|
陳益華1，李志紅2，沈彤1
（1.長沙市蔬菜科學研究所，長沙 410003；2.湖南農業大學 工程技術學院，長沙 410128）
摘要：能源可分為不可再生能源和可再生能源。不可再生能源主要有化石能源，包括煤、石油、天然氣和核能等，由于它的可耗盡性和不可再生性，其利用是以消耗地球的資源為代價的。然而，地球的資源畢竟是有限的，一定會有耗盡之時。為此，闡述了生物質能的定義及其優缺點，對我國生物質能的利用現狀、差距和主要障礙進行了分析，并對生物質能的利用提出了對策。
據統計，目前占全球能源消耗總量近50%的石油和天然氣在21世紀中葉將消耗殆盡，雖然占目前全球能源消耗量25%的煤還可以繼續開采使用，但開采的難度越來越大，成本也會越來越高。尋找一種可再生的替代能源，已成為社會普遍關注的焦點；生物質能的轉換和利用具有解決能源短缺問題和環境保護的雙重效果，受到了人們的極大重視，是21世紀能源發展的一個方向[1,2]。
1生物質能的定義及其利弊
生物質能是蘊藏在生物質中的能量，是綠色植物通過葉綠素將太陽能轉化為化學能而貯存在生物質內部的能量。它一直是人類賴以生存的重要能源，僅次于煤炭、石油和天然氣而居于世界能源消費總量第4位，在整個能源系統中占有重要的地位。據預測，到21世紀中葉，采用新技術生產的各種生物質替代燃料將占全球總能耗的40%以上。生物質能通常包括：木材及森林工業廢棄物、農業廢棄物、水生植物、油料植物、城市和工業有機廢棄物、動物糞便[3]。
生物質能的優點：一是可再生性。二是低污染性。生物質的硫含量、氮含量低，生物質作為燃料時，燃燒過程中的硫化物和氮化物較少，由于它在生長時需要的二氧化碳相當于其燃燒時排放的二氧化碳量，因而對大氣的二氧化碳凈排放量近似于零；用新技術開發利用生物質能不僅有助于減輕溫室效應，促進生態良性循環，而且可替代部分石油、煤炭等化石燃料，成為解決能源危機與環境問題的重 要途徑之一。三是廣泛分布性。缺乏煤炭的地域可充分利用生物質能。四是具有燃燒容易，灰分低的特點[4,5]。
但由于技術和經濟的原因以及可再生能源分布較為分散，能量密度、熱值及熱效率低等特點，目前其利用率尚不高，僅占全球能源消耗總量的22%。
2生物質資源豐富
生物質能能否滿足人類未來能源的需求取決于生物質的潛力。從現有水平上分析，植物界每年所固定的太陽能為世界總能耗的10倍。現今全世界每年由光合作用所形成的有機質約為2000億t，相當于3×10^21J能量。其中，糧食等農業種植的作物提供了8%左右，相當于2.4×10^20J能量；約52%為森林和草地的生物所提供，約相當于1.56×10^21J能量。全世界每天產生垃圾2700萬t，各種廢水的排放量每年多達4500億t，每年的人畜糞便超過幾十億t。所有這些廢棄物都將是生物質能的潛在資源。據測定，城市垃圾的熱值與褐煤和油相近，大約2t垃圾相當于1t煤。焚燒1t垃圾可相當于燃燒0.2t石油；焚燒1kg垃圾得到的熱量，約為城市煤氣每立方米熱量的1/3左右。
我國幅員遼闊，人口眾多，生物質分布十分廣泛，約有80%的人口居住在農村；太陽能資源豐富，全國各地太陽能年輻射總量在335～835kJ/cm^2之間。因此，通過光合作用產生的生物質能儲量大、分布廣。但從全國范圍來看，各省分布不平衡，1/2以上的生物質資源集中在四川、河南、山東、安徽、河北、江蘇、湖南、湖北、浙江等9個省，廣大的西北地區和其他省區相對較少。據統計，全國近幾年秸稈年產量約6億t，目前除少量生物質被用于農村家庭燃料或飼料外，絕大多數生物質被露天焚燒、填埋，或直接丟棄在田間地頭進行生物降解。薪柴年產量(包括木材砍伐的廢棄物)為2億t左右，還有大量的人畜糞便及工業排放的有機廢料、廢渣。據環衛部門估計，2000年我國城市生活垃圾總量約1.5億t。每年生物質資源總量折合成標準煤為2～4億t[3,5,6]。
3我國生物質能的利用現狀
目前，世界各國正逐步采用如下方法利用生物質能：一是熱化學轉換技術，獲得木炭焦油和可燃氣體等品位高的能源產品，該方法又按其熱加工的方法不同，分為高溫干餾、熱解、生物質液化等方法；二是生物化學轉換法，主要指生物質在微生物的發酵作用下，生成沼氣、酒精等能源產品；三是利用油料植物所產生的生物油；四是直接燃燒技術，包括爐灶燃燒技術、鍋爐燃燒技術、致密成型技術和垃圾焚燒技術等。
3.1熱解氣化技術方面
