張世鑫，陳明光，吳陳亮，史 磊，李 楠，李建漳， 黃建萍，吳獻銘，王慶文，葉 萌

（1.中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司，北京 102209；2.華電（漳平）能源有限公司，福建 漳平 364400）

生物質（Biomass）是指能夠利用光合作用把CO2和H2O 轉化為葡萄糖從而實現(xiàn)光能的儲存，自身又能將葡萄糖聚合為纖維素、半纖維素、木質素和淀粉等構成植物本身的基礎物質的有機化合物，即一切能夠利用綠色植物光合作用所形成的有機化合物，包括除化石燃料外的微生物及其排泄與代謝物和植物等。生物質固廢是人類在利用生物質的過程中生產和消費產生的廢棄物，其能量密度、可用性都有顯著的降低。根據(jù)《農業(yè)生物質能產業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2007-2015年）》中“不與人爭糧，不與糧爭地”的基本原則，本文主要論述生物質固廢的應用技術發(fā)展狀況。

1 生物質利用技術概述

1.1 生物質固廢主要來源

廢棄生物質材料主要來源如圖1所示，主要可分三大類，農林業(yè)（農作物廢棄物、畜禽糞便、林業(yè)加工廢料等）、工業(yè)（酒糟、壓榨副產品、藥渣等）、城市固廢（餐廚垃圾、市政園林垃圾、生活垃 圾等）。

《全國農作物秸稈資源調查與評價報告》數(shù)據(jù)顯示，2009年，全國農作物秸稈理論資源量為8.20億t（風干，含水率為15%），可收集資源量為6.87 億t[1]。2007年，我國畜禽糞便總量為12.47 億t，其中可開發(fā)用量大約在8.8 億t，畜禽糞便的主要來源是牛糞、豬糞和雞糞，分別達到4.64 億t，3.39 億t 和0.80 億t， 預計到2020年，我國禽畜糞便排放量將達40 億t[2]。林業(yè)生物質資源是區(qū)域內植物生物量的總和，即區(qū)域內森林自然產生長和林業(yè)生產過程可提供的生物質，在林業(yè)加工過程中，廢棄物主要來源于森林采伐、原木造材和木材加工等，如木屑、鋸末、刨花，每年約有1.1 億t[3]。工業(yè)生產過程中也會產生生物質固廢，蔗渣每年近1 億t，稻殼每年4 000 萬t，花生殼500 萬t。據(jù)統(tǒng)計，2015年我國的垃圾產量達到 2.1 億t，全國的垃圾年產量仍以每年8%～10%的速度增長。246 個大、中城市生活垃圾產生量1.86 億t， 處置量1.81 億t，處置率達97.3%[4]。

我國生物質固廢的主要特點為量大、分布廣、利用率低、開發(fā)潛力大以及環(huán)境治理迫切度高。

圖1 生物質固廢來源

1.2 生物質主要利用技術

如圖2所示，生物質利用技術主要有四個方向：能源化、飼料化、肥料化和材料化。生物質能源化利用技術包括：直接燃燒利用（發(fā)電或供熱）、制成型燃料、制氣態(tài)燃料（沼氣、生物天然氣等）、制液態(tài)燃料（生物乙醇、生物柴油等）；生物質飼料化技術包括：青貯飼料、微貯飼料、氨化飼料、單細胞蛋白飼料等；廣義上的有機肥品種主要有堆肥、漚肥、廄肥、沼氣肥、綠肥、純天然礦物質肥、餅肥、泥肥等，狹義上指的是使用有機生物質廢物，如植物殘體等，使用物理化學、生物或復合技術，經過加工，消除有害物質達到無害化標準而形成的，根據(jù)微生物的生長情況以及反應過程的需氧程度分為厭氧堆肥和好氧堆肥兩種；生物質材料化利用技術主要有：做建筑材料（纖維板、刨花板、鋸末板、稻殼板等）、做食品原料及藥物中間體（低聚木糖、木糖醇、阿魏酸等）、做生物基高分子材料（將天然高分子改性制備生物質新材料、制備可降解生物基高分子材料等）、做環(huán)保餐具等。

