秸秆生物质能源的应用现状与前景

化学与生物工程2010,Vol.27N.9开发应用73Chemistry Bioengineering秸秆生物质能源的应用现状与前景娄玥芸,张惠芳(1,南京工业大学化学化工学院,江苏南京210009;2.湖北大学图书馆,湖北武汉430062)摘要:对秸秆生物质能源的应用现状、发展前景进行了综逑,分析了秸秆生物质能源应用中的相关技术问题,并提出了几点建议。关键词:能源;秸秆生物质;技术分析中图分类号:TQ352文献标识码:A文章编号:1672-5425(2010)09-0073-04生物质是指利用大气、水、土地等通过光合作用而我国生物质能发展迅速,具体表现在:生物质发电从无产生的各种有机体。农作物秸秆是生物质的一个重要到有;沼气建设一路高歌;燃料乙醇产量跃居世界第组成部分,是当今世界上仅次于煤炭、石油和天然气的三;生物柴油困境中寻求突破,得以快速发展6。第四大能源,在世界能源总消费量中占14%预计1.2国外现状到本世纪中叶,采用新技术生产的各种生物质替代燃国外生物质能技术开发是从20世纪70年代末期料将占全球总能源的40%以上2,如何让秸秆生物质开始的,现在已有了很大进展。秸秆直燃发电的先能源发挥最大的效益,是科学家们重点关注和研究的进设备已投放市场,热解气化技术也飞速猛进,燃料乙课题。醇等多项技术装备已进入规模化和商品化阶段。1秸秆生物质利用的现状丹麦是世界上最早使用秸秆发电的国家。丹麦首都哥本哈根以南的阿维多发电厂建于20世纪90年代,秸秆生物质具有多功能性,可作为燃料、饲料、肥是全球效率最高、最环保的热电联供电厂之一,每年燃料、生物基料和工业原料等。秸秆生物质利用主要有烧15万t秸秆,可满足几十万用户的供热和用电需求。三个方面:一是种植(养殖)业综合利用秸秆:秸秆快速在加拿大首都渥太华以北的农业区,每年在收割腐熟还田、过腹还田和机械化直接还田、生产优质饲料季节,玉米收割机一边收割一边把玉米秆切碎,切碎的和食用菌。二是秸秆能源化利用:秸秆生物气化(沼玉米秆作为肥料返到田里气)、热解气化、固化成型、炭化、纤维素制燃料乙醇在日本,主要有两种秸秆处理方式:混入土中作为三是以秸秆为原料的加工业:生产非木纸浆、人造板肥料,或作粗饲料喂养家畜。近年日本地球环境产业材、包装材料、餐具等产品,以及秸秆饲料加工业和秸技术研究机构与本田技术研究所共同研制出从秸秆纤秆编织业3维素中提取酒精燃料的技术,向实用化发展1.1国内现状秸秆在美国的用途很广,可作饲料、手工制品,还我国农民对作物秸秆的利用有悠久的历史,秸秆用来盖房。有关秸秆与纤维素乙醇的提炼问题,则是除少量用于垫圈、喂养牲畜,部分用于堆沤肥外,大部秸秆综合回收利用在美国的最新进展分都作燃料烧掉。但随着省柴节煤技术的推广,燃煤秸秆生物质的能源化应用和液化气的普及,秸秆大量富余。我国是世界上最大的农业生产国,纤维素生物质资源丰富,总量在12亿t国内外生物质能利用技术经过20多年的研究和以上(。目前,农村秸秆综合利用率仅达到287%,发展,其能源化应用主要有:已经普及的节能灶、小沼与国家《秸秆焚烧和综合利用管理办法》中的年利用率气;处于示范、推广阶段的厌氧处理粪便和秸秆气化集达到60%,力争到2015年秸秆综合利用率超过80%中供气技术处舌中试阶段的牛物质能压制成型及其的目标要求有很大差距。自20世纪80年代以来,配套中国煤化工料制取酒精、热化学CNMHG收稿日期:2010-05-04作者简介:娄玥荟’女,湖北武汉人,研究方向:化学工程;通讯作者:张惠芳,副研究员娄玥芸等:秸秤生物质能源的应用现状与前景/2010正9睏液化技术、供热发电和燃气催化制取氢气等。