張得政, 張 霞, 蔡宗壽, 楊 飛, 何東成

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，云南昆明 650201)

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生物質(zhì)能源的分類利用技術(shù)研究

張得政, 張 霞*, 蔡宗壽, 楊 飛, 何東成

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，云南昆明 650201)

摘要綜述了世界生物質(zhì)能源分類利用技術(shù)現(xiàn)狀，包括生物質(zhì)固化利用技術(shù)、生物質(zhì)液化利用技術(shù)、生物質(zhì)氣化利用技術(shù)，從生物質(zhì)固化成型燃料、生物質(zhì)液體燃料、生物質(zhì)氣化燃料幾方面，分析了我國(guó)生物質(zhì)能源開發(fā)利用現(xiàn)狀，根據(jù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有政策提出了加快生物質(zhì)能源發(fā)展的建議。

關(guān)鍵詞固化；液化；氣化；生物質(zhì)；能源；發(fā)展

近年來，三大化石能源的使用造成了二氧化碳排放量呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，導(dǎo)致全球大范圍氣候異常和局部氣候失衡，因此研發(fā)和利用可再生清潔能源具有重要意義。生物質(zhì)能是太陽能以化學(xué)能形式貯存在生物質(zhì)中的可再生能源，能夠長(zhǎng)期保障人們的生活用能[1]，在所有能源中具有不可替代的地位[2]。研究和開發(fā)可再生生物質(zhì)能源可有效控制溫室效應(yīng)和酸雨等環(huán)境危機(jī)[3]。生物質(zhì)能燃燒過程中產(chǎn)生的二氧化碳近似為零，是控制溫室效應(yīng)的重要途徑之一[4]，如果能夠大規(guī)模種植能源作物，逐漸實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)燃料的大規(guī)模生產(chǎn)，按年產(chǎn) 1 億 t 計(jì)算， 就能減少5.5%的二氧化碳排放[5]。20世紀(jì)70年代世界各國(guó)開始重視對(duì)生物質(zhì)能源的研發(fā)，相應(yīng)的許多國(guó)家也根據(jù)自身國(guó)情計(jì)劃今后如何發(fā)展生物質(zhì)能源，并且紛紛投入大量人力和物力。生物質(zhì)能是太陽能的一種形式,能夠在一定條件下轉(zhuǎn)化為固體顆粒、液體生物乙醇和氣體沼氣等燃料,是一種可長(zhǎng)期獲取的可再生能源[6]。據(jù)估計(jì)，2017年世界生物質(zhì)燃料消費(fèi)將增加到811億美元，比2014年擴(kuò)大1倍[7]。筆者介紹了世界各國(guó)生物質(zhì)固化、液化和氣化的利用現(xiàn)狀，對(duì)我國(guó)發(fā)展生物質(zhì)能源的已有平臺(tái)做了綜述，提出了國(guó)內(nèi)生物質(zhì)能源的發(fā)展建議，以期為生物質(zhì)能源的開發(fā)和利用提供借鑒。

1世界生物質(zhì)能源分類利用技術(shù)現(xiàn)狀

生物質(zhì)能源的利用可以分為直接燃燒利用，壓縮成致密顆粒利用，通過化學(xué)方式轉(zhuǎn)化成液體利用，以及在高溫下添加汽化劑反應(yīng)或發(fā)酵成可燃?xì)怏w利用。以下筆者就世界上生物質(zhì)固化利用、液化利用及氣化利用的現(xiàn)狀作出介紹。

