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吳創之，陰秀麗，劉華財，陳勇
（中國科學院廣州能源研究所，廣州510640）
摘要：分布式生物質能源技術對原料種類適應性強，項目規模靈活、可滿足特殊用戶的需求，在小規模下具有更好的經濟性，更易于商業化發展，符合生物質資源特點和我國國情。生物質能分布式利用方式主要包括生物質成型燃料和生物燃氣兩方面，關鍵技術包括生物質成型燃料加工及燃燒、大中型沼氣工程技術、生物質氣化熱解及燃氣利用等。我國分布式生物質能源技術目前主要處于進行技術完善和應用示范階段，預計到2030年前大部分關鍵技術將基本成熟，具備產業化的條件。我國分布式生物質能產業發展的主要方向是傳統燃煤燃氣替代、城鎮／農村清潔生活能源供應和農村生態環境保護，發展重點是服務節能減排戰略，利用生物質實現部分替代工業燃料，減少燃煤／燃油帶來的污染，同時圍繞國家新型城鎮化戰略，為新農村建設提供可持續的清潔能源，提高農村生態環境保護水平。目前制約分布式生物質能產業發展的最主要瓶頸是經濟性和可靠性，國家應在技術創新和政策支持方面增加投入，將生物質能的環境效益和社會效益轉化為成本效益，推動生物質能分布式利用產業的發展。
1生物質能分布式利用的意義
1.1分布式利用符合生物質資源的特點
生物質資源來源多樣、能量密度較低、分布分散，這些資源特點決定了因地制宜、分布式利用是發展生物質能產業的必然要求。資源供應方面，應該就地開發、利用，不必長距離運輸，有效降低運輸成本，符合生物質資源密度低，分布分散的自然屬性；能源使用方面，應該就近使用，直接面向終端用戶，多余能源可外送；管理運行方面，應該具備獨立運行的能力和條件，必要時可以聯網或與化石能源互補相利用。
分布式生物質能源技術應用的規模很靈活，可根據當地的實際情況滿足不同的需要，如，既可以建設小型發電站，也可以作為居民生活燃氣，甚至可作為供熱、工業窯爐的燃料等，是真正實現生物質能“因地制宜”開發利用的有效途徑。而且從產業化上看，由于分布式生物質能源技術對原料種類和規模適應性強，項目規模要求小、資金門檻要求低、投資回報高，對各種用戶需求的適應性較好，不同的規模下都具有一定的經濟性，所以生物質能分布式利用比集中式利用更易于商業化。總的來說，分布式生物質能源技術符合中國生物質資源分散的特點，適合分散利用和工業應用，具有較強的適應能力和生存能力，在中國發展分布式生物質能源技術有廣周的應用前景。
1.2生物質能分布式利用符合我國發展現狀
我國經濟發展不平衡，各地居民能源消費結構有較大差異。一方面，目前仍有約1.33億戶農村家庭將傳統生物質能作為主要炊事或采暖能源，許多中西部農村地區仍然以秸稈、薪柴等直接燃燒的傳統生物質能源作為主要生活能源；另一方面，隨著東部沿海地區農村經濟的發展和生活水平的提高，傳統生物質能作為生活能源的情況已大幅減少，大量作物秸稈被遺棄在田間地頭，就地焚燒，空氣污染十分嚴重。
我國正在大力推進新型城鎮化及新農村建設，需要大量的清潔能源供應，在廣大農村地區充分利用豐富廉價的生物質資源，加快生物質產業的發展、是解決農村今后能源持續供應的有效途徑。生物質能作為來源于農林副產物的清潔能源，可以為農村城鎮化提供生活能源，包括采暖、燃氣和電力等，形成農村能源自產自銷的新型供應模式。而分布式生物質能轉化技術是最適合農村分散利用的產業化方向，如利用粘桿為農村提供熱、電、氣等生活能源，是新農村擺脫燃煤依鞭的有效措施。
2生物質能分布式利用發展現狀