可提供的能量主要有电能、热能和交通能源。3秸秆生物质能源化应用技术2.1电能秸秆生物质能源化应用技术主要包括秸秆沼气生物质能发电主要有两条工艺技术路线,即气化(生物气化)、秸秆固化成型燃料、秸秆热解气化、直燃发电和直接燃烧发电。发电和秸秆干馏等方式。世界各国高度重视秸秆发电项目的开发,将其作3.1沼气发酵生物法(生物气化)为21世纪发展可再生能源的战略重点和具备发展潜秸秆生物气化是秸秆在厌氧条件下经微生物发酵力的产业。丹麦已建有130多座秸秆发电站秸秆发而产生沼气和有机肥料的技术工程,可利用稻草、麦电等可再生能源已占该国能源消耗总量的24%,丹麦秸、玉米秸等多种秸秆,并可与农村生活垃圾、果蔬废BWE发电技术也在西班牙、英国、瑞典、芬兰、法国等物、粪便等混合发酵,原料组合非常灵活,来源充足,有国投产运行多年,其中英国坎贝斯的生物质能发电厂着广阔的发展空间和发展潜力。秸秆沼气技术分为户是目前世界上最大的秸秆发电厂,装机容量3.8万用秸秆沼气和秸秆沼气集中供气两种形式。秸秆入池kW;其它如日本的“阳光计划”美国的“能源农场”,美产气后产生的沼渣作肥料还田提高了秸秆资源的利国有350座生物质发电站,总装机容量达7000MW,用效率,气化效率通常可达70%~80%12提供了大约6.6万个工作岗位,2010年美国生物质能秸秆沼气技术的工艺流程为:秸秆预处理一堆发电达到13000MW装机容量;印度有“绿色能源工沤一投料一加水封池一点火试气。由于秸秆中含有大”等,秸秆发电技术已被联合国列为重点项目予以推量的纤维素、木质素,导致分解速度较慢,产气周期较广。我国的秸秆发电技术虽然起步较晚,但发展较快,长。若将秸秆直接入沼气池进行发酵产气慢、气量少国内在建农作物秸秆发电项目136个分布在河南黑不经济、难以大面积推广应用。为了提高产气量,龙江、辽宁、新疆江苏、广东浙江、甘肃等多个省市。主要应解决预处理技术和发酵菌种及适合秸秆物料特根据我国新能源和可再生能源发展纲要提出的目标和性的高效厌氧发酵反应器研制等问题国家发改委的要求,至2020年,五大电力公司清洁沼气发酵的优点:(1)菌种在适合的情况下,发酵燃料发电要占到总发电的5%以上,生物质能发电装及供能速度快;(2)原料简单易得,利用率较高;(3)前机容量要超过3000万kW期投入少,不需要大型机械和复杂环境。2.2热能沼气发酵的缺点:(1)建厂条件高,需要配套的小秸秆生物质通过液化或固化等方式制造成燃料可项目多,投资成本高短期内效益低;(2)小型沼气工程直接供热,或是制造成秸秆清洁煤炭等等。秸秆煤炭是存在产气不稳定及发酵速度慢、相对效率低的问题;种新型的生物质再生能源,环保清洁,远远低于原煤(3)大型沼气工程技术要求高,推广难度大的成本和市场价格应用范围极为广泛,可以代替木柴、3.2秸秆气化炉气化法(热解气化)原煤、液化气,广泛用于生活炉灶、取暖炉、热水锅炉、工秸秆热解气化是以农作物秸秆、稻壳、木屑、树枝业锅炉等。但是如何将生物质燃料像煤、煤气和天然气以及农村有机废弃物等为原料,在气化炉中缺氧的情一样在老百姓的生活中普及,还需大力宜传和推广。况下进行燃烧,使秸秆在700~850℃的气化温度下发2.3交通能源生热解气化反应,产生一氧化碳、氢气、甲烷等可燃气秸秆的主要成分是碳、氢、氧等元素,有机成分以体用于工业发电热电联产、液体燃料合成、居民集中纤维素、半纤维素为主,其次为木质素、蛋白质、脂肪、供气、工业燃气锅炉、工业干燥和采暖供热等方面灰分等,用秸秆转化的生物燃料如生物乙醇和生物柴秸秆热解气化的优点:(1)秸秆燃烧充分,基本没油作为交通能源,同石油、天然气和煤等化石燃料相有烟熏残余灰烬少;(2)热值高,2t秸秆的热值相当比,最大特点是可再生性和对环境更友好10。