关于有机废物类生物质能历史定位及其能源价值评估指标探讨

全 浩 任延杰 李香香

（1. 中国环境科学学会固体废物分会，北京 100029；2. 广州绿由工业弃置废物回收处理有限公司，广州 511466）

关于有机废物类生物质能历史定位及其能源价值评估指标探讨

全 浩1任延杰2李香香1

（1. 中国环境科学学会固体废物分会，北京 100029；2. 广州绿由工业弃置废物回收处理有限公司，广州 511466）

中国是煤炭消耗的第一大国，同时又是有机废物生物质贮存量第一大国。本文叙述了全球生物质能的历史定位，生物质能的主要评价指标，生物质的能源转换技术和生物质能可供给量模型分析与预测实例，以及我国有机废物类生物质能源化利用途径，并探讨了有机废物的能源利用与废物污染防治相结合的生物质能源发展道路。

生物质能；有机废弃；碳中性；能源评价指标；能源转换技术

中国是煤炭消耗的第一大国，同时又是有机废物生物质贮存量第一大国。这一特点决定了使我国必须把人们身边的生物质作为优先发展的可再生能源加大力度，大力发展并以此推动我国能源结构调整，减少化石燃料使用量和CO2排放量，改善有机废物造成的环境污染，发展农村经济。为此，下面对生物质能的历史定位，评价指标，能源转换技术等做些说明。

1 有机废物类生物质能的历史定位

1992年5月在巴西里约热内卢通过了“联合国气候变化框架公约（UNFCCC）”之后1997年12月世界161个国家代表团出席的日本京都会议上通过了包括发达国家温室气体（GHG）减排目标和发展中国家开展清洁发展机制（CDM）等在内的“京都议定书”，由此拉开了在世界范围内为防止地球变暖的GHG减排的序幕。在这种背景下包括中国在内的各国政府开始调整本国的能源发展战略并制定了新能源发展规划。在这个GHG减排公约中第一次明确提出了古老而新型的生物质能，作为二十一世纪人类的生存和发展而面临的任务而承担起替代化石能源，减少二氧化碳排放量和应对气候变化的重要使命。自2005年开始正式实施“京都议定书”到今天的七年中生物质能在各国能源结构中的比例和份额均有明显上升，而且CO2减排上取得了显著的进展。这是由生物质能具有如下的特征所决定的。

（1）生物质能是二十一世纪重要的可再生能源，只要有自然界的太阳光和绿色植物的光合作用就不会停止，是永远不会枯竭的。

（2）生物质能如同煤，石油等一样可以制成气体燃料，液体燃料和固体燃料，因而具有便于储存，运输和替代性等优点。

（3）生物质能是CO2零排放的低碳清洁能源。图1说明了生物质能成为“CO2零排放”的碳中性（Carbon Neutral）理论。根据这个理论在世界范围内，正在大力推动生物质能作为减少化石燃料CO2排放量的替代能源而迅速发展并成为CO2排放权交易和CDM项目等应对地球变暖，减少化石燃料的使用量，减少GHG排放的重要举措。从图1中可知，绿色植物通过光合作用从大气中吸收CO2并形成植物体本身，即生物质，而且当把生物质作为能源利用的过程中必然会排放CO2进而把CO2返还到大气中并再次被用来植物的“再生”即光合作用，因而形成了如下的CO2循环，即植物吸收CO2（光合作用）→能源利用过程中排放CO2→CO2返还给大气。这样以来生物质排放的CO2对于大气中CO2浓度的增加效果等于零。因而，通常人们称它为“生物质的CO2零排放”。这是由生物质的可再生性和碳中性所决定的。

图1 碳中性理论及生物质能源的CO2再循环示意图

（4）生物质能蕴藏量巨大，其总量可达全世界一次能源的7－8倍。据推算其可利用量为总蕴藏量的10%左右，其稳定可供给量是巨大的。

2005年2月我国颁布了《可再生能源法》之后，紧接着又制定并对外公布了“中国应对气候变化国家方案”，明确提出了中国应对气候变化的总体目标。它标志着我国发展可再生能源，调整能源结构和应对气候变化进入了一个新的历史阶段。与此同时，在国家“十一五”规划发展目标中规定了MSW焚烧，大型畜禽养殖场沼气和农村秸秆等的生物质发电，燃料乙醇和油料作物等生物质工程，以推动生物质能的产业化和商业化发展。

