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生物质能源的现状和发展前景
一. 生物质能源概述化石资源的过度消耗引发了能源和环境危机, 寻找不可再生资源的替代品成为人类社会生存发展面临的重大问题。生物质能源环境友好, 可再生, 并且有丰富的存量, 且从生物质出发, 获得多种形态的能源成为了研究热点和投资热点。生物质是指由光合作用产生的各种有机体。生物质能则是以生物质为载体的、蕴藏在生物质中的能量, 即绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内部的能量形式。它除了可以提供燃烧热, 还可以制成种类繁多的重要化工品[1]及气、液、固的能源形态, 尤其是可以作为交通燃料的制备原料[2]。生物质的研究在推动化学工业和能源燃料可持续发展中已经并将继续发挥重要作用。生物质资源按其来源分类可分为: 一是木材及森林; 二是农业废弃物; 三是水生植物; 四是油料植物; 五是城市和工业有机废弃物; 六是动物粪便。生物质的应用和开发在政策层面上引起了各国的重视, 我国在生物能源产业发展十一五规划中, 突出了五个方面: 1.提高能源植物的数量和质量;2. 从原料到技术发展燃料乙醇工业。3.加快生物柴油产业化的步伐。4.推进生物质发电和供热。5.促进生物质转化为致密成型燃料。利用生物质能方式主要有: 一是热化学转换技术, 获得木炭焦油和可燃气体等高品位的能源产品,分为高温干馏、热解、生物质液化等方法; 二是生物化学转换法, 主要指生物质在微生物的发酵作用下, 生成沼气、酒精等能源产品; 三是利用油料植物所产生的生物油;四是直接燃烧技术, 包括炉灶燃烧技术、锅炉燃烧技术、致密成型技术和垃圾焚烧技术等。
二. 生物质资源量 1.全球的生物质资源生物质能仅次于三大化石能源位列第四, 存量丰富且可再生,具备很大的发展前景。全球每年经光合作用产生的生物质约1700 亿吨, 其能量相当于全球能量年消耗总量的 10 倍, 而作为能源的利用量还不到总量的 1% ,开发潜力巨大。目前来自生物质的能量约占全球消耗能量的14%。其中发达国家每年 3%左右的能源来自生物质能, 发展中国家生物质利用约占这些国家能源消耗的 35%。按照一些国际能源组织测算, 随着化石能源的枯竭和价格的增长, 到 2015 年, 全球总能耗将有 40%来自生物质能源。 2.我国的生物质资源据估计, 我国每年产生的生物质总量有 50 多亿吨(干重), 相当于 20 多亿吨油当量, 约为我国目前一次能源总消耗量的 3 倍,目前我国商品化的生物质能源仅占一次能源消费的 0.5%左右。即使考虑到中国有坚持“不与人争粮、不与粮争地”的原则, 秸秆、畜禽粪便等农业农村废弃物和林木枝桠等林业废弃物发展生物质能源的存量仍然很大。据 2003 年不完全统计, 我国每年仅可收集的农业废弃物及禽畜粪便资源就可达 10 亿吨, 其中农作物秸秆总量则有6.5 亿吨,除部分作为造纸原料、炊事燃料、饲料肥料和秸杆还田之外, 可作为能源用途的秸秆约 3.5 亿吨,折合 1.8 亿吨标准煤, 可以转化为 1 亿吨燃料酒精或 5000 万吨生物柴油。目前各类农业废弃物每年利用率不足 10%。到 2010年秸秆总量将达 7.26 亿吨, 相当于 5 亿吨标煤。2005 年统计我国畜禽粪便资源的实物量仅为 1.38 亿吨。预计到 2010 年和 2015 年, 中国规模化养殖场畜禽粪便资源的实物量将分别达到 25 亿吨和 32.5 亿吨。我国自 l981 年起,
