第38卷第2期vol 38 No. 22009年2月Applied Chemical IndustryFeb.2009清潔能源——生物質秸稈的研究進展王香愛(渭南師范學院化學化工系陜西渭南714000)摘要:介紹了研究清潔能源一生物質秸稈的必要性綜述了生物質秸稈的研究進展對秸稈發(fā)電制燃料乙醇生產沼氣、熱解氣法制可燃氣等作了詳細的論述,提出了秸桿作為21世紀最具開發(fā)價值的綠色可再生能源應加大其研究力度。關鍵詞:清潔能源;生物質秸稈;研究進展中圖分類號:TQ223文獻標識碼:A文章編號:1671-3206(2009)02-0289-04Progress in research of clean straw biomass energyWANG Xiang-aDepartment of Chemistry and Chemical Engineering, Weinan Teachers College, Weinan 714000, China)Abstract: The necessity of clean energy--biomass straw was introduced. The study progress of biomassstraw was reviewed. The applications of biomass straw in power generation, fuel ethanol, biogas production, combustible gas production by pyrolysis gas were discussed in details. As the most potential greenand renewable energy in the 2lst century, the study of biomass energy should be pay more attention.Key words: clean energy; biomass straw; study progress生物質秸稈是一種潔凈的可再生能源,它包括響高速公路、航空、污染空氣、引發(fā)火災。因為我們玉米稈、小麥稈、稻稈、油料作物秸稈、豆類作物秸沒有給秸稈找到很好出路焚燒秸稈每年依然都在稈雜糧作物秸稈、棉花稈等多種作物的莖稈。秸稈進行著如何持續(xù)高效利用秸稈是當前的一大現實是當今世界上僅次于煤炭、石油和天然氣的第4大問題。能源它的開發(fā)利用越來越受到人們的關注。我國1研究生物質秸稈的必要性作為農業(yè)大國,生物質資源十分豐富,每年農作物秸近年來,由于石化能源的緊張,嚴重影響和波及稈產量達7億多噸。但大部分秸稈直接在田間焚燒工業(yè)農業(yè)交通運輸以及人民生活等各個方面促帶來的大氣污染和消防安全問題危害極大甚至影使國民經濟整體運行成本的增加嚴重影響了經濟響交通和人民群眾的健康而且由于熱利用率低造的持續(xù)健康穩(wěn)定發(fā)展。用清潔可再生能源替代煤成了生物質能源的極大浪費秸稈焚燒已成為一大炭、石油調整能源結構,是中國近期的重要任務。公害。隨著農民生活水平的提高和能源利用方式的我國是個能源消耗大國能源消耗量僅次于美國但轉變秸稈等農業(yè)廢棄物帶來的環(huán)境問題越來越突中國又是一個能源短缺的國家。據調查2004年我出其能源利用已成為國內外眾多學者研究的焦國原油進口量高達12億t,而且隨著化工汽車點工業(yè)的發(fā)展,這個缺口將越來越大。眾所周知,石油據聯合國糧農組織統計全世界農作物秸稈中是一種化石燃料,是不可再生的,而農作物秸稈是有66%直接還田或作為生活能源而被燒掉了,19%可再生的,它是地球上最充足但卻又未得到充分利作為房屋建筑材料或蔬菜生產覆蓋材料等僅12%用的可再生資源之一,當它進入能源領域后,可發(fā)作為了家畜的飼料,另有3%左右作為手工藝的原展成為取之不竭的能源生產原料,明顯減輕燃料對料。我國約有70%的秸稈作為生活能源的燃燒料環(huán)境的污染減輕對進口石油的依賴,從而更加凸顯后還田,或就地焚燒還田,或直接翻入土壤層中還出農作物秸稈再生酒精的經濟利用價值。