生物质能作为新能源的应用现状分析

杨艳华 汤庆飞 张立 郑仕鸿

(重庆科技学院冶金与材料工程学院，重庆 401331)

目前人类主要使用的石化能源正面临枯竭的危险，迫切需要开发出一种新型的可再生能源，以此来减少人们对石化能源的依赖，同时降低对生存环境的破坏。生物质能源作为第一选择，因其具有清洁性和可再生等特性，开发生物质能成为解决当前我国面临的能源安全、环境污染的重要途径，加之其规模化和商品化发展迅速，因而具有广阔的应用前景，可在国家能源结构中扮演重要的角色。

生物质(biomass)指通过光合作用可将CO2和H2转化为能量并能够生长的可再生有机物质，包括秸秆、甘蔗、林业废弃物、城市垃圾和其他废弃物材料。生物质能(bioenergy)指绿色植物通过直接或间接的光合作用，将太阳能转化为化学能贮存在植物体内的能量，是一种可再生能源，也是唯一的一种可再生碳源［1］，生物质能利用过程如下:

我国作为能源消耗大国，石化能源短缺，经济的发展常以环境污染、生态破坏和能源过度消耗为代价。同时我国也是农业大国，若将我国储量丰富的生物质资源利用起来，则可以有效解决“三农”、环保、能源等问题［2］。

1 生物质新能源的应用现状

(1)美国的应用现状

1973年美国建立区域性生物质能计划［3］，并相继出台了一系列的政策法规，加快生物质能源的发展，为美国拥有先进的生物质能源技术的开发奠定了基础。2000年，美国设立了生物质能源研发部门，专项拨款，加大投入力度;2012年出台的新农业法案，以财政补贴促进生产燃料乙醇的玉米产量增长，玉米价格上涨使得支撑农产品高价的手段得到了加强;并于2013年4月发布《生物质创新计划项目》，开发生物质运用到飞机和船只。美国生物质直接燃烧发电技术在1979年已得到应用，当年装机容量仅有22 MW，近年来得到迅速发展，2010年装机容量有10 400 MW，截至2012年底，生物质能源发电量的75%属于直接燃烧发电，总装机容量达到22 000 MW［4-5］，有望在 2020年突破 40 000 MW。燃料乙醇是目前世界上备受关注的石化燃料代替品，美国燃料乙醇生产居世界第一位，生产原料主要有玉米、马铃薯等，年产乙醇40亿m3，与乙醇混合的汽油占该国总耗油量的三成以上［6］。

(2)欧盟的应用现状

上世纪爆发的3次“石油危机”，引起了世界范围内的能源恐慌，由此各国纷纷制订可再生能源计划，建立安全、清洁、可持续的新能源产业。欧盟各政府颁布了相应的政策法规，对生物质能的研究和开发给予财政支持。目前欧洲生物质能发展迅速，主要应用领域有转化生物柴油和生物质能发电，在生物质能供暖方面，也有较高的市场化水平。

欧盟成为全球最大的生物柴油生产基地，得益于在原料生产、加工制造等环节给予的优惠政策，原料主要来自于国内的菜籽油以及进口的棕榈油和豆油［7］，目前年产量已达世界总产量的65%。表1为近年欧洲生物柴油产量，从2011年开始，欧洲生物柴油产量连续2年下滑，2012年跌至低谷。因此为确保欧洲各国生物质柴油行业的持续发展，自2013年起，政府决定对国外进口生物质柴油征收临时反倾销税，压制阿根廷和印尼等出口国对欧洲市场的影响，从而促进了本土产能的增长。

表1 近年欧洲生物柴油产量 万t

在生物质能电力方面，政府通过建立分离支持给付系统，使得劳动生产者享有45欧元/公顷资金补贴，保障各国发展生物质能原料的供应。芬兰在欧洲建立了最大的生物质发电站，德国和丹麦主要开发热电联产业，到2005年底，德国建成140多个区域热电联发电厂［8］。

(3)中国的应用现状

我国是农业大国，每年约有6.87亿t生物质资源，约折合3.4亿 t标准煤［9］。主要包括农作物秸秆、禽畜粪便和城市固体有机垃圾，其带来的综合效益十分可观，因而受到高度重视，主要应用在生物乙醇、生物柴油、固体成型燃料和生物质发电行业。

①生物乙醇的应用。我国生产生物乙醇的原料有甘蔗、甜高粱、木薯等高能品种，并建立了年产能力达5 000 t的甜高粱茎秆生产乙醇的工业示范装置。因传统粮食生产乙醇价格昂贵，为降低生产成本，我国已转向对微生物混合发酵法的研发［10］。国家发改委称到2020年，我国15%生物质燃料将应用在汽车、轮船等行业。

没错，印度人真的是用生命在吃咖喱。不管是什么食物都要放咖喱，即使是火锅也要用咖喱做汤底！这种火锅汤底是用咖喱、椰浆以及其它香料调成的，甜中带辣，非常香醇浓郁。食用时可以搭配牛肉、羊肉、海鲜等食材，很有南洋风味，很值得尝试。