国际上·于1t煤,燃烧温度高,火力强,节省时间;(3)燃烧的生物交通能源技术相对成熟,主要路线是:谷物、秸秆、火焰温度、热能强度可控制调节,并实现开、关两位操其它植物等发酵生产乙醇一车用油、乙烯、无毒溶剂及作,中国煤化工,可实现不间断供上百种化工、原材料产品等;我国秸秆交通能源技1添加剂。术研究虽然起步较晚,但日趋成熟,有些正形成小型规CNMH(解气化过程中挥发出模和商品化。多种有机化合物和焦油,若不加以回收利用,易造成环娄玥芸等:秸秆生物质能源的应用现状与前景/2010正9期境污染和二次污染;(2)只利用了单一的可燃气,资源8月底,我国共上马了生物质能发电项目136个,总装利用率低,且存在一定的安全隐患机规模220万kW16。经过近20年的努力,我国生物质热解气化技术日3.4液化乙醇法趋完善。我国自行研制的集中供气和户用气化炉产品乙醇作为替代能源,已在巴西、美国、瑞典、中国等已进入实用化试验及示范阶段,形成了多个系列的炉得到应用。传统的由玉米秸秆制备乙醇的工艺包括预型,可满足多种物料的气化要求,在生产、生活用能、发处理、水解、发酵3个步骤1。通过预处理分离木质电、干燥、供暖等领域得到利用素等不利于发酵的成分、破坏纤维素的束状结构、提高现已研发出突破性的生物质能源联产综合利用技纤维素水解效率、降低纤维素酶的成本、开发木糖发酵术,即在气化炉内将生物质材料在限制供氧的条件下用的微生物菌种和优化生产过程等,均是生产乙醇的燃烧,发生一系列燃烧反应,同时回收产生的气、液、炭关键。而最近研究出的木材液化过程中,木质素首先和热水。热解产生的气体主要含有甲烷、乙烯、一氧化被液化,其次是半纤维素,最后才是纤维素,这就有可碳、氢气等可燃性气体,可将其输入燃气轮机发电或直能将秸秆中木质素等不利于发酵制备乙醇的成分与纤接向用户供气;产生的液体中含有酸类、醇类酯类、醛维素分离,达到秸秆预处理的目的81。分离的程度是类、酥、酚类等多种化学成分,可用作家畜、家禽饲养制备乙醇的关键中的消毒杀菌液、除臭剂,或用作促进作物生长的叶面利用农作物秸秆为原料生产生物乙醇,同时联产肥,在有机农作物种植中施用;产生的固体生物质炭经重要的碳四平台化合物丁二酸。丁二酸可生产新型可过处理可作为工业用炭、生活用炭、有机复合肥、肥料降解塑料PBS等新材料,有着极其广阔的投资与应用缓释剂等;冷却炉体产生的热水可用于工业或民用,这前景。据了解,我国每年约产生1.5亿t玉米秸秆,利项技术具有良好的推广和应用前景。用纤维素转化利用技术,可生产1500万t生物燃料及3.3直接燃烧法1800万t加工产品,相当于4500万t石油产生的价直接燃烧法是直接将收集的秸秆生物质原料集值。秸秆乙醇项目还可实现真正意义上的纯生物流程中、粉碎、干燥后投入锅炉中燃烧发电,可以采用锅生产。其生产过程基本不消耗化学能源,每6t秸秆纤炉一蒸汽一蒸汽轮机一发电机的工艺方式,也可以采维大约产生1t乙醇、1t二氧化碳,除去损耗的余渣约用热电联供的方式以提高系统效率。该技术基本成3.5t,可代替煤用于锅炉。整个流程将是真正意义熟,已经进入商业化应用阶段。对于秸秆发电厂来说,上的取之自然、用于自然、回归自然的纯天然过程。给料方式主要有两种:一种是切碎给料,一种是整包给随着技术的不断进步,麦秸、玉米秆、稻草经过生料。