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蔣劍春
(中國林業科學研究院林產化學工業研究所，江蘇南京210042)
摘要：生物質能是可再生能源的重要組成部分。生物質能的高效開發利用，對解決能源、生態環境問題將起到十分積極的作用。進入20世紀70年代以來，世界各國尤其是經濟發達國家都對此高度重視，積極開展生物質能應用技術的研究，并取得許多研究成果，達到工業化應用規模。本文概述了國內外研究和開發進展，涉及到生物質能固化、液化、氣化和直接燃燒等研究技術。從我國實際情況出發，提出研究開發前景和建議。
1生物質能源的地位
生物質能源是人類用火以來，最早直接應用的能源。隨著人類文明的進步，生物質能源的應用研究開發幾經波折，在第二次世界大戰前后，歐洲的木質能源應用研究達到高峰，然后隨著石油化工和煤化工的發展，生物質能源的應用逐漸趨于低谷。到20世紀70年代中期，由于中東戰爭引發的全球性能源危機，可再生能源，包括木質能源在內的開發利用研究，重新引起了人們的重視。人們深刻認識到石油、煤、天然氣等化石能源的資源有限性和環境污染問題。有關資料介紹[1]，根據現已探明的儲量和需求推算，到21世紀中葉，世界石油、天然氣資源可能枯竭，而煤炭的大量使用，不僅自身貯量有限，而且由于燃燒產生大量的SO2、CO2等氣體，嚴重污染環境。日益嚴重的環境問題，已引起國際社會的共同關注，環境問題與能源問題密切相關，成為當今世界共同關注的焦點之一。有資料表明，化石燃料的使用是大氣污染的主要原因。“酸雨”、“溫室效應”等等都已給人們賴以生存的地球帶來了災難性的后果。而使用大自然饋贈的生物質能，幾乎不產生污染，使用過程中幾乎沒有SO2產生，產生的CO2氣體與植物生長過程中需要吸收大量CO2在數量上保持平衡，被稱之為CO2中性的燃料。生物質能源可再生而不會枯竭，同時起著保護和改善生態環境的重要作用，是理想的可再生能源之一。
林業薪炭林和農作物秸桿同屬于生物質能源。在目前世界的能源消耗中，生物質能耗占世界總能耗的14%，僅次于石油、煤炭和天然氣，位居第4位[2]。而在發展中國家，生物質能耗占有較大比重，達到50%以上。
我國是一個農業大國，農業人口占總人口70%以上，農村生活用能主要是依靠秸桿和薪材。據統計資料介紹，農村總能耗的65%以上為生物質能，其中薪材消耗量約占總能耗的29%。為了解決農村用能緊缺的問題，我國正在大力發展薪炭林，目前薪炭林總面積已達429萬hm2，年產生物量達到2.2億t左右[3]。生物質是一種可以與環境協調發展的能源，具有巨大的發展潛力。用包括生物質能在內的可再生能源，用現代技術開發利用，對于建立可持續發展的能源體系，促進社會和經濟的發展以及改善生態環境具有重大意義。如何高效開發利用，包括薪炭林在內的生物質能，已經歷史地擺在我們面前。
2生物質能應用技術研究現狀
2.1研究開發技術概況
生物質能的研究開發，主要有物理轉換、化學轉換、生物轉換3大類。涉及到氣化、液化、熱解、固化和直接燃燒等技術。生物質能轉換技術及產品如圖1所示。
2.1.1氣化生物質能氣化是指固體物質在高溫條件下，與氣化劑(空氣、氧氣和水蒸氣)反應得到小分子可燃氣體的過程。所用氣化劑不同，得到的氣體燃料種類也不同，如空氣煤氣、小煤氣、混合煤氣以及蒸汽——氧氣煤氣等。目前使用最廣泛的是空氣作為氣化劑。產生的氣體主要作為燃料，用于鍋爐、民用爐灶、發電等場合，也可作為合成甲醇的化工原料。
