1、我国生物质能源发展现状与思考我国生物质能源发展现状与思考摘要 分析了我国生物质能源技术的现状、发展趋势和存在问题,提出了发展对策和建议。我国生物质资源开发以有机废弃物和利用边际性土地种植的能源植物作为主要原料来源,从长远看,能源农业和能源林业是未来发展生物质能源的基础。我国生物质能现代技术研究和应用起步较晚,目前的开发利用总体水平较低,各种技术的成熟度和商业化水平极不均衡,必须坚持自主开发与引进消化吸收相结合的技术路线,充分掌握相关的核心技术,在一些关键性技术上取得突破。发展生物质能产业,我国应当走原料与产品多元化的道路,针对不同的技术路线和工艺过程,加强多学科交叉研究。关键词:生物质能 技术
2、 产业化 现状 趋势Current Status of Biomass Energy Development in ChinaAbstractThe status quo and future development of biomass energy, as well as the existent problems and their corresponding developmental strategies are introduced. It is strongly suggested to develop mainresource for bio-energy out of org
3、anic waste and energy plants growing in boundary land, for avoiding both foods strive against human and agrarian competition with farming. In the long term, the energy-oriented agriculture and energy-oriented forestry deserve more notices as the base of further development. Since Chine started the r
4、esearch and application of the modern bio-energy technology rather late, the overall level of utilization is quite low and leads to an awkward unbalance both in technological maturity and commercial application, whose solution requires a combined course of independent research and assimilation of fo
5、reign experience, breakthroughs of the key cruxes, and mastery of core technologies. In China, the development strategy of bio-energy industry should be diversification of the material and products, and intensification of the interdisciplinary research according to various technological methods and
6、processing.Key words Biomass energy, Technology, Industrialization, Status, Trend生物质能占世界一次能源消耗的14%1,是继主要的化石能源煤、石油和天然气之后的第4位能源。但目前仍主要以传统的直接燃烧方式为发展中国家居民提供生活用能,能源利用率低,资源浪费严重。现代生物质能利用是指借助热化学、生物化学等手段,通过一系列先进的转换技术,生产出固、液、气等高品位能源来代替化石燃料,为人类生产、生活提供电力、交通燃料、热能、燃气等终端能源产品。现代生物质能源利用技术的开发对替代或部分替代化石能源、保护生态环境、实现人类社
