中國生物質(zhì)能的利用狀況及展望

2004年3月河南農業(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王遠紅楊繼濤1,李繼紅1黃浩1,張凱31.河南農業(yè)大學(xué)農業(yè)部可再生能源重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗室河南鄭州4500022.平頂山工學(xué)院河南平頂山4670013.信陽(yáng)市農村能源環(huán)境保護站河南信陽(yáng)4640000摘要概述了中國生物質(zhì)能的來(lái)源分析了國內外生物質(zhì)能的利用現狀.根據實(shí)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(lèi)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從中國能源消費結構來(lái)看煤、石油是主要旳能源支柱.然而燃煤電廠(chǎng)、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(dòng)車(chē)排放污染也成了城市大氣污染的主要來(lái)源.所有這些給人類(lèi)生存帶來(lái)災難性后果加之煤、石油這些化石能源儲量有限面對這種嚴峻的形式人類(lèi)迫切要求尋找新的補給能源為可持續發(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(zhù)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(yáng)能以化學(xué)能形式貯存在生物質(zhì)體內的一種能量形式它以生物質(zhì)為載體直接或間接地來(lái)源于植物的光合作用.它可再生性能穩定同風(fēng)能、太陽(yáng)能相比很少受自然因素的制約又能加工轉換成常規的固態(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(cháng)過(guò)程中吸收大量的CO,氣體燃燒過(guò)程排放的C,氣體與吸收的相當幾乎沒(méi)有SO2氣體排放因此被稱(chēng)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(lèi)可持續發(fā)展道路上的理想的能源積極開(kāi)發(fā)現代生物質(zhì)能是解決問(wèn)題的捷徑1生物質(zhì)能的來(lái)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(lái)源于農業(yè)廢棄物及農林產(chǎn)品加中國煤化工垃圾等3個(gè)方面1.1農業(yè)廢棄物及農林產(chǎn)品加工廢棄物CNMHG主要成分包括植物纖維性廢棄物如農作物秸稈、谷殼制穗作物餓澄寺農伓嚴品加工廢棄物和禽畜收稿日期2003-06-19作者簡(jiǎn)介李改蓮(1975-)女河南尉氏人河南農業(yè)大學(xué)在讀碩士從事農業(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統計中國年生產(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(wàn)t油當量.近年來(lái)隨著(zhù)農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(mén)已嚴令禁止并加大了開(kāi)發(fā)利用農業(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(guò)耗約0.2~0.3億t標煤.西部山區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(jìn)的生物質(zhì)能技術(shù)杜絕此現象進(jìn)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(zhù)中國居民生活水平的提高城市化進(jìn)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(huì )迅速增加.據環(huán)衛部門(mén)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(guān)的經(jīng)濟、環(huán)保和社會(huì )效益.忽略·些量少的生物質(zhì)資源僅以這3大類(lèi)生物質(zhì)能為主中國生物質(zhì)能資源可開(kāi)發(fā)量是相當大的.1993年統計為4.37億t油當量其中農業(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(kāi)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(shù)和雜交楊樹(shù)渼國小面積試驗柳樹(shù)商業(yè)產(chǎn)量為5othmˉξ.禾本科作物如芒草類(lèi)屬C類(lèi)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(dòng)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(kāi)墾土地恢復自然生態(tài)功能調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(kāi)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(jìn)行發(fā)電很有發(fā)展前景聯(lián)合燃燒是燃煤電廠(chǎng)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)中國傳統生物質(zhì)能開(kāi)發(fā)利用已是商業(yè)化技術(shù)可開(kāi)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約能量達52.5萬(wàn)t油當量.目前中國現代生物質(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(lái)看中國燃燒垃圾發(fā)電上網(wǎng)成本高而且政策不完善時(shí)機還不成熟.對垃圾處理要綜合考慮從源頭減量分類(lèi)收集應根據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(shí),鍋爐效率仍可達80%9,為此還附帶研制了木材碎片、整樹(shù)粉碎機械、鏈條爐等設備.1996年德國生物質(zhì)發(fā)電設備裝機容量為357.8MW供電量為803.9Gwh-1.年供電量中按能源資源類(lèi)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業(yè)大學(xué)學(xué)報第38卷120多萬(wàn)τⅡ垃圾燃燒后的廢渣用于鋪路.1998年波蘭就擁有1800個(gè)小型生物質(zhì)鍋爐總熱容量為600MWl2.2物化轉化物化轉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(jìn)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(guò)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(lèi)∶.慢速熱解(燒碳法).2.常規熱解可得到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1]中國生物質(zhì)氣化在技術(shù)研制與裝置開(kāi)發(fā)方面自20世紀90年代以來(lái)已取得了一系列的成果.中國科學(xué)院廣州能源硏究所開(kāi)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原料特點(diǎn)和用戶(hù)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(dòng)機燃氣杋的研究ρ.熱解技術(shù)包括農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(chē)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(wú)錫、江蘇省等地自1997年以來(lái)就進(jìn)入正常運行,為農村地區提供生活生產(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(wú)害化、減量化處理17]2.3生化轉化生化轉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(cháng)代謝過(guò)程將生物質(zhì)轉化為CH等可燃氣體同時(shí)得到厭氧發(fā)酵液、渣等厭氧發(fā)酵殘留物用作農田肥料效果很好.