生物質能源的現狀和發展前景一.生物質能源概述化石資源的過度消耗引發了能源和環境危機,尋找不可再生資源的替代品成為人類社會生存發展面臨的重大問題。生物質能源環境友好,可再生,并且有豐富的存量,且從生物質出發,獲得多種形態的能源成為了研究熱點和投資熱點。生物質是指由光合作用產生的各種有機體。生物質能則是以生物質為載體的、蘊藏在生物質中的能量,即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形式。它除了可以提供燃燒熱,還可以制成種類繁多的重要化工品[1]及氣、液、固的能源形態,尤其是可以作為交通燃料的制備原料[2]。生物質的研究在推動化學工業和能源燃料可持續發展中已經并將繼續發揮重要作用。生物質資源按其來源分類可分為:一是木材及森林;二是農業廢棄物;三是水生植物;四是油料植物;五是城市和工業有機廢棄物;六是動物糞便。生物質的應用和開發在政策層面上引起了各國的重視,我國在生物能源產業發展十一五規劃中,突出了五個方面:1.提高能源植物的數量和質量;2.從原料到技術發展燃料乙醇工業。3.加快生物柴油產業化的步伐。4.推進生物質發電和供熱。5.促進生物質轉化為致密成型燃料。利用生物質能方式主要有:一是熱化學轉換技術,獲得木炭焦油和可燃氣體等高品位的能源產品,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。二.生物質資源量1.全球的生物質資源生物質能僅次于三大化石能源位列第四,存量豐富且可再生,具備很大的發展前景。全球每年經光合作用產生的生物質約1700億噸,其能量相當于全球能量年消耗總量的10倍,而作為能源的利用量還不到總量的1%,開發潛力巨大。目前來自生物質的能量約占全球消耗能量的14%。其中發達國家每年3%左右的能源來自生物質能,發展中國家生物質利用約占這些國家能源消耗的35%。按照一些國際能源組織測算,隨著化石能源的枯竭和價格的增長,到2015年,全球總能耗將有40%來自生物質能源。2.我國的生物質資源據估計,我國每年產生的生物質總量有50多億噸(干重),相當于20多億噸油當量,約為我國目前一次能源總消耗量的3倍,目前我國商品化的生物質能源僅占一次能源消費的0.5%左右。即使考慮到中國有堅持“不與人爭糧、不與糧爭地”的原則,秸稈、畜禽糞便等農業農村廢棄物和林木枝椏等林業廢棄物發展生物質能源的存量仍然很大。據2003年不完全統計,我國每年僅可收集的農業廢棄物及禽畜糞便資源就可達10億噸,其中農作物秸稈總量則有6.5億噸,除部分作為造紙原料、炊事燃料、飼料肥料和秸桿還田之外,可作為能源用途的秸稈約3.5億噸,折合1.8億噸標準煤,可以轉化為1億噸燃料酒精或5000萬噸生物柴油。目前各類農業廢棄物每年利用率不足10%。到2010年秸稈總量將達7.26億噸,相當于5億噸標煤。2005年統計我國畜禽糞便資源的實物量僅為1.38億噸。預計到2010年和2015年,中國規?；B殖場畜禽糞便資源的實物量將分別達到25億噸和32.5億噸。我國自l981年起,就有計劃地建設薪炭林,到l995年,年增產薪材量2000-2500萬噸,經濟林面積有3.2億畝,但是目前加工利用的還不足1/4。林木枝椏和林業廢棄物年可獲得量約9億噸,約有3億噸可作為能源利用。我國存在約20億畝的山地、灘涂、鹽堿地等邊際性土地,不宜種植糧食作物,但可以作為能源等專業植物種植的土地。