上海應用技術學院能源與資源綜合利用研究所 蔡建軍 王清成

上海電力學院環(huán)境與化學工程學院 王 婷

生物質能是指把光能以化學能形式儲存起來的有機物質，是一種可再生、環(huán)境友好、可持續(xù)發(fā)展的清潔能源。因生物質不僅來源廣泛，而且生物質中硫含量和灰分含量較低，利用過程中對環(huán)境污染小，不會增加自然界碳的循環(huán)總量，對于未來的能源戰(zhàn)略具有深遠意義。根據(jù)BP公司2013年統(tǒng)計年鑒可知，世界生物燃料的產量由2002年的11830千噸油當量增加到2011年60286千噸油當量。2012年生物燃料產量因受美國影響，較2011年下降3.5%，這是生物燃料產量出現(xiàn)的首次下滑。美國生物燃料的產量由2002年的3987千噸油當量增加到2011年28513千噸油當量，增加6.2%，但美國2012年生物燃料產量較2011年生物燃料下降4.3%，占2012年世界生物燃料總產量45.4%。我國生物燃料產量由2011年的146千噸油當量增加到2012年1729千噸油當量，占2012年世界生物燃料總產量2.9%。生物燃料產量2012年較2011年出現(xiàn)了首次下滑，究其原因，主要是由于生物燃料大量來源于經濟農作物導致，未來生物燃料的發(fā)展將面臨原料轉型的考驗。于此同時，各國都制定了相應的生物燃料發(fā)展戰(zhàn)略，如美國欲在中西部打造航空生物燃料基地，這將極大促進美國航空行業(yè)的綠色發(fā)展；德國政府提出了生物經濟戰(zhàn)略，提出通過大力發(fā)展生物經濟，以擺脫對化石能源的依賴、增加就業(yè)機會、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、提高德國在經濟和科研領域的全球競爭力，且在2010年，啟動了“2030年國家生物經濟研究戰(zhàn)略通向生物經濟之路”科研項目，計劃2011年至2016年間投入24億歐元用于生物經濟的研發(fā)應用。我國發(fā)展生物燃料產業(yè)是促進克霾減排、保護生態(tài)環(huán)境的有效手段，也是發(fā)展清潔能源緩解化石能源短缺、維護能源安全的重要力量，更是實施清潔能源支撐新農村建設和城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略、促進農民增收的有效途徑。因此，我國十八大報告中就明確提出“支持節(jié)能低碳產業(yè)和新能源、可再生能源發(fā)展，確保國家能源安全”。生物質能是唯一可再生的碳源，并可轉化成優(yōu)質常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料，是解決未來能源危機最有潛力的途徑之一。

1 固體生物質燃料應用技術

固體生物質燃料的制備主要采用固化成型技術，可將低品位生物質轉化為便于儲存、運輸和利用的高品位生物質燃料。在固化成型的過程中往往需要加入粘結劑來增加其表觀密度和抗破損能力。生物質制品的主要原料為農林類廢棄物，如秸稈、木屑和玉米芯等。

1.1 成型技術

（1）工藝流程 目前普遍使用的固體生物質燃料生產技術工藝流程如圖1所示。首先需對生物原材料進行收集處理，去除水分多、灰分高、污染高、熱值低和不易燃燒的生物原材料后進行干燥處理，使其既便于燃燒也便于運輸和成型處理；然后進行粉碎和壓縮處理，在壓縮的過程中一般需加入黏結劑，也可在這一過程中加入助燃劑，若黏結劑與助燃劑兩者合二為一效果更佳；最后形成便于燃燒、運輸和存儲的固體生物質燃料。