生物質能分布式利用的主要方式是成型做料和生物燃氣（消氣和氣化）。生物質成型燃料和生物燃氣與傳統化石燃料的使用習慣一致，是煤或天然氣的良好替代品，符合可持續發展的要求，實現了低品位燃料向高品位、低污染燃料的轉變，可廣泛用于各種小型熱水鍋爐、熱風爐、家庭取暖爐或壁爐，不僅可解決城鄉家庭的炊事取暖，也可用于小型發電供暖設施，為中小熱電廠能源結構的調整創造條件。
2.1國外生物質能分布式利用現狀
（1）成型燃料生產及應用歐洲以及其他大部分地區生產成型燃料主要以木質生物質為原料。目前大部分用于各種小型熱水鍋爐、熱風爐、家庭取暖爐或壁爐，部分用于小型社區熱電聯供電站，滿足居民供暖需求。我國在新型城鎮化規劃中明確提出農村可再生能源在10年后要求達到13%，其中利用生物質成型燃料為農村、小城鎮住戶提供炊事和采暖能源、將是一個重要的途徑。
生物質周體顆校燃料除通過專門運輸工具定點供應給發電廠和供熱企業以外，還以袋裝的方式在市場上銷售，已經成為許多家庭首選的生活燃料。2014年，全球木質顆粒產量達2410萬噸，歐盟約占62%，北美地區約占34%（圖1）。最大的生產國依次為美國（總產量的26%）、德國（10%）、加拿大（8%）、瑞典（6%）和拉脫維亞（5%）。歐盟國家消費了世界上最多的木質顆粒，2013年消耗量為1500萬噸。
（2）生物燃氣生產及業用，生物燃氣是指從生物須轉化而來的想氣，包精用氣，分成氣和制氣，目前沼氣具有較大的成本優勢，所以生物燃氣經常特指沼氣。據國際能源署統計，2012年，歐洲地區在運行的沼氣發電廠超過13800家，裝機容量7.5吉瓦。大部分是熱電聯產，小部分被送人天然氣管網，發電量和供熱量分別達44.5吉瓦時和1.1×105吉焦。2013年底，德國的沼氣生產廠已達8000家左右，裝機容量約3.8吉瓦，98%用于發電，并實行熱電聯供，當年供電2.7×104吉瓦時，供熱1.2×104吉瓦時、分別占全國供電和供熱總量的4.2%和0.8%，據估計到2020年，生物燃氣發電總裝機容量將達到9500兆瓦。另有169家沼氣廠向天然氣管網輸氣，輸氣量達9億立方米。
2.2我國生物質能分布式利用現狀
（1）成型熱料生產及應用，近年我國開始重視生物質成型燃料產業的發展，國家發改委在《可再生能源長期發展規劃》中提出，力爭在2020年達到顆粒燃料年利用量5000萬噸的目標。目前國內生物質成型燃料主要應用于王業高溫蒸汽供應，包括銅鐵、紡織、印染、造紙、食品、化工等行業，由于國內生物質成型燃料行業還處起步階段，企業分散，沒有統一的行業標準和產品標準，很難統計具體的產業規模，估算為500萬噸/年左右，國家能源局在《2014年能源工作指導意見）強調年內新增生物質工業和民用供熱折算分別為200萬噸和80萬噸（藻汽）。而根據發改委、國家能源局和環保部《關于印發能源行業加強大氣污染防治工作方案的通知》，爭取2017年生物質成型燃料利用量超過1500萬噸。
（2）生物然氣生產及應用，我國生物質能資源豐富，可用于制取生物燃氣的資源品種繁多、包括作物秸桿、畜禽類便、林業廢棄物等。據統計，我國每年可用于生產生物燃氣的資源總量約折合7億噸標準煤(表1）。若考慮技術可行性和市場競爭能力，日前可利用的資源量均為2.5億噸標準煤，可生產沼氣量為1990億立方米，約折合天然氣1200億立方米，相當于我國2014年天然氣消費量800億立方米的2/3。
近年來，我國生物燃氣產業取得較大進展，生物燃氣產量已達150億立方米/年，實現CO2減排765萬噸，大中型生物燃氣工程約4000多個。但總的來看，我國處理農業有機廢棄物的沼氣工程由于相對規模小，又遠離城鎮、產生的沼氣僅有少量用于發電和集中供氣（沼氣發電用氣量約占總產氣量的2.53%、集中供氣約占總產氣量的1%），大量的沼氣用于養殖場自身的生產、生活燃料。農業沼氣工程平均池容只有283立方米，池容在1000立方米以上的大型沼氣工程僅占9%左右，沼氣技術和產業的發展急需轉型升級。