按這些土地的20%利用計算,每年約生產10億噸生物質。目前全國年產有機廢水25.2億噸,廢渣0.7億噸,可獲得沼氣資源量為106.8億m3。城市固體廢棄物年產生量約1.5億噸,每年以8%-10%的速度持續增長。三.利用的現狀為解決能源危機我國政府制定了相應政策及規劃支持生物質轉化技術的開發。目前我國在幾項生物質能源技術的研發和產業化上取得了一定的進展:1.沼氣生物質(農作物秸稈、糞便、有機廢水等有機廢棄物)在厭氧環境通過微生物發酵產生一種以甲烷為主要成分的可燃性混合氣體,即沼氣。我國的沼氣建設始于20世紀五、六十年代,是世界上沼氣利用開展得最好的國家,在厭氧發酵、工程建設等方面已居于國際領先水平。農村戶用沼氣系統已經成熟,主要為農戶提供生活燃料,副產的沼液和沼渣做有機肥料部分替代化肥。已經研制出適應不同氣候、原料和使用條件的標準化系列池型,并廣泛采用混凝土現澆施工工藝,使用壽命長;由于技術的進步,使沼氣池的使用管理變得更加簡單易行;沼氣產業規模發展不斷擴大,產品基本實現了標準化生產,規范化設計和專業化施工。目前民用沼氣技術已相當成熟,已進入商業化普遍推廣階段。污水處理的大型沼氣工程技術也已基本成熟,進入商業示范和初步推廣階段。“十五”開始,國家開始提供專項支持沼氣建設,到2007年我國大中型沼氣設施有5000多處,戶用沼氣池有2700多萬口。年產沼氣90億立方米,相當于當年天然氣消費量的10%。按照國家計劃,2020年,中國沼氣開發量將達到270億立方米,年增長率為9.1%。從沼氣的原料來看,預計到2015年,中國規?；B殖場畜禽糞便資源的實物量將分別達到32.5億噸,城市有機廢水達到25噸,如果全部利用約產生2000多億立方米沼氣。2.燃料乙醇中國以糧食為原料的燃料乙醇生產已初步形成規模。“十五”期間,在河南、安徽、吉林和黑龍江分別建設了以陳化糧為原料的燃料乙醇生產廠,已在9個省(5個省全部,4個省的27個地(市))開展車用乙醇汽油銷售,2005年,這些地方實現了車用乙醇汽油替代汽油?？紤]到成本與糧食供給,我國現今政策僅鼓勵非糧生產乙醇的開發。以木薯替代糧食生產乙醇,全國具有年產500萬噸燃料乙醇的潛力。以甜高粱莖稈為原料生產燃料乙醇的技術(稱為甜高粱乙醇)已經達到年產5000噸燃料乙醇的生產規模。由于現階段國家對燃料乙醇實行定點生產,再者產品本身距離交通燃料的要求還有差距,這些甜高粱乙醇無法進入交通燃料市場,大多數摻入了低質白酒中。另外,“八五”期間,我國開始研究利用纖維素廢棄物制取乙醇,主要研究纖維素的稀酸水解及其發酵技術,并在“九五”期間進入中間試驗階段;目前已經建成年產600噸規模的纖維素廢棄物制取乙醇燃料技術中試設施。3.生物柴油由生物質替代石油原料制取汽油和柴油,是可再生能源開發利用的重要方向,研究方向主要集中在催化轉化為適宜的油品或含油品的混合物再進一步分離。生物柴油是一種優質的生物液體燃料,其生產原料主要為廉價植物油和纖維性生物質。目前基于廉價植物油為原料的轉化技術國內外已有突破性進展,在盡量降低轉化過程中能耗的前提下提高轉化率并保證油品質量是生物柴油市場化的關鍵。上世紀80年代末,歐美國家投入大量的人力、財力、物力開發利用生物柴油。美國相繼在1996年和2000年頒布標準,完善生物柴油的產業化條件,政府實行積極鼓勵,在生物柴油的價格上給予一定的補貼。