7、会的可持续发展具有非常重要的现实意义和长远意义。1 发展现状111 资源现状我国生物质原料主要来自农林产业,分布遍及全国各自然生态区,有草、灌、乔,淀粉、糖、木质纤维素等,所以发展生物质能产业,应当走原料与产品的多元化道路。根据我国国情,生物质资源开发应以有机废弃物和利用边际性土地种植的能源植物作为其原料主要来源。具体的资源开发技术路线有:依托于农业废弃物、后备性宜垦农地及非粮低产农田的农业路线,资源利用宜以生产液体燃料等多种能源及化工产品的多元化发展方向。依托林业边际性土地和林业剩余物的林业路线,其原料与产品相对单一,资源利用的主导方向宜以替代煤的成型燃料或直燃供热发电为主,与木本油料生物柴
8、油生产相结合的方向。能源植物是指通过提取或适当加工可直接提供能源的植物,具有资源丰富、种类广泛、不受地域限制、生长快、周期短、抗逆性强、生物质能含量高、供给稳定等优点,可为未来大规模利用生物质能提供稳定的原料。按照主要成分,能源植物可分为4类:富含高糖、高淀粉的能源植物,如木薯、甘蔗、玉米、甜高粱、甘薯等;富含油脂的能源植物,如油菜、向日葵、棕榈、花生等;富含纤维素、半纤维素以及木质素的能源植物,如芒草、速生林等;富含类石油成份的能源植物,如麻疯树、油楠、续随子、绿玉树、古巴香胶树等。高效能源植物的开发需要漫长的选择和发展过程,目前关于能源植物的研究多数尚处于实验和示范阶段,未达到全面推广水平
9、。世界范围内,巴西已将每hm2年产量可达3050 t的桉树广泛用作能源,能源林总计约200万hm2;美国、巴西、南非、阿根廷、印度等国家都开展了培育、种植甜高粱及其生产燃料乙醇方面的研究与开发;我国对个别薪炭林树种,甜高粱、绿玉树等少数几种能源植物开展了相关研究。我国地域辽阔,自然条件多样,能源植物种类丰富。北方的甜高粱和甘薯、南方的木薯和甘蔗、西部的灌木、中东部的木本油料植物等均具有规模开发的条件。近年来,我国发展了一定规模的能源植物,其中甜高粱种植面积达0167万hm2,麻疯树造林达6167万hm2。根据2005年前后的技术和生产力水平,有关专家根据对有机废弃物、边际性土地及相应的能源植物
10、产出的估算,得出我国生物质原料的年总产出潜力是7196亿t标煤,其中有机废弃物3171亿t,边际性土地原料植物产出4125亿t,如表1所示2。如果考虑2030年科技进步和生产力水平对农业产出进行预测,生物质原料的年产出总潜力应当是10167亿t,其中有机废弃物5127亿t,边际性土地原料植物产出5138亿t。表1 我国生物质原料资源现状Tab.1 Estimation of bimass resource in China有机废弃物年产能/亿t可用实物量折标煤所占比例/%边际性土地面积/万hm2年产能/亿t折标煤所占比例/%作物秸秆3.90 1.96 52.8宜农后备地734畜禽粪便7.15
11、0.75 20.2现边际农地2 000 1.13 26.7林业剩余物0.70 0.40 10.8宜林后备地5 704 1.75 41.2采集育林薪柴0.38 0.22 5.9现薪炭林303 0.13 3.0工业废弃物0.62 0.35 9.4现油料林343 0.06 1.5城市有机垃圾0.16 0.03 0.8现灌木林4 530 1.18 27.6合计12.91 3.71 100.0合计13 614 4.25 100.0112 技术现状11211 生物质发电技术生物质发电技术集环保与可再生能源利用于一体,从战略需求出发,各国都加大投资力度进行开发利用。生物质发电技术主要包括:直接燃烧发电、与煤