自“六五”以來，我國開展了生物質氣化技術的研究工作，并取得了一系列卓有成效的研究成果。我國已用或商品化的氣化爐和氣化系統有：中國科學院廣州能源研究所的GSQ-1100大型裝置，中國農機院的ND系列和HQ-280型，山東省能源研究所的XFL系列，在農村具有廣泛的應用前景。秸稈氣化集中供氣系統解決了秸稈的有效利用問題，將秸稈轉換為高品位能源，降低了成本，提高了農民的生活水平，目前全國已經建設推廣了115個示范工程。
生物質發電在我國已經有40年的歷史，其主要原料是稻殼和谷殼，且主要用于大米加工廠。由于發電規模小，經濟效益差，發展緩慢，發電規模一直維持在60～200kW。近年來，隨著大米加工業的集中與大型化，國家“九五”攻關項目“1MW生物質循環流化床氣化發電系統”研制成功，該系統每日可處理谷殼40t，最大出力1000kW，與傳統小型機組相比生產能力強，氣化效率高、成本低。
3.2直接燃燒技術方面
1998年，我國已有1.85億農戶使用省柴節煤爐灶，熱效率為25%。現熱效率超過70%，達到國家環保總局指標要求的低排放多用爐已通過產品鑒定，即將投放市場。利用致密成型技術，使壓制成型后的燃料容重可達1200kg/m^3，熱值約16MJ/kg，含水率在12%以下，體積縮小為1/8～1/6。成型燃料熱性能優于木材，與中質混煤相當，而且點火容易，便于運輸和貯存，可作為生物質氣化爐、高效燃燒爐和小型鍋爐的燃料。我國的生物質致密成型 技術開始于“七五”期間，現已達到工業化生產規模。目前，國內已開發完成的固化成型設備有兩大類：棒狀成型機和顆粒狀成型機，其生產能力為120～300kg/h。南京市平亞取暖器材有限公司，從美國引進了一套生產能力為1.5t/h的顆粒成型燃料生產線，1999年開始正式生產，產品供應市場運行情況良好[7]。但是生物質壓實技術所需壓實成型設備，尤其是高壓成型設備價格昂貴，增加了生物質能的成本，限制了生物質能的利用。
3.3生物化學轉化技術方面
3.3.1沼氣的利用
沼氣發酵是利用有機廢棄物，如農作物秸稈、糞便、有機廢水等轉化為氣體燃料。這一過程通常含有3個階段：水解階段、產氫產乙酸階段和產甲烷階段。沼氣發酵裝置在處理高含水有機廢物方面是非常有用的。截止到1996年底，我國推廣農村戶用沼氣池602萬口，供2500萬人使用；沼氣工程592處，總池容33.5×10^4m^3，供10.2萬戶用氣；城鎮生活污水凈化沼氣池5.2萬座，總池容180.8×10^4m^3，年產沼氣2305×10^4m^3，供2.8萬多戶用氣。沼氣發酵系統與農業結合十分密切，能有效地促進農村經濟的發展，有利于保護農村生態環境，使農業發展走可持續發展之路[3,6]。
填埋垃圾制取沼氣也是處理城市生活垃圾、有效利用生物質能的主要方法。杭州天子嶺垃圾填埋場是我國第一座大型按衛生填埋要求設計并采用合理填埋規劃和工藝的城市生活垃圾無害化處理工程。1991年6月正式運行，庫容600萬m^3，能消納全杭州日產1320t垃圾，運行費用5元/t，現已進入產沼氣高峰期[8]。
3.3.2生物質制取燃料酒精
純酒精或汽油和酒精的混合物都可作一次性燃料。制液體酒精的原料可分為3大類：一是含糖類，如甘蔗；二是含纖維素類，如農作物秸稈、穎殼，木材和其加工剩余物等；三是含淀粉類，如甘薯、玉米、小麥等。根據生物質所含成分的不同，其液化方法也不同，但其技術都已很成熟。
4我國生物質能利用的主要差距和障礙
4.1我國生物質能利用與國外的主要差距
20世紀70年代開始，生物質能的開發利用研究已成為世界性的熱門研究課題。許多國家都制定了相應的開發研究計劃，如日本的陽光計劃、印度的綠色能源工程、美國的能源農場和巴西的酒精能源計劃，各國紛紛投入大量的人力和資金從事生物質能的研究開發。生物質能利用研究開發工作，國外尤其是發達國家的科研人員做了大量的工作，在熱化學轉換技術、生物化學轉換技術、生產生物油技術以及直接燃燒技術等方面都取得了突破性的進展，其中一些成果和設備已商品化并發揮了巨大的經濟效益。
直接燃燒秸稈的先進設備已投放市場，生物質供熱、發電或熱電聯供已成為現實。在厭氧消化方面，中溫和高溫下的產氣可達5m^3/(m^3ˇ天)，百千瓦量級的沼氣發電機組沼氣發電量可達1.4～2.6(kWˇh/m^3)，發電效率高達38%。在熱解氣化技術方面已有多項技術裝備進入商品化階段，如荷蘭BTG開發成功的生物質高溫熱解裝置產氣率66%；德國、美國等開發出自動化程度相當高的家用生物質氣化爐用于用戶熱水和供暖；產熱量達630～2100萬kJ/h的大型生物質氣化裝置也已開發成功。
