文/王雪芬

0 引言

當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，導(dǎo)致煤、石油、天然氣等傳統(tǒng)不可再生能源正面臨枯竭，人們亟需開(kāi)發(fā)多種新型的可再生能源，以面對(duì)傳統(tǒng)能源枯竭的危機(jī)。目前，新能源異軍突起，包括太陽(yáng)能、海洋能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、核聚變能等等，極大地滿足了人們對(duì)能源的需求。生物質(zhì)能是新能源中的一種，來(lái)源于生物質(zhì)，也是太陽(yáng)能以化學(xué)能形式貯存于生物中的一種能量形式，具有清潔、可再生等特性，逐漸收到人們的重視，成為解決能源危機(jī)和環(huán)境污染的重要途徑。

1 生物質(zhì)及生物質(zhì)能

生物質(zhì)(Biomass) 指通過(guò)光合作用將CO2和H2轉(zhuǎn)化為能量并能夠生長(zhǎng)的各種有機(jī)體，包括所有的動(dòng)物、植物和微生物。生物質(zhì)能(Bioenergy)指綠色植物通過(guò)直接或間接的光合作用，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能貯存在植物體內(nèi)的能量形式。因此，生物質(zhì)能源本質(zhì)上是太陽(yáng)能的一種表現(xiàn)形式，是一種可再生能源，也是唯一的一種可再生碳源，生物質(zhì)能利用過(guò)程如下:

6CO2+12H2O + 太陽(yáng)能→C6H12O6+ H2O +6O2

2 生物質(zhì)能的來(lái)源及特點(diǎn)

2.1 生物質(zhì)能源的分類

總體而言，生物質(zhì)能源主要分為3大類：植物類、非植物類和微生物類。其中，能源植物是生物質(zhì)能源中的主要組成部分，主要包括林業(yè)資源、秸稈等植物；非植物類主要指畜禽糞便和生活環(huán)境中的有機(jī)成分等；微生物類主要指利用微生物發(fā)酵而生產(chǎn)的能源，如沼氣、燃料乙醇、生物質(zhì)油等。

2.2 生物質(zhì)能源的特點(diǎn)

（1）可再生性。我國(guó)擁有豐富的自然資源和可利用資源,生物質(zhì)能源是通過(guò)植物的光合作用實(shí)現(xiàn)再生, 是可再生能源，可以維持能源的永久利用。

（2）能源總量豐富，分布廣泛。地球上生物質(zhì)能源儲(chǔ)量豐富，根據(jù)生物學(xué)家估算，地球每年能生產(chǎn)1 500～1 750億噸生物質(zhì)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)全球的能源需求總量，是目前全世界總能耗的10倍左右。目前，生物質(zhì)能源僅次于煤炭、石油和天然氣，是世界第四大能源。另外，生物質(zhì)資源的分布也非常廣泛，只要有綠色植物生長(zhǎng)的地方就能夠獲得生物質(zhì)資源，可以滿足各地發(fā)展生物質(zhì)能源的需要。

（3）清潔性。

硫化物和氮化物是環(huán)境污染的首要因素，而生物質(zhì)中的硫含量和氮含量較低，因此，在生物質(zhì)能源的轉(zhuǎn)化利用過(guò)程中，生成的硫化物和氮化物含量非常少，幾乎不會(huì)對(duì)環(huán)境造成不良影響。生物質(zhì)的利用是一個(gè)可逆循環(huán)利用的過(guò)程，是一個(gè)二氧化碳固定和釋放的循環(huán)過(guò)程，在此過(guò)程中，二氧化碳的凈排放量接近于零，可以極大地緩解地球日益嚴(yán)重的“溫室效應(yīng)”。

（4）應(yīng)用廣泛。

生物質(zhì)能的應(yīng)用形式多樣，可以直接燃燒、發(fā)電、生產(chǎn)沼氣、制備燃料酒精、熱裂解生產(chǎn)生物質(zhì)油等，廣泛應(yīng)用于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的各個(gè)行業(yè)。

3 生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化利用方式及技術(shù)探討

生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化利用方式主要包括燃燒、熱化學(xué)轉(zhuǎn)化、生物轉(zhuǎn)化和物理化學(xué)等。

3.1 燃燒法

生物質(zhì)燃料特性與化石燃料不同，生物質(zhì)是通過(guò)進(jìn)行光合作用，利用太陽(yáng)能和空氣中的二氧化碳而生成的，在燃燒過(guò)程釋放的二氧化碳，因此，在生成和燃燒兩個(gè)過(guò)程中吸收和釋放的碳含量基本相等，可以被認(rèn)為是二氧化碳的零排放。另外，生物質(zhì)的組成中，含有的氮和硫元素極少，燃燒不會(huì)對(duì)環(huán)境造成不良影響。但是生物質(zhì)的密度小，組織結(jié)構(gòu)松散，體積較大，需要對(duì)其采取一定的措施，進(jìn)行物理轉(zhuǎn)化才能被高效利用。固化成型技術(shù)是生物質(zhì)物理轉(zhuǎn)化最常見(jiàn)的方法之一。固化成型技術(shù)主要指利用高壓將體積大、組織結(jié)構(gòu)松散的生物質(zhì)原料壓縮成組織結(jié)構(gòu)致密的成型燃料，可以進(jìn)行直接燃燒，解決了生物質(zhì)原料運(yùn)輸和儲(chǔ)存成本高、熱效率低等問(wèn)題。但是固化成型技術(shù)也存在成本較高、容易受季節(jié)影響等弊端，使其大規(guī)模應(yīng)用受到制約。