2 有机废物类生物质能利用过程中影响燃烧热值的若干因素

在自然界和人们的生活环境中储存着大量的可利用生物质，但从现已开发并走向产业化和商品化发展的生物质能开发利用的情况来看，主要有两大领域，即有机废物能源化利用和以专门提供能源植物为目的而利用闲置土地和尚未利用土地上大规模栽种和生产能源植物的种植业。本文为了探讨生物质能的能源价值评估和有机废物能源利用过程中影响燃烧热值和发热量等的若干因素，从城市生活垃圾（MSW），市政污水污泥，黑液，畜禽养殖废物，食品加工厂废物等高水分有机废物中选择市政污水污泥（以下简称污泥）为典型例子对生物质的能源价值评估指标做说明。

2.1 污泥的含水率

通常我国的城市生活污水处理厂排放出来的污泥含水率一般在80%左右。因而对污泥进行浓缩，脱水或加热干化，制造多用途污泥成型固体燃料，建材或者用于混烧，直接焚烧处理以及污泥甲烷发酵发电等能源利用工程中，污泥本身的含水率是消耗能源或降低有效热值的最大因素，同时也是评价生物质的能源价值的重要指标之一。

2.2 污泥的灰分含量

通常的生物质是由生物体本身及其代泄产物组成的，所以其中灰分含量很少。但是城市生活污水中不仅包括生活污水，而且还包括部分工业污水，清洁卫生以及城市各种污水，因而污泥中的灰分含量相对很高。因而灰分是影响有效热值的第二大因素，表1说明了这一点。

表1 深圳污泥（干基）工业、元素、发热量分析结果

续表

灰分是属于无机物，它不仅不能燃烧而且对污泥的发热量没有任何贡献。与此同时污泥随着在单位污泥体积中所占比例的增加而使挥发分（有机质）含量相应减少，其结果必然使污泥的发热量随之也降低。尤其是在我国污泥、MSW，畜禽养殖废物等有机废物中灰分含量高是一个普遍现象。换言之，污泥中灰分含量同样是一个重要的评估指标之一。

2.3 污泥的有效热值

通常发热量是指单位物质（燃料）在标准状态下处于完全燃烧状态时产生的热量。但实际上对如污泥等有机废物来说，因为含有高水分和高灰分而使污泥产生的发热量显著下降，而且对污泥维持自持燃烧状态等很难做出判断。所谓有效热值（available heating value）是指从干基发热量中减去水的蒸发，水的吸热和灰分的吸热之后所获得的发热量。从表1可知，深圳五座生活污水处理厂污泥中旱季与雨季的污泥灰分含量平均值分别为53.46%和63.94%，而且与之相应的挥发分含量分别为41.54%和31.98%，即灰分含量大大超过了挥发分含量。由此可以看出，只考虑水分含量方法来计算出含有高灰分的有机废物的有效热值与真实的有效热值之间差异很大。在这种情况下不仅要考虑到水的蒸发所消耗的热量，而且还要考虑到灰分的吸热以及为了把周围空气的温度提升到维持自持燃烧所需要的温度所消耗的升温能量。因此有效热值可按下列公式求得，即

有效热值Q = Q0（1-W）-1 000W-『排烟气吸热』-『灰分吸热』

式中，Q0：发热量

W：含水率图2为根据上述有效热值计算公式，在900℃测得数据绘制出来的污泥，MSW和木材等生物质的有效热值与水分含量，灰分含量之间的相关系。

图2 生物质的有效热值与含水率，灰分的相关关系

从本节叙述中可以知道：当把生物质作为可再生能源来利用时，生物质的发热量或有效热值，含水率和灰分含量是评价生物质的能源价值的3个主要的评估指标，而且从图2可知：

（1）污泥的有效热值或发热量是评价污泥能源价值的关键要素。污泥中水分含量越大则水分蒸发所需要的热量越大，因而其有效热值也随之下降。当污泥中的水分含量达到50%，灰分含量达到50%时，其有效热值为零，叫做污泥的自持燃烧极限。

（2）污泥中灰分含量越大其发热量和有效热值则随之下降。当灰分含量50%与20%时，其有效热值之差可达到约700Kcal/kg，这说明灰分含量的多少对有效热值的影响很大。

