生物质能源的开发利用

  生物质压缩技术可将固体农林废弃物压缩成型，制成可代替煤炭的压块燃料。如美国曾开发了生物质颗粒成型燃料，泰国、菲律宾和马来西亚等第三世界国家发展了棒状成型燃料等。成型燃料主要使用在于二个方面：一是进一步炭化加工制作而成木炭棒或木炭块，作为民用烧栲木炭或工业用木炭原料；二是作为燃料直接燃烧，用于家庭或暧房取暧用燃料。

  摘要：针对生物质能源的开发利用对于中国发展的重大意义，从生物质能源的概念入手，综述和探索了国内外生物质能源的发展状况，展望了中国生物质能源开发的广阔前景，并进一步提出了生物质能源今后发展的方向和办法。

  生物质是一种通过大气，水，大地以及阳光有机协作产生的可持续性资源。生物质假如没有通过能源或物质方式被利用，将被微生物分解成水，二氧化碳以及热能散发掉。

  生物质产业是指利用可再生或循环的有机物质，包括农作物、树木、能源作物和其他植物及其残体、畜禽粪便、有机废弃物等为原料，进行生物基产品、生物燃料和生物能源生产的产业。

  煤、石油、天然气等矿物燃料是工业社会的核心能源，但它们是不可再生资源，储藏量有限。据国际能源机构统计，煤、石油、天然气可供开采的年限分别只有240年、40年和50年。随人类经济社会的快速的提升，能源消耗的速度慢慢的变快，尤其是矿物燃料消费的持续不断的增加，导致了对它们的过度开采，使得价格日益上涨并渐趋枯竭；同时，高强度的利用使多余的能量和碳素大量释放，打破了自然界的能量和碳平衡，造成臭氧层破坏、全球气候变暖、酸雨等灾难性后果，引起了国际社会的极大忧虑。假如没有新的能源来取代常规能源在能源结构中的主导地位，21世纪必将发生严重的、灾难性的能源和环境危机。

  相比之下，生物质能源则是能生产出其它能源的最平安、最稳定的能源。目前，许多国家，尤其是发达国家，都在致力于开发高效、无污染的生物质能利用技术，以保护本国的矿物能源资源，为实现国家经济的可持续发展提供根本保障。20世纪90年代以来，美国在生物质能源方面的探究经费逐步加大，按照美国能源署的要求，到2010年混合性生物柴油（90常规柴油和10生物柴油）的产能要从现在的100万吨提高到1200万吨。欧盟委员会提出，到2020年，运输燃料的20将用生物燃料替代[2]。中国在生物质能源发展方面也作出了积极部署。据推算，利用中国现有生物质资源的一半，以生物质为原料生产燃料乙醇、生物柴油、生物基塑料各达年产1200万吨生产能力计，每年相当于建设一个大庆油田，并可减少1.6亿吨二氧化碳净排放量，相当于2003年进口石油量的55或从俄罗斯进口量的9倍并节约150亿美元外汇，可以大幅度减轻中国外交、援助、贷款的压力，降低遭讹诈、受制于人的危险，减少资产金额的投入和政治外交代价付出。从这些意义上说，发展生物质能源无疑是保障国家能源平安、国防平安和经济平安的大战略。

  中国政府及有关部门对生物质能源的利用极为重视，中心几位主要领导人曾多次批示和指示加强农作物秸秆的能源利用，国家科委已连续在三个国家五年计划中将生物质能技术的探究和应用列为重点探究项目。在此背景下，涌现出了一大批优秀的科研成果和成功的应用范例，如户用沼气池、禽畜粪便沼气技术、生物质气化发电和集中供气、生物压块燃料等，取得了较好的社会效益和经济的效果与利益。同时，中国已组建起了一支高水平的科研队伍，拥有一批致力于生物质能源技术探究和开发的闻名专家学者，具备一定的产业和技术基础。

  20世纪70年代以来，面对常规矿物能源的日益枯竭和环境的逐渐恶化，世界许多国家将目光逐渐转移到了具备可再生、环保、可转化等优点的生物质能源上。改革开放以后，中国也逐步迈上了发展生物质能源的轨道。进入21世纪，谁能把握住生物质能源开发利用的先机，谁将在未来的国际竞争中立于不败之地。因此，应该提高对发展生物质能源重要性的熟悉，为顺利开展生物质能源的开发利用创造有利环境。

