生物质能应用技术的展望

作者：中国林业科学研究院 蒋剑春 金淳

欢迎访问e展厅 展厅 7 农业环保机械展厅 秸秆粉碎机, 木屑颗粒机, 秸秆压块机, 铡草机, 秸秆气化炉, ... 摘 要：本文概述国内外生物质能应用技术的研究开发现状，并从我国实际情况出发，提出了研究开发的前景，以及在今后的工作中应重视的几个问题。 关键词：生物质、能源、气化、液化、成型、燃料 1、前言 生物质能是人类用火以来，最早直接应用的能源。随着人类文明的发展，生物质能的应用研究开发几经波折，最终人们深刻认识到，石油、煤、天然气等化石能源的有限性，同时无节制地使用化石能源，大量增加CO2、粉尘、SO2等废弃物的排放，污染了环境，给人类赖以生存的星球，造成十分严重的后果。而使用大自然馈赠的生物质能源，几乎不产生污染，资源可再生而不会枯竭，同时起着保护和改善生态环境的重要作用，是理想的可再生能源之一。生物质能的应用技术开发，旨在把森林砍伐和木材加工剩余物以及农林剩余物如秸杆、麦草等原料通过物理或化学化工的加工方法，使之成为高品位的能源，提高使用热效率，减少化石能源使用量，保护环境，走可持续发展的道路。 七十年代，由于中东战争引发的能源危机以来，生物质的开发利用研究，进一步引起了人们的重视。美国、瑞典、奥地利、加拿大、日本、英国、新西兰等发达国家，以及印度、菲律宾巴西等发展国家都分别修定了各自的能源，投入大量的人力和资金从事生物质能的研究开发。 我国生物质能研究开发工作，起步较晚。随着经济的发展，开始重视生物质能利用研究工作，从八十年代起，将生物质能研究开发列入国家攻关计划，并投入大量的财力和人力。已经建立起一支专业研究开发队伍，并取得了一批高水平的研究成果，初步形成了我国的生物质能产业。 2、生物质能应用技术的研究开发现状 2.1国外研究开发简介 在发达国家中，生物质能研究开发工作主要集中于气化、液化、热解、固化和直接燃烧等方面。 生物质能气化是在高温条件下，利用部份氧化法，使有机物转化成可燃气体的过程。产生的气体可直接作为燃料，用于发动机、锅炉、民用炉灶等场合。气化技术应用在二战期间达到高峰。随着人们对生物质能源开发利用的关注，对气化技术应用研究重又引起人们的重视。目前研究主要用途是利用气化发电和合成甲醇以及产生蒸汽。奥地利成功地推行建立燃烧木材剩余物的区域供电计划，目前已有容量为1000~2000kw的80~90个区域供热站，年供应10×109MJ能量。加拿大有12个实验室和大学开展了生物质的气化技术研究。1998年8月发布了由Freel, Barry A. 申请的生物质循环流化床快速热解技术和设备。瑞典和丹麦正在实行利用生物质进行热电联产的计划，使生物质能在提供高品位电能的同时满足供热的要求。1999年，瑞典地区供热和热电联产所消耗的能源中，26%是生物质。 美国在利用生物质能方面，处于世界领先地位，据报道，目前美国有350多座生物质发电站，主要分布在纸浆、纸产品加工厂和其它林产品加工厂，这些工厂大都位于郊区。装机容量达7000MW，提供了大约66000个工作岗位，根据有关科学家预测，到2010年，生物质发电将达到13000MW装机容量，届时有4000000英亩的能源农作物和生物质剩余物用作气化发电的原料，同时，可按排170000个以上的就业人员，对繁荣乡村经济起到积极的推动作用。 流化床气化技术由于具有床内气固接触均匀、反应面积大、反应温度均匀、单位截面积气化强度大。反应温度较固定床低等优点，从1975年以来一直是科学家们关注的热点。包括循环流化床、加压流化床和常规流化床。印度Anna大学新能源和可再生能源中心最近开发研究用流化床气化农业剩余物如稻壳、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。1995年美国Hawaii大学和Vermont大学在国家能源部的资助下开展了流化床气化发电的工作。Hawaii大学建立了处理生物质量为100T/d的工化压力气化系统，1997年已经完成了设计，建造和试运行达到预定生产能力。Vermont大学建立了气化工业装置，其生产能力达200T/d，发电能力为50MW。目前已进入正常运行阶段。 生物质的直接燃烧和固化成型技术的研究开发，主要着重于专用燃烧设备的设计和生物质成型物的应用。目前，已开发的技术有：林产品加工厂的废料（如造纸厂的树皮、家具厂的边角料等）的专用燃烧蒸汽锅炉，国外造纸厂几乎都有专门的设备，用来处理废弃物。由于生物质形状各异，堆积密度小较松散，给运输和贮存以及使用带来了较大困难，影响生物质的使用。因此，从四十年代开始了生物质的成型技术研究开发。