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、特性及開發(fā)利用生物質(zhì)能意義的基礎(chǔ)上，重點從生物質(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)品等幾方面來介紹國內(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對環(huán)境造成嚴(yán)重的后果，因此，各國政府和科學(xué)家對資源豐富、可再生性強、有利于改善環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的生物資源的開發(fā)利用給予了極大的關(guān)注。有許多國家都制定了相應(yīng)的開發(fā)研究計劃，例如，日本的新陽光計劃、印度的綠色能源工程、美國的能源農(nóng)場和巴西的酒精能源計劃等。一個新興的生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)正在全球范圍蓬勃興起。據(jù)專家估計，生物質(zhì)能源將成為未來能源的重要組成部分，到2015年9全球總耗能將有40%來自生物質(zhì)能源，主要通過生物質(zhì)能發(fā)電和生物質(zhì)液體燃料的產(chǎn)業(yè)化實現(xiàn)。在2004 年制定的國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃（2005-2020）中，“農(nóng)林生物質(zhì)工程”被列為重大專項之列，并作為國家能源戰(zhàn)略的重要組成部分。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國的能源消耗與日激增?，F(xiàn)在，我國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，我國2004 年進口石油1.2 億噸。我國生物多樣性豐富，據(jù)調(diào)查，我國有油料植物為151科697 屬1554 種，其中種子含油量大于40%的植物有154 種。且我國的可開發(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)能源的開發(fā)利用，進行農(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)”問題，還可解決21 世紀(jì)中國面臨的能源短缺、環(huán)境污染、食品安全等重大社會經(jīng)濟問題，乃至為全面建設(shè)“小康”社會目標(biāo)的實現(xiàn)做出重大貢獻，即生物質(zhì)能源的開發(fā)利用直接關(guān)系到我國的可持續(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，便于儲存運輸，生物質(zhì)能是惟一的可再生碳源。生物質(zhì)生長過程中吸收大量的CO2氣體，燃燒過程排放的CO2氣體與吸收的相當(dāng)，幾乎沒有SO2氣體排放，因此被稱為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、畜糞便和人類糞便，全球每年排放300108t以上；林業(yè)生物質(zhì)：薪柴、落葉、樹皮、樹根及林業(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、浮萍、水動蘆、風(fēng)信子等；能源植物：油料作物和富含碳氫化合物的植物。中國的生物質(zhì)能主要來源于農(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)能在人類歷史上曾發(fā)揮著重要的作用，就是在現(xiàn)實生產(chǎn)生活中，尤其是在發(fā)展中國家的農(nóng)村，生物質(zhì)能的消耗占全國能量消耗的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)能在整個能源系統(tǒng)中占有重要地位，一直是人類賴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)通過植物光合作用產(chǎn)生的有機物達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，是目前我國總能耗的4倍左右。據(jù)估計，在理想狀況下，地球上生產(chǎn)生物質(zhì)的潛力可達到現(xiàn)實能源消費的180-200倍。1.2.2可再生性好大多數(shù)的生物質(zhì)能是凈初級生產(chǎn)品，即利用太陽能將二氧化碳(通過光合作用)轉(zhuǎn)化為有用的碳類化合物的地球生物量。每年有大量的凈初級生產(chǎn)品產(chǎn)生消亡，但當(dāng)環(huán)境條件適合生長時又會有大量的凈初級生產(chǎn)品產(chǎn)生。只要保證相對合理地開發(fā)、利用，就能得到較好的恢復(fù)與再生，這些凈初級產(chǎn)品是不會全部耗盡的，但可獲得的量會有所波動。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)象和對景觀的影響。1.2.4開發(fā)轉(zhuǎn)化技術(shù)容易 從目前國內(nèi)外生物質(zhì)能開發(fā)利用的基本形式來看，生物質(zhì)能的開發(fā)較之其他新能源如：太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、潮汐能等的開發(fā)利用相對普及。這主要是由于生物質(zhì)能的開發(fā)具有層次性，無論是初級產(chǎn)品還是高級產(chǎn)品都與人類的生產(chǎn)生活息息相關(guān)。正是基于此，生物質(zhì)開發(fā)技術(shù)上的難題就相對較少，人們既可利用生物質(zhì)能的熱能效應(yīng)又可將簡單的熱效應(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，人們對石油、煤炭、天然氣的儲量和可開采時限作過種種的估算與推測，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采殆盡，有的因開采成本高或開發(fā)使用導(dǎo)致的一系列環(huán)境問題而失去開采價值。