中国生物质能的利用状况及展望

2004年3月河南农业大学学报2004第38卷第1期Journal of Henan Agricultural UniversityVol 38 No. 1文章编号:00-23402004)1-0100-05中国生物质能的利用状况及展望李改莲王远红杨继涛1,李继红1黄浩1,张凯31.河南农业大学农业部可再生能源重点开放实验室河南郑州4500022.平顶山工学院河南平顶山4670013.信阳市农村能源环境保护站河南信阳4640000摘要概述了中国生物质能的来源分析了国内外生物质能的利用现状.根据实际情况提出中国生物质能的发展方向关键词生物质能利用状况发展方向中图分类号S216文献标识码:AUtilization condition and outlook of biomass energy in ChinaLI Gai-lian',WANG Yuan-hong, YANG Ji-tao' LI Ji-hong' HUANG Hao ZHANG(I Key Laboratory of Renewable Energy of the Agricultural Ministry Henan Agricultural UniversityZhengzhou 450002 China 2. Pingdingshan Institute of Technology Pingdingshan 467001,China3. Xinyang Rural Energy and Environment Protection Station Xinyang 464000 ChinaAbstract The source of biomass is discussed and its utilization condition home and abroad is analysed. according tothe practical situation the future development direction is put forwardKey words biomass energy utilizing condition i developing direction从中国能源消费结构来看煤、石油是主要旳能源支柱.然而燃煤电厂、工业锅炉及民用锅炉向大气中排放大量SO2AO2及烟尘使中国的酸雨污染面积日趋扩大各种机动车排放污染也成了城市大气污染的主要来源.所有这些给人类生存带来灾难性后果加之煤、石油这些化石能源储量有限面对这种严峻的形式人类迫切要求寻找新的补给能源为可持续发展寻求出路除了煤、石油、天然气、水电和核能外自然界还蕴藏着一种取之不竭的可再生能源——生物质能.生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物质体內的一种能量形式它以生物质为载体直接或间接地来源于植物的光合作用.它可再生性能稳定同风能、太阳能相比很少受自然因素的制约又能加工转换成常规的固态、液态和气态燃料能储存运输1生物质能是惟一可再生的碳源.生物质生长过程中吸收大量的CO,气体燃烧过程排放的C,气体与吸收的相当几乎没有SO2气体排放因此被称为CO2中性燃料21.利用生物质能可改善和保护生态环境所以生物质能使人类可持续发展道路上的理想的能源积极开发现代生物质能是解决问题的捷径1生物质能的来源生物质能占世界能源总消耗的14%仅次于石油、煤炭和天然气位居第4位3.世界上生物资源丰富形式多样.主要有薪柴、农林作物、甘蔗渣工业性的)城市固体废弃物、生活污水、水生植物、离畜粪便等.中国的生物质能主要来源于农业废弃物及农林产品加中国煤化工垃圾等3个方面1.1农业废弃物及农林产品加工废弃物CNMHG主要成分包括植物纤维性废弃物如农作物秸秆、谷壳制穗作物饿澄寺农伓严品加工废弃物和禽畜收稿日期2003-06-19作者简介李改莲(1975-)女河南尉氏人河南农业大学在读硕士从事农业废弃物资源化方面的研究第1期李改莲等中国生物质能的利用状况及展望粪便据统计中国年生产秸秆6亿(烘干量,下同)用于燃料的约25%~30%折0.75亿t标煤谷壳年产量约0.15亿t禽畜粪便约2.55亿t相当于8800万t油当量.