1、生物质能利用技术的研究及发展 1 1 生物质能及其利用过程生物质能及其利用过程1.1 生物质能资源 1.2 生物质能利用方式1.3 生物质能利用技术2 2 未来重点发展方向未来重点发展方向2.1 生物质资源供应 2.2 生物质发电2.3 燃料乙醇 2.4 生物柴油2.5 固体生物质直接液化及间接液化3 3 我国近期的发展重点我国近期的发展重点3.1 国家可再生能源的发展目标 3.2 我国的技术基础 3.3 发展的主要瓶颈 3.4 研究发展的切入点 3.5 建立技术支撑体系 3.6 明确阶段目标1.1 生物质能资源世界每年通过光合作用生成的生物质大约有1200亿t, 其中仅1%用作能源, 但它已
2、为全世界提供了14%的能源, 并成为世界上15 亿人口赖以生存的主要能源。在我国, 生物质在能源消耗中占有举足轻重的地位, 它仅次于煤而成为第二大能源, 在全部能源消耗中约占20%, 特别是在农村能源消费中, 生物质能约占生活用能的70%, 占整个用能的50%, 总量约有6 亿t 用作能源。我国的生物质能资源主要来源于以下几个方面:(1) 农业废弃物, 如各类秸秆、稻壳、蔗渣等(2) 林业废弃物, 如废木材、枝桠材、树皮、木屑等 (3) 工业废弃物, 如造纸厂、家具厂、碾米厂等废料(4) 生活垃圾, 如城市生活垃圾等(5) 有机废水, 如人畜粪便、城市污水、工业有机废水等(6) 能源作物, 如
3、甘蔗、木薯、油菜、甜高粱等(7) 能源植物, 如速生林、芒草等我国理论生物质能资源量每年4.87亿t油当量, 其中有约3.7 亿t可用于发电和供热, 占总量的76%。目前可供利用开发的资源主要为生物质废弃物, 包括农作物秸秆、薪柴、禽畜粪便、工业有机废弃物和城市固体有机垃圾等。图1 标出了我国生物质资源的结构。从图1可以看出, 我国生物质能源中一大半是农业废弃物；其次是禽畜排泄物； 再其次是林业废弃物等。 图1 我国生物质资源量1.1.1 农业废弃物我国每年产生农业废弃物约7.15亿t, 折合能源约2.5亿t油当量。其中,农作物秸秆占70%。秸秆中有40%作为饲料、肥料和工业原料,尚有60%可
4、用于能源用途( 图2) 。1.1.2 林业废弃物我国林区主要分布在东北、西南、西北和南部丘陵地区。据2000年完成的第5次国家森林资源调查(19941998 年) , 木材存量为124.9亿m3,比第4次调查时增长了4%。1998年,薪柴及木材废弃物估计约1.57亿t,折合0.67 亿t油当量。然而,由于过度采伐, 实际消费量要大得多。木材的消耗主要为三部分:1.1.3 禽畜排泄物2000年,我国禽畜的组成为:1.515亿头大型动物,如马、牛、驴、骡和骆驼等,4.47 亿头猪,2.9 亿头羊,52.8 亿头家禽。由此产生的排泄物总量干重达3.2 亿t,折合1.1 亿t 油当量( 见图3) 。1
5、.1.4 城市生活垃圾我国城市生活垃圾年产出量约1.5亿t, 约合1500万t油当量, 并以10%左右的增长率递增。垃圾成分和产量受很多因素的影响, 如城市人口、居民收入、燃料结构、饮食习惯、城市建设以及季节变化等。发达城市的垃圾有机成分高, 南方城市的垃圾有机成分普遍高于北方城市。北京、广州、上海、深圳等发达城市城市生活垃圾热值为4500 kJ /kg 以上, 其他多数地区为3400 kJ /kg 左右。1.1.5 工业废弃物工业废弃物包括粮食加工厂、造纸厂、木材厂、酿酒厂、糖厂和食品厂等的工业生产过程中产生的固体废弃物。每年估计达4800万t油当量。(1) 农作物谷壳。我国大米和小麦加工中
