新能源的應(yīng)用現(xiàn)狀

(1)美國(guó)的應(yīng)用現(xiàn)狀

1973年美國(guó)建立區(qū)域性生物質(zhì)能計(jì)劃［3］，并相繼出臺(tái)了一系列的政策法規(guī)，加快生物質(zhì)能源的發(fā)展，為美國(guó)擁有先進(jìn)的生物質(zhì)能源技術(shù)的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。2000年，美國(guó)設(shè)立了生物質(zhì)能源研發(fā)部門，專項(xiàng)撥款，加大投入力度;2012年出臺(tái)的新農(nóng)業(yè)法案，以財(cái)政補(bǔ)貼促進(jìn)生產(chǎn)燃料乙醇的玉米產(chǎn)量增長(zhǎng)，玉米價(jià)格上漲使得支撐農(nóng)產(chǎn)品高價(jià)的手段得到了加強(qiáng);并于2013年4月發(fā)布《生物質(zhì)創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目》，開發(fā)生物質(zhì)運(yùn)用到飛機(jī)和船只。美國(guó)生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電技術(shù)在1979年已得到應(yīng)用，當(dāng)年裝機(jī)容量?jī)H有22 MW，近年來得到迅速發(fā)展，2010年裝機(jī)容量有10 400 MW，截至2012年底，生物質(zhì)能源發(fā)電量的75%屬于直接燃燒發(fā)電，總裝機(jī)容量達(dá)到22 000 MW［4-5］，有望在 2020年突破 40 000 MW。燃料乙醇是目前世界上備受關(guān)注的石化燃料代替品，美國(guó)燃料乙醇生產(chǎn)居世界第一位，生產(chǎn)原料主要有玉米、馬鈴薯等，年產(chǎn)乙醇40億m3，與乙醇混合的汽油占該國(guó)總耗油量的三成以上［6］。

(2)歐盟的應(yīng)用現(xiàn)狀

上世紀(jì)爆發(fā)的3次“石油危機(jī)”，引起了世界范圍內(nèi)的能源恐慌，由此各國(guó)紛紛制訂可再生能源計(jì)劃，建立安全、清潔、可持續(xù)的新能源產(chǎn)業(yè)。歐盟各政府頒布了相應(yīng)的政策法規(guī)，對(duì)生物質(zhì)能的研究和開發(fā)給予財(cái)政支持。目前歐洲生物質(zhì)能發(fā)展迅速，主要應(yīng)用領(lǐng)域有轉(zhuǎn)化生物柴油和生物質(zhì)能發(fā)電，在生物質(zhì)能供暖方面，也有較高的市場(chǎng)化水平。

歐盟成為全球最大的生物柴油生產(chǎn)基地，得益于在原料生產(chǎn)、加工制造等環(huán)節(jié)給予的優(yōu)惠政策，原料主要來自于國(guó)內(nèi)的菜籽油以及進(jìn)口的棕櫚油和豆油［7］，目前年產(chǎn)量已達(dá)世界總產(chǎn)量的65%。表1為近年歐洲生物柴油產(chǎn)量，從2011年開始，歐洲生物柴油產(chǎn)量連續(xù)2年下滑，2012年跌至低谷。因此為確保歐洲各國(guó)生物質(zhì)柴油行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，自2013年起，政府決定對(duì)國(guó)外進(jìn)口生物質(zhì)柴油征收臨時(shí)反傾銷稅，壓制阿根廷和印尼等出口國(guó)對(duì)歐洲市場(chǎng)的影響，從而促進(jìn)了本土產(chǎn)能的增長(zhǎng)。

表1 近年歐洲生物柴油產(chǎn)量 萬t

在生物質(zhì)能電力方面，政府通過建立分離支持給付系統(tǒng)，使得勞動(dòng)生產(chǎn)者享有45歐元/公頃資金補(bǔ)貼，保障各國(guó)發(fā)展生物質(zhì)能原料的供應(yīng)。芬蘭在歐洲建立了最大的生物質(zhì)發(fā)電站，德國(guó)和丹麥主要開發(fā)熱電聯(lián)產(chǎn)業(yè)，到2005年底，德國(guó)建成140多個(gè)區(qū)域熱電聯(lián)發(fā)電廠［8］。

