化學與生物工程2010,Vol.27N.9開發(fā)應用73Chemistry Bioengineering秸稈生物質能源的應用現狀與前景婁玥蕓,張惠芳(1,南京工業(yè)大學化學化工學院,江蘇南京210009;2.湖北大學圖書館,湖北武漢430062)摘要:對秸稈生物質能源的應用現狀、發(fā)展前景進行了綜逑,分析了秸稈生物質能源應用中的相關技術問題,并提出了幾點建議。關鍵詞:能源;秸稈生物質;技術分析中圖分類號:TQ352文獻標識碼:A文章編號:1672-5425(2010)09-0073-04生物質是指利用大氣、水、土地等通過光合作用而我國生物質能發(fā)展迅速,具體表現在:生物質發(fā)電從無產生的各種有機體。農作物秸稈是生物質的一個重要到有;沼氣建設一路高歌;燃料乙醇產量躍居世界第組成部分,是當今世界上僅次于煤炭、石油和天然氣的三;生物柴油困境中尋求突破,得以快速發(fā)展6。第四大能源,在世界能源總消費量中占14%預計1.2國外現狀到本世紀中葉,采用新技術生產的各種生物質替代燃國外生物質能技術開發(fā)是從20世紀70年代末期料將占全球總能源的40%以上2,如何讓秸稈生物質開始的,現在已有了很大進展。秸稈直燃發(fā)電的先能源發(fā)揮最大的效益,是科學家們重點關注和研究的進設備已投放市場,熱解氣化技術也飛速猛進,燃料乙課題。醇等多項技術裝備已進入規(guī)?；蜕唐坊A段。1秸稈生物質利用的現狀丹麥是世界上最早使用秸稈發(fā)電的國家。丹麥首都哥本哈根以南的阿維多發(fā)電廠建于20世紀90年代,秸稈生物質具有多功能性,可作為燃料、飼料、肥是全球效率最高、最環(huán)保的熱電聯供電廠之一,每年燃料、生物基料和工業(yè)原料等。秸稈生物質利用主要有燒15萬t秸稈,可滿足幾十萬用戶的供熱和用電需求。三個方面:一是種植(養(yǎng)殖)業(yè)綜合利用秸稈:秸稈快速在加拿大首都渥太華以北的農業(yè)區(qū),每年在收割腐熟還田、過腹還田和機械化直接還田、生產優(yōu)質飼料季節(jié),玉米收割機一邊收割一邊把玉米稈切碎,切碎的和食用菌。二是秸稈能源化利用:秸稈生物氣化(沼玉米稈作為肥料返到田里氣)、熱解氣化、固化成型、炭化、纖維素制燃料乙醇在日本,主要有兩種秸稈處理方式:混入土中作為三是以秸稈為原料的加工業(yè):生產非木紙漿、人造板肥料,或作粗飼料喂養(yǎng)家畜。近年日本地球環(huán)境產業(yè)材、包裝材料、餐具等產品,以及秸稈飼料加工業(yè)和秸技術研究機構與本田技術研究所共同研制出從秸稈纖稈編織業(yè)3維素中提取酒精燃料的技術,向實用化發(fā)展1.1國內現狀秸稈在美國的用途很廣,可作飼料、手工制品,還我國農民對作物秸稈的利用有悠久的歷史,秸稈用來蓋房。有關秸稈與纖維素乙醇的提煉問題,則是除少量用于墊圈、喂養(yǎng)牲畜,部分用于堆漚肥外,大部秸稈綜合回收利用在美國的最新進展分都作燃料燒掉。但隨著省柴節(jié)煤技術的推廣,燃煤秸稈生物質的能源化應用和液化氣的普及,秸稈大量富余。我國是世界上最大的農業(yè)生產國,纖維素生物質資源豐富,總量在12億t國內外生物質能利用技術經過20多年的研究和以上(。目前,農村秸稈綜合利用率僅達到287%,發(fā)展,其能源化應用主要有:已經普及的節(jié)能灶、小沼與國家《秸稈焚燒和綜合利用管理辦法》中的年利用率氣;處于示范、推廣階段的厭氧處理糞便和秸稈氣化集達到60%,力爭到2015年秸稈綜合利用率超過80%中供氣技術處舌中試階段的牛物質能壓制成型及其的目標要求有很大差距。自20世紀80年代以來,配套中國煤化工料制取酒精、熱化學CNMHG收稿日期:2010-05-04作者簡介:婁玥薈’女,湖北武漢人,研究方向:化學工程;通訊作者:張惠芳,副研究員婁玥蕓等:秸秤生物質能源的應用現狀與前景/2010正9睏液化技術、供熱發(fā)電和燃氣催化制取氫氣等?？