生物质能源的现状和发展前景

一. 生物质能源概述化石资源的过度消耗引发了能源和环境危机, 寻找不可再生资源的替代品成为人类社会生存发展面临的重大问题。生物质能源环境友好, 可再生, 并且有丰富的存量, 且从生物质出发, 获得多种形态的能源成为了研究热点和投资热点。生物质是指由光合作用产生的各种有机体。生物质能则是以生物质为载体的、蕴藏在生物质中的能量, 即绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而贮存在生物质部的能量形式。它除了可以提供燃烧热, 还可以制成种类繁多的重要化工品[1]及气、液、固的能源形态, 尤其是可以作为交通燃料的制备原料[2]。生物质的研究在推动化学工业和能源燃料可持续发展中已经并将继续发挥重要作用。生物质资源按其来源分类可分为: 一是木材及森林; 二是农业废弃物; 三是水生植物; 四是油料植物; 五是城市和工业有机废弃物; 六是动物粪便。生物质的应用和开发在政策层面上引起了各国的重视, 我国在生物能源产业发展十一五规划中, 突出了五个方面: 1.提高能源植物的数量和质量;2. 从原料到技术发展燃料乙醇工业。3.加快生物柴油产业化的步伐。4.推进生物质发电和供热。5.促进生物质转化为致密成型燃料。利用生物质能方式主要有: 一是热化学转换技术, 获得木炭焦油和可燃气体等高品位的能源产品,分为高温干馏、热解、生物质液化等方法; 二是生物化学转换法, 主要指生物质在微生物的发酵作用下, 生成沼气、酒精等能源产品; 三是利用油料植物所产生的生物油;四是直接燃烧技术, 包括炉灶燃烧技术、锅炉燃烧技术、致密成型技术和垃

圾焚烧技术等。二. 生物质资源量1.全球的生物质资源生物质能仅次于三大化石能源位列第四, 存量丰富且可再生,具备很大的发展前景。全球每年经光合作用产生的生物质约1700 亿吨, 其能量相当于全球能量年消耗总量的10 倍, 而作为能源的利用量还不到总量的1% ,开发潜力巨大。目前来自生物质的能量约占全球消耗能量的14%。其中发达国家每年3%左右的能源来自生物质能, 发展中国家生物质利用约占这些国家能源消耗的35%。按照一些国际能源组织测算, 随着化石能源的枯竭和价格的增长, 到2015 年, 全球总能耗将有40%来自生物质能源。2.我国的生物质资源据估计, 我国每年产生的生物质总量有50 多亿吨(干重), 相当于20 多亿吨油当量, 约为我国目前一次能源总消耗量的3 倍,目前我国商品化的生物质能源仅占一次能源消费的0.5%左右。即使考虑到中国有坚持“不与人争粮、不与粮争地”的原则, 秸秆、畜禽粪便等农业农村废弃物和林木枝桠等林业废弃物发展生物质能源的存量仍然很大。据2003 年不完全统计, 我国每年仅可收集的农业废弃物及禽畜粪便资源就可达10 亿吨, 其中农作物秸秆总量则有6.5 亿吨,除部分作为造纸原料、炊事燃料、饲料肥料和秸杆还田之外, 可作为能源用途的秸秆约3.5 亿吨,折合1.8 亿吨标准煤, 可以转化为1 亿吨燃料酒精或5000 万吨生物柴油。目前各类农业废弃物每年利用率不足10%。到2010年秸秆总量将达7.26 亿吨, 相当于5 亿吨标煤。2005 年统计我国畜禽粪便资源的实物量仅为1.38 亿吨。预计到2010 年和2015 年, 中国规模化养殖场畜禽粪便资源

的实物量将分别达到25 亿吨和32.5 亿吨。我国自l981 年起, 就有计划地建设薪炭林, 到l995 年, 年增产薪材量2000- 2500 万吨, 经济林面积有3.2 亿亩, 但是目前加工利用的还不足1/4 。林木枝桠和林业废弃物年可获得量约9 亿吨, 约有3 亿吨可作为能源利用。我国存在约20 亿亩的山地、滩涂、盐碱地等边际性土地, 不宜种植粮食作物, 但可以作为能源等专业植物种植的土地。按这些土地的20 %利用计算, 每年约生产10 亿吨生物质。目前全国年产有机废水25.2亿吨, 废渣0.7 亿吨, 可获得沼气资源量为106.8 亿m3。城市固体废弃物年产生量约1.5 亿吨, 每年以8%- 10%的速度持续增长。三. 利用的现状为解决能源危机我国政府制定了相应政策及规划支持生物质转化技术的开发。目前我国在几项生物质能源技术的研发和产业化上取得了一定的进展: 1.沼气生物质(农作物秸秆、粪便、有机废水等有机废弃物) 在厌氧环境通过微生物发酵产生一种以甲烷为主要成分的可燃性混合气体, 即沼气。我国的沼气建设始于20 世纪五、六十年代, 是世界上沼气利用开展得最好的国家, 在厌氧发酵、工程建设等方面已居于国际领先水平。农村户用沼气系统已经成熟, 主要为农户提供生活燃料, 副产的沼液和沼渣做有机肥料部分替代化肥。已经研制出适应不同气候、原料和使用条件的标准化系列池型, 并广泛采用混凝土现浇施工工艺, 使用寿命长; 由于技术的进步, 使沼气池的使用管理变得更加简单易行; 沼气产业规模发展不断扩大, 产品基本实现了标准化生产, 规化设计和专业化施工。目前民用沼气技术已相当成熟, 已进入商业化普遍推广阶段。污水处