6、大约可产生8100万t谷壳。可作为能源利用的约5500万t, 相当于1800万t油当量。(2) 造纸废弃物。我国造纸废弃物产生的生物质估计为320万t, 折合110 万t 油当量( 其中有103万t生物质由木材纸浆产生, 折合30万t油当量) 。(3) 木材废弃物。1999 年, 我国木材厂废弃物产量为0.37 亿m3, 折合600万t油当量。我国的生物质资源主要分布在东部地区和华南地区。西部生物质资源量相对比较少。稻草稻草产量主要分布在长江流域及其以南的大部分地区,约占全国的77%; 黄河中下游地区的河北、河南、山东三省麦秆麦秆产量约占全国的54%; 玉米秆玉米秆主要分布在北方春播玉米区的东
7、北三省和内蒙古,占全国的35%, 以及黄淮海平原夏播玉米区的河北、河南和山东, 占全国的30%; 木材木材( 含薪材)分布在东中部地区。1.2 生物质能利用方式生物质利用方式有5种: 1 1、热利用、热利用, , 主要是用于农村柴灶提供生活能源和生物质工业锅炉提供蒸汽 2 2、燃气利用、燃气利用, , 主要是利用生物质能源产生沼气、生物质气化集中供气, 主要是农村用, 进一步的发展方向是生物质制氢3 3、生物质发电、生物质发电, , 主要包括沼气发电、生物质气化发电和直接燃烧发电4 4、液体燃料、液体燃料, , 主要包括燃料乙醇、生物柴油, 进一步的发展方向是通过热化学的方式气化生产合成气,
8、再用合成气合成柴油或含氧燃料(甲醇和DME等) 5 5、固体燃料、固体燃料, , 因为生物质能的能量密度比较低, 不便于运输。提高其密度具有现实意义。作生物质固体燃料、生物质固化、燃料炭也是一个发展的方向。1.3.1 生物质燃气利用生物质燃气利用的主要方式是沼气、燃气,图4 中的合成气也是燃气的一种。今后发展的方向是氢气。氢气可以通过生物转化和化学转化两种方式制成。 (1) (1) 沼气技术。沼气技术。其基本原理是利用微生物厌氧消化过程, 将污水和禽畜粪便中的有机质转化为CO2 和CH4 气体。其主要利用形式是农村沼气。另外, 我国也将进一步支持大规模的工业沼气的推广利用。沼气技术比较成熟,
9、综合效益较好,但是单位投资较高, 能源效益较差, 它主要的效益是环境效益和社会效益。 (2) (2) 气化供气。气化供气。将固体的生物质利用固定床、流化床气化装置气化成燃气, 通过管道输送到分散的最终用户。气化供气技术已基本成熟, 但投资较大, 经济效益较差, 推广困难。我国建立的数百个农用沼气站气化供气的装置中, 正常运转的并不多。 (3) (3) 生物质制氢。生物质制氢。这是一个高效和高附加值利用的方向。该技术主要是利用生物或化学过程,将生物质转化为氢气; 主要形式是生物制氢、气化制氢。生物质制氢技术尚未成熟, 还处于探索性阶段, 其发展前景决定于氢能的发展情况。 1.3.2 生物质发电生
10、物质发电主要有气化发电、混燃发电和直燃发电三种类型。这三种技术针对不同的情况, 具有各自的优势。例如, 我国生物质资源的总量是非常大的, 但是非常分散。如果把这些分散的资源大规模的集中起来运用, 运输成本可能非常高, 经济效益不会很好。中小型的生物质发电项目会比较有前途。中小型的发电项目主要是利用气化发电为主。气化发电比较小型化, 配置比较灵活, 投资也比较低。直燃发电就比较适合原料容易收集的地区或者集中的大规模的生物质能利用, 它的经济的规模通常都在20 MW以上。1.3.3 生物质液化生物质液化主要包括转化成燃料乙醇、生物柴油、合成燃料和生物质直接液化。(1) (1) 燃料乙醇。燃料乙醇。
11、基本原理是利用生物质发酵生产燃料酒精。利用的主要形式有糖与淀粉发酵制酒精和纤维素发酵制酒精。燃料乙醇技术的主要特点是糖与淀粉发酵制酒精技术已成熟, 国内外已大量使用。但必须大规模才经济( 投资较大),由于原料供应有问题,生产成本较高,大概在1300元/t以上,目前需要国家的补贴。纤维素发酵制酒精技术未成熟,目前成本仍然很高。1.3.3 生物质液化(2) (2) 生物柴油。生物柴油。基本原理是利用菜籽油、黄豆油、棕榈油改性为汽车能用的生物柴油。主要有酸碱法和酶法两种工艺。这两种工艺都有应用的事例。其中酸碱法技术已成熟, 国外已大量使用, 但污染比较严重。酶法技术未成熟, 成本也较高。由于原料紧张