生物質能源化利用呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢：多元化分布式應用；生物天然氣、成型燃料；生物液體燃料形成燃料乙醇、混合醇、生物柴油等豐富的能源衍生替代產品，不斷擴展航空燃料、化工基礎原料等應用領域。

1.2.1 飼料化利用技術

青貯是通過微生物厭氧發(fā)酵和化學作用，將切碎的新鮮玉米秸稈在密閉無氧條件下制成的一種飼料，其適口性好、消化率高和營養(yǎng)豐富，是保證常年均衡供應家畜飼料的有效措施。

圖2 生物質主要利用技術

微貯是利用微生物發(fā)酵作用對農作物秸稈進行保存的一種貯存技術。微貯技術還能夠提高農作物秸稈的營養(yǎng)價值。微貯技術在實施時通常使用秸稈、牧草、藤蔓等作為原料，添加有益微生物后，通過微生物的發(fā)酵作用最后得到具有酸香氣味、適口性好的粗飼料。微貯飼料能夠在適宜的保存條件下長時間保留原料原有的營養(yǎng)價值。

氨化飼料是指將切碎的秸稈裝入窖內或堆放城垛后通入氨氣或噴灑氨水密封保存一段時間制成的飼料。氨化秸稈飼料只適宜飼喂反芻家畜（牛、羊等），而不適宜飼喂驢、馬、騾子、豬等家畜。

單細胞蛋白，也稱作微生物蛋白，是以工業(yè)、農業(yè)廢棄物及石油廢料等為原料通過人工培養(yǎng)而獲得的微生物菌體。單細胞蛋白與純蛋白質不同，它是由脂肪、蛋白質、核酸非蛋白氮化合物、碳水化合物、維生素和無機化合物等組成的細胞質團。

1.2.2 肥料化利用技術

有機肥是主要來源于動植物，施用于土壤中以提供植物營養(yǎng)為其主要功能的含碳物料，有機肥的生產主要是通過生物質，如動植物廢棄物、植物殘體加工而來，去除了其中的有毒有害物質，如重金屬、病原體等。

堆肥是利用廣泛存在于自然界中的微生物，通過人為篩選組合使其能夠將生物質中可降解的有機物轉化為更加穩(wěn)定的腐殖質的轉化反應過程。根據(jù)微生物的生長情況以及反應過程的需氧程度，可分為厭氧堆肥與好氧堆肥兩種。厭氧堆肥是在無氧條件下利用專性和兼性厭氧微生物對生物質進行作用，利用微生物產生的酶將廢物中的有機物進行分解轉化，獲得的最終產物是CH4、CO2、熱量和腐殖質。好氧堆肥是指在有氧條件下，專性和兼性微生物作用于廢物，利用微生物產生的酶將有機物進行分解轉化，獲得的最終產物是CO2、H2O、熱量和腐殖質。腐殖質是生物體在土壤中經微生物分解而形成的有機物質，顏色為黑褐色，主要組成元素為C、H、O、N、S、P 等，含有植物生長發(fā)育所需要的一些元素，能改善土壤，增加肥力。

1.2.3 材料化利用技術

利用固體廢棄物生產的新型建筑材料具有節(jié)能效果突出、墻體自重減輕、節(jié)省自然資源、保護環(huán)境的優(yōu)點。例如，利用農業(yè)秸稈固廢制作新型建材（利用棉稈纖維堆強樹脂制作纖維板、復合板，麥稈增強水泥制作水泥復合板，甘蔗渣纖維增強石膏制作石膏復合板，玉米稈增強礦渣制作礦渣復合板等）；利用竹木廢物制作新型建材（利用廢棄木材制作纖維板、中密度纖維板、刨花板、木纖維波形瓦，利用鋸末制作薄鋸末板，利用廢棄木材制作墻體及芯層、制作輕質混凝土地面等）；利用造紙工業(yè)廢物制作新型建材（樹脂纖維板、層壓板、水泥復合板等）；利用植物果殼制作新型建材（利用稻殼增強樹脂制作稻殼板，利用花生殼增強氯氧鎂水泥制作花生殼板等）。