（3）在自持燃烧极限（有效热值为0的横线）以下，有效热值为负值。在这种情况下除了采用余热（系统外的废热）或者太阳光能等进行自然干燥之外只能采用外加辅助能源来进行脱水和干化之后才能取得污泥燃烧时的有效热值。如果使用全干的木材时其发热量为20MJ/Kg，但是当水分含量分别为20%和40%时，则其燃烧发热量分别降低到1/3和2/3。例如，国能生物发电集团赤峰生物发电有限公司是专门从事利用玉米秸秆焚烧发电的企业，它们为了保证秸秆燃烧热值，企业规定送入燃烧炉内的玉米秸秆含水率不得超过25%，否则认定为不合格。因此在利用木材或玉米秸秆等用于发电时应事先对木材、玉米秸秆等进行干燥是十分必要的。

3 生物质的能源转换技术

所谓能源转换（energy conversion）技术是指如同玉米秸秆，MSW，甜高粱等这一类生物质一次能源转换成为另一类的如电力，热力，气体燃料等便于用户直接使用的二次能源技术。我国正在进行的剩余污泥厌氧消化气发电，MSW焚烧发电，非粮食原料甜高粱制造车用乙醇汽油和国航2011年10月使用第二代航空生物燃料『麻疯树油50%＋现用的航油50%』实际进行的试飞成功等都经过能源转换技术才得以实现的。表2列举了目前在国内外实现商业化运营和部分进入试用阶段的生物质的能源转化技术。

表2 有机废物类生物质的能源转换技术

从表2可知，生物质的能源转换主要有生物化学转换方式（biochemical conversion）和热化学转换（thermochemical conversion）方式两种。生物化学转换方式主要是指利用自然界的微生物作用使生活污水污泥，蔗渣，废弃食用油等生物质起生物化学反应并转换成为沼气（甲烷），燃料乙醇，生物柴油等。热化学转换方式是通过加热的方法使生物质起化学反应并转换成为电力，热力，蒸汽和压力等，其中包括生物质固体成型燃料（RDF），生物质炭化和气化，生物柴油以及MSW发电，秸秆发电等。

4 有机废物类生物质能可供给量的模型分析与预测

为了应对全球气候变化并制定能源发展战略，学者们以二十一世纪生物质能发展趋势为中心进行了生物质可供给量的模型分析与预测。其中有从1990年至2050年－2100年时间跨度所做的全球土地利用及能源（Global Land Use and Energy，GLUE）模式和解释二十一世纪能源结构中生物质贡献的LDNE （Linear Dynamic New Earth.LDNE 模型）。这些模型均以有机废物和能源植物种植业两者作为重点进行了解释和预测。上述两种模型的预测指出：

（1）考虑到生物质能经济性的二十一世纪最佳使用能源结构中，即使没有CO2排放限值的情况下，生物质（有机废物系统＋能源种植业）对二十一世纪的贡献非常大。现在有了CO2限值的情况下，生物质能的贡献更大，而且到了二十一世纪后半叶生物质能可供给量将会达到相当于石油（生物质能换算石油）40亿吨。

（2）到2050年全世界有机废物类生物质总产生量为167.3EJ（E=1018，EJ=艾焦耳），占66%而能源植物种植业为110EJ，占44%，两者合计为280EJ。这与1990年全球有机废物类可供给量83.5EJ（换算成石油为20亿吨）相比则增加2倍。

（3）到2100年全世界有机废物类生物质能产生量为260.6EJ，比1990年增加3倍。但因人口增加和全球变暖等因素而使闲置土地锐减，使能源植物种植量减少到1990年的五分之一，即22EJ。

（4）如果事先设定了到2100年大气中CO2浓度达到550ppm，CO2排放量越来越大，则到了二十一世纪后半叶生物质能使用量将会急剧增大，因而一年生物质产生量将会达到40亿吨（换算成石油）并在整个能源结构中所占的份额更大。笔者认为如果考虑到2011年3月日本福岛核发电事故以来引发的弃核发电因素考虑在内，那么生物质能将会成为更具有市场竞争力和历史意义的新能源。

另外，根据联合国粮农组织（UNFAO）统计对世界各个区域的有机废物类生物质（年）现存量推算的结果表明，亚洲区域的有机废物类生物质的潜在能源量为56EJ，占第一位；北中美洲区域为24EJ占第二位。由此可以想到中国的有机废物类生物质的现存量在世界上是最大的。总之，上述关于全球生物质的可供给存量调查和模型分析预测，是正在面临着化石燃料枯竭和气候变化的双重压力下为全人类持续生存和发展而制定的生物质能发展战略提供了重要的依据。