2.1.2液化液化是指通過化學方式將生物質轉換成液體產品的過程。液化技術主要有間接液化和直接液化2類。間接液化就是把生物質氣化成氣體后，再進一步合成反應成為液體產品;或者采用水解法，把生物質中的纖維素、半纖維素轉化為多糖，然后再用生物技術發酵成為酒精。直接液化是把生物質放在高壓設備中，添加適宜的催化劑，在一定的工藝條件下反應，制成液化油，作為汽車用燃料，或進一步分離加工成化工產品。這類技術是生物質能的研究熱點。
2.1.3熱解生物質在隔絕或少量供給氧氣的條件下，加熱分解的過程通常稱之謂熱解，這種熱解過程所得產品主要有氣體、液體、固體3類產品。其比例根據不同的工藝條件而發生變化。最近國外研究開發了快速熱解技術，即瞬時裂解，制取液體燃料油[4]。液化油得率以干物質計，可達70%以上。是一種很有開發前景的生物質應用技術。
2.1.4固化將生物質粉碎至一定的粒度，不添加粘接劑，在高壓條件下，擠壓成一定形狀。其粘接力主要是靠擠壓過程產生的熱量，使得生物質中木質素產生塑化粘接。成型物再進一步炭化制成木炭。現已開發成功的成型技術按成型物形狀劃分主要有3大類：棒狀成型、顆粒狀成型和圓柱塊狀成型技術。解決了生物質能形狀各異、堆積密度小且較松散、運輸和貯存使用不方便的問題，提高了生物質的使用熱效率。
2.1.5直接燃燒直接燃燒是生物質最早被使用的傳統方式。研究開發工作主要是著重于提高直接燃燒的熱效率。如研究開發直接用生物質的鍋爐等用能設備。
2.2國外研究概況[5]
20世紀70年代開始，生物質能的開發利用研究已成為世界性的熱門研究課題。許多國家都制定了相應的開發研究計劃，如日本的陽光計劃、印度的綠色能源工程、美國的能源農場和巴西的酒精能源計劃，紛紛投入大量的人力和資金從事生物質能的研究開發。
生物質能利用研究開發工作，國外尤其是發達國家的科研人員作了大量的工作。
美國在生物質利用方面處于世界領先地位。據報道，美國有350多座生物質發電站，主要分布在紙漿、紙產品加工廠和其它林產品加工廠，這些工廠大都位于郊區。發電裝機總容量達700MW，提供了大約6.6萬個工作崗位。據有關科學家預測，到2010年，生物質發電將達到13000MW裝機容量，屆時有16.2萬hm2的能源農作物和生物質剩余物作為氣化發電的原料，同時可安排17萬多就業人員。20世紀70年代研究開發了顆粒成型燃料，該技術在美國、加拿大、日本等國得到推廣應用。并研究開發了專門使用顆粒成型燃料的爐灶，用于家庭或暖房取暖。在北美有50萬戶以上家庭使用這種專用取暖爐。美國的顆粒成型燃料，年產量達80萬t。
奧地利成功地推行建立燃燒木質能源的區域供電計劃，目前已有八九十個容量為1000～2000kW的區域供熱站，年供熱10×109MJ。加拿大有12個實驗室和大學開展了生物質的氣化技術研究。1998年8月發布了由Freel和BarryA申請的生物質循環流化床快速熱解技術和設備。瑞典和丹麥正在實行利用生物質進行熱電聯產的計劃，使生物質能在提供高品位電能的同時，滿足供熱的要求。1999年，瑞典地區供熱和熱電聯產所消耗的能源中，26%是生物質能。加拿大用木質原料生產的乙醇產量為每年17萬t。比利時每年以甘蔗渣為原料制取的乙醇量達3.2萬t以上。美國每年以農村生物質和玉米為原料生產乙醇約450萬t，計劃到2010年，可再生的生物質可提供約5300萬t乙醇。
