生物质能的利用现状及展望

生物质能的利用现状及展望摘要: 在概述生物质能概念、特性及开发利用生物质能意义的基础上，重点从生物质能的直接燃烧、物化转化、生化转化、植物油技术和利用生物质合成新产品等几方面来介绍国内外生物质能利用的现状，最后展望生物质能研究的主要方向。关键词：生物质能 化石能源 可持续发展 展望现今世界，石油价格居高不下，能源、电力供应趋紧，而化石能源和核能贮量有限且会对环境造成严重的后果，因此，各国政府和科学家对资源丰富、可再生性强、有利于改善环境和可持续发展的生物资源的开发利用给予了极大的关注。有许多国家都制定了相应的开发研究计划，例如，日本的新阳光计划、印度的绿色能源工程、美国的能源农场和巴西的酒精能源计划等。一个新兴的生物质产业正在全球范围蓬勃兴起。据专家估计，生物质能源将成为未来能源的重要组成部分，到2015年9全球总耗能将有40%来自生物质能源，主要通过生物质能发电和生物质液体燃料的产业化实现。在2004 年制定的国家中长期科技发展规划（2005-2020）中，“农林生物质工程”被列为重大专项之列，并作为国家能源战略的重要组成部分。随着我国经济的快速发展，我国的能源消耗与日激增。现在，我国能源年消耗量占世界能总消耗量的20%以上，而且呈现上升的态势，我国2004 年进口石油1.2 亿吨。我国生物多样性丰富，据调查，我国有油料植物为151科697 属1554 种，其中种子含油量大于40%的植物有154 种。且我国的可开发生物质资源总量为7t左右标准煤，其中农作物秸秆约3.5 亿t，占50%以上。因此，加大生物质能源的开发利用，进行农业生物质能源发掘利用，不仅可解决农民的增收和“三农”问题，还可解决21 世纪中国面临的能源短缺、环境污染、食品安全等重大社会经济问题，乃至为全面建设“小康”社会目标的实现做出重大贡献，即生物质能源的开发利用直接关系到我国的可持续发展。1 生物质能的概念及特性1.1 生物质能的概念生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物质体内的一种能量形式，它以生物质为载体，直接或间接地来源于植物的光合作用。它分布广泛、产量巨大、可再生且性能稳定，同风能、太阳能相比，很少受自然因素的制约，又能加工转换成常规的固态、液态和气态燃料，便于储存运输，生物质能是惟一的可再生碳源。生物质生长过程中吸收大量的CO2气体，燃烧过程排放的CO2气体与吸收的相当，几乎没有SO2气体排放，因此被称为CO2中性燃料。其包括城市垃圾：工业、生活和商业垃圾，全球每年排放100108t；有机废水：工业废水和生活污水，全球每年排放4500108t；粪便：禽、畜粪便和人类粪便，全球每年排放300108t以上；林业生物质：薪柴、落叶、树皮、树根及林业加工废弃物等；农业产品及其废弃物：秸秆、果壳、果核、玉米芯等；水生植物：藻类、浮萍、水动芦、风信子等；能源植物：油料作物和富含碳氢化合物的植物。中国的生物质能主要来源于农业废弃物及农林产品加工废弃物、薪柴城市生活垃圾等3个方面。1.2生物质能的特性作为世界第四大能源，生物质能在人类历史上曾发挥着重要的作用，就是在现实生产生活中，尤其是在发展中国家的农村，生物质能的消耗占全国能量消耗的40%，与其他能源相比，生物质能有其特有的特性。1.2.1分布广泛且产量巨大生物质能源的分布广泛，从南极到北极，从海洋到陆地，从平原到高山，到处都有生物质能的分布。生物质能在整个能源系统中占有重要地位，一直是人类赖以生存的重要能源之一，就其能源当量而言，是仅次于煤、油、天然气而列第四位的能源。目前，全球每年水、 陆生物质通过植物光合作用产生的有机物达1800108t，热当量为31021J左右，是全球目前总能耗量的10倍，而作为能源的利用量还不到其总量的1%，而中国理论生物质能资源为50亿t左右标准煤，是目前我国总能耗的4倍左右。