(3)中國(guó)的應(yīng)用現(xiàn)狀

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年約有6.87億t生物質(zhì)資源，約折合3.4億 t標(biāo)準(zhǔn)煤［9］。主要包括農(nóng)作物秸稈、禽畜糞便和城市固體有機(jī)垃圾，其帶來的綜合效益十分可觀，因而受到高度重視，主要應(yīng)用在生物乙醇、生物柴油、固體成型燃料和生物質(zhì)發(fā)電行業(yè)。

①生物乙醇的應(yīng)用。我國(guó)生產(chǎn)生物乙醇的原料有甘蔗、甜高粱、木薯等高能品種，并建立了年產(chǎn)能力達(dá)5 000 t的甜高粱莖稈生產(chǎn)乙醇的工業(yè)示范裝置。因傳統(tǒng)糧食生產(chǎn)乙醇價(jià)格昂貴，為降低生產(chǎn)成本，我國(guó)已轉(zhuǎn)向?qū)ξ⑸锘旌习l(fā)酵法的研發(fā)［10］。國(guó)家發(fā)改委稱到2020年，我國(guó)15%生物質(zhì)燃料將應(yīng)用在汽車、輪船等行業(yè)。

沒錯(cuò)，印度人真的是用生命在吃咖喱。不管是什么食物都要放咖喱，即使是火鍋也要用咖喱做湯底！這種火鍋湯底是用咖喱、椰漿以及其它香料調(diào)成的，甜中帶辣，非常香醇濃郁。食用時(shí)可以搭配牛肉、羊肉、海鮮等食材，很有南洋風(fēng)味，很值得嘗試。

②生物柴油的應(yīng)用。生物柴油提煉來自動(dòng)植物油，如大豆、油菜、動(dòng)物油脂以及餐飲垃圾，因其環(huán)保性、潤(rùn)滑性、安全性能良好，可與石化柴油混合作為燃料。在2005年6月，我國(guó)使用自主研發(fā)的生物酶法生產(chǎn)生物柴油，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到歐美生物柴油標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)志著我國(guó)生物質(zhì)柴油研究取得了突破性進(jìn)展。2010年生物質(zhì)柴油產(chǎn)能達(dá)300萬t/a，主要用于交通運(yùn)輸行業(yè)，并提出了在2020年，生物柴油產(chǎn)能達(dá)200萬t的目標(biāo)，已在海南建立的6萬t/a裝置，產(chǎn)量居我國(guó)首位［11］。

③生物質(zhì)固體成型燃料的應(yīng)用。生物質(zhì)固體成型燃料是將城市垃圾或農(nóng)林廢棄物，通過外力作用，壓縮成型來增加其密度的可燃物質(zhì)，具有高效、清潔、無污染等優(yōu)點(diǎn)。我國(guó)的生物質(zhì)成型燃料生產(chǎn)設(shè)備有螺旋擠壓式、活塞沖壓式、模輥碾壓式［12］，燃料形狀主要有塊狀、棒狀、顆粒狀3種形式。2009年總產(chǎn)量為 76.6 萬 t，預(yù)計(jì) 2015年達(dá)到2 000萬 t［13］。北京奧科瑞豐公司年產(chǎn)量為60萬t，居全國(guó)最高，主要應(yīng)用在直接燃燒取暖與工業(yè)鍋爐等。

2 生物質(zhì)新能源開發(fā)利用存在的問題

生物質(zhì)能已經(jīng)成為世界第四大能源［13］，為促進(jìn)生物質(zhì)能的發(fā)展，我國(guó)也出臺(tái)了很多政策法規(guī)，實(shí)現(xiàn)能源消費(fèi)和環(huán)境保護(hù)共贏，促進(jìn)生態(tài)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。表2給出了我國(guó)生物質(zhì)能應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展目標(biāo)規(guī)劃［15-17］。

