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袁振宏，羅文，呂鵬梅，王忠銘，李惠文
（中國科學院廣州能源研究所，可再生能源與天然氣水合物重點實驗室，廣東廣州510640）
摘要：生物質能的開發利用是發展新型能源的重要選擇，是國際可再生能源領域的焦點。本文總結了我國生物質能資源現狀及發展潛力，介紹了國外生物質能發展概況并綜合評價了我國生物質產業，主要包括沼氣產業、生物質液體燃料、生物質發電以及固體成型燃料產業的發展現狀，闡述了我國推動生物質能發展的政策環境，展望和預測了我國物質能源的發展前景，并對生物質產業發展提出建議。
生物質是指通過光合作用而形成的各種有機體，包括所有的動植物和微生物；生物質能則是太陽能以化學能形式貯存在生物質中的能量形式，即以生物質為載體的能量。生物質能源作為一種潔凈而又可再生的能源，是惟一可替代化石能源轉化成氣態、液態和固態燃料以及其它化工原料或者產品的碳資源。據估計，全世界每年由光合作用而固定的碳達2×1011噸，含能量達3×1018千焦，可開發的能源約相當于全世界每年耗能量的10倍；生成的可利用干生物質約為1700億噸，而目前將其作為能源來利用的僅為13億噸，約占其總產量的0.76％[1－2]，資源開發利用潛力巨大。由于生物能源所具有的優勢，世界各國已經將其作為發展新型能源的重要選擇。近年來，燃料乙醇、生物柴油、生物質發電及沼氣等生物質能產業在世界范圍內得到了快速的發展，尤其進入21世紀后，隨著國際石油價格的不斷攀升及《京都議定書》的生效，生物質能更是成為國際可再生能源領域的焦點。許多國家紛紛制定了開發生物質能源、促進生物質產業發展的研究計劃和相關政策，如美國的《生物質技術路線圖》、《生物質計劃》，歐盟委員會提出的到2020年運輸燃料的20％將用生物柴油和燃料乙醇等生物燃料替代計劃，日本的“陽光計劃”，印度的“綠色能源工程計劃”以及巴西實施的酒精能源計劃等。中國政府對生物質能的開發利用也極為重視，自20世紀70年代以來，連續在4個“五年計劃”中將生物質能利用技術的研究與應用列為重點科技攻關項目，開展和實施了一系列生物質能利用研究項目和示范工程，推動了我國生物質能產業的發展。本文對生物質能資源現狀及發展潛力、產業發展現狀和政策環境進行了綜合評價，分析了未來生物質能產業發展前景，并對生物質能產業發展提出建議。
1國內資源現狀及潛力
生物質能資源，按原料的化學性質分，主要為糖類、淀粉和木質纖維素類。按原料來源分，則主要包括以下幾類：①農業生產廢棄物，主要為作物秸稈；②薪柴、枝椏柴和柴草；③農林加工廢棄物，木屑、谷殼和果殼；④人畜糞便和生活有機垃圾等；⑤工業有機廢棄物，有機廢水和廢渣等；⑥能源植物，包括所有可作為能源用途的農作物、林木和水生植物資源等[3]。我國擁有豐富的生物質能資源，據測算，我國理論生物質能資源50億噸左右，是我國目前總能耗的4倍左右[4]。
目前可供利用開發的資源主要為生物質廢棄物，包括農作物秸稈、禽畜糞便、工業有機廢棄物和城市固體有機垃圾、林業生物質、能源作物等。
全國農作物秸稈年產量約6億噸，除部分作為造紙原料和畜牧飼料外，約3億噸可作為燃料使用，折合約1.5億噸標準煤。其它農業廢棄物約1.3億噸[5]。