2 生物質能源化利用技術發(fā)展狀況

國家政策對生物質能的利用有較強的推進作用，2017年國家十部委編制了《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃（2017-2021）》，2017年國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合下發(fā)了《關于促進生物質能供熱發(fā)展指導意見的通知》，2017年國家能源局、原環(huán)境保護部聯(lián)合下發(fā)了《關于開展燃煤耦合生物質發(fā)電技改試點工作的通知》，2018年國家能源局下發(fā)了《關于開展“百個城鎮(zhèn)”生物質熱電聯(lián)產縣域清潔供熱示范項目建設的通知》[5-8]。這幾項文件的出臺，標志著我國“生物質熱電聯(lián)產”“燃煤耦合生物質發(fā)電”是生物質能利用的必然趨勢，是未來替代縣域燃煤，特別是替代農村散煤的重要方式。

2.1 生物質發(fā)電（供熱）

當前，我國生物質發(fā)電產業(yè)規(guī)模不斷擴大。《2018年中國生物質發(fā)電產業(yè)排名報告》顯示，截至2017年12月31日，全國已投產生物質發(fā)電項目744 個，并網裝機容量1 475.83 萬kW。生物質發(fā)電工藝包括生物質直燃發(fā)電、生物質氣化發(fā)電、沼氣發(fā)電、生物質燃煤混燃發(fā)電。

2.1.1 直燃發(fā)電

（1）工藝。生物質燃燒發(fā)電所用的燃燒方式一般為鍋爐燃燒，生物質直燃技術主要分為固定床燃燒、流化床燃燒和懸浮燃燒技術。

（2）規(guī)模。湛江生物質發(fā)電廠于2011年8月20日正式投入商運，規(guī)劃總裝機容量為4×50 MW，一期工程2×50 MW，是目前國內單機容量及總裝機容量最大的純燃生物質發(fā)電廠，是世界上最大的生物質發(fā)電廠[9]。泰國NPP9 項目裝備1×135 MW 發(fā)電機組，使用清華大學設計，裝有生產負荷達到384 t/h的純生物質鍋爐，這是目前世界單機容量最大的生物質發(fā)電機組[10]。

2.1.2 氣化發(fā)電（1）工藝。生物質氣化發(fā)電即通過氣化作用將生物質轉化為可燃氣，凈化后的氣體燃料燃燒驅動燃氣輪機或燃燒后產生蒸汽，驅動發(fā)電機發(fā)電。該技術是生物質能最有效、最潔凈的利用方法之一，目前處于產業(yè)化早期。

（2）規(guī)模。大唐吉林長山熱電廠66 萬kW 超臨界燃煤發(fā)電機組耦合2 萬kW 生物質發(fā)電改造示范項目為國內首個最大國家級燃煤耦合生物質氣化發(fā)電技術改造試點示范項目[11]。

2.1.3 沼氣發(fā)電

（1）工藝。根據(jù)秸稈物料在反應器中的形態(tài)（有無流動水），可分為液態(tài)消化、固態(tài)消化和固液兩相消化工藝。

（2）規(guī)模。國家能源局發(fā)布《2016年度全國生物質發(fā)電監(jiān)測評價報告》，截至2016年底，共有26個省份投產了138 個沼氣發(fā)電項目，裝機容量35 萬kW。2016年，全國沼氣發(fā)電量15 億kW·h，年利用小時數(shù)4 320 h。

青島大型生物質能源項目是國內第一個秸稈和尾菜綜合處理項目，是目前國內最大的秸稈和尾菜沼氣工程項目。該項目每年可處理黃儲秸稈7 萬t、白菜垃圾4 萬t，同時產生天然氣666 萬標準立方米、固態(tài)有機肥2.49 萬t、沼液肥2.23 萬t。

