生物质能源的利用方法及发展趋势

生物质能源的利用方法及发展趋势2013级博士研究生王波指导老师；陈新德生物质能源是蕴藏在生物质中的能量,是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。生物质能源具有燃烧容易、污染少、灰分较低等优点,是可再生的清洁能源。目前所使用的化石能源导致环境污染日益严重,是造成臭氧层破坏、全球气候变暖、酸雨等灾难性后果的直接因素,而且地球上现存的化石燃料按消费量推算,在今后50～80年将最终消耗殆尽。根据生物学家估算,地球上每年生长的生物能总量约1400～1800亿吨(干重),相当于目前世界总能耗的10倍。我国的生物质能源也极为丰富,现在每年农村中的秸秆量约6.5亿吨,到2010年将达7.26亿吨,相当于5亿吨标准煤。因此,利用生物质能源取代化石能源是解决能源问题的良好途径,发展林业生物质能源,凸显国家战略,是我国生物质能源发展的战略重点和优势。生物质能源的开发利用早已引起世界各国政府和科学家的关注。有许多国家都制定了相应的开发研究计划,包括日本的阳光计划、巴西的酒精能源计划、印度的绿色能源工程、美国的生物质产业发展路线图等发展计划。生物质能源可以通过热化学转换技术、物理化学转换技术和生物转换技术制取沼气、燃料乙醇、生物柴油、发电等。我国政府高度重视生物质能源的开发与利用。早在1992年国务院批准的《中国环境发展十大对策》中就明确提出,要“因地制宜地开发利用和推广太阳能、风能、地热能、生物质能等新能源”。目前有的生物质能源产业化技术主要包括以下几个方面。一、沼气利用技术、沼气利用技术指将畜禽粪便、高浓度有机废水、生活垃圾等通过厌氧发酵生成以甲烷为主的沼气的技术，同时生成沼液、沼渣可作为有机肥施用于农田。沼气是热值较高的洁净可燃气，可用作生活和工业燃料或发电，是很好的无公害能源，沼气工程建设可带来环境效益。目前沼气技术在利用中存在有异味、二次污染等难题，另外，我国多数对沼液、沼渣工业化生产有机肥的研究停留在田间施用方法、施用效果上，缺少工程处理及转化为附加值更高的有机肥的方法；在温度较低的北方地区，沼气系统陷入启动难、维护难、微生物选育难的境地，所以该技术虽然已是产业化技术，但在使用率和技术推广工作上仍存在一定的障碍。二、生物质致密成型技术，生物致密成型是指将木屑、秸秆等生物质经固化成型热挤压制得成型燃料的技术。其原理是利用木质素在200—300℃软化、进而液化等特点，施加一定压力即可使其与纤维素等其他组分紧密粘接，不用任何添加剂、粘接剂，可得到与挤压模具相同形状的成型棒状或颗粒燃料。其缺点是大部分纤维索类生物质在压缩成型之前，一般需要进行粉碎、干燥(或浸泡)等预处理，锯末、稻壳等勿需再粉碎的原料，需清除尺寸较大的异物。三、生物质燃烧发电，生物质燃烧发电包括直接燃烧发电和混合燃烧发电。直接燃烧发电是指将生物质原料、城市生活垃圾送入适合生物质燃烧的特定蒸汽锅炉中，生产蒸汽，驱动蒸汽轮机进而带动发电机发电。四、生物柴油技术是指由甲醇等醇类物质与油脂中的主要成分甘油三酸酯发生酯交换反应，生成相应的脂肪酸甲酯或乙酯，即生物柴油。生物柴油的原料包括大豆油、菜籽油、棕榈油、麻风树油、黄连木油、工程微藻提取油以及动物油脂、废餐饮油等。与传统的石油柴油相比，生物柴油的应用可减少石油的消耗和进口，环境友好(尾气中有毒有机物为普通柴油的10%，颗粒物为普通柴油的20%，C02和CO为石油柴油的10%，无SO2和铅及多环芳烃等有毒物质排放，不用更换发动机，且对发动机有保护作用。五、燃料乙醇中实现产业化的技术是以淀粉质(玉米、甘薯、木薯等)和糖质(甘蔗、甜菜、甜高粱等)原料生产燃料乙醇。燃料乙醇技术是指利用酵母等乙醇发酵微生物，在无氧的环境下通过特定酶系分解代谢可发酵糖生成乙醇。