（2）技術類型及應用 固體生物質燃料生產技術按生產條件的不同，可分為常溫濕壓成型、熱壓成型、冷壓成型和炭化成型技術。常溫濕壓成型技術指將纖維素原料置于常溫下浸泡水解處理，使纖維軟化、皺裂、濕潤、水解后壓縮成型。該技術設備簡單，操作簡便，但部件磨損較快，烘干成本高昂，燃燒特性較差，不利于推廣使用。熱壓成型技術根據(jù)加熱部位分為非預熱成型技術與預熱成型技術。非預熱成型技術只對成型部位進行加熱，而預熱成型技術不僅對成型部位加熱，而且在原料進入成型機之前也需加熱。預熱成型技術通過減低成型壓力，使成型部件壽命大幅提高。冷壓成型技術指在常溫下將生物質顆粒高壓擠壓成型。該技術需要很大的成型壓力，可在壓縮過程中添加一定量粘結劑降低擠壓壓力。炭化成型技術根據(jù)炭化階段的先后可分為先炭化后成型與先成型后炭化。該技術將生物質原料炭化成粉末狀木炭后，添加一定量粘結劑，用壓縮成型機壓成一定規(guī)格與形狀的成品木炭。該技術可有效減低成型部件磨損及擠壓過程中的能量消耗，但不利于貯存運輸。

圖1 固體生物質燃料生產流程

（3）技術設備 國內學者對成型技術中的重要設備-成型機進行了大量的研究。1998年東南大學、江蘇省科技情報所和國營9305廠研制出了MD-15型固體燃料成型機；20世紀90年代，河南農業(yè)大學和中國農機能源動力研究所分別研究出了PB-1型機械沖壓式成型機、HPB系列液壓驅動活塞式成型機、CYJ-35型機械沖壓式成型。現(xiàn)有的成型機主要包括螺旋擠壓式成型機、活塞沖壓成型機和壓輥式成型機，其中前兩種成型機技術較成熟，應用較廣。

1.2 燃燒技術

（1）生物質燃料直接燃燒技術。即利用燃燒設備（鍋爐和爐灶）直接燃燒生物質燃料。爐灶燃燒的優(yōu)點是操作簡單，投資小，但燃燒效率低（10%～25%）、規(guī)模小，對生物質資源利用產生極大浪費。鍋爐燃燒可以通過使用先進的鍋爐技術和燃燒技術，實現(xiàn)生物質的大規(guī)模高效燃燒，但投資大和操作復雜。鍋爐燃燒主要包括層燃技術和流化床燃燒。

1)層燃技術。適于燃燒含水率較高和粒徑不勻的生物質燃料，一般額定功率不高于20 MW，廣泛應用于各個行業(yè)，采用的鍋爐主要有往復推飼爐排爐和鏈條爐。在國外，丹麥ELSAM公司改造出具有耐磨損、耐腐蝕和燃燒效率高等特點的Benson型鍋爐；國內，田宜水等[1]研究設計雙燃燒室結構的秸稈直燃熱水鍋爐，翟學民[2]研制出閉式爐膛結構的甘蔗渣鍋爐。

2)流化床技術。具有熱容大、燃燒效率高、傳熱傳質性好、有害氣體排放少等優(yōu)勢，主要用于燃燒水分大和熱值低的生物質燃料。在國外，美國的CE公司成功研制出大型燃廢木循環(huán)流化床發(fā)電鍋爐；瑞典研制的大型流化床鍋爐，熱效率可達到80%；芬蘭在Kelionlahti市建造的泥煤與生物質混燒流化床鍋爐，燃料為泥煤和碎木屑。該鍋爐容量為200MW電功率，熱功率為240WM，向Jvvaskvlan市供熱[3]。國內，向柏祥等[4]根據(jù)生物質燃燒特性，提出了垢下腐蝕機理，并設計了100MWe再熱生物質循環(huán)流化床鍋爐，并對其性能進行預測。宋景慧等[5]通過Fluent對220 t/h生物質循環(huán)流化床爐膛進行二維燃燒模擬；通過對爐膛內溫度場、O2、CO2等組分的模擬結果進行分析，得知爐膛下方4 m截面處為生物質燃料燃燒最劇烈，該位置燃燒反應消耗絕大部分一次風，爐膛內其他截面溫度沿爐膛高度總體呈現(xiàn)下降趨勢，燃燒溫度較低且變化范圍較小。

