生物质能的研究进展
关键词：一次能源；生物质能；转化技术；热化学转化
1 引言
能源短缺和环境污染日益成为制约人类社会发展的主要问题。根据国际能源机构的统计，若按目前的水平开采世界已探明的能源,人类使用的主要能源——石油、天然气和煤炭供人类开采的年限分别只有40a、50a和240a[1-2]。能源无节制使用，造成环境问题日益严重，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，开发新的替代能源已成为21世纪必须解决的重大课题[3]。生物质能具有含硫量低、灰分小，特别是CO2近“零”排放的特点，是一种理想的可再生能源，因此生物质能的开发利用受到世界各国的普遍关注[4]。
2 生物质能概念
生物质（biomass）是指有机物中除化石燃料外的所有来源于动、植物的能再生的物质。生物质能(biomass energy或bioenergy)是指直接或间接地通过绿植物的光合作用，将太阳能转化为化学能固定和贮藏在生物体内的能量。生物质能是仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源，具有环境友好和可再生双重功能[5-7]。生物质资源丰富，包括林业生物质；农业废弃物；人畜粪便；城市垃圾；有机废水；水生植物；能源植物等[8-14]。
3 生物质能的利用现状
研究开发利用生物质能这种可再生能源已经成为了世界各国的一项重要任务[15]。国外的生物质能利用则主要集中在把生物质转化为电力和把生物质转化为燃料方面[16]。从20世纪70年代末期开始到现在，许多国家都制定了相应的开发研究计划，如巴西的酒精能源计划、美国的能源农场、欧盟的生物柴油计划、日本的阳光计划和印度的绿能源工程等[17-20]。目前，巴西采用甘蔗制乙醇作为汽车燃料，年产量达1400万吨，成为世界上最大的燃料乙醇生产国和出口国。美国计划在2020年，生物燃油取代全国燃油消费量的10%，生物基产品取代石化原料制品的25%，减少相当于7000万辆汽车的碳排放量约1亿吨，每年增加农民收入200亿美元。2001年欧盟生物质能的消费量为5600万油吨当量，预计2010
年达到7700万油吨当量，占汽车燃料消费的5.57%。据估算我国可开发的生物质能资源总量约7亿吨标准煤[21]。我国生物质能占全部能源消耗总量的20%，主要通过炉灶燃烧获得热能，转化效率仅10%～15%，生物质能转化技术刚刚起步。
科学家预言，至2050年，生物质能源将提供世界60%的电力和40%的液体燃料(植物石油、酒精)，使全球CO2的排放量大幅度减少，生物质能有可能成为未来可持续发展能源系统中的主要能源[22]。
4 生物质能的转化技术
生物质能的转化技术一般分为物理转化、热化学转化和生物转化[23-24]。生物质能转化技术及产品如图1.1所示[25]。
图1.1 生物质能转化技术
目前,世界各国主要集中在热化学转化方面的研究。热化学转化包括热解、气化、液化和直接燃烧四种。
4.1 热解(Pyrolysis)
热解是在少量给氧或不给氧的热力作用下，使生物质分解产生碳氢化合物、含油液体和残炭的混合物。通过生物质热解及其相关技术,可生产焦炭和甲醇、丙酮、乙酸、焦油等副产物[26]。热解按温度、升温速率、反应时间和颗粒大小等条件,可分为慢速热解、常规热解和闪速热解3种方式。快速热解是以非粮食类的生物质为原料制取液体燃料的方法之一,尺度小的稻壳、木屑等的干燥物料是快速热解工艺的理想原料。由快速热解工艺获得的液体燃料含氧量高,但是热值较石化燃料低,还需要进一步精制处理才能有效利用。如果能够开发出选择性优良的快速热解工艺,生产出低含氧量,高热值的液体燃料,那么快速热解工艺将具有非常强的竞争力[27]。中科院理化技术研究所在不外加氢的条件下，利用生物质直接脱氧液化制备高热值的碳、氢液体燃油的工艺路线，得到组成、H/C摩尔比与热值等方面与石
油均很相似的液体燃油-生物石油，是目前较理想的能替代化石能源的生物质液体燃料[24]。
4.2 气化(Gasification)
气化是指在一定的热力学条件下，将组成生物质的碳氢化合物转化为含一氧化碳和氢气等可燃气体的过程。这些产物既可供生产、生活直接燃用，也可用来发电，进行热电联产联供，从而实现生物质的高效清洁利用。
在气化反应的工艺和设备研究方面，流化床技术是科学家们关注的热点之一。印度Anna大学新能源和可再生能源中心开发研究用流化床气化农林剩余物和稻壳、木屑、甘蔗渣等,建立了一个中试规模的流化床系统，气体用于柴油发电机发电[28]。美国Hawaii大学建立了日处理生物质量为100t的工业化压力气化系统。Vermont大学建立了气化工业装置，其生产能力达到200t/d，发电能力为50MW[29]。