以6MW秸秆直燃发电系统为例,该系统釆用汽产加工,最终都可以变成能够替代石油的燃料乙醇,可轮机组进行发电,发电效率20%,自用电率10%,碳转逐步替换目前的石油制品燃料,降低中国过高的原油化率90%,系统总供电效率18%1依赖度,对缓解我国能源短缺、提高农民收入、保护大直接燃烧法是目前在秸秆生物质能源化利用中最气环境等均有重要的战略意义。国家发改委宣布:中简单方便也是唯一实现规模化应用的方法。但缺点明国将在未来使用更多的非粮乙醇燃料来替代原油,具显:其热效率仅为气化的三分之一,且投资大;由于秸体包括2010年开始每年使用超过200万t非粮农作秆燃料中碱金属以及氯元素的含量相对较高燃烧后物提炼出来的乙醇燃料以及20万t生物柴油,而到将产生较强的高温腐蚀,并引发床料聚团、结渣等问2020年分别增加至1000万t和200万t20题;燃烧面积大,不能充分利用资源;生物质燃烧过程3.5压块固化燃烧法产生的细粒子影响城市和区域空气质量,降低大气能植物细胞中除含有纤维素、半纤维素外还含有木见度,损害人体健康,甚至影响区域和全球气候质素,木质素是具有芳香族特性的结构单体为苯丙烷根据国外生物质发电厂运行实绩统计以及我国权型的立体结构高分子化合物,其常温下不溶于任何有威部门测算,生物质燃烧发电成本远高于常规燃煤发机溶剂,但在200~300℃时会软化液化,此时如施加电成本,约为煤电的1.5倍。尽管如此,大力发展秸秆中国煤化工接,并与相邻秸秆发电,不仅可以减少由于在田间地头大量焚烧废弃秸颗粒型(。秸秆制煤、秆所造成的污染,变废为宝,化害为利,而且对解决“三制炭CNMHG等农作物秸秆,以农”问题、促进经济发展具有重要作用。截至2008年及废弃的花生壳、锯末、杂草、稻壳、树枝等为燃料,在玥芸等:秸秆生物质能源的应用现状与前景/2010正9睏隔绝空气的条件下,快速处理成秸秆炭,经粉碎后,再参考文献:与粘土和其它粘合剂混合,压制成蜂窝煤型或炭棒型。[1]汝守华,生物质能产业发展综述[Z]数字科技服务中心,200906压块固化燃烧的优点:(1)通过生物质压块机等进2生物质能发展迅速[Z国际能网,209021行短时间内的转化,非常方便省时;(2)密度大,燃烧时[3]纵瑞收李峰李华农作物秸秆资源化技术与再生能源资源的可间长,体积缩小6~8倍,密度为1.1~1.4t·m持续利用[C]2008中国作物学会学术年会论文摘要集,2008(3)热值高,方便运输和贮藏。[4]胡浩.秸秆变乙醇“驱动”中国巨轮一李荣杰代表为发展低碳经压块固化燃烧的缺点:成本较高,尚未能推广用于[5]国家发改委力争2015年秸秆综合利用率超80%N,中国能源电厂,多为小范围的供热等。报,200911-20压块固化是极具投资价值的高回报技术。秸秆煤[6]杜谋涛衰晓东郭如军我国生物质秸秆资源利用现状及展望炭应用范围广,可以代替木柴、液化气,能广泛用于生[J].能源与环境,2008,(2):76-78活炉灶、取暖炉、热水锅炉、工业锅炉等。根据农业部[7]汪亚林北欧国家的生物质能开发及启示[门安徽电气工程职业技术学院学报,2006,11(3):72的目标,2010年,结合解决农村基本能源需要和改变[8]国外秸秆的综合利用N人民日报,200707-16农村用能方式,全国将建成400个左右秸秆固化成型[9许吕明精秆发电需慎行门,安徽科技,00:燃料应用示范点,秸秆固化成型燃料年利用量达到10]问金光梁晓云生物质能源:最适合中国情的可再生能源产100万t左右;到2015年,秸秆固化成型燃料年利用量[1]程东祥,于光,赵虹粘秆转化为交通能源的应用概述[门.