日本生物质资源分类和利用技术

日本生物质资源分类和利用技术王鹏(煤炭科学研究总院北京煤化工研究分院,北京100013)摘要:简要介绍了日本的生物质资源和分类、生物质利用技术、生物质应用实例和生物质综合战略关键词:日本;生物质;资源分类中图分类号:TK019文献标识码:C文章编号:1006-6772(200602-0010-04生物质是连接人与自然、人与人以及自然界产时的稻草、谷壳、米糠等,目前这些未利用生物各物质间的重要物质和能源基础。生物质既可以质最为经济的处理方式是直接烧掉或用作饲料作为物质资源,也可以作为能源,是继煤炭、石这部分生物质的利用需解决收集技术、收集系统油、天然气等化石能源之后最重要的可应用能源实用化等问题。之一。同时,生物质的综合利用,对于防止全球变资源作物指不以生产食物或木材为目的,而暖、促进循环型社会的建立、带动新兴能源产业以得到物质资源和能源为目的,利用修耕地或未的成长发展具有极为重要的战略意义。日本在生利用地等栽培的植物,具体指每年每公顷干重产物质利用方面,有着先进的技术和理念,《日本生量为10~20t(5~10t碳)的植物,这种植物将主要物质综合战略》是日本在未来开发利用生物质的为现有耕地上的二季作物、在未利用土地或可挪综合政策和方向,是研究日本生物质应用方面可用他用土地上积极栽培的资源作物,例如甜高梁借鉴的最直接、最翔实的资料。等饲料作物和柳树、白杨树等,目前日本约有此1日本生物质资源和分类类土地100万hm2。新作物是指经品种改良和基因重组后生产率得到改善的资源作物,到2050日本学者按照生物质的来源不同将生物质年左右,新作物类生物质的生产技术基本成熟,分为废弃物类生物质、未利用的生物质、资源作其速生或生产、存储等有价物质机能的植物(植物和新作物4类。废弃物类生物质即人们日常生物工厂)将得以应用,但必须确定它们对陆地、海活、工业活动等排放的所有有机废物,常产生于洋等生态系统的长期影响人口集中的都市生活区、工业区,包括木材加工日本生物质资源量大致组成如下:废弃物类残渣、建设用残材、造纸残渣、食品废弃物、禽畜生物质年产量按能源换算可达240亿L原油排泄物、下水道污泥等,目前废弃物类生物质的(2000年日本国内原油进口约为2500亿L),资逆向有偿收集处理可使这种资源的利用易于实源量换算为2200万t碳(约是日本国内生产的塑现。未利用生物质主要指伴随农业、林业生产产料含碳量的2.2倍);未利用生物质按能源换算生而不具备商品价值且未被利用的生物质资源,为55亿L原油,按物质资源量换算为530万t如林业砍伐时的小树杈、树枝、叶等,又如农业生碳咨泊作物米生物质按能源换算为中国煤化工收稿日期:200601-24CNMHG基金项目:煤炭科学研究总院青年创新基金项目(2004cN25)作者简介:王鹏979-,男,河北沧州人,工程师,主要从事煤气化工艺和工程项目的开发及煤气净化技术的研究。《洁净煤技术》2006年第12卷第2期55亿L原油,按资源换算为530万t碳。程非常重要。例如,树木的剪枝和家禽的排泄物日本生物质利用技术等,含水量较多,不能直接使用,否则燃烧时的效率会降低,若将其干燥后做成薪柴,或转化为燃日本生物质利用技术包括材料利用技术、能气,就可以提高它的利用效率这种能源转换的方源利用技术和生物质的收集运输技术法大体上可以分为两类,一是通过加热来促进化21材料利用技术学反应的热化学方法,二是依靠生物质本身的活材料利用技术指将生物质作为物质(原料)性获取能源的生物化学法。一般情况下,与将生资源利用的技术,分两类,一类是着眼于生物质物质作为物质利用相比,生物质的能源利用对其所含的营养成分,将其作为饲料或者肥料等直接本身品质的限制较少,技术开发也比较容易但是利用,包括传统的谷物、牧草等农业饲料喂养方通过粗略估计表明,单位重量的能源价格仅仅相法和正在研究、实验阶段的各种废弃物、未利用当于单位重量材料价格的1/10。因此产品价格不生物质类的饲料化技术,如发酵烘干、杀菌干燥、能过高,应尽量使用废弃物等廉价的生物质。