（3）生物質氣化發電及燃氣應用、生物質氣化發電及燃氣應用是具有我國特色的生物質能分布式利用方式。基于生物質熱解氣化技術，我國開發出生物質熱解氣化集中供氣系統，以滿足農村居民炊事和采暖用氣，相關技術已得到初步應用。其中，利用生物質熱解炭化技術，建設生物質炭、氣、油多聯嚴系統，為農村居民提供生活燃氣，同時生產生物質炭和生物焦油，取得了較好的經濟社會效益，在測北、安徽和河南等地得到初步推廣，具有較好的發展前景。在生物質氣化發電方面，目前已開發出多種以木屑、稻殼、秸桿等生物質為原料的因定床和流化床氣化爐，成功研制了從400千瓦到10干瓦的不同規格的氣化發電裝置，出口到泰國，緬甸、老撾和我國的臺灣地區，是國際上中小型生物質氣化發電應用最多的國家之一。
3生物質能分布式利用的主要技術
目前有多種生物質能源分布式利用技術已基本成熟、且最有可能實現市場化，包括沼氣、生物質成型、生物質氣化、生物質采暖供熱利用等，相關核心技術發展現狀如圖2所示。
3.1大中型沼氣技術
沼氣工程所處理的有機廢棄物比較廣泛，如：畜禽費便、青貯飼料、過期的殘糧、廚余殘渣、生活有機垃圾、動物屠宰的廢棄物、農副產品加工的廢棄物等，或由上述幾種有機廢物混合構成。由于我國近10年畜牧養殖發展很快，畜禽類便排放總量遠遠超過環境承載能力，政府希望通過沼氣工程建設項目的實施，基本解決重點區域畜禽養殖場對周圍環境的污染問題，因此，澀氣工程將發揮多功能的作用（生產能源、綜合利用及環境保護等），具有廣闊的應用前景。
大中型用氣工程已非常成熟，是生物質能分布式利用的主要方式，也是目前產業化發展最好生物質能利用方向之一。然面，我國傳統的沼氣利用方式以家用出氣池為主，規模小、效率低；面大中型路氣工程與國外技術相比仍存在較大差距，設備工藝和制造技術水平不高，如國際上CSTR工藝的產氣事可達15m3·m-3·d-1，熱電系統率達90%，而找國產氣率僅為0.8-5.0m3·m-3·d-1，發電效率僅為35%。目前我國已建的大中型畜禽類污沼氣工程在工藝設計階段沒有考慮充分利用資源，大多數沒有采用熱電聯供，常溫發酵或外加熱源近中溫發醇工藝在冬季不能維持穩定產氣，能源凈輸出率很低。
3.2生物質成型技術
成型技術主要有兩類：一類是顆粒燃料成型機，不同規格的環模機是顆粒燃料成型機的主流機型；另一類是棒狀或塊狀成型機、棒狀或塊狀成型燃料主要在農場應用、原料是作物秸稈，絕大多數是大螺距、大直徑擠壓機、也有液壓驅動活塞沖壓式成型機。目前生物質成型燃料從原料收集、干燥、粉碎、包裝、銷售環節全部實現了生產線生產，自動化、規模化和商業化程度都很高，單機生產規模大都在每小時2噸以上。
我國生產成型燃料以農作物秸稈為主要原料，秸稈成型特性、燃燒特性方面與林業剩余物有很大不同，不能照搬國外的技術以及設備，目前在生物質沖壓式壓塊技術及裝置，擠壓式壓塊技術及裝置、烘烤炭技術及裝置等方面有了明是的進步，但我國生物質成型機還普遍存在著能耗過高、磨損嚴重相使用壽命短等問題，需要進一步加強技術研發改進，提高能源利用效率。另外，秸稈燃料鍋爐燃燒應用技術還不成熟，還缺乏核心技術和設備、尚無技術成熟的鍋爐產品制造廠家，鍋爐燃燒中容易出現結渣、結焦、腐蝕和飛灰嚴重等問題，運行維護不易。因此，提高鍋爐對粘稈成型燃料的適應性，是大規模推廣生物質成型燃料的關鍵技術之一。
3.3生物質氣化技術