理的大型沼气工程技术也已基本成熟, 进入商业示和初步推广阶段。“十五”开始, 国家开始提供专项支持沼气建设, 到2007 年我国大中型沼气设施有5000 多处, 户用沼气池有2700 多万口。年产沼气90 亿立方米, 相当于当年天然气消费量的10%。按照国家计划, 2020 年, 中国沼气开发量将达到270 亿立方米, 年增长率为9.1%。从沼气的原料来看, 预计到2015 年, 中国规模化养殖场畜禽粪便资源的实物量将分别达到32.5 亿吨, 城市有机废水达到25吨, 如果全部利用约产生2000 多亿立方米沼气。2. 燃料乙醇中国以粮食为原料的燃料乙醇生产已初步形成规模。“十五”期间, 在、、和分别建设了以化粮为原料的燃料乙醇生产厂, 已在9 个省(5 个省全部, 4 个省的27 个地(市)) 开展车用乙醇汽油销售,2005 年, 这些地方实现了车用乙醇汽油替代汽油。考虑到成本与粮食供给, 我国现今政策仅鼓励非粮生产乙醇的开发。以木薯替代粮食生产乙醇, 全国具有年产500 万吨燃料乙醇的潜力。以甜高粱茎秆为原料生产燃料乙醇的技术(称为甜高粱乙醇)已经达到年产5000 吨燃料乙醇的生产规模。由于现阶段国家对燃料乙醇实行定点生产, 再者产品本身距离交通燃料的要求还有差距, 这些甜高粱乙醇无法进入交通燃料市场, 大多数掺入了低质白酒中。另外, “八五”期间, 我国开始研究利用纤维素废弃物制取乙醇, 主要研究纤维素的稀酸水解及其发酵技术,并在“九五”期间进入中间试验阶段; 目前已经建成年产600 吨规模的纤维素废弃物制取乙醇燃料技术中试设施。3. 生物柴油由生物质替代石油原料制取汽油和柴油, 是可再生能源开发利

用的重要方向, 研究方向主要集中在催化转化为适宜的油品或含油品的混合物再进一步分离。生物柴油是一种优质的生物液体燃料, 其生产原料主要为廉价植物油和纤维性生物质。目前基于廉价植物油为原料的转化技术国外已有突破性进展, 在尽量降低转化过程中能耗的前提下提高转化率并保证油品质量是生物柴油市场化的关键。上世纪80 年代末, 欧美国家投入大量的人力、财力、物力开发利用生物柴油。美国相继在1996年和2000 年颁布标准, 完善生物柴油的产业化条件, 政府实行积极鼓励, 在生物柴油的价格上给予一定的补贴。德国也于2001 年在海德地区投资5000 万马克(7马克约合0.26 元人民币), 兴建年产10 万吨的生物柴油装置。我国在1981 年已有用菜籽油、棉籽油等植物油生产生物柴油的试验研究。科技部已将生物柴油技术列入十一五国家863 计划和国际科技合作计划, 产业化方面已实现多处中试和示线。外国公司也进军中国, 外国公司分别在威海市和市建设年生产能力25 万吨和20 万吨的生物柴油厂。目前利用我国自主知识产权的技术在、龙都已开发出并相继建成了万吨级的生产线。预计中国生物柴油产量2010 年前约可达每年100万吨。由于受到原材料来源和价格的影响大多数企业处于停产或半停产状态。相比之下, 以纤维为原料生产生物柴油的技术发展的要慢, 到目前为止, 还处于工业化示阶段,且产生的生物柴油品质存在较大差异。但是由于这条技术路线原材料量大、价格可控, 如果生产成本合理, 将更有发展前景。4. 生物质发电中国生物质发电技术可分为直接燃烧发电、混合燃烧发电、气化发电和沼气发电。直接燃