在氣化、熱解反應的工藝和設備研究方面，流化床技術是科學家們關注的熱點之一。印度Anna大學新能源和可再生能源中心最近開發研究用流化床氣化農林剩余物和稻殼、木屑、甘蔗渣等，建立了一個中試規模的流化床系統，氣體用于柴油發電機發電。1995年美國Hawaii大學和Vermont大學在國家能源部的資助下開展了流化床氣化發電工作。Hawaii大學建立了日處理生物質量為100t的工業化壓力氣化系統，1997年已經完成了設計。建造和試運行達到預定生產能力。Vermont大學建立了氣化工業裝置，其生產能力達到200t/d，發電能力為50MW。目前已進入正常運行階段。
日本從20世紀40年代開始了生物質成型技術研究，開發出單頭、多頭螺桿擠壓成型機，生產棒狀成型燃料。其年生產量達25萬t左右。歐洲各國開發了活塞式擠壓制圓柱及塊狀成型技術。
美國、新西蘭、日本、德國、加拿大等國先后開展了從生物質制取液化油的研究工作。將生物質粉碎處理后，置于反應器內，添加催化劑或無催化劑，經化學反應轉化為液化油，其發熱量達3.5×104kJ/kg左右，用木質原料液化的得率為絕干原料的50%以上。歐盟組織資助了3個項目，以生物質為原料，利用快速熱解技術制取液化油，已經完成100kg/h的試驗規模，并擬進一步擴大至生產應用。該技術制得的液化油得率達70%，液化油熱值為1.7×104kJ/kg。
歐美等發達國家的科研人員在催化氣化方面也作出了大量的研究開發工作，在生物質轉化過程中，應用催化劑，旨在降低反應活化能，改變生物質熱分解進程，分解氣化副產物焦油成為小分子的可燃氣體，增加煤氣產量，提高氣體熱值，降低氣化反應溫度，提高反應速率和調整氣體組成，以便進一步加工制取甲醇和合成氨。研究范圍涉及到催化劑的選擇，氣化條件的優化和氣化反應裝置的適應性等方面，并已在工業生產裝置中得到應用。
2.3國內研究開發概況
我國生物質能的應用技術研究，從20世紀80年代以來一直受到政府和科技人員的重視。國家“六五”計劃就開始設立研究課題，進行重點攻關，主要在氣化、固化、熱解和液化等方面開展研究開發工作。
生物質氣化技術的研究在我國發展較快。利用農林生物質原料進行熱解氣化反應，產生的木煤氣供居民生活用氣、供熱和發電方面。中國林業科學研究院林產化學工業研究所從20世紀80年代初期開始研究開發木質原料和農業剩余物的氣化和成型技術。先后承擔了國家、部、省級重點項目和國際合作項目近10項，研究開發了以林業剩余物為原料的上吸式氣化爐，已先后在黑龍江、福建等建成工業化裝置[6]，氣化爐的最大生產能力達6.3×106kJ/h(消耗木片量為300kg/h)。產生的木煤氣作為集中供熱和居民家庭用氣燃料，從原料計算氣化熱效率達到70%以上。同時在出熱量達4.18×104kJ/h的中試裝置中，進行了氣化發電試驗研究，電的轉化率為13%左右。最近在江蘇省研究開發以木屑、稻殼、稻草和麥草為原料，應用內循環流化床氣化系統，并研究應用催化劑和富氧氣化技術產生接近中熱值煤氣，供鄉鎮居民使用的集中供氣系統[7]，氣體熱值為7000kJ/Nm3左右，較同類生物質氣化的熱值提高了近30%，氣化熱效率達70%以上。山東省能源研究所研究開發了下吸式氣化爐，主要適用硬秸桿類農業剩余物的氣化。從20世紀90年代開始，在農村居民集中居住地區得到較好的推廣應用，已形成產業化規模。國內有數十家單位從事同類技術的研究開發，目前全國已建立300余個秸桿氣化集中供氣系統。氣體熱值一般在5000kJ/Nm3，氣化轉化率達70%以上。
廣州能源研究所開發了外循環流化床生物質氣化技術，制取的木煤氣作為干燥熱源和發電。已完成了目前國內最大發電能力為1MW的氣化發電系統，為木材加工廠提供附加電源。遼寧能源所與意大利合作引進了一套下吸式氣化爐發電裝置，發電能力30kW。另外北京農機院、浙江大學熱工所和大連環科所等單位先后開展了生物質氣化技術的研究工作。
