生物质能源的分类利用技术研究

张得政, 张 霞, 蔡宗寿, 杨 飞, 何东成

(云南农业大学机电工程学院，云南昆明 650201)



生物质能源的分类利用技术研究

张得政, 张 霞*, 蔡宗寿, 杨 飞, 何东成

(云南农业大学机电工程学院，云南昆明 650201)

摘要综述了世界生物质能源分类利用技术现状，包括生物质固化利用技术、生物质液化利用技术、生物质气化利用技术，从生物质固化成型燃料、生物质液体燃料、生物质气化燃料几方面，分析了我国生物质能源开发利用现状，根据国内外现有政策提出了加快生物质能源发展的建议。

关键词固化；液化；气化；生物质；能源；发展

近年来，三大化石能源的使用造成了二氧化碳排放量呈几何级数增长趋势，导致全球大范围气候异常和局部气候失衡，因此研发和利用可再生清洁能源具有重要意义。生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的可再生能源，能够长期保障人们的生活用能[1]，在所有能源中具有不可替代的地位[2]。研究和开发可再生生物质能源可有效控制温室效应和酸雨等环境危机[3]。生物质能燃烧过程中产生的二氧化碳近似为零，是控制温室效应的重要途径之一[4]，如果能够大规模种植能源作物，逐渐实现生物质燃料的大规模生产，按年产 1 亿 t 计算， 就能减少5.5%的二氧化碳排放[5]。20世纪70年代世界各国开始重视对生物质能源的研发，相应的许多国家也根据自身国情计划今后如何发展生物质能源，并且纷纷投入大量人力和物力。生物质能是太阳能的一种形式,能够在一定条件下转化为固体颗粒、液体生物乙醇和气体沼气等燃料,是一种可长期获取的可再生能源[6]。据估计，2017年世界生物质燃料消费将增加到811亿美元，比2014年扩大1倍[7]。笔者介绍了世界各国生物质固化、液化和气化的利用现状，对我国发展生物质能源的已有平台做了综述，提出了国内生物质能源的发展建议，以期为生物质能源的开发和利用提供借鉴。

1世界生物质能源分类利用技术现状

生物质能源的利用可以分为直接燃烧利用，压缩成致密颗粒利用，通过化学方式转化成液体利用，以及在高温下添加汽化剂反应或发酵成可燃气体利用。以下笔者就世界上生物质固化利用、液化利用及气化利用的现状作出介绍。

1.1生物质固化利用技术生物质能源的固化利用技术是把生物质粉碎成细小颗粒，然后在设定好温度、湿度和压力的情况下，用颗粒燃料成型机压缩成为热值高、密度大的成型燃料，能很好地克服生物质热值低、体积大、物理形态不规则等缺点。由于颗粒燃料的热值接近煤热值的60%，可以成为煤、天然气等的替代燃料[8]。在20世纪30年代，全球开始对生物质颗粒燃料进行研发，直至70年代石油危机期间才作为产业发展起来。20世纪90年代，随着大量的一次性石化能源的损耗和温室效应及酸雨等环境危机的日益严重，加大可再生能源的研发力度迫在眉睫。1997年经世界各国的努力，第1次以法规的形式制定出《京都协议书》限制温室气体的排放，并于2005年生效，要求各个签署国在2008～2012年的温室气体排放总量要比1990年下降5个百分点。2009年制定的《哥本哈根协议书》要求在2050年全球温室气体总量要比1990年下降80%。另外，许多国家还根据国情制定了适合本国的法律法规，这大大刺激了新能源的发展。生物质颗粒燃料再次进入到人们的视线，其产量在21世纪后以 18%～25%的速度增长[9]。2000年世界生物质颗粒燃料仅有165.0万t，2010年已达到1 570.0万t，增长了近10倍。主要产区聚集在欧盟和北美洲国家，其在2010年产量分别达到928.6万和432.0万t，占世界总产量的59.3%和27.6%，而东欧俄罗斯地区和亚洲、澳洲地区产量分别只占世界总量的9.2%和3.9%[10]。1991年瑞典颗粒燃料厂家只有2家，2003年达到30家，1990年年产量只有1.0万t， 2004年达到100.0万t。在2008年，其厂家达到94家，年产颗粒燃料220.0万t[11]。在2010年丹麦、荷兰、意大利、比利时和瑞典是生物质颗粒燃料进口量最大的国家，而加拿大、俄罗斯、德国、波兰和美国是出口量最大的国家。2010年加拿大生物质颗粒燃料出口量达到165.5万t，约为生产总量的95%，成为世界生物质颗粒燃料的最大出口国。目前，用于发电和供暖是生物质颗粒燃料的主要途径，主要用于取暖的国家有法国、奥地利、意大利和德国，而在芬兰、丹麦、瑞典主要用于发电[12]。

