生物质能利用的研究现状及特点

史方芳

（山东交通学院，山东 济南 250023）

0 引言

生物质是植物通过光合作用生成的有机物，作为清洁的可再生能源，由于在生物质生成过程吸收二氧化碳，属于废物利用，生物质能的利用已成为全世界的共识。作为能源利用的生物质能主要有农作物、油料作物、林木、木材加工生产的残余物、农副产品加工的废渣、城市生活垃圾中的部分生物废弃物。20世纪70年代中期，全球性能源危机，可再生能源，重新引起了人们的重视。化石燃料的使用是大气污染的主要原因，而使用大自然馈赠的生物质能，几乎不产生污染，生物质能的开发得到越来越多国家的重视，生物质能的开发利用研究也成为世界性的热门研究课题。美国、日本、加拿大等国家气化技术已得到很大发展，巴西、美国等用甘蔗、玉米等提取乙醇，作为汽车燃料；加拿大有很多实验室和大学开展了生物质的气化技术研究；英国也开发了适合生物质能发电的燃气轮机技术和高效气化技术。我国未来的能源形势十分严峻，人均一次能源及其有限。我国拥有丰富的生物质资源，若采用新技术来利用这些生物质能，并提高它的利用率，不仅能节约大量矿物燃料，又可改善生态环境。

1 生物质能利用的主要技术

生物质能源转换技术包括化学转换、物理转换和生物转换，图1所示。

图1 生物质能转换技术及产品

1.1 化学转换技术

生物质化学转换包括燃烧、液化、气化、热解等方法。其中，最简单的利用方法是直接燃烧。但是，直接燃烧烟尘大、热效率低、能源浪费大。除农村外，一般在城镇不提倡直接燃烧的方法。生物质热解技术是生物质受高温加热后，其分子破裂而产生可燃气体（一般为CO、H2、CH4等的混合气体）、液体（焦油）及固体（木炭）的热加工过程。采用直接热解液化方法可将生物质转变为生物燃油。据估算，生物燃油的能源利用效率约为直接燃烧物质的4倍，若将生物燃油作为汽油添加剂，其经济效益更加显著。 生物质气化是指将固体或液体燃料转换为气体燃料的热化学过程。生物质与煤相比，挥发分含量高，灰分含量少，固定碳含量虽少但活性却比煤的高许多。因此，生物质通过气化之后加以利用，比煤气化后再利用的效果要好。

1.2 生物质物理转换技术

生物质热解技术主要指生物质压制成型技术。将农林剩余物进行粉碎烘干分级处理，放入成型挤压机，在一定的温度和压力下形成较高密度的固体燃料——压块细密成型技术。该方法使用专用技术和设备，在农村有很大的推广价值。

1.3 生物化学转换技术

该技术主要是利用生物质厌氧发酵生成沼气（一种可燃的混合气体，其中CH4占55%～70%，CO2占25%～40%）和在微生物作用下生成酒精等能源产品。包括厌氧发酵制取沼气、微生物制取酒精、生物制氢、生物柴油等。

2 生物质能气化技术

生物质气化是指固态生物质原料在高温下部分氧化的转化过程。所谓气化是指将固体或液体转化为气体燃料的热化学过程。为了提供反应的热力学条件，气化过程需要供给空气或氧气，使原料发生部分燃烧。尽可能将能量保留在反应得到的可燃气中，气化后的产物是含H2、CO及低分子CmHn等可燃性气体。所用气化剂不同，得到的气体燃料也不同。目前应用最广的是用空气作为气化剂，产生的气体主要作为燃料，用于锅炉、民用炉灶、发电等场合。通过生物质气化可以得到合成气，可进一步转变为甲醇或提炼得到氢气。整个过程分为干燥、热解、氧化和还原。

干燥过程：生物质原料进入气化器后，在热量的作用下，首先被干燥。大约被加热到200～300℃，原料中水分首先蒸发，产物为干原料和水蒸气。

热解反应：当温度升高到300℃以上时开始发生热解反应。热解是高分子有机物在高温下吸热所发生的不可逆裂解反应。大分子碳氢化合物的碳链被打碎，析出生物质中的挥发物，只剩下残余的木炭。热解反应析出挥发分主要包括水蒸气、氢气、一氧化碳、甲烷、焦油及其他碳氢化合物。

氧化反应：热解的剩余物木炭与被引入的空气发生反应，同时释放大量的热以支持生物质干燥、热解及后继的还原反应进行，氧化反应速度较快，温度可达1 000～1 200℃，其他挥发分参与反应后进一步降解。

还原过程：还原过程没有氧气存在，氧化层中的燃烧产物及水蒸气与还原层中木炭发生还原反应，生成氢气和一氧化碳等。这些气体和挥发分组成了可燃气体，完成了固体生物质向气体燃料的转化过程。 还原反应是吸热反应，温度将会降低到700～900℃。

3 生物质气化发电技术

生物质气化发电是先将生物质原料转化为可燃气体。再利用可燃气推动燃气发电设备发电。燃气发电过程包括三方面：一是生物质气化，把固体生物质转化为气体燃料；二是气体净化，气化出来的燃气都带有一定的杂质，包括灰分、固体颗粒、焦油及冷凝物等，需经过净化系统把杂质除去，净化后的气体即可用于发电；三是燃气发电，通常采用蒸汽轮机、燃气轮机及内燃机进行发电。生物质气化发电的过程如图2所示。

经预处理（以符合不同气化炉的要求）的生物质原料，由进料系统送进气化炉内。由于有限提供氧气，生物质在气化炉内不完全燃烧，发生气化反应，生成可燃气体，然后经过净化用于发电。通常采用蒸汽轮机、燃气轮机及内燃机进行发电。生物质气化发电有三种方式。

图2 生物质气化发电过程图

在蒸汽锅炉内燃料燃烧生产蒸汽带动蒸汽轮机发电。这种发电方式在原理上与燃煤的火力发电没什么区别。对气化气要求不很严格，气化气在锅炉内直接燃烧，产生蒸汽，再用蒸汽推动汽轮机带动发电机发电。

在内燃机内燃烧带动发电机发电。内燃机发电系统以简单的燃气内燃机为主，可单独燃用低热值的燃气，也可以燃气、油两用，前者使用方便，后者工作稳定性好，效率较高。该系统属于小型发电装置。

在燃气轮机内燃烧带动发电机发电。它采用燃气轮机，燃气需增压，否则发电效率较低，由于燃气轮机对燃气要求高并且需要有较高的自动控制水平，所以单独采用燃气轮机的生物质发电系统较少。多采用燃气——蒸汽联合循环发电系统，这种系统可以有效提高发电效率，是目前重点研究和推广的。

4 结语

我国生物质能源利用的研究起步较晚，虽然经过多年的发展，产生了一定的社会效益和经济效益，但和国外相比，仍然存在差距。我国是农业大国，生物质资源非常丰富，而且价格相对便宜，生物质资源的有效开发利用，不仅能解决能源短缺，节约大量的矿物燃料，还能有效减少温室气体的排放。综上所述，生物质能源作为可再生的洁净能源其开发利用势在必行，无论从废弃资源回收或能源结构转换，还是从环境的改善和保护等方面均具有重大的意义。