生物质能资源与利用.pdf

第2 9 卷第1 期 2 0 0 8 年1 月 太阳能学报 A C r AE N E R G I A ES O L A R I S 洲I C A V d 2 9 N o 1 J a n 2 0 0 8 我国生物质能资源与利用 赵军1 2 ，王述洋1 ( 1 东北林业大学，哈尔滨1 5 0 0 4 0 ；2 黑龙江八一农垦大学，大庆1 6 3 3 1 9 ) 摘要：我国生物质资源丰富，产量巨大，2 0 0 4 年我国生物质能合计总量为3 0 6 4 8 M 。，为生物质能的开发利用提 供了丰富的原料。通过生物质的热化学转化技术，可生产可燃气体和液体燃料。生物质能的开发利用，对于我国 能源结构调整、能源安全、环境保护具有重要意义。 。 关键词：中国；生物质资源；生物质能；生物质利用；进展 中图分类号：T K 6文献标识码：A 0 前言 目前我国的能源消耗中主要是煤炭、石油、天然 气等化石燃料能源。近年来，我国的一次能源消费 量及结构如表1 1 | ，能源消费总量逐年增加。随着社 会对能源需求的日益增长，主要能源化石燃料迅速 减少，而生物质能来源广泛、数量多、开发潜力大，是 未来能源利用的重要途径。表2 是2 0 0 4 年我国生 物质能分类利用量1 I ，合计总量为3 0 6 4 8M 。 表1 中国一次能源消费量及结构 T a b l e1T h e c o n s u m p t i o na n dc o m p o s i t i o no fp r i m a r ye n e r g yi nC h i n a 1 我国的生物质能资源 我国的生物质资源丰富、种类繁多、数量巨大。 较常见的有秸秆、稻壳、薪材、锯末、甘蔗渣、禽畜粪 便、生活垃圾等。据统计，我国农作物秸秆可收集量 每年约为4 5 亿t ，折合标准煤1 8 亿t ；稻壳5 0 0 0 万 t ，折合标准煤2 0 0 0 万t ；林业加工过程中产生的木 质废弃物约2 4 0 0 万m 3 ，折合标准煤1 5 0 万t ；各种天 收稿日期：2 0 0 6 - 1 0 - 2 0 基金项目：国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) ( 2 0 0 1 A A 5 1 4 0 6 0 ) ； 9 4 8 ”引进先进农业技术项目( 2 0 0 1 2 8 ) 通讯作者：赵g ( 1 9 6 9 - - ) ，男，副教授、博士研究生，主要从事生物质能研究利用。d q z h a o j u n 1 6 3 嘲 万方数据万方数据 1 期赵军等：我国生物质能资源与利用 9 1 然薪材的合理提供量为1 4 亿t ，折合标准煤O 7 4 亿t 。与我国一次能源中化石燃料的消费量相比，生 物质能所占比例并不大。2 0 0 3 年，我国生物质能资 源可获得量当量值为2 9 6 2 M 。，各种生物质能资源 如表3 t2 | 。 表3 我国生物质能资源可获得量( 2 0 0 3 年) ， T a b l e3T h eo b t a i n e db i o e n e r g yr e s o u r c ei nC h i n a ( 2 0 0 3 ) 1 1 农业生物质资源 我国是一个农业生产大国，农业生物质资源丰 富。每年的农业生产废弃物产量约为6 5 亿t ，到 2 0 1 0 年，产量可达7 3 亿t ，可产生1 2X1 0 埽J 的能 量 3 】。农业生物质资源主要包括农作物秸秆和农产 品加工废弃物。农作物秸秆是我国广大农村地区的 传统生活用能，其中水稻、玉米和小麦秸秆共占 8 4 3 。农产品加工废弃物有稻壳、玉米芯、花生 壳、甘蔗渣等。1 9 9 9 年，我国各地区主要农业生物 质可利用量的合计总量达5 6 亿t ，列前十位的地区 是 4 】：山东( 0 4 4 亿t ) 、河南( O 3 1 亿t ) 、河北( 0 2 9 亿t ) 、江苏( 0 2 8 亿t ) 、黑龙江( O 2 6 亿t ) 、吉林( 0 2 4 亿t ) 、四川( O 2 2 亿t ) 、湖北( 0 1 7 亿t ) 、安徽( 0 1 6 亿t ) 、内蒙古( 0 1 5 亿t ) 。