中国生物质能源与生物质利用现状与展望

工作论坛RENEWABLE ENERGY No. 2 2006(126 Issue in All中国生物质能源与生物质利用现状与展望孙永明1,袁振宏2,孙振钧(1.中国农业大学资源与环境学院,北京10004;2中国科学院广州能源所,广东广州510640)摘要:分析了生物质能源与生物质利用在解决我国面临的能源危机、三农问题、环境问题上的作用,以及其在可持续发展和循环经济中的地位。总结国内外生物质能源和利用的现状,阐述了我国未来生物能源和生物质利用的发展方向和目标,展望和预测了生物质能源与生物质利用的途径,并对生物质产业发展的组织形式提出建议。关键词:生物质能源;生物质材料;能源作物;燃料酒精;生物柴油;沼气中图分类号:S216;TK6文献标识码:A文章编号:1671-5292(200602-007805The status and future of bioenergy and biomass utilizationn chinaSUN Yong-ming, YUAN Zhen-hong, SUN Zhen-jun'(1. Ecology Sciences Department, College of Resources and environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100094, China; 2. Guangzhou Institute of Energy ConversionChinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China)Abstract: The important functions of biomass to solve energy crisis, issue concerning agri-lture, countryside and farmers, ecology destroy, environment pollution and sustainable de-velopment were analyzed in the paper. China biomass development way and goal were planedand suggested, the status of bioenergy and biomass utilization at home and abroad were alsosummarizedKey words: bio-energy; energy plant; biomass: bio ethanol; bio-diesel; biogas生物质能是指由光合作用而固定在各种有统,促进社会经济的发展和生态环境的改善具有机体中的太阳能,生物质为生物质能的载体。在重大意义。各种可再生能源中,生物质是独特的,不仅能贮1发展生物质能源与利用生物质的战略意义存太阳能,还是一种可再生的碳源,可转化成常在面临矿产资源枯竭的背景下,全世界都在规的固态、液态和气态燃料。据估计,地球上植物谋求以循环经济、生态经济为指导,坚持可持续每年通过光合作用固定的碳达2×10t,含能量发展战略,从保护人类自然资源、生态环境出发,达3×10kJ,可开发的能源约相当于全世界每年充分有效地利用可再生的、巨大的生物质资源耗能量的10倍叫。我国生物质能资源相当丰富,生物质能源和生物质利用的战略意义在于生物理论生物质能资源约有50亿t标准煤,是我国目质具有多功能、多效益的特点以及在满足国家重前总能耗的4倍左右习。用现代高新技术开发利大战略需求方面的重要作用。用生物质能,解决人类面临的经济增长和环境保(1)有利于解决“三农”问题护的双重压力,对于建立可持续发展的能源系“三农”问题是关系我国经济发展和全面建收稿日期:2005-04-07基金项目:国家“十五”科技攻关项目(2002BA516AD3-3);国家863项目(20中国煤化工作者简介:孙永明(1977-),男,内蒙丰镇人,博士研究生,主要从事农业废弃CNMHG通讯作者:孙振均(1956-),男,教授博土生导师研究方向:农业生态学与生物质能源利用。78可再生能源2006.2(总第126期)设小康社会的关键性问题,关系着8亿农村居民少使用量,开发洁净可替代能源是唯一的解决办和1亿农民工的发展需要和切身利益。