生物質氣化的主要優勢是將難以燃用的生物質低品位燃料轉化為燃氣，實現清潔和高效題燒，是生物質分布式利用的有效途徑。我國的小規模生物質氣化及利用技術達到了國際先進水平，尤具在氣化發電和生物燃氣替代工業燃料方面。但是總體來看，目前氣化設備對燃料的適應性較差，對原料水分、灰分或熱值的變化比較敏感；氣化發電還存在效率偏低、格定性較差和燃氣凈化系統大復余等問題，需要提高生物質氣化效率及其自動化控制水平；生物質燃氣燃燒存在燃氣和常規燃燒設備(如鍋爐、窯爐等)匹配技術不成熟等問題，急需解決生物質燃氣高效燃燒、氣化系統與工業鍋爐／窯爐耦合調控等關鍵技術。所以開發新型的生物質氣化技術和設備，完善并提高燃氣利用效率，建設示范工程，形成分布式生物質氣化利用的商業化解決方案，是生物質氣化技術發展的主要方向。
3.4生物質熱解技術
生物質熱解技術可將低品位生物質轉化為高品位的木炭、燃油等，是高值化利用生物質的主要方式之一。我國生物質熱解技術方面研究較早，但產業化進展緩慢，主要是因為研究以單項技術為主，缺乏系統性，與歐美等國相比還有較大差距。特別是在高效反應器研發、工藝參數優化、液化產物精制以及生物燃油對發動機性能的影響等方面存在明顯差距。同時，熱解技術還存在如下一些問題：生物油成本通常比礦物油高，生物油同傳統液體燃料不相容，需要專用的燃料處理設備；生物油是高含氧量碳氫化合物，物理、化學性質不穩定，長時間貯存會發生相分離、沉淀等現象，并具有腐蝕iS；由于物理、化學性質的不穩定，生物油目前不能直接用于現有的動力設備，必須經過改性和精制后才可使用；這些都是阻礙生物質熱解規模化利用的瓶頸所在。針對以上存在的差距和問題，今后的研究重點是如何提高液化產物收率，尋求高效精制技術，提高生物油品質，降低運行成本，實現產物的綜合利用和工業化生產等。
4生物質能分布式利用發展前景分析
4.1生物質能分布式利用發展潛力分析
發展分布式生物質能的關鍵是因地制宜，不能脫離當地的社會經濟發展條件，追求不切實際的發展目標。我國目前開發利用生物質能的主要功能是環保和節能，目的是減少污染，提供經濟、可行的潔凈替代能源，減少化石能源的壓力。在定位上，近期應圍繞節能減排戰略需求，實現部分替代工業燃料，減少燃煤／燃油／燃氣的消耗，降低企業減排成本；長期應發展液體燃料替代，實現生物質液體燃料規模化生產、能源作物規模化種植及能源藻的商業化利用。根據產業發展分析和預測，我國分布式生物質能源技術產業發展大致可分為兩個階段(圖3)。
(1)近期（2015-2020年）。生物質分散供熱和天然氣替代技術基本成熟，產業化商業模式基本建立，產業化的技術和產品主要以生物質分散供熱和生物質替代天然氣為主，其他分布式生物質能源利用技術僅僅處于應用示范階段。此階段發展的重點產業包括：沼氣工程及其熱電氣聯供系統、沼氣制備車用燃氣系統、生物質氣化燃氣窯爐燃燒系統、生物質燃氣鍋爐燃燒系統、生物質熱電聯供系統、高效生物質供熱鍋爐、秸稈成型燃料燃燒鍋爐、成型燃料家用采暖設備、成型燃料家用爐灶設備、養殖等污水大型沼氣工程等。
（2）中期（2020-2030年）。生物質分散供熱和天然氣替代技術和產品處于快速發展階段，產業規模、經濟效益、減排效益日益顯著；城鎮、鄉村分散利用生物質能源作為生活能源的技術、產品日趨成熟，國家/地方政府對新型城市化中利用生物質能源政策措施進一步強化，分布式生物質能技術為新型城鎮化提供能源供應和環境保護解決方案的地位初步確立。此階段發展的重點產業包括：生物質氣化集中供氣系統、生物質集中供熱系統、生物質熱電氣聯供系統、生物質替代LPG燃料集成系統、垃圾熱解焚燒設備、垃圾/生物質混合炭化/氣化系統、垃圾分級及綜合利用，秸稈/責便混合發酵設備及系統、戶用淚氣模塊化系統等。
4.2生物質能分布式利用發展路線圖
