1、生物質(zhì)能源的地位
生物質(zhì)能源是人類用火以來，最早直接應(yīng)用的能源。隨著人類文明的進(jìn)步，生物質(zhì)能源的應(yīng)用研究開發(fā)幾經(jīng)波折，在第二次世界大戰(zhàn)前后，歐洲的木質(zhì)能源應(yīng)用研究達(dá)到高峰，然后隨著石油化工和煤化工的發(fā)展，生物質(zhì)能源的應(yīng)用逐漸趨于低谷。到20世紀(jì)70年代中期，由于中東戰(zhàn)爭引發(fā)的全球性能源危機(jī)，可再生能源，包括木質(zhì)能源在內(nèi)的開發(fā)利用研究，重新引起了人們的重視。人們深刻認(rèn)識到石油、煤、天然氣等化石能源的資源有限性和環(huán)境污染問題。有關(guān)資料介紹，根據(jù)現(xiàn)己探明的儲量和需求推算，到21世紀(jì)中葉，世界石油、天然氣資源可能枯竭，而煤炭的大量使用，不僅自身貯量有限，而且由于燃燒產(chǎn)生大量的SO2、CO2等氣體，嚴(yán)重污染環(huán)境。日益嚴(yán)重的環(huán)境問題，己引起國際社會的共同關(guān)注，環(huán)境問題與能源問題密切相關(guān)，成為當(dāng)今世界共同關(guān)注的焦點(diǎn)之一。有資料表明，化石燃料的使用是大氣污染的主要原因。“酸雨”、“溫室效應(yīng)”等等都己給人們賴以生存的地球帶來了災(zāi)難性的后果。而使用大自然饋贈的生物質(zhì)能，幾乎不產(chǎn)生污染，使用過程中幾乎沒有SO2產(chǎn)生，產(chǎn)生的CO，氣體與植物生長過程中需要吸收大量CO2在數(shù)量上保持平衡，被稱之為CO2中性的燃料。生物質(zhì)能源可再生而不會枯竭，同時起著保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境的重要作用，是理想的可再生能源之一，富通新能源生產(chǎn)銷售
顆粒機(jī)、
秸稈顆粒機(jī)、
秸稈壓塊機(jī)等生物質(zhì)燃料成型機(jī)械設(shè)備。
林業(yè)薪炭林和農(nóng)作物秸桿同屬于生物質(zhì)能源。在目前世界的能源消耗中，生物質(zhì)能耗占世界總能耗的14%，僅次于石油、煤炭和天然氣，位居第4位。而在發(fā)展中國家，生物質(zhì)能耗占有較大比重，達(dá)到50%以上。
我國是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)人口占總?cè)丝?0%以上，農(nóng)村生活用能主要是依靠秸桿和薪材。據(jù)統(tǒng)計資料介紹，農(nóng)村總能耗的65%以上為生物質(zhì)能，其中薪材消耗量約占總能耗的29%。為了解決農(nóng)村用能緊缺的問題，我國正在大力發(fā)展薪炭林，目前薪炭林總面積己達(dá)429萬hm2，年產(chǎn)生物量達(dá)到2.2億t左右Ⅲ。生物質(zhì)是一種可以與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的能源，具有巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＳ冒ㄉ镔|(zhì)能在內(nèi)的可再生能源，用現(xiàn)代技術(shù)開發(fā)利用，對于建立可持續(xù)發(fā)展的能源體系，促進(jìn)社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及改善生態(tài)環(huán)境具有重大意義。如何高效開發(fā)利用，包括薪炭林在內(nèi)的生物質(zhì)能，已經(jīng)歷史地擺在我們面前。
2、生物質(zhì)能應(yīng)用技術(shù)研究現(xiàn)狀
2.1研究開發(fā)技術(shù)概況