5 有机废物生物质的能源化等多用途利用方式

众所周知，我国有机废物类生物质（biomass waste，BMW）有城市居民日常生活产生的MSW，污水污泥，食品加工厂和造纸厂排放出来的污泥等，而且还有数量巨大的农林牧业废弃物，其总量占全国总废物的60%以上。另一方面这些BMW具有种类繁多，分布分散，能源密度较低，水分含量高，收集和运输成本高等特点。在这里以污泥与畜禽养殖废物分别作为城市型BMW和乡镇型BMW例子探讨BMW能源化等多用途利用方式问题。

5.1 污泥的多用途利用方式

5.1.1 剩余污泥的厌氧消化（发酵）实现沼气发电

这是大城市的大型污水处理厂或者集中式污水处理厂采用的剩余污泥消化发电方式。该方法的特点是含水率80%的污泥经厌氧消化－沼气（甲烷）发电或者热电联产（co-generation）方式获得清洁能源。沼气中一般含有甲烷60%，CO235%，另外还含有硫化氢，氢气等气体。上述能源工程产生的电力，热能和燃气一般首先用于企业内部，剩余电力进入电网。该方法在欧洲、日本、美国等国家采用比较普遍并早已成为发展生物质能，减少CO2和甲烷排放并形成了城市的电力、燃气和热能的重要供给体系，不仅为建设循环经济型社会发挥了重要作用，而且这种生物质能工程的经济效益很大。但是我国由于多年来流行的是污水处理与污泥处理分离，污水处理厂不负责污泥深度脱水，因而出现了污泥异地处理或非法异地倾倒等问题，造成污泥污染水系和土壤等环境污染。

目前我国正在建设或计划建设的污水处理厂多数属于中小型，因此必须要考虑其他的污泥资源化利用方式。

5.1.2 混烧发电

所谓混烧发电（co-firing generation）是国外上世纪90年代采用的将生物质与煤炭等常规能源混合在一起作为燃料，用在火力发电的能源工程。一般说来污泥的高位热值（HHV）为14MJ/kg与MSW大体相同，而且经脱水干燥之后水分含量很低。如果把干燥污泥制成细颗粒与煤混烧，污泥混烧比例在3%左右的情况下其正常发电效率不受影响，而且充分利用了污泥热值，还可以降低一部分CO2排放。但是为了保证混烧效果必须事先经过脱水干化把污泥80%的含水率降低到30%以下。

5.1.3 污泥固体成型燃料

所谓生物质固体成型燃料是指对生物质进行破碎、干燥之后加热、加压制成颗粒状或者型煤状的固体燃料。这种燃料同时可以收集除了污泥之外其他生物质如木材残渣，锯末，秸秆等废弃物来混合制造而且可以长期储存，便于运输，在寒冷地区冬天可以供暖，供热和供蒸汽并可以替代煤的使用。当然人们对污泥资源化利用进行了很多研究和开发，它的核心问题是利用燃烧，高温熔融等方式充分利用污泥热量的同时力求达到CO2减排和控制由于污泥异地倾倒或不当处理而产生的甲烷（污泥的“沼泽沼气效应”）。另一方面由于污泥的矿物组成十分接近于粘土并具有一定的热值，因而被用来生产建材，水泥等。其中包括污泥与其他工业废物混合制造的产品。图3列举了污泥的能源利用以及其他利用方式）。

图3 污泥的能源化等多用途利用方式

5.2 畜禽养殖废物的能源工程

上世纪末叶从菜篮子工程开始兴起的小庭院式散养户养殖业经过20多年的发展现已成为具有一定规模的集约式中、大型养殖业和非集约化养殖片区，而且肉、蛋、奶等产量迅速猛增，达到了当初的几倍甚至几十倍。这种农村型有机废物一般采用非集约化养殖片区和散养户形式，其数量占很大比例，养殖废物造成的环境污染严重，已成为农村面源污染的主要源头。吴香尧等对成都地区14个市、区、县调查发现全省农业区畜禽排泄物排放量每年达到5587.16万吨，已远远超过全省MSW和工业废物，早已成为成都地区的面源污染。例如，成都市新都区生猪、奶牛和肉牛存栏数（头）分别为：生猪500 906，奶牛4 365，肉牛106头：而成都市辖区之一的崇州市生猪538 850，奶牛3 852，肉牛22 709头。如果按每头猪和牛的排泄物排放当量和能源换算系数计算的结果表明，这些排泄物的潜在能量总和为4.40PJ/a（P=1015，PJ：拍焦耳）。上述数据只占四川省的很小一部分。由此可以看出我国目前养殖业潜在的生物质潜力是巨大的。因此，吴香尧等人提出通过产学研结合的“举国体制”实施通过厌氧消化制沼气工程，推动生物质能大发展并解决环境污染。