生物质法。我国尚有近1亿hm2宜农、宜林荒山荒地,可产业是多元化的新兴产业,开始向食品、生物质用于发展能源农业和能源林业,是发展洁净可替能源、生物质材料、林产化工、医药等众多领域扩代能源的重要资源。农业废弃物对环境形成了越展,未来农民将不仅要生产食物和饲料,而且要来越大的面源污染压力,通过实施生物质能源利生产能源、材料化学制品等。结合我国农村人口用技术,使生活垃圾和各种农业废弃物转化成为多生物质资源分散的特点,就地取材,大力发展清洁能源和有机肥,变“废”为“宝”,从根本上解沼气池、生物质压块炭化燃料、生物质户用气化决农村普遍存在的“畜牧公害”和“秸秆问题炉等生物质能技术,在燃料方面实现生活小康,(4)有利于发展新型材料和原料有利于改善农村环境卫生和居住区生活条件,全人们日用材料很大一部分是石油副产品,面提升农民生活质量,全面加快社会主义新农村旦石油出现短缺,必然引发石油相关产品(石化材建设步伐。未来能源林业和能源农业的大规模发料、工程塑料、电子原器件)等短缺的连锁效应,将展,还将增加农村就业机会提高农民收入推动严重影响到人们的日常生活。高分子材料是材料农村城镇化建设,振兴农村经济。工业的重要支柱,现有的高分子材料基本上以石(2)有利于保证国家能源安全化资源为原料。我国年产1500万t各类塑料制能源安全不仅包括能源供应的安全,也包括品,要消耗数以千万t的宝贵的轻油资源和大量由于能源生产与使用所致的生态环境安全。我国天然气;还要形成约500万t的难以降解的塑料是一个能源生产和消费大国,又是以煤为主要能垃圾阴。尤其是农用塑料薄膜,每年生产、使用源消费的国家,煤炭消费量占我国一次能源消费150万t基本上不能回收,大部分残留于农田。因总量的75%以上,接近世界同类国家平均值3此,开发可替代能源的新材料是关系到国计民生倍;我国人均能源资源占有量却不到世界平均水的头等大事,生物质材料的应用将形成一场新的平的一半。据估计,我国煤炭资源最多可利用减少资源利用的工业革命引领出一批新的产业。150a;已探明的石油资源为32亿t,石油总储2国内外生物质能源与生物质利用研究进展量为300-600亿t。以目前的消费速度粗略估算,自上世纪70年代的“石油危机”后,生物质能到2030年石油资源将只剩下18%,到2037年将源的开发利用引起了世界各国政府和科学家的关可能全部耗尽。石油进口依赖度逐年上升,2004注,许多国家都制定和实施了相应的开发研究计年原油生产量1747亿t,而消费量猛增到30亿划。如日本的“阳光计划”、印度的“绿色能源工t,净进口原油达到117亿。近年来,多个省市程”、巴西的酒精能源计划等。美国农业部与能源拉闸限电,预示着国家电力供应告急。中国的能部、环保署协同于2002年制定了生物质能/材料源储量与未来几十年的发展需求之间已经存在研究开发计划等。巨大的缺口,从长远发展的角度来看,将经济发(1)能源作物展建立在石油、煤炭等不可再生能源的基础上是世界上生物质资源数量庞大,形式繁多,除了不适宜的。只有通过节约能源、开发新的可替代小规模使用的传统生物质能(农林废弃物和加工能源才能解决这一问题。我国传统的生物质资源废弃物)外,可以大规模用于代替常规能源的生物为65亿t,发展能源农业和能源林业还至少可提能将成为未来可再生能源的主体,尤其是为了生供相当于10亿t标准煤的能源资源,发展生物产能源而种植的能源作物。以科学的方法培育高质产业是解决能源安全的重要选择之产、抗逆性强的能源植物是发展生物质能的根本(3)有利于改善生态环境保障。如:速生的桉树,每年产量可达30-50t我国的煤炭消费量的80%是直接燃烧,造成hm2,甘蔗的年产量在40-80t/667m2,甜高粱是环境污染问题严重,除城市烟尘污染外,酸雨现普YH八团可立10t籽粒和100象也频频发生。在没有切实可行办法控制矿物燃茎中国煤化工糖量的25~27料使用过程中产生的生态环境污染的情况下,减倍CNMHG、印度等国都开9工作论坛RENEWABLE ENERGY No. 2 2006(126 Issue in All)展了培育和种植甜高粱及其生产燃料乙醇方面已开发和推广应用20多套MW级生物质气化发的研究与开发,而且取得了成果,中国在甜高粱电系统。国家高科技发展计划(“863”计划)已建设木薯、菊芋、黄连木、麻疯树和耶路撒冷菜蓟(Ar-4MW规模生物质(秸秆)气化发电的示范工程等的开发上成果显著系统发电效率可达到30%左右吗。