1.2生物质液化利用技术生物质能源液化利用技术是指在特定条件下把生物质通过化学方法分解成为可以混合到汽油或柴油中使用的液体燃料的过程。生物燃料乙醇在汽油中含量低于10%～15%时，可以不用对现有汽车发动机进行改进，且含乙醇汽油还具有辛烷值高和抗暴性能好的优点。2008年世界生物质燃料产值达到348亿美元，比2007年增加37.0%[13]。2009年世界燃料乙醇达到5 860.0万t，比2008年增加了12.7%，估计世界生物燃料会在2016时以每年12.9%的速度递增，全球生物质燃料总量将会在2030年达到1.2亿t[14]。2005年美国跃为燃料乙醇生产总量最大国,2008年美国的燃料乙醇生产量同比上升122.85亿L,生产厂家达到170个[15]。2007年发布的《能源独立和安全法》中提到本国汽车在2022年前期间需要增加1 638.00亿L，主要是乙醇的生物质燃料作为动力源。2004年欧洲燃料乙醇用量达175.0万t，并且其传统燃料中乙醇或其他生物化学燃料最少要占2.0%。欧洲燃料乙醇在2006年达到15.65亿L，与2005年相比提升了71.0%。而德国生物乙醇总量达到4.31亿L，西班牙国家的生物乙醇总量达到4.02亿L，法国生物乙醇总量达到2.50亿L，欧洲于2007年规定各成员国到2020年生物燃料在交通运输中消耗的总量要占到10.0%[15]。而巴西是世界上唯一一个不供应纯汽油的国家，在2008年Dilma Rossef表示：全国燃料乙醇已经代替了50%的汽油，并且该比例还在继续增长。灵活燃料汽车(FFV)市场自从2003年启动以来，已使用的汽车达到700余万辆。目前巴西90%以上在销汽车是FFV汽车[16]。

1.3生物质气化利用技术生物质气化是指在一定条件下生物质通过气化介质发生化学反应或通过发酵反应生成可燃气体的过程。笔者主要对世界生物燃气发展状况作出综述。20世纪90年代以后，尤其是进入21世纪，国际上开始对沼气投入大量研究[17-18]。

从图1可以看出，欧盟及其中的德国分别从2010年总产量217.5亿和133.4亿m3到2011年总产量201.7亿和101.4亿m3，分别下降了15.8亿和32.0亿m3；瑞典和丹麦的总产量相对来说比较稳定；中国和美国则呈现快速增长趋势。美国沼气研发源自于20世纪上半叶的能源压力，当时只是基础研究，主要是厌氧菌的基因排序及沼液中存在的特殊酶等，进入21世纪后，美国将沼气研究提高到为本国创造更多就业机会、保障美国能源安全等高度。联合国工业发展组在《生物质能源战略(2007)》中提出，生物质天然气可以从沼气中被提纯出来，这一发现可以使被提纯出来的生物质天然气加入现存国家天气管网。2012年主要国家生物燃气净提纯处理能力：德国为117 806 m3/h,瑞士为2 225 m3/h，美国为73 700 m3/h，挪威为1 500 m3/h，瑞典为26 505 m3/h，法国为1 400 m3/h，荷兰为9 130 m3/h，英国为1 000 m3/h，西班牙为4 100 m3/h，日本为550 m3/h，奥地利为2 210 m3/h，丹麦为500 m3/h。

图1　不同国家的生物燃气总产量Fig.1　Total production of biogas in different countries

2008年欧盟制定如何应对未来世界气候变化时表示，全部能源消费的20%要用可再生能源来代替，用于交通方面的可再生能源占10%，以上所有数据其中的50%是生物天然气[19]。近年来，沼气的发展已不仅仅是对废弃物厌氧发酵处理，而是从玉米、小麦等能源作物提取出来。2010年瑞典共有7万辆压缩生物天然气的汽车在使用中，且加气站总数达到500余个。2008～2014年瑞典总共为扶持沼气生产厂家投出6亿多克朗。生物天然气方面，德国在欧盟处于领先地位，在2000年时全国沼气加工厂总数量只达到1 000个，到2010年全国已有5 000个沼气加工厂，占据欧洲全部沼气加工厂的80%以上[17]。

2我国生物质能源开发利用现状

自“十五”以来，我国对生物质能源规模化研究利用已开始重视起来，尤其是《可再生能源法》成立以后，生物质能源等可再生资源有了相关法律的支撑，一系列行业规划、监管措施及扶持政策相继出台,对我国生物质能源的快速发展奠定了坚实的基础。

2.1生物质固化成型燃料2005年《可再生能源法》通过以后，通过立法形式确定了可在生能源在国家发展中的重要位置，在同年11月为配合《可再生能源法》的实施，我国又在此基础上继续出台了《可在生能源产业发展指导目录》，而生物质能项目在其中就达到13个，占总数量的15%。2008年10月我国在《秸秆能源化利用补助资金管理暂行办法》中提出对生产生物质成型燃料的厂家中注册金额超过1 000万元，并且生物质原料的消耗在1万t以上的厂家进行综合性补贴。