由于田僅有20%左右作為家畜的飼料另有2%作為紙目前研發(fā)的秸稈能源成本較高相當于原油的12槳材料及建筑材料和手工藝材料。秸稈焚燒影3.6倍中國煤化工低產品成本,提收稿日期:2008210CNMHG基金項目陜西省科技廳自然科學基金項目(2007B23);陜西省教育廳專項科研資助項目(07JK242)作者簡介:王香愛(1967-),女陜西渭南人渭南師范學院副教授從事精細化學品合成。電話:13186218019,E-milwnwxa@sina.com290應用化工第38卷高產率已成為利用秸稈轉化為可利用能源的關鍵稈最有效最潔凈的利用方式之一因素。開發(fā)清潔的可再生能源是解決能源危機減氣化發(fā)電工藝主要包括3個方面:一是生物質少環(huán)境污染,走可持續(xù)發(fā)展的必由之路。秸稈氣化在氣化爐中生物質秸稈轉化為氣體燃料;隨著農村經濟的發(fā)展,農民生活水平的提高秸二是氣體凈化氣化后的燃氣都含有一定的雜質包稈變成“廢物”的區(qū)域越來越擴大;從根本上解決秸括灰焦炭和焦油等需經過凈化系統把雜質除去稈綜合利用發(fā)展循環(huán)經濟已經是迫在眉睫的事情以保證燃氣發(fā)電設備的正常運行;三是燃氣發(fā)電利了。循環(huán)經濟是以資源的高效利用和循環(huán)利用為核用內燃機或燃氣輪機進行發(fā)電印。心,將物質流動方式由傳統的“資源一產品一廢物”2.1.1.2生物質秸稈煤共燃實施技術在燃煤電單向線型經濟轉變?yōu)椤百Y源一產品一再生資源”閉廠實施生物質秸稈煤共燃較為簡單僅僅涉及在已合循環(huán)模式。作為一種新的經濟發(fā)展戰(zhàn)略循環(huán)經有的燃料系統中進行生物質秸稈的摻混通常有下濟的思想理念是在對傳統單程消耗式經濟發(fā)展模式面2種方式:一是在給煤機上游與煤混合再一起深刻反思基礎上逐步形成和發(fā)展的。進入20世紀制粉后噴入爐膛燃燒;二是采用專門的粉碎裝置進下半葉,全球人口激增,經濟飛速發(fā)展對自然資源行生物質秸稈的切割和粉碎然后在燃燒器上游混的消耗速度明顯加快,同時,環(huán)境污染和生態(tài)破壞等煤粉氣流中,或通過專設的生物質燃燒器噴入爐問題日益突出,人類的生存環(huán)境受到了嚴重的威脅。膛燃燒。第1種方式相對簡單,無需對現有設備和在這種嚴峻的形勢下,人類不得不重新審視傳統的系統進行改造但由于生物質能量密度低且難以粉經濟發(fā)展模式,通過在生產和服務過程中貫徹“減碎磨煤機的容量及系統可靠運行對摻燒比例有限量化、再利用、再循環(huán)”的原則,實現資源利用的最制。對燃燒煙煤的電廠,生物質秸稈質量配比一般大化和廢棄物排放的最小化,倡導的是一種與環(huán)境小于4%-5%。第2種方式需要加裝單獨的生物和諧的經濟發(fā)展模式。循環(huán)經濟使人類步入可持續(xù)質燃料制備系統設備投資等費用顯著增加。發(fā)展的軌道使傳統的高消耗高污染高投入低效21.13生物質秸稈直接燃燒技術生物質秸稈率的粗放型經濟增長模式轉變?yōu)榈拖牡团欧?、高直接燃燒是最簡?也是最早被采用的生物質能利效率、高利用的集約型經濟增長模式。生物質秸稈用方式。但在過去的傳統燃燒方式中生物質燃燒是新能源中最具開發(fā)利用價值的一種綠色可再生能效率極低,一般只有10%左右,造成能源嚴重浪費c源,世界上許多國家將其作為21世紀發(fā)展可再生能若能開發(fā)一種方便、高效的生物質直接燃燒技術,必源的戰(zhàn)略重點和具備發(fā)展?jié)摿Φ膽?zhàn)略性產業(yè)將具有很好的經濟和社會效益2生物質秸稈研究進展2.1.2秸稈發(fā)電意義生物質秸稈中硫的平均含量不到015%,煤炭中硫的含量達到1412%,是秸2.1秸稈發(fā)電稈硫含量的9倍,秸稈能源燃燒時,避免了因產2.1.1生物質秸稈發(fā)電工藝生物質秸稈氣化發(fā)生的SO2、NO2而形成酸雨,它燃燒排放的CO2與生電生物質秸稈煤混合燃燒發(fā)電和生物質秸稈鍋爐物質再生時吸收的CO2達到碳平衡具有CO2零排直接燃燒發(fā)電。目前生物質發(fā)電量已占發(fā)達國家放的作用,從根本上解決能源消耗帶來的溫室效應可再生能源發(fā)電量的70%。