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王樹谷
（中國循環經濟協會，北京100037）
摘要：介紹了我國生物質資源化現狀及以生物質為原料熱裂解技術的研究成果及進展，評述了生物質熱裂解技術的環境效益和經濟效益，對我國生物質資源利用提供參考。
1我國生物質資源化現狀
我國生物質資源十分豐富，主要有各種農業廢棄物、林業廢棄物、畜禽糞便等，年產量約合4億t石油當量。因此，研究將生物質資源高效轉化為高品位的清潔能源，既是大規模利用生物質能的必然趨勢，更是增加農民收入、降低糧食價格、縮小與國際市場差距的有效途徑。
我國是一個農業大國，每年農林廢棄物約14億t，其中玉米、水稻、小麥等大宗作物的秸稈高達7億t。
秸稈是一種寶貴的可再生資源，是自然界中數量極大且具有多種用途的可再生生物質資源。目前我國秸稈利用率約為33%，其中大部分未加處理，經過技術處理后利用的僅占2.6%。隨著石化資源的日趨枯竭和秸稈焚燒污染環境問題的日益突出，提高農作物秸稈的綜合利用水平，實現深層次、多途徑綜合利用方式是人們對可持續發展、保護環境和循環經濟的追求。綜合利用農作物秸稈資源對于節約資源、保護環境、增加農民收入、促進農業的可持續發展都具有重要的現實意義。
農作物秸稈是指去除籽果實的農作物莖、葉、稈及根等部分，包括各種糧食作物、經濟作物、油料作物和纖維類作物的秸稈，如玉米秸稈、小麥秸稈、水稻秸稈、高粱秸稈、煙草秸稈、向日葵桿、棉花秸稈、豆類作物秸稈和蘆葦等。還包括農作物加工后的剩余物，比如稻殼、花生殼、甘蔗渣、薯渣、薯液等；包括果蔬加工副產物，如辣椒稈、茄子稈、萵苣皮、豆莢、果皮、果渣等。
據統計，我國農業加工副產物有5.8億t，而綜合利用率平均不到40%，60%以上被隨意堆放、丟棄或用作生活燃料，或者作為肥料還田，這相當于0.47hm2土地的投入產出和6000億元的收入被白白損失掉。我國每年森林采伐、木材加工及育林剪枝等林業廢棄物約3.5億t，折合成標煤，平均為9422萬t。
我國生物炭研究特別是產業化應用在國際上已經處于領先地位，生物炭產業化也非常成熟。發達國家生物質能源在能源結構中占據重要地位，而我國生物質能實際占比不到1%，市場發展空間巨大。
2生物質熱裂解技術的研究成果
針對當今社會化學石油能源過度使用，產生嚴重大氣污染，以及農村秸稈隨意焚燒造成資源浪費和廢氣排放的問題，河北天善生物技術有限公司（以下簡稱天善公司）歷經9年研制出的“一種利用生物質進行炭、氣、液、油聯產的系統及生產方法”，成功開發了“多功能自動化炭氣聯產設備”，有效減少了化學石油能源使用量，增加生物質清潔能源供給，解決農村秸稈隨意焚燒，減輕國家環保壓力等問題。
生物質熱裂解是指生物質在沒有氧化劑（空氣、氧氣、水蒸汽等）存在或只提供有限氧的條件下加熱，通過熱化學反應，將物質的大分子物質分解成較小分子的燃料物質的熱化學轉化技術方法，是目前國內外非常關注的新能源生產技術。
該技術主要以炭化原料如農業剩余物（各種農作物秸稈）、林業剩余物（枝椏材、板皮鋸末等）、畜禽糞便、生活有機垃圾等含有木質素的生物質為處理產品，將其轉化為生物質炭、生物質燃氣、木焦油和木醋酸4種產品，在炭化過程中進行分離并且分別回收，整個過程無廢棄物，環保水平高。“多功能自動化炭氣聯產設備”擁有一整套的自動化控制系統，實現了生產的連續化、自動化控制。在對木醋酸液的研究中發現木醋液中含有大量有益有機物，又研發出對粗木醋酸液進行分離提純的技術，并應用于葉面噴灑肥及抗蟲劑中。
目前，天善公司已經取得14項專利：1項發明專利，13項實用新型專利，其中1項還取得了澳大利亞專利。
“一種利用生物質進行油、液、氣、炭聯產的系統及其生產方法”2017年通過了國家工業和信息化部的科技成果轉化認定。利用該設備每處理1t秸稈產生秸稈炭250kg，焦油50kg，木醋酸液220kg，秸稈可燃氣2000m3；通過這些產成品，秸稈可以產生經濟產值1057~2210元/t。
3生物質熱裂解技術的創新發展