（2）成型生物質燃料燃燒技術。成型生物質燃料因具有體積小、密度大、儲運方便、燃料致密、無碎屑飛揚、燃燒持續(xù)穩(wěn)定、燃燒效率高、燃燒后的灰渣和煙氣中污染物含量小等優(yōu)勢，受到越來越多的研究和應用。另外，由于生物質成型燃料燃燒設備生產技術成熟，推動了固體生物質燃料燃燒技術在各領域中的普遍使用。成型生物質燃料燃燒研究在國內雖然取得了一定的成果，但技術遠落后于國外，因此，開發(fā)具有我國自主知識產權和符合我國國情的成型生物質燃料燃燒技術是我國未來發(fā)展的一個目標。

（3）成型生物質燃料與煤混燒技術。由于成型生物質燃料熱值低、水分多、易受季節(jié)及區(qū)域影響，較難滿足連續(xù)穩(wěn)定燃燒與供應要求，而煤是一種非再生的、不清潔的能源。將煤與生物質混合燃燒不僅可以克服各自的缺陷，而且對原有的燃燒設備改變不大。國外，生物質與煤混合燃燒技術已進入商業(yè)示范階段，美國和歐盟等發(fā)達國家已建成一定數(shù)量生物質與煤混合燃燒發(fā)電示范工程，電站裝機容量通常在50～700 MW，少數(shù)系統(tǒng)在5～50 MW，燃料包括農作物秸稈、廢木材、城市同體廢物以及淤泥等。國內，對生物質與煤混合燃燒的研究較多，但大部分都停留在生物質與煤燃燒的排放特性上，而對先進設備與技術研究相對滯后，如王永征等[6]使用水平管式爐模擬爐膛氣氛及積灰情況，采用腐蝕增重方法，對生物質混煤燃燒過程中受熱面金屬管材的氯腐蝕特性進行試驗研究。結果表明，金屬試樣的腐蝕增重隨時間增加而增大，并符合拋物線規(guī)律，即初期存在快速腐蝕現(xiàn)象，生成保護薄層后腐蝕逐漸變緩。隨著生物質摻混比例提高，反應速率在快速腐蝕階段成比例增加，而后期變化不大。魯光武等[7]利用熱重分析儀,在不同生物質及不同摻混比條件下,對3種生物質與煤的混合試樣進行燃燒特性實驗研究。結果表明，生物質著火溫度比白沙煤低，通過摻燒生物質可降低著火溫度，改善燃燒特性。活化能E和指前因子A隨混煤中生物質比例增加而降低，表明煤中摻燒生物質有助于改善煤的燃燒特性。

2 液體生物質燃料應用技術

隨著石油資源的匱乏、價格的攀升、環(huán)境的污染，尋找綠色可再生的石油替代燃料顯得越來越重要。液體生物質燃料因具有資源豐富、價格低廉、可再生、零排放等優(yōu)勢而作為石油替代燃料最為理想，受到越來越多人的青睞。液體生物質燃料主要包括燃料乙醇和生物柴油，其中燃料乙醇是被看好的石油替代燃料。

2.1 燃料乙醇

20世紀初葉，燃料乙醇因石油可大規(guī)模、低成本開發(fā)而被淘汰，而如今，因燃料乙醇具有低廉、安全、環(huán)保、清潔和可再生等優(yōu)點而作為最佳石油替代燃料，被越來越多的人關注。國外，燃料乙醇在燃料市場中所占的比例逐年增加，巴西的乙醇出口量由2005年的24.3億升增加到2010年的80億升；2001-2006年，美國燃料乙醇產業(yè)為聯(lián)邦政府增加稅收19億美元，減少石油進口1.7億桶、減少外匯支出87億美元；2010年，美國環(huán)保署宣布同意將美國汽油中的乙醇含量上限由目前10%提高到15%，但只推薦2007年以后生產的汽車使用。我國在這方面也取得了令人矚目的成就，自2001年宣布推廣車用乙醇汽油以來，2005年底，成為世界第三大燃料乙醇生產國，2007年僅汽油添加燃料乙醇就達到550萬噸。