12、混燃发电、气化发电以及沼气/填埋气发电等3。大规模的生物质直燃发电技术效率较高,但要求生物质集中、数量巨大,因此大规模进行收集或运输,电站运行管理成本较高;小规模直燃发电技术则效率较低。直燃发电技术在国外已进入推广应用阶段,大部分用于林业废弃物的处理,在丹麦等少数国家也有针对农业秸秆的应用4。生物质直燃发电技术在我国尚未形成系统性研究,许多问题亟待解决,如:秸秆中含有较高的氯及钾、钠等成分,其灰熔点较低,容易在炉膛内结渣、结焦或沉积于受热面,严重影响生物质燃烧锅炉的换热,甚至造成腐蚀。目前国内在建的生物质直燃电厂主要依靠国外引进技术,关键设备基本是直接进口或在国内委托生产,既没有自主知识产权,
13、设备价格也很高,电站建设成本达112万元/kW,发电成本太高已成为我国秸秆直燃发电产业化的主要障碍。生物质直燃的另一种方式是生物质和煤混合燃烧发电技术,该技术规模灵活,经济性较好。美国已有300多家发电厂采用生物质与煤炭混燃技术,装机容量达6 000 MW5,但实践中仍有一些实际问题需要解决,如:燃煤锅炉的燃烧温度通常介于1 0001 250e,高于生物质的灰熔点,容易引起结渣等问题。生物质气化发电是一种新兴的生物质发电技术。首先,生物质进入气化炉,在氧气不足的条件下部分燃烧提供反应所需的热量,在700850e的温度下发生热解气化反应,转化为含氢气、一氧化碳和低分子烃类的可燃气体,可燃气体经过
14、除尘、除焦等净化处理,作为燃料驱动燃气轮机或燃气内燃机组发电。可燃气体热值越高,发电效率越高。燃气发电设备对燃气杂质有严格的要求,因此生物质气化炉和燃气净化装置是生物质气化发电的关键技术设备。生物质气化发电的效率取决于系统规模和采用的气化发电工艺,如兆瓦级以下的简单气化发电系统效率通常低于20%,利用余热发电的较大规模的生物质整体气化联合循环发电效率可高于40%6。沼气发电技术主要应用在禽畜厂沼气、工业废水处理沼气以及垃圾填埋场沼气。采用引进技术,国内已完成了一些垃圾填埋气发电设施的建设:如杭州天子岭填埋场于1998年l0月建成国内首家垃圾填埋气发电厂;广州大田山垃圾填埋气发电厂于1999年6
15、月投入运行。目前所采用的填埋气发电机主要是奥地利颜巴赫公司和美国卡特比勒公司的燃气内燃机,成本达5 0007 000元/kW。由于国产沼气发电机组主要是对柴油机进行简单的改装,对发动机的热工性能研究不深,产品质量不过关,发电机组热效率比国外同类技术低4%8%,成熟的发电机组规模也只有500 kW7。综上,生物质直接燃烧、混合燃烧、沼气发电技术的关键设备多是引进国外技术,国内尚未消化吸收。气化发电技术虽然拥有自主知识产权,但仍有许多产业化关键问题需要解决。目前设备成本较高、技术适用性较差是生物质发电产业发展的主要障碍。11212 生物质液体燃料技术生物质液体燃料主要包括燃料乙醇、生物柴油、生物质
16、裂解油和生物质合成燃料等。近20年来,利用甘蔗、玉米等糖和淀粉类原料制取燃料乙醇,利用动植物油脂制取生物柴油的技术已经逐步实现商业化。目前玉米乙醇、生物柴油等第一代液体生物燃料已经逐步应用于国内外工农业生产,成为石油燃料的有力补充8。然而,由于玉米乙醇、生物柴油以粮食、油料种子为原料,须占用大量耕地,与国家粮食安全存在矛盾,不可能在我国进行大规模生产,因此,近年来生物质液体燃料的原料开始从粮食作物向非粮作物以及农林废弃物转变。美国和欧洲开始大量投入,开展以纤维素和木质素等为原料生产生物质液体燃料的技术路线和工业实践,预计在610年内将有重大突破。从资源可持续供给和取得根本性技术突破的角度看,生