商峁┑哪芰恐饕须娔堋崮芎徒煌茉?。3秸稈生物質能源化應用技術2.1電能秸稈生物質能源化應用技術主要包括秸稈沼氣生物質能發(fā)電主要有兩條工藝技術路線,即氣化(生物氣化)、秸稈固化成型燃料、秸稈熱解氣化、直燃發(fā)電和直接燃燒發(fā)電。發(fā)電和秸稈干餾等方式。世界各國高度重視秸稈發(fā)電項目的開發(fā),將其作3.1沼氣發(fā)酵生物法(生物氣化)為21世紀發(fā)展可再生能源的戰(zhàn)略重點和具備發(fā)展?jié)摻斩捝餁饣墙斩捲趨捬鯒l件下經微生物發(fā)酵力的產業(yè)。丹麥已建有130多座秸稈發(fā)電站秸稈發(fā)而產生沼氣和有機肥料的技術工程,可利用稻草、麥電等可再生能源已占該國能源消耗總量的24%,丹麥秸、玉米秸等多種秸稈,并可與農村生活垃圾、果蔬廢BWE發(fā)電技術也在西班牙、英國、瑞典、芬蘭、法國等物、糞便等混合發(fā)酵,原料組合非常靈活,來源充足,有國投產運行多年,其中英國坎貝斯的生物質能發(fā)電廠著廣闊的發(fā)展空間和發(fā)展?jié)摿Α＝斩捳託饧夹g分為戶是目前世界上最大的秸稈發(fā)電廠,裝機容量3.8萬用秸稈沼氣和秸稈沼氣集中供氣兩種形式。秸稈入池kW;其它如日本的“陽光計劃”美國的“能源農場”,美產氣后產生的沼渣作肥料還田提高了秸稈資源的利國有350座生物質發(fā)電站,總裝機容量達7000MW,用效率,氣化效率通?？蛇_70%~80%12提供了大約6.6萬個工作崗位,2010年美國生物質能秸稈沼氣技術的工藝流程為:秸稈預處理一堆發(fā)電達到13000MW裝機容量;印度有“綠色能源工漚一投料一加水封池一點火試氣。由于秸稈中含有大”等,秸稈發(fā)電技術已被聯合國列為重點項目予以推量的纖維素、木質素,導致分解速度較慢,產氣周期較廣。我國的秸稈發(fā)電技術雖然起步較晚,但發(fā)展較快,長。若將秸稈直接入沼氣池進行發(fā)酵產氣慢、氣量少國內在建農作物秸稈發(fā)電項目136個分布在河南黑不經濟、難以大面積推廣應用。為了提高產氣量,龍江、遼寧、新疆江蘇、廣東浙江、甘肅等多個省市。主要應解決預處理技術和發(fā)酵菌種及適合秸稈物料特根據我國新能源和可再生能源發(fā)展綱要提出的目標和性的高效厭氧發(fā)酵反應器研制等問題國家發(fā)改委的要求,至2020年,五大電力公司清潔沼氣發(fā)酵的優(yōu)點:(1)菌種在適合的情況下,發(fā)酵燃料發(fā)電要占到總發(fā)電的5%以上,生物質能發(fā)電裝及供能速度快;(2)原料簡單易得,利用率較高;(3)前機容量要超過3000萬kW期投入少,不需要大型機械和復雜環(huán)境。2.2熱能沼氣發(fā)酵的缺點:(1)建廠條件高,需要配套的小秸稈生物質通過液化或固化等方式制造成燃料可項目多,投資成本高短期內效益低;(2)小型沼氣工程直接供熱,或是制造成秸稈清潔煤炭等等。秸稈煤炭是存在產氣不穩(wěn)定及發(fā)酵速度慢、相對效率低的問題;種新型的生物質再生能源,環(huán)保清潔,遠遠低于原煤(3)大型沼氣工程技術要求高,推廣難度大的成本和市場價格應用范圍極為廣泛,可以代替木柴、3.2秸稈氣化爐氣化法(熱解氣化)原煤、液化氣,廣泛用于生活爐灶、取暖爐、熱水鍋爐、工秸稈熱解氣化是以農作物秸稈、稻殼、木屑、樹枝業(yè)鍋爐等。但是如何將生物質燃料像煤、煤氣和天然氣以及農村有機廢棄物等為原料,在氣化爐中缺氧的情一樣在老百姓的生活中普及,還需大力宜傳和推廣。