我國的生物質固化技術開始于“七五”期間，現已達到工業化生產規模。目前國內已開發完成的固化成型設備有2大類：棒狀成型機和顆粒狀成型機。這2種機型均由中國林科院林化所科研人員率先完成。棒狀成型機有單頭和雙頭2種，單頭生產能力為120kg/h，雙頭機生產能力為200kg/h。1998年與江蘇正昌糧機集團公司合作，開發了內壓滾筒式顆粒成型機，生產能力為250～300kg/h，生產的顆粒成型燃料尤其適用于家庭或暖房取暖使用。南京市平亞取暖器材有限公司，從美國引進適用于家庭使用的取暖爐，通過國內消化吸收，形成工業化生產。并從美國引進了一套生產能力為1.5t/h的顆粒成型燃料生產線，1999年開始正式生產，產品供應市場運行情況良好。
從20世紀50年代開始了稀酸常壓、稀酸加壓的濃酸大液比的水解、纖維素酶水解法研究，并在南岔水解廠建立示范工程，主要利用木材加工剩余物制取乙醇和飼料酵母，設計生產能力為年產4000t乙醇，產生的木質素作為生產活性炭的原料。但由于工藝設備較之用糧食淀粉水解制乙醇復雜得多，在糧食供應充足、糧價較低情況下，難以和糧食酒精匹敵，更難和石油化工的合成酒精競爭。20世紀80年代，人們再度開始木質纖維素的水解新技術的研究，中國林科院林化所、山東大學、華東理工大學、沈陽農業大學等先后開展了生物質水解制取乙醇工藝和設備的研究開發，重點對前處理工藝進行了研究，目前尚處于研發階段。
木材熱解技術的研究，國內從20世紀50年代至60年代進行大量的研究工作，中國林科院林化所在北京光華木材廠建立了一套生產能力為500kg/h的木屑熱解工業化生產裝置;在安徽蕪湖木材廠建立年處理能力達萬噸以上的木材固定床熱解系統。黑龍江鐵力木材干餾廠曾從前蘇聯引進了年處理木材10萬t的大型木材熱解設備。這些生產裝置的目標均是為了解決當時我國石油資源緊缺問題。隨著石油化工的迅速崛起，以木材為原料制取化工產品的生產成本高，難以與石化產品競爭，這些裝置紛紛下馬和轉產。研究工作也轉向以熱解產品的深加工開發，如活性炭、木醋液等應用研究領域。國內在快速熱解制取液化油的研究開發方面，尚未見有報道。
總之，我國在生物質能轉換技術的研究開發方面做了許多工作，取得了明顯的進步，但與發達國家相比差距甚遠。
3農林生物質能應用研究技術展望
生物質能是重要的可再生資源，預計到21世紀，世界能源消費的40%將會來自生物質能[8]。我國有豐富的生物質能資源。隨著經濟的發展，人們生活水平的提高，環境保護意識的加強，化石能源逐漸減少，對包括生物質能在內的可再生資源的合理、高效地開發利用，必然愈來愈受到人們的重視。因此，科學地利用生物質能源，加強應用基礎和應用技術的研究，具有十分重要的意義。
從國外生物質能利用技術的研究開發現狀來看，結合我國現有研究開發技術水平和實際情況，作者認為我國生物質應用技術將主要在以下幾方面發展。
3.1高效直接燃燒技術和設備的開發
我國有13億多人口，絕大多數居住在廣大的鄉村和小城鎮。其生活用能的主要方式仍然是直接燃燒。剩余物秸桿、稻草等松散型物料是農村居民的主要能源，開發研究高效的燃燒爐，提高使用熱效率，仍將是應予解決的重要問題。鄉鎮企業的快速興起，不僅帶動農村經濟的發展，而且加速了化石能源尤其是煤的消費，因此開發改造鄉鎮企業用煤設備(如鍋爐等)，用生物質替代燃煤在今后的研究開發中應占有一席之地。把松散的農林剩余物進行粉碎分級處理后，加工成定型的燃料，結合專用技術和設備的開發，家庭和暖房取暖用的顆粒成型燃料，推廣應用工作在我國將會有較好的市場前景。