表2 我國(guó)生物質(zhì)能應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展目標(biāo)

由表2看出，在我國(guó)“十二五”規(guī)劃當(dāng)中，要實(shí)現(xiàn)2015生物質(zhì)發(fā)電總裝機(jī)容量為13 GW，比2009年增長(zhǎng)3倍，具體包括農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電量8 000 MW，沼氣發(fā)電2 000 MW，垃圾焚燒發(fā)電3 000 MW，預(yù)計(jì)2020年增長(zhǎng)到30 GW。生物質(zhì)成型燃料方面更是提出了高目標(biāo)，2009年到2015年實(shí)現(xiàn)突破性增長(zhǎng)，2020年產(chǎn)量達(dá)到2015年產(chǎn)量的1.5倍。為實(shí)現(xiàn)發(fā)展目標(biāo)，也相應(yīng)出臺(tái)了一系列鼓勵(lì)和支持政策，包括經(jīng)濟(jì)補(bǔ)助、稅收優(yōu)惠、環(huán)保推動(dòng)和科技支持等［18］。由此我們可以看到，生物質(zhì)能作為新興產(chǎn)業(yè)，將會(huì)迎來快速的發(fā)展。

但在具體項(xiàng)目的實(shí)施過程中，也面臨一些挑戰(zhàn)，最大的困難是原料資源基礎(chǔ)仍然薄弱［19］。生物質(zhì)資源雖然豐富，但分散度高，能量密度低，儲(chǔ)運(yùn)不方便，由于沒有建立起非糧原料供應(yīng)體制和能源農(nóng)業(yè)體制，導(dǎo)致了生物質(zhì)資源收集難度大，加之生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目不合理布局，更會(huì)加重燃料惡性競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象［20］。例如凱迪電力公司因燃料收購(gòu)模式陳舊，獲取燃料信息透明度低，不良中間商哄抬價(jià)格，導(dǎo)致部分生物質(zhì)電廠停機(jī);其次生物質(zhì)能源兩頭被擠壓，其一對(duì)生物質(zhì)能源的理解有偏差，由于早前生物柴油技術(shù)不高，收益不好，以至于技術(shù)成熟之后對(duì)其接受程度也不高。另外，生物柴油企業(yè)沒能與中石化、中石油大型企業(yè)建立良好的合作伙伴關(guān)系，靠賣家自己宣傳，收益大打折扣［21］，嚴(yán)重制約著我國(guó)生物質(zhì)能源的大規(guī)模應(yīng)用與發(fā)展。

因此如何轉(zhuǎn)換生物質(zhì)能源利用方式，以及如何解決好生物質(zhì)燃料持續(xù)供應(yīng)、維護(hù)其利潤(rùn)空間等問題，將是科研工作者研究開發(fā)的重點(diǎn)。

3 生物質(zhì)新能源開發(fā)利用效益分析

生物質(zhì)能作為新能源，尚處在研究和開發(fā)初級(jí)階段，但由于其擁有優(yōu)于石化能源的特點(diǎn)，已顯示出良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益，為生物質(zhì)能的可開發(fā)性和可行性提供了理論基礎(chǔ)。

(1)經(jīng)濟(jì)效益

生物質(zhì)具有適中的熱值，一般在16.748 MJ/kg左右，含雜質(zhì)少，揮發(fā)分高，燃燒效率高，轉(zhuǎn)化性強(qiáng)［22］，只要適當(dāng)選擇種類并利用現(xiàn)代科技手段略作加工，生產(chǎn)出熱值范圍為12.560 ～20.935 MJ/kg，市場(chǎng)價(jià)為800～1 000元/t的生物質(zhì)燃料［23］，便可作為優(yōu)質(zhì)、廉價(jià)燃料。其有效熱價(jià)低、成本低，經(jīng)濟(jì)性比石化燃料好，加上其來源廣、量大［24］，所以，在一般工農(nóng)業(yè)應(yīng)用上，可完全替代石化燃料。表3列舉了各種燃料在普通工業(yè)鍋爐中的應(yīng)用情況，生物質(zhì)燃料在普通鍋爐上替代煤碳的優(yōu)越性十分明顯。

