生物质能源的利用技术与开发对策

第22卷第3期河北林果研究Vol 22 No. 32007年9月HEBEI JOURNAL OF FORESTRY AND ORCHARD RESEARCH文章编号:1007496(200103026205生物质能源的利用技术与开发对策支乾坤,左春丽2,赵会艳!,杨文学(1河北省木林管局河北围场04502扬州工业职业技术学院江苏扬州2007)摘要:生物质能源是十分重要的可再生能源高效转化利用生物质能源对解决能源生态环境问题将起到十分积极的作用。世界各国尤其是发达国家都很重视生物质能源的研究与开发。本文概述了生物质能资源的类型和特点以及国内外研究和开发进展并从我国实际情况出发,提出研究开发前景和建议关键词:生物质;能源;研究;应用中图分类号:TK65文献标识码:AResearch and utilization of biomass energyZHI Qian-kun', ZUO Chun-lf, ZHAO Hui-yan', YANG Wen-xue(I Mulan Forestry Management Bureau of Hebei Prorince, Weichang 068450, China2 Yanghou College of Industrial Technology, Yangzhou 225007, China)AMstrad: Bomas is an important part of renewable energy reaource. High eective utilization and development of bioemer has positive effect on soiving energy and envionment protems. In countries wordwide, especially in the develcountries,extra attentions hve been paid to mearch and developmert d biose. In this paper, sorts and characteristics ofbiomss energy resource the progress o research and development in dometic and abad are summarized. Acoording to thesituation in China proposeds on reaearch and development pope are put forwardKry words: biomass energy researth; utilization随着经济的发展和人民生活水平的提高能源植物种类丰富幅员辽阔有大量荒芜土地可以种植短缺和环境污染日益成为困扰人类社会发展的主要能源作物;我国又是一个农业大国每年至少产生数问题。按目前技术水平和2003年的开采量计算石亿吨的农作物废弃物。研究发展生物质能源产业油煤炭和天然气分别可供开发41年、192年和符合我国资源社会、环境和谐发展的战略需求和目67年。随着化石能源的无节制使用,环境问题变标。得日益严重,如全球气温变暖、损害臭氧层、破坏生态圈平衡释放有害物质引起酸雨等。因此开发1生物质能资源的类型和特点和寻找新的替代能源已成为人类社会在21世纪必1.1生物质能资源的类型须解决的重大课题生物质能源可再生而不会枯竭生物质种类繁多是地球上分布最广泛的物质,同时起着保护和改善生态环境的重要作用,是未来包括水生和陆生生物及其代谢产物但是只有能够最重要的替代能源之一作为能源用途的生物质才属于生物质能资源,其基生物质能是世界第四大能源,2004年亚洲、非本条件是资源的可获得性和可利用性。按原料来源洲的大多数发展中国家,生物质能的消费中国煤化工3农业生产度弃物,主要能源消费总量的40%以上;美国是工业化丫材和柴草;③农林加工废耗生物质能最多的国家,生物质能约占美CNMHG④人畜粪便和生活有机垃量的4%;奥地利瑞典和荷兰的生物质能消费占总圾等;⑤工业有机废弃物有机废水和废渣等;⑥能能源消费的比重分别为2%、18%和23%口。