生物质能源的研究现状 王桂栋 摘要: 生物质能是可再生能源的重要组成部分.生物质能的高效开发利用,对解决能源、生态环境问题将起到十分积极的作用。进入20世纪70年代以来，世界各国尤其是经济发达国家都对此高度重视，积极开展生物质能应用技术的研究并取得研究成果，达到工业化应用规模，本文概述了生物质能源的研究现状。 关键词： 生物质能源 研究现状 发展趋势 1 引言 未来科技、经济和社会发展的竞争首先是资源的竞争。人类能够长久依赖的未来能源必须储量丰富、可再生利用且无环境污染。以植物为主，每年以近2000亿t的速度不断再生的生物质资源将是人类未来的理想选择，大力开发生物质资源，对于改善我国以化石燃料为主的能源结构，延长化石燃料使用时间，改变能源的生产方式和消费方式，建立持续发展的能源系统.促进社会经济的发展和生态环境的改善具有重大意义。因此，生物质能源的开发和利用得到了人们广泛的关注和世界各国政府的重视，但生物质能源的种类很多，有必要对其进行概要而又综合的分析。 目前正在应用或研究中的生物质能源主要有沼气、生物质燃气(秸秆气化)、生物发酵制取氢气等气体燃料；燃料乙醇、生物柴油、生物质裂解液化等液体燃料；炭棒、木炭砖、颗粒燃料等固体燃料。现就生物质能源的种类以及生产各种生物质能源的相应技术及其国内外研究进展、存在问题等进行分析和论述。 2 固体燃料 固体燃料是以木材屑末下脚料、植物秸秆、各种糠渣谷壳等为原料，经成型机挤压成型制成薪棒或颗粒等，然后脱烟炭化成清洁炭或直接燃用。从而达到了很高的CO2排放标准，是一种比较简洁的生物质能源生产方法。现在，辽宁省能源研究所、西北农业大学、中国林业科学研究院、陕西武功轻工机械厂、江苏东海县粮食机械厂等10余家单位研究和开发生物质成型燃料技术和设备。其中环模滚压成型方式生产的颗粒燃料主要用作锅炉燃料，其工艺流程需要消耗大量能量，原料的湿度要求在12%左右，湿度太高和太低都不能很好成粒。为了达到这个湿度，很多原料要烘干以后才能用于制粒，而且压制出来的热颗粒(颗粒温度可达95-110℃)要冷却才能进行包装。其中烘干和冷却两项工艺消耗的能量在制粒全过程中占25%-35%，加之成型过程中机器的磨损比较大，致使颗粒成型机的产品制造成本较高。所以，降低整个制粒生产过程的成本，是生物质颗粒燃料推广应用的关键。 意大利研制开发的ETS(Eco Tre System)新型木质颗粒制粒生产系统对原料的湿度适应性强，大部分原料不需要干燥即可直接用于制粒，成粒以后的升温只有10-15℃，压制出来的颗粒温度较低，无须冷却即可直接进行包装，通常可以去掉干燥和冷却2道工序，但是这套系统价格昂贵。 3 液体燃料 3.1 燃料乙醇 10%的燃料乙醇与汽油混合的乙醇汽油已经在使用，但目前以淀粉为原料的燃料乙醇生产从其生产成本来讲不具有经济意义，是纯粹的政策产物。因此以包括植物纤维在内的生物质为原料，不是采用传统意义上的酵母而是采用工业微生物，创建现代生物燃料乙醇产业，生产具有经济意义的燃料乙醇商品是人们所期待的。 美国能源部根据现有技术的组合以及今后的研究开发和技术进步，对纤维乙醇生产成本进行了预测，认为2015年燃料乙醇生产成本与现在相比将降低36%，达到与石油竞争的成本水平。但美国的相关研究机构和企业并不是等待这一天的到来，而是积极将现有技术进行最佳组合，尽可能地降低成本，推进产业化进程。