表3 各種燃料在普通工業(yè)鍋爐中的應(yīng)用

(2)社會(huì)效益

我國(guó)每年產(chǎn)生大量農(nóng)林廢棄物，約有三分子一的秸稈被直接燃燒，若能將其充分回收，可實(shí)現(xiàn)農(nóng)民收入總額增收，促進(jìn)貧窮地區(qū)發(fā)展，減少能源資源浪費(fèi);再者，新能源的出現(xiàn)會(huì)帶動(dòng)設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)和能源生產(chǎn)廠的發(fā)展，增加勞動(dòng)就業(yè)崗位，這無疑可解決很多農(nóng)村剩余勞動(dòng)人口的就業(yè)問題;其次，生物質(zhì)通過技術(shù)手段可以轉(zhuǎn)化為各種固態(tài)、液態(tài)燃料，減少常規(guī)能源消耗，實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展。例如生物質(zhì)可以代替價(jià)格昂貴的煤粉作為高爐噴吹的燃料，節(jié)約了成本。

(3)環(huán)境效益

目前，我國(guó)溫室氣體的排放量?jī)H次于美國(guó)，排在第二位［25］，污染物主要來自于煤炭的燃燒，農(nóng)林秸稈直接焚燒也會(huì)帶來地面空氣污染。固體成型燃料發(fā)電可以減少CO2的排放，用生物柴油代替石化燃料供能可以減少氮化物、硫化物對(duì)大氣的破壞;秋季收割過后，大量堆放的生物秸稈腐爛，造成地面污染和水污染。對(duì)生物質(zhì)的回收利用，不但節(jié)約堆放空間，凈化地面環(huán)境，改善農(nóng)村居住區(qū)生活條件，且生物質(zhì)能更利于直接儲(chǔ)存和使用;酸水解生物質(zhì)原料的副產(chǎn)物甲酸、乙酸、糠醛等可應(yīng)用于工業(yè)和醫(yī)療行業(yè);生物質(zhì)燃料燃燒的灰渣含有豐富的有機(jī)元素，可作為廢料還田，減少化肥的使用，提高綜合利用水平［26］。

4 結(jié)語

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)能源應(yīng)用現(xiàn)狀分析可以看出，生物質(zhì)能已經(jīng)利用到很多能源領(lǐng)域，已顯示出良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。因此生物質(zhì)能作為一種新能源，擁有非常廣闊的前景。但目前我國(guó)對(duì)生物質(zhì)的研發(fā)還處在初級(jí)階段，跟發(fā)達(dá)國(guó)家相比，技術(shù)水平和生產(chǎn)能力較為落后，實(shí)施過程中諸多問題亟待解決。因此應(yīng)當(dāng)促進(jìn)生物質(zhì)能立法，加快完善法律制度，增加對(duì)生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)開發(fā)利用的成本投入，完善技術(shù)創(chuàng)新體系，增強(qiáng)國(guó)際間合作，推動(dòng)生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)快速持續(xù)發(fā)展。

［1］Saxena R C，Adhikari D K.Biomass-based Energy Fuelthrough Biochemical Routes:a Reviews［J］.Renewable and Sustain-able Energy Reviews，2009，13(1):156-167.

［2］孫鐘超.我國(guó)生物質(zhì)發(fā)展法律問題的研究［D］.天津:天津大學(xué)經(jīng)濟(jì)法學(xué)，2011.

［3］周永紅，孔令喜，陳強(qiáng).中國(guó)和美國(guó)關(guān)于生物質(zhì)能源發(fā)展的扶持政策［J］.生物質(zhì)化學(xué)工程，2011，45(1):1-9.

［4］Lasi C D.Modeling Chemical and Physical Processes of Wood and Biomass Pyrolysis［J］.Progress in Energy and Combustion Science，2008，34(1):47-90.