與國外相比，我國生物質能技術還有存在著較大差距，主要表現在：一是厭氧消化產氣率低，系統運行和管理自動化水平不高；二是與厭氧消化和綜合利用配套的技術和設備還不成熟；三是厭氧消化技術產業化發展緩慢，不便于大規模市場推進；四是秸稈氣化熱值低，在穩定運行、焦油清除、氣體凈化等技術上需要提高；五是缺乏秸稈直接燃燒供熱技術研究和設備開發，不便于多途徑能源利用；六是生物質發電技術和裝置方面有較大差距[9]。
4.2我國生物質能利用的主要障礙
(1) 大多數生物質體積密度和能量密度低，且過于分散，集中困難，運輸、儲存費用都相對較高，大大地限制了對生物質能的有效利用；
(2) 生物質由于受季節因素影響，供應不穩定，給大規模工業利用帶來困難；
(3) 生物質組成性質差異大，如生物質在水分含量、熱值和灰份等化學組成上存在差異巨大，這給生物質的利用帶來困難；
(4) 我國在環境政策和經濟政策方面缺乏標準法規和激勵措施，沒有形成鼓勵人們使用生物質能的機制；
(5) 宣傳力度不夠，很多人并不真正了解生物質能在能源、環境等方面的重要作用；
(6) 生物質能的生產設備昂貴，生產工藝不過關，生產水平低下，使用和開發成本高。
5生物質能利用的發展對策
(1) 目前國內生物質資源開發利用的成本一般比較高，因此僅靠市場機制來進行調控和發展是不現實的，需要國家的政策扶持和財力支撐。因此，要制訂相關政策，鼓勵和支持企業投資生物質能源 開發項目；對有前景但技術經濟性或商業化條件尚未完全過關的技術，加大風險資金的投入力度。
(2) 21世紀生物質能利用前景十分廣闊，但真正實際應用還取決于生物質的各種轉化利用技術能否突破。因此，必須加大開展各種基礎性研究工作的力度，如各種生物質能源轉換技術；速生、高效、富含碳氫化合物的植物物種選育及推廣示范；植物油脂的改性及相關性能試驗；垃圾能源的規模化利用與示范推廣；利用有機廢水的微生物發酵制氫；生物質熱解液化的實用化技術；沼氣和熱解氣化的集中供氣系統相關技術等等。國家應在科研項目的安排方面，給生物質能應用研究的發展方面留有足夠的空間。
(3) 在生物質的應用技術發展方向上，結合我國分散的能源系統，以滿足農村鄉、鎮、村不斷增長的能量需求，重點解決居民生活用能，減少對化石能源尤其是煤炭的使用；大力推廣成型燃料及專用取暖爐，以取代煤爐取暖的小型鍋爐；研究開發專門使用生物質的直接燃料鍋爐。
(4) 加強生物質研究領域的國際交流與合作，引進國外先進的生物質利用技術和設備，加快我國生物質開發利用的步伐，建立符合中國國情的生物質能開發利用結構體系。
(5) 建立綜合處理城市生活垃圾和污水的示范區，為生活垃圾和污水的無害化處理工程，回收能源、有效利用生物質能起示范推廣作用。
(6) 提高國民的能源危機和環境意識，加強國民對生物質能等新的可再生能源的認識；同時，也要加大以生物質資源為基礎的開發項目的市場開發力度，充分挖掘其潛力。
6結束語
可持續發展已成為21世紀人類的共識，怎樣利用可再生能源逐步取代日趨枯竭的不可再生能源是各國關注的焦點。生物質能被喻為及時利用的綠色煤炭，將成為未來能源的重要組成部分，對能源戰略和環境保護具有重要意義。
參考文獻：
[1]周善元.21世紀的新能源—生物質能[J].江西能 源,2001,(4):34-37.
[2]鄧可蘊.21世紀我國生物質能發展戰略[J].中國電 力,2000,(9):82-84.
[3]肖軍.生物質利用現狀[J].安全與環境工程,2003,(1):11-14.
[4]雒廷亮.生物質能的應用前景分析[J].能源研究與 信息,2003,(4):194-197.
[5]張無敵.生物質能—未來能源的希望[J].能源研究 與利用,1995,(4):3-6.
[6]李志合.生物質能源利用及發展[J].山東工程學院 學報,2000,(9):34-38.
[7]蔣劍春.生物質能源應用研究現狀與發展前景[J]. 林產化學與工業,2002,(6):75-80.
[8]黎佐梅.開發城市燃氣氣源—處理城市生活垃圾和 污水[J].江西能源,1993,(3):11-13,36.
[9]王革華.我國生物質能利用技術展望[J].農業工程 學報,1999,(4):19-22. |