现已成功开发的成型技术按成型物形状分主要有三大类：以日本为代表开发的螺旋挤压生产棒状成型物技术，欧洲各国开发的活塞式挤压制得园柱块状成型技术，以及美国开发研究的内压滚筒颗粒状成型技术和设备。 美国颗粒成型燃料年产量达80万吨。 成型燃料应用于二个方面：其一：进一步炭化加工制成木炭棒或木炭块，作为民用烧栲木炭或工业用木炭原料；其次是作为燃料直接燃烧，用于家庭或暧房取暧用燃料。日本、美国、加拿大等国家，开发了专用炉灶。在北美有50万户以上家庭使用这种专用炉灶作为取暧炉。 将生物质能进行正常化学加工，制取液体燃料如乙醇、甲醇、液化油等；是一个热门的研究领域。利用生物发酵或酸水解技术，在一定条件下，将生物质转化加工成乙醇，供汽车和其它工业使用。加拿大用木质原料生产的乙醇上产量为17万吨。比利时每年用甘蔗为原料，制取乙醇量达3.2万吨以上，美国每年用农林生物质和玉米为原料大约生产450万吨乙醇，计划到2010年，可再生的生物质可提供约5300万吨乙醇。 生物质能的另一种液化转换技术，是将生物质经粉碎预处理后在反应设备中，添加催化剂或无催化剂，经化学反应转化成液化油。美国、新西兰、日本、德国、加拿大国家都先后开展了研究开发工作，液化油的发热量达3.5×104KJ/kg左右，用木质原料液化的得率为绝干原料的50%以上。欧盟组织资助了三个项目，以生物质为原料，利用快速热解技术制取液化油，已经完成100kg/hr的试验规模，并拟进一步扩大至生产应用。该技术制得的液化油得率达70%，液化油低热值为1.7×104KJ/kg。 生物质能催化气化研究，旨在降低气化反应活化能，改变生物质热处理过程，分解气化副产物焦油成为小分子的可燃气体，增加煤气产量，提高气体热解；同时降低气化温度，提高气化速度和调整生物质气体组成，以便进一步加工制取甲醇或合成氨。欧美等发达国家科研人员在催化气化方面已经作了大量的研究开发，研究范围涉及到催化剂的选择，气化条件的优化和气化反应装置的适应性等方面，并且已经在工业生产装置中得到了应用。 2.2 国内研究开发 我国生物质能的应用技术研究，从八十年代以来一直受到政府和科技人员的重视。主要在气化、固化、热解和液化开展研究开发工作。 生物质气化技术的研究在我国发展较快，应用于集中供气、供热、发电方面。中国林科院林产化学工业研究所，从八十年代开始研究开发了集中供热、供气的上吸式气化炉，并且先后在黑龙江、福建得到工业化应用，气化炉的最大生产能力达6.3×106kJ/hr。建成了用枝桠材削片处理，气化制取民用煤气，供居民使用的气化系统。最近在江苏省又研究开发以稻草、麦草为原料，应用内循环流化床气化系统，产生接近中热值的煤气，供乡镇居民使用的集中供气系统，气体热值约8000KJ/NM3。气化热效率达70/%以上。山东省能源研究所研究开发了下吸式气化炉。主要用于秸杆等农业废弃物的气化。在农村居民集中居住地区得到较好的推广应用，并已形成产业化规模。广州能源所开发的以木屑和木粉为原料，应用外循环流化床气化技术，制取木煤气作为干燥热源和发电，并已完成发电能力为180KW的气化发电系统。另外北京农机院、浙江大学等单位也先后开展了生物质气化技术的研究开发工作。 我国生物质的固化技术在八十年代中期开始，现已达到工业化规模生产。目前国内有数十家工厂，用木屑为原料生产棒状成型物木炭。螺旋挤压成型机有单头和双头二种，单头机生产能力为120Kg/hr，双头机生产能力达200Kg/hr。1990年中国林科院林化所与江苏省东海粮机厂合作，研究开发生产了单头和双头二种型号的棒状成型机，1998年又与江苏正昌集团合作，共同开发了内压滚筒式颗粒成型机，机器生产能力为250~300kg/hr，生产的颗粒成型燃料尤其适用于家庭或暖房取暖使用。南京市平亚取暖器材有限公司，从美国引进适用于家庭使用的取暖炉，通过国内消化吸收，现已形成生产规模。 生物发酵制气技术，在我国已经形成工业化，技术亦趋成熟，利用的原料主要是动物粪便和高浓度的有机废水。在上海亦已建成沼气集中供气系统。 沈阳农业大学从国外引进一套流化床快速热解试验装置，研究开发液化油的技术，和利用发酵技术制取乙醇试验。另外，中国林科院林化所进行了生物质催化气化技术研究。华东理工大学还开展了生物质酸水解制取乙醇的试验研究，但尚未达到工业化生产。 3、我国生物质能应用技术的展望 生物质能是一个重要的能源，预计到下世纪，世界能源消费的40%来自生物质能，我国农村能源的70%是生物质，我国有丰富的生物质能资源，仅农村秸杆每年总量达6亿多吨。随着经济的发展，人们生活水平的提高，环境保护意识的加强，对生物质能的合理、高效开发利用，必然愈来愈受到人们的重视。因此，科学地利用生物质能，加强其应用技术的研究，具有十分重要的意义。 