生物能源技术进步与产业发展观察

文/梁　峰　张　瑞　刘秀花



生物能源技术进步与产业发展观察

文/梁峰张瑞刘秀花

人类社会的发展离不开优质能源的开发和先进能源技术的利用，能源是整个世界发展和经济增长的最基本动力。

生物质能源有明显的优势，既能保障能源安全，又能减轻环境污染，还是可再生能源。不仅有资源再生、技术可靠的特点，还有对环境无害、经济可行的发展优势。目前能源形势日趋严峻，世界各国积极调整本国能源发展战略，着力发展利用生物质能源，比如美国的能源农场、巴西的乙醇能源计划、印度的绿色能源工程、日本的新阳光计划等。

世界生物能源状况

生物能源的生产大国主要是发展中国家中国、印度、尼日利亚等，占70%左右，其次是经合组织（OECD）国家美国、巴西和欧洲也是生物燃料的主要供应地，占30%左右。

第一代生物燃料来自农作物（如甘蔗、甜菜、玉米、大豆）。使用传统的技术，如发酵和酯基转移反应，运用糖类，植物油或动物脂肪生产最常见的产品，如生物柴油、生物乙醇和沼气。目前，投入最大的是从甘蔗和玉米中生产乙醇，从油籽中生产生物柴油。第一代生物燃料的优势是高生产率、已建立完整的收割模式、便于原料的获取和生产生物燃料（乙醇或生物柴油）。然而，面临的挑战是对生产作物的巨大需求。此外，他们还与食品工业相互竞争（原料、作物、作物生长所需土地），对全球粮食市场产生了巨大影响。

第二代生物燃料的生产所用的原料不与食品工业相竞争。包括农产品加工业中产生的木纤维材料，如提取糖或油，稻壳（蔗渣、棕榈心）和玉米加工中的废物等。与第一代生物燃料相比，土地的利用和环境管理更有效率。

大多数第三代生物燃料工艺的生产技术仍处于商业开发阶段。这些生物燃料还没有遇到第一代生物燃料的问题，但其主要问题是土壤竞争。由于原料和技术的应用，第三代生物燃料被称为先进的生物燃料。这些生物燃料从专门的微生物如细菌、微藻类而来。基于现有科学知识和预测技术，被认为是可行的能源原料，而没有第一代和第二代生物燃料的相应缺点。通常通过基因工程等技术,形成特定的工程微生物。，杜克大学化学和生物化学教授Eric Toone说：“如果没有合成生物学，生物燃料的价格和产量永远不可能能够与汽油，柴油或航空燃油相竞争”。但合成生物学存在一定的潜在风险,应该明确如何使用。

生物质能产业发展及主要技术

根据BP公司《2015年世界能源统计评论》，中国在的生物燃料发展速度较慢，全球居第七位。后来者如阿根廷、印度尼西亚发展得很快。从20世纪80年代以来，我国生物质能的应用技术研究一直受到国家的重视。国家“六五”计划就开始设立研究课题，进行重点攻关，主要在气化、固化、热解和液化等方面开展工作。

生物质气化技术是一种热化学处理技术，用氧气、氢气或水蒸气等作汽化剂，生物质中的碳在高温条件下通过热化学反应转化为可燃气体 (主要成分为一氧化碳、氢气和甲烷等)的热化学反应。生物质在气化作用下转换为高品质的气态燃料，可直接应用于锅炉燃料或者发电，它产生所需的热量、电力、合成气进行间接液化来生产甲醇、二甲醚等液体燃料和化工产品。该方法能提高能量转化效率是通过改变生物质原料的形态，从而获得高品位能源。生物质气化的优点有：具有就地取材、减少污染、废物利用及使用方便卫生等优点。

现在的生物质气化技术主要包括固定床、流化床、直接干馏热解三种工艺形式。其中固定床技术最为简单，投资低，易于操作。但产生的燃气热值低，一般在5 000千焦/立方米左右，并且焦油含量高，易堵塞管路。流化床工艺得到的生物质燃气热值高，可达12 000千焦/立方米，燃气产率和气化效率也分别达到了0.95和63%，但是这一工艺设备复杂，操作不易掌握。直接干馏热解技术能达到很高的热值，但还处于试验阶段。流化床生物质气化炉比固定床生物质气化具有更大的经济性，应该成为我国今后生物质气化设备研究的主要方向。目前我国利用现有技术，研究开发效率较高及经济上可行的生物质气化发电技术在我国将成为生物质高效利用的一个主要课题。

生物质液化技术是把固体状态的生物质经过一系列化学加工过为，将其转化成液体燃料的清洁利用技术，可分为直接液化、快速热解等方法。在很早以前人们就用谷物、高粱等通过水解液化生产酒精。21世纪80年代以来，生物质的快速热解技术有了很大的发展，其中最引人注目的是在超高速升温条件卜的生物质直接高温快速热解新技术。国际能源署(IEA)组织了加拿大、芬兰、意大利等一个研究小组进行了长达一余年的研究工作，在此方面做了深入的研究。我国对生物质液化也极为重视，目前在海口建成了一座年产2万吨的生物质燃料厂，该厂以薯类作物为原料生产乙醇、干冰等产品，将低品位、能量密度低的生物质转化为优质液体燃料和化学品。此外，我国还进行用甜高粱制取酒精的研究工作，用酒精做汽车燃料具有很多优点。