近年来随着农村生活用能水平的提高田间地头焚烧秸秆,已造成资源严重浪费和环境污染.国家有关部门已严令禁止并加大了开发利用农业废弃物资源的力度1.2薪柴薪柴主要指用材林木的根、枝桠及木材加工的下脚料.中国约有1.283亿hm?2森林面积森林覆盖率3.4%.∞0年代末中国年消耗薪材量约2.1亿t折1.2亿t标煤其中过耗约0.2~0.3亿t标煤.西部山区特别是云南等地家家常年打柴也造成森林资源旳严重破坏所以要重新考虑其用能方式利用先进的生物质能技术杜绝此现象进一步恶化1.3城市生活垃圾城市生活垃圾中约有13是有机牧厨房剩余物、纸品、草木纤维等)随着中国居民生活水平的提高城市化进展的加快集中供暖、供气增多城市垃圾旳有杋质比重仍会迅速增加.据环卫部门报道,目前中国城市垃圾用于燃料消耗的生物质资源约2亿t标煤已经取得了可观的经济、环保和社会效益.忽略·些量少的生物质资源仅以这3大类生物质能为主中国生物质能资源可开发量是相当大的.1993年统计为4.37亿t油当量其中农业废弃物秸秆是最大的生物质资源因此加强生物质能的开发与研究是有其深远意义的目前最有发展前途的生物质资源是短期轮作能源矮林和禾本科作物.丹麦、芬兰、法国、英国等国家已经研究并培育岀了多种柳树和杂交杨树渼国小面积试验柳树商业产量为5othmˉξ.禾本科作物如芒草类属C类植物单产可达50~70thm-141大面积轮作种植能为生物质能源产业提供充足的资源by和他的助手研究发现用多年生草本植物替代棉花、小麦、玉米等一年生作物壤平均毎年增加碳1.1用多年生草本植物替代一年生作物还可改善野生动物的生存环境尤其是野生植物物种的多样性对用各种生物质替换化石燃料κO2减少排放量的研究发现玉米减少CO2排放30.8%多年生草本植物减少CO2排放40.4%林木与草本植物轮作则减少CO2排放76%(3a轮作)~82%(10a轮作5多年生草本植物和林木替代一年生作物可以额外减少化石燃料利用帮助已开垦土地恢复自然生态功能调整土壤中有机物组成还改善空气质量减少温室气体排放.大力开发生物质能利用能更好地发展清洁能源产业2生物质能的利用现状2.1直接燃烧直接燃烧主要包括炉灶燃烧、焚烧垃圾、锅炉燃烧压缩成型燃料、联合燃烧.炉灶燃烧是传统的用能方式效率只有5%~10%,这种燃烧方式逐渐被淘汰.焚烧垃圾是锅炉在8α0~Iα0℃髙温下燃烧垃圾可燃组分释放热量倛热或发电.压缩成型燃料燃烧是生物质被压缩成型后密度増大性能接近煤相当于锅炉直接燃煤技术而且尾气排放污染小进行发电很有发展前景联合燃烧是燃煤电厂稍加改造后燃煤掺入生物质燃烧可减少SO2及NOx的排放发电和热电联产中国传统生物质能开发利用已是商业化技术可开发资源量约700Mt标煤利用省柴炕灶后效率有了很大提高省柴炕灶毎年节约能量达52.5万t油当量.目前中国现代生物质能中用于直接燃烧的高效燃烧锅炉有200多台效率均可达80%有几十家垃圾焚烧炉正常运行.但整体来看中国燃烧垃圾发电上网成本高而且政策不完善时机还不成熟.对垃圾处理要综合考虑从源头减量分类收集应根据不同情况采用不同技术6压缩成型块直接燃烧也达到工业生产规模其中颗粒成型燃烧尤适合家庭或暖房取暖]生物质直接燃烧发电具有较大的潜能羡国利用生物中国煤化工勿燃烧发电技术已经成熟其发电设备裝机容量为736MW夏威夷用甘蔗渣燃烧.CNMHG电力和夏威夷岛40%的电邝8]瑞典研制的燃用木质碎料流化床锅炉,燃料含水率高达50%~60%时,锅炉效率仍可达80%9,为此还附带研制了木材碎片、整树粉碎机械、链条炉等设备.1996年德国生物质发电设备装机容量为357.8MW供电量为803.9Gwh-1.