(2)燃料乙醇(5)沼气燃料乙醇是国际上近年来最受关注的石油近年来畜禽粪便生产沼气的技术在欧、美等替代燃料之一,在汽油中掺入10%-15%的乙醇可发达国家发展很快在成套热电沼气工程技术、不使汽油燃烧得更完全,减少CO2的排放量。巴西同型号气-油联合发电机、大型实用型沼气发酵2002年产乙醇1200多万t,全面覆盖汽车用燃罐体、储料罐体、预处理和输配气和输配电系统等料并大量出口美国。2000年,美国生产600万t方面均已远远超过沼气的发源地—中国。英国玉米乙醇,相当于汽油消耗量的1%。据估计,如有45座大型沼气工程;瑞典2000年前后的2年果美国农林废弃物都利用起来,可替代美国国内内建造了5座大型沼气发酵装置;丹麦2000年之40%的汽油。我国已在黑龙江、吉林河南和安前已经建造了19座集中沼气场和8座农场沼气徽4省建设陈化粮生产燃料乙醇工程,并已在全装置;德国建立了以沼气发电并网为基础的环境国10余个城市开展了添加10%乙醇的汽油燃料保护策略吸纳剩余劳动力吗。我国农业部组织开应用示范工作吗。利用数量巨大的农作物秸秆和展的以沼气技术为核心的生态富民工程和以能源林产下脚料(含木质纤维素)制取燃料乙醇是解环境相结合的大型沼气项目规模和数量还很小决原料来源和降低成本的主要途径之一,已经列在干发酵、沼气发电等方面正进入探索性研究叫。入我国的“十五”、“十一五”科技发展计划中。(6)生物质液化(3)生物柴油生物质液化分为直接液化和间接液化。生物质利用大豆、油菜和食物残(废)油生产生物柴直接液化也称为生物质热解液化,生物质热解液油很有前途。目前美国生物柴油年生产能力为体产物呈棕黑色粘度和中等的燃料油近似,含氧100万t以上;欧盟2001年已超过100万t计划量高热稳定性好热值约为17Mkg生物质间在2020年使生物柴油的市场占有率达12%;意接液化是先将生物质进行高温气化,得到合成气大利已拥有9家生物柴油的生产厂;德国2000经净化后合成二甲醚或甲醇等液体燃料,或进一年已达25万t,拥有300多个生物柴油加油站,步合成生产合成柴油。国际能源署(IEA)组织了1999年,德国 Choren公司成功开发了生物质间包括 Batelle、MT等国际著名大学及实验室在内接液化生产合成柴油,2003年开始建设年产量达的10余个研究小组进行20余年工作;加拿大西10万t工业示范工程,预计2005年投产运行吗。安大略大学开发的生物质直接超短接触液化技美国能源署要求,到2010年,美国要将生物柴油术,大规模工业化生产成本仅为50加元(约合产量提高到1200万世。在“十五”期间,我国已300人民币元/t),是生物质液化技术重大突破;在攻关计划和“863”计划中立项,开展野生植物德国 TUBINGEN大学开发了低温裂解装置处理油,如绿玉树( Euphorbia tirucalli)和废食用油生城市垃圾,加料流量达2000kg/h;美国太阳能产生物柴油的研究。研究所建立了不同工艺的生物质裂解油试验装(4)生物质发电置,产油率达70%左右;我国在热解液化方面做生物质发电在发达国家已受到广泛重视,主了一系列的理论和实验研究工作,中试装置的建要工艺分3类:生物质锅炉直接燃烧发电、生物设已在国家十五“863计划”中完成。质-煤混合燃烧发电和生物质气化发电。美国的(7)生物质材料生物质直接燃烧发电占可再生能源发电量的国内外企业对农业生物质材料的开发利用非70%;意大利发展了12MW生物质IGCC(整常重体煤气化联合循环发电技术)示范项目,发电效淀粉中国煤化工每年生产可再生素( Cellulose)、率达317%;瑞典正试验加压气化BGCC;我国半纤CNMH质素( Lignose80可再生能源2006,2(总第126期)1500亿t,但目前的利用率还不到总量的5%。拓展资源的高附加值产出为根本目标;以资源培美国众议院通过一项农业法案,批准在2002年育与加工关系研究为起点,重点在农业生物质资拨款500万美元,2003-2007年,每年拨款1400源高效利用和替代矿物资源等层面上开展多学科万美元,资助生物质材料研究;富士通公司用玉的综合基础性应用研究。米淀粉塑料(PLA,聚乳酸脂)制成的电脑机壳和(3)发展重点其它配件已经商业应用。美国 DuPont公司和①能源作物的培育Genecor International公司合作建成的用玉米生能源作物的培育主要是对具有高光合效能、产1,3-丙二醇(POD)的生产成本可以比化学法降抗逆性强、不与或少与农作物(特别是粮食作物)低25%。