生物质固化技术是将生物质中的木质素在加热条件下液化、软化，使它具有一定的粘着强度，然后使用机械方式给生物质施加一定压力，使散的生物质转变成具有一定形状、密度的燃料。固化技术能够提高能源密度、改善燃烧特性、实现优质能源转化，这使它受到国内外工作者的强烈关注。现在固化技术主要用于采用生物质资源加工成型炭，国外在这方面早有研究，但严格保密。而我国在这方面的研究处于初步阶段，一些企业用窑烧法等传统木炭生产技术制造成型炭，生产周期太长在20多天，而且质量极其不均匀，成品率很低，在50%～55%，比烘烤炭低大约10%左右，但它更加清洁，从生物质资源品味的角度看确实是一种好方法。

生物质能源发展趋势

根据中国工程院《中国可再生能源发展战略研究报告》，中国含太阳能的清洁能源开采资源量为21.48亿吨标准煤，其中生物质能占54.5%，是水电的两倍和风电的3.5倍。且在新能源中，生物质能是唯一可再生的碳源，并能转化为固态、液态、气态燃料。可以说看，生物质能是最具发展潜力的可再生能源。

巴黎气候大会于2015年11月30日至12月11日在巴黎召开,中国已承诺到2030年左右二氧化碳排放达到峰值且将努力早日达峰，并计划到2030年非化石能源占一次能源消费比重提高到20%，到2030年单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降60%～65%；中国还宣布拿出200亿元人民币建立“中国气候变化南南合作基金”。另外，中国还计划于2017年启动全国碳排放交易体系。低碳经济蓄势待发，生物质能迅速发展。

生物质能源将逐步替代化石能源，而且对整个人类及地球生态环境均有重大的意义。人类能源经历的阶段：一是未使用化石能源下碳平衡阶段，化石能源消耗量缓慢生长，CO2不支持植物大规模快速增长，人类面临的主要问题是生态环境差、沙漠化扩大现象严重；二是大量使用化石能源碳增长阶段，大量使用化石能源后，CO2快速增加，气候变暖，降雨增加，植物生长速度加快，森林及植被被面积快速增加，生物质能源发展快速；三是后化石能源下的碳平衡阶段，此阶段大气中CO2趋于平稳，生物质体量巨大，再生能力增加，生物能源技术设施及产能逐步满足人类需求，化石能源失去经济性与适用性。

生物质能在“十三五”中作为可再生能源的主体地位确立，2020年生物质能在可再生能源中占比将达到30%，超过光伏和风电的总和。

2014年，全球范围内可再生能源领域共提供770万就业岗位，其中生物质能领域提供了超过 200万个就业岗位。如果“十三五”期间燃料乙醇全面推广，每年可减少二氧化碳排放约1 680万吨；显著降低汽车尾气中PM2.5约50%的排放，其它有害物质减排30%；可以拉动直接投资1 500亿元，间接拉动农业、装备制造和交通运输业等领域投资5 000亿元；增加直接就业岗位7万个，间接带动就业岗位50万个，年增加农民收入600亿元；每年生产1 400万吨燃料乙醇，同时联产高蛋白饲料450万吨、电力260亿千瓦时、生物天然气100亿立方米、生物有机肥200万吨等，年产值1 680亿元以上，社会、环境和经济效益显著。

未来几十年的一个中心问题是怎样将环境的影响和满足世界食物和能源需求的潜在好处内化到我们的经济体系中。这是一个复杂的问题，不是一个简单的方案和几个部门可以解决的，它需要环保主义者，经济学家，技术专家，农业组织，公民参与以及世界各国政府之间的新的合作。近几年，国内大力推动生物质能源的发展，持续加大对生物质发电、生物质设备、生物质燃料基地建设、生物质供热项目、生物质垃圾处理等方面的投入力度。就能源当量而言，生物质能已成为我国仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源。

从全球看来，生物质多联产发电、生物天然气的技术、装备和商业化的运作模式已经成熟，产业规模正在快速扩展。但在我国，生物质能获得的关注和认同远不及风能、太阳能。而欧洲的生物质能是其最大的可再生能源分支，比重高达60%。由化石能源向清洁能源转型的世界大势中，中国在生物质能的起跑线上已经落后。综合全球生物质发展及国内能源需求的增长、低碳清洁发展、可再生和对化石能源多途径的替代等因素，考虑到资源的循环利用、减排环保，促进农村经济和中小城镇建设、增加农民收入等问题，中国都应该比任何国家更加重视发展生物质能源。

生物质能与传统能源相比，具有分布分散、密度低、成分复杂、生产的周期性等劣势，增加了生物质能开发的难度，难与常规化石能源在市场上形成竞争。然而，任何一个新产品、新技术在发展初期成本一定是较高的，这与技术水平、市场占有率和认知度有关。化石能源的成熟利用是建立在200多年科研积累基础之上的，而生物质能利用技术发展时间不足20年。我们需要给新生事物一些“宽容”和成长的空间，生物质能终将主导未来。

作者单位：（生物精炼河南省工程实验室河南科技期刊传媒集团商丘师范学院）