問題,是國際上發(fā)達國家普遍推行的清潔發(fā)展機21.11生物質秸稈氣化發(fā)電技術20世紀70制(cDM)項目。裝機容量為12MW的生物質發(fā)電年代Chay首次提出了將氣化技術用于生物質這機組每年可減排17.8萬tco2當量,可大幅度降低種含能密度低的燃料使氣化技術成為生物質能量全球溫室氣體排放。秸稈是清潔的可再生資源轉化過程最新技術之一。近年來歐洲很多研究人每2t秸稈產生的熱量相當于1t標準煤,其熱值相員對生物質氣化發(fā)電技術進行了大量的研究并取當于煤炭的85%~90%。現在每年的秸桿量約得了相當的成果。生物質受熱后,在相對較低的溫6.5億t相當于4-5億t標煤。秸稈電廠與同等規(guī)度下就可使大量的揮發(fā)分物質析出,生物質原料揮模每年發(fā)電1.38億度的燃煤電廠相比,秸稈發(fā)電發(fā)分高達70%以上。因此氣化技術非常適合生物每年可節(jié)約煤炭10多萬噸減少SO2排放量400t質原料的能量轉化。生物質秸稈氣化發(fā)電技術的基秸稈華中媽堆屮的還可作為農家肥再利用本原理是把生物質秸稈轉化為高品位的燃料氣再秸稈中國煤化工灰分含有豐富的利用燃料氣推動內燃機或燃氣輪機發(fā)電進行熱電鉀CNMHG高效農業(yè)肥料還聯產聯供。這樣既能解決生物質秸稈燃燒效率低,田利用,其生態(tài)經濟效益十分明顯,也可運到鋼鐵公分布分散的缺點又可以充分發(fā)揮燃氣發(fā)電設備結司作為防止鋼花飛濺灼傷的材料。構緊湊污染少的優(yōu)點。所以,氣化發(fā)電是生物質秸另外,秸稈燃料的收、儲、運工作也給農村帶來第2期王香愛:清潔能源一一生物質秸稈的研究進展了新的就業(yè)崗位實現就地轉移農村剩余勞動力;秸后送到預處理反應器中用高壓蒸汽和硫酸對原料稈發(fā)電的發(fā)展可以帶動電廠周邊的基礎設施建設,進行處理蒸汽溫度在200~250℃,硫酸濃度為由于發(fā)電廠持續(xù)穩(wěn)定地消耗秸稈,能夠源源不斷地0.5%-0.1%。原料在這種環(huán)境下維持時間少于為農村提供經濟支持使農村經濟得以持續(xù)穩(wěn)定的1min,然后快速釋放壓力。發(fā)展,有利于進一步縮小城鄉(xiāng)差距。在中國生物質秸稈預處理后需對其進行水解,使其轉化成可總資源量中秸稈資源占有一半,因此,秸稈發(fā)電對發(fā)酵性糖。水解是破壞纖維素和半纖維素中的氫中國的發(fā)展意義重大。鍵將其降解成可發(fā)酵性糖:戊糖和己糖。纖維素水2.1.3秸稈發(fā)電存在問題一是秸稈收集。秸稈解只有在催化劑存在下才能顯著地進行,常用的催度較小且單位熱值小于煤炭,收集和運輸較為困化劑是無機酸和纖維素酶難。二是秸稈發(fā)電作為一項新技術,建設秸稈發(fā)電從葡萄糖轉化成乙醇的生化過程是簡單的,通的一些設備還需要進一步完善,一些技術問題還過傳統的酒精酵母,使反應在30℃條件下進行。但有待于進一步解決。開發(fā)效率較高的秸稈發(fā)電系半纖維素構成了農作物秸稈的相當部分,其水解產統,是我國開發(fā)生物質秸稈發(fā)電技術的一個主要課物為以木糖為主的五碳糖還有相當量的阿拉伯糖題,也是我國能否有效利用生物質能源的關鍵。應生成(可占五碳糖的10%~20%),故五碳糖的發(fā)酵積極引進消化和吸收國外先進技術,嫁接商品化、效率是決定過程經濟性的重要因素。木糖的存在對集約化、規(guī)?；墓芾斫涷?并不斷創(chuàng)新,早日實現纖維素酶水解抑制作用,將木糖及時轉化為乙醇對秸稈成套發(fā)電設備的國產化。農作物秸稈的高效率酒精發(fā)酵是非常重要的。目前2.2秸稈制燃料乙醇人們研究最多且最有工業(yè)應用前景的木糖發(fā)酵產乙2.2.1秸稈的化學組成秸稈主要是由植物細胞醇的微生物有3種酵母菌種即管囊酵母( Pachysolen壁組成細胞壁的基本組成是半纖維素、纖維素木 tannophilus)、樹干畢赤酵母( Pichia stipits)和體哈塔素和可溶性固形物。