2004年3月河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報2004第38卷第1期Journal of Henan Agricultural UniversityVol 38 No. 1文章編號:00-23402004)1-0100-05中國生物質(zhì)能的利用狀況及展望李改蓮?fù)踹h紅楊繼濤1,李繼紅1黃浩1,張凱31.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部可再生能源重點開放實驗室河南鄭州4500022.平頂山工學(xué)院河南平頂山4670013.信陽市農(nóng)村能源環(huán)境保護站河南信陽4640000摘要概述了中國生物質(zhì)能的來源分析了國內(nèi)外生物質(zhì)能的利用現(xiàn)狀.根據(jù)實際情況提出中國生物質(zhì)能的發(fā)展方向關(guān)鍵詞生物質(zhì)能利用狀況發(fā)展方向中圖分類號S216文獻標識碼:AUtilization condition and outlook of biomass energy in ChinaLI Gai-lian',WANG Yuan-hong, YANG Ji-tao' LI Ji-hong' HUANG Hao ZHANG(I Key Laboratory of Renewable Energy of the Agricultural Ministry Henan Agricultural UniversityZhengzhou 450002 China 2. Pingdingshan Institute of Technology Pingdingshan 467001,China3. Xinyang Rural Energy and Environment Protection Station Xinyang 464000 ChinaAbstract The source of biomass is discussed and its utilization condition home and abroad is analysed. according tothe practical situation the future development direction is put forwardKey words biomass energy utilizing condition i developing direction從中國能源消費結(jié)構(gòu)來看煤、石油是主要旳能源支柱.然而燃煤電廠、工業(yè)鍋爐及民用鍋爐向大氣中排放大量SO2AO2及煙塵使中國的酸雨污染面積日趨擴大各種機動車排放污染也成了城市大氣污染的主要來源.所有這些給人類生存帶來災(zāi)難性后果加之煤、石油這些化石能源儲量有限面對這種嚴峻的形式人類迫切要求尋找新的補給能源為可持續(xù)發(fā)展尋求出路除了煤、石油、天然氣、水電和核能外自然界還蘊藏著一種取之不竭的可再生能源——生物質(zhì)能.生物質(zhì)能是太陽能以化學(xué)能形式貯存在生物質(zhì)體內(nèi)的一種能量形式它以生物質(zhì)為載體直接或間接地來源于植物的光合作用.它可再生性能穩(wěn)定同風(fēng)能、太陽能相比很少受自然因素的制約又能加工轉(zhuǎn)換成常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料能儲存運輸1生物質(zhì)能是惟一可再生的碳源.生物質(zhì)生長過程中吸收大量的CO,氣體燃燒過程排放的C,氣體與吸收的相當幾乎沒有SO2氣體排放因此被稱為CO2中性燃料21.利用生物質(zhì)能可改善和保護生態(tài)環(huán)境所以生物質(zhì)能使人類可持續(xù)發(fā)展道路上的理想的能源積極開發(fā)現(xiàn)代生物質(zhì)能是解決問題的捷徑1生物質(zhì)能的來源生物質(zhì)能占世界能源總消耗的14%僅次于石油、煤炭和天然氣位居第4位3.