我国生物质能源的发展现状及利用

我国生物质能源技术发展 热物理 王其桢 13S002009 1 生物质能利用现状 生物质能源一直是人类赖以生存的重要能源 它是仅次于煤炭 石油和天 然气而居于世界能源消费总量第四位的能源 在整个能源系统中占有重要地位 我国政府及有关部门对生物质能源的利用也极为重视 目前已有一大批优秀的 科研成果问世 如户用沼气技术 禽畜粪便沼气技术 生物质气化供气和发电 技术 生物质压块技术等 并取得了较好的经济和社会效益 以生物质为载体 由生物质产生的能量 便是生物质能 生物能是太阳能以 或间接地来源于植物的光合作用 在各种可再生能源中 生物质是独特的 它是贮 存的太阳能 更是一种唯一可再生的碳源 可转化成常规的固态 液态和气态燃 料 生物质遍布世界各地 其蕴藏量极大 仅地球上的植物 每年生产量就像当于 目前人类消耗矿物能的20倍 或相当于世界现有人口食物能量的160倍 虽然不 同国家单位面积生物质的产量差异很大 但地球上每个国家都有某种形式的生物 质 生物质能是热能的来源 为人类提供了基本燃料 开发绿色能源已成为当 今世界上工业化国家开源节流 化害为利和保护环境的重要手段 至少有14个 工业化国家在开发绿色能源方面取得了良好成绩 其中有些国家通过实施绿色能 源政策 在相当大程度上缓解了本国能源不足的矛盾 改善了环境 我国拥有丰富的生物质能资源 我国理论生物质能资源50亿吨左右 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 然而 由于农业 林业 工业及生活方面 的生物质资源状况非常复杂 缺乏相关的统计资料和数据 以及各类生物质能资 源间以各种复杂的方式相互影响 因此 生物质的消耗量是最难确定或估计的 我国政府及有关部门对生物质能源利用极为重视 己连续在四个国家五年计划将 生物质能利用技术的研究与应用列为重点科技攻关项目 开展了生物质能利用技 术的研究与开发 如户用沼气池 节柴炕灶 薪炭林 大中型沼气工程 生物 质压块成型 气化与气化发电 生物质液体燃料等 取得了多项优秀成果 人类的文明进步和社会生产力的发展使得人类对能源的需求越来越大 而严 峻的能源形势日益成为全世界关注的焦点 地球上亿万年积累的化石能源 石油 天然气 煤等 仅能支撑300年的大规模开采就将面临枯竭 人们终于认识到 化石能源的使用不是无限的 农作物秸秆作为一种农业生产的副产品 产量大 分布广 同时也是一项重要的生物资源 其含氮 磷 钾 碳的平均含量分别为 0 6 0 3 10 45 据统计 我国年产农作物秸杆6 2亿吨 其数量相当于 北方草原打草量的50多倍 资源拥有量居世界首位 历史上 我国有着利用秸秆的优良传统 农民用秸秆建房蔽日遮雨 用秸秆 烧火做饭取暖 用秸秆养畜积肥还田 合理利用秸秆是我国传统农业的精华之一 随着科技进步和社会发展 一方面 秸秆利用开辟了新路子 其综合利用成为一篇 必须做好的很有价值的大文章 另一方面 焚烧秸秆在一些地区愈演愈烈 成为 必须认真对待 下决心解决的紧迫问题 作物秸秆利用中的问题出现的原因归 纳为如下几方面 第一是农业普遍增收之后 农作物秸秆越来越多 但综合利用滞 后 秸秆出现过剩 第二是随着农民收入增加 生活水平不断提高 农民宁愿增 用化肥和燃煤 而少用秸秆作肥料和燃料 第三是由于农作物复种指数提高 特 别是近几年小麦机收面积扩大 麦秸留茬过高 灭茬机械和免耕播种技术推广没 有跟上 造成农民为赶农时放火焚烧秸杆和留茬 合理利用资源 保护环境 直接 关系到国民经济的可持续发展 党中央 国务院对此历来十分重视 党的十四 届五中全会在 关于制定国民经济和社会发展 九五 计划和2010年远景目标 的建议 中 做出了关于实现两个根本性转变和实施可持续发展战略的重大决策 并 在2000一2010年新能源和可再生能源产业发展规划要点中明确指出 推广秸杆气 化集中供气 发电技术 