17、物质热解液化、生物质气化合成燃料具有更加宽泛的资源基础和广阔的发展应用前景,与纤维素燃料乙醇一起通称为第二代生物质液体燃料。我国的第二代生物质液体燃料技术尚处于实验研究阶段,加大其研发示范力度,对尽快实现我国中远期规模化替代石油资源具有重要的科学和现实意义。生物质热解液化是在无氧条件下,利用热能切断生物质大分子中的化学键,使之转变为低分子物质的过程。生物质热解液化制燃料油是最有开发潜力的技术之一。自20世纪80年代以来,欧美等发达国家在生物质热解液化方面做了大量的研究工作。荷兰、美国最先开展该方面的研究,其中美国的热解实验装置最高产油率达70%,荷兰BTG生物质技术公司已于2005年6月在马来
18、西亚建成一套日处理50 t椰子壳和棕榈壳的旋转锥式生物质热解液化装置,所产生物油全部返销欧洲用于燃烧发电和精制试验。加拿大的DynaMotive公司是目前利用生物质快速热解技术实行商业化生产规模最大的企业,处理量为1 500 kg/h,生物油的产率达到60%75%。国际能源署对该技术进行多年的跟踪调查和分析评价,认为该技术比其他技术可获得更多的能源和更大的效益9。20世纪90年代开始,我国一些高校和研究机构在生物质热解液化方面也开展了一系列研究工作。其中,山东理工大学开展了400 t生物油/年中试装置的研究,中国科技大学研制出每h处理120 kg物料的自热式生物质热解液化试验装置,并用木屑、稻
19、壳、玉米秆和棉花秆等多种原料试验成功,产油率达到50%60%,累计运行时间已达到600 h。此外,华东理工大学、沈阳农业大学、浙江大学、中科院广州能源研究所、过程工程研究所等都开展了相关的研究。生物质气化合成燃料是一种间接液化技术,是生物质热化学转化利用的主要方式之一。产品包括费托合成燃料(汽油、煤油、柴油等)及含氧化合物燃料(甲醇、二甲醚)10。合成燃料产品纯度较高,几乎不含S、N等杂质,燃烧后无黑烟排放;合成气还可经过分离提纯制取氢气,用于燃料电池发电11;合成燃料的尾气可用于发电和供热;气化产生的废渣是优质的农业生产肥料,可提炼高附加值产品;由燃气中分离出的CO2可用于合成塑料产品等。因
20、此,利用农业废弃物气化合成燃料技术可实现化学品、材料、电、热和肥料联产,达到非木质资源的生物质全利用,对于建立我国多元化能源结构、促进新农村建设、减少大气污染和温室气体排放具有重要的意义。目前,荷兰应用技术研究院(TNO)已建成生物质/煤气化费托合成联合发电系统;德国Choren公司成功开发了生物质间接液化生产合成柴油,2002年完成了年产1 000 t合成柴油的示范工程的运行,2005年建成了年产量1万t的工业示范工程;瑞典建成1 000 t燃料级甲醇/天的BAL-Fuels示范工程;日本MHI完成了生物质气化合成甲醇的系统工程1213。瑞典的Bio-Meet Project集成生物质气化、
21、燃气净化与重整等技术联产电力、二甲醚、甲醇,其系统总体效率达到42%。我国中国科学院广州能源研究所是较早介入该领域的研究单位,在国家/8630创新项目、中国科学院创新方向项目的支持下,目前已建成100 t DME/年的中试装置并开车成功,但要取得工业化应用的突破,还必须在生物质定向气化、催化重整、合成催化剂和系统优化方面进行核心技术的研究。113 产业现状11311 生物质发电产业可再生能源法的实施为生物质电力的产业化发展提供了机遇。国家5可再生能源中长期发展规划6提出,到2020年,生物质发电总装机容量达到3 000万kW,产业发展潜力巨大,很多企业把投资转向新兴的生物质发电产业。据不完全统
22、计,到2007年底,全国已进入立项程序的生物质发电项目105项,约300万kW,平均投资111万元/kW。其中,国外直接燃烧技术及设备占60%以上,80%的设备为12 MW的直燃发电系统,发电效率低于25%。从运行效益上看,由于电站原料适应性较差,电站运行成本较高;从已公布资料上看,投入发电的10多个项目,大部分经济效益较差,需国家提供额外补贴的有8项。所以,我国应根据生物质资源禀赋和分布情况,因地制宜地发展各类生物质发电项目,以确保原料保障和项目经济性。生物质发电的成本主要取决于生物质原料成本和发电效率。生物质原料成本随着项目规模的增加而上升,而生物质原料成本与发电规模有直接的关系。相关测算
