劉延坤，孫清芳，李冬梅，陳志強(qiáng)

（1.黑龍江省森林工程與環(huán)境研究所，黑龍江 哈爾濱 150080;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150090；3.黑龍江省化工研究院，黑龍江 哈爾濱 150078）

綜 述

生物質(zhì)廢棄物資源化技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望*

劉延坤1，孫清芳1，李冬梅2，陳志強(qiáng)3

（1.黑龍江省森林工程與環(huán)境研究所，黑龍江 哈爾濱 150080;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150090；3.黑龍江省化工研究院，黑龍江 哈爾濱 150078）

面對能源緊張和環(huán)境保護(hù)的雙重壓力，生物質(zhì)廢棄物資源化開發(fā)利用引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。本文介紹了生物質(zhì)廢棄物的主要來源，綜述了世界各國生物質(zhì)廢棄物再利用技術(shù)的研究、應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)況，分析了其作為生物質(zhì)能源的經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境效益，展望了該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景，對該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提出了建議。

生物質(zhì)廢棄物；資源化；現(xiàn)狀

Abstract:Under the pressure from the energy and environmental protection，the utilization of biomass wastes have attracted great attention.The sources of biomass wastes were introduced.The current situation of research,application and development of the utilization of biomass wastes all over the world wa is reviewed in this paper.The economic,social and environmental benefits of the utilization of biomass wastes were analyzed.The prospect and development pattern of bio-diesel industry in China were pointed outaswell.

Keywords:biomasswaste；utilization；status

隨著人口的增長和人民生活水平的提高，能源需求不斷增長，以化石燃料為主的傳統(tǒng)能源日趨緊缺；因煤炭、石油等利用而帶來的諸如溫室效應(yīng)等環(huán)境問題日益嚴(yán)重。面對著能源緊張和環(huán)境保護(hù)的雙重壓力，生物質(zhì)廢棄物資源化開發(fā)利用引起了廣泛關(guān)注。

利用生物質(zhì)廢棄物制取生物能源是目前世界上生物質(zhì)能研究開發(fā)的前沿技術(shù)，該技術(shù)是將木材、竹子、農(nóng)作物秸稈等農(nóng)林業(yè)廢棄物為主的生物質(zhì)，轉(zhuǎn)化為高品位的易儲存、易運(yùn)輸、能量密度高且使用方便的能源，如燃料乙醇、生物柴油、沼氣、生物質(zhì)型煤等[1,2]，并可以從中提取具有商業(yè)價(jià)值的化工產(chǎn)品。生物質(zhì)廢棄物在其整個(gè)利用周期能夠保持碳的平衡，可以實(shí)現(xiàn)CO2的零排放，是能夠固定碳的唯一可再生能源。在當(dāng)今世界能源結(jié)構(gòu)中，生物質(zhì)能約占14%，主要是作為燃料，通過燃料燃燒獲取能量，不但利用效率低而且因不完全燃燒容易造成CO、煙塵等環(huán)境污染。因此，如何有效利用生物質(zhì)廢棄物資源，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)廢棄物的資源化利用，獲得相應(yīng)有價(jià)值的產(chǎn)物，對我國這樣的農(nóng)業(yè)大國具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 生物質(zhì)廢棄物的來源

生物質(zhì)廢棄物資源主要包括:農(nóng)業(yè)廢棄物，林業(yè)廢棄物，城市和工業(yè)廢棄物等。據(jù)估計(jì)世界范圍年產(chǎn)生物質(zhì)廢棄物約100～150億t[3]。

（1）農(nóng)業(yè)廢棄物 是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的副產(chǎn)品和糧食加工行業(yè)排出的谷殼等廢棄物，如麥草、玉米秸稈、大豆渣、果殼、果核、玉米芯和甘蔗渣等。我國農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量約為7億t左右，其中造肥還田及其收集損失約占15%，剩余的5.95億t，除了作為飼料、工業(yè)原料之外，大多處于低效利用方式即直接在柴灶上燃燒，其轉(zhuǎn)換效率僅為10%～20%左右。而且隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，農(nóng)民收入的增加，地區(qū)差異正在逐步擴(kuò)大，農(nóng)村生活用能中商品能源的比例正以較快的速度增加，在較為接近商品能源產(chǎn)區(qū)的農(nóng)村地區(qū)或富裕的農(nóng)村地區(qū)，商品能源（如煤、液化石油氣等）已成為其主要的炊事用能。以傳統(tǒng)方式利用的秸稈大量被取代，致使被棄于地頭田間直接燃燒的秸稈量逐年增大，許多地區(qū)廢棄秸稈量已占總秸稈量的60%以上，既危害環(huán)境，又浪費(fèi)資源。因此，加快秸稈的優(yōu)質(zhì)化轉(zhuǎn)換利用勢在必行。