不仅能有效缓解农村高品位商品能源短缺问题 而且有 利于实现秸杆全面禁烧及其综合利用 因此 秸秆禁烧及其综合利用工作作为资 源与环境保护的大事 作为实施农业可持续发展战略和实现两个根本性转变的 重要措施 被纳入议事日程 多种多样的新技术如雨后春笋 令秸杆综合利用工 作别开生面 但是 单一的技术很难充分利用其潜在价值 于是 我们尝试对其 进行组合 期望能更有效的利用秸秆 2 生物质能源利用技术 2 1 沼气技术 沼气技术是我国在20 世纪70 年代就已开发并全面推广的生物质能源利用 技术 九五 期间 应用于处理高浓度有机废水和城市垃圾的高效厌氧技术被 列为科技攻关重点项目 已取得预期的进展 十五 科技攻关课题 大型高效 厌氧沼气发电技术及示范电站 以污水处理达标和大功率沼气发电机组为主攻 方向 利用污水处理所得沼气建造沼气发电示范工程 目前 我国已建成大中 型沼气池3万多个 总容积超过137万m 3 年产沼气 5500 万m 3 2 2 生物质气化技术 八五 期间 生物质热解气化及热利用技术 的科技攻关课题取得了重 大突破 相继研发了生物质中热值气化装置 100户生物质气化集中供气系统 与装置 食品与经济作物生物质气化烘干系统与装置 九五 期间 生物质 热解气化及相关技术 的科技攻关专题重点研究开发了1MW 大型生物质气化 发电技术和农村秸秆气化集中供气技术 十五 期间 中国科学院广州能源 研究所研发了 4MW 生物质气化联合循环发电系统 以谷壳 木屑 稻草等多 种生物质废弃物为原料 发电效率可达20 28 运行每度成本约 0 35 0 45 元 为农村农业废弃物的处理找到了新的有效途径 目前全国已 建成农村气化站200 多个 谷壳气化发电机组100 多台套 生物质气化技术有 了长足的发展 2 3 固体和液体燃料技术 八五 期间 我国开始了利用纤维素废弃物制取乙醇燃料技术的探索与 研究 重点对生物质压缩成型技术进行了科技攻关 引进国外先进机型 经消 化 吸收 研制出各种类型的适合国情的生物质压缩成型机 用以生产棒状 块状或颗粒状生物质成型燃料 目前该项技术产业化进展顺利 中国的生物质 螺旋成型机螺杆使用寿命达500 h 以上 达到国际先进水平 九五 期间 开 展了野生油料植物分类调查及育种基地的建设 十五 期间 我国对植物油和 生物质裂解油等代用燃料进行了初步试验研究 包括植物油理化特性 酯化改 性工艺和柴油机燃烧性能等 2 4 生物质工程技术 在生物质工程领域 对于国际公认的克服木质纤维素分子对生物转化的抗 性由多糖降解为可发酵糖 通过微生物代谢工程和基因工程研究利用可发酵糖 生物转化 产物分离三大技术难题 我国均有着独到的技术优势 例如 我国 开发的一体式膜生物反应器连续发酵技术 不仅解决了产物对菌种生长的抑制 问题 还可以使微生物在高浓度发酵 而且不含细胞和生物高分子杂质的澄清 发酵液有利于目标产物的分离纯化 简化了下游提取过程 3 生物质能利用存在的问题 3 1 资源分布分散 收集和运输困难 一方面 生物质能的特点是资源丰富稳定 但是分布比较分散 收集和运输困 难 比较适合于分散利用 另一方面 生物质能目前有效利用的比例很少 要充分 体现它的洁净性并在能源结构优化中充分发挥作用 必须有大范围的高效利用作 前提 生物质资源分散 收集手段落后 工程规模较小 大部分工程采用简单 工艺和简陋设备 设备利用率与转换效率低下 造成投资回报率低 很难形成 规模效益 这就必然要求全社会对生物质能技术有全面的了解和认同 在生物质 技术产业化和商品化的过程培育成熟的市场 形成大量的用户 使生物质能作为 商品能源的比例有显著的提高 最终体现出其环境及社会效益 由于资源分散 收集手段落后 我国的生物质能利用工程的规模很小 为降低投资 大多数工程 采用简单工艺和简陋设备 设备利用率低 转换效率低下 所以 生物质能项目的 投资回报率低 运行成本高 难以形成规模效益 不能发挥其应有的 重大的能源 作用 3 2 