唐亮

摘要：研究生物質(zhì)能源工程技術(shù)在能源安全、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)村發(fā)展方面的重要意義，介紹國內(nèi)外生物質(zhì)能源工程技術(shù)的研究發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，為加速我國生物能源的開發(fā)利用提供理論參考。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)能源；工程技術(shù)；環(huán)境保護(hù)；農(nóng)村發(fā)展

中圖分類號： S216.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2016）01-0067-03

未來科技、經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的競爭首先是能源的競爭。目前，全世界約85%的能源是通過燃燒化石燃料獲得的，按現(xiàn)在的消費(fèi)量推算，世界石油資源在今后50～80 a間將消耗殆盡。因此，開發(fā)和利用新能源來替代化石能源，已得到世界各國的高度重視。2002年，在約翰內(nèi)斯堡舉行的世界峰會上，各國首腦取得了共識：發(fā)展可再生能源對人類可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。我國作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，生物質(zhì)資源數(shù)量巨大，每年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢棄物產(chǎn)量約為6.5億t，到2015年，產(chǎn)量可達(dá)7.3億t，可產(chǎn)生超過12 EJ的能量。

1 發(fā)展生物質(zhì)能源工程技術(shù)的意義

1.1 保障國家能源安全

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，能源需求不斷增加，我國正面臨著嚴(yán)峻的能源安全形勢。2005年，全國一次能源消耗量已達(dá)到22.2億標(biāo)準(zhǔn)煤，約占世界能源消耗總量的15%，是世界第二大能源消耗國?！笆晃濉敝?020年是我國全面建設(shè)小康社會的重要時期，能源需求將持續(xù)增長，因此，積極開發(fā)生物質(zhì)能源、逐步減少化石能源消耗、提高可再生能源利用比重，是我國保障能源安全的重要戰(zhàn)略舉措。

1.2 保護(hù)環(huán)境及可再生資源

我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)以煤為主，是世界第一大煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國。2005年，我國煤炭消費(fèi)量為21.4億t，占一次能源消費(fèi)總量的68.7%。大量燃用煤炭造成了嚴(yán)重的環(huán)境問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國CO2排放總量的90%是由燃煤造成的，酸雨面積已占全國的1/3，大氣污染損失已相當(dāng)于全國GDP的10%。預(yù)計(jì)2030年，我國可能成為世界第一排放大國。開發(fā)利用清潔的、豐富的生物質(zhì)能是有效替代化石能源、減少污染物排放、保護(hù)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要措施。

1.3 促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展

我國有80%的人口生活在農(nóng)村，秸稈和薪柴等生物質(zhì)能是農(nóng)村的主要生活燃料，不僅利用效率低，而且造成嚴(yán)重的室內(nèi)外環(huán)境污染，危害人體健康。而在華東、華南地區(qū)，富裕起來的農(nóng)民對優(yōu)質(zhì)能源的需求日益增加，直接燃用秸稈等低品位的能源越來越少，導(dǎo)致大量農(nóng)業(yè)廢棄物被焚燒在田間。按照全國生物質(zhì)能開發(fā)利用工作會議上確定的目標(biāo)設(shè)想，如果到2020年我國實(shí)現(xiàn)1.1億t標(biāo)準(zhǔn)煤的開發(fā)利用量，將創(chuàng)造產(chǎn)值2 000多億元，推動相關(guān)行業(yè)產(chǎn)值2 000多億元。其中，農(nóng)村經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值將增加1 000億元，增加就業(yè)機(jī)會50萬～100萬個，這對我國新農(nóng)村和小城鎮(zhèn)建設(shè)將起到十分重要的推動作用。

2 國內(nèi)外生物質(zhì)能源研究現(xiàn)狀

2.1 國外

2.1.1 生物質(zhì)熱解氣化技術(shù) 自20世紀(jì)70年代起，美國開始研究以城市生活垃圾、木材、秸稈為原料的熱解回收能量技術(shù)。熱解氣化所得可燃?xì)饪芍苯尤紵?，用于供暖、做飯、城市煤氣和燃?xì)獍l(fā)電。歐美國家的生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)處于領(lǐng)先水平，美國總裝機(jī)容量已達(dá)9×103 MW，單機(jī)容量達(dá)10～25 MW，預(yù)計(jì)2020年將達(dá)3×105 MW；丹麥建有許多小型的利用木材和秸稈的氣化爐，用于家庭冬季供暖；瑞典能源中心采用生物質(zhì)氣化和聯(lián)合循環(huán)發(fā)電等先進(jìn)技術(shù)在巴西建立了一座裝機(jī)容量為20～30 MW的蔗渣發(fā)電系統(tǒng)。