德國也于2001年在海德地區投資5000萬馬克(7馬克約合0.26元人民幣),興建年產10萬噸的生物柴油裝置。我國在1981年已有用菜籽油、棉籽油等植物油生產生物柴油的試驗研究?？萍疾恳褜⑸锊裼图夹g列入十一五國家863計劃和國際科技合作計劃,產業化方面已實現多處中試和示范線。外國公司也進軍中國,外國公司分別在山東威海市和黑龍江佳木斯市建設年生產能力25萬噸和20萬噸的生物柴油廠。目前利用我國自主知識產權的技術在海南、福建龍都已開發出并相繼建成了萬噸級的生產線。預計中國生物柴油產量2010年前約可達每年100萬噸。由于受到原材料來源和價格的影響大多數企業處于停產或半停產狀態。相比之下,以纖維為原料生產生物柴油的技術發展的要慢,到目前為止,還處于工業化示范階段,且產生的生物柴油品質存在較大差異。但是由于這條技術路線原材料量大、價格可控,如果生產成本合理,將更有發展前景。4.生物質發電中國生物質發電技術可分為直接燃燒發電、混合燃燒發電、氣化發電和沼氣發電。直接燃燒發電和混合燃燒發電都是以固體生物質為燃料。氣化發電和沼氣發電是以生物質汽化后再燃燒發電。固體生物質燃料分生物質直接燃燒或壓縮成型燃料及生物質與煤混合燃燒為原料的燃料。直接將具有生物質的原料進行燃燒發電處理是生物質能轉化速度較快的一種方式,從1988年第一座秸稈生物燃燒發電廠在丹麥投產以來,在一些歐美發達國家發展迅速并得到廣泛應用。美國在2000年就已有超過1200個燃燒發電廠在正常運行,總裝機容量為1200萬kW,年發電900億kW。中國生物質燃料發電也具有了一定的規模,2006年底全國生物質能發電累計裝機容量220萬kW,其中蔗渣熱電聯產170萬kW,主要集中在南方地區的許多糖廠利用甘蔗渣發電。中國第一批農作物秸稈燃燒發電廠在河北石家莊市和山東菏澤市建成,裝機容量分別為2x12兆瓦和25兆瓦,發電量分別為1.2億千瓦時和1.56億千瓦時,年消耗秸稈20萬噸。目前,秸稈直燃發電技術仍存在著缺乏核心技術和設備、發電成本偏高、秸稈收儲運困難等問題。中國沼氣發電技術一方面積極引進了國外先進技術,諸如蘭州花莊奶牛繁殖中心引進了捷克沼氣熱電聯產設備;另一方面,國產沼氣發電機組也已基本成熟,維柴、勝動等廠家生產的燃氣發電機組的技術性能指標已接近國際先進水平。2006年完成生物質氣化及垃圾填埋氣發電3萬kW,在建的還有9萬kW。中國生物質氣化集中供氣系統的秸稈氣化站保有量539處,年產生物質燃氣1.5億立方米;年發電量160千瓦時的稻殼氣化發電系統已進入產業化階段。5.生物質致密成型燃料生物質壓塊成型是將秸稈、稻殼、鋸末、木屑等有機廢棄物,用機械加壓的方法,使無定型、低發量的生物質原料壓制成具有一定形狀、密度較高的固成型燃料。由此,半松散的、低熱值的生物質加工成熱值高及能源密度高的能量塊。從成型工藝上可分為常溫壓縮成型、熱壓成型和碳化成型三類。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。生物型煤與原煤成本低等優點,既能節省能源,又能明顯減少大氣污染,具有儲存、運輸和使用方便等特點。中國生物質固體成型技術的研究開發已有二十多年的歷史,現在已達工業化生產規模。但由于壓縮技術環節的問題,成型燃料的壓縮成本較高。