我国源作物包括所有可作为能源用途的农作物、林木和收稿日期:x=01-09:修改稠作者简介:支范坤(978-),男河北兴隆人助理工程师主要从事森林资源调查及规划设计工作第3期支乾坤等:生物质能源的利用技术与开发对策水生植物资源等挥发组分,将生物质转化成气体燃料比较容易实现;1,2生物质能资源的特点⑤生物质燃烧后灰分少,并且不易黏结,可以简化除与化石燃料相比,生物质具有以下特点:①生物灰设备;⑥生物质能量密度小,重量轻、体积大属于质原料可再生,具有多样性和广泛性的特点。地球低品位能源给运输和保存带来一定的难度。上每年生长的生物能总量达1400亿-180平2生物质能源的利用技术重),相当于目前世界总能耗的10倍资源开发潜力十分巨大;②生物质是低碳燃料,燃用时产生的以前人类对生物质能的利用基本上是以直接燃CO2,可被等量生长的植物光合作用所吸收,这就是烧的方式利用它的热量。直到20世纪,特别是近人们常说的实现温室气体的“零”排放,可以缓解日二十年,人们普遍提高了能源与环保意识,对地益严重的“温室效应”;③生物质的SN含量少,从球固有的化石燃料的日趋减少有一种危机感在可而可减少对环境造成的污染;④生物质的挥发份含再生能源方面寻求能源的持续供给使生物质利用量高,容易燃烧,在400℃左右的温度下,大部分挥技术的研究与应用有了快速的发展。生物质能的利发分可释出而煤在800℃时才释放出3%左右的用技术如图1所示匚生物质能利用技术[燃技利生物转化拉术[热化学转技[液化技利[有机均玻处理技肉肉肉图1生物质能利用技术Fig 1 Tbe utilization of biomas energy黑明数整下4图2我国南方“猪一沼一果“能源生态模式示意图21生物质直接燃烧技术R2mm的m““吨-M邮山如um直接燃烧是把生物质转换成能量所通中国煤化工所的比教早我国广州能过程。燃烧过程所产生的热和蒸汽可用CNMHG向需要的地方供热,如各种规模的工业过程田飞v伍八氧和其他适宜条件下,经沼热、煮饭以及家庭供暖等。对城市来说焚烧不但处气微生物分解代谢产生的以甲烷和二氧化碳为主体理了垃圾还回收了部分能量,具有较好的发展前的混合气体。规模小的沼气池可以解决家庭用电景。目前的研究热点主要集中在提高燃烧效率上,燃气问题并为农业生产提供肥料。大中型沼气工河北林果研究第22卷程是指单体发酵容积大于50m3或日产气量大于5020世纪70年代研究开发了颗粒成型燃料并研究m3,对于处理农业废弃物(禽畜粪污等)和城市生活开发了专门使用颗粒成型燃料的炉灶,用于家庭或污水发挥很大作用。在我国南方地区有523万农暖房取暖目前在北美有50万户以上家庭使用这种户用上了“猪-沼-果"能源生态模式(见图2)“。专用取暖炉,颗粒成型燃料年产量达万t1995年23生物质气化技术hawaij大学和 vermont大学在国家能源部的资助下生物质气化是在不完全燃烧条件下,将生物质开展了流化床气化发电工作,Hmwu大学建立了日原料加热,使较高分子量的有机碳氢化合物链裂解,处理生物质量为100t的工业化压力气化系统,ver变成较低分子量的C0H、CH等可燃性气体在转mom大学建立了生产能力达到200vd的气化工业换过程中需要加入气化剂(空气氧气水蒸气等)。装置发电能力为50MW。另外,美国每年以农村生气化产生的可燃气可广泛用于炊事、采暖和作物烘物质和玉米为原料生产乙醇约450万t计划到2010干,还可以用作内燃机热气机等动力装置的燃料,年,可再生的生物质可提供约5300万t乙醇。输出电力或动力。气化反应器有固定床流化床和奥地利成功地推行建立燃烧木质能源的区域供旋转床3大类,目前的研究热点主要集中在循环流电计划,目前已有八、九十个容量为1-2Mw的区化末气化和焦油的催化裂解处理上。域供热站,年供热10×10M。瑞典和丹麦正在实24生物质热解技术行利用生物质进行热电联产的计划,199年瑞與供生物质热解是指生物质在基本无氧气(与空气热和热电联产所消耗的能源中,26%是生物质能隔绝)的情形下,通过热化学转换生成炭液体和气日本从20世纪40年代开始了生物质成型技术研体产物的过程。由于目标产品的不同,通过控制反究开发出单头、多头螺杆挤压成型机,生产棒状成应条件,生物质热解技术可以分为干馏制木煤气、制型燃料,其年生产量达25万t左右。20世纪70年炭和快速热解制生物油技术。