世界上生物資源豐富形式多樣.主要有薪柴、農(nóng)林作物、甘蔗渣工業(yè)性的)城市固體廢棄物、生活污水、水生植物、離畜糞便等.中國的生物質(zhì)能主要來源于農(nóng)業(yè)廢棄物及農(nóng)林產(chǎn)品加中國煤化工垃圾等3個方面1.1農(nóng)業(yè)廢棄物及農(nóng)林產(chǎn)品加工廢棄物CNMHG主要成分包括植物纖維性廢棄物如農(nóng)作物秸稈、谷殼制穗作物餓澄寺農(nóng)伓嚴品加工廢棄物和禽畜收稿日期2003-06-19作者簡介李改蓮(1975-)女河南尉氏人河南農(nóng)業(yè)大學(xué)在讀碩士從事農(nóng)業(yè)廢棄物資源化方面的研究第1期李改蓮等中國生物質(zhì)能的利用狀況及展望糞便據(jù)統(tǒng)計中國年生產(chǎn)秸稈6億(烘干量,下同)用于燃料的約25%~30%折0.75億t標煤谷殼年產(chǎn)量約0.15億t禽畜糞便約2.55億t相當于8800萬t油當量.近年來隨著農(nóng)村生活用能水平的提高田間地頭焚燒秸稈,已造成資源嚴重浪費和環(huán)境污染.國家有關(guān)部門已嚴令禁止并加大了開發(fā)利用農(nóng)業(yè)廢棄物資源的力度1.2薪柴薪柴主要指用材林木的根、枝椏及木材加工的下腳料.中國約有1.283億hm?2森林面積森林覆蓋率3.4%.∞0年代末中國年消耗薪材量約2.1億t折1.2億t標煤其中過耗約0.2~0.3億t標煤.西部山區(qū)特別是云南等地家家常年打柴也造成森林資源旳嚴重破壞所以要重新考慮其用能方式利用先進的生物質(zhì)能技術(shù)杜絕此現(xiàn)象進一步惡化1.3城市生活垃圾城市生活垃圾中約有13是有機牧廚房剩余物、紙品、草木纖維等)隨著中國居民生活水平的提高城市化進展的加快集中供暖、供氣增多城市垃圾旳有杋質(zhì)比重仍會迅速增加.據(jù)環(huán)衛(wèi)部門報道,目前中國城市垃圾用于燃料消耗的生物質(zhì)資源約2億t標煤已經(jīng)取得了可觀的經(jīng)濟、環(huán)保和社會效益.忽略·些量少的生物質(zhì)資源僅以這3大類生物質(zhì)能為主中國生物質(zhì)能資源可開發(fā)量是相當大的.1993年統(tǒng)計為4.37億t油當量其中農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈是最大的生物質(zhì)資源因此加強生物質(zhì)能的開發(fā)與研究是有其深遠意義的目前最有發(fā)展前途的生物質(zhì)資源是短期輪作能源矮林和禾本科作物.丹麥、芬蘭、法國、英國等國家已經(jīng)研究并培育岀了多種柳樹和雜交楊樹渼國小面積試驗柳樹商業(yè)產(chǎn)量為5othmˉξ.禾本科作物如芒草類屬C類植物單產(chǎn)可達50~70thm-141大面積輪作種植能為生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)提供充足的資源by和他的助手研究發(fā)現(xiàn)用多年生草本植物替代棉花、小麥、玉米等一年生作物壤平均毎年增加碳1.1用多年生草本植物替代一年生作物還可改善野生動物的生存環(huán)境尤其是野生植物物種的多樣性對用各種生物質(zhì)替換化石燃料κO2減少排放量的研究發(fā)現(xiàn)玉米減少CO2排放30.8%多年生草本植物減少CO2排放40.4%林木與草本植物輪作則減少CO2排放76%(3a輪作)~82%(10a輪作5多年生草本植物和林木替代一年生作物可以額外減少化石燃料利用幫助已開墾土地恢復(fù)自然生態(tài)功能調(diào)整土壤中有機物組成還改善空氣質(zhì)量減少溫室氣體排放.大力開發(fā)生物質(zhì)能利用能更好地發(fā)展清潔能源產(chǎn)業(yè)2生物質(zhì)能的利用現(xiàn)狀2.1直接燃燒直接燃燒主要包括爐灶燃燒、焚燒垃圾、鍋爐燃燒壓縮成型燃料、聯(lián)合燃燒.