目前,中國(清華大學、河南省能源研究所、北京美農達科技有限公司)和意大利(比薩大學)兩國分別開發出生物質直接成型技術,降低了生物質成型燃料的成本,為生物質致密成型燃料的廣泛應用奠定了基礎。四.生物質能源應用技術分析生物質轉化方式多樣,同一原料有多種可行的轉化方式,但是經濟效益和環境效益卻存在差異。沼氣技術既可以處理掉大量工農業廢棄物并轉化為能量,又可以解決農村和中小城鎮的生活燃料問題,同時也為農民提供了生物質農肥,實現了循環物質的良性循環。但是目前生物質制沼氣,投資/產出的經濟效益并不高;主要效益是環境層面上。由于它是規?；B殖場畜禽糞便最合理的應用途徑,隨著規模養殖的發展,能夠實現環境友好、可循環的規模發展,也是新農村建設的亮點。從非糧食為原料制備乙醇從目前的發展情況來看,以特定的木薯等淀粉類作物替代糧食作物來說具有良好的發展前景。但是由于受到原材料數量和產地的影響,只能在一定的區域推廣和應用。而以纖維素為原料制備乙醇無論從技術的成熟度、經濟效益,還是產品銷售等方面,都存在著困難。一、生產成本高,沒有經濟效益甚至是負效益。二、具有一定環境負擔,在生產過程中用水量大,還存在一定量的污水需要處理。三、生產中能耗偏大,能量轉換效率偏低,特別將低濃度非能源類乙醇,轉變為高濃度能源類乙醇時,效率還需要進一步提高。利用生物質制造乙醇,作為生物質能源利用的一種能源轉換方式,雖然目前看不到經濟效益,但是作為可再生替代能源是可以繼續在技術方面做以探索的。生物柴油是目前被業界普遍看好的生物質能源。其兩種方式的進展差異較大。直接利用植物油轉換生物柴油的方式,技術比較成熟和可靠,品質很好,完全可以直接作為燃油甚至內燃機燃油使用。但是由于它立足于廉價的植物油,因此它經常受到原料的成本和產品的售價之間的擠壓,經濟效益極不穩定。進入2008年以來,由于糧油價格普遍上漲,生物柴油企業大多數處于停產或半停產。科學家建議,應利用新疆等的荒漠土地資源,培育耐旱抗堿的能源植物,結合荒漠治理,大規模開發能源植物種植基地,擴大種植規模,為我國規?；l展生物質能源提供穩定的資源量。利用纖維素轉換為生物柴油的方式,由于技術上需要進一步完善,還沒有形成大規模生產,由于技術路線的不同,產生的生物柴油與柴油各項關鍵指標特別是燃燒值和成分相比較可分為:低品質燃油和高品質燃油。兩類技術都處于研發和中試。由于其原料量大面廣(農業和林業的可利用纖維性生物質總量約17億噸,直接可產生高品質生物柴油約2億噸),如果具有一定的經濟效益,該項技術(特別是高品質燃油技術)將為生物質能源利用打開廣闊的天地,通過一段時間的發展逐步緩解我國石油對外的高依存度,意義重大。因此要積極引導和支持,加快技術成熟和后續推廣應用的步伐。生物質發電及致密成型材料主要是在已有技術上改進,技術的原創性空間相對較小,依托于相關工藝技術及產業水平。其應用只能是在特殊原材料供應地區或特殊需求地區,從行業發展、經濟效益、技術進步和規模化來看,僅僅作為生物質能源利用的過渡和補充方式。五.未來的前景和建議中國擁有豐富的生物質資源,預測在2020年前后中國的年農業廢棄物資源實物量(干重)近20億噸,可利用超過11億噸。林業可利用生物質資源總量將超過20億噸,其中50%可以利用。全國作為生物能源原料總量達到約21噸,約折合15億噸標準煤,超過屆時全國能源消費需求預計總量28.69億噸標煤的一半,不可小視。盡管如此,生物質資源還具有極大的開發潛力,如沙漠治理、低質地、荒坡及灘涂