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生物质转化技术及其研究进展蒋随新（广西大学生物工程系，广西 南宁 540003）摘 要：介绍了我国生物质资源利用的现状及生物质转化技术，目前的生物质转化方法有直接燃烧法、生物化学法（发酵和厌氧性消化），热化学转化法（汽化、热解、液化和超临界萃取)、固体成型。分析了生物质转化技术在应用过程中存在的问题，提出对解决生物质转化技术在应用中存在问题的建议，在此基础上展望了我国生物质能产业的发展前景。关键字：生物质，转化技术，利用现状The Conversion and Utilization Technology of Binnass and Its Research ProgressSuixin Jiang（Biological Engineering, Guangxi University）Abstract ：Describes the use of biomass resources status and biomass conversion technology, the current method of direct conversion of biomass combustion, biochemical methods (fermentation and anaerobic digestion), thermo-chemical conversion process (vaporization, pyrolysis, liquefaction and SCFE), solid-molding. Analysis of the biomass conversion technology in the application process the problems and make recommendations to resolve the biomass conversion technology issues exist in the application, on the basis of a prospect of biomass energy industry.Keywords: Bioenergy, Conversion technology,Utilization status前言 目前，随着工业化进程的加快和科技的进步，人们对化石资源的需求与消耗进一步的加大。然而化石资源等不可再生资源毕竟是有限的。据报道，全球能源消耗以平均每年3%的速度递增，天然气、煤和石油分别占全球能源消耗的17%, 25%和32%，可分别使用60年、220年和40年1。在为社会提供86%的能源的同时，化石资源还提供了96%的有机化学品2。化石资源的枯竭不仅会带来巨大的能源问题，还必然造成很多重要的化学品短缺，从而制约经济发展和社会进步。因此，寻找能源和化学品的新来源己经成为当务之急。在众多的可再生资源中，生物质资源最具有广泛开发价值。生物质己经成为煤、石油和天然气之后的第4位能源，占世界一次性消耗能源的14%3。生物质(Biomass)是一切直接或间接利用植物光合作用形成的有机物质，包括所有动植物和微生物，及由这些生物的排泄和代谢的有机物质。通常来讲，生物质主要包括木质纤维素类生物质、禽兽粪便、城镇固体有机垃圾、生活和工业有机废水和能源生物等。生质以化学能的形式储存着太阳能，是一种可再生的、丰富的和低污染的资源4。据报道，目前我们每年仅利用13亿t的生物质能，仅占其总量的0.76%5。而中国理论上生物质资源是目前中国总能耗的4倍6，足以满足中国当前和未来的发展需要。生物质资源的利用过程是碳中性的，植物通过光合作用捕获CO2生成有机物，而其释放的CO2又可重新被植物吸收，因此在生物质的整个利用过程中CO2是“零排放”的。而且生物质资源仅含少量的氮和硫，因此在其转化利用过程中可大大缓解由于大量使用化石资源所带来的温室效应等环境问题7-8。