23、显示,当生物质发电项目规模从1 MW增加到20 MW时,所需生物质原料的收集范围将从14 km增加到30 km以上,致使原料收集、储运、管理等方面的成本增加一倍。实践表明,受生物质资源量和收集储运成本因素制约,生物质发电项目的原料收集半径应控制在县域范围之内,项目规模应限制在15 MW以下(混燃发电除外)。综合考虑资源禀赋和生物质发电技术经济特点,我国生物质资源相对集中地区(能源灌木林区、农林业加工厂、大型集中农场等)可优先发展大中型生物质直燃/混燃发电和生物质热电联产项目(10 MW以上),生物质资源相对分散区域(如广大农业区)可灵活发展中小型生物质气化发电(10 MW以下)或与煤混合燃烧发
24、电技术。11312 生物质液体燃料生产国家5可再生能源中长期发展规划6中明确指出:到2020年,我国生物质液体燃料年产量达到1 500万t,为我国生物质液体燃料的发展指出明确的方向。近20年来,利用甘蔗、玉米等糖和淀粉类原料制取燃料乙醇(例如巴西和美国)、利用动植物油脂制取生物柴油(例如欧盟和美国)的技术已经逐步实现商业化,正处于稳步发展阶段。近年来,为扩大原料来源、降低生产成本,一些发达国家和企业开始探索利用纤维素生物质原料生产燃料乙醇和生物质合成燃料。生物质液体燃料技术和产业在我国刚开始起步,2000年以来,我国初步建立了以陈化粮玉米为原料的燃料乙醇工业和以废弃油脂为原料的生物柴油工业,可
25、年产约102万t燃料乙醇和10万t生物柴油。为扩大生物质液体燃料生产原料供应,并确保粮食安全,我国近中期应主要发展以木薯、甜高粱、麻疯树、黄连木等非粮农作物和油料植物为原料的燃料乙醇和生物柴油,并加大研发示范以纤维素生物质为原料的燃料乙醇和合成燃料技术,争取尽快实现规模化,以替代石油。我国以玉米原料为主的燃料乙醇产业的可持续性存在严重问题。为此,国家近期的重点是发展非粮燃料乙醇(包括木薯等),各地意向建设生产能力超过千万t,但目前真正投产的项目只有中粮北海20万t燃料乙醇项目;在纤维素燃料乙醇方面,全国研究和示范的单位有几十家,但仍然没有进入产2 0 0 9年业化生产的项目。在生物柴油方面,我
26、国柴油机燃料调和用生物柴油(BD100)标准于2007年5月1日起实施,但没有配套的具体规定。全国有100多家企业进入生物柴油的生产领域,分布在22个省区(以福建、江苏、山东为主)。从企业规模上看,有2家国外上市公司,其他基本都是中小公司。由于国内生物柴油市场尚未建立,2007年可统计的生物柴油实际产量约37万t,产品基本出口。2 发展趋势211 资源开发与利用从长远看,能源农业和能源林业是发展生物质能源的基础。能源植物通常包括速生薪炭林、能榨油或产油的植物、可供厌氧发酵用的藻类和其他植物等。许多能源作物是自然生长的,收集比较困难。以科学的方法培育高产、抗逆性强的能源植物,满足对生物质能源规模
27、化发展的需要,是生物质能源发展和利用的根本保障。高效能源植物的开发需要一个漫长的选择和发展过程,目前关于能源植物的研究多数尚处于实验和示范阶段,未达到全面推广水平。在巴西,已将每hm2年产量可达3050 t的桉树广泛用作能源(木炭生产),覆盖面积总计约200万hm2。桉树从种植到成树砍伐一般需7年的时间,砍伐后还会自然再生,通常是在重新栽种之前反复砍伐两次或更多次。甜高粱是普通高粱的变种,美国、巴西、南非、阿根廷、印度等国,都开展了培育和种植甜高粱及其生产燃料乙醇方面的研究与开发。甜高粱的汁液糖纯度已超过了当地的甘蔗品种,单位面积产糖量是甜菜的215217倍。此外,甜高粱经压榨产生的纤维素残渣
