生物質(zhì)能的利用現(xiàn)狀及展望.doc

生物質(zhì)能的利用現(xiàn)狀及展望摘要: 在概述生物質(zhì)能概念、特性及開(kāi)發(fā)利用生物質(zhì)能意義的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)從生物質(zhì)能的直接燃燒、物化轉(zhuǎn)化、生化轉(zhuǎn)化、植物油技術(shù)和利用生物質(zhì)合成新產(chǎn)品等幾方面來(lái)介紹國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)能利用的現(xiàn)狀，最后展望生物質(zhì)能研究的主要方向。關(guān)鍵詞：生物質(zhì)能 化石能源 可持續(xù)發(fā)展 展望現(xiàn)今世界，石油價(jià)格居高不下，能源、電力供應(yīng)趨緊，而化石能源和核能貯量有限且會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的后果，因此，各國(guó)政府和科學(xué)家對(duì)資源豐富、可再生性強(qiáng)、有利于改善環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的生物資源的開(kāi)發(fā)利用給予了極大的關(guān)注。有許多國(guó)家都制定了相應(yīng)的開(kāi)發(fā)研究計(jì)劃，例如，日本的新陽(yáng)光計(jì)劃、印度的綠色能源工程、美國(guó)的能源農(nóng)場(chǎng)和巴西的酒精能源計(jì)劃等。一個(gè)新興的生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)正在全球范圍蓬勃興起。據(jù)專(zhuān)家估計(jì)，生物質(zhì)能源將成為未來(lái)能源的重要組成部分，到2015年9全球總耗能將有40%來(lái)自生物質(zhì)能源，主要通過(guò)生物質(zhì)能發(fā)電和生物質(zhì)液體燃料的產(chǎn)業(yè)化實(shí)現(xiàn)。在2004 年制定的國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃（2005-2020）中，“農(nóng)林生物質(zhì)工程”被列為重大專(zhuān)項(xiàng)之列，并作為國(guó)家能源戰(zhàn)略的重要組成部分。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)的能源消耗與日激增?，F(xiàn)在，我國(guó)能源年消耗量占世界能總消耗量的20%以上，而且呈現(xiàn)上升的態(tài)勢(shì)，我國(guó)2004 年進(jìn)口石油1.2 億噸。我國(guó)生物多樣性豐富，據(jù)調(diào)查，我國(guó)有油料植物為151科697 屬1554 種，其中種子含油量大于40%的植物有154 種。且我國(guó)的可開(kāi)發(fā)生物質(zhì)資源總量為7t左右標(biāo)準(zhǔn)煤，其中農(nóng)作物秸稈約3.5 億t，占50%以上。因此，加大生物質(zhì)能源的開(kāi)發(fā)利用，進(jìn)行農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能源發(fā)掘利用，不僅可解決農(nóng)民的增收和“三農(nóng)”問(wèn)題，還可解決21 世紀(jì)中國(guó)面臨的能源短缺、環(huán)境污染、食品安全等重大社會(huì)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，乃至為全面建設(shè)“小康”社會(huì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)做出重大貢獻(xiàn)，即生物質(zhì)能源的開(kāi)發(fā)利用直接關(guān)系到我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展。1 生物質(zhì)能的概念及特性1.1 生物質(zhì)能的概念生物質(zhì)能是太陽(yáng)能以化學(xué)能形式貯存在生物質(zhì)體內(nèi)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。它分布廣泛、產(chǎn)量巨大、可再生且性能穩(wěn)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(zhuǎn)換成常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料，便于儲(chǔ)存運(yùn)輸，生物質(zhì)能是惟一的可再生碳源。生物質(zhì)生長(zhǎng)過(guò)程中吸收大量的CO2氣體，燃燒過(guò)程排放的CO2氣體與吸收的相當(dāng)，幾乎沒(méi)有SO2氣體排放，因此被稱(chēng)為CO2中性燃料。