就有计划地建设薪炭林, 到 l995 年, 年增产薪材量 2000- 2500 万吨, 经济林面积有 3.2 亿亩, 但是目前加工利用的还不足 1/4 。林木枝桠和林业废弃物年可获得量约 9 亿吨, 约有 3 亿吨可作为能源利用。我国存在约 20 亿亩的山地、滩涂、盐碱地等边际性土地, 不宜种植粮食作物, 但可以作为能源等专业植物种植的土地。按这些土地的 20 %利用计算, 每年约生产 10 亿吨生物质。目前全国年产有机废水 25.2亿吨, 废渣 0.7 亿吨, 可获得沼气资源量为 106.8 亿 m3。城市固体废弃物年产生量约 1.5 亿吨, 每年以 8%- 10%的速度持续增长。三. 利用的现状为解决能源危机我国政府制定了相应政策及规划支持生物质转化技术的开发。目前我国在几项生物质能源技术的研发和产业化上取得了一定的进展: 1.沼气生物质(农作物秸秆、粪便、有机废水等有机废弃物) 在厌氧环境通过微生物发酵产生一种以甲烷为主要成分的可燃性混合气体, 即沼气。我国的沼气建设始于 20 世纪五、六十年代, 是世界上沼气利用开展得最好的国家, 在厌氧发酵、工程建设等方面已居于国际领先水平。农村户用沼气系统已经成熟, 主要为农户提供生活燃料, 副产的沼液和沼渣做有机肥料部分替代化肥。已经研制出适应不同气候、原料和使用条件的标准化系列池型, 并广泛采用混凝土现浇施工工艺, 使用寿命长; 由于技术的进步, 使沼气池的使用管理变得更加简单易行; 沼气产业规模发展不断扩大, 产品基本实现了标准化生产, 规范化设计和专业化施工。目前民用沼气技术已相当成熟, 已进入商业化普遍推广阶段。污水处理的大型沼气工程技术也已基本成熟, 进入商业示范和初步推广阶段。
“十五”开始, 国家开始提供专项支持沼气建设, 到 2007 年我国大中型沼气设施有 5000 多处, 户用沼气池有 2700 多万口。年产沼气 90 亿立方米, 相当于当年天然气消费量的 10%。按照国家计划, 2020 年, 中国沼气开发量将达到270 亿立方米 , 年增长率为9.1%。从沼气的原料来看, 预计到 2015 年, 中国规模化养殖场畜禽粪便资源的实物量将分别达到32.5 亿吨, 城市有机废水达到 25吨, 如果全部利用约产生 2000 多亿立方米沼气。 2. 燃料乙醇中国以粮食为原料的燃料乙醇生产已初步形成规模。“十五”期间, 在河南、安徽、吉林和黑龙江分别建设了以陈化粮为原料的燃料乙醇生产厂, 已在 9 个省(5 个省全部, 4 个省的 27 个地(市)) 开展车用乙醇汽油销售,2005 年, 这些地方实现了车用乙醇汽油替代汽油。考虑到成本与粮食供给, 我国现今政策仅鼓励非粮生产乙醇的开发。以木薯替代粮食生产乙醇, 全国具有年产 500 万吨燃料乙醇的潜力。以甜高粱茎秆为原料生产燃料乙醇的技术 (称为甜高粱乙醇)已经达到年产 5000 吨燃料乙醇的生产规模。由于现阶段国家对燃料乙醇实行定点生产, 再者产品本身距离交通燃料的要求还有差距, 这些甜高粱乙醇无法进入交通燃料市场, 大多数掺入了低质白酒中。另外, “八五”期间, 我国开始研究利用纤维素废弃物制取乙醇, 主要研究纤维素的稀酸水解及其发酵技术,并在“九五”期间进入中间试验阶段; 目前已经建成年产 600 吨规模的纤维素废弃物制取乙醇燃料技术中试设施。 3. 生物柴油由生物质替代石油原料制取汽油和柴油, 是可再生能源开发利用的重要方向, 研究方向主要集中在催化转化为适宜的油品或含油品