（1）生產技術。主要是指非糧食原料乙醇發(fā)酵生產技術。燃料乙醇的乙醇含量一般為99.5%以上，高于無水乙醇（95%），生產過程對脫水處理要求更加嚴格，其脫水方法主要有萃取精餾法、共沸精餾法、吸附分離法和離子交換樹脂法等。目前燃料乙醇的生產成本較高，主要包括原料成本和能耗成本，因此，如何降低成本提高其在燃料市場中的競爭力成為該領域的研究熱點。

（2）應用領域。作為最佳石油替代燃料的燃料乙醇，其應用領域十分廣泛，可應用于工業(yè)、農業(yè)和交通運輸行業(yè)等。隨著各國碳排放體系的建立，燃料乙醇迎來了更加光明的前景，特別是在航空運輸行業(yè)，通過使用燃料乙醇可以減少大量的碳稅，降低成本，提高競爭力。

2.2 生物柴油

生物柴油是利用動植物油脂生產出來的一種分子量與柴油接近的長鏈脂肪酸單烷基酯，具有十六烷值高、潤滑性好、無毒、VOC低、高閃點和可生物降解等優(yōu)點，可被用來替代柴油和作為化工產品原料使用。國外，生物柴油已經被廣泛使用，2003年德國耕地面積為1180萬公頃，其中90萬公頃種植了能源植物，2005年已擁有1800多個生物柴油加油站；美國生物柴油的產量自2000年起快速增長，預計到2015年產量將達650萬噸。近年來我國生物柴油發(fā)展迅速，并取得令人矚目的成就，但因其原料短缺、成本較高、政策扶持不到位而頻頻受阻。表1為世界部分國家生物柴油發(fā)展目標及主要原材料[8]，由表1可見，各國對未來生物柴油的發(fā)展非常重視，并制定了詳細的目標。

表1 部分國家生物柴油發(fā)展目標及主要原材料

（1）生產技術。生物柴油生產技術主要有直接混合法、微乳化法、高溫熱裂解法、酯交換法、酶催化法。其中直接混合法和微乳化法屬于物理方法，高溫熱裂解法、酶催化法和酯交換法屬于化學法。表2羅列了4種主要生產技術的優(yōu)缺點[9]，由表可知，各技術所需原料不盡相同，優(yōu)缺點也不相同。目前，制備生物柴油最多的方法是酯交換法，酯交換法以甘油三酸酯與甲醇在堿催化下通過酯交換制得。該方法具有原料廣泛、工藝簡單、產品性質穩(wěn)定等特點而廣泛使用。同時，也存在一些不足，如生產過程中會產生大量堿性廢水、催化劑不易分離回收、設備腐蝕嚴重而制約其進一步發(fā)展。

表2 生物柴油各生產技術的對比

（2）技術優(yōu)化。針對生物柴油生產過程催化劑不易分離回收導致腐蝕設備的問題，前人作了大量研究，主要體現(xiàn)在技術優(yōu)化或尋全新生產技術，例如董廣達等[10]采用浸漬與混捏相結合的方法制備了Ni-Mo/γ-Al2O3催化劑,并通過微型固定床反應器對其性能進行評價。結果表明，在最適反應壓力4 MPa、反應溫度360℃、液態(tài)空速1.00 h-1下,質量收率為80.3%，脫氧率為99.2%；靳福全等[11]采用共沉淀法制備了催化劑前體鎂鋁水滑石，再高溫焙燒制得鎂鋁復合氧化物催化劑。以蓖麻油和甲醇酯交換反應為探針反應，采用正交實驗考察催化劑制備條件對催化劑活性的影響，結果表明，在碳酸鈉用量7.5%、焙燒溫度550℃、焙燒時間7 h條件下，制得催化劑用于蓖麻油和甲醇酯交換，得出蓖麻油轉化率平均可達96.2%。