［5］Wu Chuangzhi，Yin Xiuli，Ma Longlong，et al.Design and Oper at Ion of a 5.5 MW Biomass Integr Ated Gasification Combined Cycle Demonstration Plant［J］.Energy ＆Fuels，2008，22(6):4259-4264.

［6］李超民.美國(guó)生物質(zhì)能源政策激勵(lì)與糧食消費(fèi)展望［J］.AO 農(nóng)業(yè)展望，2010，43(3):37-41.

［7］張曉紅.中國(guó)生物質(zhì)能發(fā)展動(dòng)態(tài)［J］.山西財(cái)經(jīng)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32(2):30-31.

［8］錢能志，尹國(guó)平，陳卓梅.歐洲生物質(zhì)能源開發(fā)利用現(xiàn)狀和經(jīng)驗(yàn)［J］.中外能源，2007，3(12):10-15.

［9］王朝華.對(duì)我國(guó)生物質(zhì)能源發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)的分析［J］.農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)，2011，10(2):12-14.

［10］張紀(jì)莊.生物質(zhì)能利用方式的分析比較［J］.能源工程，2003，25(9):23-25.

［11］魏偉，張緒坤，祝樹森，等.生物質(zhì)能開發(fā)利用的概況及展望［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2013，23(6):7-11.

［12］姚宗路，田宜水，孟海波，等.生物質(zhì)固體成型燃料加工生產(chǎn)線及配套設(shè)備［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26(9):280-285.

［13］簡(jiǎn)相坤，劉石彩.生物質(zhì)固體成型燃料研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景［J］.生物質(zhì)化學(xué)工程，2013，47(2):54-48.

［14］邱罡，龔炯，孫曉菲.中國(guó)新能源經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展［R］.北京:三星經(jīng)濟(jì)研究院，2010.

［15］魏偉，張緒坤，祝樹森，等.生物質(zhì)能開發(fā)利用的概況及展望［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2013，34(3):7-11.

［16］馬龍海，鄧宇昆，董勝亮.我國(guó)生物質(zhì)發(fā)電現(xiàn)狀分析及研究［J］.勘測(cè)設(shè)計(jì)電力，2012，6(3):70-74.

［17］陳柳欽.中國(guó)生物質(zhì)發(fā)電問題探討［J］.水電與新能源，2012，10(3):1-6.

［18］馮晨輝，沈力成.中國(guó)生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及其未來發(fā)展前景［J］.能源研究與管理，2011，4(4):9-12.

［19］林宗虎.生物質(zhì)能的利用現(xiàn)況及展望［J］.自然，2010(4):196-201.

［20］吳創(chuàng)之，周肇秋，陰秀麗，等.我國(guó)生物質(zhì)能源發(fā)展現(xiàn)狀與思考［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40(1):91-99.

［21］葉迎.中國(guó)生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，37(23):11221-11223.

［22］孫勇，姜永成，王應(yīng)寬，等.美國(guó)生物質(zhì)能源資源分布及利用［J］.世界農(nóng)業(yè)，2013，10(1):39-45.

［23］多琳娜.內(nèi)蒙古通遼地區(qū)農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能源開發(fā)利用經(jīng)濟(jì)效益分析［D］.北京:北京林業(yè)大學(xué)，2012.

［24］樊超，司慧，張鷹華，等.北京市生物質(zhì)能源化利用效益評(píng)價(jià)方法的研究［J］.中國(guó)農(nóng)學(xué)報(bào)，2012，28(26):190-195.

［25］許潔，袁振宏，馬隆龍.中國(guó)生物質(zhì)能源發(fā)展現(xiàn)狀、障礙與對(duì)策［J］.太陽能學(xué)報(bào)，2012，33(1):122-127.

［26］Saxena R C，Adhikari D K.Biomass-based Energy Fuelthrough Biochemical Routes:a Reviews［J］.Renewable AndSustain-able Energy Reviews，2009，13(1):156-167.