纖維素結構單元是由BD假絲酵母( Candida shehatae)葡萄糖基β-1,4-糖苷鍵聯結而成的線性葡萄糖高分以秸稈為原料生產乙醇的成本低于用糧食發(fā)酵子聚合物每個纖維分子由800~1200個葡萄糖分法生產乙醇的成本,有著其它原料生產燃料乙醇不子組成,很難被降解。半纖維素主要是木糖,以及少可比擬的優(yōu)勢,不少國家已在多年以前就開展此項量阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖等組成的聚合物,半纖工作。目前還沒有實現大規(guī)模工業(yè)化生產。今后維素較易水解為單糖。而木質素是以苯丙烷及其衍我們應開發(fā)秸稈預處理新技術,培育價廉高活力的生物為基本單位構成的高分子芳香族化合物,是一新型纖維素酶及五碳糖、六碳糖同步發(fā)酵的新菌種,種酚類聚合物,起膠質的作用將纖維素和半纖維素研發(fā)出流程短效率高、能耗低的秸稈生產乙醇新工連接在藝,從而降低乙醇生產成本,同時應注重秸稈中副產2.2.2秸稈發(fā)酵生產乙醇工藝首先預處理秸稈,物的開發(fā),例如氣化木質素,可以較低的成本轉化為得到纖維素和半纖維素,去除阻礙糖化和發(fā)酵的物電廠的固體燃料糠醛和醋酸也是潛在的副產品,有質,使其更容易被降解;然后用酸或酶水解聚合物成很大的市場潛力,這些產品的研發(fā)都有利于早日實單糖(包括五碳糖和六碳糖);用基因工程菌發(fā)酵六現秸稈生產燃料乙醇的產業(yè)化。碳糖和五碳糖生成乙醇,而木質素不能轉化為乙23秸稈生產沼氣醇叫,它可以和其他不能轉化成乙醇的殘渣一起作沼氣是一些有機物質在一定的溫度濕度、酸度為燃料使用,為生產提供動力。條件下隔絕空氣(如用沼氣池)經微生物發(fā)酵而產預處理可借助化學物理方法進行,既可以單獨生的可燃性氣體(主要是CH4)。發(fā)酵是復雜的生用一種方法,也可以幾種方法結合起來用。近幾年,物化學變化,有許多微生物參與。反應大致分兩個國內外研究比較熱門的有效的預處理方法有蒸汽爆階段:一是微生物把復雜的有機物質中的糖類、脂破法、堿處理、酸處理法。蒸汽爆破法是用蒸汽肪、蛋白質降解成簡單的物質,如低級脂肪酸醇將原料加熱至200~240℃,維持0.5-20min高溫醛、二氧化碳氨、氫氣和硫化氫等;二是由甲烷菌種高壓造成木質素的軟化,然后迅速使原料減壓,造的作簡單的物質亦成田烷。我國的沼氣成纖維素晶體和纖維束的爆裂使木質素和纖維素技術中國煤化工已有100萬農分離。堿處理法是利用木質素可溶于堿性溶液的特戶用CNMH物秸稈和動物糞點,用稀NaOH溶液或NH3溶液處理農作物秸稈,使便。就目前沼氣的利用,具有許多優(yōu)越性,它不僅能其中的木質素結構被破壞,以便于酶水解的進行,酸實現作物秸稈就地高能化,而且還實現了能源清潔預處理法是將捆狀或碎片狀的原料粉碎成微小顆?；?。沼氣燃燒的熱效率比城市煤氣高出40%,若全應用化工第38卷國10%的農戶用上沼氣,每年就可消耗2000多萬在環(huán)境保護和經濟建設方面具有其它能源不可替代噸秸稈,變廢為寶。減少了其它能源供應上運輸的作用。成本。與常用的生產原料—畜禽糞便相比,具有以參考文獻:下優(yōu)點:一是秸稈分布廣泛,原料充足,可徹底解1]郭建維宋曉銳崔英德流化床反應器中生物質的催決沼氣生產原料問題;二是秸稈含水率低,產生的化裂解氣化研究[]燃料化學學報,2001,29(4):沼渣呈固態(tài),可直接作為有機肥料使用,沼液可用于319-322.下個批次發(fā)酵料的水分調節(jié),完全沒有沼液的排放[2]鄧可蘊.21世紀我國生物質能發(fā)展戰(zhàn)略[J].中國電是符合循環(huán)經濟要求的清潔生產過程,而畜禽糞便力,2007,33(9):8284[3]呂鵬梅常杰熊祖鴻等.生物質廢棄物催化氣化制含水率高,產生的沼渣沼液難以處理和利用,常未取富氧燃料氣[J].煤炭轉化,2002,25(3):32-36.經處理就排放了,對環(huán)境造成二次污染因而不能從[4] Yokoyama S, Suzuki a, Murakami M,eta. Liquid fuel根本上解決環(huán)境污染問題;三是秸稈可長期貯存,運production from sewage sludge by catalytic conversion u輸方便,價格較便宜。