（3）應用領域。生物柴油的制備原料來源十分寬廣，不僅可以變地溝油為寶，而且還可以通過富油、易繁殖和易飼養(yǎng)的微藻生物制得。通過微藻生物制備生物柴油，可以提高生物柴油的質量，還有望降低生物柴油的成本，具有非常光明的前景。因生物柴油成本低廉、清潔和可再生，而被應用于各個領域中。

3 氣體生物質燃料應用技術

將生物質制成氣體燃料是實現(xiàn)生物質高效清潔利用的另外一種形式，主要包括生物質發(fā)酵（沼氣）利用、生物質氣化利用、生物質制氫利用。其中生物質制氫技術是目前研究的熱點，可用于很多領域，特別是燃料電池、汽車燃料方面。

3.1 生物質發(fā)酵技術利用

沼氣是指生物質通過厭氧微生物分解代謝后生成的以甲烷為主的氣體，還包括少量的硫化氫、氫氣、二氧化碳。沼氣發(fā)酵包括3個階段，即水解液化階段、酸化階段和產甲烷階段。隨著生物技術不斷發(fā)展，促進了高效厭氧微生物的挖掘使用，促進了沼氣利用的發(fā)展。我國很重視這一領域的研究應用，2007年以來，我國密集出臺了一系列規(guī)范、鼓勵沼氣發(fā)展的政策法規(guī)，其中《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》的頒布，更是將沼氣列為中國重點發(fā)展的生物質能源；根據(jù)《中國農村能源年鑒》統(tǒng)計，2001-2009年中央政府對沼氣建設的累計投資達196.1億元，累計補貼農戶1453.4萬戶，占建池戶數(shù)的41.4%。中國是世界上最大的沼氣生產國，2008年全國各地新增處理農業(yè)廢棄物沼氣工程1.36萬處，年增38.9%，總池容達 451.48萬m3，年產沼氣5.26億m3；到2010年，建成規(guī)?；I(yè)有機廢水沼氣工程1600座、畜禽養(yǎng)殖場沼氣工程4700座、大中型沼氣工程年產沼氣約40億m3，沼氣發(fā)電達到100萬kW。在國外，瑞典的沼氣能源56%用于供熱、19%用于汽車燃料、8%用于發(fā)電和4%注入天然氣管道，沼氣汽車加氣站有120多座；英國沼氣發(fā)電裝置裝機容量2006年已達到720MW。

3.2 生物質氣化技術

生物質氣化是在一定條件下將生物質的碳氫化合物轉化成含一氧化碳、甲烷、氫氣氣體的過程，可分為有氣化劑氣化和無氣化劑氣化兩類。有氣化劑氣化指在高溫下以空氣、氧氣、水蒸氣、氫氣或其混合氣等作為氣化劑，通過熱化學反應將生物質轉化為可燃氣體；無氣化劑氣化指在高溫、隔絕空氣的條件下，通過熱化學反應將生物質轉化為可燃氣體。生物質氣化技術中關鍵裝置是氣化爐，國內外在這一領域進行了大量的研究，并取得諸多研究成果。例如：日本學者KentaroUmeki等[12]利用上吸式固定床氣化爐通過改變水蒸汽溫度、水蒸氣與生物質比重、生物質進料速度及生物質粒徑來研究生物質氣化結果，結果顯示改變水蒸汽溫度、水蒸氣與生物質比重、生物質進料速度對生物質氣化結果影響明顯，而改變生物質粒徑對生物質氣化結果影響不大；我國哈爾濱工業(yè)大學朱舒揚等[13]提出利用生物質氣化氣為選擇性非催化還原技術(SNCR)反應的添加劑，并進行相應的反應動力學計算，計算結果表明生物質氣化氣作為添加劑可以提高低溫條件下SNCR反應的脫硝效率。