（2）林業(yè)廢棄物 主要包括薪材、落葉、樹皮、樹根及林業(yè)加工廢棄物等，我國采伐造材所得的原木材積僅為立木蓄積量的65%左右[4]，其余均作為剩余物。黑龍江省現(xiàn)有森林面積1895萬hm2，總蓄積量14.98億m3，森林覆蓋率達(dá)41.9%，森林面積、森林總蓄積和木材產(chǎn)量均居全國首位，是國家最重要的國有林區(qū)和最大的木材生產(chǎn)基地。每年森林采伐面積約為419萬m3，僅此一項(xiàng)可得到63～105萬m3的林間剩余物（枝丫、樹梢、樹皮等）。如此巨大的閑置資源如能得到合理利用，將會極大地緩解森林資源緊缺及木材供需矛盾。

（3）城市和工業(yè)廢棄物 主要是由居民生活垃圾，商業(yè)、服務(wù)業(yè)垃圾、少量建筑垃圾和工業(yè)垃圾等廢棄物所構(gòu)成的混合物，成分比較復(fù)雜，其構(gòu)成主要受居民生活水平、能源結(jié)構(gòu)、城市建設(shè)、綠化面積以及季節(jié)變化的影響。隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大和城市化進(jìn)程的加速，中國城鎮(zhèn)垃圾的產(chǎn)生量和堆積量逐年增加，具有有機(jī)物含量高、易降解成分含量高等特點(diǎn)。

2 生物質(zhì)廢棄物資源化現(xiàn)狀

目前，許多國家相繼進(jìn)行生物質(zhì)廢棄物資源化利用技術(shù)開發(fā)和研究，早在1979年，美國就開始采用生物質(zhì)燃料直接燃燒發(fā)電，近年來美國生物能源的開發(fā)主要致力于利用有機(jī)固體廢棄物生產(chǎn)生物能源，如采用濕法處理垃圾產(chǎn)沼氣，回收沼氣用于發(fā)電，同時(shí)生產(chǎn)肥料，其生產(chǎn)效益非常可觀；采用木材、玉米秸稈等纖維廢棄物生產(chǎn)燃料乙醇的產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)項(xiàng)目等方面的研究。在政府相關(guān)政策的支持下，歐盟各國都開始加強(qiáng)生物質(zhì)能的利用工作，其中，德國、丹麥、瑞典、奧地利和芬蘭在生物質(zhì)發(fā)電方面處于領(lǐng)先地位，芬蘭、瑞典和奧地利的生物質(zhì)發(fā)電量分別占到了總能源供應(yīng)量的22%、18%和12%。芬蘭和瑞典有歐洲范圍內(nèi)最大的森林植被面積，林木質(zhì)資源十分豐富，林業(yè)生物質(zhì)能源是他們的主要發(fā)展方向，瑞典15%的能源供應(yīng)來自以森林采伐剩余物和木材加工剩余物（如樹皮、木屑、木片等）為原料制備的生物質(zhì)燃料[5]。英國也對能源作物和森林廢棄物的利用做出了長期規(guī)劃，截止到2010年，生物質(zhì)發(fā)電占總量的10%；另外，采用超短觸裂解技術(shù)將木屑等農(nóng)林廢棄物轉(zhuǎn)化為液體生物油技術(shù)近年來在國際可再生資源轉(zhuǎn)化技術(shù)研究十分活躍。此外，丹麥、荷蘭、德國、意大利、瑞士等許多歐洲國家在生物質(zhì)廢棄物資源化利用技術(shù)方面取得了很大的進(jìn)展。同時(shí)，發(fā)展中國家也己經(jīng)展開了此方面的研究，如孟加拉國、印度、馬來西亞等。

我國與發(fā)達(dá)國家相比相對落后，但研究開發(fā)生物質(zhì)廢棄物資源高效轉(zhuǎn)換利用技術(shù)方面已形成一致意見。全國多家高校及科研機(jī)構(gòu)在研制生物質(zhì)利用裝置上都相繼取得了一系列的成果，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國農(nóng)科院、廣州能源所、浙江大學(xué)、中科院化冶所、大連科學(xué)院等都在開發(fā)利用生物質(zhì)能。另外，我國在將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高品位能源技術(shù)的研制和開發(fā)上取得了較大進(jìn)展，例如:生物質(zhì)氣化、液化和致密成型等等，其中生物質(zhì)的氣化己進(jìn)入應(yīng)用階段，尤其是在生物質(zhì)氣化集中供氣技術(shù)和中小型生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)方面更取得了較大進(jìn)展，由于投資小，比較適合農(nóng)村地區(qū)使用，具有良好的競技性和社會效益，在小范圍內(nèi)推廣，有較好的發(fā)展前景。目前，已有不少研究單位、工廠和公司從事生物質(zhì)能高品位利用和開發(fā)的研制、示范試驗(yàn)、批量生產(chǎn)和銷售服務(wù)。