3.2生物質氣化和發電
國外生物質發電的利用占很大比重，且已工業化推廣，而我國的生物質發電開發尚屬起步階段。由于電能傳輸和使用方便，從發展的前景來看，應有較好的市場。未來10年中，將會有較大發展。國家科技部已將生物質發電作為主要能源研究列入“十五”規劃中。同時隨著經濟的發展，農村分散居民逐步向城鎮集中，數以萬計的鄉鎮小城鎮將是農民的居住地，為集中供氣和供熱、提高能源利用率提供了現實的可能性。生活水平的提高，促使人們希望使用清潔方便的氣體燃料。因此生物質能熱解氣化產生木煤氣的技術推廣應用應具有較好的市場前景。但應注意研究解決氣體中的焦油引起堵塞和酸性氣體的腐蝕等問題。
3.3能源植物的開發
大力發展能產生“綠色石油”的各類植物，如山茶樹、油棕櫚、木戟科植物等，為生物質能利用提供豐富的優質資源。
3.4生物質的液化技術
由于液體產品便于貯存、運輸，可以取代化石能源產品，因此從生物質能經濟高效地制取乙醇、甲醇、合成氨、液化油等液體產品，必將是今后研究的熱點。如水解、生物發酵、快速熱解、高壓液化等工藝技術研究，以及催化劑的研制、新型設備的開發等等都是科學家們關注的焦點，一旦研究獲得突破性進展，將會大大促進生物質能的開發利用。
4建議
4.1生物質能應用技術的研究開發，在現階段主要是從生態環境、環境保護的角度出發，從中長期來看，將要彌補資源有限性的不足。因此，生物質能源的開發利用，其社會效益遠遠大于經濟效益。在目前發展階段，需要國家的政策扶持和財力支撐。應制訂相關政策，鼓勵和支持企業投資生物質能源開發項目。
4.2我國有豐富的生物質資源，但我國的國情是人口眾多，人均資源相對偏小，因此，在生物質的應用技術發展方向上，應結合我國分散的能源系統，以滿足農村鄉、鎮、村不斷增長的能量需求，重點解決居民生活用能，減少對化石能源尤其是煤炭的使用。在經濟條件較發達的鄉村地區，大力推廣木煤氣氣化系統;同時推廣成型燃料及專用取暖爐，取代煤爐取暖的小型鍋爐;研究開發專門使用生物質的直接燃料鍋爐。
4.3加強基礎和應用研究。在生物質能化學轉換中的催化降解、直接和間接液化機理，高產生物能基因及其變異性規律，生物轉化微生物“雜交”等基礎理論和應用研究。國家在科研項目的安排方面，要注重給生物質能應用研究的發展方面留有一定的空間。
4.4我國薪炭林已達429萬hm2，全國有100余個薪炭林試點縣，計劃到2020年，將增建50個薪炭林基地。薪炭林面積也將達到1600多萬hm2，同時，山區有大量發展的經濟果殼，應合理經濟地開發利用這些寶貴的薪炭林資源，將薪炭林綜合利用開發，產生的氣體作為發電和民用煤氣，固體產品木炭進一步加工成活性炭，液體產品可進一步加工成化工產品，創造經濟效益。既解決部分農村能源緊缺的矛盾，又為農村勞動力創造就業機會，促進山區農村經濟的發展。先期可選擇若干個條件較好的薪炭林試點基地，建立能源示范工廠。然后總結經驗推廣應用，使薪炭林的發展，不僅能解決農村缺能的矛盾，而且可實現生物質能綜合利用的“林能”結合。從而實現山區經濟發展、農民脫貧致富，同時產生較好的經濟效益和社會效益。
4.5加強生物質研究領域的國際交流與合作，引進國外先進的生物質利用技術和設備，加快我國生物質開發利用的步伐，建立符合中國國情的生物質能開發利用結構體系。
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