美国具有代表性的产业化项目是BIC公司的以蔗糖渣为原料的燃料乙醇生产项目，它是采用两段稀硫酸加水分解法对纤维进行糖化，其特点是可以将C5、C6糖有效分离，并采用转基因大肠杆菌对C5糖发酵，这个项目2002年末建成投产，每年生产能力为8.7万立方米。另外还有MAS-ADA公司的以纤维类城市垃圾为原料，以及Arkenol公司的以稻壳为原料的燃料乙醇生产项目，二者均是采用浓硫酸法对纤维进行糖化，利用交换树脂回收硫酸。同时，欧洲、加拿大等也都在进行大体相同的研究开发。 2000年我国政府初步规划了燃料，乙醇发展战略，制定了财政支持政策等。河南农业大学进行了生物质(秸秆)纤维燃料乙醇生产工艺试验研究；华尔理工大学开展了生物质酸水解制取乙醇的试验研究，但尚未达到工业化生产水平。纤维酸解糖化以及C5糖和C6糖不能同步发酵等造成纤维乙醇生产工艺复杂，因此目前产业化规模都不是很大。基本上处于生产试验阶段，还需进一步解决C5糖和C6糖同步发酵，燃料酒精制备过程中木质素利用。利用纤维降解微生物进行纤维乙醇直接发酵等技术问题。特别是利用纤维降解微生物的纤维糖化技术如果能有所突破，将对纤维乙醇的产业化起到巨大的推动作用。 3.2 生物柴油 目前生物柴油的生产主要来自两种原料，一是食用油(大豆油、菜籽油)或其废弃油，二是其它油脂和野生油料作物。以食用油为原料利用化学方法生产生物柴油技术比较成熟。美国能源部2001年新建了国家生物质能开发中心，强化推广生物柴油，加里福尼亚州成为美国首先使用生物柴油的州)。美国已有多家生物柴油生产厂商，如NOPEC公司每年具有3.8万立方米的设计生产能力，夏威夷的太平洋生物柴油公司规模也很大，美国通用汽车公司也竭力鼓励职工使用生物柴油。而生物柴油运用最多的是欧洲，因为欧洲国家对替代燃料的立法支持、差别税收以及对油籽生产的补贴共同促进了生物柴油的价格对其它柴油燃料价格的竞争性，而且欧洲会议免除了生物柴油90%的税收。目前日本生物柴油发展也很快，每年生产能力已达40万t。在欧盟各国，以前通常被用来做饲料油的废食用油脂现在也正转向生产生物柴油，与国外相比，我国在发展生物柴油方面还有相当大的差距。但是以食用油为原料制备生物柴油关键是在降低生产成本以及跟人类争嘴等方面的问题，还需进一步探讨和研究。 利用废弃油以及野生油料作物生产生物柴油是有前途的。随着生产生物柴油所需的工业油籽需求量的不断增长，出于工业目的种植油籽的预留地面积也迅速增长。但在我国人多地少的情况下，不宜过多占用耕地种植菜籽等生物柴油的原料，应因地制宜，利用山区种植油料植物或者利用废油、动物脂肪等为原料月3于生物柴油的生产，而且必须在种植上解决相应问题，如优良品种的选择、耕地的合理使用等。生物柴油具有优良的环保特性，是柴油的最佳替代品，但它仅限于柴油发动机或柴油车的使用。在生产实践中，制取生物柴油普遍采用的方法是利用酯交换反应进行，整个过程复杂。同时也存在很多技术问题。如：①催化剂的研制；②酶的选择性、寿命及反应时间；③生物柴油的疑点高，影响低温起动性；④反应的接触界面问题；⑤甘油皂对油品质量的影响；⑥残留甲醇与甘油的腐蚀性问题；⑦生物柴油的品质等。 3.3 生物质裂解 目前生物质裂解的方法很多，但主流是生物质快速热裂解和高压液化技术。在近10年中，北美在裂解过程的研究方面进展迅速，建立了处理量为1360kg／h的示范装置。比利时有250kg／h的流化床裂解装置。在美国、加拿大、欧洲和澳大利亚，50kg／h的快速裂解示范装置正在运行。