3 生物質(zhì)廢棄物利用技術(shù)

生物質(zhì)廢棄物利用技術(shù)一般分為物理技術(shù)、化學(xué)技術(shù)和生物技術(shù)[6-8]。目前，世界各國主要集中在化學(xué)技術(shù)方面的研究。生物質(zhì)廢棄物利用技術(shù)及產(chǎn)品見圖1。

圖1 生物質(zhì)廢棄物利用技術(shù)與產(chǎn)品Fig.1 The utilization technology ofbiomasswastes and products

4 效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)意義

在過去的幾年里，國際原油價(jià)格飛速上漲，而我國己經(jīng)超過日本成為世界二大能源消費(fèi)國，超過1/3的原油需要進(jìn)口，這對于我國經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定和發(fā)展極不利。由于我國石油和天然氣資源缺乏，預(yù)計(jì)2020年之后，石油供給的對外依存度將超過60%，天然氣供給對外依存度將超過40%。我國煤炭資源雖然比豐富，但煤炭大量開采、運(yùn)輸和使用對環(huán)境造成很大負(fù)面影響，而且煤炭資源總歸是有限的，總有消耗殆盡之時(shí)。因而，利用現(xiàn)代技術(shù)開發(fā)包括生物質(zhì)能在內(nèi)的再生能源資源，通過適當(dāng)?shù)恼吆唾Y金支持，有效發(fā)揮市場機(jī)制的作用，積極促進(jìn)這些可再生能源的發(fā)展，對緩解常規(guī)能源供應(yīng)不足的壓力，節(jié)約外匯資金，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展將會起到十分重要的作用。我國的生物質(zhì)資源非常豐富，中國每年產(chǎn)出的農(nóng)林廢棄物量相當(dāng)可觀，以食用菌培養(yǎng)系統(tǒng)中最常見的副產(chǎn)品菌糠為例，2000年我國菌糠年生產(chǎn)量己達(dá)300萬t左右，有很大的開發(fā)潛力；將生物質(zhì)廢棄物轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)能源的技術(shù)和產(chǎn)品具有極大的潛在市場，充分開發(fā)利用生物質(zhì)能源具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。

4.2 社會意義

我國有九億多人口生活在農(nóng)村，占農(nóng)村居民生活用能的70%的生物質(zhì)能是在普通爐灶上直接燃燒，生物質(zhì)資源利用水平低，嚴(yán)重阻礙了農(nóng)村經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展。自1997年開始，國家在能源工業(yè)中采取了許多重大決策，使農(nóng)村能源由當(dāng)?shù)啬茉春妥匀毁Y源為主的狀況逐步向商品能源的方向轉(zhuǎn)變，生物質(zhì)熱裂解制取生物油技術(shù)對于開辟新能源領(lǐng)域，促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，加快我國農(nóng)村經(jīng)濟(jì)建設(shè)，維護(hù)社會穩(wěn)定和社會可持續(xù)發(fā)展有重要的意義。

4.3 環(huán)境意義

目前，環(huán)境污染給中國乃至全球帶來了嚴(yán)重的氣候和生態(tài)的負(fù)面效應(yīng)，尤其使CO2的大量排放。煤、石油、天然氣等礦物燃料燃燒帶來的環(huán)境問題日益突出。據(jù)分析，目前全球每年排放SO2約2.9億t，其中80%為化石燃料燃燒排放所致。中國有30%以上的面積出現(xiàn)酸雨。此外，礦物燃料在燃燒過程中，排放出CO2氣體，在大氣層中不斷積累，溫室氣體在大氣中的濃度不斷增加，導(dǎo)致氣候變暖。2005年2月16日《聯(lián)合國氣候變化框架公約》締約國簽訂的《京都議定書》正式生效，在這一公約中對溫室氣體的排放有了嚴(yán)格的規(guī)定，這標(biāo)志著人類對于“溫室效應(yīng)”的控制邁出了堅(jiān)實(shí)的一步，也體現(xiàn)出人類在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)更多關(guān)心了環(huán)境保護(hù)的問題。生物質(zhì)能源具有CO2零排放的特點(diǎn)，是一種清潔能源，用生物油代替動(dòng)力用油，減少了交通業(yè)、制造業(yè)對大氣的污染，有利于緩解日益嚴(yán)重的溫室效應(yīng)和維持生態(tài)良性循環(huán)，是解決能源和環(huán)境問題的有效途徑之一。