2.1.4 混燃發(fā)電（耦合發(fā)電）

大型燃煤鍋爐耦合生物質燃燒發(fā)電技術是解決火電機組CO2減排方案之一。大型燃煤鍋爐耦合生物質燃燒發(fā)電技術在歐洲得到推動和發(fā)展得益于該技術比燃煤電廠的CO2排放量低、政府的補貼等。目前，歐洲大型燃煤鍋爐耦合生物質燃燒技術的主流發(fā)展方向是生物質與煤耦合燃燒。大型燃煤鍋爐耦合生物質發(fā)電主要技術路線如圖3所示。

圖3 大型燃煤鍋爐耦合生物質發(fā)電主要技術路線

對于大型燃煤鍋爐耦合生物質燃燒發(fā)電技術來說，生物質磨和生物質燃燒器可以實現(xiàn)100%燒生物質燃料；生物質磨和獨立的燃燒器可以耦合5%～40%的生物質能量輸入；生物質磨和共用的燃燒器可以耦合5%～40%的生物質能量輸入；獨立的磨煤機和獨立的燃燒器可以耦合5%～15%生物質能量輸入；共用的磨煤機和共用的燃燒器可以耦合5%～15%生物質能量輸入。

2015年，荷蘭最新設計投運的鹿特丹的MPP3電廠是目前世界上最新建成的節(jié)能和CO2深度減排示范電廠。1 100 MW 超超臨界機組采取超超臨界參數(shù)+生物質混燒+區(qū)域供熱+CO2捕集的CO2深度減排技術路線。機組容量：2×1 100 MW，機組參數(shù)：28.5 MPa/600℃/620℃，機組發(fā)電效率47%。生物質混燒比例30%，準備2019年投入使用。

芬蘭建成世界上最大的混燒生物質的循環(huán)流化床鍋爐——芬蘭Alholmens Kraft 550 MW 熱電廠。其中，燃料比例為：煤：泥煤：森林廢棄物：工業(yè)廢木材=10：45：10：35，其已經成功運行多年，生物質可以以任何比例與煤混燒，包括100%生物質。

英國是目前世界上采取生物質混燒技術最多的國家。目前共有16 座大型火電廠完成了生物質混燒發(fā)電改造，其總裝機容量為25 366 MW，其中13 座為總容量超過1 000 MW 的大型燃煤火電廠。英國近年來生物質耦合燃燒技術發(fā)展表明，大型燃煤鍋爐可實現(xiàn)自由比例的生物質燃料（0 ～100%）給鍋爐提供熱量，可實現(xiàn)100%的生物質燃料，不再燒煤。

循環(huán)流化床熱容性較大，適合進行燃煤耦合生物質固廢發(fā)電技術實施，采用皮帶+氣力輸送方式，改造成本低。2017年，該技術已在福建華電永安發(fā)電有限公司2×300 MW 機組實現(xiàn)工業(yè)應用，可處理城市工業(yè)固廢300 t/d，并可處理生物質200 t/d。

2.2 生物質制成型燃料

生物質固化成型技術是將結構松散的生物質材料經過干燥、粉碎和壓縮成型等工序加工成形狀規(guī)則、密度較大的固體燃料的過程，生物質固化成型技術生產的固體燃料有成型顆粒、成型棒和成型塊等。

生物質固體成型燃料，可以部分替代化石燃料用作發(fā)電和供暖，也可以替代薪柴用作家用燃料。與煤相比，生物固體成型燃料CO2的凈排放為零，NOx和SO2的排放大為減少。與傳統(tǒng)的薪材相比，它的密度較高，形狀和性質較為均一，熱值高，便于應用到工業(yè)領域。在歐洲許多國家，顆粒狀、棒狀的生物質固化燃料已經在超市出售，這些燃料可以實現(xiàn)完全市場化運作而不需要依賴政府的補貼措施。此外，生物質固化成型技術有助于提高森林資源的利用效率。

截至2015年，我國生物質成型燃料年利用量約800 萬t，主要用于城鎮(zhèn)供暖和工業(yè)供熱等領域。根據(jù)《生物質能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》目標，到2020年，生物質成型燃料年利用量要達到3 000 萬t。