爐灶燃燒是傳統(tǒng)的用能方式效率只有5%~10%,這種燃燒方式逐漸被淘汰.焚燒垃圾是鍋爐在8α0~Iα0℃髙溫下燃燒垃圾可燃組分釋放熱量倛熱或發(fā)電.壓縮成型燃料燃燒是生物質(zhì)被壓縮成型后密度増大性能接近煤相當于鍋爐直接燃煤技術(shù)而且尾氣排放污染小進行發(fā)電很有發(fā)展前景聯(lián)合燃燒是燃煤電廠稍加改造后燃煤摻入生物質(zhì)燃燒可減少SO2及NOx的排放發(fā)電和熱電聯(lián)產(chǎn)中國傳統(tǒng)生物質(zhì)能開發(fā)利用已是商業(yè)化技術(shù)可開發(fā)資源量約700Mt標煤利用省柴炕灶后效率有了很大提高省柴炕灶毎年節(jié)約能量達52.5萬t油當量.目前中國現(xiàn)代生物質(zhì)能中用于直接燃燒的高效燃燒鍋爐有200多臺效率均可達80%有幾十家垃圾焚燒爐正常運行.但整體來看中國燃燒垃圾發(fā)電上網(wǎng)成本高而且政策不完善時機還不成熟.對垃圾處理要綜合考慮從源頭減量分類收集應(yīng)根據(jù)不同情況采用不同技術(shù)6壓縮成型塊直接燃燒也達到工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模其中顆粒成型燃燒尤適合家庭或暖房取暖]生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電具有較大的潛能羨國利用生物中國煤化工勿燃燒發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成熟其發(fā)電設(shè)備裝機容量為736MW夏威夷用甘蔗渣燃燒.CNMHG電力和夏威夷島40%的電鄺8]瑞典研制的燃用木質(zhì)碎料流化床鍋爐,燃料含水率高達50%~60%時,鍋爐效率仍可達80%9,為此還附帶研制了木材碎片、整樹粉碎機械、鏈條爐等設(shè)備.1996年德國生物質(zhì)發(fā)電設(shè)備裝機容量為357.8MW供電量為803.9Gwh-1.年供電量中按能源資源類型分析公用電業(yè)的供電量中垃圾和廢棄物提供的電量占87.8%10美國皮內(nèi)拉斯的垃圾發(fā)電站年發(fā)電量為1000億kWh-1,每周可處理垃圾河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報第38卷120多萬τⅡ垃圾燃燒后的廢渣用于鋪路.1998年波蘭就擁有1800個小型生物質(zhì)鍋爐總熱容量為600MWl2.2物化轉(zhuǎn)化物化轉(zhuǎn)化主要包括干餾技術(shù)、生物質(zhì)氣化技術(shù)及熱裂解技術(shù)等.干餾是把生物質(zhì)轉(zhuǎn)變成熱值較高的可燃氣、固定碳、木焦油及木醋液等物質(zhì)可燃氣含甲烷、乙烷、氫氣、一氧化碳、二氧化碳等,可做生活燃氣或工業(yè)用氣木焦油是國際緊俏產(chǎn)品木醋液可形成多種化工產(chǎn)品生物質(zhì)氣化技術(shù)是使生物質(zhì)在氧氣不足的條件下進行燃燒產(chǎn)生CO氣體可燃氣有高熱值和低熱值.熱裂解技術(shù)是通過熱化學(xué)方法在完全缺氧或有限供氧條件下將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為液體油、固體炭或可燃氣溫度一般為500~800℃液體油是熱解氣在高溫下驟冷避免其二次裂解最大限度產(chǎn)岀液體油.熱裂解工藝有3類∶.慢速熱解(燒碳法).2.常規(guī)熱解可得到20%~25%的生物碳,10%~20%的生物油3.將磨細的生物質(zhì)放入熱解裝置可得到原料重量的40%~60%的生物油其需要的熱量油熱解的氣體燃燒供應(yīng)1]中國生物質(zhì)氣化在技術(shù)研制與裝置開發(fā)方面自20世紀90年代以來已取得了一系列的成果.