2.1.2 生物質(zhì)液化技術(shù) 最早從事生物質(zhì)液化技術(shù)研究的是美國礦物局匹茲堡能源研究中心，其在35 ℃及高壓條件下，以碳酸鈉為催化劑，把木屑轉(zhuǎn)化成重油。近年來，歐洲等國在生物質(zhì)液化技術(shù)方面開展了大量研究。其中，德國在此方面處于較高的研究水平，如德國的Choren工業(yè)公司于2002年在Freigerg建立了一個大型的生物質(zhì)液化示范工廠，使用的原料主要是木屑和秸稈。該工廠已生產(chǎn)出高品質(zhì)的生物燃油，達(dá)到車用燃油要求，生產(chǎn)成本接近同熱值的化石燃料。

目前，有關(guān)液化技術(shù)的研究主要集中在如何提高液化產(chǎn)物收率、尋求高效精制技術(shù)、降低運(yùn)行成本、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物綜合利用和工業(yè)化生產(chǎn)等方面。Lappas等采用循環(huán)流化床反應(yīng)器對木質(zhì)素類生物質(zhì)進(jìn)行快速直接液化，發(fā)現(xiàn)在生物質(zhì)中加入一定比例的二氧化硅和ZSM—5后，生物質(zhì)能有效地被催化裂解成液體產(chǎn)物，液體產(chǎn)物的收率高達(dá)70%以上。同時，該技術(shù)與常規(guī)液化技術(shù)相比，液體中有機(jī)物的含量明顯提高，而副產(chǎn)物水、焦炭和氣體產(chǎn)物的比例明顯降低。

2.1.3 生物質(zhì)乙醇化技術(shù) 乙醇可以通過含糖、淀粉或纖維素的生物質(zhì)發(fā)酵過程得到，但以作物秸稈為原料生產(chǎn)乙醇的技術(shù)難度就大多了，主要的解決方法是對作物秸稈進(jìn)行各種處理，以提高纖維素酶的水解效率。最有發(fā)展前景的途徑是，通過基因工程技術(shù)培養(yǎng)出能產(chǎn)生高效纖維素水解酶的生物新菌種。盡管以作物秸稈為原料生產(chǎn)乙醇還有很大的難度，但國內(nèi)外在此方面還是進(jìn)行了很多的研究。在美國環(huán)保署的支持下，2001年在加州建立了一個大型的以作物秸稈為原料生產(chǎn)乙醇的示范工廠，以評價這種技術(shù)和工藝的經(jīng)濟(jì)性和應(yīng)用的可行性。

2.2 國內(nèi)

我國于20個世紀(jì)50年代開始秸稈氣化技術(shù)的研究。到目前為止，秸稈氣化技術(shù)比較完善，甚至在某些方面處于世界領(lǐng)先水平。

中國科學(xué)院廣州能源研究所在循環(huán)流化床氣化發(fā)電方面取得了一系列進(jìn)展，成功開發(fā)出4MWe的秸稈氣化技術(shù)。通過開展生物質(zhì)整體氣化聯(lián)合循環(huán)技術(shù)研究，建設(shè)并運(yùn)行了多套氣化發(fā)電系統(tǒng)。西安交通大學(xué)著重于生物質(zhì)超臨界催化氣化制氫方面的基礎(chǔ)研究。中國林業(yè)科學(xué)院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所在生物質(zhì)流態(tài)化氣化技術(shù)、內(nèi)循環(huán)錐形流化床富氧氣化技術(shù)方面取得了成果；天津大學(xué)著重于生物質(zhì)流化床快速熱解-催化蒸汽重整制氫及催化氣化技術(shù)的開發(fā)研究，目前正在進(jìn)行生物質(zhì)流化床高效氣化供氣系統(tǒng)的開發(fā)；中國科技大學(xué)進(jìn)行了生物質(zhì)等離子體氣化、秸稈氣化合成等技術(shù)的研究；清華大學(xué)進(jìn)行了生物質(zhì)流化床熱解氣化及氣化過程的混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型研究；山東大學(xué)開發(fā)了下吸式固定床氣化技術(shù)；山東省科學(xué)院能源研究所開發(fā)了低焦油二步法氣化技術(shù)；浙江大學(xué)對雙流化床氣化技術(shù)進(jìn)行了研究，并開發(fā)示范了中熱值氣化供氣與發(fā)電裝置；華中科技大學(xué)進(jìn)行了流化床的氣化研究；東南大學(xué)提出了串聯(lián)流化床零排放制氫技術(shù)路線；同濟(jì)大學(xué)進(jìn)行了生物質(zhì)固定床氣化過程的研究。此外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所、江漢大學(xué)、華南理工大學(xué)、太原理工大學(xué)、河南省科學(xué)院能源研究所等單位也取得了一些特色性的研究進(jìn)展。