添加抗菌霉剂等技术;另一类是利用生物质结构通过加热使生物质发生化学变化,使之成为中的成分,包括直接利用构成成分中高分子的方易于使用的二次能源,此过程称为生物质能的热法和将高分子分解成其构成单位的低分子后进化学转换。通过热化学转换可以在各种条件下对行再合成新材料的方法。后者包括机械加工、高生物质进行加热使之发生反应,从而获得容易利分子合成分离、工业原料化和新材料合成技术。用的物质,如热能、电力、燃气、液体燃料等二次机械加工的最新发展技术是以农业残留物和建能源。热化学转换技术主要包括直接燃烧、气化、材废料等为原料,进行高度发达的切割、粘结及快速热分解(在400-600℃下将生物质加热几秒组装,这些已被实用化的实例有复合材料、纸模、或几分之一秒后,迅速冷却中止热解过程,产物建材用填料、纤维素纤维、各种板材和再生纤维为像重油一样的黑色液体燃料)炭化、水热解气等。高分子成分分离技术最典型的应用实例是纸化(在350~700℃、16.5~35MPa条件下,使富含水浆制造。在众多工业原料化的方法中,低分子技分的生物质原料,如禽畜排泄物和下水道污泥,术的应用最为广泛,此技术主要应用于以石油化在高压高温水中发生数10s至1min的热化学反学产业为代表的高度塑料文明中的各种通用单应,产物为洁净的燃气)、直接液化(与水热解气体的制造,代表性技术是使用硫酸和盐酸等无机化相似,但反应条件更为平缓,产物为液体燃酸的加水分解工艺。另外,一些具有深远意义的料)燃料泥浆化(在270-~330℃条件下,在加压的工业原料化新技术也不断地见于媒体,包括利用水中将木粉加热数10min使生物质炭化的技术,木材的酯、醚化而使之具有热流动性,即木材的炭化后的生物质在水中呈悬浮“泥浆”状态,可作合成树脂化,以及利用玻璃状碳在机械性、化学液体燃料)、酯化(将油煎和油炸后的食用油等与性上强化多孔性的木材或木质材料,从而获得木甲醇反应,生产柴油汽车用燃料技术)等。上述技质陶瓷,其中所用的玻璃状碳是木材与热硬化性术在日本大部分处于基础研究或中试阶段,部分树脂相复合炭化过程而产生的。新材料合成技术已进入实用化阶段,如直接燃烧和气化、炭化技指从未被利用的生物质中可以获取如糖类、糠醛术。类、木质素系列材料,或是纤维素系列高分子等生物化学转换:利用生物活性使生物质发生工业原料,再以其进行新材料合成,以糖类为原化学变化,获取二次能源的方法叫生物质的生物料的新材料合成的实用化个例是人们所熟知的、化学转换法,所利用的生物一般是微生物。因为迅速被商品化的生物可降解材料,其代表为聚乙是生物反应,所以有反应时间过长的问题。另外烯乳酸,目前巳有设想但仍处于基础研究阶段的由于微生物可分解的基质(微生物作用的对象原新材料合成技术还有很多。料)只有几种,使原料受到了限制。但是,微生物22能源利用技术与V凵中国煤化工温常压的条件下进利用生物质生产的能源称为生物质能。生物行CNMHG合就会自然进行,质能利用过程中,将生物质从产生形态(一次能所以生物化字怏同热化字转换一样被广泛应源)转化到易于利用的形态(二次能源)的转化过用。最为人们所熟知的是沼气(甲烷)发酵技术,日本生物质资源分类和利用技术在没有空气的条件下,微生物发生作用,将有机厌氧发酵如果调节发酵条件,就可产生H2而非物分解为CH4和CO2,这就是沼气发酵,又称厌CH4,同时产生醋酸和丙酸等有机酸及CO2,而有氧发酵,通过此技术可获得燃料气CH4。将葡萄机酸液体有利于甲烷发酵,目前将氢发酵和甲烷糖、果糖、蔗糖等糖类分解为乙醇和CO2,此类反发酵组合起来进行2次发酵的研究也正在积极应称为乙醇发酵,日本生产乙醇的技术已经实用推进中。化,但所得乙醇不是作为能源而是实验药品,而图1为日本各类生物质应用技术的实施阶在巴西和美国已将乙醇用于汽车燃料。利用某种段规划图,图中对废弃物类生物质、未利用生物微生物使糖质发酵生产出的丙酮和丁醇可用做质、资源作物和新作物4类生物质的利用分成4燃料,这项技术在二战中日本已经应用过,目前个阶段,分别在2005年前后、2010年前后、2020技术上已处于实用化阶段,但经济性还需提高。年前后和2050年前后进入实用化阶段。