預計2010年農作物秸稈的產量約為7.8億噸，2015年的產量將達到9億噸；畜禽糞便和農產品加工業廢水經過沼氣化處理后，理論上可以生產沼氣約750億m3，預計到2010年規模化畜禽養殖場的糞便資源實物量將達到25億噸；城市固體廢棄物年產生量約1.5億噸，2010年，我國城市垃圾總量將達到2.3億噸；每年可提供林業資源約9億噸，其中可作能源用途的資源約3億噸，包括林加工剩余物約2000萬噸，薪炭林約2270萬噸，用材林約11790萬噸，灌木林約3390萬噸，疏林約720萬噸以及其它林木廢棄物等；甜高粱、小桐子、黃連木、油桐等能源作物（植物）的種植面積達2000多萬公頃，可滿足年產量約為5000萬噸生物液體燃料的原料需求[6－8]。據預測在2020年前后全國生物能源原料總量達到約21噸，約折合l5億噸標準煤。超過屆時全國能源消費需求預計總量28.69億噸標煤的一半。可見，我國生物質能資源量巨大，具有廣闊的發展空間。
2國外生物質能概況
2.1美國
美國在開發利用生物質能方面處于世界領先地位，生物質能利用占一次能源消耗總量的4％左右。從1979年就開始采用生物質燃料直接燃燒發電，生物質能發電總裝機容量超過10000MW，單機容量達10～25MW[9]。乙醇產量自2001年以來已翻了一番，已成為僅次于巴西的燃料乙醇大國。2006年，乙醇約占美國汽油消費總量的5％，乙醇摻燒比例通常為10％，添加乙醇的混合汽油占全國汽油供應總量的46％。2007年乙醇的產量是64億加侖，比2000年增加了4倍。根據美國可再生燃料協會統計，截至2008年底，美國共有189個乙醇生產廠，生產能力為3300萬噸。美國商業性生產生物柴油始于20世紀90年代初。2006年，生物柴油生產能力為260萬噸，實際產量為125萬噸，截止到2007年底，現有生物柴油生產企業171家，生物柴油產量4.5億加侖，比2006年提高80％。
根據美國國家生物柴油委員會的計劃，到2015年，生物柴油產量將占全國運輸柴油消費總量的5％，達到610萬噸。為幫助降低生產先進生物燃料的成本，并使相關技術達到商業化，2007年美國將其能源部生物質能研究經費增加65％，總數達1.5億美元[10]。
2.2歐洲
歐洲主要國家的生物質能源開發利用均以豐富的森林資源為基礎，具有政府重視、起步較早、以市場運作和龍頭企業帶動為主等特點，主要利用形式有供暖、發電和生物柴油等3種，其中以供暖為主[11]。
芬蘭生物質能源提供方式以建立燃燒站為主，較小規模的燃燒站僅提供暖氣，大型燃燒站則同時提供暖氣和電力，全國年能源總消耗4000億kW·h，其中810億kW·h由生物質能源提供，占20％。瑞典利用無工業價值的木材采用熱電聯合裝置產熱和供電，其聯合汽化（BIG-CC）工藝處于世界領先地位。生物質能源達1100億kW·h。其中，330億kW·h以區域供暖的形式提供，530億kW·h供給工業，130億kW·h供給居民及服務部門，110億kW·h供應交通部門。瑞典的生物質能源利用主要實行市場化，其中顆粒燃料市場在近幾年增長了100％，總需求量達150萬噸，總價值達2.5億歐元[11]。丹麥在生物質直燃發電方面成績顯著。丹麥的BWE公司率先研究開發了秸稈生物燃燒發電技術，迄今在這一領域仍是世界最高水平的保持者。目前，丹麥已建立了130家秸稈發電廠，使生物質成為丹麥重要的能源。德國是生物質柴油的最大生產國，德國對生物柴油的生產企業全額免除稅收；自2004年起，無需標明即可在石化柴油中最多加入5％的生物柴油，2007年生物柴油產量達到了289萬噸；然而由于德國政府取消生物柴油企業免稅優惠，2008年產量出現下滑，生物柴油行業產能利用率僅為55%[12]。在發電方面，德國使用生物質能源發電占22％，其中58％以木材為燃料發電，41％為沼氣發電，3％通過液體生物質（如生物柴油）發電等。目前，德國生物質能源發電站1兆瓦以上的有350家，有超過7萬戶家庭使用以木材顆粒燃料為原料的供暖機、發電機[13]。據預計，到2030年，德國生物質能源占年能源總消耗量的比例將達到17.4％。