我國是世界上開展沼氣技術(shù)研究最早的國家之一。全國建有沼氣池的農(nóng)戶在600萬戶以上，建成大中型沼氣池460多座。大中型沼氣池年處理有機(jī)廢物3 000萬t左右，其中主要是動物糞便和作物秸稈。目前，厭氧消化技術(shù)主要向以下幾方面發(fā)展：一是大型化、工業(yè)化；二是開發(fā)以作物秸稈為主原料的厭氧消化技術(shù)；三是沼氣的工業(yè)化應(yīng)用。我國小型戶用沼氣技術(shù)已相當(dāng)成熟，無論在技術(shù)上還是在推廣使用上，均處于國際領(lǐng)先地位。但大中型沼氣項(xiàng)目比較少，無法適應(yīng)工業(yè)化的需求。北京化工大學(xué)在農(nóng)業(yè)部的支持下，在山東省泰安市建立了我國也是世界上第一個以作物秸稈為“主”原料的大規(guī)模厭氧消化裝置。建設(shè)9個反應(yīng)器，總反應(yīng)體積450 m3，年可消耗玉米秸288 t、牛糞360 t，其中，玉米秸稈的使用量占干物質(zhì)總量的60%以上；年生產(chǎn)沼氣69 120 m3，可為全村180戶農(nóng)戶提供生活用能，同時還可生產(chǎn)出104 t有機(jī)肥料。該項(xiàng)目在技術(shù)上有兩大重要突破：一是對難以生物降解的玉米秸稈進(jìn)行化學(xué)預(yù)處理，明顯提高了玉米秸的可厭氧消化性；二是利用太陽能加熱反應(yīng)器提高消化溫度和效率，使反應(yīng)器在春季和秋季實(shí)現(xiàn)中溫消化，在夏季實(shí)現(xiàn)高溫消化。結(jié)果顯示，與一般的厭氧消化系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的消化效率和產(chǎn)氣量可提高1倍以上。

我國開展作物秸稈液化技術(shù)的研究起步較晚。張全國等利用玉米秸稈液化技術(shù)制得生物焦油，它是由烴類、酚類、酸類、醛類、酯類等多種有機(jī)成分組成的混合物；蒸餾所得140～200 ℃輕質(zhì)餾出物，各方面性能指標(biāo)與車用柴油相近，可作為發(fā)動機(jī)燃料的替代品；而200 ℃以上重質(zhì)餾出物可進(jìn)一步加工制造焦油抗聚劑、抗氧劑、工業(yè)雜酚和生物瀝青增塑劑等化學(xué)品。2004年，Song等利用熱重分析法對玉米秸稈液化技術(shù)進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)碳酸鈉對液化過程有明顯的促進(jìn)作用。當(dāng)碳酸鈉加入量高于1.0%時，液化的活化能隨之降低，差熱質(zhì)量分析曲線由2個峰變?yōu)?個峰；在3 mL/min水溶劑與25 MPa壓力下對玉米秸稈進(jìn)行液化時，其液化率可達(dá)95%以上，生物油的收率可提高到47.2%。徐保江等開發(fā)了作物秸稈液化制生物油旋轉(zhuǎn)錐式生物質(zhì)熱解系統(tǒng)，該模型可為所需固體滯留期設(shè)計(jì)出適宜的反應(yīng)器錐角、結(jié)構(gòu)尺寸、熱載體、粒徑等工藝參數(shù)，提高了生物質(zhì)油的收率和液化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)能力。

3 結(jié)論

生物質(zhì)能應(yīng)用技術(shù)的研究開發(fā)，在現(xiàn)階段主要是從生態(tài)環(huán)境、環(huán)境保護(hù)的角度出發(fā)，從中長期來看，可彌補(bǔ)資源有限性的不足。因此，生物質(zhì)能源開發(fā)利用的社會效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于經(jīng)濟(jì)效益，需要國家的政策扶持和財力支撐，并制訂相關(guān)政策鼓勵和支持企業(yè)投資生物質(zhì)能源開發(fā)項(xiàng)目。

我國有豐富的生物質(zhì)資源，但人均資源相對偏小，因此，在生物質(zhì)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展方向上，我國分散的能源系統(tǒng)應(yīng)首先滿足農(nóng)村鄉(xiāng)、鎮(zhèn)、村不斷增長的能量需求，重點(diǎn)解決居民生活用能，減少化石能源尤其是煤炭的使用。在經(jīng)濟(jì)條件較發(fā)達(dá)的鄉(xiāng)村地區(qū)應(yīng)大力推廣木煤氣化系統(tǒng)，同時推廣成型燃料及專用取暖爐以取代煤爐取暖的小型鍋爐，并著手研發(fā)專門使用生物質(zhì)的直接燃料鍋爐。

國家在科研項(xiàng)目安排方面，應(yīng)給生物質(zhì)能應(yīng)用研究留一定的空間，強(qiáng)化生物質(zhì)能化學(xué)轉(zhuǎn)換中的催化降解、直接和間接液化機(jī)理，高產(chǎn)生物能基因及其變異性規(guī)律，生物轉(zhuǎn)化微生物“雜交”等基礎(chǔ)理論和應(yīng)用研究，加強(qiáng)生物質(zhì)研究領(lǐng)域的國際交流與合作，引進(jìn)國外先進(jìn)的生物質(zhì)利用技術(shù)和設(shè)備，加快我國生物質(zhì)開發(fā)利用的步伐，建立符合我國國情的生物質(zhì)能開發(fā)利用結(jié)構(gòu)體系。