28、也可生产乙醇,如澳大利亚的/意达利0甜高粱,首茬每hm2纤维残渣产量就达514 t,二茬还可生产311 t,也就是说每hm2甜高粱可生产815 t纤维素残渣,可产2 055 L乙醇20。这可使乙醇厂实施全年运行生产,即在甜高粱收获季节加工甜高粱秆生产乙醇,在冬季可用高粱籽粒、茎秆残渣或其他作物秸秆生产乙醇,大大提高了酒厂的设备利用率和经济效益。为确定甜高粱作为糖料作物以色列进行了一系列的研究,结果表明,甜高粱的汁液质量良好,每hm2可产糖31454195 t14。欧盟认为,种植能源型作物(包括轮伐期短的速生林木)是解决欧盟农业生产过剩问题的唯一有效办法,为了探讨这种办法的有效性,欧盟已制订并实
29、施了LEBEN计划。发展能源植物必须同时考虑我国的土地发展潜力,主要考虑能源农业和能源林业两类用地需求。我国人多地少,人均耕地面积少,约011 hm2/人,发展生物质能源必须避免与农林作物生产争地的问题。据国家有关部门的统计数据,生物质资源开发的土地潜力可达2亿hm2。宜农荒地主要分布于新疆和内蒙古,荒草地主要分布于西藏和新疆,盐碱地主要分布于青海和新疆,沼泽地则主要分布于黑龙江和内蒙古一带,田坎地主要分布于甘肃、四川、重庆等省市,宜林荒地主要分布于东北三省和内蒙古、西北(新疆、甘肃和陕西)、云南、四川和贵州。所以,大规模、集约化生物质生产的重点地区应在新疆、内蒙古、青海、黑龙江等地区。分布式
30、生物质资源生产则可在内地广泛开展,只要开发可利用土地的15%,即3 000万hm2,就可以生产近1亿t生物质液体燃料。另外,通过发展粮能兼收的能源作物,可实现土地的高效利用,增产增收。例如,我国现有高粱地439万hm2,可通过推广种植甜高梁,既能收获粮食,又能收获甜秆用于生产燃料乙醇;既不与粮食争地,又增加了生物质资源的生产用地。212 生物质能转化利用技术生物质能虽然居世界能源消费总量的第4位,但是仍以传统的、低效的直接燃用方式为主,在亚洲及非洲的发展中国家,传统生物质能利用占有相当高的比例,而且利用效率一般都不高。平均而言,这些国家一次能源的近38%依赖于薪柴燃烧获得的热能。目前,我国农村
31、生物质能约占全部生物质能的70%以上,传统的利用技术不仅能效低,而且污染环境。研究生物质能向高品位能源产品转化的技术,提高生物质能的利用价值,是未来多途径高效利用生物质能的基础,也是今后提高生物质能作用和地位的关键。在我国,生物质能发挥着作为农村补充能源的重要作用,将为农村提供清洁的能源,改善农村生活环境及提高人民生活水平。以传统和低效方式使用生物质燃料会限制农村的经济发展,应当采取措施降低传统生物质能的利用量。发达国家过去都采用石油、天然气和煤炭等商品能源替代,但这会增加化石能源的压力,最好的方法是利用前述的各种生物质能现代化利用新技术,把生物质转化为电力、气体燃料、液体燃料、固型燃料等,从
32、根本上解决问题。根据有关资料对我国农村今后能源需求的预测,不管哪个时期,生物质能在农村能源中的比例都很大(高于14%);而且随着社会的发展,传统利用生物质能的比例将越来越少,现代化利用技术的比例将越来越高,到2050年,农村生物质能的利用中,传统利用方法不到1%,现代化利用可能达到农村总能耗的13%15。213 生物质能开发利用技术经过数十年的发展,生物质能开发利用技术日趋多样化,为资源综合利用和增加清洁能源供应提供了丰富的途径。但是总的来看,目前我国生物质能开发利用水平总体较低,各种技术的成熟度和商业化水平极不均衡。目前,少数生物质能利用技术已经比较成熟,具有一定的经济竞争力,初步实现了商业化、规模化应用,如沼气技术;一批生物质能利用技术已进入商业化早期发展阶段,目前需要通过补贴等经济激励政策促进商业化发展,如生物质发电,生物质致密成型燃料,以粮、糖、油类农作物为原料的生物质液体燃料等;还有许多新兴生物质能技术正处于研发示范阶段,可望在未来20年内逐步实现工业化、商业化应用,主要是以纤维素生物质为原料的生物质液体燃料,如纤维素燃料乙醇、生物质合成燃料和裂解油,还有能源藻类、微生物制氢技术等。相比较而言,由于可以借鉴煤、天然气工业中的醇醚合成工艺、费托合成工艺的已有研究成果和产业化经验,生物质气化合成技术比较成熟,不存在技术障碍,预期比纤维素乙醇更容