3.3 生物質制氫技術

氫氣是一種熱值高、無污染的可再生能源，近年來隨著氫氣貯存技術和燃料電池技術的迅速發(fā)展，氫氣的制取和利用日益受到重視，被認為是一種最具潛力的替代能源，生物質可以通過一定技術手段制取氫氣。目前生物質制氫技術主要有生物質氣化制氫和生物乙醇制氫。

（1）生物質氣化制氫技術生物質氣化制氫原理基于生物質氣化原理，差別是生物質氣化制氫需將生物質氣化后得到的可燃性氣體與水蒸汽進行多次重整而得到純凈的氫氣。目前，國內外的研究主要集中在氣化爐、催化劑和氣化介質上，如德國的斯圖加特太陽能和氫能研究中心采用煅燒白云石作CO2吸收劑來吸收蒸汽氣化產生的CO2，且在快速內循環(huán)流化床（FICFB）和固定床中的實驗結果表明，產品氣中氫氣含量最高可達67.5%，而C02和CO含量分別降低為3.3%和0.3%。

（2）生物乙醇制氫技術生物乙醇制氫是目前研究比較多的技術，包括膜催化重整制氫、乙醇水蒸氣重整、乙醇部分氧化重整、乙醇二氧化碳重整制氫及乙醇氧化重整制氫。另外，還有一些新的方法，如低溫等離子體重整乙醇制氫、光催化乙醇制氫、超臨界水重整乙醇制氫等。我國對生物乙醇制氫進行了大量的研究工作，朱虹等[14]采用吸附強化技術強化乙醇水重整制氫過程，在最優(yōu)工藝溫度422-444℃、水醇比 10.2～10.8、液空速 0.13 h-1下，氫產率同比提高51.7%，氫含量同比提高22.9%；張麗娟等[15]采用共沉淀法制備了Co3O4/Ce0.8Pr0.2O2催化劑，并將其用于乙醇水蒸氣重整制氫反應，結果表明，催化劑中部分Co進入到載體晶格中,使載體發(fā)生畸變產生更多氧空位；載體中Pr摻雜有利于提高催化劑的抗積碳性能，同時可增強Co3O4與載體之間的相互作用，提高金屬Co的抗燒結性能。

（3）應用領域 我國天然氣在能源系統(tǒng)中所占比例很低，發(fā)展替代天然氣是非常必要的。作為天然氣最佳替代燃料的氣體生物質燃料，其應用領域極其廣泛，對農村和城市的發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

4 小結與展望

成型固體生物質燃料作為傳統(tǒng)煤炭燃料替代燃料，應用于工業(yè)生產及日常生活中，但燃料在成型過程中會增加額外能耗及人工成本，且成型固體生物質燃料燃燒效率較低，因此發(fā)展新型成型技術及提高燃燒效率是成型固體燃料的發(fā)展關鍵。液體生物質燃料作為傳統(tǒng)石油的替代燃料，應用于交通運輸，具有資源豐富、無污染、可再生等優(yōu)勢，結合國家政策的大力扶持，發(fā)展迅速。但目前液體生物質燃料主要以玉米、大豆及小麥等經濟農作物為主，造成“與民搶糧”的不合理局面，從能源償還比來看不劃算。從長遠來看，以植物纖維為原料的燃料乙醇，才是今后的主要發(fā)展方向。氣體生物質燃料可作為傳統(tǒng)天然氣的替代燃料，有效改變我國富煤貧氣的能源格局。目前，氣體生物質燃料主要以沼氣及生物質氣化氣為主，我國已將沼氣建設工程在全國各地推廣，但因投資大、維護成本高，限制了其進一步發(fā)展，在農村建設沼氣工程服務網點是解決這一問題的關鍵。生物質氣化產生的氣化氣熱值相對較低、成本較高，發(fā)展較緩慢，但通過優(yōu)化催化劑、工藝流程及氣化劑是解問題的關鍵。

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