中國科學(xué)院廣州能源硏究所開發(fā)硏制的上吸式氣化爐,下吸式氣化爐循環(huán)流化床氣化爐”等一系列裝置能根據(jù)原料特點和用戶需求用于清潔供熱、供電和供氣部分產(chǎn)品已經(jīng)出口東南亞各國.黑龍江、山東、江蘇、福建等地也都建成了生物質(zhì)氣化工業(yè)裝置.2000年中國已建成388處秸稈氣化供氣裝置年產(chǎn)能源約0.75M標煤主要用于集中供氣、木材烘干、發(fā)電等341.歐盟各國對生物質(zhì)物化轉(zhuǎn)化優(yōu)先考慮的是1用于熱能與供嗽(100kW~10MW舶氣化技術(shù)包括流化床和固定床氣化裝置粗燃氣凈化排放物的控制和發(fā)動機燃氣杋的研究ρ.熱解技術(shù)包括農(nóng)林廢棄物及纖維素物質(zhì)制取適用于生物油適用于運輸車輛的原油精練技術(shù)和排放物控制.德國貝爾特能源公司研制的下行式氣化爐-內(nèi)燃機發(fā)電機組氣化效率可達60%~90%可燃氣熱值為1.7×104~2.5×10k}m-561.生物質(zhì)固體廢棄物熱裂解、焚燒技術(shù)在上海、無錫、江蘇省等地自1997年以來就進入正常運行,為農(nóng)村地區(qū)提供生活生產(chǎn)用能煙氣排放裝置去除SO2HC等有害氣體真正達到了固體廢棄物無害化、減量化處理17]2.3生化轉(zhuǎn)化生化轉(zhuǎn)化主要包括厭氧消化技術(shù)和酶技術(shù).厭氧消化是利用厭氧微生物的生長代謝過程將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為CH等可燃氣體同時得到厭氧發(fā)酵液、渣等厭氧發(fā)酵殘留物用作農(nóng)田肥料效果很好.酶技術(shù)是利用微生物體內(nèi)的酶分解生物質(zhì)生產(chǎn)液體燃料如乙醇、甲醇等沼氣開發(fā)主要有4類農(nóng)業(yè)沼氣、工業(yè)沼氣、城市下水道污水沼氣、城市垃圾沼氣.2000年中國戶用沼氣池764萬多個年產(chǎn)沼氣25.9億m3興建大中型沼氣工程1000多處含工業(yè)有機廢水處理)年產(chǎn)沼氣0億m3系統(tǒng)產(chǎn)能折合2.56Mt標煤.如浙江浮山養(yǎng)殖場利用UAsB型厭氧消化裝置處理雞、豬糞便日產(chǎn)沼氣500m3上海長江農(nóng)場利用上流式厭氧污泥床處理豬糞便日產(chǎn)氣5350m3,杭州西子養(yǎng)殖場、北京大興縣、房山區(qū)一些養(yǎng)殖場及南陽酒精廠的沼氣發(fā)酵工程也都運行良好.美國克拉荷馬州畜禽養(yǎng)殖場養(yǎng)η萬多頭家畜每日利用所產(chǎn)糞便200t生產(chǎn)沼氣與天然氣管道一起輸送到用戶.拉丁美洲已有30個國家不同程度的開發(fā)了沼氣.1992年美國利用生物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)沼氣發(fā)電的裝機容量已達650萬kW約1000家年發(fā)電量42億kWh-消耗4500萬t生物質(zhì)燃料38.巴西和美國在利用生物質(zhì)生產(chǎn)酒精方面成績很突出巴西大量種植甘蔗生產(chǎn)酒精年產(chǎn)量約120億t占其總能耗的4%1989年巴西約420多萬輛汽車完全用酒精行駛500萬輛利用酒精汽油混合物行駛在替代進口石油,節(jié)省外匯支出方面取得了成功8].美國用玉米、馬鈴薯生產(chǎn)乙醇每噸玉米可生產(chǎn)1831.4L乙醇以1:1α體積比疹入汽油作汽車燃料,經(jīng)商品化規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用6福特汽車公司已經(jīng)開始生產(chǎn)廣譜燃料汽車底特律柴油聯(lián)合公司和寇明斯聯(lián)合公司已經(jīng)重新設(shè)計他們的廣譜燃料柴油機和重載汽車18].