2.3巴西
巴西目前已經成為世界上最大的乙醇生產和消費國。巴西生產乙醇的原料主要是甘蔗，2005/2006年度，甘蔗產量為4.23億噸，其中49.77％用于生產乙醇；乙醇產量約為128.12億公斤，其中50.5％是用于混入汽油的無水乙醇，其余則是獨自作為替代汽油的含水乙醇。2008/2009年度，巴西乙醇產量達到210.9億公斤。巴西法律規定，汽油中必須添加25％的乙醇燃料，巴西國內生產的82％的汽車都采用了混合燃料發動機，可以使用普通汽油也可以使用乙醇，或者兩種燃料的混合物。
巴西是世界上最大的乙醇出口國，其乙醇生產總量的15％用于出口，主要銷往美國、印度、韓國、日本、牙買加等國。2008年乙醇出口量為51.6億公升，比2007年增長46%，主要出口市場為美國。
此外，巴西還大力利用可再生資源進行發電，其中80％以上的電力都是來自可持續技術，主要是水力發電（占77％）。來自生物質和水力發電廠的能源總量占巴西能源生產總量的45％[14]。
2.4印度
印度是沼氣使用歷史悠久的國家，在1975年啟動國家沼氣開發計劃（NPBO），到2008年已建沼氣池450萬個，為農村無電區的數十萬家庭提供了炊事和照明。近期生物質壓縮成型、技術氣化等進展顯著。氣化發電主要用于水泵、磨谷機和其它小型電氣設備；氣化產出燃氣則主要用于煙草、茶葉、食品等加工生產過程中[15]。
3我國生物質能產業現狀
目前中國的生物質能產業發展初具規模，積累了一些成熟的經驗，但不同的應用領域技術的成熟程度不盡相同。少數生物質能轉化利用技術初步實現了產業化應用，如農村戶用沼氣、養殖場沼氣工程和秸稈發電技術；生物質發電、生物質致密成型燃料、生物質液體燃料等正進入商業化早期發展階段；還有許多新興生物質能技術尚處于研究階段。
3.1沼氣產業
我國沼氣產業始于70年代，經歷了兩落三起，現在處于第三個高峰發展期。至2007，我國新增農村戶用沼氣用戶482.35萬戶，全國已累計推廣戶用沼氣池2650萬口，年產沼氣達102億m3。比2000年增加了1802萬口，年均增長速度為17.7％。建設養殖場沼氣工程2.66萬處，總池容285萬m3，年產沼氣達3.56億m3[16]。已有大中型沼氣工程3764處（見表1）[17]，已累計建成秸稈集中供氣站734處；沼氣灶具及其配套產品年生產能力已達到500萬套，沼氣產品基本實現了標準化生產。同時，在綜合利用方面，以沼氣為紐帶，建立了物質多層次利用、能量合理流動的高效農業生產模式。在北方推廣的“四位一體”沼氣生態農業模式，以及南方建立的以養殖業為龍頭，以沼氣為紐帶，帶動農作物和經濟作物發展的現代農業技術——“豬-沼-果”模式，對沼氣、沼液、沼渣的多層次綜合利用的生態農業模式，己成為農村經濟的新增長點，成為了我國生物質能利用的特色。
我國戶用沼氣技術居國際領先水平，而大中型沼氣工程則起步較晚，與發達國家相比，在原料的種類廣泛性、針對不同物料的沼氣發酵工藝技術、微生物菌劑開發研究、規模化沼氣工程的設備和裝備技術、沼氣發酵產品和固液殘余物綜合利用等方面均存在較大差距，需要進一步加強自主創新。
