生物质能利用技术的三大类

 

       生物质主要包括薪炭林、经济林、用材林、农作物秸秆、林业加工残余物和各类有机垃圾等。我国生物质资源十分丰富，资源总量不低于30亿吨干物质/年，相当于10亿多吨油当量，约为我国目前石油消耗量的3倍。世界各国在调整能源发展战略时，都把高效利用生物质能摆在优先地位，列为能源利用中的重要课题。我国商品化的生物质能仅占一次能源消费的0.5%左右，与发达国家相比还有很大差距。

 

       目前，生物质能利用技术主要有直接燃烧、生物化学转化和热化学转化三大类。直接燃烧包括炉灶燃烧、锅炉燃烧和成型燃料燃烧等方式。目前许多农村地区普遍采用炉灶燃烧，热效率低于15%；锅炉燃烧热效率较高，热电联产时可达90%以上；成型燃料燃烧是把生物质固化成型后再用于传统的燃烧设备，电耗较高。

 

       生物化学转化主要以厌氧发酵和生物酶技术为主。厌氧发酵主要适合于将工业有机废液和人畜粪便等非固体生物质分解为沼气；生物酶技术是把生物质生化转化为乙醇，但目前生物酶大规模生产还存在难度，且用于木质纤维素还存在转化速度慢和废液需要二次处理等问题。

 

        热化学转化主要有热解干馏、热解气化和热解液化三种。热解干馏技术可将木质生物质转化为炭、燃气和多种化学品，但缺点是利用率较低，原料适应性不强；热解气化可将生物质主要转化为可燃气体，既可用作生活煤气，也可用作制氢或合成气的原料，还可以通过锅炉或内燃机等转化为热能或电能；热解液化是在中温闪速加热条件下使生物质迅速热解，然后对热解产物迅速冷凝获得一种称为生物油的初级液体燃料，提质后可替代柴油汽油用于内燃机。

 

        突破大规模利用的瓶颈

 

        鉴于生物质资源分散、原料组分复杂，以及热值低、不易运输和贮存等特点，必须将其经济高效地转化为高热值的液体燃料（如醇类、汽油和柴油等），才能实现大规模利用的目的。

 

        中国科学技术大学生物质洁净能源实验室根据多年研究经验获得的最佳技术路线是：首先在原料产地将生物质（秸秆）规模适度地（原料收集半径控制在10～20公里）分散热解，转化为便于运输和储存的初级液体燃料——生物油，然后将各地热解得到的生物油收集、集中后进行再加工（精制提炼，制富氢合成气和氢气，合成甲醇和混合醇，合成汽油和柴油）。这样可从根本上解决生物质资源分散和受季节限制等大规模应用的瓶颈问题。

 

        中国科学技术大学生物质洁净能源实验室是一个专门从事生物质能研究与开发的科研实体。2004年8月该实验室成功研制出每小时处理15公斤物料的电热式热解液化工业小试装置，经过对热源进行自热式（以热解副产物焦炭和不凝性气体燃烧释放的热量为热解提供热源）改造后，自热式的热解装置已于2005年11月通过安徽省科技厅组织的专家鉴定。2006年1月又成功研制出每小时可处理150公斤物料的自热式热解液化工业中试装置。从运行情况来看，热解焦炭和不凝性气体燃烧释放的热量足以为热解提供热源。采用木屑、稻壳、玉米秆和棉花秆等多种原料进行的热解液化试验表明，木屑产油率60%以上、秸秆产油率50%以上。生物油热值18～20兆焦/千克。不同原料制取的生物油在组成上虽然存在差异，但主要成分的相对含量十分接近，因而可以容易地混合使用。

 

        生物油的经济效益

 

        生物油经过简单的品质改良后，生产成本约增至900元/吨、热值约增至为18～20MJ/kg、长时间储存不变质，销售价格假设为1000元/吨。如果用生物油替代柴油和重油，提供同样的热量，价格分别相当于柴油和重油的43.2%和63.1%。显然，生物油的开发和利用不仅具有重要的社会和环境效益，还有巨大的经济效益，可以变废为宝，增加农民收入。

 

        该实验室在生物质热解液化配套技术方面的研究也取得重要进展，如采用高压内混式雾化燃烧技术已能单独对生物油实现稳定的工业燃烧，在生物油催化裂解方面也进行了大量研究，结果表明，生物油通过水蒸汽催化重整可以制取较高氢/碳比的富氢合成气（主要组分为H2/CO/CO2的混合气），这种合成气进一步纯化可获得氢气，也可通过不同的工艺合成制取柴油、汽油、甲醇或二甲醚等高品位的液体燃料。同时，该实验室还对催化剂再生进行了研究。

 

        中国科学技术大学生物质洁净能源实验室在生物质自热式热解液化、生物油成分分析与结构研究、生物油精制提炼与品质提升、生物油定向气化与合成气制备、生物质基液体燃料合成等方面开展了大量卓有成效的研究，初步形成一批具有自主知识产权和国际先进水平的研究成果。可以预料，我国在生物质能大规模应用的基础理论和应用技术研究方面将实现新的跨越。

责任编辑：JJSKT