地質(zhì)學(xué)家也早已明確指出：石油耗竭之日已為期不遠?，F(xiàn)在，盡管地質(zhì)學(xué)家和經(jīng)濟學(xué)家們在激烈地爭論石油開始匱乏的時間 但無論如何，化石燃料終將耗盡卻是無可爭辯的事實?！熬影菜嘉！保_發(fā)替代能源已迫在眉睫。2.2生物質(zhì)能和環(huán)境保護化石燃料的開發(fā)利用對環(huán)境造成了極大的危害，而生物質(zhì)能的開發(fā)利用不僅不對環(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。隨著各國人民對“三生態(tài)”的不斷追求、 京都議定書的生效和清潔發(fā)展機制的實施，開發(fā)利用生物質(zhì)能將成為一個新興的產(chǎn)業(yè)。開發(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產(chǎn)生污染，且有利于回收利用有機廢棄物，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)村富余勞動力就業(yè)，增加農(nóng)民收入，有效促進農(nóng)村經(jīng)濟、社會和生態(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。中國傳統(tǒng)生物質(zhì)能開發(fā)利用已是商業(yè)化技術(shù),據(jù)國家統(tǒng)計局1998-2003年統(tǒng)計數(shù)據(jù)估計， 我國可開發(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52.5萬t油當(dāng)量。雖然我國目前效率高達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)電時機還未成熟。壓縮成型直接燃燒也達到工業(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)達國家可再生能源發(fā)電量的70%。在美國，生物質(zhì)能發(fā)電的總裝機容量已超過10000兆瓦，單機容量達10-25兆瓦。據(jù)紐約時報報道，按照2001年的統(tǒng)計，美國消耗的可再生能源中有50.4%來自生物質(zhì)能，41.9%為水電，其余為太陽能和風(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80%。而按能源資源類型分析1996年德國公用電業(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30MW生物質(zhì)氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電項目，在英國和美國有3個示范項目，裝機容量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氣、固定碳、木焦油及木醋液等物質(zhì)?？扇細夂淄椤⒁彝?、氫氣、一氧化碳、二氧化碳等，可做生活燃氣或工業(yè)用氣，木焦油是國際緊俏產(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，使有機物轉(zhuǎn)化成可燃氣體的過程。產(chǎn)生的氣體可直接作為燃料，用于發(fā)動機、鍋爐、民用爐灶等場合。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)域供電計劃，目前已有容量為1000-12000kW的區(qū)域供熱站80-190個，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等可燃氣體。同時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。沼氣開發(fā)主要有4 類：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，我國戶用沼氣系統(tǒng)已達956萬戶，生活污水凈化沼氣系統(tǒng)9.6萬處，沼氣工程1359 處，其中!大中型畜禽養(yǎng)殖場沼氣工程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)酵過程中的電子傳遞轉(zhuǎn)成電能的裝置。其最大特點是反應(yīng)過程中不涉及到燃燒，而其能量轉(zhuǎn)換率高達60%-80%。近20年來生物技術(shù)的巨大發(fā)展，為生物燃料電池研究提供了物質(zhì)、知識和技術(shù)儲備。3.4植物油技術(shù)直接液化即植物油技術(shù)，是采用機械壓榨或化學(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，是對動物、植物油質(zhì)進行化學(xué)反應(yīng)而制備出來的一種清潔的液體燃料。且有許多優(yōu)良特點，能完全燃燒，二氧化碳、碳氫化合物和顆粒物排放很少。近年來生物柴油產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，在發(fā)達國家，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)展趨勢生物質(zhì)能是重要的可再生資源，21世紀(jì)，世界能源消費的40%將來自生物質(zhì)能。我國是一個傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國，擁有豐富的生物質(zhì)能資源。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們生活水平的提高，環(huán)境保護意識的增強及對生態(tài)時尚“三生態(tài)”的不斷追求，化石能源逐漸枯竭，對包括生物質(zhì)能在內(nèi)的可再生資源的合理、高效地開發(fā)利用，必然將愈來愈受到各國政府和科學(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)營和管理技術(shù)等幾個方面的研究將是今后生物質(zhì)能利用研究的重點。參考文獻：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.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