由于养殖废物是属于高水分有机废物，因而不经过任何处理直接排放时必然出现沼泽沼气效应（甲烷为GHG的一种，其地球变暖潜势G W P（global warming potential）为CO2的21倍），也是一个不可忽视的甲烷排放源。这在客观上抵消了我国其他领域的CO2减排效果。因此在实施大、中型能源工程时必须要进行外部性评价EOE（evaluation of externality），以说明生物质转换成二次能源效果，实际的CO2减排效果和环境污染防治效果。

6 研究小结

本文从全球生物质能的历史定位出发，运用生物质能的主要评价指标，详细研究了生物质的能源转换技术和生物质能可供给量模型分析与预测实例，以及我国有机废物类生物质能源化利用途径，探讨了有机废物的能源利用与废物污染防治相结合的生物质能源发展道路。以上研究充分表明：

首先，我国目前面临的水处理行业的污泥、生活垃圾、畜禽排泄物、食品、造纸等工业的有机废物以及农田产生的秸秆等生物质废物早已成为生活环境的主要污染物。如果对此采用能源化方式发展，不仅可以促进我国生物质能，同时又能解决环境污染，降低能源化和污染防治成本。

其次，长期以来我国在生物质能的能源价值评估方法上存在着人们的认识不足、标准和测定方法不规范等问题。这些始终影响着我国生物质能的健康发展。如果把这个现象与3.5亿年前起源于陆地植物的煤炭作比较就可以看出，目前生物质能在评价指标上存在的问题。例如，在煤炭行业，煤的发热量反映了煤作为能源的使用价值，是评价煤质的一项重要指标。煤的水分和灰分（灰分产率）早已作为煤的品位指标，因而在国际煤分类标准ISO1170：2005和中国煤层煤分类GB/T 17607－1998 标准中，对煤中水分和灰分都作了明确的分类等级。其中规定，当煤层煤水分大于75%时属于泥炭而不归为煤，不属于国际煤分类范畴。当干基灰分产率大于等于50%时则不属于煤的范畴。美国能源部关于“煤质对发电成本影响”的专项研究标明，低灰煤虽然煤价较高，但其发电成本最低，而高灰煤的发电成本最高。由此可以看出，煤水分含量和灰分含量是煤炭生产、流通领域中的一个主要计价因素的原因所在。总之，生物质能的能源价值评估指标的建立是迫在眉睫的事情。

再者，有机废物类生物质种类多样，分布分散、收集困难，而且弃之为污染物，回收利用了就可以变成清洁能源。总之，只有我们地球村的村民改变生活方式才能拯救正在面临严重危机的地球，才能走出当今人类面临的资源与环境的严峻挑战。

Discussion on History Position of Biomass Energy from Bio-based Waste and Relevant Energy Value Evaluation Index

QUAN Hao1REN Yanjie2LI Xiangxiang1
(1. The society of solid waste of Chinese society for Environmental siences, Beijing 100029;2. LuYou Environmental, Guang zhou 511466, Guangdong Province)

Biomass energy is a very important renewable energy which can cope with global climate change, replace part of fossil fuels and reduce CO2reduction. The generation amount of bio-based waste in China ranks 1st in the world and therefore potential biomass renewable energy is very huge. In this paper, history position of global biomass energy, main evaluation index of biomass energy and biomass energy conversion techniques are reviewed. Global Land Use and Energy and Linear Dynamic New Earth models were presented to analyze and predict available quantities of biomass energy from bio-based waste. According to current status,possible energy utilization ways of biomass from organic waste in China are introduced. At last, a new biomass energy development path is proposed by combining of energy utilization of organic waste and waste pollution prevention.

Biomass energy;Bio-based waste;Carbon-neutral ;Energy value evaluation index;Energy conversion techniques

X32

A

1673-288X（2012）03-0035-07

全浩, 研究员, 主要研究方向为废物能源化和资源化