中国石化正在研究聚乳酸的纺丝和加工争地的能源作物(包括纤维素类、糖类、淀粉类植应用技术。13-丙二醇和对苯二甲酸缩聚得到聚物和油料作物)的资源、种植技术、初加工技术的对苯二甲酸丙二醇酯(PT)是非常优良的聚酯新开发;开发速生、抗逆性强的能源林木育种与栽培品种1。聚乳酸具有良好的生物相容性和生物技术;开发适用于能源农业和能源林业的生物质降解性,有一定的融化性能和组合性能,聚乳酸收集、运输和预处理技术与设备以及农业废弃物生产已经引起了国外的高度重视,被认为是21的收集和预处理设备。世纪最具有发展潜力的新型环保产业。②生物质能源的开发3生物质能源与生物质利用的目标与方向开发能值密度低体积庞大的农、林物料的就(1)生物质能源与生物质利用的目标地处理技术;秸秆和林木下脚料高效气化技术;大在现阶段,生物质能源与生物质利用的目标中型沼气换代技术;生物质生产燃料乙醇技术及是完成单项关键技术突破和中试研究,同时,利工业化体系;木质纤维素生产燃料酒精工艺与关用现有适用技术,建设现代生物质能源一体化系键技术(高效水解工艺与设备;高效纤维素水解酶统的工业示范工程和新型生产型沼气工程示范。的筛选和改造;先进的乙醇发酵与精制工艺和设在近1亿hm2宜农、宜林荒山荒地,种植能源林备);糖-淀粉类生产燃料酒精技术(低成本高效10000hm2和能源作物5000hm2,可分别建设常规乙醇发酵工艺与设备改造;先进、低成本的燃3个年生产能力达到10~20万t燃料乙醇、2-5万料酒精精制工艺和设备);利用植物油生产生物柴t生物柴油、2~5万t生物油规模的生产厂,年沼油的技术与设备;利用废弃食用油和动物脂肪生气发电能力达到140亿kWh和5000万t固化产生物柴油的技术与设备;利用微生物工程藻生成型燃料,减少1.6亿tCO2排放量。在化工原产生物柴油的技术与设备;生物油和合成柴油生料、交通材料、建筑材料等材料领域取得一批适产技术;合成气生产合成柴油工艺与关键技术;以合我国资源和市场特点,且拥有自主知识产权的植物纤维气化生产可燃气和畜禽粪便厌氧发酵产理论技术及相关产品,力争在上述领域赶上发达生的沼气为原料合成生物油技术;农林纤维素类国家水平,延长农业产业的价值链,提升农产品废弃物裂解液化开发生物油的工艺和设备等。的深加工水平,实现农业的可持续性发展。③生物质材料的技术(2)生物质能源与生物质利用的方向针对目前国内外对淀粉基可降解塑料的研究生物质能源与生物质利用的方向是改变农现状和发展趋势,开展可完全降解的聚合型生物业的产业化结构,加快农村“三生”(生产、生态和降解塑料等高分子材料的研究;利用生物质转化生活)工程、循环经济和社会主义新农村建设,使聚酯及聚氨酯型生物可降解材料和地膜等方面的农业从传统领域向外拓展的可靠途径。根据各种研究与开发;改善纤维素和其它高聚物的组合方生物质资源的结构与化学特性,开展应用研究,法,开展纤维素高值化和木质素的改性与树脂化重点研究实现生物质材料高效综合利用的生物合成研究;木质纤维素液化研究,实现木质纤维素技术、化学改性技术复合技术、合成技术及树脂材料中国煤化工的性能采用液化技术。以系统工程的组织形式,围绕未来全球化木物降解性的新材市场和科技发展趋势以及中国可供资源特点,以料;术夏口具口关键技术研究;非81工作论坛RENEWABLE ENERGY No. 2 2006(126 Issue in All)木质林产资源的化学加工利用研究;秸秆等纤维2004质农业剩余物制造人造板等关键技术研究;木材9]李建政汪群慧废物资源化与生物能源北京:化学液化及其深加工技术;利用生物质转化制备无甲工业出版社环境科学与工程出版中心,2004醛新型木材胶粘剂等方面研究与开发;基于木本10)蒋剑春生物质能源应用研究现状与发展前景林产粮油等经济林产品的新材料的研究。化学与工业,2002,22(2):76-80[l]黎大爵开发甜高粱产业,解决能源、粮食安全及三农4生物质能源与生物质利用的展望问题J中国农业科技导报,2004,6(5):55-58国际上生物质能利用主要是把其转化为电[12] GROSS R, LEACh M, BAUEN A. Progress in re-力、液体燃料、固化成型燃料,在一定范围内减少newable energy [J] Environment International, 2003和替代矿物燃料的使用,发展目标是发展高效、29(1):105-122.