生物质快速热解制取代末巴西开始实施大规模的木薯和甘蔗制乙醉计生物油技术已成为国内外生物质能源利用技术研究划,全国现有485个乙醇生产厂,年产乙醇137亿热点生物油在升温速率为100℃5以上时热解升有400万辆汽车采用纯乙醇燃料。欧洲近年来油的产率可以达到60%以上。大力开发生物柴油技术在德国发展最为迅速已经25生物质液化技术形成近百万吨的生产能力,并制定了面向高业化应液化是指通过化学方式将生物质转换成液体产用的扶持政策和技术标准等。美国、新西兰、日本品的过程。液化技术主要有间接液化和直接液化两德国和加拿大等国先后开展了从生物质制取液化油类。间接液化就是把生物质气化成气体后再进一的研究工作将生物质粉碎处理后置于反应器内经步合成反应成为液体产品;或者采用水解法把生物化学反应转化为液化油其发热量达35×10/kg质中的纤维素、半纤维素转化为多糖然后再用生物左右用木质原料液化的得率为绝干原料的50%以技术发酵成为酒精。直接液化是把生物质放在高压上设备中,添加适宜的催化剂在一定的工艺条件下反32我国生物质能源的开发利用口因应制成液化油作为汽车用燃料或进一步分离加我国生物质能的应用技术研究,从“六五”计划工成化工产品。这类技术是生物质能的研究热点就开始设立研究课题,进行重点攻关,主要在气化、3国内外生物质能源的开发利用现扰固化热解和液化等方面开展研究开发工作。我国经过20多年的研究开发和示范推广,生物质能源的3.1国外生物质能源的开发利用n应用已取得很大的进展目前生物质能开发利用技术成为世界重点研究国林科院林化所从20世纪80年代开始研究课飇之一,许多国家都制定了相应开发研了"称质赵的上吸式气化炉,已先后在日本的“阳光计划”美国的“能源农场中国煤化工等地建成工业化装置,最近色能源工程”和巴西的“酒精能源计划”等CNMHG气化系统供乡镇居民生美国在生物质利用于世界领Nm左右。山东省能源研350多座生物质发电站,主要集中在纸浆纸产品加究所研究开发了下吸式气化炉,主要适用硬秸杆类工厂和其他林产品加工厂,据有关科学家预测到农业剩余物的气化从20世纪9年代在农村居民2010年生物质发电将达到1300MW装机容量;在集中居住地区得到较好的推广应用。广州能源研究第3期支乾坤等:生物质能源的利用技术与开发对策所开发了外循环流化床生物质气化技术,已完成了品拟作为柴油的替代品。目前国内最大的发电能力为5MW的气化发电系统。辽宁能源所与意大利合作引进了一套下吸式4我国生物质能发展对策化炉发电装置,发电能力30kW。国内有数十家单4.1加大技术开发力度位从事同类技术的研究开发,目前全国已建立40生物质能开发技术已有大量研究并取得了一系余个秸杆气化集中供气系统气体热值一般在4~列成果但对于实现其市场竞争优势还远远不够10MJNm。技术进步是生产效率提高的前提,是降低生物质能我国从20世纪50年代开始了稀酸常压、稀酸成本和加强市场竞争性的一项重要措施因此要加加压、浓酸大液比的水解和纤维素酶水解的研究并.大生物质能技术研究。由于生物质存在种类复杂多在南岔水解厂建立示范工程主要利用木材加工剩样分布分散和能量密度低等先天“劣势”,在开发高余物制取乙醇和饲料酵母,设计生产能力为年产品位能源时要比化石燃料复杂如污泥和工业废水400亿乙醇产生的木质素作为生产活性炭的原料。除了采用燃烧技术和物化转化技术还要采用生物国内还开展了研究生物质原料的高压燕汽爆破预处转化技术,因而需要对一些特殊转化技术进行深人理技术纤维素酶制备技术、大规模酶降解技术、戊研究糖己糖同步乙醇发酵技术、微生物细胞固定化技术、42提供政策扶持、法律保证和资金支持在线杂菌防治技术,以及副产品木质素的深度加工政策的支持是事物良好发展的重要外部环境,利用技术等,但是这些技术还处于研究阶段。“十生物质能作为目前能源领域的“弱势产业”更需要政五"期间开展了用木屑为原料,稀盐酸水解制备酒策的扶持欧盟15国生物质能的发展关键在于政策精,水解木质素制备高吸附能活性炭的研究。乙醇的保证上。生物质能发展具有良好的生态环境效燃料生产已接近100万t,其中甜高梁制取酒精的技益,而化石能源产生严重的环境污染,国家需要加大术已初步具备商业化发展的条件,目前试产规模已环境立法使产品造成的生态环境效应转化为货币达到年产5000t体现到产品价格中去,这将增加生物质能源的竞争我国生物柴油的制备技术开发始于20世纪90优势。此外,生物质能产业作为新兴绿色产业需要年代末本世纪初得到人们的重视。