我国生物质能源利用现状

徐丽华，罗　鹏，严　明

(肇庆市顺鑫煤化工科技有限公司，广东　肇庆　526238)



我国生物质能源利用现状

徐丽华，罗鹏，严明

(肇庆市顺鑫煤化工科技有限公司，广东肇庆526238)

发展储量巨大的可再生生物质能可以帮助缓解世界能源危机，扭转由于大量化石燃料使用造成全球环境恶化的趋势。对生物质进行了分类，介绍了现代生物至能的3种生产转化方式、相应产品及其应用情况，分析各种生物燃料的优缺点和所面临的挑战,进一步指出生物质能的开发利用,对于我国能源结构调整、能源安全以及环境保护具有十分重要的意义。

生物质；转化途径；能源

能源是人类生存和社会发展的基础，当前社会的主要能源是化石能源(属于不可再生资源)。与此同时，社会的高速发展，也加剧了化石能源的消耗，使得环境恶化，大量CO2的排放也加剧了温室效应，严重威胁人类社会的可持续发展。

能源短缺和环境问题迫使全球走向低碳。低碳经济的核心是新能源技术，其中，生物质能源[1]是不容忽视的。生物质能源是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式。它能直接转化为常规的固、液及气态燃料，取之不尽，是一种可再生能源，同时也是唯一一种可再生碳源。生物质能源还具有高效、清洁、可持续的特点。但目前对生物质能源利用率还很低，大多是单纯燃烧，因此寻求更为高效的加工利用方式是我们当前所面临的难题。

地球上每年经光合作用产生的物质有1700亿吨左右，其蕴含的能量相当于全球能源消耗总量的10～20倍，但目前利用率不到3%。我国生物质能源潜力巨大，“十一五”已完成实验研究，“十二五”逐步应用，至“十三五”期间，我国生物质能源将大面积推广。

1　生物质的概述

生物质[2]是指经光合作用而形成的可再生或可循环的有机物质，包括所有的动植物及微生物，以及由这些生命体排泄和代谢的所有有机物质，它可以在较短的周期内重新生成。地球上生物资源相当丰富，植物每年经光合作用生成的生物质总量约为1440～1700亿吨(干重)，其中海洋每年可生产500亿吨物资。生物质资源不仅数量庞大，且形态多样。通常生物质资源可分为以下几类[3]：

(1)农业生物质能源 包括农业生产后的废弃物(如秸秆等)、农业加工业的废弃物(如稻壳等)和能源植物(如油料植物等)。

(2)林业生物质能源 包括各种树木和草本植物等；也包括木材利用加工过程中产生的锯末等；还包括林业副产品的废弃物，如果壳和果核等。

(3)水生类生物质能源 主要包括藻类、浮萍等。

(4)微生物类 主要包括光合成微生物如硫细菌、非硫细菌等。

(5)禽畜粪便 它是其他形态生物质(粮食、作物和牧草等)的转化形式，如粪便、尿及其与垫草的混合物。

我国生物质生产量达60亿吨干物质，相当于年耗能量的2.5倍。但目前对生物质的利用主要是直接燃烧，不仅浪费能源，还造成大气污染。因此，寻求更高效的生物质利用技术，开发高品位的优质能源势在必行。

2　生物燃料的生产转化途径

生物质能的组织结构与常规化石燃料相似，它的利用方式也与化石燃料相似。当前，获得生物燃料的方式[4]主要有3种：物理转化、传统化学转化和热化学转化。根据转化路经的不同，在技术路线、生产成本和所得产品上有一定差异。

2.1物理转化

物理转化途径是通过改变生物质的形态得到各种高密度的固体成型燃料。这一转化途径是借助外力作用下，如通过高温/高压作用将松散的生物质原料压缩成具有一定形状和密度的成型物，以减少运输成本，提高燃烧效率。原料经压缩成型后，密度可达1.1～1.4 g/cm3(与中质煤相当)，燃烧特性明显改善，火力持久黑烟小，炉膛温度高。

2.2传统化学转化

传统化学转化是目前生物质能应用最广泛的一种途径。以生物发酵为代表，它不仅包括传统的发酵制取乙醇和沼气，也包括现代的ABE发酵技术制取丁醇和发酵制氢技术。生物化学转化方法的另一种重要技术就是生产生物柴油的酯化反应法(1988年由德国科学家拜耳研制成功)。

但是，无论是现代的发酵技术还是传统的发酵技术，均存在周期长的特点，这就使得其效率较低。且传统化学转化方法都是为制得单一产品，在市场经济中抗风险能力较弱，不利于实现生物质能的商业价值。

2.3热化学转化

热化学转化的方式包括:燃烧、液化、热解和气化。

直接燃烧是指将可燃烧的生物质直接投入特殊燃烧设备中燃烧，燃烧过程中产生的热气流或高压蒸汽用于发电或供暖，它与目前的燃煤发电、供暖相似，在燃烧设备上有一定差异[5]。生物质燃烧是一种直观、简单、投资少的方法。

液化是指通过化学方法将生物质转变成液体产品的过程，有直接液化和间接液化之分。直接液化是将生物质、催化剂和溶剂置于高压设备中，高温高压下制取液体燃料，并副产气体。间接液化是先将生物质气化制成小分子气体后再进行催化合成液体产品的过程。直接液化的反应条件较间接液化更为苛刻。无论是直接液化还是间接液化，催化剂、反应器的研究、开发与放大是关键，生物质液化技术可以借鉴我国煤直接和间接液化的工业装置。