3.2生物質液體燃料
我國生物液體燃料發展也取得了可觀的成績，特別是生物柴油生產以及以糧食為原料的燃料乙醇生產已初步形成規模。
3.2.1生物柴油
中國政府、研究單位和一些企業對生物柴油非常重視。“八五”和“九五”期間，開展了野生油料——光皮樹油的采集、酯化改性和應用試驗研究；“十五”期間，科技部將野生油料植物開發和生物柴油技術發展列入國家863計劃和科技攻關計劃；國家“十一五”規劃，2010年我國生物柴油年利用量將達200萬噸。中國科技大學、江蘇石油化工學院、北京化工大學、吉林省農業科學院、廣州能源研究所等科研單位紛紛展開了生物柴油的研究工作，并成功利用菜籽油、大豆油、廢煎炸油等為原料生產生物柴油。我國幾大國營石油集團如中石油、中石化、中海油和中糧集團都設立了專門的機構研究生物柴油。除此之外，我國還涌現出正和、古杉、卓越、天冠、湖南天源等許多家生物柴油民企[18]，開發出自主知識產權的生物柴油生產技術和工業化試驗工廠。據廣州能源研究所生物柴油課題組的不完全統計調查，目前全國生物柴油生產廠家已達到69家，總生產能力為113.63萬噸/年。其中，山東省的生物柴油生產企業最多，為9個，產能最大的省份為江蘇省，37.32萬噸/年。然而，廉價、來源穩定的原料供應不足成為了阻礙生物柴油產業發展最大的問題，2008年，許多生物柴油工廠因原料得不到供應而停產，全國生物柴油實際產量僅為30萬噸左右[19]。為促進生物柴油產業的健康發展，建設固定的植物原料基地尤為重要。
總體而言，我國的生物柴油工業化生產已初具規模，但所使用工藝多為自主研發。受企業研發時間及研發水平限制，我國生物柴油企業大多數技術處于初期發展階段，環境友好性和經濟競爭性弱，產業化和商業化程度較低，有待進一步發展。
3.2.2燃料乙醇
目前，我國燃料乙醇生產技術已經成熟，黑龍江、吉林、遼寧、河南、安徽5省及湖北、河北、山東、江蘇部分地區已基本實現車用乙醇汽油替代普通無鉛汽油。乙醇汽油占全國汽油總消費量的20％，我國已成為世界上繼巴西、美國之后的第三大生物燃料乙醇生產國和應用國[20]。
燃料乙醇中實現產業化的技術是以淀粉質（玉米、甘薯、木薯等）和糖質（甘蔗、甜菜、甜高粱等）原料生產燃料乙醇。“十五”期間，我國已在黑龍江、吉林、河南、安徽4省建成4個生物燃料乙醇生產試點項目（吉林燃料乙醇有限公司、黑龍江華潤酒精有限公司、河南天冠燃料乙醇和安徽豐原燃料酒精股份有限公司），年產量102萬噸左右，使用的主要是儲備糧中時間比較久的陳化糧。為了擴大生物質燃料來源，中國已自主開發了以甜高粱莖稈、纖維素廢棄物等為原料生產燃料乙醇的技術。
目前以甜高梁為原料年產5000噸的燃料乙醇中試廠已經建成；纖維素廢棄物制取乙醇燃料技術已進入年產600噸規模的中試階段；以木薯、甘蔗等為原料的燃料乙醇工廠也在興建中[21]。
燃料乙醇產業與市場發育關系緊密，其發展涉及原料供應、乙醇生產、乙醇與組分油混配、儲運和流通及相關配套政策、標準、法規的制定等各個方面。我國生物燃料乙醇產業發展還處于起步階段，還需在這些方面做出積極的規劃與推動，解決產業尚面臨的諸多困難和問題[21]：原料不足，技術產業化基礎薄弱，產品市場競爭力不強，政策和市場環境不完善。
3.3生物質發電產業