生物質(zhì)能的研究開發(fā)，主要有物理轉(zhuǎn)換、化學(xué)轉(zhuǎn)換、生物轉(zhuǎn)換3大類。涉及到氣化、液化、熱解、固化和直接燃燒等技術(shù)。
2.1.1 氣化 生物質(zhì)能氣化是指固體物質(zhì)在高溫條件下，與氣化劑（空氣、氧氣和水蒸氣）反應(yīng)得到小分子可燃?xì)怏w的過程。所用氣化劑不同，得到的氣體燃料種類也不同，如空氣煤氣、小煤氣、混合煤氣以及蒸汽——氧氣煤氣等。目前使用最廣泛的是空氣作為氣化劑。產(chǎn)生的氣體主要作為燃料，用于鍋爐、民用爐灶、發(fā)電等場合，也可作為合成甲醇的化工原料。
2. 1.2 液化 液化是指通過化學(xué)方式將生物質(zhì)轉(zhuǎn)換成液體產(chǎn)品的過程。液化技術(shù)主要有間接液化和直接液化2類。間接液化就是把生物質(zhì)氣化成氣體后，再進(jìn)一步合成反應(yīng)成為液體產(chǎn)品；或者采用水解法，把生物質(zhì)中的纖維素、半纖維素轉(zhuǎn)化為多糖，然后再用生物技術(shù)發(fā)酵成為酒精。直接液化是把生物質(zhì)放在高壓設(shè)備中，添加適宜的催化劑．在一定的工藝條件下反應(yīng)，制成液化油，作為汽車用燃料，或進(jìn)一步分離加工成化工產(chǎn)品。這類技術(shù)是生物質(zhì)能的研究熱點(diǎn)。
2.1.3 熱解 生物質(zhì)在隔絕或少量供給氧氣的條件下，加熱分解的過程通常稱之謂熱解，這種熱解過程所得產(chǎn)品主要有氣體、液體、固體3類產(chǎn)品。其比例根據(jù)不同的工藝條件而發(fā)生變化。最近國外研究開發(fā)了快速熱解技術(shù)，即瞬時裂解，制取液體燃料油H1。液化油得率以干物質(zhì)計，可達(dá)70%以上。是一種很有開發(fā)前景的生物質(zhì)應(yīng)用技術(shù)。
2.1.4 固化將生物質(zhì)粉碎至一定的粒度，不添加粘接劑，在高壓條件下，擠壓成一定形狀。其粘接力主要是靠擠壓過程產(chǎn)生的熱量，使得生物質(zhì)中木質(zhì)素產(chǎn)生塑化粘接。成型物再進(jìn)一步炭化制成木炭。現(xiàn)己開發(fā)成功的成型技術(shù)按成型物形狀劃分主要有3大類：棒狀成型、顆粒狀成型和圓柱塊狀成型技術(shù)。解決了生物質(zhì)能形狀各異、堆積密度小且較松散、運(yùn)輸和貯存使用不方便的問題，提高了生物質(zhì)的使用熱效率。
2.1.5 直接燃燒 直接燃燒是生物質(zhì)最早被使用的傳統(tǒng)方式。研究開發(fā)工作主要是著重于提高直接燃燒的熱效率。如研究開發(fā)直接用生物質(zhì)的鍋爐等用能設(shè)備。
2.2 國外研究概況
20世紀(jì)70年代開始，生物質(zhì)能的開發(fā)利用研究己成為世界性的熱門研究課題。許多國家都制定了相應(yīng)的開發(fā)研究計劃，如日本的陽光計劃、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，紛紛投入大量的人力和資金從事生物質(zhì)能的研究開發(fā)。
生物質(zhì)能利用研究開發(fā)工作，國外尤其是發(fā)達(dá)國家的科研人員作了大量的工作。
美國在生物質(zhì)利用方面處于世界領(lǐng)先地位。據(jù)報道，美國有350多座生物質(zhì)發(fā)電站，主要分布在紙漿、紙產(chǎn)品加工廠和其它林產(chǎn)品加工廠，這些工廠大都位于郊區(qū)。發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)700 MW，提供了大約6.6萬個工作崗位。據(jù)有關(guān)科學(xué)家預(yù)測，到2010年，生物質(zhì)發(fā)電將達(dá)到13000 MW裝機(jī)容量，屆時有16.2萬hm2的能源農(nóng)作物和生物質(zhì)剩余物作為氣化發(fā)電的原料，同時可安排17萬多就業(yè)人員。20世紀(jì)70年代研究開發(fā)了顆粒生物質(zhì)成型顆粒燃料，該技術(shù)在美國、加拿大、日本等國得到推廣應(yīng)用。并研究開發(fā)了專門使用顆粒生物質(zhì)成型顆粒燃料的爐灶，用于家庭或暖房取暖。在北美有50萬戶以上家庭使用這種專用取暖爐。美國的顆粒生物質(zhì)成型顆粒燃料，年產(chǎn)量達(dá)80萬t。