目前以淀粉和糖质原料生产燃料乙醇工艺成熟，最大的问题来源于原料。因淀粉和糖质原料成本占生产成本的60%以上，且存在与民争粮、与农争地的问题，对于我国这样一个人口众多的发展中国家，是不适合的。2006年底国家发展和改革委员会在国家“十一五”燃料乙醇发展专项规划中裁订了“因地制宜，非粮为主”的原则，即利用不能用于粮食生产的盐碱地和荒地大力开发木薯、甘薯、甜高梁、能源甘蔗、菊芋等淀粉质和糖质的能源作物生产燃料乙醇。目前生物质能源前沿技术主要有以下几种：一、高效能源植物开发能源植物是指通过提取或适当加工可直接提供能源的植物，具有资源丰富，种类广泛，不受地域限制，生长快、周期短、抗逆性强、生物质能含量高、供给稳定等优点，将会为未来大规模利用生物质能提供稳定的原料。能源植物开发技术的主要科技需求是要掌握现代植物遗传改良育种技术；主要问题是植物种间的优良基因转移和稳定表达，即从基因水平改良目标能源植物，使之获得高产、抗逆、耐贫瘠等优良遗传性状，培育出符合生产要求的能源植物优良品种。今后我国应开展更广泛的能源植物育种研究，为发展生物质能资源提供技术和物种支撑。二、生物质气生物合成生物质气生物合成是指为避开木质纤维素水解的难题由美国科学家发的生物质热解合成气乙醇发酵工艺，该工艺先通过气化将生物质全部转化为含H2、CO和CO2的合成气，再由微生物发酵生产乙醇。我国在合成气生物合成的研究上还处于起步阶段，要加强对生物质合成气乙醇微生物及其生化反应理论和分子控制机理的认识，进一步实施基因人工干预，获得可工业化应用的优良菌株和技术，为合成气生产乙醇或其他产物微生物转化提供新的思路。三、藻类生物产脂、产氢技术以藻类为原料，通过细胞工程和生物化工等技术，可生产生物柴油、生物质热解油等液体燃料。我国已通过异养转化细照工程技术获得高脂肪含量的异养藻细胞，脂肪化合物含量达细胞干重的55%，其热解油热值可达4lMJ/kg，相当于木材和自养藻热解油的2倍和1．4倍，密度为0.92kg／L，粘度为0.02Pa.S，这些特征与化石燃油相当，所以利用藻类热解制备液体燃料具良好的应用转化前景。此外，利用藻类或者青蓝菌的生物光解水法制氢技术也是未来的发展方向之一。四、生物质微生物制氢微生物制氢即微生物以生物质为原料在常温常压下通过酶催化反应产生氢气。由于氢能应用的日益广泛，微生物制氢技术已得到广泛重视，德国、以色列、日本、葡萄牙、俄罗斯、瑞典、英国、美国都投入了大量的人力物力对该项技术进行研究开发。但迄今为止，生物制氢研究中大多采用纯菌种的固定化技术，长期连续运行能否获得较高产氢量尚待探讨，该技术达到工业化生产水平尚需多年的努力。五、生物质燃料电池一体化燃料电池是不经过燃烧直接把燃料的化学能转变为电能的高效发电装置。由于不受卡诺循环的限制，能量转换效率高，燃料总利用率可高达80%，运行过程中几乎无氮氧化物和硫化物的排放，CO2的排放比常规火电厂减少40%以上，故燃料电池被认为是未来高效、洁净的重要发电技术之一。燃料电池可使用多种初级燃料，以生物质作为燃料电池的原料，是未来绿色发电厂的首选模式。生物质能作为唯一可固定碳的可再生能源，目前在世界范围内发展生物质能源已成为调整能源结构、减排温室气体、实现可持续发展的重要措施。生物质资源品种多、特性差异大，可通过不同技术转换成电力、热水、燃气和液体燃料。生物质能资源的利用程度除取决于资源数量外，更重要的是各种转化技术的先进性。经过20多年的发展，已有多种技术处于产业化和产业前期示范阶段，开发前景良好。另外，从长远来看，能源农业和能源林业是未来发展生物质能源的基础，以科学的方法培育高产、抗逆性强的能源植物，满足对生物质能源规模化发展的需要，是生物质能源发展和利用的根本保障。