②生物柴油的应用。生物柴油提炼来自动植物油，如大豆、油菜、动物油脂以及餐饮垃圾，因其环保性、润滑性、安全性能良好，可与石化柴油混合作为燃料。在2005年6月，我国使用自主研发的生物酶法生产生物柴油，技术指标达到欧美生物柴油标准，标志着我国生物质柴油研究取得了突破性进展。2010年生物质柴油产能达300万t/a，主要用于交通运输行业，并提出了在2020年，生物柴油产能达200万t的目标，已在海南建立的6万t/a装置，产量居我国首位［11］。

③生物质固体成型燃料的应用。生物质固体成型燃料是将城市垃圾或农林废弃物，通过外力作用，压缩成型来增加其密度的可燃物质，具有高效、清洁、无污染等优点。我国的生物质成型燃料生产设备有螺旋挤压式、活塞冲压式、模辊碾压式［12］，燃料形状主要有块状、棒状、颗粒状3种形式。2009年总产量为 76.6 万 t，预计 2015年达到2 000万 t［13］。北京奥科瑞丰公司年产量为60万t，居全国最高，主要应用在直接燃烧取暖与工业锅炉等。

2 生物质新能源开发利用存在的问题

生物质能已经成为世界第四大能源［13］，为促进生物质能的发展，我国也出台了很多政策法规，实现能源消费和环境保护共赢，促进生态经济可持续发展。表2给出了我国生物质能应用领域和发展目标规划［15-17］。

表2 我国生物质能应用领域和发展目标

由表2看出，在我国“十二五”规划当中，要实现2015生物质发电总装机容量为13 GW，比2009年增长3倍，具体包括农林生物质发电量8 000 MW，沼气发电2 000 MW，垃圾焚烧发电3 000 MW，预计2020年增长到30 GW。生物质成型燃料方面更是提出了高目标，2009年到2015年实现突破性增长，2020年产量达到2015年产量的1.5倍。为实现发展目标，也相应出台了一系列鼓励和支持政策，包括经济补助、税收优惠、环保推动和科技支持等［18］。由此我们可以看到，生物质能作为新兴产业，将会迎来快速的发展。

但在具体项目的实施过程中，也面临一些挑战，最大的困难是原料资源基础仍然薄弱［19］。生物质资源虽然丰富，但分散度高，能量密度低，储运不方便，由于没有建立起非粮原料供应体制和能源农业体制，导致了生物质资源收集难度大，加之生物质发电项目不合理布局，更会加重燃料恶性竞争现象［20］。例如凯迪电力公司因燃料收购模式陈旧，获取燃料信息透明度低，不良中间商哄抬价格，导致部分生物质电厂停机;其次生物质能源两头被挤压，其一对生物质能源的理解有偏差，由于早前生物柴油技术不高，收益不好，以至于技术成熟之后对其接受程度也不高。另外，生物柴油企业没能与中石化、中石油大型企业建立良好的合作伙伴关系，靠卖家自己宣传，收益大打折扣［21］，严重制约着我国生物质能源的大规模应用与发展。

因此如何转换生物质能源利用方式，以及如何解决好生物质燃料持续供应、维护其利润空间等问题，将是科研工作者研究开发的重点。

3 生物质新能源开发利用效益分析

生物质能作为新能源，尚处在研究和开发初级阶段，但由于其拥有优于石化能源的特点，已显示出良好的经济效益、社会效益和环境效益，为生物质能的可开发性和可行性提供了理论基础。

(1)经济效益

生物质具有适中的热值，一般在16.748 MJ/kg左右，含杂质少，挥发分高，燃烧效率高，转化性强［22］，只要适当选择种类并利用现代科技手段略作加工，生产出热值范围为12.560 ～20.935 MJ/kg，市场价为800～1 000元/t的生物质燃料［23］，便可作为优质、廉价燃料。其有效热价低、成本低，经济性比石化燃料好，加上其来源广、量大［24］，所以，在一般工农业应用上，可完全替代石化燃料。表3列举了各种燃料在普通工业锅炉中的应用情况，生物质燃料在普通锅炉上替代煤碳的优越性十分明显。

表3 各种燃料在普通工业锅炉中的应用

(2)社会效益

我国每年产生大量农林废弃物，约有三分子一的秸秆被直接燃烧，若能将其充分回收，可实现农民收入总额增收，促进贫穷地区发展，减少能源资源浪费;再者，新能源的出现会带动设备生产企业和能源生产厂的发展，增加劳动就业岗位，这无疑可解决很多农村剩余劳动人口的就业问题;其次，生物质通过技术手段可以转化为各种固态、液态燃料，减少常规能源消耗，实现能源的可持续发展。例如生物质可以代替价格昂贵的煤粉作为高炉喷吹的燃料，节约了成本。