奧地利成功地推行建立燃燒木質(zhì)能源的區(qū)域供電計劃，目前已有八九十個容量為1000 -2 000 kW的區(qū)域供熱站，年供熱10 x109MJ。加拿大有12個實驗室和大學(xué)開展了生物質(zhì)的氣化技術(shù)研究。1998午8月發(fā)布了由Freel和Barry A申請的生物質(zhì)循環(huán)流化床快速熱解技術(shù)和設(shè)備。瑞典和丹麥正在實行利用生物質(zhì)進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)的計劃，使生物質(zhì)能在提供高品位電能的同時，滿足供熱的要求。1999年，瑞典地區(qū)供熱和熱電聯(lián)產(chǎn)所消耗的能源中，26%是生物質(zhì)能。加拿大用木質(zhì)原料生產(chǎn)的乙醇產(chǎn)量為每年17萬t。比利時每年以甘蔗渣為原料制取的乙醇量達(dá)3.2萬t以上。美國每年以農(nóng)村生物質(zhì)和玉米為原料生產(chǎn)乙醇約450萬t，計劃到2010年，可再生的生物質(zhì)可提供約5 300萬t乙醇。
在氣化、熱解反應(yīng)的工藝和設(shè)備研究方面，流化床技術(shù)是科學(xué)家們關(guān)注的熱點(diǎn)之一。印度Anna大學(xué)新能源和可再生能源中心最近開發(fā)研究用流化床氣化農(nóng)林剩余物和稻殼、木屑、甘蔗渣等，建立了一個中試規(guī)模的流化床系統(tǒng)，氣體用于柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電。1995年美國Hawaii大學(xué)和Vermont大學(xué)在國家能源部的資助下開展了流化床氣化發(fā)電工作。Hawaii大學(xué)建立了日處理生物質(zhì)量為100 t的工業(yè)化壓力氣化系統(tǒng)，1997年已經(jīng)完成了設(shè)計。建造和試運(yùn)行達(dá)到預(yù)定生產(chǎn)能力。Vermont大學(xué)建立了氣化工業(yè)裝置，其生產(chǎn)能力達(dá)到200 t/d，發(fā)電能力為50 MW。目前已進(jìn)入正常運(yùn)行階段。
日本從20世紀(jì)40年代開始了生物質(zhì)成型技術(shù)研究，開發(fā)出單頭、多頭螺桿擠壓成型機(jī)，生產(chǎn)棒狀生物質(zhì)成型顆粒燃料。其年生產(chǎn)量達(dá)25萬t左右。歐洲各國開發(fā)了活塞式擠壓制圓柱及塊狀成型技術(shù)。
美國、新西蘭、日本、德國、加拿大等國先后開展了從生物質(zhì)制取液化油的研究工作。將生物質(zhì)粉碎處理后，置于反應(yīng)器內(nèi)，添加催化劑或無催化劑，經(jīng)化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為液化油，其發(fā)熱量達(dá)3.5×104 kj/kg左右，用木質(zhì)原料液化的得率為絕干原料的50%以上。歐盟組織資助了3個項目，以生物質(zhì)為原料，利用快速熱解技術(shù)制取液化油，已經(jīng)完成100 kg/h的試驗規(guī)模，并擬進(jìn)一步擴(kuò)大至生產(chǎn)應(yīng)用。該技術(shù)制得的液化油得率達(dá)70%，液化油熱值為1.7×104 kj/kg。