安徽达到2000万t左右2农业科学,2009,37(6):26792680,26853.6其它方法[12]沼气的国内外开发利用进展[Z].国际能源网,2010-03-23.目前,还有将秸秆通过固态微贮水解预处理和催13]张爱民,尹冰.秸秆发酵制沼气研究现状[J]农业工程技术,新源产业,2009,(9):18-化产氢即利用氢能并通过氢能发电的研究。[14]刘渊,立衡,浅谈秸秆气化供气技术[门]现代化农业,2005(9):34-354展望[15 Sun Y, Cheng JY. Hydrolysis of lignocellulosic materials for eth-nol production: A review[J]. Bioresource Technology, 2002, 83据专家预测,如果将秸秆利用技术产业化,以50(1):1-11km为半径建设小型秸秆加工厂,那么按秸秆到厂价[16」姜述杰赵伟英.浅谈秸秆生物质直燃发电技术[冂锅炉制造40元·t1,农民每亩就可增收200元以上;如果我国2009,(4):40-42每年能利用全国50%的作物秸秆、40%的畜禽粪便、[17司晶星,范桂侠我国生物燃料乙醇的开发及其应用现状[]商30%的林业废弃物,以及开发5%的边际土地种植能[18]陈洪章,田忠厚,刘健,等乙醇溶解汽爆精出的能源就相当于年产5000t石油,约为一个大庆[1物法[P1CP0603.,2素制备液体燃源作物,并建设约1000个生物质转化工厂,那么其产孙岩峰,张玉苍,等.玉米秸秆制乙醇预处理新工艺—液油田的年产量,可创造经济效益400亿元并提供1000化技术[冂].食品科学,2009,(9):123-125[20]世界各国燃料乙醇使用及发展情况[Z].中国化工信息网,2010多万个就业岗位{23。03-11今后我国秸秆生物质能利用技术将在以下方面发[2]东海生物质能源现状与政策解读[2].中国能源网,200906-29展:高效直接燃烧技术与设备、集约化综合开发利22】2张华生物秸秆固化燃料一农作物秸秆综合利用新途径[门用、新技术开发。希望国家各级政府和部门加快推进农机科技推广,2009,(3):39-40[23]几种主要生物质能利用技术[N]经济日报,200908-25秸秆生物质能源综合利用,促进资源节约型、环境友好241我国生物质能源技术开发现状与展望[2].新华网,2009051.型社会建设Application Status and Development Potential of Straw Biomass EnergyLOU Yue-yun', ZHANG Hui-fang?(1. College of Chemistry and Chemical Engineering, Nanjing University of TechnologyNanjing 210009, China; 2. Library of Hubei Cnn? China)Abstract: In this paper, the application status, develop中国煤化工ass energy were reviewed. The related technology issues were analyzed, and theCNMHGdKeywords: energy straw biomass; technology analysis