２１世纪绿色能源——生物质能

周广森　原玉丰

摘要：目前，能源和环境问题已成为国际性热点话题，引起人们的广泛关注。开发新能源，替代石油、天燃气和煤炭这三种常规能源，已经成为人类发展史上的紧迫课题。为此，在分析当前能源紧张局势以及环境保护紧迫性的基础上，论述了开发新型清洁能源——生物质能的可行性和利用技术，提出了我国生物质能源发展的必要政策保证。

关键词：一次能源；生物质能；清洁能源；环境保护

０ 引言

人类社会发展到二十一世纪，能源与环境保护已成为限制社会经济发展的主要瓶颈。根据国际能源机构的统计，如果按目前的速度不加节制地发展下去，人类使用的主要能源（石油、天然气和煤炭）的地球储量供人类开采的年限分别只有40年、50年和240年。另外，此三种常规能源的使用方式所带来的环境问题日益严重，表现为大气污染、臭氧层破坏和温室效应加剧、自然灾害频繁发生等。长期这样发展下去将使自然界失去供养人类生存的能力。

1 生物质能的提出与利用现状

新能源和可再生能源技术是二十一世纪世界经济发展中最具有决定性影响的五个技术领域之一。所谓新能源，是指区别于煤、石油、天然气等常规能源的新能源，特点是可再生，一般为非碳能源。新能源包括太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能等一次能源以及二次能源中的氢能等。发展新能源已成为许多国家努力追求的目标。在国际上，新能源和可再生能源技术越来越受到重视。

比如，美国国会在2000年通过了“生物质研发法案”，2002年提出了《发展和推进生物质基产品和生物能源》报告以及《生物质技术路线图》，成立了“生物质项目办公室”和“生物质技术咨询委员会”。据统计，美国2001年生物质能占能量供给的3％，并计划2020年使生物质能源和生物质基产品较2001年增加20倍，在二十一世纪中叶利用可再生能源量要达到整个能源利用总量的1/3。欧盟自上个世纪90年代初就开始高度重视能源战略，强调节约能源、保护环境，要求成员国积极加强可再生能源的研发和使用，并陆续出台了多项能源发展计划，将可再生能源研究列为欧盟第六个研究与技术发展框架计划中的一项重要内容。按照欧盟的要求，到2010年可再生能源在电力市场上增长1倍，达到12％；到2020年生物质燃料在传统的燃料市场中占有20％的比例。

我国政府也一直关心新能源和可再生能源的开发利用，面对常规能源供应日渐紧张的趋势及其所带来的环境危害，研发新的能源已成为能源科研工作者们的首要课题。但是，中国长期以来在能源规划、分配和统计中，主要关注供城市使用的能源——电力的开发上（如利用风能、海洋能等来发电），往往忽视了丰富的农村可再生绿色清洁能源——生物质能。生物质能是蕴藏在生物质中的能量，是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而储存在生物质内的能量，通常包括木材、森林废弃物、农业废弃物、水生植物、油料植物、城市和工业有机废弃物、动物粪便等。生物质能具有得天独厚的优势：一是用本地资源代替进口能源，减少国家对进口能源的依赖性; 二是使用能方式多样化，减少对一种能源的依赖；三是用生物质代替矿物燃料减少CO2排放，因为植物的光合作用需要消耗其使用过程中释放出的CO2; 四是生物质资源分布广泛，到处可以获得，是能源分散供给体系的一种极佳能源。1

2 生物质能利用新技术

随着生物质能的利用，能源作物的种植就引起人们的兴趣。现在进行了多类能源作物的研究，涉及技术、经济、能源和环境等多个方面，从种植、收割到利用过程全面分析其作为能源的潜力。其技术路线为: 种植能源作物—收割—粉碎—存储—气化—净化—发电。能源作物可分为木质作物（用于供热、小型电厂）、草本作物（供燃烧用）、含油种子作物（制造生物柴油）、高糖作物（制造乙醇）等。这些能源作物不但经济效益高，而且适于在我国的任何地区生长，从而可以增加农民的经济收入，解决种田效益低、农民不愿耕种土地等问题。生物质能的主要利用方式有致密成型、联合燃烧、联合气化、化学转换等。

2.1 致密成型

生物质的能量密度低、体积大，在我国农村地区生物质的燃烧还是以传统的能源转化形式为主，效率很低，一般在15%-20%左右。若大量的集中使用和运输，会大大增加其成本。生物质秸秆的致密成型，将会很好地解决其体积大和利用效率低等问题。其方法是以农作物废弃物（秸秆）为主要原料，经粉碎、揉搓、高压轧制成块状燃料。目前市场上轧制方式一般采用液压式和螺旋式两种，生物质经过致密成型后具有比重大、热效率高、燃烧好、成本低、使用方便、洁净卫生等优点，可替代薪柴、煤、液化气，广泛用于生活炉灶、取暖炉、烘干炉等。

2.2 联合燃烧

生物质的致密成型虽然解决了生物质的能量密度低、体积大等问题，但是由于其致密成型成本高而不适于大型生物质发电厂。所以，在大型燃煤电厂，一般将生物质与矿物燃料进行联合燃烧。它不仅为生物质和矿物燃料的优化混合提供了机会，同时许多现存设备不需太大的改动，使整个投资费用降低，更积极的影响是大型电厂的可调节性大，能适应不同混合燃烧，使得燃烧装置能适应当地生物质的特点。值得注意的是，联合燃烧中生物质的份量不能太多。如使用含氯生物质（秸秆、稻草等）燃烧时，当热交换器表面温度超过400℃，会产生高温腐蚀现象——生物质燃烧生成的碱会使煤电厂中脱硝催化剂失活。总之，利用生物质发电不仅是能源计划的内容，而且对社会和经济都有重要影响。