我國的生物質成型燃料生產設備有螺旋擠壓式、活塞沖壓式、模輥碾壓式，燃料形狀主要有塊狀、棒狀、顆粒狀3 種形式[12]。磨輥碾壓式成型設備可分為平模生物質顆粒機和環(huán)模生物質顆粒機，與螺旋式、柱塞式生物質成型機相比，具有生產率高、對物料的適應性好、工作狀態(tài)穩(wěn)定、可實現(xiàn)連續(xù)生產等優(yōu)點，是目前生物質成型發(fā)展的重點[13]。

2.3 生物質制氣態(tài)燃料

生物質氣化是在一定的熱力學條件下，在水蒸氣和氧的參與下，將組成生物質的碳氫化合物轉化為CO、H2等可燃氣體的過程。生物質熱裂解是指生物質在完全缺氧或只提供有限氧的條件下，利用熱能切斷生物質大分子中碳氫化合物的化學鍵，使之轉化為小分子物質的熱化學轉化技術。熱解過程的終產物可以是液體生物油、可燃氣體和固體生物質炭，產物的種類和比例與很多因素相關，如生物質的尺寸、升溫速率、最終溫度和壓力等。

生物天然氣是指以生物質廢棄物為原料，經厭氧發(fā)酵然后凈化提純，生產出與常規(guī)天然氣成分、熱值等基本一致的綠色低碳、清潔環(huán)保可再生燃氣。根據(jù)《生物質能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》目標，到2020年，生物天然氣年利用量80 億m3。

2.4 生物質制液態(tài)燃料

生物質制液態(tài)燃料包括生物乙醇、生物柴油等。生物質固廢生產乙醇技術是指以玉米秸稈、薯類廢棄物、小麥秸稈、糖蜜廢渣等為原料，經發(fā)酵、蒸餾而制成乙醇，將乙醇進一步脫水，最終成為燃料乙醇。美國燃料乙醇生產居世界第一位，生產原料主要有玉米、馬鈴薯等，年產乙醇40 億m3，與乙醇混合的汽油占該國總耗油量的三成以上[12]。同樣，人們可以利用生物質固廢生產柴油。生物柴油的制備方法有物理法和化學法。物理法包括直接混合法和微乳化法。化學法包括高溫熱裂解法、脂交換法和超臨界法。

《生物質能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》顯示，截至2015年，生物柴油年產量約80 萬t 燃料，生物乙醇年產量約210 萬t[14]。航空生物燃料的使用是民航部門的一項重要減排措施。在歐盟歐洲碳排放交易體系下，生物燃料飛機為零排放。所以，航空生物燃料的可持續(xù)要求將成為各方關注熱點。

2014年，中國民用航空局航空器適航審定司在北京向中國石化頒發(fā)了1 號生物航煤技術標準規(guī)定項目批準書（CTSOA），這標志著備受國內外關注的國產1 號生物航煤正式獲得適航批準，并可投入商業(yè)使用。2017年，海南航空HU497 航班載著從餐飲廢油煉化而成的航空生物燃料，從北京首都國際機場騰空而起飛往美國芝加哥，標志著首個中美綠色示范航線生物燃料航班成功起航。同時，海南航空開創(chuàng)行業(yè)先河，成為國內首家使用生物燃料跨洋載客飛行的航空公司[15]。

3 結論

本文對生物質利用技術進行了論述，包括能源化、飼料化、肥料化、材料化四個方向，重點對生物質能源化利用進行了綜述。目前，我國生物質能利用以發(fā)電為主，但是由于原材料采購環(huán)節(jié)的不可控，生物質發(fā)電企業(yè)出現(xiàn)大面積虧損。通過政策分析可知，“生物質熱電聯(lián)產”“燃煤耦合生物質發(fā)電”是生物質能利用的必然趨勢。生物質利用發(fā)展方向是在原有原料區(qū)發(fā)展生物質熱電聯(lián)產之外，因地制宜推進生物質成型燃料、垃圾治理、生物制氣的發(fā)展，最終實現(xiàn)《生物質能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》的目標。