1生物质原料种类生物质原料种类众多，其中常见的生物质能源原料主要有草本植物、木本植物、微藻和脂肪类生物质资源。草本能源植物是重要的生物质资源，欧洲和美国把它作为首选的生物质能源植物。根据各种草本能源植物所含成分的不同，其应用领域也不尽相同。如富含糖类、淀粉的草本植物(甘蔗、甜高粱、木薯等)可以作为生产燃料乙醇的良好原料;油菜是重要的油料作物，可以用于制备生物柴油;富含纤维素的草本植物通过生物和化学方法处理后，可以得到乙醇和沼气等高热值的能源。近年来，可用于生产燃料的能源草越来越受到人们的关注，能源草一般为禾本科多年生高大的丛生草本植物，如荻、芦竹、杂交狼尾草、柳枝等，它们富含纤维素和半纤维素，灰分含量低，具有热值高、干物质产量高、抗旱、耐瘩薄能力强、适应性广的优点，是目前最具发展前途的生物质资源之一9。木本植物是生物质能源原料中的又一重要构成。木本生物质资源种类很多，如直接来自于森林的能源林木材、间接来源于森林的林木废弃物、木质燃料能源林(乔木林和灌木林等)、各种木本林业的废弃物等，这些木本生物质可以经化学转化、热化学转化和生物转化技术，生成不同的气体、液体和固体生物燃料10。我国对木本油料生物质资源的开发利用最为引人注目，木本油料生物质资源，如光皮树、麻疯树、油茶、乌柏、油桐、黄连木、文冠果等都是用于生产生物柴油的良好生物质原料11。木本油料植物一次种植后可持续利用数十年，不用每年重新种植，可降低原料成本，从发展的角度看，能有效提高林业生物质资源开发利用的经济性。 微藻是一类细胞结构简单、生长速度快的原核或真核光合微生物，真核微藻包括绿藻、硅藻等，原核微藻主要指蓝藻。微藻种类繁多，广泛分布于淡水、海水和陆地，被认为是一种重要的生物质资源，在未来有望取代传统的化石燃料。与其他植物生物质资源相比，微藻作为生物质原料具有许多优点，如光合效率高、生长周期短、生长速率高、可连续收获、藻体油脂含量高、微藻生物质燃油热值高等。微藻转化方式多样，如萃取转酷化、热解、气化等，可以生产生物柴油、汽油和航空燃料等多种生物质液体燃料。 油脂是重要的可再生生物质资源，主要来自动物脂肪、微生物油脂、油料作物等。油脂茹度高，可通过热裂解、催化加氢和酷交换等方法改变其分子结构，制备适合于发动机使用的不同液体燃料12。2生物质转化利用技术及研究状况2.1直接燃烧技术生物质直接燃烧是生物质能最早被利用的传统方法，就是在不进行化学转化的情况下，将生物质作为燃料转化成能量的过程。通常是在蒸汽循环作用下将生物质能转换为热能和电能，为烹饪、取暖、工业生产和发电提供能量和蒸汽。直接燃烧可大致分为炉灶燃烧、锅炉燃烧、固型燃烧和垃圾焚烧4种方式。2.1.1炉灶燃烧炉灶燃烧是最原始的利用方法，一般适用于农村或山区分散独立的家庭用炉，投资最省，但效率最低。生物质在炉灶中燃烧的热效率一般为10%-15%，在省柴炉灶中燃烧的热效率为30%左右。到目前为止，我国己推广新式省柴节煤灶1.7x108户，新式灶提高了热效率10多个百分点，缓解了部分地区柴草不足的紧张局面13。2.1.2锅炉燃烧锅炉燃烧采用现代化的锅炉技术适于大规模利用生物质，效率高，可实现工业化生产，但其投资高，不适合分散的小规模利用。生物质作为锅炉的燃料直接燃烧，其热效率为50%-60%。从国内外生物质直接燃烧技术的发展状况来看，流化床锅炉对生物质燃烧的适应性较好。Eriksson和Kjellstrem等研究了木材水解残渣在150 kW的粉末燃烧器里燃烧情况14，结果表明，直接燃烧是燃气轮机使用的切实可行的方法。生物质燃料在床内停留时间较氏，可以确保生物质燃料完全燃烧，提高生物质锅炉的效率，同时流化床锅炉能够在850左右稳定燃烧，燃料燃尽后不易结渣，并且减少了NOx，SOx等有害气体的生成，有益于环境的保护，符合国家的节能减排政策。2.1.3固型燃烧固型燃烧是把生物质固化成型为高密度的固体燃料后，采用传统的燃煤设备燃用，以便集中利用，提高热效率。生物质经过固化以后，能量密度可增大到加工前10倍左右，热值可以达到15000 kJ/kg左右，经测定该燃料排放物的污染度低于煤，是一种高效、洁净的可再生能源。