酶技術(shù)是利用微生物體內的酶分解生物質(zhì)生產(chǎn)液體燃料如乙醇、甲醇等沼氣開(kāi)發(fā)主要有4類(lèi)農業(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(hù)用沼氣池764萬(wàn)多個(gè)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系統產(chǎn)能折合2.56Mt標煤.如浙江浮山養殖場(chǎng)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(cháng)江農場(chǎng)利用上流式厭氧污泥床處理豬糞便日產(chǎn)氣5350m3,杭州西子養殖場(chǎng)、北京大興縣、房山區一些養殖場(chǎng)及南陽(yáng)酒精廠(chǎng)的沼氣發(fā)酵工程也都運行良好.美國克拉荷馬州畜禽養殖場(chǎng)養η萬(wàn)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(hù).拉丁美洲已有30個(gè)國家不同程度的開(kāi)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(wàn)kW約1000家年發(fā)電量42億kWh-消耗4500萬(wàn)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(jì)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(wàn)輛汽車(chē)完全用酒精行駛500萬(wàn)輛利用酒精汽油混合物行駛在替代進(jìn)口石油,節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(chē)燃料,經(jīng)商品化規模生產(chǎn)和應用6福特汽車(chē)公司已經(jīng)開(kāi)始生產(chǎn)廣譜燃料汽車(chē)底特律柴油聯(lián)合公司和寇明斯聯(lián)合公司已經(jīng)重新設計他們的廣譜燃料柴油機和重載汽車(chē)18].多糖、多淀粉的物質(zhì)轉化為乙醇已經(jīng)經(jīng)不成問(wèn)題纖維素類(lèi)生物質(zhì)轉化成乙醇的技術(shù)國外才進(jìn)入示范階段近年V口中國煤化工預處理技術(shù)很大程度地提高了微生物的降解轉化率通過(guò)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)乙醇的方法用轉基因微生物把纖維素降解為低聚糖和單糖然后再轉化為乙醇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(diǎn)潤滑性能大大優(yōu)于石油柴油可減少發(fā)動(dòng)機的磨損開(kāi)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(jìn)燃燒堿少發(fā)動(dòng)杋內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(lái)在歐美持續高速發(fā)展中國尚未見(jiàn)報道.生物柴油在今后幾十年中會(huì )迅速發(fā)展起來(lái)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(lái)半個(gè)世紀中國生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展可分3個(gè)階段第一階段2001—2010年基本解決農村生活用能生態(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、多元化利用轉化技術(shù)得到普遍推廣生態(tài)環(huán)境建設開(kāi)始走上良性循環(huán)的軌道.第三階段20302050年,建立起多能互補、結構合理、安全可靠的生物質(zhì)能源利用體系基本建成適應可持續發(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(lèi)、氣體類(lèi)燃料開(kāi)發(fā)有自己知識產(chǎn)權和推廣價(jià)值的技術(shù)使生物質(zhì)能利用穩步前進(jìn).到本世紀中葉有可能趕上和超過(guò)世界先進(jìn)水平1313.1管理方面根據西歐經(jīng)驗目前中國生物質(zhì)能開(kāi)發(fā)利用要找近期緊迫的進(jìn)一步帶動(dòng)長(cháng)期的如垃圾處理雖然研究治理20多年了但仍未見(jiàn)成效不是因為處理技術(shù)難的問(wèn)題而是因為沒(méi)有整體布局規劃好,管理好.所以要根據實(shí)際情況政府統一規劃推行優(yōu)惠政策鼓勵投資對投資給予相應的補貼,政府與各部門(mén)訂協(xié)議監督實(shí)施.才能使生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)健康、持續發(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殖場(chǎng)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(lái)的發(fā)展趨勢3.2.2生物質(zhì)氣化發(fā)電在西部大開(kāi)發(fā)基礎上大量生產(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(wú)電缺電的邊遠地區生活和生產(chǎn)用能問(wèn)題的有效途徑3.2.3開(kāi)發(fā)高效直接燃燒設備中國居民絕大多數居住在農村和小城鎮發(fā)展相應規模的高效直接燃燒技術(shù)和設備利用當地生物質(zhì)資源替代煤前景可觀(guān)3.2.4生物柴油產(chǎn)業(yè)生物柴油無(wú)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(kāi)辦液化油廠(chǎng)敗集周?chē)?0km內的生物質(zhì)能有效控制原料成本在未來(lái)汽車(chē)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)能統計量數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、大型養殖場(chǎng)禽畜糞便及城市垃圾宜集中收集外許多統計岀的資源量不能收集.中國要快速開(kāi)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(jìn)成果結合中國環(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(shù)、雜交楊樹(shù)等)等能源植牣冾理利用退耕還枺土地開(kāi)發(fā)能源枺場(chǎng)、農場(chǎng),為生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)提供充足的原料資源.合理開(kāi)發(fā)土地既不會(huì )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象進(jìn)而發(fā)展到田地與能源林場(chǎng)、農場(chǎng)輪作改善中國整個(gè)農業(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(yáng)能2002(1CNMHG[2]張承龍農業(yè)廢棄物資源化技術(shù)現狀及其前氖J]環(huán)境保護2002(1)22-23[3]蔣劍春生物質(zhì)能源應用研究現狀與發(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(wèn)題研究J]寧夏農林科技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.中國可在生能源現狀障礙與對策一開(kāi)發(fā)利用現狀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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