据估计，在理想状况下，地球上生产生物质的潜力可达到现实能源消费的180-200倍。1.2.2可再生性好大多数的生物质能是净初级生产品，即利用太阳能将二氧化碳(通过光合作用)转化为有用的碳类化合物的地球生物量。每年有大量的净初级生产品产生消亡，但当环境条件适合生长时又会有大量的净初级生产品产生。只要保证相对合理地开发、利用，就能得到较好的恢复与再生，这些净初级产品是不会全部耗尽的，但可获得的量会有所波动。1.2.3生物质能是绿色能源主要包含两方面的内容：第一，生物质能可以减少有害气体及烟尘排放量和温室气体增量，维持全球碳平衡，提高环境质量。目前主要的功能是减少因使用化石能源而产生的CO2 、SO2等气体的排放；第二，开发利用生物质能可以减少环境公害，如生产、生活废物堆积引起的大量占用耕地现象和对景观的影响。1.2.4开发转化技术容易 从目前国内外生物质能开发利用的基本形式来看，生物质能的开发较之其他新能源如：太阳能、风能、地热能、潮汐能等的开发利用相对普及。这主要是由于生物质能的开发具有层次性，无论是初级产品还是高级产品都与人类的生产生活息息相关。正是基于此，生物质开发技术上的难题就相对较少，人们既可利用生物质能的热能效应又可将简单的热效应充分转化为化学能、电能等高层次能源。2 开发生物质能的重要意义2.1化石燃料和环境恶化自20世纪70年代以来，人们对石油、煤炭、天然气的储量和可开采时限作过种种的估算与推测，几乎都得出了一致的结论:21世纪化石燃料中有的将被开采殆尽，有的因开采成本高或开发使用导致的一系列环境问题而失去开采价值。地质学家也早已明确指出：石油耗竭之日已为期不远。现在，尽管地质学家和经济学家们在激烈地争论石油开始匮乏的时间 但无论如何，化石燃料终将耗尽却是无可争辩的事实。“居安思危”，开发替代能源已迫在眉睫。2.2生物质能和环境保护化石燃料的开发利用对环境造成了极大的危害，而生物质能的开发利用不仅不对环境造成危害，而且有利于恢复和建设已破坏的生态环境。随着各国人民对“三生态”的不断追求、 京都议定书的生效和清洁发展机制的实施，开发利用生物质能将成为一个新兴的产业。开发利用生物质能要求人们恢复植被，最终维持二氧化碳的平衡；使用此能源几乎不会产生污染，且有利于回收利用有机废弃物，有利于处理废水和治理污染；生物质能中的沼气发酵系统、生物乙醇的制备能和农业生产紧密结合，不仅可为农业生产提供有机肥料，降低化肥农药的使用量从而改善环境，还可解决农村富余劳动力就业，增加农民收入，有效促进农村经济、社会和生态的发展。3 生物质能的利用现状3.1直接燃烧直接燃烧主要包括炉灶燃烧、焚烧垃圾、锅炉燃烧压缩成型燃料、联合燃烧。炉灶燃烧是传统的用能方式，因其效率低而在逐渐被淘汰。焚烧垃圾是锅炉在800-1000高温下燃烧垃圾可燃组分，将释放的热量来供热或发电。压缩成型燃料燃烧是先将生物质压缩成密度大的性能接近煤的物质，再将其燃烧发电，因其排放的污染尾气小而发展前景良好。联合燃烧是将生物质掺入燃煤中燃烧发电，此法可减少SO2、NO2等污染气体的排放。中国传统生物质能开发利用已是商业化技术,据国家统计局1998-2003年统计数据估计， 我国可开发生物质资源约700兆(M)t 标煤,利用省柴炕灶后,效率有了很大提高,省柴炕灶每年节约能量达52.5万t油当量。虽然我国目前效率高达80%的高效燃烧锅炉可焚烧垃圾发电。但因技术、政策等原因，燃烧垃圾发电时机还未成熟。压缩成型直接燃烧也达到工业生产规模，其中颗粒成型燃烧尤适合家庭或暖房取暖。目前，生物质发电已占发达国家可再生能源发电量的70%。在美国，生物质能发电的总装机容量已超过10000兆瓦，单机容量达10-25兆瓦。