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杜海鳳，閏超
(東北石油大學(xué)，黑龍江大慶163318)
摘要：生物質(zhì)能源和石油替代產(chǎn)品的研究、開發(fā)和應(yīng)用，是保障能源供應(yīng)、減少對化石能源的依賴、解決未來能源問題的有效途徑。綜述了目前國內(nèi)外生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)，主要包括直接燃燒技術(shù)、生化轉(zhuǎn)化技術(shù)(發(fā)酵和厭氧性消化)、熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)(氣化、熱解)、液化技術(shù)、致密成型技術(shù)、超臨界流體轉(zhuǎn)化技術(shù)等；介紹了生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)的應(yīng)用，包括生物質(zhì)氣化發(fā)電、氣化制氫、熱裂解制氫、發(fā)酵法生產(chǎn)燃料乙醇、熱裂解制生物油、固化成型制固態(tài)燃料、堆肥發(fā)酵制肥料、厭氧性消化生產(chǎn)沼氣、催化裂解生產(chǎn)生物燃料等。對未來的生物質(zhì)能利用技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望。
目前隨著全球煤、石油、天然氣等化石資源的不斷消耗，生物質(zhì)能源的開發(fā)和利用愈來愈受到人們的關(guān)注。生物質(zhì)是一切直接或間接利用的通過綠色植物光合作用形成的有機(jī)物質(zhì)。它包括除化石燃料以外的植物、動物和微生物及其排泄和代謝物等。生物質(zhì)能源是指太陽能用化學(xué)能的形式儲存在生物當(dāng)中的一種能量，植物發(fā)生光合作用，通過直接或間接的方式而形成的能量，其載體是生物質(zhì)。生物質(zhì)能源的用途比較廣泛，如以玉米，小麥等植物為原料加工制成的可用于汽車的乙醇燃料。
隨著國內(nèi)外對生物質(zhì)能源和石油替代產(chǎn)品的不斷研究及其相關(guān)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，現(xiàn)已具備了大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的條件。相關(guān)的專家、學(xué)者們認(rèn)為，作為石油替代產(chǎn)品的生物質(zhì)能源如聚酸乳、生物乙烯、乙醇燃料等產(chǎn)品，有希望成為中國未來的石油替代品和新能源，其不但不會對中國的糧食安全造成威脅，還會對中國的糧食生產(chǎn)起到促進(jìn)作用，同時(shí)還會極大地促進(jìn)中國能源業(yè)的安全、穩(wěn)定、快速的發(fā)展。
1生物質(zhì)能的特點(diǎn)
生物質(zhì)是一種復(fù)雜的材料，主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，以及少量的單寧酸、脂肪酸、樹脂和無機(jī)鹽。這種可再生的原材料具有很大的潛力，可用于發(fā)電和生產(chǎn)高附加值化學(xué)品。生物質(zhì)能源作為一種新型可再生能源，與其他的化石能源相比，具有許多優(yōu)點(diǎn)：
1)可再生性。生物質(zhì)能由于通過植物的光合作用可以再生，與煤、石油、天然氣等化石能源相比，是一種可再生能源，而且資源豐富，可保證能源的永久利用。
2)低污染性。生物質(zhì)中的硫、氮等非金屬含量低，燃燒產(chǎn)生的含硫化合物、氮氧化物較少。由于生物質(zhì)在生長時(shí)吸收的二氧化碳與排放的二氧化碳的量相同，因此在用做燃料時(shí)，對大氣的二氧化碳凈排放量幾乎為零，可有效地減少二氧化碳的排放和酸雨現(xiàn)象的產(chǎn)生。
3)總量十分豐富。生物質(zhì)能是僅次于煤炭、石油和天然氣的世界第四大含碳能源。生物質(zhì)能源植物(簡稱“生物質(zhì)資源”)分布面積十分廣泛，隨著農(nóng)林業(yè)的不斷發(fā)展，生物質(zhì)資源將越來越多。生物質(zhì)資源通過規(guī)?；N植能迅速增長，可保證其產(chǎn)量。
4)安全性。生物質(zhì)能源使用相當(dāng)安全，不會發(fā)生爆炸、泄漏等重大的安全事故。
5)廣泛應(yīng)用性。在沼氣、固體燃料壓縮成型、熱解氣化生產(chǎn)燃?xì)?、發(fā)電、燃料酒精的生產(chǎn)、生物柴油等國民經(jīng)濟(jì)的多個(gè)領(lǐng)域均有應(yīng)用。