其中秸秆类生物质的主 要流向是：1 5 还田，2 4 饲用，2 3 用于工业，近 6 0 用于薪柴或露地燃烧。因此，我国农业生物质 资源具有巨大的应用潜力。 1 2 林业生物质资源 我国现有森林面积1 7 5 亿h m 2 ，蓄积量1 2 4 5 6 亿m 3 。2 0 0 2 年全国造林面积7 7 7 1 0h m 2 ，比上一年 增长5 6 8 。我国陆地林木生物质资源总量在1 8 0 亿t 以上，可用于生产生物质能源的主要是薪炭林、 林业废弃物、平茬灌木等。林业生物质能资源在我 国农村能源中占有重要地位，2 0 0 2 年我国农村消耗 的林业生物质能资源约1 6 6 M 。, ，占农村能源总消费 量的2 1 2 ，在丘陵、山区和林区等区域，农民5 0 以上的生活用能依靠林业资源。1 9 9 9 年，我国林业 生物质产量列前十位的地区是【4 ：黑龙江( O 2 9 亿 t ) 、内蒙古( 0 2 6 亿t ) 、四川( 0 2 4 亿t ) 、云南( O 2 1 亿t ) 、吉林( O 1 1 亿t ) 、江西( 0 1 0 亿t ) 、湖南( 0 0 9 0 亿t ) 、广西( 0 0 9 2 亿t ) 、广东( 0 0 9 2 亿t ) 、山西 ( 0 0 8 9 亿t ) 。 1 3 禽畜粪便 我国的主要畜禽是牛、猪和鸡，全国大中型奶 牛、猪、鸡养殖场有6 0 0 0 多家，禽畜粪便资源量约 9 2 M 。我国大部分地区的禽畜粪便主要用于农业 肥料，近年来农村大力普及沼气，这是禽畜粪便清洁 化应用的重要途径，也是建设社会主义新农村的时 代所需。 1 4 能源植物 我国有宜林荒山荒地约4 6 9 2 万h m 2 ，还有不适 宜发展农业的边远性和废弃土地资源1 亿h m 2 ，可 以开发种植高产能源植物，形成木本燃料油植物生 物质能源林。目前的关键问题是针对我国区域及气 候特点，筛选培育与地域相适应的能源作物品种，采 用基因工程或杂交育种技术选育高产、速生、耐候性 好、适应性强的各类能源植物品种，为我国生物质能 源工业提供原料保障。 2 生物质热化学转化利用技术 目前，生物质的热化学转化技术有直接燃烧、液 化、气化和热裂解4 种。 2 1 直接燃烧 生物质直接燃烧是将生物质直接作为燃料燃 烧，燃烧产生的能量主要用于发电或集中供热。流 化床锅炉燃烧技术先进，可提高生物质的利用效率， 适用于相对集中、大规模地利用生物质资源，可实现 工业化生产。但生物质原料含水量高，锅炉排烟容 积增大，锅炉效率降低。为了提高燃烧效率，保证生 物质原料的充分燃烧，国内学者对流化床锅炉的送 风方式、燃烧方式进行了研究 5 。循环流化床锅炉 燃烧农林废弃物，由碱金属引起的结垢和腐蚀问题 万方数据万方数据 太阳能学报2 9 卷 还需进一步研究。 2 2 液化 生物质热化学转化制生物原油或燃料油的高压 液化技术，一般在温度为2 5 0 4 0 0 、压力为5 2 0 M P a 的条件下进行，通常是在催化剂存在下转化 为液体燃料。我国学者在生物质高压液化方面也做 了一些研究哺】。Q I lY i x i n 等用水做溶剂研究生物质 液化，考察了反应温度、时间、生物质水的比率对液 体产物中重油产率的影响。颜涌捷等研究了纤维素 连续催化水解。白鲁刚等对生物质与煤的共液化进 行了研究，选用硫铁化物为催化剂进行煤与生物质 加氢共液化。曲先锋等研究了生物质在超临界水中 的热解反应。现阶段需要解决的问题是深入研究反 应机理，研制低污染、高效的催化剂体系，提高生物 原油的产率，降低氧含量，以降低生物原油精制的成 本。 2 3 气化 气化是生物质在较高的温度( 7 0 0 9 0 0 0 C ) 下， 与气化剂( 如空气、氧气或水蒸汽) 反应得到小分子 可燃气体的过程。