況下進行燃燒,使秸稈在700~850℃的氣化溫度下發(fā)2.3交通能源生熱解氣化反應,產生一氧化碳、氫氣、甲烷等可燃氣秸稈的主要成分是碳、氫、氧等元素,有機成分以體用于工業(yè)發(fā)電熱電聯產、液體燃料合成、居民集中纖維素、半纖維素為主,其次為木質素、蛋白質、脂肪、供氣、工業(yè)燃氣鍋爐、工業(yè)干燥和采暖供熱等方面灰分等,用秸稈轉化的生物燃料如生物乙醇和生物柴秸稈熱解氣化的優(yōu)點:(1)秸稈燃燒充分,基本沒油作為交通能源,同石油、天然氣和煤等化石燃料相有煙熏殘余灰燼少;(2)熱值高,2t秸稈的熱值相當比,最大特點是可再生性和對環(huán)境更友好10。國際上·于1t煤,燃燒溫度高,火力強,節(jié)省時間;(3)燃燒的生物交通能源技術相對成熟,主要路線是:谷物、秸稈、火焰溫度、熱能強度可控制調節(jié),并實現開、關兩位操其它植物等發(fā)酵生產乙醇一車用油、乙烯、無毒溶劑及作,中國煤化工,可實現不間斷供上百種化工、原材料產品等;我國秸稈交通能源技1添加劑。術研究雖然起步較晚,但日趨成熟,有些正形成小型規(guī)CNMH(解氣化過程中揮發(fā)出模和商品化。多種有機化合物和焦油,若不加以回收利用,易造成環(huán)婁玥蕓等:秸稈生物質能源的應用現狀與前景/2010正9期境污染和二次污染;(2)只利用了單一的可燃氣,資源8月底,我國共上馬了生物質能發(fā)電項目136個,總裝利用率低,且存在一定的安全隱患機規(guī)模220萬kW16。經過近20年的努力,我國生物質熱解氣化技術日3.4液化乙醇法趨完善。我國自行研制的集中供氣和戶用氣化爐產品乙醇作為替代能源,已在巴西、美國、瑞典、中國等已進入實用化試驗及示范階段,形成了多個系列的爐得到應用。傳統的由玉米秸稈制備乙醇的工藝包括預型,可滿足多種物料的氣化要求,在生產、生活用能、發(fā)處理、水解、發(fā)酵3個步驟1。通過預處理分離木質電、干燥、供暖等領域得到利用素等不利于發(fā)酵的成分、破壞纖維素的束狀結構、提高現已研發(fā)出突破性的生物質能源聯產綜合利用技纖維素水解效率、降低纖維素酶的成本、開發(fā)木糖發(fā)酵術,即在氣化爐內將生物質材料在限制供氧的條件下用的微生物菌種和優(yōu)化生產過程等,均是生產乙醇的燃燒,發(fā)生一系列燃燒反應,同時回收產生的氣、液、炭關鍵。而最近研究出的木材液化過程中,木質素首先和熱水。熱解產生的氣體主要含有甲烷、乙烯、一氧化被液化,其次是半纖維素,最后才是纖維素,這就有可碳、氫氣等可燃性氣體,可將其輸入燃氣輪機發(fā)電或直能將秸稈中木質素等不利于發(fā)酵制備乙醇的成分與纖接向用戶供氣;產生的液體中含有酸類、醇類酯類、醛維素分離,達到秸稈預處理的目的81。分離的程度是類、酥、酚類等多種化學成分,可用作家畜、家禽飼養(yǎng)制備乙醇的關鍵中的消毒殺菌液、除臭劑,或用作促進作物生長的葉面利用農作物秸稈為原料生產生物乙醇,同時聯產肥,在有機農作物種植中施用;產生的固體生物質炭經重要的碳四平臺化合物丁二酸。丁二酸可生產新型可過處理可作為工業(yè)用炭、生活用炭、有機復合肥、肥料降解塑料PBS等新材料,有著極其廣闊的投資與應用緩釋劑等;冷卻爐體產生的熱水可用于工業(yè)或民用,這前景。據了解,我國每年約產生1.5億t玉米秸稈,利項技術具有良好的推廣和應用前景。用纖維素轉化利用技術,可生產1500萬t生物燃料及3.3直接燃燒法1800萬t加工產品,相當于4500萬t石油產生的價直接燃燒法是直接將收集的秸稈生物質原料集值。秸稈乙醇項目還可實現真正意義上的純生物流程中、粉碎、干燥后投入鍋爐中燃燒發(fā)電,可以采用鍋生產。其生產過程基本不消耗化學能源,每6t秸稈纖爐一蒸汽一蒸汽輪機一發(fā)電機的工藝方式,也可以采維大約產生1t乙醇、1t二氧化碳,除去損耗的余渣約用熱電聯供的方式以提高系統效率。該技術基本成3.5t,可代替煤用于鍋爐。整個流程將是真正意義熟,已經進入商業(yè)化應用階段。對于秸稈發(fā)電廠來說,上的取之自然、用于自然、回歸自然的純天然過程。