其包括城市垃圾：工業(yè)、生活和商業(yè)垃圾，全球每年排放100108t；有機(jī)廢水：工業(yè)廢水和生活污水，全球每年排放4500108t；糞便：禽、畜糞便和人類(lèi)糞便，全球每年排放300108t以上；林業(yè)生物質(zhì)：薪柴、落葉、樹(shù)皮、樹(shù)根及林業(yè)加工廢棄物等；農(nóng)業(yè)產(chǎn)品及其廢棄物：秸稈、果殼、果核、玉米芯等；水生植物：藻類(lèi)、浮萍、水動(dòng)蘆、風(fēng)信子等；能源植物：油料作物和富含碳?xì)浠衔锏闹参?。中?guó)的生物質(zhì)能主要來(lái)源于農(nóng)業(yè)廢棄物及農(nóng)林產(chǎn)品加工廢棄物、薪柴城市生活垃圾等3個(gè)方面。1.2生物質(zhì)能的特性作為世界第四大能源，生物質(zhì)能在人類(lèi)歷史上曾發(fā)揮著重要的作用，就是在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活中，尤其是在發(fā)展中國(guó)家的農(nóng)村，生物質(zhì)能的消耗占全國(guó)能量消耗的40%，與其他能源相比，生物質(zhì)能有其特有的特性。1.2.1分布廣泛且產(chǎn)量巨大生物質(zhì)能源的分布廣泛，從南極到北極，從海洋到陸地，從平原到高山，到處都有生物質(zhì)能的分布。生物質(zhì)能在整個(gè)能源系統(tǒng)中占有重要地位，一直是人類(lèi)賴(lài)以生存的重要能源之一，就其能源當(dāng)量而言，是僅次于煤、油、天然氣而列第四位的能源。目前，全球每年水、 陸生物質(zhì)通過(guò)植物光合作用產(chǎn)生的有機(jī)物達(dá)1800108t，熱當(dāng)量為31021J左右，是全球目前總能耗量的10倍，而作為能源的利用量還不到其總量的1%，而中國(guó)理論生物質(zhì)能資源為50億t左右標(biāo)準(zhǔn)煤，是目前我國(guó)總能耗的4倍左右。據(jù)估計(jì)，在理想狀況下，地球上生產(chǎn)生物質(zhì)的潛力可達(dá)到現(xiàn)實(shí)能源消費(fèi)的180-200倍。1.2.2可再生性好大多數(shù)的生物質(zhì)能是凈初級(jí)生產(chǎn)品，即利用太陽(yáng)能將二氧化碳(通過(guò)光合作用)轉(zhuǎn)化為有用的碳類(lèi)化合物的地球生物量。每年有大量的凈初級(jí)生產(chǎn)品產(chǎn)生消亡，但當(dāng)環(huán)境條件適合生長(zhǎng)時(shí)又會(huì)有大量的凈初級(jí)生產(chǎn)品產(chǎn)生。只要保證相對(duì)合理地開(kāi)發(fā)、利用，就能得到較好的恢復(fù)與再生，這些凈初級(jí)產(chǎn)品是不會(huì)全部耗盡的，但可獲得的量會(huì)有所波動(dòng)。1.2.3生物質(zhì)能是綠色能源主要包含兩方面的內(nèi)容：第一，生物質(zhì)能可以減少有害氣體及煙塵排放量和溫室氣體增量，維持全球碳平衡，提高環(huán)境質(zhì)量。目前主要的功能是減少因使用化石能源而產(chǎn)生的CO2 、SO2等氣體的排放；第二，開(kāi)發(fā)利用生物質(zhì)能可以減少環(huán)境公害，如生產(chǎn)、生活廢物堆積引起的大量占用耕地現(xiàn)象和對(duì)景觀(guān)的影響。1.2.4開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)化技術(shù)容易 從目前國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)能開(kāi)發(fā)利用的基本形式來(lái)看，生物質(zhì)能的開(kāi)發(fā)較之其他新能源如：太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮?、潮汐能等的開(kāi)發(fā)利用相對(duì)普及。這主要是由于生物質(zhì)能的開(kāi)發(fā)具有層次性，無(wú)論是初級(jí)產(chǎn)品還是高級(jí)產(chǎn)品都與人類(lèi)的生產(chǎn)生活息息相關(guān)。正是基于此，生物質(zhì)開(kāi)發(fā)技術(shù)上的難題就相對(duì)較少，人們既可利用生物質(zhì)能的熱能效應(yīng)又可將簡(jiǎn)單的熱效應(yīng)充分轉(zhuǎn)化為化學(xué)能、電能等高層次能源。2 開(kāi)發(fā)生物質(zhì)能的重要意義2.1化石燃料和環(huán)境惡化自20世紀(jì)70年代以來(lái)，人們對(duì)石油、煤炭、天然氣的儲(chǔ)量和可開(kāi)采時(shí)限作過(guò)種種的估算與推測(cè)，幾乎都得出了一致的結(jié)論:21世紀(jì)化石燃料中有的將被開(kāi)采殆盡，有的因開(kāi)采成本高或開(kāi)發(fā)使用導(dǎo)致的一系列環(huán)境問(wèn)題而失去開(kāi)采價(jià)值。地質(zhì)學(xué)家也早已明確指出：石油耗竭之日已為期不遠(yuǎn)?，F(xiàn)在，盡管地質(zhì)學(xué)家和經(jīng)濟(jì)學(xué)家們?cè)诩ち业貭?zhēng)論石油開(kāi)始匱乏的時(shí)間 但無(wú)論如何，化石燃料終將耗盡卻是無(wú)可爭(zhēng)辯的事實(shí)?！熬影菜嘉！?，開(kāi)發(fā)替代能源已迫在眉睫。