  处在一体化的国际大环境下，中国的能源形势也十分严重。改革开放以来，中国经济迅猛发展，虽然经济稳步的增长方式正在由粗放型向集约型转变，但对于矿物能源的需求量仍和日俱增，然而中国的常规能源储备和开发利用潜力却不容乐观，每年尚需要从国外大量进口石油，潜在的能源危机将逐步威胁中国经济的快速发展。同时，中国的环境压力也在不断加大。环境友好型经济已被纳入国家的发展的策略，生态型、循环型能源的开发利用也已被提上重要的发展议程。

  1）沼气技术。此技术是中国发展最早、较为普遍的生物质能源利用技术。20世纪70年代，中国为解决农村能源短缺的新问题，曾大力开发和推广户用沼气池技术。在“九五”期间，应用于处理高浓度有机废水和城市垃圾的高效厌氧技术被列为科技攻关重点项目，现已取得预期的进展。“十五”科技攻关课题《大型高效厌氧沼气发电技术及示范电站》以污水处理达标和大功率沼气发电机组为课题攻关的突破口，利用污水处理产生的沼气建造沼气发电示范工程，促进了沼气工程的进一步推广，使沼气工程在中国社会经济发展过程中发挥出更大的能源、环保效益。至今，中国已建成大中型沼气池3万多个，总容积超过137万m3，年产沼气5500万m3，仅100m3以上规模的沼气工程就达630多处。

  随着能源危机的逐步扩大，各国对本国常规能源资源的保护和对国外能源市场的争夺将日益升级，极不利于世界的和平和稳定。据有关专家预计，到2010年，中国石油进口依存度可能会进一步上升。固然，发展生物质能源不是获得新能源的唯一途径，人类可以发展核能源，还可以通过高技术手段从外太空获得能源，但后两者蕴藏着巨大的风险。首先，核能源的发展极可能给世界带来新的不稳定因素，甚至直接威胁到人类的生存环境；其次，各国家或集团受技术水平的限制，在有限的外太空区域内进行能源开发，将不可避免地引发新的国际争端。能源平安慢慢的变成了国家平安不可分割的重要组成部分，能源新问题必然的联系到中国经济的快速增长以及社会的可持续发展和稳定。

  “三农”新问题是中国经济发展的根本性新问题，对它解决的质量将直接影响着中国经济社会持续健康发展的全局，全国上下都给予了足够的重视。生物质产业利用中国丰富的农林废弃物和非农田为原料和基地，生产出未来市场发展的潜力广阔、环境友好和高的附加价值的能源及生物化工产品，既帮助解决中国部分农村剩余劳动力的就业新问题，又可以在一定程度上完成农业和农民增收，是解决“三农”新问题的一条有效途径。据推算，只要利用中国50的低质地，生产能源作物，发展生物质能源，就能轻松实现年产值约1万亿元，加上秸秆、畜禽粪便等，生物质产业就可以催生1000个生物质能源企业，带动500万农户，促进5000万农业劳动力转移，实现农民增收400亿元[3]。同时，生物质能源如沼气等还能为农民提供价廉、清洁的燃料，使4000万农户生活用能效率提高2～3倍。除此之外，发展生物质产业还能大大降低秸秆露地燃烧、畜禽粪便污染、石油基地膜等对环境的污染。

  为缓解双重危机，人们把视线聚焦到可再次生产的能源身上。太阳能、风能、小水电等虽然是可再次生产的能源，但不可以进行物质生产，而生物质既能贡献能量，又能像煤炭和石油那样生产出千百种化工产品。如燃料乙醇和车用普通汽油相比，一氧化碳的排放可降低7，碳氢化合物可减少48；生物柴油富含氧，和普通柴油混合使用，可使燃烧更充分，据检测，生物柴油无毒，能进行生物降解，添加20的生物柴油，可减少排放二氧化硫70，降低空气毒性90[1]；使用生物塑料能解决白色污染新问题。同时生物质能源以作物秸秆、畜禽粪便、农林废弃物、城市有机垃圾等为原料，使之无害化和资源化，将植物蓄存的光能和物质资源深度开发和循环利用，符合发展循环经济的理念。因此，生物质能源既能满足缓解能源危机的需要，又符合保护自然环境、实现可持续发展的要求，是中国进行可再次生产的能源开发利用的必然选择。