2.2生物质液体燃料 “十五”计划第1次提出加大生物质燃料酒精替代石油的要求，并且将生物质燃料产业开发纳入国民经济计划。“十一五”要求扩大生物质燃料乙醇并实施在税务、投资和强制性市场的份额制度。“十二五”提出在石化能源消耗中非石化能源占据其中的11.4%。2006年联合部门发布了《关于发展生物质能源和生物化工财税扶持政策的实施意见》，提出要加大可再生清洁生物质燃料取代一次性石化能源的力度。并在2011年6月，国家税务局发布《关于明确废弃动植物油生产纯生物柴油免征消费税使用范围的通知》，更好地促进了生物质液体燃料的发展。

2.3生物质气化燃料1996年出台的《中华人民共和国经济和社会发展“九五”计划和2010年远景目标纲要》首次指示要因地制宜地开发利用生物质能源，改善能源结构。2007年我国各部门联合发布了《农村沼气项目建设资金管理办法》，规范了投资沼气的建设资金预算及管理办法。2008年出台并于2009年年初实施《循环经济促进法》，其中第34条提到支持综合利用各种农业废弃物以及木料碎屑等进行生物质沼气发展。我国对沼气的发展给予了大量财政补助，其中 “十五”期间扶持金额达35.34亿元，“十一五” 期间扶持金额达202.00亿元，2011年扶持金额达44.00亿元。《全国农村沼气服务体系建设方案》提到按照政府补贴，各沼气建设地自筹等互相结合原则，而且各地方对筹建沼气乡村建设基地给予支持，并且对我国东部、中部、西部地区进行资金补贴。此外，《绿色能源示范县建设补助资金管理暂行办法》提出对沼气发酵池的容积到达350 m3，每年年产到达10万m3的项目，并且生活燃气供给达到150户住宅的项目提供中央财政补贴。

3我国生物质能源的发展建议

我国的生物质能源研究起步较晚，相比一些发达国家的研发进度仍有很大一段距离，笔者根据国内外现有政策对加快发展生物质能源提出以下建议：

(1)随着一次性能源的快速损耗以及环境污染的加重，开发和利用生物质能源显得越发重要，为防止一次能源危机及能够在今后的国际形势下应对自如，我国应该将生物质清洁能源开发及利用提升至国家安全战略高度。

(2)在发展生物质能源的前提下，应该注重不与粮食争地，确定粮食安全与发展能源作物并重，通过计划种植能源作物，与实际开发利用相结合，做到发展进度与生物质资源齐头并进，防止资源短缺与资源浪费。

(3)目前的生物质资源种类单一，应该扩大资源的种类，对能源草及其他资源量大的植被加大研发力度，找出能够作为生物质能源资源的物种进行大量培育，或通过转基因技术加快生长期，防止工业和商业化生产时出现资源短缺。

(4)国内技术尚在摸索发展期，应该加大国际交流力度，结合国内实情对研发团队加大资金注入量。多与发达国家进行交互式合作研究，尽快突破一些关键技术的瓶颈。

4结语

我国生物质资源相当丰富，随着一次性能源的损耗和环境污染的日益严重，发展和利用生物质能源成为必然趋势。一些国家已经把生物质能源作为一种国家安全战略能源，相信今后生物质能源会逐渐替代一次性能源成为主流能源。从发达国家生物质颗粒燃料、燃料乙醇和生物柴油以及沼气的发展现状可以看出，我国与之相比还存在距离。因此，我国应该提高对发展生物质能源的重视，加大政策和资金投入力度，完善法律法规体系，为开发和利用生物质能源提供坚实的后盾。

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Research on Classification and Utilization Technology of Biomass Energy

ZHANG De-zheng,ZHANG Xia*, CAI Zong-shou et al

(Faculty of Mechanical & Electrical Engineering, Yunnan Agricultural University, Kunming, Yunnan 650201)

AbstractThe status of classification and utilization technology of biomass energy in the world was reviewed, including biomass solidification, liquefaction and gasification utilization technology.The development and utilization status of biomass energy in China was analyzed from aspects of biomass solidifying fuel, biomass liquid fuel and biomass gasification fuel.According to existing policies at home and abroad, suggestions for accelerating the development of biomass energy were put forward.

Key wordsSolidification; Liquefaction; Gasification; Biomass; Energy; Development

基金项目国家自然科学基金项目(51265051)。

作者简介张得政(1989- )，男，山东日照人，硕士研究生，研究方向：新能源。*通讯作者，副教授，硕士，硕士生导师，从事新能源研究。

收稿日期2016-02-09

中图分类号S 216

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)08-081-03