目前，我国已有一批长期从事生物质转换技术研究开发的科技人员，已经初步形成具有中国特色的生物质能研究开发体系，对生物质转化利用技术从理论上和实践上进行了广泛的研究，完成一批具有较高水平的研究成果，部分技术已形成产业化，为今后进一步研究开发，打下了良好的基础。 从国外生物质能利用技术的研究开发现状结合我国现有技术水平和实际情况来看，本人认为我国生物质能应用技术将主要在以下几方面发展。 3.1高效直接燃烧技术和设备 我国有12亿多人口，绝大多数居住在广大的乡村和小城镇。其生活用能的主要方式仍然是直接燃烧。剩余物秸杆、稻草松散型物料，是农村居民的主要能源，开发研究高效的燃烧炉，提高使用热效率，仍将是应予解决的重要问题。乡镇企业的快速兴起，不仅带动农村经济的发展，而且加速化石能源，尤其是煤的消费，因此开发改造乡镇企业用煤设备（如锅炉等），用生物质替代燃煤在今后的研究开发中应占有一席之地。 把松散的农林剩余物进行粉碎分级处理后，加工成型为定型的燃料，结合专用技术和设备的开发，在我国将会有较大的市场前景，家庭和暧房取暧用的颗粒成型燃料，推广应用工作，将会是生物质成型燃料的研究开发之热点。 3.2集约化综合开发利用 生物质能尤其是薪材不仅是很好的能源，而且可以用来制造出木炭、活性炭、木醋液等化工原料。大量速生薪炭材基地的建设，为工业化综合开发利用木质能源提供了丰富的原料。由于我国经济不断发展，促进了农村分散居民逐步向城镇集中，为集中供气，提高用能效率提供了现实的可能性。将来应根据集中居住人口的多少，建立能源工厂，把生物质能进行化学转换，产生的气体收集净化后，输送到居民家中作燃料，提高使用热效率和居民生活水平。这种生物质能的集约化综合开发利用，既可以解决居民用能问题，又可通过工厂的化工产品生产创造良好的经济效益，也为农村剩余劳动力提供就业机会。因此，从生态环境和能源利用角度出发，建立能源材基地，实施“林能”结合工程，是切实可行的发展方向。 农村有着丰富的秸杆资源，大量秸杆被废弃和田间直接燃烧，既造成大量的生物质能的浪费，也给大气带来了严重的污染。因此，用可再生的生物质能高效转化在将来会有较好的发展前景。 3.3生物质能的创新高效开发利用 随着科学技术的高速发展，生物质能的发展将依赖创新技术来实现更大的发展。生物质能新技术的研究开发如生物技术高效低成本转化应用研究，常压快速液化制取液化油，催化化学转化技术的研究，以及生物质能转化设备如流化床技术等是研究热点，一旦获得突破性进展，将会大大促进生物质能开发应用。 3.4城市生活垃圾的开发利用 生活垃圾数量以每年8%~10%的快速递增，工业化开发利用垃圾来发电，焚烧集中供热或气化产生煤气供居民使用，有很大的发展潜力。 3.5能源植物的开发 大力发展能生产“绿色石油”的各类植物，如油棕榈、木戟科植物等，为生物质能利用提供丰富的优质资源。 4、建议 4.1生物质能应用技术的研究开发，在现阶段主要是从生态环境、环境保护的角度出发，从中长期来看，将要弥补资源有限性的不足。因此，生物质能源的开发利用，其社会效益远远大于经济效益。在目前发展阶段，需要国家的政策扶持和财力支撑。应制订相关政策，鼓励和支持，企业投资生物质能源开发项目。 4.2我国有丰富的生物质资源，但我国的国情是人口众多，人均资源相对偏少，因此，在生物质的应用技术发展方向上，应结合我国分散的能源系统，以满足农村乡、镇、村不断增长的能量需求，重点解决居民生活用能，减少对化石能源尤其是煤炭的使用。在经济条件较发达的乡村地区，大力推广木煤气气化系统。在城市推广颗粒成型燃料及专用取暧炉，取代煤炉取暧和小型锅炉。 4.3加强基础和应用研究。在生物质能化学转换中催化降解、直接和间接液化机理，高产生物能基因及其变异性规律，生物转化微生物“杂交”等基础理论和应用研究。国家在科研项目的安排方面，要注重给生物质能应用研究的发展方面留有一定的空间。 4.4我国已发展薪炭林540万公顷，年生长量约达1.8亿吨，计划到2010年，薪炭林达到860万公顷。同时，山区大量发展的经济林果壳。利用这些林业资源，建立能源工厂，将这些生物质热解处理，气体作为民用煤气，热解的固体木炭进一步加工成活性炭作为化工产品，创造经济效益。既解决部分农村缺少能源的矛盾，又为农村劳动力创造就业机会，促进山区农村的发展。前期选择合适的地区，建立生物质综合利用“林能结合”示范能源工厂系统，然后推广应用。 4.5加强生物质的国际交流合作，引进国外先进的生物质应用技术和设备，加快我国生物质开发应用的步伐，建立符合中国国情的生物质能开发利用结构体系。 (end)

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