清洁、低污染、低成本的生物质气化发电、液化等[3]曹湘洪车用燃料和化工产品生物工程技术[R]北京技术四。未来5-10年是世界各国大力发展生物质2005生物质工程论坛,2005的关键时期,美国的IGCC可能实现60MW的目14 STEININGER K W, VORABERGER H. Exploiting标,2010年的装机容量将达到61GW;英国的生the medium term biomass energy potentials in Aus-物质可满足能源总需求的19%,2030年,生物质tria [J). Environmental and Resource-Economics2003,24(4):359-377发电技术将完全市场化。[15] GREEN PAPER. Towards a European strategy for我国的生物质能源消耗的比例一直比较大the securty of energy supply [M). Luxemburg: Office(约15%),特别是在农村(约30%以上),但是生for Official Publications of the European Communi-物质利用技术水平较低,开发新型能源的成本较ties, 2000.高,限制了技术设备的推广利用。我国未来生物[16] Biomass Research and Development Technical Advi质利用技术主要在能源作物的开发、沼气技术sory Committee. Vision for Bioenergy Biobased生物质热转化与利用技术、生物质材料的利用上Products in the United States [R]. Prepared by U. S实现突破。2005-2020年,为我国生物质技术的开Department of energy and U.S. Department of Agri发和发展阶段,部分技术进入到商业应用,2020~ulture. 20022050年,随着生物质技术成熟和生物质能源体系7 COOk J, BEYEA. Bioenergy in the United States:progress and possibilities [J].Biomass and Bioener的完善,生物质将成为主要的能源,进入到商业y,20018(6):441.化示范和全面推广阶段。[8]马隆龙,吴创之,孙力秸秆气化技术[M]北京:中国环参考文献:境科学出版社,2003朱清时,阎立峰,郭庆祥生物质洁净能源队北京:[9国家统计局中国统计摘要因北京:中国统计出版社化学工业出版社,20022]周善元21世纪的新能源生物质能U江西能源,20 CONNEII M G R. Carbon sequestration and biomass2001,(4):34-37energy offset: theoretical, potential and achievable[3]周凤起周大地中国长期能源战略[M]北京:中国计划capacities globally in Europe and the UK [).Biomass出版社,1999and Bioenergy, 2003, 24(2): 97-110中华人民共和国农业部中国农业统计资料M北京:21HAmW.RRM,mrRF.ea. Use o中国农业出版社,2003d heat generation: possibilit5]孙振钩中国生物质产业及发展取向[农业工程学and limits[ A]. Forests and energy. lst Hanover EX报,2004,20(5):1-5PO 2000 World Forest Forum. Selected papers6]张以祥曹湘洪史济春燃料乙醇与车用乙醇汽油M北京:中国石化出版社,2004municators Forum (ICIFC)2000门吴创之,马龙隆,孙力,等生物质能现代化利用技术22 DEMIRBAS A. nergy balance, energy sources, er[M]北京:化学工业出版社,2003[8]孙振钧袁振宏张夫道等农业废弃物资源化与农村中国煤化工 nversion and Man生物质资源战略研究报告R北京国家科学技术部,CNMH G882