  <）液体燃料技术

  生物质液体燃料开发是一项非常关注的技术，因为生物质液体燃料包括燃料乙醇、生物质液化油、生物柴油等，可当作清洁燃料直接代替汽油等石油燃料[5]。在液化油应用方面，美国、新西兰、日本、德国、加拿大国家都先后开展了探究开发工作，其发热量达3.5×104kJ/kg左右，用木质原料液化的得率为绝干原料的50以上。欧盟组织资助了3个项目，以生物质为原料，利用快速热解技术制取液化油，已完成100kg/h的试验规模，并拟逐步扩大至生产应用，该技术制得的液化油得率达70，液化油低热值为1.7×104kJ/kg。在燃料乙醇方面，巴西是开发应用最有特色的国家。20世纪70年代中期，巴西为摆脱对进口石油的过度依靠，实施了世界上规模最大的乙醇开发计划。到1991年，乙醇产量达到130亿升，在980万辆汽车中，近400万辆为纯乙醇汽车，其余大部分汽车燃用的是20的乙醇汽油混合燃料，乙醇燃料已占汽车燃料消费量的50以上。在生物柴油方面，德国发展比较快，现有23家生物柴油生产企业，拥有1717个生物柴油加油站，2004年生产能力已达到109.7万吨。德国还将建成世界上最大的生物柴油装置。美国也很重视生物柴油的开发利用，目前有4家生物柴油生产厂，总能力为0.30Mt/a。马来西亚利用自身的资源优势，自1980年起就开始研发棕油生物柴油，并计划发放9张许可证建立棕油生物柴油厂。巴西也是较早把握生物柴油技术的国家。

  生物质能源的开发利用早已引起世界各国政府和科学家的关注，许多国家都制定了相应的开发探究计划。美国已做出到2010年生物基产品要由2001年占总产品量的5增加到12，燃料乙醇由占运输燃料总量的0.5提高到4的规划；日本和印度分别制订了“阳光计划”及“绿色能源工程计划”。其它诸如丹麦、荷兰、德国、法国、加拿大、芬兰等国，多年来一直在进行各自的探究和开发，并形成了各具特色的生物质能源探究和开发体系，拥有着各自的技术优势。

  国外对生物质能源的开发主要利用了沼气技术、生物质热裂解气化技术、生物质液体燃料技术等。

  此技术主要是利用厌氧法处理禽畜粪便和高浓度有机废水，是发展较早的生物质能利用技术。20世纪80年代以前，发展中国家主要发展沼气池技术，以农作物秸秆和禽畜粪便为原料生产沼气作为生活燃料。发达国家一直以来则主要发展厌氧技术，以处理禽畜粪便、垃圾和高浓度有机废水。目前，印度、菲律宾、泰国等发展中国家也建设了处理禽畜粪便的大中型沼气应用示范工程。

  早在20世纪70年代，美国、日本、加拿大、欧共体等发达国家就开始了对生物质热裂解气化技术的探究和开发。其中，流化床气化技术由于具有床内气固接触均匀、反应面积大、反应温度均匀、气化强度大等优点，从1975年以来一直是科学家们关注的热点[4]。到20世纪80年代，美国已有19家公司和探究机构从事生物质热裂解气化技术的探究和开发；加拿大12个大学的实验室在开展生物质热裂解气化技术的探究；菲律宾、马来西亚、印度、印尼等发展中国家也先后开展了这方面的探究。1996年，芬兰坦佩雷电力公司在瑞典建立了一座废木材气化发电厂，装机容量为60MW，产热65MW。瑞典能源中心在巴西建设了一座装机容量为20～30MW的发电厂，该电厂利用生物质气化、联合循环发电等先进的技术处理当地丰富的蔗渣资源，效益可观。

  生物质能是以生物质为载体的能量，即通过植物光合功能把太阳能以化学能形式在生物质中存储的一种能量形式。碳水化合物是光能储藏库，生物质是光能循环转化的载体，生物质能是惟一可再生的碳源，它可以被转化成许多固态、液态和气态燃料或其它形式的能源，称为生物质能源。煤炭、石油和天然气等传统能源也均是生物质在地质功能影响下转化而成的。所以说，生物质是能源之源。