就當(dāng)前的國際形勢而言，迫切需要采用非常規(guī)的可持續(xù)能源，來滿足日益增長的對液體燃料的需求。使用生物質(zhì)用于生產(chǎn)生物柴油、生物燃料和乙醇正在接近商業(yè)化。生物質(zhì)能源的開發(fā)，在保障能源供應(yīng)、減少對石油市場的依賴及穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面將發(fā)揮積極作用，是解決未來能源問題的有效新途徑。許多專家指出，21世紀(jì)將是生物質(zhì)能源大展宏圖的時(shí)代。
2生物質(zhì)能的利用技術(shù)
生物質(zhì)最大的優(yōu)勢在于它是唯一含碳的可再生資源，可通過熱化學(xué)轉(zhuǎn)化法、生物化學(xué)轉(zhuǎn)化法及光化學(xué)轉(zhuǎn)化法等制取液體和氣體燃料，涉及熱解、氣化、液化、成型及直接燃燒等技術(shù)?？色@得便于儲存運(yùn)輸、方便使用的清潔型燃料，其實(shí)物形態(tài)為液體、固體和氣體。圖1列出了各種生物質(zhì)能利用技術(shù)。
2.1生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)
2.1.1生物質(zhì)直接燃燒流化床技術(shù)
生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)主要分為爐灶燃燒、鍋爐燃燒和致密成型技術(shù)。涉及到的技術(shù)有生物質(zhì)直接燃燒流化床技術(shù)和生物質(zhì)直接燃燒層燃技術(shù)。
國外許多公司如美國愛達(dá)荷能源產(chǎn)品公司、美國B&W、美國CE公司等采用流化床技術(shù)開發(fā)的流化床發(fā)電鍋爐處理生物質(zhì)已具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模和一定的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。瑞典以樹枝、樹葉等作為大型流化床鍋爐的燃料加以利用，鍋爐的熱效率達(dá)到了80％。丹麥將干草與煤按照6：4的質(zhì)量比采用高倍率的循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行燃燒，熱功率達(dá)80MW，鍋爐的出力為100t／h。劉皓、林志杰等根據(jù)稻殼的物理和化學(xué)性質(zhì)，并且考慮到其燃燒特性，對傳統(tǒng)的流化床燃燒鍋爐進(jìn)行了改進(jìn)；采用獨(dú)特的燃燒和配風(fēng)方式，開發(fā)出了具有流化性能好、燃燒穩(wěn)定、不易結(jié)焦等優(yōu)點(diǎn)的鍋爐。
陳冠益等與無錫鍋爐廠合作設(shè)計(jì)開發(fā)了不但輸送量大，而且輸送安全的氣力輸送裝置輸送稻殼，用于35t／h燃稻殼流化床鍋爐。該輸送裝置獨(dú)特的設(shè)計(jì)不僅避免了給料中斷現(xiàn)象，減少了床層埋管的磨損和受熱面積灰；同時(shí)還擴(kuò)大了鍋爐的燃料適用范圍。將來生物質(zhì)鍋爐的發(fā)展取決于化石燃料市場和關(guān)于生物質(zhì)市場的決策。
2.1.2直接燃燒層燃技術(shù)
2.1.2.1農(nóng)林廢棄物開發(fā)利用技術(shù)
生物質(zhì)層燃技術(shù)在農(nóng)林業(yè)廢棄物的開發(fā)利用方面有廣泛的應(yīng)用。丹麥的ELSAM公司出資改造的Benson型鍋爐不僅能夠使秸稈、木屑等物料在爐柵上充分的燃燒，并且其爐膛和管道內(nèi)還設(shè)置了纖維過濾器用來減輕煙氣中的有害物質(zhì)對設(shè)備的腐蝕和磨損。經(jīng)過實(shí)踐運(yùn)行之后，證明改造后的生物質(zhì)鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定，且具有良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。翟學(xué)民根據(jù)甘蔗渣的燃燒機(jī)理，研制出了一種燃燒室與輻射受熱面分開布置的對甘蔗渣及時(shí)著火和穩(wěn)定燃燒都有利的閉式爐膛結(jié)構(gòu)的甘蔗渣鍋爐。由于甘蔗渣在生物質(zhì)燃料中具有一定的代表性，因此該爐型對樹皮、稻殼等生物質(zhì)燃料具有一定的通用性。
何育恒開發(fā)設(shè)計(jì)出了結(jié)構(gòu)新穎，能夠燃燒木屑、木粉及樹皮等廢料的層燃鍋爐。該鍋爐能保證木屑、木粉的充分燃燒；能夠防止木粉爆燃；鍋爐為負(fù)壓燃燒，確保木粉在燃燒時(shí)不向爐外噴火，為開發(fā)設(shè)計(jì)燃木屑、木粉等林業(yè)廢棄物的鍋爐提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。