目前，制约固体成型燃料发展的因素主要集中在成型机械的稳定、可靠运行上。2.1.4垃圾焚烧 垃圾焚烧也是采用锅炉技术的，但由于垃圾的品位低、腐蚀性强，所以要求技术更高、投资更大，从能量利用的角度看也必须规模较大才可行。热值较高的生物垃圾采用热电联供方式进行处理，工艺流程为:生物垃圾一选择性破碎机一流化床焚烧炉一废热锅炉一供热/汽轮发电机。 目前发达国家己由“直接焚烧法”向“热解焚烧法”发展，而我国己将热解焚烧法列入自然科学领域中的前沿研究项目15。2.2热化学转化法生物质热化学转化技术15-16是指在一定的温度和压力等条件下，使生物质气化、碳化、热解和催化液化，以生产气态燃料、液态燃料和其他高附加值化学品。2. 2.1热解技术生物质在隔绝或少量供给氧气的条件下，利用热能切断生物质大分子中碳氢化合物的化学键，使之转化为小分子物质的加热分解过程通常称之为热解。不同热解条件可得到不同组成和比例的燃烧产物回:低温及低热传导速率的热解条件会得到固体(焦炭);低温、高热传导速率和短气体停留时间则得到液态产物(如甲醇、丙酮、乙酸、焦油等);高温、低热传导速率和氏气体停留时间则得到气体燃料(一般为C0, H2 CH4、等混合气体);而根据热解过程中原料停留时间和温度的不同，热解工艺又可分为3种类型:慢速热解。主要用于烧木炭业;常规热解，将生物质原料放入常规热解装置中进行，经热解，可得到原料重量20%-25%的生物炭和10%-20%的生物油;快速热解。将磨细的生物质原料在快速热解装置中进行，热解产物中的生物油，一般可以达到原料重量的40%-60%。快速热解过程需要的热量以热解产生的部分气体为热源供。 其中，快速热解生产生物油被认为是最经济的生物质生产液体燃料路线17。如果能够开发出选择性优良的快速热解工艺，生产出低含氧量高热值的液体燃料，那么快速热解工艺将具有非常强的竞争力，因此，世界各地的研究机构相继开发了各式各样的快速热解工艺，包括输送流式裂解、快速升温裂解、旋风式熔融裂解、裂解磨旋转锥反应器、流化床快速裂解等。 热解得到产物中含有醇类化合物，而且基本不含硫、氮和金属成分。但热解得到的液体燃料热稳定性差，并存在腐蚀性。热解过程中，必须消除焦油问题，提高液体燃料产率。2. 2.2液化技术将生物质转化为液体燃料使用，是有效利用生物质能的最佳途径。液化是指通过化学方式将生物质转换成液体产品的过程。液化技术主要有直接液化和间接液化两类。生物质的直接液化是将生物质、一定的溶剂和催化剂放入高压釜中，通入氢气或惰性气体，在适当的温度和压力下将生物质直接液化的技术，其主要形式有热解液化、催化液化、加压加氢液化等18。生物质直接液化还具有以下优点:原料不需要进行脱水和粉碎等高耗能步骤;设备简单、操作简单;产品质量好、热值高。但同时也存在一些问题，如:生物质定向催化及定向转化、设备放大及系统优化和油品提质及加工利用。 间接液化就是把生物质气化成气体后，在进一步进行催化合成反应制成液化产品。生物质气化合成燃料是一种间接液化技术，是生物质热化学转化利用的主要方式之一，产品包括费托合成染料(汽油、煤油、柴油等)及含氧化合物燃料(甲醇、二甲醚)，合成燃料产品纯度较高，几乎不含S, N等杂质，燃烧后无黑烟排放，合成气还可经过分离提纯制取氢气，用于燃料电池发电，合成燃料的尾气可用于发电和供热，气化产生的废渣是优质的农业生产肥料，可提炼高附加值产品，由燃气中分离出的C02,可用于合成塑料产品等。2.2.3超临界流体萃取(Supercritical fluid extraction, SCFE)超临界流体(SCFE)具有气液两重性的特点，它既有与气体相当的高渗透能力和低载度，又兼有与液体相近的密度和对许多物质优良的溶解能力在超临界水中，将煤炭和生物质能源转化为清洁的氢能，具有气态产物中氢气含量高，无需对原料进行干燥，反应不生成焦油等副产品，不造成二次污染等优点。2.3生物化学转化2.3.1发酵(Fermentation)发酵是生物质间接液化的一种。常见的如乙醇的发酵。