1.1生物質(zhì)固化利用技術(shù)生物質(zhì)能源的固化利用技術(shù)是把生物質(zhì)粉碎成細(xì)小顆粒，然后在設(shè)定好溫度、濕度和壓力的情況下，用顆粒燃料成型機(jī)壓縮成為熱值高、密度大的成型燃料，能很好地克服生物質(zhì)熱值低、體積大、物理形態(tài)不規(guī)則等缺點(diǎn)。由于顆粒燃料的熱值接近煤熱值的60%，可以成為煤、天然氣等的替代燃料[8]。在20世紀(jì)30年代，全球開始對(duì)生物質(zhì)顆粒燃料進(jìn)行研發(fā)，直至70年代石油危機(jī)期間才作為產(chǎn)業(yè)發(fā)展起來。20世紀(jì)90年代，隨著大量的一次性石化能源的損耗和溫室效應(yīng)及酸雨等環(huán)境危機(jī)的日益嚴(yán)重，加大可再生能源的研發(fā)力度迫在眉睫。1997年經(jīng)世界各國(guó)的努力，第1次以法規(guī)的形式制定出《京都協(xié)議書》限制溫室氣體的排放，并于2005年生效，要求各個(gè)簽署國(guó)在2008～2012年的溫室氣體排放總量要比1990年下降5個(gè)百分點(diǎn)。2009年制定的《哥本哈根協(xié)議書》要求在2050年全球溫室氣體總量要比1990年下降80%。另外，許多國(guó)家還根據(jù)國(guó)情制定了適合本國(guó)的法律法規(guī)，這大大刺激了新能源的發(fā)展。生物質(zhì)顆粒燃料再次進(jìn)入到人們的視線，其產(chǎn)量在21世紀(jì)后以 18%～25%的速度增長(zhǎng)[9]。2000年世界生物質(zhì)顆粒燃料僅有165.0萬t，2010年已達(dá)到1 570.0萬t，增長(zhǎng)了近10倍。主要產(chǎn)區(qū)聚集在歐盟和北美洲國(guó)家，其在2010年產(chǎn)量分別達(dá)到928.6萬和432.0萬t，占世界總產(chǎn)量的59.3%和27.6%，而東歐俄羅斯地區(qū)和亞洲、澳洲地區(qū)產(chǎn)量分別只占世界總量的9.2%和3.9%[10]。1991年瑞典顆粒燃料廠家只有2家，2003年達(dá)到30家，1990年年產(chǎn)量只有1.0萬t， 2004年達(dá)到100.0萬t。在2008年，其廠家達(dá)到94家，年產(chǎn)顆粒燃料220.0萬t[11]。在2010年丹麥、荷蘭、意大利、比利時(shí)和瑞典是生物質(zhì)顆粒燃料進(jìn)口量最大的國(guó)家，而加拿大、俄羅斯、德國(guó)、波蘭和美國(guó)是出口量最大的國(guó)家。2010年加拿大生物質(zhì)顆粒燃料出口量達(dá)到165.5萬t，約為生產(chǎn)總量的95%，成為世界生物質(zhì)顆粒燃料的最大出口國(guó)。目前，用于發(fā)電和供暖是生物質(zhì)顆粒燃料的主要途徑，主要用于取暖的國(guó)家有法國(guó)、奧地利、意大利和德國(guó)，而在芬蘭、丹麥、瑞典主要用于發(fā)電[12]。

1.2生物質(zhì)液化利用技術(shù)生物質(zhì)能源液化利用技術(shù)是指在特定條件下把生物質(zhì)通過化學(xué)方法分解成為可以混合到汽油或柴油中使用的液體燃料的過程。生物燃料乙醇在汽油中含量低于10%～15%時(shí)，可以不用對(duì)現(xiàn)有汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，且含乙醇汽油還具有辛烷值高和抗暴性能好的優(yōu)點(diǎn)。2008年世界生物質(zhì)燃料產(chǎn)值達(dá)到348億美元，比2007年增加37.0%[13]。2009年世界燃料乙醇達(dá)到5 860.0萬t，比2008年增加了12.7%，估計(jì)世界生物燃料會(huì)在2016時(shí)以每年12.9%的速度遞增，全球生物質(zhì)燃料總量將會(huì)在2030年達(dá)到1.2億t[14]。2005年美國(guó)躍為燃料乙醇生產(chǎn)總量最大國(guó),2008年美國(guó)的燃料乙醇生產(chǎn)量同比上升122.85億L,生產(chǎn)廠家達(dá)到170個(gè)[15]。2007年發(fā)布的《能源獨(dú)立和安全法》中提到本國(guó)汽車在2022年前期間需要增加1 638.00億L，主要是乙醇的生物質(zhì)燃料作為動(dòng)力源。2004年歐洲燃料乙醇用量達(dá)175.0萬t，并且其傳統(tǒng)燃料中乙醇或其他生物化學(xué)燃料最少要占2.0%。歐洲燃料乙醇在2006年達(dá)到15.65億L，與2005年相比提升了71.0%。而德國(guó)生物乙醇總量達(dá)到4.31億L，西班牙國(guó)家的生物乙醇總量達(dá)到4.02億L，法國(guó)生物乙醇總量達(dá)到2.50億L，歐洲于2007年規(guī)定各成員國(guó)到2020年生物燃料在交通運(yùn)輸中消耗的總量要占到10.0%[15]。而巴西是世界上唯一一個(gè)不供應(yīng)純汽油的國(guó)家，在2008年Dilma Rossef表示：全國(guó)燃料乙醇已經(jīng)代替了50%的汽油，并且該比例還在繼續(xù)增長(zhǎng)。靈活燃料汽車(FFV)市場(chǎng)自從2003年啟動(dòng)以來，已使用的汽車達(dá)到700余萬輛。目前巴西90%以上在銷汽車是FFV汽車[16]。