3.2 熱化學(xué)轉(zhuǎn)化

熱化學(xué)轉(zhuǎn)化方式是生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化常用的方法之一。熱化學(xué)轉(zhuǎn)化法主要是利用熱化學(xué)相關(guān)技術(shù)將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為流體形式的燃料，主要包括生物質(zhì)氣化和液化兩大類。

3.2.1 生物質(zhì)氣化

生物質(zhì)氣化是指借助一定的熱力學(xué)條件，利用氧氣、水蒸氣的作用，使生物質(zhì)發(fā)生熱解、氧化還原反應(yīng)，最終轉(zhuǎn)化為氫氣、一氧化碳和低分子烴類等可燃?xì)怏w的過(guò)程。生物質(zhì)的氣化產(chǎn)物在發(fā)電、供熱、合成化學(xué)品等領(lǐng)域被廣泛使用。生物質(zhì)制氫是典型的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)之一。生物質(zhì)制氫是一種熱裂解技術(shù)，如今發(fā)展已較為成熟。生物質(zhì)制氫主要是將生物質(zhì)原料壓制成型，置于汽化爐或裂解爐中進(jìn)行裂解反應(yīng)，使生物質(zhì)分解為可燃?xì)怏w和烴類，然后再進(jìn)行二次催化裂解和一系列的化學(xué)反應(yīng)，制得氫含量高的燃料氣。生物制氫由于具有工藝條件簡(jiǎn)單、成本相對(duì)較低、有寬廣的原料適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)，而具有廣闊的應(yīng)用前景。

3.2.2 生物質(zhì)液化

生物質(zhì)液化是指在一定條件下，將生物質(zhì)與溶劑混合并相互作用，使部分或全部生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為液體的過(guò)程。目前，生物質(zhì)液化技術(shù)常見(jiàn)于制取燃料乙醇和生物質(zhì)油。燃料乙醇的原材料主要是雅津甜高粱、玉米、木薯、海藻、雅津糖芋、苦配巴樹(shù)等。主要是先將生物質(zhì)原材料破碎，然后再利用生物酶催化或者化學(xué)水解等方法將原材料轉(zhuǎn)化為多糖，再經(jīng)過(guò)TCA等途徑生成乙醇。得到的乙醇再經(jīng)過(guò)提純、脫水制得燃料乙醇。利用生物質(zhì)生產(chǎn)的生物質(zhì)油具有高粘度、不穩(wěn)定性等理化性質(zhì)，其生產(chǎn)方法主要有閃速裂解、真空裂解和微博裂解等。

3.3 生物轉(zhuǎn)化

沼氣發(fā)酵是指在一定溫度、濕度和酸堿度的條件下，動(dòng)物糞便、生活有機(jī)垃圾、工業(yè)有機(jī)廢水等生物質(zhì)經(jīng)過(guò)多種微生物的厭氧發(fā)酵，最后由甲烷古菌參與，從而在嚴(yán)格的無(wú)氧環(huán)境中產(chǎn)生一種以甲烷為主要成分的混合可燃?xì)怏w。與傳統(tǒng)的煤炭等燃料相比，使用沼氣每年可減少碳排放量5 000多萬(wàn)噸，這既是一種重要的環(huán)保技術(shù)，也是一種有效的能源供應(yīng)技術(shù)。另外，在生產(chǎn)沼氣的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的有機(jī)肥料，每年可為農(nóng)民節(jié)約肥料費(fèi)用400多億元，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。但是沼氣發(fā)酵容易受到季節(jié)性和地域性影響，農(nóng)村會(huì)具備相應(yīng)的生產(chǎn)條件，但是不適用于城市。

3.4 生物質(zhì)發(fā)電

利用生物質(zhì)發(fā)電的主要方式是直接燃燒發(fā)電和氣化發(fā)電。直接燃燒發(fā)電是利用生物質(zhì)代替煤炭等傳統(tǒng)能源，直接燃燒產(chǎn)生熱量，通過(guò)加熱生物質(zhì)進(jìn)行發(fā)電。生物質(zhì)氣化發(fā)電是指缺氧條件下，生物質(zhì)在氣化爐中轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w，可燃?xì)怏w燃料經(jīng)凈化后直接進(jìn)入鍋爐或者原動(dòng)機(jī)中燃燒發(fā)電。目前可采用秸稈氣化發(fā)電、秸稈直接燃燒發(fā)電、煤和秸稈混合燃燒發(fā)電等幾種技術(shù)路線。2022年前三季度，我國(guó)生物質(zhì)發(fā)電量為1 129億千瓦時(shí)，累計(jì)裝機(jī)達(dá)4 060萬(wàn)千瓦。隨著生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)的提高和國(guó)家在新能源領(lǐng)域的投入加大以及社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需要，生物質(zhì)能發(fā)電裝機(jī)容量會(huì)繼續(xù)增大，為實(shí)現(xiàn)負(fù)碳排放（BECCS）、碳中和貢獻(xiàn)力量。