当前缺少有效的政策与资金扶持 目前国家和地方政府再可再生能源发展方面只有一般性的鼓励政策 对生 物质能没有操作性较强的具体办法 所以政策力度不够 落实困难 这主要体现 在实际应用中生物质电力上网困难 目前政府的定价没有体现生物质能对环保的 贡献 电力价格不合理 很难吸引投资资金 同时国家和地方对生物质能发电项目 没有明确的指引 扶持政策不到位 补贴渠道不畅通 经济优惠政策很难落实 虽 然国家己出台生物质发电补贴0 25元 千瓦时的政策 但仍缺乏具体的实施细则 和协调机制 对于农林废弃物混燃量小于总热值80 的情况 国家规定不给予补 贴 限制了混燃技术的推广应用 中国生物质发电尚处于示范项目阶段 示范项 从立项 建设 发电上网到验收 尚无专门的管理办法 大大影响示范项目的进 度 也影响投资者的积极性 3 3 技术开发进展缓慢 成熟技术少 我国早期的生物质利用主要集中在沼气技术的开发上 近几年才逐渐重视 热解气化技术的开发应用并有一定进展 但酒精生产 热解液化 直接燃烧等 技术开发进展缓慢 科研投入过少 研究的技术含量低 低水平重复研究较多 未能有效解决一些关键技术 如 厌氧消化产气率低 辅助设备配套性差 设 备与管理自动化程度较差 气化利用中焦油问题没有彻底解决 给长期应用带 来严重问题 沼气发电与气化发电效率较低 相应的二次污染问题没有解决 导致许多工程系统常处于维修或故障状态 降低了系统运行强度和效率 生物 质液化方面虽然有一定研究 但技术仍比较落后 在秸秆气化供气与沼气工程 开发上 没有明确的技术标准与技术监督 很多不具备相关资质的单位参与了 沼气工程承包和秸秆气化供气设备的生产 造成项目技术不过关 甚至有安全 隐患 非常不利于生物质能源利用后续工作的开展 3 4 循环经济理论 发展循环经济 建设资源节约型和环境友好型社会 既是国际社会为实现人 类可持续发展的共同努力方向 也是我国构建和谐社会的重大战略抉择 生物质 能源作为可再生能源的主要组成部分 正面临巨大的发展机遇 随着近年来国际 社会对可持续发展战略的普遍认同 发达国家正在把发展循环经济 建设循环型 社会 作为实现经济社会可持续发展的一种有效途径 循环经济是一种建立在物 质不断循环利用基础上的生态经济 循环经济要求按照自然生态系统的模式 将 经济活动由过去的 资源 产品 废物的物质单向流动导向 资源一产品一再 生资源0的物质反复循环流动过程 使整个经济系统以及生产和消费过程基本上 不产生或者只产生很少的废物 循环经济的特征是自然资源的低投入 高利用 和废物的低排放 其核心内涵是废物减量化 资源的再使用和再循环利用 使 经济活动与自然生态系统的物质循环规律相吻合 从而实现人类活动的生态化 它可以保障国家的环境安全 从根本上消解长期以来环境与发展之间的矛盾 给 人类社会提供新的可持续发展机遇 实现社会效益和经济效益的高度统一 发展 循环经济 建设循环型经济社会是实施可持续发展战略 实现资源 环境与经济 协调发展的重要途径 对推动21世纪经济社会的可持续发展具有重要的现实意义 和深远的历史意义 如果继续按照传统的生产方式和发展模式来带动经济增长 必然会对我国现 有的资源和生态环境造成更大的浪费和破坏 削弱我国经济发展的可持续性 而 循环型经济社会可以最大限度地减少对资源过度消耗的依赖 保障环境安全 使 我市的经济社会走向持续 健康的发展轨道 实现全面建设小康社会的宏伟目标 因此 必须更新观念 实施可持续发展战略 走发展循环经济 建设循环型社会之 路 在工业企业生产方面 用绿色技术改造传统产业 建立资源使用最小化 废 物产生减量化和生产过程无害化的循环型生态企业 在工业生产的组织过程中主要考虑以下四个方面的内容 l 在产品设计中要 建立物质闭路循环体系 使资源得到最大限度的利用 不使用对人体和环境有害 的原料 积极采用无害工艺和技术 在生产过程中消除对环境的污染 避免污染 转移 为实现污染零排放的目标奠定基础 2 