1.3生物質(zhì)氣化利用技術(shù)生物質(zhì)氣化是指在一定條件下生物質(zhì)通過氣化介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或通過發(fā)酵反應(yīng)生成可燃?xì)怏w的過程。筆者主要對(duì)世界生物燃?xì)獍l(fā)展?fàn)顩r作出綜述。20世紀(jì)90年代以后，尤其是進(jìn)入21世紀(jì)，國(guó)際上開始對(duì)沼氣投入大量研究[17-18]。

從圖1可以看出，歐盟及其中的德國(guó)分別從2010年總產(chǎn)量217.5億和133.4億m3到2011年總產(chǎn)量201.7億和101.4億m3，分別下降了15.8億和32.0億m3；瑞典和丹麥的總產(chǎn)量相對(duì)來說比較穩(wěn)定；中國(guó)和美國(guó)則呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。美國(guó)沼氣研發(fā)源自于20世紀(jì)上半葉的能源壓力，當(dāng)時(shí)只是基礎(chǔ)研究，主要是厭氧菌的基因排序及沼液中存在的特殊酶等，進(jìn)入21世紀(jì)后，美國(guó)將沼氣研究提高到為本國(guó)創(chuàng)造更多就業(yè)機(jī)會(huì)、保障美國(guó)能源安全等高度。聯(lián)合國(guó)工業(yè)發(fā)展組在《生物質(zhì)能源戰(zhàn)略(2007)》中提出，生物質(zhì)天然氣可以從沼氣中被提純出來，這一發(fā)現(xiàn)可以使被提純出來的生物質(zhì)天然氣加入現(xiàn)存國(guó)家天氣管網(wǎng)。2012年主要國(guó)家生物燃?xì)鈨籼峒兲幚砟芰Γ旱聡?guó)為117 806 m3/h,瑞士為2 225 m3/h，美國(guó)為73 700 m3/h，挪威為1 500 m3/h，瑞典為26 505 m3/h，法國(guó)為1 400 m3/h，荷蘭為9 130 m3/h，英國(guó)為1 000 m3/h，西班牙為4 100 m3/h，日本為550 m3/h，奧地利為2 210 m3/h，丹麥為500 m3/h。

圖1　不同國(guó)家的生物燃?xì)饪偖a(chǎn)量Fig.1　Total production of biogas in different countries

2008年歐盟制定如何應(yīng)對(duì)未來世界氣候變化時(shí)表示，全部能源消費(fèi)的20%要用可再生能源來代替，用于交通方面的可再生能源占10%，以上所有數(shù)據(jù)其中的50%是生物天然氣[19]。近年來，沼氣的發(fā)展已不僅僅是對(duì)廢棄物厭氧發(fā)酵處理，而是從玉米、小麥等能源作物提取出來。2010年瑞典共有7萬輛壓縮生物天然氣的汽車在使用中，且加氣站總數(shù)達(dá)到500余個(gè)。2008～2014年瑞典總共為扶持沼氣生產(chǎn)廠家投出6億多克朗。生物天然氣方面，德國(guó)在歐盟處于領(lǐng)先地位，在2000年時(shí)全國(guó)沼氣加工廠總數(shù)量只達(dá)到1 000個(gè)，到2010年全國(guó)已有5 000個(gè)沼氣加工廠，占據(jù)歐洲全部沼氣加工廠的80%以上[17]。