2.2生物質(zhì)能和環(huán)境保護(hù)化石燃料的開(kāi)發(fā)利用對(duì)環(huán)境造成了極大的危害，而生物質(zhì)能的開(kāi)發(fā)利用不僅不對(duì)環(huán)境造成危害，而且有利于恢復(fù)和建設(shè)已破壞的生態(tài)環(huán)境。隨著各國(guó)人民對(duì)“三生態(tài)”的不斷追求、 京都議定書(shū)的生效和清潔發(fā)展機(jī)制的實(shí)施，開(kāi)發(fā)利用生物質(zhì)能將成為一個(gè)新興的產(chǎn)業(yè)。開(kāi)發(fā)利用生物質(zhì)能要求人們恢復(fù)植被，最終維持二氧化碳的平衡；使用此能源幾乎不會(huì)產(chǎn)生污染，且有利于回收利用有機(jī)廢棄物，有利于處理廢水和治理污染；生物質(zhì)能中的沼氣發(fā)酵系統(tǒng)、生物乙醇的制備能和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)緊密結(jié)合，不僅可為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供有機(jī)肥料，降低化肥農(nóng)藥的使用量從而改善環(huán)境，還可解決農(nóng)村富余勞動(dòng)力就業(yè)，增加農(nóng)民收入，有效促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)的發(fā)展。3 生物質(zhì)能的利用現(xiàn)狀3.1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(tǒng)的用能方式，因其效率低而在逐漸被淘汰。焚燒垃圾是鍋爐在800-1000高溫下燃燒垃圾可燃組分，將釋放的熱量來(lái)供熱或發(fā)電。壓縮成型燃料燃燒是先將生物質(zhì)壓縮成密度大的性能接近煤的物質(zhì)，再將其燃燒發(fā)電，因其排放的污染尾氣小而發(fā)展前景良好。聯(lián)合燃燒是將生物質(zhì)摻入燃煤中燃燒發(fā)電，此法可減少SO2、NO2等污染氣體的排放。中國(guó)傳統(tǒng)生物質(zhì)能開(kāi)發(fā)利用已是商業(yè)化技術(shù),據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局1998-2003年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)估計(jì)， 我國(guó)可開(kāi)發(fā)生物質(zhì)資源約700兆(M)t 標(biāo)煤,利用省柴炕灶后,效率有了很大提高,省柴炕灶每年節(jié)約能量達(dá)52.5萬(wàn)t油當(dāng)量。雖然我國(guó)目前效率高達(dá)80%的高效燃燒鍋爐可焚燒垃圾發(fā)電。但因技術(shù)、政策等原因，燃燒垃圾發(fā)電時(shí)機(jī)還未成熟。壓縮成型直接燃燒也達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模，其中顆粒成型燃燒尤適合家庭或暖房取暖。目前，生物質(zhì)發(fā)電已占發(fā)達(dá)國(guó)家可再生能源發(fā)電量的70%。在美國(guó)，生物質(zhì)能發(fā)電的總裝機(jī)容量已超過(guò)10000兆瓦，單機(jī)容量達(dá)10-25兆瓦。據(jù)紐約時(shí)報(bào)報(bào)道，按照2001年的統(tǒng)計(jì)，美國(guó)消耗的可再生能源中有50.4%來(lái)自生物質(zhì)能，41.9%為水電，其余為太陽(yáng)能和風(fēng)能等。瑞典研制的燃用木質(zhì)碎料流化床鍋爐，其效率仍可達(dá)80%。而按能源資源類(lèi)型分析1996年德國(guó)公用電業(yè)的供電量中垃圾和廢棄物提供的電量占年供電量的87.8%。全球環(huán)境基金世界銀行正在巴西示范一個(gè)30MW生物質(zhì)氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電項(xiàng)目，在英國(guó)和美國(guó)有3個(gè)示范項(xiàng)目，裝機(jī)容量6-10MW。由于生物質(zhì)氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率可達(dá)40%，有可能成為生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化的主導(dǎo)技術(shù)之一。3.2物化轉(zhuǎn)化物化轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變成熱值較高的可燃?xì)?、固定碳、木焦油及木醋液等物質(zhì)?？扇?xì)夂淄?、乙烷、氫氣、一氧化碳、二氧化碳等，可做生活燃?xì)饣蚬I(yè)用氣，木焦油是國(guó)際緊俏產(chǎn)品，木醋液可形成多種化工產(chǎn)品。生物質(zhì)氣化是在高溫條件下，利用部分氧化法，使有機(jī)物轉(zhuǎn)化成可燃?xì)怏w的過(guò)程。產(chǎn)生的氣體可直接作為燃料，用于發(fā)動(dòng)機(jī)、鍋爐、民用爐灶等場(chǎng)合。