歐美等發(fā)達(dá)國家的科研人員在催化氣化方面也作出了大量的研究開發(fā)工作，在生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中，應(yīng)用催化劑，旨在降低反應(yīng)活化能，改變生物質(zhì)熱分解進(jìn)程，分解氣化副產(chǎn)物焦油成為小分子的可燃?xì)怏w，增加煤氣產(chǎn)量，提高氣體熱值，降低氣化反應(yīng)溫度，提高反應(yīng)速率和調(diào)整氣體組成，以便進(jìn)一步加工制取甲醇和合成氨。研究范圍涉及到催化劑的選擇，氣化條件的優(yōu)化和氣化反應(yīng)裝置的適應(yīng)性等方面，并己在工業(yè)生產(chǎn)裝置中得到應(yīng)用。
2.3國內(nèi)研究開發(fā)概況
我國生物質(zhì)能的應(yīng)用技術(shù)研究，從20世紀(jì)80年代以來一直受到政府和科技人員的重視。國家“六五”計劃就開始設(shè)立研究課題，進(jìn)行重點(diǎn)攻關(guān)，主要在氣化、固化、熱解和液化等方面開展研究開發(fā)工作。
生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究在我國發(fā)展較快。利用農(nóng)林生物質(zhì)原料進(jìn)行熱解氣化反應(yīng)，產(chǎn)生的木煤氣供居民生活用氣、供熱和發(fā)電方面。中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所從20世紀(jì)80年代初期開始研究開發(fā)木質(zhì)原料和農(nóng)業(yè)剩余物的氣化和成型技術(shù)。先后承擔(dān)了國家、部、省級重點(diǎn)項目和國際合作項目近10項，研究開發(fā)了以林業(yè)剩余物為原料的上吸式氣化爐，己先后在黑龍江、福建等建成工業(yè)化裝置，氣化爐的最大生產(chǎn)能力達(dá)6.3×106kj/h（消耗木片量為300 kg/h）。產(chǎn)生的木煤氣作為集中供熱和居民家庭用氣燃料，從原料計算氣化熱效率達(dá)到70%以上。同時在出熱量達(dá)4.18×104 kj/h的中試裝置中，進(jìn)行了氣化發(fā)電試驗研究，電的轉(zhuǎn)化率為13%左右。最近在江蘇省研究開發(fā)以木屑、稻殼、稻草和麥草為原料，應(yīng)用內(nèi)循環(huán)流化床氣化系統(tǒng)，并研究應(yīng)用催化劑和富氧氣化技術(shù)產(chǎn)生接近中熱值煤氣，供鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民使用的集中供氣系統(tǒng)，氣體熱值為7 000 kj/Nm3左右，較同類生物質(zhì)氣化的熱值提高了近30%，氣化熱效率達(dá)70%以上。山東省能源研究所研究開發(fā)了下吸式氣化爐，主要適用硬秸桿類農(nóng)業(yè)剩余物的氣化。從20世紀(jì)90年代開始，在農(nóng)村居民集中居住地區(qū)得到較好的推廣應(yīng)用，己形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模。國內(nèi)有數(shù)十家單位從事同類技術(shù)的研究開發(fā)，目前全國己建立300余個秸桿氣化集中供氣系統(tǒng)。氣體熱值一般在5 000 kj/Nm3，氣化轉(zhuǎn)化率達(dá)70%以上。