目前使用最广泛的是空气作气化 剂，产生的气体主要作为燃料使用，可用于锅炉、发 电、民用炉灶等场合，也可作为合成甲醇的化工原 料。气化发电技术在国外已实现大规模工业化，我 国在此方面已基本完成中试与小规模生产，现正走 向大型产业化生产阶段。 2 0 世纪9 0 年代，中国科学院广州能源所进行 循环流化床的研究，在生物质气化发电技术研究、开 发和商业化方面取得了不少成果和经验。另外中国 农机院能源研究所、清华大学、浙江大学、华中科技 大学、华东理工大学、河南农业大学、山东省科学院 能源研究所、辽宁能源研究所等单位先后开展了生 物质气化技术和理论的研究工作 7 】。我国现有1 6 0 多个乡村级秸秆气化集中供气示范工程正处于营运 中，主要用于发电和供热【8 】。 2 4 热裂解 热裂解是指生物质在受热条件下发生一系列化 学变化而形成固体、液体油和气体的过程，其主要目 的是最大限度地获取生物油。国外从2 0 世纪7 0 年 代末就开始研究，现已发展了多种生物质裂解技术， 为生物质制油提供了有效可行的方法。沈阳农业大 学引进了旋转锥型热解反应器，对生物质热解过程 进行了实验研究和理论分析，浙江大学、中科院化工 冶金研究所、河北环境科学院等近年来进行了生物 质流化床的实验研究，取得了一定的成果。提高热 解产物的获得量，加大生物油的加工精制及反应系 统整体效率的优化，将是未来生物质快速热裂解研 究的重点。 3 生物质能利用方式 根据我国目前生物质能技术的研究和利用水 平，生物质能利用重点是生物质发电、沼气和生物质 液体燃料等。 3 1 生物质发电 生物质发电主要有秸秆直燃发电、农林废弃物 气化发电、垃圾焚烧发电和沼气发电，在“十一”五期 间将形成5 0 0 0 M W 的装机能力。直接燃烧发电和气 化发电是目前生物质能转化为电力的两种主要方 式，全国在建和正在做科研的生物质发电项目有2 5 个，但多以秸秆为主。 秸秆直燃发电的关键在于燃料的制备和储存， 大规模的秸秆直燃发电需要的原料较多，在原料的 收集和运输上存在相当的困难。探索研究具有中国 特色的秸秆收集与运输模式是农业生物质利用的关 键。 我国己开发和推广生物质气化发电系统应用 2 0 多套。中科院广州能源研究所在江苏兴化建成 了装机容量为6 M W 的生物质气化及余热利用联合 发电系统，日处理生物质1 2 0 t ，气化效率最高达 7 8 ，燃气机组发电效率为2 9 8 ，系统发电效率为 2 7 8 。由于生物质气化联合循环发电效率可达 4 0 ，有可能成为生物质能转化的主导技术之一。 垃圾焚烧是当前世界各国采用的城市垃圾处理 技术之一，既可以回收热能，又不占用土地。国内建 立了焚烧发电的示范工程，深圳、乐山、徐州等城市 己建设了垃圾焚烧场，日处理垃圾1 5 0 。3 0 0 t ，北京、 沈阳、广州、晋江、上海、昆明等大型城市也相继兴建 了较大规模的垃圾焚烧发电厂。日处理能力达1 0 0 0 t 以上 引。 3 2 沼气 沼气和农林废弃物气化技术产生的沼气可以为 农村地区提供部分生活用燃气，生物质气化技术还 可以作为解决农村废弃物和工业生产废弃物环境治 理的重要措施。近年农村户用沼气池发展势头迅 猛，随着养殖规模的不断扩大，在农村家用沼气池基 万方数据万方数据 1 期赵军等：我国生物质能资源与利用 础上，逐渐发展演变而成畜禽粪便沼气工程【l o J 。截 止到1 9 9 6 年，全国己建成大中型沼气工程4 6 0 座， 池容积达1 3 万m 3 ，年处理农业废弃物3 0 0 0 万t ，全 年产气达20 0 0 万m 3 【1 1 】。“十一五”期间我国将继续 扩大农村地区的户用沼气，特别是与农业生产结合 的沼气技术的应用范围，在城镇发展以大型畜禽养 殖场沼气工程和工业废水沼气工程为气源的集中供 气。 3 3 生物质液体燃料 生物质液体燃料是重要的石油替代产品，主要 包括燃料乙醇和生物柴油。近期内我国的重点技术 研发方向是利用非粮食原料( 主要为甜高梁、木薯) 、 木质纤维素( 农作物秸秆、林业加工废料) 生产燃料 乙醇技术和以麻疯树为原料制取生物柴油，建设规 模化原料供应基地，建立生物质液体燃料加工企业。 