12、、生物柴油生产成本较高,如果作为燃料使用需要国家的补贴。1.3.3 生物质液化(3) (3) 生物质直接液化技术。生物质直接液化技术。我国有很多单位也作了不少的研究, 但目前还没有实现工业化。它的基本原理是利用快速加热、高温高压和催化、生物转化等方法把生物质直接转化为液体燃料。主要形式有热解液化、催化液化、加压加氢液化等。生物质液化的关键技术虽有所突破, 但应用技术正在研究之中。由于系统技术未解决、产品质量不过关, 目前还不能进入应用。1.3.3 生物质液化(4) (4) 合成燃料。合成燃料。基本原理是将生物质气化为燃气后, 通过高压催化, 合成二甲醚、甲醇、柴油、汽油等液体燃料。主要形式为合
13、成碳氢燃料或含氧燃料。合成燃料的单项技术已基本成熟,但系统集成存在一定问题, 且由于投资较大、成本较高, 国内外还未真正投入使用, 需进一步验证示范。 2 未来重点发展方向未来重点发展方向2.1 生物质资源供应 2.2 生物质发电2.3 燃料乙醇2.4 生物柴油2.5 固体生物质直接液化及间接液化2.1 生物质资源供应无论是哪种能源利用方式, 原料供应都是首先要关注的问题。原料供应在生物质能利用方面已经出现了比较大的问题。我国能源的供应主要是靠农业能源植物的种植, 才能保证大规模的生物质能的利用。其资源供应的发展目标是要开发多种多样的能源植物新品种, 利用非农业土地,提供稳定的生物质资源; 加
14、强对野生油料植物、高产糖与淀粉植物、速生纤维素类能源植物、高转化效率藻类培育。生物质资源供应需要面对的关键问题包括: 资源分布特点; 生态影响研究;细胞学和繁殖生物学研究; 基因改造技术; 高效能源植物进行能源可用性评价等。2.2 生物质发电根据我国生物质资源的分布状况和特点, 发展中小型的高效的发电技术是一个重要的发展方向。生物质发电主要是要发展高效分布式生物质发电技术, 建立生物质分散发电应用模式。其发展趋势是发展高效中小型发电技术; 高效洁净微型发电技术( 气化燃料电池、斯特林循环发电技术等) ; 大规模B/IGCC 系统。生物质发电需要解决的关键问题有: 生物质洁净转化技术; 高效小型
15、发电装置; 燃气净化及小型燃气轮机改造等。2.3 燃料乙醇我国已明确提出: 在燃料乙醇方面, 利用非粮食原料, 生产经济上具有竞争力的燃料乙醇,部分代替汽油。主要是利用甘蔗、木薯、甜高粱生产酒精。北方适合种植甜高粱; 南方可能适合种植甘蔗、木薯。其关键问题是: 非粮食原料的稳定供应; 高效低成本的发酵菌种; 高效低无污染的生产工艺; 纤维素的酶解及其综合利用等。2.4 生物柴油生物柴油将来的发展方向主要是野生油料( 麻风树、黄连木、牛耳枫) 利用、固体碱连续法脂化反应、生物酶法脂化反应。利用非食用油原料,生产具有竞争力的生物柴油,部分代替石油基柴油。其关键问题是:野生油料种植及收集;高效固体碱
16、催化剂及生物酶开发;生产过程污染防治及副产物的综合利用等。我国目前已建成的生物柴油厂属万吨级规模, 目前来说, 我国能找到的唯一比较经济的就是餐饮废油,(就是地沟油)。由于需求越来越多,价钱也会涨, 有的已接近生物柴油的生产价格了,也有类似于燃料乙醇的状况,需要政策补贴。在国家的优惠政策出台之前,生物柴油的市场化有一定的难度。2.5 固体生物质直接液化及间接液化开发工业化定向液化技术, 实现把固体生物质规模化转化为液体燃料的目标, 从根本上拓宽生物质体燃料的原料来源, 发展前景非常广阔。它的发展趋势是快速热解液化、选择性催化液化和含氧燃料合成、柴油及汽油合成。需要面对的关键问题是: 生物制定向催化及定向转化; 设备放大及系统优化和油品提质及加工利用。