生物质气化发电是利用气化技术，把农林废弃物转化为可燃气体进行发电。意大利发展了12MW生物质整体煤气化联合循环发电技术(IGCC)示范项目，发电效率达31.7%[29]。瑞典
试验加压整体煤气化联合循环发电技术(BIGCC)。英国和美国有3个生物质气化联合循环发电示范项目,装机容量6～10MW[30]。由于生物质气化联合循环发电效率可达40%，有可能成为生物质能转化的主导技术之一。
与发达国家生物质热化学转化利用技术相比，我国很多科研单位虽然在相关方面取得了较为显著的成果，但是仍然有很大差距。中国农机院开发了ND系列生物质气化炉和家用小型生物质煤气炉灶，中科院广州能源研究所研制了上吸式气化炉，山东省能源研究所研制出燃用农作物秸秆(以玉米秆为主)的固定床气化炉。浙江大学在固定床气化炉的基础上发展了中热值气化技术[31]。中科院广州能源研究所在三亚建成的大型1MW生物质(木屑)气化发电厂已投入使用但开发的4MW生物质气化发电技术在稳定运行、焦油清除、气体净化等技术上还需要提高[32]。目前，我国已开发和推广MW级生物质气化发电系统应用20多套。国家高科技发展计划(863计划)将建设4MW规模生物质(秸秆)气化发电的示范工程,预计系统发电效率可达到30%左右[33]。
4.3 液化(Liquefaction)
液化是指生物质在较低的热解温度、较高的压力及还原环境条件下，原料经较长时间分解反应形成液体产品的过程，包括间接转化法和直接液化法。间接转化法是将生物质先热解成气体，然后再液化，或者用水解和生物发酵相结合的方法，把生物质中的纤维素及半纤维素首先转化成单糖或多糖，再经发酵形成酒精。直接液化法是在高温高压下通过催化剂使生物质生成液化油，以供作汽车燃料。
目前研究较多的生物质液化技术有生物质酯化制生物柴油技术、生物质水解发酵制取乙醇技术和生物质裂解液化技术。国外技术发展比较成熟，已有40余套装置在运行，最大的日处理能力在100t以上。美国和欧盟生物柴油的年生产能力均在100万t以上[34-35]。Iogen公司采用加酸爆破预处理和酶水解工艺，在加拿大渥太华建立了日加工麦秆量40t的生产示范装置(年产乙醇3000t左右)，目前生产1t酒精消耗413t秸秆，成本约523美元/t，比玉米酒精生产成本高20%左右。加拿大西安大略大学开发的生物质直接超短接触液化技术，大规模工业化生产成本仅为50加元/t(约合人民币300元/t)，是生物质液化技术的重大突破，其技术经济评价表明，目前的生产成本已可与常规的石化燃料相竞争[36-37]。国内技术发展正处于研究试验阶段，其中具有代表意义的研究成果包括由中国科技大学生物质洁净能源实验
室研制可年产生物油约10000t的“YNP－1000A 生物质热解液化装置”[38]，以及由华中科技大学煤燃烧国家重点实验室开发设计的生产能力为100kg/h“车载移动式生物质流化床热解液化装置”等[39]。
4.4 直接燃烧(Direct Combustion)
将生物质作为燃料在高温下直接燃烧，是最简单的热化学转化工艺。直接燃烧生物质的热效率较低，仅为10%～30%。
生物质燃烧发电在发达国家已受到广泛重视。其主要工艺有2类：生物质锅炉直接燃烧发电以及生物质-煤混合燃烧发电。目前生物质燃烧发电已占发达国家可再生能源发电量的70%[40]。在美国，生物质发电装机容量已达10.5GW，70%为生物质-煤混合燃烧工艺，单机容量10～30MW，发电成本3～6美分/(kWh) 。预计到2015年装机容量将达16.3GW[40]。奥地利成功地推行建立燃烧木质能源的区域供电计划，目前已有八九十个容量为1000～2000 kW的区域供热站，年供热10×109MJ[41-42]。法国、瑞典、丹麦、芬兰和奥地利是利用生物质能供热最多的国家，利用中央供热系统通过专用的网络为终端用户提供热水或热量[41-42]。
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700Mtce，利用省柴炕灶后，效率有了很大提高。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生物质能源200多台，其技术大多来自丹麦BWE公司，效率均可达80%[43-44]。
5 结束语
生物质能利用前景十分广阔,但真正实际应用还取决于生物质的各种转化利用技术能否有所突破。随着研究的不断深入,人们有理由期待研制开发出经济性合理的应用工艺,使得生物质这种清洁的可再生能源成为最便宜最有竞争力的能源之一。
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