上海华东理工大学木质纤维素制取燃料乙醇技术已 取得明显成果，开始进入工业性试验阶段。攀枝花 西部地区的麻疯树每6 6 7 m 2 产干果3 0 0 k g ，经酸碱结 合催化法制取生物柴油约1l O k g 。 从植物原料获取燃料乙醇和生物柴油等新型能 源的研究，目前迫切需要解决的问题是进一步研究 木质植物热化学液化的机理和化学工艺，研究原料 中各种成分对热化学反应过程及产物的影响，努力 开发出用于热化学催化反应过程的低污染高效催化 剂，从而提高目标产物的收率，降低操作费用。我国 计划到2 0 1 0 年，燃料乙醇的年生产能力达到约2 3 6 万t ，生物柴油的年生产能力达到2 0 万t ，总计年替 代2 0 0 万t 成品油。 4 总结 开发利用生物质能是调整能源结构、保障能源 安全的重要措施，是保护环境、实现可持续发展的重 要保障。国家统计局数据显示，2 0 0 5 年中国主要能 源的生产总量相当于2 0 6 0 M 。，而实际的消费量为 2 2 3 0 M 慨，能源供应有1 7 0 M 。的缺口。生物质能源开 发利用涉及能源、农业、林业、化工等多个行业和多 种技术，是一项复杂的系统工程。结合我国可再生 能源中长期发展规划确定的主要发展目标，确定了 我国生物质能发展的重点方向，力争到2 0 1 0 年，生 物质能年利用量占到一次能源消费量的1 ；到 2 0 2 0 年，生物质能年利用量占到一次能源消费量的 4 【1 2 | 。完成这一发展目标，任重道远，需要相关学 科、相关行业密切合作，共同努力。 参考文献】 1 王庆一可持续能源发展财政和经济政策研究参考资 料 M 中国可持续能源项目，2 0 0 5 ，1 0 2 中华人民共和国国家统计局中国统计年鉴2 0 0 3 M 北京：中国统计出版社，2 0 0 3 3 雒廷亮，许庆利，刘国际，等生物质能的应用前景分 析 J 能源研究与信息，2 0 0 3 ，1 9 ( 4 ) ：1 9 4 一1 9 r 7 4 L i a oC u i p i n g ，Y a hY o n 商i e 。W uC I l l 娜謦吐da 1 S t u d y0 1 1 f i l ed i s n i l x n i o na n dq u a n t i t ydb i o m a s sr e s i d u e sH 麓o u r o ei n C h i n e D B i o n m a sa n dB i o e n e r g y ，2 0 0 4 ，2 7 ：1 1 l 1 1 7 5 张明，袁益超，刘聿拯物质直接燃烧技术的发展研 究 J 能源研究与信息，2 0 0 5 ，( 1 ) ：1 卜伽 6 温从科，乔旭，张迸平，等生物质高压液化技术研 究进展 J 生物质化学工程，2 0 0 6 ，( 1 ) ：3 2 3 4 7 刘宝亮，蒋剑春中国生物质气化发电技术研究开发 进展 J 生物质化学工程，2 0 0 6 ，4 0 ( 4 ) ：4 7 5 2 8 蒋剑春，应浩中国林业生物质能源转化技术产业化 趋势 J 林产化学与工业，2 0 0 5 ，2 5 ( 增刊) ：5 - - 9 9 张衍国，李青海，康建斌垃圾清洁焚烧发电技术E M 北京：中国水利水电出版社，2 0 0 4 1 0 孙贝烈，陈丛斌厌氧消化技术在禽畜粪便处理中的 应用 J 辽宁农业科学，2 0 0 6 ，( 3 ) ：5 蛐 1 1 赵青玲，杨继涛，等畜禽粪便资源化利用技术的现状 及展望 J 河南农业大学学报，2 0 0 3 ，( 2 ) ：18 4 _ 一1 8 7 1 2 杨勇平，董长青，张俊姣生物质发电技术 M 北京： 中国水利水电出版社，2 0 0 7 万方数据万方数据 太 阳能学报 2 9 卷 B I O E N E R G YI 之E S ( 儿瓜C EA N D SI 。