例如：意大利Alten公司生物质热解装置；加拿大EN-SYN公司研制的热解装置采用上流式循环流化床反应器；荷兰Twente大学研制的热解装置采用了旋转锥形生物热解反应器，该装置已引进安装在沈阳农业大学综合能源示范基地；美国太阳能研究所(SERI)研制了漩涡式生物热解反应器，据估计用该装置要实现完全转化，生物质微粒大约需要循环15次。所以说，不论什么方法其生产过程都是耗能巨大的。就目前的情况看，如果不解决生产过程能耗问题，生物质裂解生产液体燃料就没有发展前途。另外，裂解生产出的生物质油是一种复杂的有机混合物，包含成百上千的从属于数个化学类别的物质，至今对其相关的分析还处于探讨研究中，其生物油的性质也比较独特，其应用范围受到了一定的限制。我国在这方面的工作开展得较晚。研究中运用的热解工艺基本上是参照了以上国外技术。 4 气体燃料 4.1 秸秆气化 秸秆气化生产生物质燃气主要以秸秆、稻壳、锯末等为原料，在高温缺氧的热解炉中生成以一氧化碳、氢气等为主的燃气。美国Davy Mckee公司开发的上流式固定床生物质气化炉，木材处理能力为200t／d，从炉的顶部通过重叠开闭料斗进料，热空气从下至上吹入。其特点是结构简单，但由于上升热空气的偏流等原因影响物料预热的均匀性，并且热空气在上升过程中冷却形成焦油，易造成燃气出口堵塞等问题。针对这一问题，法国Entropie公司开发了并行流式固定床气化炉，其特点是有一个独立的氧化炉，在气化炉内生成的含有焦油的燃气被送入氧化炉，使焦油在氧化炉内燃烧掉，减少燃气内的焦油成分；美国IGT公司开发的循环式流动床生物质气化炉，木材处理能力为90t／d，它克服了上流式固定床物料预热均匀性问题，但物料如沸腾一样被搅拌，低温状态下未燃粉末容易随气流排出，为此大多采用从反应层底部喂入的方法，目前流动床气化炉占主流地位；美国FERCO公司的采用间接加热方式的二塔式循环流动床气化炉，氧化和气化分别在各自的炉内进行，增加了气化速度，减小了炉的体积，但结构比较复杂。 我国在生物质气化技术方面前几年有较大的发展，装置主要有中国农业机械化科学研究院能源动力所研制的ND-900型农残余物生物质气化装置；中国科学院广州能源研究所在广东湛江为一家木料厂设计并运行了一套循环流化床式生物质气化装置，目的是要回收能源并防止木粉对环境造成污染；山东省能源研究所在胶州市前石龙村建立了一个生物质气化系统；中国林业科学研究院进行了生物质催化气化技术研究等。但是在实际应用方面这几年有所体系、相应政策法规都不健全的情况下匆匆上马，国家投资支持力度一旦减弱，其推广和应用马上步履艰难。例如在山东济青高速公路沿线以及全国其它一些地方，不少早些时期建成的气化工程几乎处于停产状态；造成几十万、上百万的工程设备闲置被锈蚀。因此必须解决生产过程的污染、安全、焦油净化，燃气的安全利用等技术问题。因为气化后的一氧化碳是有毒气体，把有毒气体直接提供给家庭使用是有问题的，必须有相应的安全使用措施，因此可以探讨生物质气化燃气其它利用途径(如作为原材料进行其它材料的生产，低热值燃气的高效发电等)。 4.2 生物制氢 生物质制氢技术有生物质气化制氢和利用高浓度衬机废水或固体有机废弃物厌氧发酵进行生物制氢。后者可提高有机污染物们处理能力，但目前产氢率不高，利用产酸相反应器并不一定均能获得可观的氢气。因此在产酸相反应器中如何提高产氢速率、消除产氢抑制因素、实现规模化产氢等方面有待进一步的突破。