多糖、多淀粉的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為乙醇已經(jīng)經(jīng)不成問題纖維素類生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成乙醇的技術(shù)國外才進入示范階段近年V口中國煤化工預(yù)處理技術(shù)很大程度地提高了微生物的降解轉(zhuǎn)化率通過各種工藝生物質(zhì)纖糾CNMHG以上.目前美國發(fā)明了一種用含纖維素生物質(zhì)生產(chǎn)乙醇的方法用轉(zhuǎn)基因微生物把纖維素降解為低聚糖和單糖然后再轉(zhuǎn)化為乙醇12.4植物油技術(shù)直接液化即植物油技術(shù)是采用機械壓榨或化學(xué)提取等工藝從生物質(zhì)中直接取生物柴油.生物質(zhì)液化第1期李改蓮等中國生物質(zhì)能的利用狀況及展望工藝包括}.熱化泫氣化高溫分解液化)2生化泫發(fā)酵水解.機械汯(壓榨提取)A.化學(xué)泫甲醇合成酯化61生物柴油有許多優(yōu)良特點潤滑性能大大優(yōu)于石油柴油可減少發(fā)動機的磨損開口閃電高160℃)儲存運輸更方便汁六烷值為5.9抗爆性妤含氧量髙能改進燃燒堿少發(fā)動?xùn)i內(nèi)碳沉淀能完全燃燒二氧化碳、碳氫化合物和顆粒物排放很少.近年來在歐美持續(xù)高速發(fā)展中國尚未見報道.生物柴油在今后幾十年中會迅速發(fā)展起來形成生物柴油產(chǎn)業(yè)2013生物質(zhì)能利用的發(fā)展方向未來半個世紀中國生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展可分3個階段第一階段2001—2010年基本解決農(nóng)村生活用能生態(tài)破壞得到有效的控制基本遏制生物質(zhì)直接燃燒.第二階段2010-2030年生物質(zhì)能多維、多元化利用轉(zhuǎn)化技術(shù)得到普遍推廣生態(tài)環(huán)境建設(shè)開始走上良性循環(huán)的軌道.第三階段20302050年,建立起多能互補、結(jié)構(gòu)合理、安全可靠的生物質(zhì)能源利用體系基本建成適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的能源良性循環(huán)生態(tài)環(huán)境工程目前中國能源戰(zhàn)略迫切需要研究旳是用非糧食生物質(zhì)為原料生產(chǎn)液體類、氣體類燃料開發(fā)有自己知識產(chǎn)權(quán)和推廣價值的技術(shù)使生物質(zhì)能利用穩(wěn)步前進.到本世紀中葉有可能趕上和超過世界先進水平1313.1管理方面根據(jù)西歐經(jīng)驗?zāi)壳爸袊镔|(zhì)能開發(fā)利用要找近期緊迫的進一步帶動長期的如垃圾處理雖然研究治理20多年了但仍未見成效不是因為處理技術(shù)難的問題而是因為沒有整體布局規(guī)劃好,管理好.所以要根據(jù)實際情況政府統(tǒng)一規(guī)劃推行優(yōu)惠政策鼓勵投資對投資給予相應(yīng)的補貼,政府與各部門訂協(xié)議監(jiān)督實施.才能使生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)健康、持續(xù)發(fā)展213.2技術(shù)方面3.2.1發(fā)展沼氣工程全面考慮中國國情以大型養(yǎng)殖場禽糞便髙濃度有機廢水和有機含量高旳垃圾為原料旳沼氣發(fā)酵工程而建立的生態(tài)能源系統(tǒng)得到清潔能源厭氧發(fā)酵殘留物還可多級利用大大改善生態(tài)環(huán)境是未來的發(fā)展趨勢3.2.2生物質(zhì)氣化發(fā)電在西部大開發(fā)基礎(chǔ)上大量生產(chǎn)生物質(zhì)資源發(fā)展獨立的