据纽约时报报道，按照2001年的统计，美国消耗的可再生能源中有50.4%来自生物质能，41.9%为水电，其余为太阳能和风能等。瑞典研制的燃用木质碎料流化床锅炉，其效率仍可达80%。而按能源资源类型分析1996年德国公用电业的供电量中垃圾和废弃物提供的电量占年供电量的87.8%。全球环境基金世界银行正在巴西示范一个30MW生物质气化联合循环发电项目，在英国和美国有3个示范项目，装机容量6-10MW。由于生物质气化联合循环发电效率可达40%，有可能成为生物质能转化的主导技术之一。3.2物化转化物化转化主要包括干馏技术、生物质气化技术及热裂解技术等。干馏是把生物质转变成热值较高的可燃气、固定碳、木焦油及木醋液等物质。可燃气含甲烷、乙烷、氢气、一氧化碳、二氧化碳等，可做生活燃气或工业用气，木焦油是国际紧俏产品，木醋液可形成多种化工产品。生物质气化是在高温条件下，利用部分氧化法，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。目前研究的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1000-12000kW的区域供热站80-190个，年供应10109MJ能量。生物质热解是指在隔绝空气的条件下将生物质原料加热裂解的过程；生物质热解与气化技术最大的区别在于是否有氧化剂参与反应。3.3生化转化生化转化主要包括厌氧消化技术和酶技术。厌氧消化是利用厌氧微生物在缺氧的情况下将生物质转化为CH4、CO等可燃气体。同时得到效果很好的可用作农田肥料的厌氧发酵残留物。酶技术是利用微生物体内的酶分解生物质，生产液体燃料，如乙醇、甲醇等。沼气开发主要有4 类：农业沼气、工业沼气、城市下水道污水沼气、城市垃圾沼气。至2003年，我国户用沼气系统已达956万户，生活污水净化沼气系统9.6万处，沼气工程1359 处，其中!大中型畜禽养殖场沼气工程1171处。利用生物发酵或酸水解技术，在一定条件下，可将生物质转化加工成乙醇，供汽车和其它工业使用。生物燃料电池是一种借助电极反应直接利用厌氧发酵过程中的电子传递转成电能的装置。其最大特点是反应过程中不涉及到燃烧，而其能量转换率高达60%-80%。近20年来生物技术的巨大发展，为生物燃料电池研究提供了物质、知识和技术储备。3.4植物油技术直接液化即植物油技术，是采用机械压榨或化学提取等工艺从生物质中直接取生物柴油。生物柴油是生物质能的另一种利用方式，是对动物、植物油质进行化学反应而制备出来的一种清洁的液体燃料。且有许多优良特点，能完全燃烧，二氧化碳、碳氢化合物和颗粒物排放很少。近年来生物柴油产业迅速发展，在发达国家，利用豆油、花生油、棉籽油、葵花籽油、油菜籽油、棕榈油和蓖麻籽油生产生物柴油正在形成产业。4 生物质能利用的发展趋势生物质能是重要的可再生资源，21世纪，世界能源消费的40%将来自生物质能。我国是一个传统的农业大国，拥有丰富的生物质能资源。随着经济的发展，人们生活水平的提高，环境保护意识的增强及对生态时尚“三生态”的不断追求，化石能源逐渐枯竭，对包括生物质能在内的可再生资源的合理、高效地开发利用，必然将愈来愈受到各国政府和科学家的高度重视。因此，用可持续发展的理论为指导，科学地利用生物质能源，加强应用基础和应用技术的研究，特别是在高效直接燃烧技术和设备的开发、生物质气化和发电、生物质液化、生物质能源合成新产品新材料技术、能源植物的选育、生物质能源林栽培、经营和管理技术等几个方面的研究将是今后生物质能利用研究的重点。参考文献：1蒋剑春.生物质能源应用研究现状与发展前景J.林产化学与工业,2002,22(2）75-80.2朱清时.生物质洁净能源M.北京:化学工业出版社,2001.3孙振钧