按照商业贸易规律 将工业生产过 程中产生的废物为放错地方的资源 进行资源重组 交易给其他企业作为生产原 料加以重新利用 而不是简单地将其当作无用的垃圾处理 3 生产出的产品完成 其使用功能后 再循环利用重新变成可以利用的资源 而不是传统意义上的垃圾 4 依靠科技进步和采用高新技术 通过对资源的再使用和再循环利用的提高来促 进生产过程中的污染物减少和最终处理废物减量化的实现 在农业方面 循环经 济理论对生态环境保护和可持续发展战略作了进一步补充和完善 循环型生态 农业是根据生态学和生态经济学原理 运用现代科学技术 因地制宜建立的农业 生产体系 在循环型生态农业发展过程中 要充分开发和利用自然资源及生物质 能源 推动农村生活污染零排放运动 在农业园区建设方面推行自然 生态 农 业和有机农业 4 生物质能源的发展措施 针对生物质发电存在的主要问题 应该因地制宜 统筹规划 研究制定相关推 广政策 逐步建立比较完善的配套服务体系 选择多种实用技术和设备 形成良 性竞争 以推进生物质发电的应用 政府尽快制定和颁布本市可再生能源法的实 施细则 立法和制定相应配套政策的实施是世界各国发展可再生能源的成功经 验 因此对总量目标制度 并网发电和全额收购制度 上网电价与费用分摊制 度 财政 税收鼓励政策和措施等都要尽快研究和制定合理而又可操作的实施 细则 做好实施的准备 制定明确的发展目标和推广计划 增加财政对可再生能源的投入是发展可再 生能源的保证 应把可再生能源建设项目规范地纳入各级政府财政预算和计划 要使生物质能源作为一个产业发展 引导行业发展示范推广可以在应用中解决这 些问题 使技术逐渐成熟 为技术的全面推广奠定基础 同时示范推广可以在应用 中提高技术的可靠性 减少技术风险 增加用户的信心 提高本技术在社会上的影 响 带动社会资金进入生物质能利用行业 在短期内解决高新技术试用期一般投 资人和银行不愿意介入高风险行业而碰到的资金困难 培育出成熟的市场 为生 物质的大范围利用创造条件 要使生物质能源作为一个产业发展 纳入到自治区 总体循环经济中去 我们就必须作到 行政部门支持 经济手段刺激 法律标准规 范 4 1 加快技术研究 要分层次 按类别逐步推进生物质能的科研工作坚 持点面结合 整体推 进的原则 将近 中 远期目标相结合 既要支持前景广阔的基础性研究 如 秸秆能源利用 有机垃圾处理及能源化 工业有机废渣与废水处理及能源化等 又要推动技术相对成熟的项目进入中试阶段或产业化 如高效生物质气化发电 技术 高效厌氧处理及沼气回收技术 纤维素制取酒精技术 生物质裂解液化 技术等先进技术 由于生物质能源目前在成本上很难与石油基产品竞争 国家 应有计划 有步骤地支持一批新能源骨干企业的发展 在投资 价格和税收等 方面给予相关政策性补贴 建立专门的生物质能源资源展示区 增强公众认知 度 广泛开展国际合作 引进国际先进技术 资金 4 2 加快产业化进程 制定整体科技研发计划 确定产业化项目 建立完善的质量监测系统 搞 好产品生产的标准化 系列化与通用化 促进生物质能源利用技术的商品化 制定技术标准 加强技术监督与市场管理 规范市场 为生物质技术的推广创 造适宜的市场环境 另外 生物质能源企业要依靠科技进步和科学的经营管理 来加强生物质能源的综合利用 促进产品多元化 统一布局并进行系统优化 实现产出和效益的最大化 4 3 扩大工业化生产 加强生物质技术与工业生产的融合 在示范工程应用中及时发现问题 重 点突破应用中出现的技术难题 在生产实践中检验并提高生物质技术的可靠性 与经济性 为生物质能源的大规模推广应用创造条件 发展生物质能源对于缓解能源危机 保护环境以及国家能源安全等方面都 有着极其重要的意义 我国生物质资源丰富 且具备一定的技术基础与发展条 件 但在相关技术及产业发展方面存在一定问题 我们应当加强认识 找出不 足 发挥优势 建立稳固的生物质能源产业 为建设社会主义新农村 构建社 会主义和谐社会贡献力量