国内许多科研大量资金投入政府在信贷融资等方面都应该给生院所和高校单位在植物油理化特性、酯化工艺、柴油物质能产业创造便利条件甚至于政策倾斜添加剂和柴油机燃烧性能等方面开展了初步试验研43重视多元开发模式究。中国林科院林化所研究了生物柴油和高附加值生物质分布分散,能量密度低运输、处理等成的化工产品综合制备技术,使得生物柴油的加工利本高。在能源开发时应采用多样化利用模式,对于用不仅技术上可行,而且经济上能够实现产业化。农村地区分散现象可以采用沼气池、生物质气化集另外利用城市垃圾油和其他的废弃油脂生产生物柴中供气技术,对于大型污水处理厂等可以采用大型油技术,在国内也已经开始实现产业化,在福建已经沼气工程等技术,具体情况需要具体分析;此外在生建立年生产1万t的生产装置。北京化工大学研究物质能开发时要利用效益高的成熟技术,对于前景了生物技术法生成生物柴油技术建立了200年广阔、不太成熟、效益不高的技术要加大研究力度中间试验设备。可以进行示范。生物质能源化利用还将和生物质其我国的生物质固化技术开始于1985年,经过20他一些用途产生冲突不同用途间的分配量要进行多年的开发现在国内已经开发成功的有棒状和颗客观分析评价。粒状成型燃料生产技术,现已达到工业化生产规模,4.4坚持可持续性发展主要是利用木屑为原料棒状成型燃料已经到田不当会产生生态环境和社会数十家生产企业。颗粒成型燃料的研究开中国煤化工大量离开农田系统,土壤肥较好的进展CNMHG会不断退化如果没有其他生物质快速热解制备生物油技术的研不可持续发展状态因而秸5年也已经开始进行,但是目前仍然是实验室研究。秆可离开农田量或者秸秆离开农田,社会经济系统研究的生物质液体转化率只有50%左右,快速热解如何回补农田系统,这些过程机理都需要深入研究温度600℃,液体油的热值为22000J/kg左右,产对于能源作物,不同品种的耗水特性、生态适宜性以河北林果研究第22卷及与粮食安全的关系等等这些生态、社会问题都需电力,200,05):10-16要进行深入细致研究。只有这样才能够避免生物质15)看金方应香工业木质素的热裂解试验研究门农业工学能开发过程中引发出其他生态环境和社会问题,从面使生物质能的开发处于一种可持续发展状态[6]李景明生物质能现状与发展[知识就是力量200,(11)147]石元春发展生物质产业[EONJ.Mp:ww,c,c,ahmyDn2060v0w5216.hm,2006-03-02随着全球能源危机不断出现,以及化石能源大[8孙孝仁、2世纪世界能原发展前录{.中国能源x01,(2):19量使用产生的生态环境问題,使得环境友好、资源丰[9]曾胡王革华世界主要发展生物质能国家的日的与举措富的生物质能成为能源和生态环境领域研究的重点。在生物质能的开发过程中应加大技术研发政[0]周中仁是文良生物质能研究现状及展望]农业工程学报策扶持法律保证、资金支持、开发模式和可持续评20,2(12):12-15价等方面的研究。在能源生态环境和发展经济三 Chmg J. Denis Y CLam% Wu CZ. A review an the mergy proka大要素拉动下,生物质能在不远的将来一定会走向tion,omssmmptiom, a popet denery in China[刀B能源的主流舞台为解决能源短缺生态环境恶化和(1】)蒋剑春生物质能应用研究现状与发展前聚门林产化学与农民增收等问题做出巨大贡献。工业,20,2(2):75-80[13]蒋剑春,应中国林业生物质能源转化技术产业化趋势争考文献:[刀]林产化学与工业,2065,25增刊):5-9[1] Thams Kornfeld, Zofia Lublin, Era Anterohswd[4】周策秋马龙李海滨等中国稻壳资源状况及其气化燃烧200[R]. Swedish Energy Arney Ablicetian,2004发电剪景[可再生能源,204,(6):7-12]张无敌宋洪川孙世中等生物质能源转换技术与前景[]新[15】朱俊生中国新能源和可再生能源发展状况[门可再生能源,能源,200,2(1):16-202003,(2):3-83]袁振宏吴创之生物质能利用原理与技术[M]北京:化学工业出版社,200(编辑郭丽娟)[4]宋鸿伟郭民臣生物质气化发电技术发展状况的综述[刀]现代中国煤化工CNMHG