乙醇的发酵底物几乎包括各种原始生物材料，最主要的原料为甘蔗、小麦、谷类、甜菜和木材。若用富含木质纤维素的农业废弃物生产乙醇，可避免农作物食用和工业生产间的矛盾，其潜在生产量是世界目前产量的16倍。生物质发酵生产乙醇是国际上除了制备生物柴油以外的另一条石油替代路线，近期我国重点技术研发方向是利用甜高梁、木薯及木质纤维素等非粮食原料生产燃料乙醇，并建设规模化原料供应基地，建立生物质液体燃料加工企业。2.3.2厌氧性消化(Anaerobic digestion)厌氧消化是指利用微生物在缺氧条件下消化易腐生物质，使其彻底分解，产生氢气和甲烷等高能清洁燃料(即沼气)的过程。Yang等以乙酸盐等为有机源，在填充了碳毡的固定化产烷微生物流化床混合反应器中进行厌氧消化，使甲烷产量达798mL/d，提高了产量19。目前，木质纤维素类物质分解是沼气生产的瓶颈问题。由于对厌氧消化所需要的三类厌氧微生物的研究仍较肤浅，致使无法圆满解决产气效率低等现象。如果这一课题的研究得到质的展，则可将原料由目前以人畜粪便为主扩大到各种秸秆、枝叶类，可以大大扩展沼气原料来源。2.4 固体成型技术(Briquetting Technology)固体成型技术是指在一定温度与压力作用下，将原来分散的、没有一定形状的生物质废弃物压制成具有一定形状、密度较大的各种成型燃料的高新技术。该技术则能以连续的工艺和工厂化的生产方式将这些低品位的生物质转化为易储存、易运输、能量密度高的高品位生物质燃料，从而使燃烧性能得到明显改善，热利用效率显著提高为高效再利用农林废弃物、农作物秸秆等提供了一条很好的途径。目前国内开发的生物质颗粒燃料成型技术(Highzones技术)，比热压成型技术减少了烘干、成型时加热及降温等3个耗能程序，可就地将原料及时压缩成颗粒燃料，解决了生物质燃料规模化应用中存在的收、运、储成本高的瓶颈问题，便于在原料产地推广使用。3生物质转化技术在应用广中存在的问题生物质气化主要使用的原料是秸秆和玉米芯，不经过处理就直接填入气化炉，玉米芯与秸秆的比重、密度、成分不同，气化反应条件也不同。固定的气化炉就不能满足反应的最适条件，因而影响热值和效率，而且容易产生副产品如焦油。秸秆成型燃料可取代煤，但秸秆价路目前没有确定，该技术一旦推广，原料价路可能会迅速上涨，这就给秸秆成型燃料的生产增加了难度，推广应用的速度就会减慢。同时秸秆的收获期是短时问、大范围同时进行的姑秆的收集也有一定的困难。生物质液化过程受到很多因素影响，主要包括反应原料种类反应温度、压力、时间、溶剂和催化剂等。植物生物质主要由纤维素，半纤维素和木质素组成，它们之问的热解区问是不相同的，因此它们对热解过程中产物的分布有影响，且存在液化产品不稳定、产热值低、生产规模较小、成本较高等缺点。另外对发展生物质能源的现实意义认识不够，导致在能源开发与发展过程中存在以卜问题:开发资金不足投入太少;缺乏系统的激励政策，相应的法规少;生产规模较小，成本较高,产品质量标准、产品质量监督体系缺少，产业化能力相对薄弱:缺少管理与引导等。4对解决生物质转化技术在应用中存在问题的建议4.1加强政府政策的导向作用应大力宣传生物质燃环保效益，推广普及经济环保效益好的生物质燃烧设备。政策大力扶植制备生物质燃料与设备的企业，加大政府投资力度，使生物质转化技术与设备尽快推广，以获得较好的环保和经济效益。4.2积极开展该项目试点示范工作规划生物质(如秸杆）收集、储运和预处理模式主要解决秸秆的分散性、周期性供应与生产之问的矛盾;对区域的生物资源进行评估,有计划、有步骤的建立生物质转化利用的企业。5展望发展生物质能源对于缓解能源危机、保护环境以及国家能源安全等方面都自着极其重要的意义。我国生物质资源丰富，且具备一定的技术基础与发展条件，随着技术研发、相关政策支持、扩大工业化生产，生物质能产业发展前景广阔。同时，生物能源产业的发展为建设社会主义新农村、构建社会主义和谐社会具有重要意义。参考文献1 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