5 展望

生物質(zhì)能是一種重要的可再生能源，利用生物質(zhì)廢棄物生產(chǎn)生物質(zhì)能源可以緩解化石能源危機(jī)和環(huán)境污染，生物質(zhì)能源的消費(fèi)量也在直線上升，尤其是很多發(fā)達(dá)國家都大力扶持生物質(zhì)廢棄物資源化產(chǎn)業(yè)。但是，我們必須看到，生物質(zhì)廢棄物在資源化利用上還存在很多問題，各種轉(zhuǎn)化技術(shù)是生物質(zhì)廢棄物能否達(dá)到大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。生物質(zhì)廢棄物資源化應(yīng)用應(yīng)當(dāng)以以下幾個(gè)方面為主：

（1）城市垃圾和工業(yè)農(nóng)業(yè)廢棄物的綜合規(guī)?；眉笆痉豆S建立。

（2）生物質(zhì)的熱裂解液化產(chǎn)品的深加工。生物質(zhì)熱裂解液化油中組分復(fù)雜，含有大量高價(jià)值化工品，而且可以一定程度上緩解化石能源危機(jī)。

（3）生物質(zhì)制沼氣，因地制宜，在生物質(zhì)原料富積的地區(qū)大力發(fā)展生物質(zhì)制沼氣技術(shù)。

（4）燃料乙醇和生物柴油，這是目前世界上發(fā)展的熱點(diǎn)。它們共同的難點(diǎn)都是原料問題，積極發(fā)展這兩種替代燃料可以極大的緩解能源危機(jī)。

（5）無論從保護(hù)環(huán)境的角度還是能源利用的角度，生物質(zhì)的發(fā)展都是勢在必行的，為了促進(jìn)我國可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展，我國已于2005年通過了《可再生能源法》并于2006年開始實(shí)施，并且效仿國外可再生能源的發(fā)展方法，在政府的保障下，切實(shí)發(fā)展可再生能源?？梢哉f，生物質(zhì)能源的發(fā)展前景是廣闊的，而且在環(huán)境和經(jīng)濟(jì)方面都有很大的意義。

［1］曾少軍,任磊.清潔發(fā)展機(jī)制在我國生物質(zhì)能領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展［J］.化工進(jìn)展,2009,8（5）:729-733.

［2］柳羽豐,王濱生,王佳祥.非糧燃料乙醇發(fā)展綜述［J］.化學(xué)工程師，2009，166（7）:53-55.

［3］劉娜,石淑蘭.木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化為燃料乙醇的研究進(jìn)展［J］.現(xiàn)代化工,2005,25（3）:19-22.

［4］趙康,趙塵.基于物質(zhì)減量化原則的人工用材林采伐利用［J］.西北林學(xué)院學(xué)報(bào),2009,24（6）:204-207.

［5］生物質(zhì)能源考察組.德國瑞典林業(yè)生物質(zhì)能源利用技術(shù)考察報(bào)告［J］.生物質(zhì)化學(xué)工程,2006,（S1）:7-14.

［6］雒廷亮,許慶利,劉國際,等.生物質(zhì)能的應(yīng)用前景分析［J］.能源研究與信息,2003,19（4）:194-197.

［7］丁素珍,王孟杰.生物質(zhì)能的利用［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),1993,9（4）:51-57.

［8］張應(yīng)桂,周勇.生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)利用現(xiàn)狀與環(huán)境評價(jià)［J］.化學(xué)工程師,2007,146（11）:33-36.

Current status and prospect of the utilization of biomasswastes*

LIU Yan-kun1,SUN Qing-fang1,LIDong-mei2,CHEN Zhi-qiang3
（1.Heilongjiang Forestry Engineering and Environment Institute,Harbin 150080，China;2.Harbin Institute of Technology,Harbin 150090，China;3.Heilongjiang Institute of Chemical Engineering,Harbin 150078，China）

TQ91

A

1002-1124（2011）03-0028-04

2010-12-31

黑龍江省財(cái)政基金支助項(xiàng)目

劉延坤（1979-），女，助理研究員，博士，2008年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，環(huán)境工程專業(yè)，一直從事生物質(zhì)能源研究工作。