生物质热解是在无氧或少氧条件下持续给生物质加热，所发生的一系列物理和化学变化。在该过程中生物质大分子受热断裂成各种小分子，并发生小分子结合成大分子的过程，得到包含气、液、固三相反应产物。气体产物以H2、CO和小分子烃类为主，液体产物为生物油，固体产物为木炭。通过控制反应温度和反应时间，可得到不同比例的产物。

气化是指生物质原料在隔绝空气加热条件下与气化剂发生不完全燃烧的能量转换过程，生物质裂解后，与气化剂反应生成小分子可燃气体。气化剂种类不同，所得的小分子可燃气体也不尽相同，其热值也有较大差异。经生物质转变成的小分子气体，既能通过二次燃烧发电、供热、民用炊事等，也可进一步加工制取液体燃料。

热化学转化技术的优点较多，如利用效率高、加工成本低以及产品多元化。就我国当前形势来看，气化是一种较受欢迎的利用途径，它具有较高的热效率和丰富的产品方案；但快速热解途径仍处于发展阶段。

3　主要生物质能概述

生物能源主要是指由生物质原料生产的液体产品替代油料，以生物柴油和燃料乙醇最为欢迎。发展可替代化石能源的生物能源，既可减轻对石油和煤炭资源的依赖，降低对环境的污染，又可延伸农业产业链，被认为是解决全球能源危机的最理想途径。

3.1生物柴油

生物柴油指以各种油料植物及餐饮废弃油脂等为原料油通过酯交换工艺制成的再生性柴油燃料，其理化性质与柴油相似甚至更优(冷滤点、闪点、燃烧功率高、含硫低等)。目前，真正用于生物柴油工业化生产的原料有大豆、油菜籽和棕榈油等，其他的诸如各种食用油和植物油只在内燃机上进行了评价试验，并没有进行应用。

3.2燃料乙醇

燃料乙醇主要由生物质进行生物发酵等途径获得。燃料乙醇经变性后与汽油配成一定比例可制成乙醇汽油使用。目前可用来生产燃料乙醇的原料有很多，除了谷物、海洋藻类外，还有资源更丰富的农作物秸秆、树木、林业废料及生活垃圾等。但燃料乙醇也有诸多缺点，首先它并不是“油”，只是油品的优良品质改良剂，且易引起氧化、生锈和腐蚀等问题。

3.3沼气

它是指各种有机物质，在隔绝空气和适宜的温度、pH值条件下，经微生物发酵而成的一种可燃气体，主要成分是CH4和少量的CO，残余物可作为有机肥料。其发酵原料是有机废物和农作物秸秆，2.5 kg 秸秆可以产生1 m3天然气，1 m3沼气热值为23 MJ左右，相当于1 kg原煤的热量。我国是世界上沼气利用开展最好的国家，目前已进入商业化应用阶段。

3.4氢气

生物制氢包括光合生物制氢和厌氧发酵两种途径。是一种理想的持续产能模式，但目前还停留在实验室探索研究阶段，离商业化生产较远。

4　生物能源的发展困境

尽管生物质能源的研究工作已开展多年，但由于生物质本身的局限，如单位土地面积的有机物能量偏低，有机物水分偏多(50%～60%)，在其发展过程中还存在许多问题。

(1) 虽然通过热化学转化可从植物原料获取燃料乙醇和生物柴油，但是热化学液化的机理和工艺仍需进一步研究。

(2) 纤维素的生物质转化费用过于昂贵，如纤维素酶制剂占生物质转化总成本的50%～60%，酶降解时活性低，用超临界水处理时存在腐蚀问题和操作条件苛刻。

(3) 资源来源和生产成本问题。燃料乙醇和生物柴油的生产原料分别为粮食、油料作物与动物脂肪，均是日常必须品且我国人口众多，大规模生产燃料乙醇和生物柴油势必导致成本上升，并且危害粮食安全。

5　结　语

开发利用生物质能是调整能源结构、实现可持续发展的重要保障。虽然我国在生物质开发利用取得了一定成绩，但由于起步较晚，与发达国家相比存在差距。加强生物质热化学转换、生物转换的理论和应用研究，开发高效低成本的催化剂，优化现有转换技术，对建立可持续发展的能源系统，调整我国的能源结构具有重大的意义。

[1]赵岩.生物质催化转化制备芳烃化合物的研究[D].合肥：中国科学技术大学,2014.

[2]何会流.能源植物资源及应用潜力概述[J].安徽农业科学,2008,36(17):82-83.

[3]胡宗泰,王英阁,李继香.生物柴油研究现状和发展趋势[J].粮食与油脂,2006(10):11-14.

[4]Pearce F.Fuels gold:big risks of the biofuel revolution[J].New Scientist,2006,191(2570):36-41.

[5]严鑫,吴明锋.生物质发电及能源化综合利用[J].山西电力,2014(6):52-55.

Present Situation of Biomass Energy Utilization in China

XU Li-hua,LUO Peng,YAN Ming

(Zhaoqing Shunxin Coal Industry Technology Co.,Ltd.,Guangdong Zhaoqing 526238,China)

Developing renewable clean biofuels using wildly available bioenergy can help alleviate the worsening world energy crisis and reverse the trend of deteriorating global environment caused prmiarily by the ever-increasing use of fossil.Three kinds of conversion routes,their corresponding products,and the scale of bio-fuel production and application worldwide were reviewed.The pros and cons of biofuels were analyzed,and the challenges for the development of biofuels were discussed.Development and utilization of biomass energy was significance to Chinese resource structure adjustment,resource safety and environmental protection were further pointed out.

biomass; conversion route; resource fuels

徐丽华(1987-)，女，工程师，主要从事洁净煤技术研究。

TK6

A

1001-9677(2016)011-0047-03