生物質發電主要工藝分3類：生物質鍋爐直接燃燒發電、生物質-煤混合燃燒發電和生物質氣化發電。在我國，《可再生能源法》的實施及一系列配套政策的頒布，特別是強制上網制度和電價補貼政策的出臺后，為生物質發電掃清了入網障礙，提供了經濟保障。截至2007年底，全國已建成投產的生物質直燃發電項目超過15個，在建項目30多個；國家發改委和各省發改委已核準生物質發電項目87個，總裝機規模220萬千瓦[22]。除生物質直燃發電外，已開發和推廣生物質氣化發電系統應用20多套。中國科學院廣州能源研究所承擔的國家863計劃“3MW生物質氣化發電工程技術”項目已經通過科技部的驗收，在江蘇興化建設的示范電站裝機容量為5MW，氣化效率最高達78％[23-24]。另外，生物質-煤混燃發電示范工作也取得了一定的進展，我國首臺煤粉秸稈混燃發電機組在山東棗莊華電國際十里泉發電廠成功投產。我國生物質發電已經從設想進入了試點示范階段。
3.4固體成型燃料
固體成型燃料技術根據不同的加工工藝，可分為螺旋擠壓、活塞沖壓、模壓、輥壓等技術類型。
根據不同的動力形式，又可分為機械驅動和液壓驅動等技術類型。我國以螺旋擠壓式壓縮成型技術推廣應用較多，河南農業大學及合肥天焱綠色能源開發有限公司等公司對擠壓螺桿的耐磨性做了較深入的研究，延長了它的使用壽命[25]。壓輥式顆粒成型機也有一定的發展，其中的代表是北京惠眾實科技有限公司開發的生物質固體成型技術及北京老萬生物科技有限公司研發的生物質顆粒燃料成型機等[24]。目前，我國生物質固體成型機的生產和應用已初步形成規模，并逐步進入半商業化、商業化階段，但距國際先進水平還有一定的差距[26]。
4政策環境
為了確保生物質能源產業的穩步發展，中國政府出臺了一系列法律、法規和政策措施，發布了涉及生物質能的中長期發展規劃，積極推動了生物質能源的開發和利用。
2005年2月28日，第十屆全國人民代表大會常務委員會第十四次會議通過了《中華人民共和國可再生能源法》，并于2006年1月1日正式實施，明確提出“國家鼓勵清潔、高效地開發利用生物質燃料，鼓勵發展能源作物。為了貫徹落實《可再生能源法》的要求，2005年11月，國家發改委發布了《可再生能源產業發展指導目錄》（發改能源[2005]2517號）。
隨后，國家發改委又發布了《可再生能源發電有關管理規定》（發改能源[2006]13號）、《可再生能源發電價格和費用分攤管理試行辦法》（發改價格[2006]7號）和《可再生能源電價附加收入調配暫行辦法》（發改價格[2007]44號）。在這3個可再生能源發電的管理規定和辦法中，對水力發電、風力發電、生物質發電（包括農林廢棄物直接燃燒和氣化發電、垃圾焚燒和垃圾填埋氣發電、沼氣發電）、太陽能發電、地熱能發電以及海洋能發電等提出了價格和費用分攤的原則。
2007年9月，《可再生能源中長期發展規劃》出臺，并在此基礎上于2008年3月又出臺了《可再生能源發展“十一五”規劃》（發改能源[2008]610號）。規劃明確提出，積極推進可再生能源新技術的產業化發展，建立可再生能源技術創新體系，形成較完善的可再生能源產業體系。并提出根據我國經濟社會發展需要和生物質能利用技術狀況，重點發展生物質發電、沼氣、生物質固體成型燃料和生物液體燃料。
此后，國家又相繼頒布了《可再生能源發展專項資金管理暫行辦法》、《關于發展生物能源和生物化工財稅扶持政策的實施意見》、《全國農村沼氣建設規劃》和《全國生物質能產業發展規劃》、《節能減排綜合性工作方案》、《可再生能源電價補貼和配額交易方案》等一系列的政策措施，建立了相應的促進生物質能發展的目標機制、定價機制、補償機制和交易機制，為生物質能的開發利用提供了良好的宏觀政策環境。