(3)环境效益

目前，我国温室气体的排放量仅次于美国，排在第二位［25］，污染物主要来自于煤炭的燃烧，农林秸秆直接焚烧也会带来地面空气污染。固体成型燃料发电可以减少CO2的排放，用生物柴油代替石化燃料供能可以减少氮化物、硫化物对大气的破坏;秋季收割过后，大量堆放的生物秸秆腐烂，造成地面污染和水污染。对生物质的回收利用，不但节约堆放空间，净化地面环境，改善农村居住区生活条件，且生物质能更利于直接储存和使用;酸水解生物质原料的副产物甲酸、乙酸、糠醛等可应用于工业和医疗行业;生物质燃料燃烧的灰渣含有丰富的有机元素，可作为废料还田，减少化肥的使用，提高综合利用水平［26］。

4 结语

通过对国内外生物质能源应用现状分析可以看出，生物质能已经利用到很多能源领域，已显示出良好的经济、社会和环境效益。因此生物质能作为一种新能源，拥有非常广阔的前景。但目前我国对生物质的研发还处在初级阶段，跟发达国家相比，技术水平和生产能力较为落后，实施过程中诸多问题亟待解决。因此应当促进生物质能立法，加快完善法律制度，增加对生物质能产业开发利用的成本投入，完善技术创新体系，增强国际间合作，推动生物质能源产业快速持续发展。

［1］Saxena R C，Adhikari D K.Biomass-based Energy Fuelthrough Biochemical Routes:a Reviews［J］.Renewable and Sustain-able Energy Reviews，2009，13(1):156-167.

［2］孙钟超.我国生物质发展法律问题的研究［D］.天津:天津大学经济法学，2011.

［3］周永红，孔令喜，陈强.中国和美国关于生物质能源发展的扶持政策［J］.生物质化学工程，2011，45(1):1-9.

［4］Lasi C D.Modeling Chemical and Physical Processes of Wood and Biomass Pyrolysis［J］.Progress in Energy and Combustion Science，2008，34(1):47-90.

［5］Wu Chuangzhi，Yin Xiuli，Ma Longlong，et al.Design and Oper at Ion of a 5.5 MW Biomass Integr Ated Gasification Combined Cycle Demonstration Plant［J］.Energy ＆Fuels，2008，22(6):4259-4264.

［6］李超民.美国生物质能源政策激励与粮食消费展望［J］.AO 农业展望，2010，43(3):37-41.

［7］张晓红.中国生物质能发展动态［J］.山西财经大学学报，2010，32(2):30-31.

［8］钱能志，尹国平，陈卓梅.欧洲生物质能源开发利用现状和经验［J］.中外能源，2007，3(12):10-15.

［9］王朝华.对我国生物质能源发展现状和趋势的分析［J］.农业经济，2011，10(2):12-14.

［10］张纪庄.生物质能利用方式的分析比较［J］.能源工程，2003，25(9):23-25.

［11］魏伟，张绪坤，祝树森，等.生物质能开发利用的概况及展望［J］.农机化研究，2013，23(6):7-11.

［12］姚宗路，田宜水，孟海波，等.生物质固体成型燃料加工生产线及配套设备［J］.农业工程学报，2010，26(9):280-285.

［13］简相坤，刘石彩.生物质固体成型燃料研究现状及发展前景［J］.生物质化学工程，2013，47(2):54-48.

［14］邱罡，龚炯，孙晓菲.中国新能源经济的快速发展［R］.北京:三星经济研究院，2010.

［15］魏伟，张绪坤，祝树森，等.生物质能开发利用的概况及展望［J］.农机化研究，2013，34(3):7-11.

［16］马龙海，邓宇昆，董胜亮.我国生物质发电现状分析及研究［J］.勘测设计电力，2012，6(3):70-74.

［17］陈柳钦.中国生物质发电问题探讨［J］.水电与新能源，2012，10(3):1-6.

［18］冯晨辉，沈力成.中国生物质能产业的现状及其未来发展前景［J］.能源研究与管理，2011，4(4):9-12.

［19］林宗虎.生物质能的利用现况及展望［J］.自然，2010(4):196-201.

［20］吴创之，周肇秋，阴秀丽，等.我国生物质能源发展现状与思考［J］.农业机械学报，2009，40(1):91-99.

［21］叶迎.中国生物质能源产业发展研究［J］.安徽农业科学，2009，37(23):11221-11223.

［22］孙勇，姜永成，王应宽，等.美国生物质能源资源分布及利用［J］.世界农业，2013，10(1):39-45.

［23］多琳娜.内蒙古通辽地区农业生物质能源开发利用经济效益分析［D］.北京:北京林业大学，2012.

［24］樊超，司慧，张鹰华，等.北京市生物质能源化利用效益评价方法的研究［J］.中国农学报，2012，28(26):190-195.

［25］许洁，袁振宏，马隆龙.中国生物质能源发展现状、障碍与对策［J］.太阳能学报，2012，33(1):122-127.

［26］Saxena R C，Adhikari D K.Biomass-based Energy Fuelthrough Biochemical Routes:a Reviews［J］.Renewable AndSustain-able Energy Reviews，2009，13(1):156-167.