把生物質原料通過輸送機，送到炭化爐內進行熱解炭化，同時，煙氣經動力設備導入分離凈化系統，經分離、過濾、冷凝等步驟，可得到木醋液、木焦油和生物質燃氣，炭化爐經降溫處理后得到生物質炭。整個工藝利用熱裂解技術，通過控制進入炭化爐的風量，控制進入炭化爐的氧氣量，從而達到控制炭化爐內溫度的目的。在不同的炭化溫度下所得到的副產品不同，實現高溫炭化多要氣少要炭，低溫炭化多要炭少要氣，中溫炭化既要炭又要氣。通過對生物質原料的處理，同時生產出4種產品，對4種產品進行深度加工，應用到各個領域中。根據秸稈的不同種類，連續式炭化爐單爐可連續投料、連續出料；間歇式炭化爐每爐可階段性填料。炭化系統擁有一整套的自動化控制系統，實現了生產的連續化、自動化控制，降低了工人的勞動強度。解決了傳統炭化處理設備不能有效分離炭化副產物，污染嚴重；炭化周期長，產品收率低；焦油堵塞、無法規模化生產；自動化程度低，人工成本高等關鍵問題。尤其是在對農林廢棄物炭化的整個過程中無廢水、廢氣、廢渣等廢棄物的產生，并將生物質炭制成炭基肥料、生物質燃氣用于鍋爐對接、木醋酸液的提純技術，所有副產品全部回收再利用。
目前我國生物質的利用形式仍以直接燃燒為主，快速熱解技術的研究在國內尚處于起步階段。國際能源署組織了加拿大、芬蘭、意大利、瑞典、英國及美國的10余個研究小組進行了10多年的研究工作，重點對這一過程發展的潛力、技術、經濟可行性以及參與國之間的技術交流進行了協調，并在所發表的報告中得出了十分樂觀的結論。
歐美從20世紀70年代第一次進行生物質快速熱解實驗以來，已經形成比較完備的技術設備和工業化系統。其中加拿大的Dyna Motive Energy Systems是目前利用生物質快速熱解技術實行商業化生產規模最大的企業，其處理量為1.5t/h，以樹皮、白木樹、刨花、甘蔗渣為生產原料，在隔絕氧氣和一定溫度條件下，采用鼓泡循環流化床反應器，生物油的產率為60%~75%，炭15%~20%，不凝性氣體10%～20%，以上均為質量產率。
生物質炭氣聯產裝備，單套處理量為1.5t/h，以農作物秸稈、林業廢棄物等為原料，采用控風控氧技術，利用1t秸稈可產生物質炭200~250kg，木醋液和木焦油200~250kg，可燃氣1200~2000m3，同時采用一整套自動化控制系統，實現了自動化、智能化控制，相較上述技術，不論在設備產量以及設備的自動化方面均有較大提升。
4生物質熱裂解技術的環境效益和經濟效益
天善公司的生物質炭氣聯產裝備的先進性、經濟性、環保性，使生物質的利用完全符合綠色、循環的可持續發展目標。投資小、效益高適宜廣大農村應用，達到提高秸稈產業鏈供應效率及服務水平，有效開發秸稈的生態、環保及資源化的價值，推動秸稈綜合利用結構升級和市場發展，促進秸稈綜合利用產業發展成為我國新興產業新的經濟增長點，對我國農業面源污染綜合治理、環保增效、鄉村振興、綠色農業發展起到積極的推進作用。特別是符合國家發展改革委辦公廳、農業部辦公廳、國家能源局綜合司《關于開展秸稈氣化清潔能源利用工程建設的指導意見》。
目前，天善公司通過生物質炭化凈化裝備的推廣，在唐山、衡水、張家口、遼陽等地建立了示范基地，可實現年秸稈處理量達40萬t，產生的生物質炭、木焦油和木醋酸液30萬t以上。對設備進行改造升級后，將在全國進行推廣，計劃每省至少建立兩家以上的示范基地，年設備銷售量預計將達20套以上。
天善公司在國外已經與菲律賓、尼泊爾、哈薩克斯坦、斯里蘭卡等國達成合作協議，還將推進菲律賓椰殼炭化處理項目和尼泊爾通過生物質發電解決夜晚照明問題的“小光明計劃”。截至目前，這個項目累計新增產值1857.5萬元，累計實現利稅412.7萬元，直接帶動就業200人以上。充分實現了生物質炭化凈化裝備設計與制造技術的經濟效益。
專家建議：一是盡快將生物炭及生物炭基肥料納入新型肥料目錄，讓更多農民了解生物炭、施用生物炭基肥料；二是組建國家生物炭工程技術中心，匯聚國內各方面力量，加強基礎研究與技術創新；三是建設秸稈生物炭產業技術創新戰略聯盟，推進生物炭及生物炭基肥料產業的健康有序發展。 |