目前研究的主要用途是利用氣化發(fā)電和合成甲醇以及產(chǎn)生蒸汽。奧地利成功地推行建立燃燒木材剩余物的區(qū)域供電計(jì)劃，目前已有容量為1000-12000kW的區(qū)域供熱站80-190個(gè)，年供應(yīng)10109MJ能量。生物質(zhì)熱解是指在隔絕空氣的條件下將生物質(zhì)原料加熱裂解的過(guò)程；生物質(zhì)熱解與氣化技術(shù)最大的區(qū)別在于是否有氧化劑參與反應(yīng)。3.3生化轉(zhuǎn)化生化轉(zhuǎn)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在缺氧的情況下將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為CH4、CO等可燃?xì)怏w。同時(shí)得到效果很好的可用作農(nóng)田肥料的厭氧發(fā)酵殘留物。酶技術(shù)是利用微生物體內(nèi)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(nóng)業(yè)沼氣、工業(yè)沼氣、城市下水道污水沼氣、城市垃圾沼氣。至2003年，我國(guó)戶(hù)用沼氣系統(tǒng)已達(dá)956萬(wàn)戶(hù)，生活污水凈化沼氣系統(tǒng)9.6萬(wàn)處，沼氣工程1359 處，其中!大中型畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣工程1171處。利用生物發(fā)酵或酸水解技術(shù)，在一定條件下，可將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化加工成乙醇，供汽車(chē)和其它工業(yè)使用。生物燃料電池是一種借助電極反應(yīng)直接利用厭氧發(fā)酵過(guò)程中的電子傳遞轉(zhuǎn)成電能的裝置。其最大特點(diǎn)是反應(yīng)過(guò)程中不涉及到燃燒，而其能量轉(zhuǎn)換率高達(dá)60%-80%。近20年來(lái)生物技術(shù)的巨大發(fā)展，為生物燃料電池研究提供了物質(zhì)、知識(shí)和技術(shù)儲(chǔ)備。3.4植物油技術(shù)直接液化即植物油技術(shù)，是采用機(jī)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。生物柴油是生物質(zhì)能的另一種利用方式，是對(duì)動(dòng)物、植物油質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而制備出來(lái)的一種清潔的液體燃料。且有許多優(yōu)良特點(diǎn)，能完全燃燒，二氧化碳、碳?xì)浠衔锖皖w粒物排放很少。近年來(lái)生物柴油產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，在發(fā)達(dá)國(guó)家，利用豆油、花生油、棉籽油、葵花籽油、油菜籽油、棕櫚油和蓖麻籽油生產(chǎn)生物柴油正在形成產(chǎn)業(yè)。4 生物質(zhì)能利用的發(fā)展趨勢(shì)生物質(zhì)能是重要的可再生資源，21世紀(jì)，世界能源消費(fèi)的40%將來(lái)自生物質(zhì)能。我國(guó)是一個(gè)傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國(guó)，擁有豐富的生物質(zhì)能資源。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活水平的提高，環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)及對(duì)生態(tài)時(shí)尚“三生態(tài)”的不斷追求，化石能源逐漸枯竭，對(duì)包括生物質(zhì)能在內(nèi)的可再生資源的合理、高效地開(kāi)發(fā)利用，必然將愈來(lái)愈受到各國(guó)政府和科學(xué)家的高度重視。因此，用可持續(xù)發(fā)展的理論為指導(dǎo)，科學(xué)地利用生物質(zhì)能源，加強(qiáng)應(yīng)用基礎(chǔ)和應(yīng)用技術(shù)的研究，特別是在高效直接燃燒技術(shù)和設(shè)備的開(kāi)發(fā)、生物質(zhì)氣化和發(fā)電、生物質(zhì)液化、生物質(zhì)能源合成新產(chǎn)品新材料技術(shù)、能源植物的選育、生物質(zhì)能源林栽培、經(jīng)營(yíng)和管理技術(shù)等幾個(gè)方面的研究將是今后生物質(zhì)能利用研究的重點(diǎn)。參考文獻(xiàn)：1蔣劍春.生物質(zhì)能源應(yīng)用研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景J.林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè),2002,22(2）75-80.2朱清時(shí).生物質(zhì)潔凈能源M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2001.3孫振鈞