烧发电和混合燃烧发电都是以固体生物质为燃料。气化发电和沼气发电是以生物质汽化后再燃烧发电。固体生物质燃料分生物质直接燃烧或压缩成型燃料及生物质与煤混合燃烧为原料的燃料。直接将具有生物质的原料进行燃烧发电处理是生物质能转化速度较快的一种方式, 从1988 年第一座秸秆生物燃烧发电厂在丹麦投产以来, 在一些欧美发达国家发展迅速并得到广泛应用。美国在2000 年就已有超过1200 个燃烧发电厂在正常运行, 总装机容量为1200 万kW, 年发电900 亿kW。中国生物质燃料发电也具有了一定的规模, 2006 年底全国生物质能发电累计装机容量220 万kW, 其中蔗渣热电联产170 万kW, 主要集中在南方地区的许多糖厂利用甘蔗渣发电。中国第一批农作物秸秆燃烧发电厂在市和市建成, 装机容量分别为2x12 兆瓦和25 兆瓦, 发电量分别为1.2 亿千瓦时和1.56 亿千瓦时, 年消耗秸秆20 万吨。目前, 秸秆直燃发电技术仍存在着缺乏核心技术和设备、发电成本偏高、秸秆收储运困难等问题。中国沼气发电技术一方面积极引进了国外先进技术, 诸如花庄奶牛繁殖中心引进了捷克沼气热电联产设备; 另一方面, 国产沼气发电机组也已基本成熟,维柴、胜动等厂家生产的燃气发电机组的技术性能指标已接近国际先进水平。2006 年完成生物质气化及垃圾填埋气发电3 万kW, 在建的还有9 万kW。中国生物质气化集中供气系统的秸秆气化站保有量539 处, 年产生物质燃气 1.5 亿立方米; 年发电量160千瓦时的稻壳气化发电系统已进入产业化阶段。5. 生物质致密成型燃料生物质压块成型是将秸秆、稻壳、锯末、木屑等有机废弃

物,用机械加压的方法, 使无定型、低发量的生物质原料压制成具有一定形状、密度较高的固成型燃料。由此, 半松散的、低热值的生物质加工成热值高及能源密度高的能量块。从成型工艺上可分为常温压缩成型、热压成型和碳化成型三类。成型燃料热性能优于木材,与中质混煤相当, 而且点火容易,便于运输和贮存, 可作为生物质气化炉、高效燃烧炉和小型锅炉的燃料。生物型煤与原煤成本低等优点, 既能节省能源, 又能明显减少大气污染, 具有储存、运输和使用方便等特点。中国生物质固体成型技术的研究开发已有二十多年的历史,现在已达工业化生产规模。但由于压缩技术环节的问题, 成型燃料的压缩成本较高。目前, 中国(清华大学、省能源研究所、美农达科技) 和意大利(比萨大学)两国分别开发出生物质直接成型技术, 降低了生物质成型燃料的成本, 为生物质致密成型燃料的广泛应用奠定了基础。四. 生物质能源应用技术分析生物质转化方式多样, 同一原料有多种可行的转化方式, 但是经济效益和环境效益却存在差异。沼气技术既可以处理掉大量工农业废弃物并转化为能量, 又可以解决农村和中小城镇的生活燃料问题, 同时也为农民提供了生物质农肥, 实现了循环物质的良性循环。但是目前生物质制沼气, 投资/产出的经济效益并不高; 主要效益是环境层面上。由于它是规模化养殖场畜禽粪便最合理的应用途径, 随着规模养殖的发展, 能够实现环境友好、可循环的规模发展, 也是新农村建设的亮点。从非粮食为原料制备乙醇从目前的发展情况来看, 以特定的木薯等淀粉类作物替代粮食作物来说具有良好的发展前景。但是由于受到原材料数量和产地的影响, 只能

在一定的区域推广和应用。而以纤维素为原料制备乙醇无论从技术的成熟度、经济效益, 还是产品销售等方面, 都存在着困难。一、生产成本高, 没有经济效益甚至是负效益。二、具有一定环境负担, 在生产过程中用水量大, 还存在一定量的污水需要处理。三、生产中能耗偏大, 能量转换效率偏低, 特别将低浓度非能源类乙醇, 转变为高浓度能源类乙醇时, 效率还需要进一步提高。利用生物质制造乙醇, 作为生物质能源利用的一种能源转换方式, 虽然目前看不到经济效益, 但是作为可再生替代能源是可以继续在技术方面做以探索的。生物柴油是目前被业界普遍看好的生物质能源。其两种方式的进展差异较大。直接利用植物油转换生物柴油的方式, 技术比较成熟和可靠, 品质很好, 完全可以直接作为燃油甚至燃机燃油使用。但是由于它立足于廉价的植物油, 因此它经常受到原料的成本和产品的售价之间的挤压, 经济效益极不稳定。进入2008 年以来, 由于粮油价格普遍上涨, 生物柴油企业大多数处于停产或半停产。科学家建议, 应利用新疆等的荒漠土地资源, 培育耐旱抗碱的能源植物, 结合荒漠治理, 大规模开发能源植物种植基地, 扩大种植规模, 为我国规模化发展生物质能源提供稳定的资源量。利用纤维素转换为生物柴油的方式, 由于技术上需要进一步完善, 还没有形成大规模生产, 由于技术路线的不同, 产生的生物柴油与柴油各项关键指标特别是燃烧值和成分相比较可分为: 低品质燃油和高品质燃油。两类技术都处于研发和中试。由于其原料量大面广(农业和林业的可利用纤维性生物质总量约17 亿吨, 直接可产生高品质生物柴油约2 亿吨), 如果具有一定的经济