阶段120年右)段2(010年右阶度3200年左段4(2050年左右废弃物类生物质生物质技术开发废弃物类生物应用基础配备废弃物类生物质奖励机制废弃物类生物质利用技术技术开「技术水平匚实用化研究室基础研究物质利用切碎浓酸加水分解超临界水气化堆肥超热水蒸气生物质以物质和能源聚合乳酸等相分离生物工厂等逆向合成的方式被完全利用新材料合成等山林产物堆肥等单一/混合燃烧气化能源利用挤压超临界水气化沼气发酵、乙醇发酵纤维素加水分解直接油化等光合作用生产H2生物柴油乙醇、燃料电池等白色腐朽菌等图1日本生物质应用阶段规划23收集运输技术表1部分生物质含水率、发热量和密度数据广阔而稀少的存在于自然界中是生物质的一个重要特征,因此不论是作为原料利用还是作国土面积中的出现地的为能源利用,都需要进行收集和运输。而且生物名称含水率%M出现密度*出现密度lJ/kg干重t干重/km2at干重/km2a质种类不同,其性状也会有很大的不同,收集运林地残材20.5213.1输的技术及工艺流程也不同,影响因素主要是生木材厂残材15-602052物质的性状和存在密度、含水率、发热量。含水率建设剩残材15-30205253.8越高,运输生物质的同时需要运送大量的水,使稻草稻糠20~40163328.7得收集、运输的成本增加;密度小,运输时就需要粪尿净化糟污泥9.98129316较大的容器,收集、运输的成本也会增加;发热量下水道污泥91591129高的生物质可视为优质能源,其运输效率也较食品废弃物981758327高家庭厨房垃圾90表1为部分生物质的含水率、发热量和出现废食用油39.77密度数据,图2为部分生物质与化石燃料的发热中国煤化工申生物质的资源密度某种生物质的资源密度量对比。可以看出,和现有能量资源相比,生物质CNMHG作为能源使用时,运输效率过低,必须考虑现场生物质运输技术的研究包括生物质收集范利用或提高运输收集方式。围的确定、生物质性状(含水率、密度)的改变、不《洁净煤技术》2006年第12卷第2期倍驼木质生物质含水率稻草,稻糠含水率畜禽排泄物含泥含水率食品废弃物含水率厨房垃圾含水率图2部分生物质与化石燃料的发热量对比同运输工具的运输成本比较等。研究发现,日本位,特别是在农村仍是主要的能源之一(农村能国内运输铁路和内海航运比商用汽车运输要经耗的80%是生物质能),同时由于生物质能具有济和环保,一般商用汽车运输能源消耗是铁路运分散性和独立性,可以提高中国能源系统的安全输的6倍,同时运输产生CO2量前者是后者的8性和灵活性。然而生物质能由于其分散性和能量倍;而生物质的国际运输则侧重于研究运输生物密度较低,其规模利用和高效利用都较困难,借质的形式,即是在生物质的原始状态下运输,还鉴国外发达国家生物质利用方面的先进技术和是进行燃料转换后再运输。研究成果,对加快中国生物质资源的综合研究和3结语利用具有极为重要的推动作用。参考文献:生物质资源是一种潜在的能源资源,是人类未来能源和化学原料的重要来源。生物质能的开1]小宫山宏,迫田章义,松村幸彦日本生物质综合战略M]发利用在中国能源结构中占有举足轻重的地位李大寅,蒋伟忠译北京:中国环境科学出版社,2005在中国生产的一次能源中占15%左右,居第2[2]吴创之,马隆龙.生物质能现代化利用技术M北京:化学工业出版社,200Study on Japan Biomass Comprehensive StratagemWANG Pe(Beiing Research Institute of Coal Chemistry, China Coal Research Institute, Beying, 100013, China)Abstract: This paper briefly introduced the classification, utilization example and comprehensive stratagem ofKeywords: Japan; Biomass; Comprehensive Stratagem中国煤化工CNMHG日本生物质资源分类和利用技术13