給料方式主要有兩種:一種是切碎給料,一種是整包給隨著技術的不斷進步,麥秸、玉米稈、稻草經過生料。以6MW秸稈直燃發(fā)電系統為例,該系統釆用汽產加工,最終都可以變成能夠替代石油的燃料乙醇,可輪機組進行發(fā)電,發(fā)電效率20%,自用電率10%,碳轉逐步替換目前的石油制品燃料,降低中國過高的原油化率90%,系統總供電效率18%1依賴度,對緩解我國能源短缺、提高農民收入、保護大直接燃燒法是目前在秸稈生物質能源化利用中最氣環(huán)境等均有重要的戰(zhàn)略意義。國家發(fā)改委宣布:中簡單方便也是唯一實現規(guī)?；瘧玫姆椒?。但缺點明國將在未來使用更多的非糧乙醇燃料來替代原油,具顯:其熱效率僅為氣化的三分之一,且投資大;由于秸體包括2010年開始每年使用超過200萬t非糧農作稈燃料中堿金屬以及氯元素的含量相對較高燃燒后物提煉出來的乙醇燃料以及20萬t生物柴油,而到將產生較強的高溫腐蝕,并引發(fā)床料聚團、結渣等問2020年分別增加至1000萬t和200萬t20題;燃燒面積大,不能充分利用資源;生物質燃燒過程3.5壓塊固化燃燒法產生的細粒子影響城市和區(qū)域空氣質量,降低大氣能植物細胞中除含有纖維素、半纖維素外還含有木見度,損害人體健康,甚至影響區(qū)域和全球氣候質素,木質素是具有芳香族特性的結構單體為苯丙烷根據國外生物質發(fā)電廠運行實績統計以及我國權型的立體結構高分子化合物,其常溫下不溶于任何有威部門測算,生物質燃燒發(fā)電成本遠高于常規(guī)燃煤發(fā)機溶劑,但在200~300℃時會軟化液化,此時如施加電成本,約為煤電的1.5倍。盡管如此,大力發(fā)展秸稈中國煤化工接,并與相鄰秸稈發(fā)電,不僅可以減少由于在田間地頭大量焚燒廢棄秸顆粒型(。秸稈制煤、稈所造成的污染,變廢為寶,化害為利,而且對解決“三制炭CNMHG等農作物秸稈,以農”問題、促進經濟發(fā)展具有重要作用。截至2008年及廢棄的花生殼、鋸末、雜草、稻殼、樹枝等為燃料,在玥蕓等:秸稈生物質能源的應用現狀與前景/2010正9睏隔絕空氣的條件下,快速處理成秸稈炭,經粉碎后,再參考文獻:與粘土和其它粘合劑混合,壓制成蜂窩煤型或炭棒型。[1]汝守華,生物質能產業(yè)發(fā)展綜述[Z]數字科技服務中心,200906壓塊固化燃燒的優(yōu)點:(1)通過生物質壓塊機等進2生物質能發(fā)展迅速[Z國際能網,209021行短時間內的轉化,非常方便省時;(2)密度大,燃燒時[3]縱瑞收李峰李華農作物秸稈資源化技術與再生能源資源的可間長,體積縮小6~8倍,密度為1.1~1.4t·m持續(xù)利用[C]2008中國作物學會學術年會論文摘要集,2008(3)熱值高,方便運輸和貯藏。[4]胡浩.秸稈變乙醇“驅動”中國巨輪一李榮杰代表為發(fā)展低碳經壓塊固化燃燒的缺點:成本較高,尚未能推廣用于[5]國家發(fā)改委力爭2015年秸稈綜合利用率超80%N,中國能源電廠,多為小范圍的供熱等。報,200911-20壓塊固化是極具投資價值的高回報技術。秸稈煤[6]杜謀濤衰曉東郭如軍我國生物質秸稈資源利用現狀及展望炭應用范圍廣,可以代替木柴、液化氣,能廣泛用于生[J].能源與環(huán)境,2008,(2):76-78活爐灶、取暖爐、熱水鍋爐、工業(yè)鍋爐等。根據農業(yè)部[7]汪亞林北歐國家的生物質能開發(fā)及啟示[門安徽電氣工程職業(yè)技術學院學報,2006,11(3):72的目標,2010年,結合解決農村基本能源需要和改變[8]國外秸稈的綜合利用N人民日報,200707-16農村用能方式,全國將建成400個左右秸稈固化成型[9許呂明精稈發(fā)電需慎行門,安徽科技,00:燃料應用示范點,秸稈固化成型燃料年利用量達到10]問金光梁曉云生物質能源:最適合中國情的可再生能源產100萬t左右;到2015年,秸稈固化成型燃料年利用量[1]程東祥,于光,趙虹粘稈轉化為交通能源的應用概述[門.