2.1.2.2城市生活垃圾焚燒技術(shù)
隨著城市建設(shè)的發(fā)展和社會的進(jìn)步，城市生活垃圾的產(chǎn)量呈逐年遞增趨勢。因此，開發(fā)新型垃圾焚燒處理技術(shù)非常必要。自上世紀(jì)以來，除上海浦東御橋以外，我國的很多城市如北京、廣州、廈門等都在進(jìn)行千噸級垃圾焚燒廠的建設(shè)，垃圾焚燒不僅可以減少環(huán)境污染，還能節(jié)省大量土地資源。因此，該項(xiàng)技術(shù)成為大城市生活垃圾處理的一項(xiàng)主流技術(shù)。但垃圾焚燒技術(shù)在尾氣處理、二次污染和焚燒爐燃燒效率等方面還需要結(jié)合我國的基本國情進(jìn)行不斷的改進(jìn)和完善。由于焚燒技術(shù)存在的諸多缺點(diǎn)，國內(nèi)外不斷地進(jìn)行研究探索，開發(fā)了采用厭氧消化技術(shù)來處理城市生活廢棄物的工藝，與傳統(tǒng)的焚燒技術(shù)相比，該工藝在處理效率、處理成本、資源回收利用等方面均有很大的優(yōu)勢。目前該項(xiàng)工藝在城市的廢物處理中已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。
2.1.3致密成型技術(shù)
鋸屑、稻殼、樹枝、秸稈等具有一定粒度的農(nóng)林廢棄物經(jīng)過干燥后在一定的壓力作用下，可連續(xù)擠壓成棒狀、粒狀、塊狀等各種固體成型燃料的加工工藝稱為生物質(zhì)致密成型技術(shù)。利用木質(zhì)素特殊的膠黏作用，或另外加入一定的添加劑或黏結(jié)劑使其粘結(jié)在一起成為成型燃料，生物質(zhì)原料經(jīng)過擠壓成型作用，體積縮小，密度會明顯變大，含水率下降，方便貯存和運(yùn)輸。該技術(shù)在高效燃燒爐、生物質(zhì)氣化爐和小型鍋爐等方面有廣泛的應(yīng)用。
根據(jù)工藝特性的差別將生物質(zhì)致密成型工藝劃分為冷壓致密成型、熱壓致密成型和碳化致密成型等3種，每種工藝都有其特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。近年來，國內(nèi)外科研單位在生物質(zhì)成型理論、生物質(zhì)的利用裝置、成型燃料燃燒技術(shù)等方面進(jìn)行了研究，取得了突破性進(jìn)展，開發(fā)生產(chǎn)了各種具有不同功能和應(yīng)用范圍的生物質(zhì)致密成型機(jī)。此外還有單頭、多頭螺桿擠壓棒狀致密成型機(jī)，并已小批量投入了實(shí)際生產(chǎn)，取得了一定的社會和經(jīng)濟(jì)雙重效益。由于多種因素影響，在成型機(jī)、成型原料及配套設(shè)備等方面也存在這樣或那樣的問題，不能期望在短期內(nèi)進(jìn)行全面應(yīng)用。今后在設(shè)備的實(shí)用性、減少能耗、降低磨損、原料的適用性、系列化等方面要重點(diǎn)下功夫，為能夠大規(guī)模開發(fā)并更好的利用生物質(zhì)能提供必要的技術(shù)儲備。
2.2生化轉(zhuǎn)化技術(shù)
2.2.1厭氧消化制取沼氣
沼氣發(fā)酵是一個(gè)(微)生物學(xué)的過程。農(nóng)作物秸稈、人畜的糞便以及工農(nóng)業(yè)排放的廢水中所含的有機(jī)物等都可以作為沼氣發(fā)酵的原料，在適宜的條件和厭氧的環(huán)境下通過微生物的作用將有機(jī)物最終轉(zhuǎn)換為沼氣。其過程主要分為液化、產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷3個(gè)階段進(jìn)行。基本過程示意見圖2。
2.2.2酶技術(shù)制取乙醇或甲醇
各種綠色植物(如玉米芯、水果、甜菜、甜高粱、秸稈、稻草、木片、草類及許多富含纖維素的原料)都可用作提取乙醇的原料。乙醇又稱酒精，人們通常將用作燃料的乙醇稱為“綠色石油”。生產(chǎn)乙醇的方法很多，主要有：①利用含糖的原料直接發(fā)酵；②間接的利用碳水化合物或淀粉進(jìn)行發(fā)酵；③將木材等纖維素原料通過酸水解或酶水解制乙醇。
2.3熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)
熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)是指在加熱且缺氧的條件下，利用化學(xué)手段將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成高品位、便于儲存、易運(yùn)輸、能量密度高且具有商業(yè)價(jià)值的固、液及氣態(tài)燃料，以及熱能、電能等能源產(chǎn)品，燃料物質(zhì)的技術(shù)J。熱化學(xué)轉(zhuǎn)化是從生物質(zhì)生產(chǎn)生物燃料的一種有效方法，主要包括烘焙、液化、熱解和氣化技術(shù)。通過這些轉(zhuǎn)化技術(shù)，從生物質(zhì)中產(chǎn)生的固體、液體和氣態(tài)的生物燃料用于發(fā)熱和發(fā)電。液體生物油可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為化學(xué)品，同時(shí)合成氣可以被合成為液體燃料。
熱解是處理固體廢棄物較好的工藝之一，溫度一般在300～600℃，有慢速熱解、快速熱解和閃速熱解3種方式。其過程可分為物料的干燥、半纖維素?zé)峤狻⒗w維素和木質(zhì)素?zé)峤?個(gè)階段。在生物質(zhì)熱解過程中，熱量由外至內(nèi)逐層的進(jìn)行傳遞。首先是顆粒表面，然后從表面?zhèn)鞯筋w粒內(nèi)部，顆粒受熱的部分迅速裂解成木炭和揮發(fā)分，裂解后的產(chǎn)物在溫度作用下還會繼續(xù)裂解反應(yīng)。實(shí)際應(yīng)用的生物質(zhì)熱解工藝多為常壓或接近常壓反應(yīng)，熱解得到的產(chǎn)物主要由生物油、氣體和固體炭組成。
生物質(zhì)氣化也是生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化的一種，其基本原理是在燃燒不完全的情況下，將原料加熱，使分子量較高的化合物裂解成H2、CO、小分子烴類和CO2等分子量較低的混合物的過程。通常使用空氣或氧氣、水蒸氣、水蒸氣和氧氣的混合氣作為氣化劑。氣化的產(chǎn)物為合成氣，經(jīng)過費(fèi)托合成或生物合成進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為甲醇、乙醇等液體燃料，還可直接作為燃?xì)怆姍C(jī)的燃料使用。
2.4固體廢棄物處理技術(shù)
對于固體廢棄物的處理，傳統(tǒng)的方式有填埋、焚燒、生化處理3種。填埋和焚燒的方式造成資源和能源的浪費(fèi)。目前，國內(nèi)外對廢棄物中的生物質(zhì)能源的再利用做了更加深入的研究，主要采用飼料、肥料、沼氣、燃料等方式對生物質(zhì)進(jìn)行科學(xué)有效的利用。如將其加工為飼料，充分利用其中的營養(yǎng)成分；采用堆肥化技術(shù)對庭院垃圾、有機(jī)生物垃圾、有機(jī)剩余污泥和農(nóng)業(yè)廢物等進(jìn)行處理；采用沼氣技術(shù)對農(nóng)業(yè)、工業(yè)以及人類生活中的各類有機(jī)廢棄物進(jìn)行處理。在產(chǎn)生沼氣的同時(shí)為了避免造成二次污染，要對沼渣和沼液進(jìn)行再利用，沼渣和沼液可直接作為肥料或經(jīng)固液分離制成商業(yè)肥料。采用生物質(zhì)的壓縮成型技術(shù)可將原來松散的、細(xì)碎的、無定形的生物質(zhì)原料在一定條件下壓縮成棒狀、粒狀、塊狀等各種成型燃料。
2.5生物質(zhì)液化技術(shù)
生物質(zhì)能的液化技術(shù)是指通過水解、熱解或催化等方法將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為液體燃料的技術(shù)。通過對生物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)加工，制取液體燃料如燃料乙醇、甲醇、生物油等；在一定條件下，利用生物發(fā)酵或酸水解技術(shù)可將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化加工成乙醇，供汽車或其他工業(yè)使用。利用生物質(zhì)的液化技術(shù)不僅可以提高生物質(zhì)的利用效率，還可以擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，通過生物質(zhì)的液化制取液體燃料將是有發(fā)展?jié)摿Φ那把丶夹g(shù)。
2.6生物質(zhì)的超臨界轉(zhuǎn)化技術(shù)
超臨界流體(SCF)是一種處于臨界溫度和臨界壓力以上的，物性介于氣體和液體之間的有良好的流動性、傳遞性、擴(kuò)散性和溶解性的流體。它兼具氣體及液體的雙重性質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)，在其臨界點(diǎn)附近，壓力和溫度發(fā)生微小的變化，都會引起流體密度、溶解度、介電常數(shù)等物性發(fā)生較大的改變。