年供电量中按能源资源类型分析公用电业的供电量中垃圾和废弃物提供的电量占87.8%10美国皮内拉斯的垃圾发电站年发电量为1000亿kWh-1,每周可处理垃圾河南农业大学学报第38卷120多万τⅡ垃圾燃烧后的废渣用于铺路.1998年波兰就拥有1800个小型生物质锅炉总热容量为600MWl2.2物化转化物化转化主要包括干馏技术、生物质气化技术及热裂解技术等.干馏是把生物质转变成热值较高的可燃气、固定碳、木焦油及木醋液等物质可燃气含甲烷、乙烷、氢气、一氧化碳、二氧化碳等,可做生活燃气或工业用气木焦油是国际紧俏产品木醋液可形成多种化工产品生物质气化技术是使生物质在氧气不足的条件下进行燃烧产生CO气体可燃气有高热值和低热值.热裂解技术是通过热化学方法在完全缺氧或有限供氧条件下将生物质转化为液体油、固体炭或可燃气温度一般为500~800℃液体油是热解气在高温下骤冷避免其二次裂解最大限度产岀液体油.热裂解工艺有3类∶.慢速热解(烧碳法).2.常规热解可得到20%~25%的生物碳,10%~20%的生物油3.将磨细的生物质放入热解装置可得到原料重量的40%~60%的生物油其需要的热量油热解的气体燃烧供应1]中国生物质气化在技术研制与装置开发方面自20世纪90年代以来已取得了一系列的成果.中国科学院广州能源硏究所开发硏制的上吸式气化炉,下吸式气化炉循环流化床气化炉”等一系列裝置能根据原料特点和用户需求用于清洁供热、供电和供气部分产品已经出口东南亚各国.黑龙江、山东、江苏、福建等地也都建成了生物质气化工业裝置.2000年中国已建成388处秸秆气化供气装置年产能源约0.75M标煤主要用于集中供气、木材烘干、发电等341.欧盟各国对生物质物化转化优先考虑的是1用于热能与供嗽(100kW~10MW舶气化技术包括流化床和固定床气化装置粗燃气净化排放物的控制和发动机燃气杋的研究ρ.热解技术包括农林废弃物及纤维素物质制取适用于生物油适用于运输车辆的原油精练技术和排放物控制.德国贝尔特能源公司研制的下行式气化炉-内燃机发电机组气化效率可达60%~90%可燃气热值为1.7×104~2.5×10k}m-561.生物质固体废弃物热裂解、焚烧技术在上海、无锡、江苏省等地自1997年以来就进入正常运行,为农村地区提供生活生产用能烟气排放裝置去除SO2HC等有害气体真正达到了固体废弃物无害化、减量化处理17]2.3生化转化生化转化主要包括厌氧消化技术和酶技术.厌氧消化是利用厌氧微生物的生长代谢过程将生物质转化为CH等可燃气体同时得到厌氧发酵液、渣等厌氧发酵残留物用作农田肥料效果很好.酶技术是利用微生物体内的酶分解生物质生产液体燃料如乙醇、甲醇等沼气开发主要有4类农业沼气、工业沼气、城市下水道污水沼气、城市垃圾沼气.2000年中国户用沼气池764万多个年产沼气25.9亿m3兴建大中型沼气工程1000多处含工业有机废水处理)年产沼气0亿m3系统产能折合2.56Mt标煤.如浙江浮山养殖场利用UAsB型厌氧消化装置处理鸡、猪粪便日产沼气500m3上海长江农场利用上流式厌氧污泥床处理猪粪便日产气5350m3,杭州西子养殖场、北京大兴县、房山区一些养殖场及南阳酒精厂的沼气发酵工程也都运行良好.美国克拉荷马州畜禽养殖场养η万多头家畜每日利用所产粪便200t生产沼气与天然气管道一起输送到用户.拉丁美洲已有30个国家不同程度的开发了沼气.1992年美国利用生物质发酵产沼气发电的装机容量已达650万kW约1000家年发电量42亿kWh-消耗4500万t生物质燃料38.巴西和美国在利用生物质生产酒精方面成绩很突出巴西大量种植甘蔗生产酒精年产量约120亿t占其总能耗的4%1989年巴西约420多万辆汽车完全用酒精行驶500万辆利用酒精汽油混合物行驶在替代进口石油,节省外汇支出方面取得了成功8].美国用玉米、马铃薯生产乙醇每吨玉米可生产1831.4L乙醇以1:1α体积比疹入汽油作汽车燃料,经商品化规模生产和应用6福特汽车公司已经开始生产广谱燃料汽车底特律柴油联合公司和寇明斯联合公司已经重新设计他们的广谱燃料柴油机和重载汽车18].