安徽達到2000萬t左右2農業(yè)科學,2009,37(6):26792680,26853.6其它方法[12]沼氣的國內外開發(fā)利用進展[Z].國際能源網,2010-03-23.目前,還有將秸稈通過固態(tài)微貯水解預處理和催13]張愛民,尹冰.秸稈發(fā)酵制沼氣研究現狀[J]農業(yè)工程技術,新源產業(yè),2009,(9):18-化產氫即利用氫能并通過氫能發(fā)電的研究。[14]劉淵,立衡,淺談秸稈氣化供氣技術[門]現代化農業(yè),2005(9):34-354展望[15 Sun Y, Cheng JY. Hydrolysis of lignocellulosic materials for eth-nol production: A review[J]. Bioresource Technology, 2002, 83據專家預測,如果將秸稈利用技術產業(yè)化,以50(1):1-11km為半徑建設小型秸稈加工廠,那么按秸稈到廠價[16」姜述杰趙偉英.淺談秸稈生物質直燃發(fā)電技術[冂鍋爐制造40元·t1,農民每畝就可增收200元以上;如果我國2009,(4):40-42每年能利用全國50%的作物秸稈、40%的畜禽糞便、[17司晶星,范桂俠我國生物燃料乙醇的開發(fā)及其應用現狀[]商30%的林業(yè)廢棄物,以及開發(fā)5%的邊際土地種植能[18]陳洪章,田忠厚,劉健,等乙醇溶解汽爆精出的能源就相當于年產5000t石油,約為一個大慶[1物法[P1CP0603.,2素制備液體燃源作物,并建設約1000個生物質轉化工廠,那么其產孫巖峰,張玉蒼,等.玉米秸稈制乙醇預處理新工藝—液油田的年產量,可創(chuàng)造經濟效益400億元并提供1000化技術[冂].食品科學,2009,(9):123-125[20]世界各國燃料乙醇使用及發(fā)展情況[Z].中國化工信息網,2010多萬個就業(yè)崗位{23。03-11今后我國秸稈生物質能利用技術將在以下方面發(fā)[2]東海生物質能源現狀與政策解讀[2].中國能源網,200906-29展:高效直接燃燒技術與設備、集約化綜合開發(fā)利22】2張華生物秸稈固化燃料一農作物秸稈綜合利用新途徑[門用、新技術開發(fā)。希望國家各級政府和部門加快推進農機科技推廣,2009,(3):39-40[23]幾種主要生物質能利用技術[N]經濟日報,200908-25秸稈生物質能源綜合利用,促進資源節(jié)約型、環(huán)境友好241我國生物質能源技術開發(fā)現狀與展望[2].新華網,2009051.型社會建設Application Status and Development Potential of Straw Biomass EnergyLOU Yue-yun', ZHANG Hui-fang?(1. College of Chemistry and Chemical Engineering, Nanjing University of TechnologyNanjing 210009, China; 2. Library of Hubei Cnn? China)Abstract: In this paper, the application status, develop中國煤化工ass energy were reviewed. The related technology issues were analyzed, and theCNMHGdKeywords: energy straw biomass; technology analysis