2我國(guó)生物質(zhì)能源開發(fā)利用現(xiàn)狀

自“十五”以來，我國(guó)對(duì)生物質(zhì)能源規(guī)模化研究利用已開始重視起來，尤其是《可再生能源法》成立以后，生物質(zhì)能源等可再生資源有了相關(guān)法律的支撐，一系列行業(yè)規(guī)劃、監(jiān)管措施及扶持政策相繼出臺(tái),對(duì)我國(guó)生物質(zhì)能源的快速發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.1生物質(zhì)固化成型燃料2005年《可再生能源法》通過以后，通過立法形式確定了可在生能源在國(guó)家發(fā)展中的重要位置，在同年11月為配合《可再生能源法》的實(shí)施，我國(guó)又在此基礎(chǔ)上繼續(xù)出臺(tái)了《可在生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展指導(dǎo)目錄》，而生物質(zhì)能項(xiàng)目在其中就達(dá)到13個(gè)，占總數(shù)量的15%。2008年10月我國(guó)在《秸稈能源化利用補(bǔ)助資金管理暫行辦法》中提出對(duì)生產(chǎn)生物質(zhì)成型燃料的廠家中注冊(cè)金額超過1 000萬元，并且生物質(zhì)原料的消耗在1萬t以上的廠家進(jìn)行綜合性補(bǔ)貼。

2.2生物質(zhì)液體燃料 “十五”計(jì)劃第1次提出加大生物質(zhì)燃料酒精替代石油的要求，并且將生物質(zhì)燃料產(chǎn)業(yè)開發(fā)納入國(guó)民經(jīng)濟(jì)計(jì)劃。“十一五”要求擴(kuò)大生物質(zhì)燃料乙醇并實(shí)施在稅務(wù)、投資和強(qiáng)制性市場(chǎng)的份額制度。“十二五”提出在石化能源消耗中非石化能源占據(jù)其中的11.4%。2006年聯(lián)合部門發(fā)布了《關(guān)于發(fā)展生物質(zhì)能源和生物化工財(cái)稅扶持政策的實(shí)施意見》，提出要加大可再生清潔生物質(zhì)燃料取代一次性石化能源的力度。并在2011年6月，國(guó)家稅務(wù)局發(fā)布《關(guān)于明確廢棄動(dòng)植物油生產(chǎn)純生物柴油免征消費(fèi)稅使用范圍的通知》，更好地促進(jìn)了生物質(zhì)液體燃料的發(fā)展。

2.3生物質(zhì)氣化燃料1996年出臺(tái)的《中華人民共和國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展“九五”計(jì)劃和2010年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》首次指示要因地制宜地開發(fā)利用生物質(zhì)能源，改善能源結(jié)構(gòu)。2007年我國(guó)各部門聯(lián)合發(fā)布了《農(nóng)村沼氣項(xiàng)目建設(shè)資金管理辦法》，規(guī)范了投資沼氣的建設(shè)資金預(yù)算及管理辦法。2008年出臺(tái)并于2009年年初實(shí)施《循環(huán)經(jīng)濟(jì)促進(jìn)法》，其中第34條提到支持綜合利用各種農(nóng)業(yè)廢棄物以及木料碎屑等進(jìn)行生物質(zhì)沼氣發(fā)展。我國(guó)對(duì)沼氣的發(fā)展給予了大量財(cái)政補(bǔ)助，其中 “十五”期間扶持金額達(dá)35.34億元，“十一五” 期間扶持金額達(dá)202.00億元，2011年扶持金額達(dá)44.00億元?！度珖?guó)農(nóng)村沼氣服務(wù)體系建設(shè)方案》提到按照政府補(bǔ)貼，各沼氣建設(shè)地自籌等互相結(jié)合原則，而且各地方對(duì)籌建沼氣鄉(xiāng)村建設(shè)基地給予支持，并且對(duì)我國(guó)東部、中部、西部地區(qū)進(jìn)行資金補(bǔ)貼。此外，《綠色能源示范縣建設(shè)補(bǔ)助資金管理暫行辦法》提出對(duì)沼氣發(fā)酵池的容積到達(dá)350 m3，每年年產(chǎn)到達(dá)10萬m3的項(xiàng)目，并且生活燃?xì)夤┙o達(dá)到150戶住宅的項(xiàng)目提供中央財(cái)政補(bǔ)貼。