I Z A T I o NI Na 印呲 Z h a oJ u n l ”，W a n gS h u y a n g I ( 1 N o r t h e a s tF a r t s t , y 踟岫，t t a 日b i n1 5 0 0 4 0 ，a a k l a ；2 船如咖姆讲F i r s tl a n dR e d a m a t t m 蚵。n u q 缸g1 6 3 3 1 9 ，C h n a ) A b s t r a c t ：W i t ht h ef a s te c o n o m i cg r o w t h ，t h ee n e r g yd e m a n dh a si n c r e a s e dt w o - f o l di nt h ep a s tt h r e ed e c a d e si nC h i n a V a r i o u se n e r g yr e s o u r c e sh a v eb e e ne x p l o i t e da n du t i l i z e d T h e r ea l ea b u n d a n to fb i o m a s sr e s o i l l e Sa n dt h eu s a b l eb i o n l a s sq u a n t i t yi nC h i n a T h e s eb i o m a s sI e s o u r c 船s u p p l yf u l lo fm a t e r i a lf o rt h eb i o m a s sd e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o n T h e C h i n e s et o t a lb i o m a s se n e r g yi sa b o u t3 0 6M t c ei n2 0 0 4 T h ef u e lg a s e sa n dl i q u i df u e la l ep r o d u c e db yt h e r m a lc h e m i c a l c o n v e r s i o nt e c h n o l o g y N o w a d a y st h ee x t e n to fb i o - e n e r g yc o m m e r c i a lu t i l i z a t i o ni sl o w e r B i o m a s se x p l o i t a t i o na n du t i h z a t l o na I u n p o r t a n tt or e g u l a t i n ge n e r g ys t r u c t u r e ，e n e r g ys a f e t y ，e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n K e y w o r d s ：c h i n a ；b i o m a s sr e s o u r c e s ；b i o - e n e r g y ；u s eo fb i o m a s s ；d e v e l o p m e n t 万方数据万方数据 我国生物质能资源与利用我国生物质能资源与利用 作者：赵军， 王述洋， Zhao Jun， Wang Shuyang 作者单位：赵军,Zhao Jun(东北林业大学,哈尔滨,150040;黑龙江八一农垦大学,大庆,163319)， 王述 洋,Wang Shuyang(东北林业大学,哈尔滨,150040) 刊名： 太阳能学报 英文刊名：ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA 年，卷(期)：2008,29(1) 被引用次数：7次 参考文献(12条)参考文献(12条) 1.王庆一 可持续能源发展财政和