超臨界水具有可溶解多數(shù)有機(jī)物和氣體、密度高、黏性低等特點(diǎn)，生物質(zhì)在超臨界水中氣化和熱解的熱利用效率比常規(guī)的更高，使生物質(zhì)超臨界水氣化技術(shù)受到了廣泛的重視，具有很大的發(fā)展?jié)摿?。由于超臨界水氣化時(shí)所需的反應(yīng)溫度和反應(yīng)壓力對設(shè)備及材質(zhì)的要求都較高，對于生物質(zhì)的超臨界水氣化的相關(guān)研究受到了限制，我國有關(guān)這方面的研究起步較晚。隨著人們對超臨界水獨(dú)特的理化性質(zhì)的不斷了解和研究，發(fā)現(xiàn)在生物質(zhì)的預(yù)處理、熱解、液化以及制備生物柴油等技術(shù)方面都可以應(yīng)用超臨界流體來進(jìn)行生物質(zhì)資源的轉(zhuǎn)化和高效利用。如生物質(zhì)超臨界熱解制氫、生物柴油超臨界制備、生物質(zhì)超臨界液化和生物質(zhì)超臨界預(yù)處理等。生物質(zhì)的超臨界轉(zhuǎn)化技術(shù)具有很大的應(yīng)用潛力，特別是在超臨界水的氣化制氫和超臨界甲醇的酯化制生物柴油領(lǐng)域。但是由于超臨界流體的反應(yīng)條件要求比較苛刻，在能耗及設(shè)備上的要求高、損耗大，造成生產(chǎn)成本較高，目前有關(guān)超臨界流體在生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化方面的應(yīng)用大多在研究階段，技術(shù)及系統(tǒng)的研究改進(jìn)還存在巨大的發(fā)展空間。
3結(jié)論與展望
生物質(zhì)能作為唯一一種可替代化石能源的可再生的含碳資源，在新能源開發(fā)中的地位越來越重要。由于煤、石油、天然氣等化石燃料的不可再生性和使用過程中對環(huán)境的破壞，生物質(zhì)能源將成為現(xiàn)代的主要能源之一，生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)也將成為這一轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵。目前有關(guān)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用的應(yīng)用包括生物質(zhì)氣化發(fā)電、氣化制氫、熱裂解制氫、發(fā)酵法生產(chǎn)燃料乙醇、熱裂解制生物油、固化成型制固態(tài)燃料、堆肥發(fā)酵制肥料、厭氧性消化生產(chǎn)沼氣、生物質(zhì)催化裂解生產(chǎn)生物燃料等，在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。
世界上每年生物質(zhì)產(chǎn)量約1460億t，僅農(nóng)林廢棄物及禽畜糞便資源量每年可達(dá)10億t。根據(jù)聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展大會(UNCED)的預(yù)計(jì)，到2050年，生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化利用將占全球能源消費(fèi)的一半左右。生物質(zhì)能有望貢獻(xiàn)歐盟可再生能源目標(biāo)的一半，到2020年生物能源在歐盟層面上，預(yù)計(jì)仍將是可再生能源的主要貢獻(xiàn)者。因此，生物質(zhì)的可持續(xù)發(fā)展是一個(gè)關(guān)鍵問題。利用生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)可將生物質(zhì)資源進(jìn)行再利用，這對于節(jié)約資源、保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)和諧發(fā)展、緩解人類能源危機(jī)具有舉足輕重的作用。由于生物質(zhì)的種類不同，其適合的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)也不同，由于實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性無法完全統(tǒng)一，導(dǎo)致這些技術(shù)大部分都難以普及，但是隨著國內(nèi)外研究的不斷深入，更多的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用新技術(shù)及集成技術(shù)會不斷涌現(xiàn)。 |