多糖、多淀粉的物质转化为乙醇已经经不成问题纤维素类生物质转化成乙醇的技术国外才进入示范阶段近年V口中国煤化工预处理技术很大程度地提高了微生物的降解转化率通过各种工艺生物质纤纠CNMHG以上.目前美国发明了一种用含纤维素生物质生产乙醇的方法用转基因微生物把纤维素降解为低聚糖和单糖然后再转化为乙醇12.4植物油技术直接液化即植物油技术是采用机械压榨或化学提取等工艺从生物质中直接取生物柴油.生物质液化第1期李改莲等中国生物质能的利用状况及展望工艺包括}.热化泫气化高温分解液化)2生化泫发酵水解.机械汯(压榨提取)A.化学泫甲醇合成酯化61生物柴油有许多优良特点润滑性能大大优于石油柴油可减少发动机的磨损开口闪电高160℃)储存运输更方便汁六烷值为5.9抗爆性妤含氧量髙能改进燃烧堿少发动杋內碳沉淀能完全燃烧二氧化碳、碳氢化合物和颗粒物排放很少.近年来在欧美持续高速发展中国尚未见报道.生物柴油在今后几十年中会迅速发展起来形成生物柴油产业2013生物质能利用的发展方向未来半个世纪中国生物质能产业的发展可分3个阶段第一阶段2001—2010年基本解决农村生活用能生态破坏得到有效的控制基本遏制生物质直接燃烧.第二阶段2010-2030年生物质能多维、多元化利用转化技术得到普遍推广生态环境建设开始走上良性循环的轨道.第三阶段20302050年,建立起多能互补、结构合理、安全可靠的生物质能源利用体系基本建成适应可持续发展的能源良性循环生态环境工程目前中国能源战略迫切需要研究旳是用非粮食生物质为原料生产液体类、气体类燃料开发有自己知识产权和推广价值的技术使生物质能利用稳步前进.到本世纪中叶有可能赶上和超过世界先进水平1313.1管理方面根据西欧经验目前中国生物质能开发利用要找近期紧迫的进一步带动长期的如垃圾处理虽然研究治理20多年了但仍未见成效不是因为处理技术难的问题而是因为没有整体布局规划好,管理好.所以要根据实际情况政府统一规划推行优惠政策鼓励投资对投资给予相应的补贴,政府与各部门订协议监督实施.才能使生物质能源产业健康、持续发展213.2技术方面3.2.1发展沼气工程全面考虑中国国情以大型养殖场禽粪便髙浓度有机废水和有机含量高旳垃圾为原料旳沼气发酵工程而建立的生态能源系统得到清洁能源厌氧发酵残留物还可多级利用大大改善生态环境是未来的发展趋势3.2.2生物质气化发电在西部大开发基础上大量生产生物质资源发展独立的生物质发电技术是解决无电缺电的边远地区生活和生产用能问题的有效途径3.2.3开发高效直接燃烧设备中国居民绝大多数居住在农村和小城镇发展相应规模的高效直接燃烧技术和设备利用当地生物质资源替代煤前景可观3.2.4生物柴油产业生物柴油无毒降解率高达98%降解速度是石油柴油的2倍基本不含硫、芳香族化合物和致癌物PDH对环境污染很小.在生物质富集地开办液化油厂敗集周围10km内的生物质能有效控制原料成本在未来汽车行业有一席之地3.3扩大生物质资源量中国生物质能统计量数目巨大可视为资源丰富.但生物质资源分布分散能量密度低除加工业废弃物、大型养殖场禽畜粪便及城市垃圾宜集中收集外许多统计岀的资源量不能收集.中国要快速开发生物质能缓解化石能源的危机形成生物质能源产业扩大生物质资源量是很必要的.借鉴国外硏究的先进成果結合中国环境、能源状况及目前生物质能资源发展情况在中国沙漠、荒山、河岸等废弃地种植多年生草夲植物和能源矮杺柳树、杂交杨树等)等能源植牣冾理利用退耕还枺土地开发能源枺场、农场,为生物质能产业提供充足的原料资源.合理开发土地既不会影响中国粮食作物产量又能改善土壤生态功能缓解中国田地贫瘠和沙化现象进而发展到田地与能源林场、农场轮作改善中国整个农业生态环境参考文献V中国煤化工[1]高先声生物质的能源利用和生物质气化J]太阳能2002(1CNMHG[2]张承龙农业废弃物资源化技术现状及其前氖J]环境保护2002(1)22-23[3]蒋剑春生物质能源应用研究现状与发展前J]林产化学与工业2002(2)75-80[4] 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