双碳目标下生物质能发展现状及应用路径研究

梁志松 何 楠 周 旺 周顺龙 林曦鹏

（1.毕节高新技术产业开发区国家能源大规模物理储能技术研发中心，贵州 毕节 551700；

2.中国科学院工程热物理研究所，北京 100190）

0 引言

2021 年12 月，《BP 世界能源统计2021 年鉴》的发布，对当下全球能源形势及相关工业排放等做了详细的统计分析报告。 目前全球的一次能源消耗情况逐年呈现5%以上的增长态势， 这对于全球经济的可持续发展将会产生重要影响，必须要寻求可替代的可再生能源进行工业能源体系的转型利用。 本文通过对我国生物质能的发展利用现状进行分析，主要是从生物柴油、生物质气化等方面进行着重介绍，并针对性地提出一系列的前景发展建议等， 为2030 年碳达峰和2060 年碳中和目标的实现提供可参考的依据。

1 我国生物质能现状概述

1.1 我国生物质能资源现状

与传统化石能源相比，生物质能在整个生态系统中可以实现真正意义上的零碳排放。 生物质能主要包括植物（如农林废弃物、油料植物、水生植物）、一些微生物以及动物的一些粪便排泄物等，这些很多都是利用CO来进行光合作用完成自身的生长发育的，通过对这些生物质原料的加工利用， 将其应用到工业、农业等生产生活中，产生的CO排放物又可以用于它们自身的光合作用，所以从整个生态系统来看，是真正意义上的零碳排放，这对于双碳目标的实现是可以做出直接贡献的。 我国幅员辽阔，拥有不同的气候性地带和地形地貌，这对于生物质资源的生长是极其重要的，这也造就了我国丰富、基数巨大的生物质资源。 据国家能源局及相关部门的统计，我国每年可以利用到工业、农业生产生活中的生物质资源总量通过标准煤系数进行折算，相当于4.6 亿吨标准煤，占我国每年煤炭消耗量的十分之一左右，这个数字的背后具有重大战略意义，因为煤炭等一次能源开采是有限的，但是生物质能每年都会生长，是相当于取之不竭的，具有广阔的应用前景。

1.2 我国生物质能利用技术现状

我国地大物博， 生物多样性资源梯级层次高，而且生物质的种类和组成也呈现多样化特性，主要形成了固体、液体、气体等多样性的梯级利用，对此相关的专家学者专门对不同种类的生物质资源进行研究，逐渐形成产学研综合一体化的产业化应用示范及工业生产，这给生物质能的全面利用形成了丰富的理论支撑和实践探索。 图1 为生物质能利用技术的过程，当前主要有以下几方面的利用技术：

图1 生物质能利用技术

（1）直接燃烧技术，主要是生物质能的颗粒成型固体燃烧，一般在偏远地区的家庭或者是小型的锅炉厂使用，这种能量品质较低，效率也较低。

（2）生物质沼气发酵技术，这种在很多农村地区使用较为广泛， 产生的沼气可以适用于家庭照明、取暖、做饭等，而且发酵后的肥料还能用作肥料。

（3）生物质气化技术，主要是通过不同的气化条件及技术将生物质原料热解或催化成清洁的气体燃料，而且热值较高，适用于工业生产。

（4）生物柴油技术，生物柴油技术就是通过化学催化酯化反应将生物质原料转化成可以燃烧的燃油，可以将生物柴油应用于汽车或者航空领域中，目前正在积极地大力发展，具有极大的发展前景。 本文主要是从生物柴油、生物质气化等方面进行着重介绍。

1.2.1 生物柴油

生物柴油和石化柴油在物理化学参数方面非常接近的，无论是在密度、元素组成，还是硫含量、含氧量等方面都具有其独特的优势，所以其在应用方面以及相关的设备技术方面不需要进行很大的改动。当前国家能源部门以及地方政府已经相继出台了很多的政策文件支持和鼓励生物柴油的发展，其中应用最为广泛的就是作为汽油、柴油混合添加应用，不但可以改善汽车尾气的排放而且对于发动机等性能的影响不大。 研究显示，在传统的石化柴油中添加10%的生物柴油， 可以降低汽车尾气中50%的CO和60%的SO和NOx，优化效果是极佳的。 同时对当前人们最为关注的地沟油问题，可以通过催化酯化反应将废弃的地沟油转化成生物柴油，不仅可以杜绝这些危害人们健康的地沟油二次流回餐桌，同时也促进了生物柴油产业及相关技术的发展。

1.2.2 生物质气化

生物质气化是在一定的热力学条件下，借助于空气部分（或者氧气）、水蒸气的作用，使生物质的高聚物发生热解、氧化、还原重整反应，最终转化为一氧化碳、氢气和低分子烃类等可燃气体的过程。 目前主要的一些气化工艺技术有以下两种。