3我國(guó)生物質(zhì)能源的發(fā)展建議

我國(guó)的生物質(zhì)能源研究起步較晚，相比一些發(fā)達(dá)國(guó)家的研發(fā)進(jìn)度仍有很大一段距離，筆者根據(jù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有政策對(duì)加快發(fā)展生物質(zhì)能源提出以下建議：

(1)隨著一次性能源的快速損耗以及環(huán)境污染的加重，開發(fā)和利用生物質(zhì)能源顯得越發(fā)重要，為防止一次能源危機(jī)及能夠在今后的國(guó)際形勢(shì)下應(yīng)對(duì)自如，我國(guó)應(yīng)該將生物質(zhì)清潔能源開發(fā)及利用提升至國(guó)家安全戰(zhàn)略高度。

(2)在發(fā)展生物質(zhì)能源的前提下，應(yīng)該注重不與糧食爭(zhēng)地，確定糧食安全與發(fā)展能源作物并重，通過計(jì)劃種植能源作物，與實(shí)際開發(fā)利用相結(jié)合，做到發(fā)展進(jìn)度與生物質(zhì)資源齊頭并進(jìn)，防止資源短缺與資源浪費(fèi)。

(3)目前的生物質(zhì)資源種類單一，應(yīng)該擴(kuò)大資源的種類，對(duì)能源草及其他資源量大的植被加大研發(fā)力度，找出能夠作為生物質(zhì)能源資源的物種進(jìn)行大量培育，或通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)加快生長(zhǎng)期，防止工業(yè)和商業(yè)化生產(chǎn)時(shí)出現(xiàn)資源短缺。

(4)國(guó)內(nèi)技術(shù)尚在摸索發(fā)展期，應(yīng)該加大國(guó)際交流力度，結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)情對(duì)研發(fā)團(tuán)隊(duì)加大資金注入量。多與發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)行交互式合作研究，盡快突破一些關(guān)鍵技術(shù)的瓶頸。

4結(jié)語

我國(guó)生物質(zhì)資源相當(dāng)豐富，隨著一次性能源的損耗和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，發(fā)展和利用生物質(zhì)能源成為必然趨勢(shì)。一些國(guó)家已經(jīng)把生物質(zhì)能源作為一種國(guó)家安全戰(zhàn)略能源，相信今后生物質(zhì)能源會(huì)逐漸替代一次性能源成為主流能源。從發(fā)達(dá)國(guó)家生物質(zhì)顆粒燃料、燃料乙醇和生物柴油以及沼氣的發(fā)展現(xiàn)狀可以看出，我國(guó)與之相比還存在距離。因此，我國(guó)應(yīng)該提高對(duì)發(fā)展生物質(zhì)能源的重視，加大政策和資金投入力度，完善法律法規(guī)體系，為開發(fā)和利用生物質(zhì)能源提供堅(jiān)實(shí)的后盾。

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Research on Classification and Utilization Technology of Biomass Energy

ZHANG De-zheng,ZHANG Xia*, CAI Zong-shou et al

(Faculty of Mechanical & Electrical Engineering, Yunnan Agricultural University, Kunming, Yunnan 650201)

AbstractThe status of classification and utilization technology of biomass energy in the world was reviewed, including biomass solidification, liquefaction and gasification utilization technology.The development and utilization status of biomass energy in China was analyzed from aspects of biomass solidifying fuel, biomass liquid fuel and biomass gasification fuel.According to existing policies at home and abroad, suggestions for accelerating the development of biomass energy were put forward.

Key wordsSolidification; Liquefaction; Gasification; Biomass; Energy; Development

基金項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51265051)。

作者簡(jiǎn)介張得政(1989- )，男，山東日照人，碩士研究生，研究方向：新能源。*通訊作者，副教授，碩士，碩士生導(dǎo)師，從事新能源研究。

收稿日期2016-02-09

中圖分類號(hào)S 216

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)08-081-03