2.3 联合气化

传统热解气化过程中产生的焦油会对管道、灶具、燃气透瓶等造成堵塞、污染和腐蚀。而联合气化是将生物质及其他废弃物与煤粉按一定比例混合在循环流化床内进行气化，焦油浓度低。其优点：一是减少生物质原料供应受季节因素的影响。二是在大型煤气化炉中进行联合气化，可解决生物质规模利用问题。三是可解决劣质煤的应用问题。劣质煤有机组分低，不能维持气化自供热过程，单独气化很困难，生物质具有低灰分、低硫分、高挥发性和高活性的固定碳，与煤混合气化非常有效。四是联合气化后产生焦油等有害物质少。进一步研究表明，在特定的加压流化床中，对木材和煤进行联合气化，由于反应活性的增加，灰中的炭含量减少，气体产量比单独气化木材和煤都高。

2.4 化学转换

生物质的化学转换包括热化学转化和生物化学转化。

热化学转化是指在一定温度和条件下，使生物质气化、炭化、热解和催化液化，以生产气态燃料、液态燃料和化学物质的技术。生物质液化就是生物质在极高的加热速度下裂解(1000～10000℃/s)，可最大限度地得到液体产物。其中基本不含灰分及硫等对环境有害的物质，可直接作为燃料使用。

生物化学转换包括生物质棗沼气转换（秸秆沼气）和生物质棗乙醇转换（秸秆乙醇）。沼气转换是有机物质在厌氧环境中，通过微生物发酵产生一种以甲烷为主要成分的可燃性混合气体，即沼气。乙醇转换是利用糖质、淀粉和纤维素等原料经发酵制成乙醇。沼气转换在中国的适用面很广，适于我国农民众多的国情，尤其适合于南方地区。不仅解决了农民的做饭燃料问题、而且还用于生活照明、农田灌溉等。目前生物质制取乙醇在替代汽油方面也取得了佳绩。以目前全国汽车拥有量计算，加入10％乙醇作替代后，每年可节约汽油3600万t和转化粮食数千万t，从而可减少燃油进口开支7亿多美元，而且能够使农民增收百亿元，经济效益和社会效益非常可观。另外，乙醇汽油洁净度高，可明显降低大气污染，真正实现可持续发展。

3 我国开发利用生物质能具有广阔前景

我国虽然地大物博，但由于人口众多，导致人均资源占有量很少，经济增长与资源短缺的矛盾十分突出。尤其是在经济进入新一轮快速发展的大背景下，能源危机已日益显现并成为制约经济发展的瓶颈，资源高消耗和技术水平相对较低必将带来污染物的高排放。据统计，我国单位GDP氮氧化物排放量分别是日本的27.7倍、德国的16.6倍、美国的6.1倍；单位GDP二氧化硫排放量是日本的68.7倍、德国的26.4倍、美国的6倍。所以，能源的多元化、可持续与环境友好已是大势所趋，开发利用生物质能将为我国提供一次历史机遇，具有广阔的发展前景。

首先，生物质能在中国具有很大的发展潜力。我国是一个生物物种繁多的大国，拥有相当可观的生物资源总量。据农业年鉴统计，我国年产7亿多t作物秸秆，2亿多万t农林废弃物，25亿多t畜禽粪便及大量有机废弃物，以及1亿多公顷不宜开垦农田（但可种植高抗逆性能源植物的边际性土地）。这些农林废弃物和边际性土地，对生物质产业而言，是一笔相当宝贵的资源。就资源总量而言，农村废弃物可年产出相当8亿t标准煤的能量（相当于目前全国年商品能源消费量的70％）；边际性土地种植能源植物可年产出相当6亿t燃油的能量（相当于目前全国石油年消费量的1倍）。

其次，生物质的有效利用有利于解决我国石油短缺问题和保障国家能源安全。由于国内能源需求将持续增长，我国对国际石油资源的依存度达50％，这对我国能源安全构成很大影响。所以，为实现能源多元化、清洁化供给，应当努力扩大生物质能源的供给途径，积极调整能源产品的结构，以减少石油对外依存度，降低受制于人的危险，确保我国经济可持续发展和人民生活可持续改善，从某种程度上说。这是保障我国能源安全和国家安全的大战略。

第三，有利于减少环境污染和促进循环经济发展。从长远发展战略来看，这将是我国启动循环经济的开始，贯彻科学发展观的一条途径。做好生物质能的开发和产业化工作，将减少使用化石燃料造成的环境污染。因为使用生物燃料酒精和生物柴油排放的氮氧化物、可吸入颗粒和二氧化碳较少，而二氧化碳通过光合作用，又能被能源作物所吸收，从而实现能源的可再生和二氧化碳的封闭循环。同时，农林生物质资源可以生产全降解的生物基塑料，替代不可降解的石油基塑料，由此保护耕地肥力和根治白色污染。此外，发展生物质能源还可以充分利用各种有机废弃物，从而减少生物垃圾对城乡的环境污染。

第四，有利于发展农村经济和提高农民收入。利用农林废弃物和边际性土地生产出的能源作物为原料，生产出高附加值的能源及生物化工产品，既解决了我国部分农村剩余劳动力就业问题，又增加了农民收入。

总之，生物质能的综合利用具有高效、节能、安全和环保等综合效益，为可再生能源的开发利用提供了一条新的途径，有效地改善了能源结构，缓解了能源短缺带来的压力，是一项利国利民的工程。

参考文献：

[1] 国家发改委，生物质产业发展工程专题研究报告．北京，2005，6．

[2] 李继和．浅谈农业机械化发展的问题和对策[J]．中国农机化，1991，(5)：21-22．

[3] 孙松林．WTO带给我国农业机械化的机遇和挑战[J]．农机化研究，2003，(3)：11一13．