（1）固定床气化工艺。

固定床是最早的一种气化技术， 在具体的工艺中，生物质通过气化炉的顶部进料，然后氧气或空气等气化剂从底部鼓入，两者逆向接触流动以此实现生物质的气化，因为相对于气化剂的鼓入压力和流动速度来说，原料生物质的相对速度很小，所以也常被叫作固定床气化；但是其实生物质料是在以很小的速度缓慢下降的，也有的科学家将其称为移动气化床。 由于固定床气化工艺对于生物质的进料质量要求不高，对于绝大多数的生物质原料都适用，所以在生物质气化的起步应用阶段固定床占据了绝大多数的企业生产线， 同时该工艺的气化压力可以提高到较高的工况，对气化剂的消耗量也较小，另外固定床的反应温度较低，对于反应条件没有那么苛刻。

（2）流化床气化工艺。

流化床气化工艺是将原料生物质通过机械粉碎的方法，制备成小颗粒的生物质料，一般粒度直径在0～10 mm 之间，然后在高温高压的气化剂中，使得颗粒处于流化状态， 而气化剂处于剧烈的搅拌和掺混中，通过传热传质粉处于悬浮沸腾状态，所以称之为流化床。 这种气化工艺炉内的流化床温度分布均匀，有利于充分换热沸腾悬浮，气固两相介质可以均匀换热混合，因此整个状态停留的时间较短，流化床内的压力损失低，有利于对设备内部的保护，内部的气体和固态成分都处于混合过程中的动态平衡过程，两者的组分分布保持相对稳定，最终形成稳定的水生物质气产出，同时经过旋风分离器后，可以将生物质气组分中较大的颗粒分离出来，并经过循环系统返送到进料口中，实现了原料生物质的高效利用，分离后的粗质气经过余热回收系统，将热量回收利用，然后经过水冷和除尘，得到较为精纯的水气。

2 双碳目标下我国生物质能应用发展建议

2.1 做好生物质能发展顶层设计

能源结构供应是关系到工业发展和居民生活的重要因素，因此必须总揽全局，从国家层面出发制定好生物质能发展的顶层设计规划，这样才能形成自上而下的发展纲要。 因为生物质能发展是一项长远的规划，必须要多部门协调统筹做好生物质资源的数据采集工作，然后结合经济社会发展实际情况，布局生物质能的发展产业。 在产业发展中，要因地制宜地制定相关的支持政策，细化补贴方案，因为当前生物质能能源利用的成本较高，所以一定要加大政策支持和资金投入，帮助企业快速完善生物质能发展的完整产业链。 在技术利用方面，国家科技部门要做好牵头工作，努力完善生物质能利用的产学研一体化建设，更好地推进行业的协同创新。

2.2 做好生物质能利用层级优化

我国生物质能资源丰富，因为不同形式的生物质能的能源利用效率是不同的，同时在不同行业应用的技术路径也具有差异性，因此必须要做好生物质能利用的层级利用，实现资源的有效配置，这样才能更好以双碳目标为导向，根据市场建设需求来完善生物质能的梯级利用。 目前生物质能需要重点应用在电力、生物质制氢以及固体成型燃料等方面的应用。 目前生物质能利用应该加大电力方面的投入使用，近年来我国电力供应紧张，煤炭等一次能源的市场价格不断上涨，很多地方甚至出现了限电现象，而生物质能发电可以有效的提升电力市场负荷， 保障电力供应安全，同时在节能减排方向也可以起到重要作用。 通过多层次的梯级利用，可以将当前的整个生物质能产业资源盘活，为实现行业高质量发展布局。

2.3 做好生物质能利用和乡村振兴的有效衔接

发展生物质能的相关产业所带来的社会效益也是巨大的。 既能调整我国农业结构，带动油料林业的发展，同时当地农民也可以对相关的农副产品进行加工增加收入。 我国的油料植物和能源作物种类十分丰富，如麻风树、油桐、油茶，北方的大豆、黄连木，存活率高，油产量也很高。 但是由于油料作物的能量密度很低，收集和运输成本高，生产规模也不可能很大，大型企业能带来的效益也少，而乡镇企业的生产机制灵活，非常适合从事这项产业，可以从农民手中收集能源作物原料，在当地建设一个榨油厂，再将原料油集中送往生物柴油企业，从而增加农民收入。 可见，发展生物质燃油产业可以为解决“三农问题”发挥积极的作用。

3 结语

目前，全球经济在粗放式发展下，能源和环境问题之间的矛盾日益突出，碳达峰、碳中和及双碳目标的提出为今后较长一段的时间内，全球发展模式提供了可探索的路径。 生物质能作为一种重要的可再生能源， 为有效实现双碳目标提供了技术支撑和产业保障。 双碳目标下我国生物质能的发展必须从国家层面做好顶层设计，制定相关的发展纲要，然后要做好生物质能的梯级利用和优化实施，因为这样才能将生物质能的利用效率达到最高，国家、企业和相关的科研院所要加大技术创新投入，多管齐下的实现生物质能产业布局，做大做强。 同时要做好生物质能利用和乡村振兴的有效衔接，因地制宜地发展乡镇产业，为提升农村产业集群赋能。