生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)是解決無電缺電的邊遠地區(qū)生活和生產(chǎn)用能問題的有效途徑3.2.3開發(fā)高效直接燃燒設(shè)備中國居民絕大多數(shù)居住在農(nóng)村和小城鎮(zhèn)發(fā)展相應(yīng)規(guī)模的高效直接燃燒技術(shù)和設(shè)備利用當?shù)厣镔|(zhì)資源替代煤前景可觀3.2.4生物柴油產(chǎn)業(yè)生物柴油無毒降解率高達98%降解速度是石油柴油的2倍基本不含硫、芳香族化合物和致癌物PDH對環(huán)境污染很小.在生物質(zhì)富集地開辦液化油廠敗集周圍10km內(nèi)的生物質(zhì)能有效控制原料成本在未來汽車行業(yè)有一席之地3.3擴大生物質(zhì)資源量中國生物質(zhì)能統(tǒng)計量數(shù)目巨大可視為資源豐富.但生物質(zhì)資源分布分散能量密度低除加工業(yè)廢棄物、大型養(yǎng)殖場禽畜糞便及城市垃圾宜集中收集外許多統(tǒng)計岀的資源量不能收集.中國要快速開發(fā)生物質(zhì)能緩解化石能源的危機形成生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)擴大生物質(zhì)資源量是很必要的.借鑒國外硏究的先進成果結(jié)合中國環(huán)境、能源狀況及目前生物質(zhì)能資源發(fā)展情況在中國沙漠、荒山、河岸等廢棄地種植多年生草夲植物和能源矮杺柳樹、雜交楊樹等)等能源植牣冾理利用退耕還枺土地開發(fā)能源枺場、農(nóng)場,為生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)提供充足的原料資源.合理開發(fā)土地既不會影響中國糧食作物產(chǎn)量又能改善土壤生態(tài)功能緩解中國田地貧瘠和沙化現(xiàn)象進而發(fā)展到田地與能源林場、農(nóng)場輪作改善中國整個農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境參考文獻V中國煤化工[1]高先聲生物質(zhì)的能源利用和生物質(zhì)氣化J]太陽能2002(1CNMHG[2]張承龍農(nóng)業(yè)廢棄物資源化技術(shù)現(xiàn)狀及其前氖J]環(huán)境保護2002(1)22-23[3]蔣劍春生物質(zhì)能源應(yīng)用研究現(xiàn)狀與發(fā)展前J]林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)2002(2)75-80[4] RANDERSON P F堇宏林 SLATER F M世界若干國家能源利用及有關(guān)問題研究J]寧夏農(nóng)林科技1999(5)5-9[ 5] JIM Cook JAN Beyea, Bioenergy in the United States:progress and possibilitie[ J ] Biomass& Biology 2000( 18)441-455河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報第38卷[6]李海濱吳創(chuàng)之陳勇.我國垃圾處理的技術(shù)出路J]中國科技成果2002(15):19-20[⑦]王慶一.中國可在生能源現(xiàn)狀障礙與對策一開發(fā)利用現(xiàn)狀J]中國能源2002(7)39-44.[8]梁寶芬.美國生物質(zhì)能等可在再能源發(fā)電考查報氣J]新能源J994A(10)1-7[9]汪大綱世界生物質(zhì)能利用的狀況和展望J.世界林業(yè)研究1996(6)4-70[10] WANGER D 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