而畜禽糞便不便于、也不能長sing sodium carbonate fuel[ J]. Energy Conversion and期存放,運輸不方便。Management,1997(66):1150-1155.2.4秸稈熱解氣法制可燃氣[5] Cahly M, Piskorz J. The hydrogasification of wood[ J]. Ind秸稈熱解氣化法制可燃氣技術,其生產工藝流Eng Chen Res,2002(27):256-264程為:先將秸稈切碎后由螺旋輸送機輸送到千[6]馬隆龍肖艷京任水志等生物質氣化發(fā)電[J.餾氣化爐中,秸稈在氧氣不充足的條件下干餾、熱源工程,2006(2):46.解氣化被還原成CHCO、H2等可燃性混合氣[7]謝軍,吳創(chuàng)之陰秀麗等生物質氣化發(fā)電技術及應用前景[J].上海電力,2004,20(1):54-57體。產生的可燃氣體經冷卻器降溫后進入氣液分[8]盛昌棟,張軍煤粉鍋爐共燃生物質發(fā)電技術的特點離器除去水和焦油,過濾后可得純凈可燃氣體。目和優(yōu)勢[J].熱力發(fā)電,2006(3):8-11前,美國、英國、加拿大等國家學者開展了循環(huán)流化[9]肖波郭勇,楊加寬,等.生物質粉體燃燒技術研究床、加壓流化床等的研究,已實現了工業(yè)化應[J].能源技術,2004,25(5):197-199用,該工藝自動化程度較高氣化效率60%~[101駱俊我國發(fā)展生物質發(fā)電技術的前景分析[冂江蘇80%,可燃氣體熱值170~250M/m3。目前該技術電機工程,2006(9):100-102存在的主要問題是燃氣熱值低焦油含量大熱能利[1]邱凌生物質致密成型研究進展[J能源技術2006用效率低、前期投人資金短期很難回收、氣體成本較(3):5761.高,農戶難以承受等[12]小宮山宏迫田章義,日本生物質綜合戰(zhàn)略[M].北京:中國環(huán)境科學出版社,2005:525425秸稈轉化制汽油、柴油[13]張莤尚俐君秸稈發(fā)電生態(tài)效益可觀[打]華北電業(yè),利用秸稈內的碳水化合物和木質素原有化學結2005(1):223構的特點2,在催化劑作用下,選控斷裂醚鍵酚[14]張強玉米秸稈生產乙醇技術研究[門釀酒科技,醚鍵、二烷基醚鍵和聯結單元之間的碳碳鍵,調控反2004(4):56-58應條件形成高活性自由基,實現了秸稈內高分子目[15]常秀蓮木質纖維素發(fā)酵乙醇的探討[冂釀酒科技,的性裁剪、重組,制備出汽、柴油餾分,其液相中2001(2):394240%左右為柴油餾分,20%左右為汽油餾分,其余是[16]李居平沼氣開發(fā)與生態(tài)農業(yè)建設[J].農業(yè)知識苯和苯酚等有機物,該方法為獲得石油及精細化工1995(1):52-53[17]馬承愚倪爽美秸稈熱解氣化法制可燃氣技術[]原料開辟了廣闊的前景。由于液體燃料的優(yōu)點,秸環(huán)境保護,1997(12):323桿乙醇化技術和生產汽柴油技術有著廣闊應用空(8] Smouse S m,SocE, RBo S N,el. Promotion of b間mass cogeneration with power export in the Indian sugar3結束語industry[J ]. Fuel Processing Technology, 2004(54): 227.生物質秸稈作為一種清潔能源,其利用時不僅SO2、NO2等危害氣體排放量極小,而且具有CO2零19中國煤化工流態(tài)化催化氣體技排放的優(yōu)點作為新能源中最具開發(fā)利用價值的一[20-004,25(5):678683CNMHG美產環(huán)氧乙烷[門]青種綠色可再生能源,已引起世界各國的廣泛重視。?？萍?2004(3):6263相信隨著科學技術的不斷進步,高效催化劑的開發(fā)(21何建楊治敏,閻忠斌秸稈生物型煤能源利用可持續(xù)和研制秸稈成本的降低,清潔能源—生物質秸稈發(fā)展之路[四川環(huán)境,2003(4):6064.