從上述已經出臺的各項法規和政策來看，我國生物質能發展政策的基本框架結構是以《可再生能源法》為基礎，以《可再生能源中長期發展規劃》為目標，以各部門項目的管理辦法和規章制度為體現，通過建立一系列有效的機制推進生物質能又好又快地發展[27]。
5發展前景及建議
我國能源消費結構單一，石油的進口依存度高，形勢十分嚴峻：我國人均占有可開采石油資源十分貧乏，大約只有世界平均水平的12%。然而，自1993年起，我國已由石油凈出口國變成凈進口國，2003年成為世界第二大能源消費國。我國石油年自給能力為1.3～1.5億噸，2008年，石油進口量已占消耗量的52%，突破2億噸，尤其是近階段我國汽車工業大規模發展，礦物燃油的短缺幾成定局[28]。發展新能源和可再生能源是優化中國能源結構、減少環境污染和可持續發展的戰略舉措。而在眾多的新能源和可再生能源中，生物質能源的規模化開發無疑是一項現實可行的選擇。為此，國家相繼出臺的一系列促進生物質能產業發展的政策措施，為生物質能產業營造了良好的宏觀政策環境，國有大型企業和跨國公司等大型企業也積極參與進來，極大地促進了產業的發展。生物質能的開發利用迎來了前所未有的歷史機遇，這將全面促進中國生物質能產業的發展。我國可再生能源中長期發展目標為：到2010年，生物質發電總裝機容量達到550萬kW，生物質固體成型燃料年利用量達到100/萬噸，沼氣年利用量達到190億m3，增加非糧原料燃料乙醇年利用量200萬噸，生物柴油年利用量達到20萬噸。
到2020年，生物質發電總裝機容量達到3000萬kW，生物質固體成型燃料年利用量達到5000萬噸，沼氣年利用量達到440億m3，生物燃料乙醇年利用量達到1000萬噸，生物柴油年利用量達到200萬噸。
根據生物質能開發利用本身的特點和我國的國情，針對我國生物質產業發展過程中存在的一些消極和阻礙性的因素，如原料資源短缺、生物質能源工業體系不完備、研究開發能力不足、產業基礎薄弱以及產品市場競爭力不高等問題，提出幾點建議。
（1）發展新的生物質能資源，建立能源基地。目前，以糧食為原料的生物質燃料生產已不具備再擴大規模的資源條件，發展多元化原料是大勢所趨。今后，應合理評價和科學規劃，利用山地、荒地和沙漠，發展新的生物質能資源，研究、培育和開發速生、高產的植物品種，在條件允許的地區發展能源農場、林場，建立生物質能源基地，提供規模化的木質或植物油等能源資源。
（2）加大研發力度，突破關鍵技術難點。我國生物質能利用技術總體水平與先進國家相比還存在著一定的差距，關鍵技術未能得到完全解決。必須加大對我國生物質能的技術研發投入力度，加強生物質能的新技術引進、試點和示范工作，積極引進、消化、吸收國外先進生物質能利用技術，并進行生物質能利用技術的再創新與集成創新，形成具有自主知識產權的關鍵技術與前沿技術。特別是解決產業化關鍵技術，降低生產成本，增強我國生物質能的市場競爭力。
（3）加大政府扶持力度。國家要將生物質能源發展納入到國民經濟發展計劃當中，確保有計劃、有步驟地推進生物質能源工作，健全配套相應的政策和標準體系，建立和完善質量保證機制和信息服務系統，鼓勵和促進生物質能產業的健康發展。
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