傳統燃煤燃氣替代、城鎮/農村清潔生活能源供應和農村生態環境保護是生物質能分布式利用的三大發展方向，相關核心技術包括堿金屬腐蝕及結焦控制技術、高效生物質氣化技術、生物質熱解/炭化技術、秸桿干發酵技術，生物質氣化燃氣凈化技術，生物燃氣凈化提純技術、生物燃氣低污染燃燒及發電技術等。其中，生物質能燃煤燃氣替代方面，關鍵技術已基本成熟，大部分系統完成應用示范，如果在政策和經濟性方面具備條件，預計在5-10年內可實現產業化并進行大規模推廣應用：農村生態環境保方面，精稈等固廢利用技術已具備產業化條件：分散規模的垃圾/污水處理系統、戶用沼氣升級、秸稈招氣制備等關鍵技術處在研發階段；城鎮/農村清潔生活能源供應方面。生物質清潔利用技術處于工程示范階段，核心技術問題包括生物質成型燃料家用采暖模塊化技術、生物質家用燃氣模塊化技術等。
基于目前粗關核心技術的研發及其應用現狀，我國分布式生物質能源技術近期主要處于進行技術完養和應用示范階段，預計到2030年前大部分關鍵技術將基本成熟，具備產業化的條件（圖4）。
5生物質能分布式利用發展條件分析
生物質原料分散，種類復雜，從本質上看，生物質能更適合于分散利用。所以發展生物質供熱、供氣和熱/電氣聯產等分布式科用模式，是我國生物質能發展的主要方向，但從產業發展現狀看，目前制約分布式生物質能產業發展的最主要瓶頸是經濟性和可靠性。為了實現上述分布式生物質能產業的發展目標和潛力，必須重點解決這兩方面的問題，才能為產業發展創造有利條件。
5.1技術創新與應用示范
技術創新是提高分布式生物質能產業經濟性和可靠性的基礎，政府應該增加科研投人，增強技術研發和技術轉移能力，進行關鍵技術研究和創新、系統集成與工程示范，推動分布式生物質能技術產業化的發展。
（1）開發生物質替代工業然料的關鍵技術，保證生物質作為燃料可以在鍋護，窯爐等工業設備中穩定使用，包括：研究燃料適應性強的生物質高效燃燒枝術，防止不合格燃料的影響，并實現爐膛燃燒溫度可控；研究解決生物質利用過程中的爐內結焦、換熱設備腐蝕等問題：開發適應多種原料的生物質氣化技術、重點解決低焦油、大負荷、高穩定性等技術難題。
（2）開發與農村環境保護及農村生活能源供應相關的共性技術，使分布式生物質能成為新型城鎮化能源保障和農村環境保護的有效途徑。為了達到低成本、提高可靠性的目的，必須將生物質能利用技術和我國農村發展需求相結合，進行工程示范并經過長期的商業應用，有效提高技術的可靠性和實用性，才能具有較大的行業帶動作用，引導并推動相關產業發展。
5.2商業模式與政策支持
我國分布式生物質能產業尚處于起步階段，用戶認可度低，商業模式未成熟；同時與傳統能源相比，分布式生物質能產業存在單位投資大、運行維護成本高等缺點。政府應該加強政策支持和引導，鼓勵商業化示范、商業模式創新，提高其市場競爭力。
（1）不斷創新和完善分布式生物質能產業的商業模式。首先，提高生物能源設備系統集成能力，將設備制造加工與銷售核心設備、核心技術研制于成套設備開發、技術服務與工程安裝調試等各方面有機結合；其次，構建生物能源燃料生產與供應商的市場網絡，在專注生物燃料收集、加工及生產的同時，為用戶提供保障燃料供應的解決方案；最后，建立減少用戶后顧之憂的商業模式，利用核心技術和低成本設備，通過專業的燃料供應和項目運行管理，為客戶提供生物質能源分散利用的綜合解決方案，形成具有市場價值的商業模式，提高生物質能的市場競爭力。
（2）制定經濟激勵政策，將生物質能的環保優勢轉化為成本優勢。生物質燃料的單位熱量成本遠遠高于化石能源，簡單利用生物質能替代燃煤、天然氣沒有經濟性，但生物質屬于可再生的清潔能源，具有是著的減排優勢和環境效益。政府應該制定相應的激勵政策，建立產業發展的激勵機制，包括立項鼓勵、稅收和環保負荷減免、熱電價格補貼、CO2減排補貼、城鎮化建設補貼等政策，提高其經濟性，調動社會發展分布式生物質能的積極性。
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