廣州能源研究所開發(fā)了外循環(huán)流化床生物質(zhì)氣化技術(shù)，制取的木煤氣作為干燥熱源和發(fā)電。己完成了目前國內(nèi)最大發(fā)電能力為1 MW的氣化發(fā)電系統(tǒng)，為木材加工廠提供附加電源。遼寧能源所與意大利合作引進(jìn)了一套下吸式氣化爐發(fā)電裝置，發(fā)電能力30 kW。另外北京農(nóng)機(jī)院、浙江大學(xué)熱工所和大連環(huán)科所等單位先后開展了生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究工作。
我國的生物質(zhì)固化技術(shù)開始于“七五”期間，現(xiàn)己達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模。目前國內(nèi)己開發(fā)完成的固化成型設(shè)備有2大類：棒狀成型機(jī)和顆粒狀成型機(jī)。這2種機(jī)型均由中國林科院林化所科研人員率先完成。棒狀成型機(jī)有單頭和雙頭2種，單頭生產(chǎn)能力為120 kg/h，雙頭機(jī)生產(chǎn)能力為200 kg/h。1998年與糧機(jī)集團(tuán)公司合作，開發(fā)了內(nèi)壓滾筒式顆粒成型機(jī)，生產(chǎn)能力為250 - 300 kg/h，生產(chǎn)的顆粒生物質(zhì)成型顆粒燃料尤其適用于家庭或暖房取暖使用。南京市平亞取暖器材有限公司，從美國引進(jìn)適用于家庭使用的取暖爐，通過國內(nèi)消化吸收，形成工業(yè)化生產(chǎn)。并從美國引進(jìn)了一套生產(chǎn)能力為1.5 t/h的顆粒生物質(zhì)成型顆粒燃料生產(chǎn)線，1999年開始正式生產(chǎn)，產(chǎn)品供應(yīng)市場運(yùn)行情況良好。
從20世紀(jì)50年代開始了稀酸常壓、稀酸加壓的濃酸大液比的水解、纖維素酶水解法研究，并在南岔水解廠建立示范工程，主要利用木材加工剩余物制取乙醇和飼料酵母，設(shè)計生產(chǎn)能力為年產(chǎn)4 000 t乙醇，產(chǎn)生的木質(zhì)素作為生產(chǎn)活性炭的原料。但由于工藝設(shè)備較之用糧食淀粉水解制乙醇復(fù)雜得多，在糧食供應(yīng)充足、糧價較低情況下，難以和糧食酒精匹敵，更難和石油化工的合成酒精競爭。20世紀(jì)80年代，人們再度開始木質(zhì)纖維素的水解新技術(shù)的研究，中國林科院林化所、山東大學(xué)、華東理工大學(xué)、沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)等先后開展了生物質(zhì)水解制取乙醇工藝和設(shè)備的研究開發(fā)，重點(diǎn)對前處理工藝進(jìn)行了研究，目前尚處于研發(fā)階段。
木材熱解技術(shù)的研究，國內(nèi)從20世紀(jì)50年代至60年代進(jìn)行大量的研究工作，中國林科院林化所在北京光華木材廠建立了一套生產(chǎn)能力為500 kg/h的木屑熱解工業(yè)化生產(chǎn)裝置；在安徽蕪湖木材廠建立年處理能力達(dá)萬噸以上的木材固定床熱解系統(tǒng)。黑龍江鐵力木材干餾廠曾從前蘇聯(lián)引進(jìn)了年處理木材10萬t的大型木材熱解設(shè)備。這些生產(chǎn)裝置的目標(biāo)均是為了解決當(dāng)時我國石油資源緊缺問題。隨著石油化工的迅速崛起，以木材為原料制取化工產(chǎn)品的生產(chǎn)成本高，難以與石化產(chǎn)品競爭，這些裝置紛紛下馬和轉(zhuǎn)產(chǎn)。研究工作也轉(zhuǎn)向以熱解產(chǎn)品的深加工開發(fā)，如活性炭、木醋液等應(yīng)用研究領(lǐng)域。國內(nèi)在快速熱解制取液化油的研究開發(fā)方面，尚未見有報道。
總之，我國在生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換技術(shù)的研究開發(fā)方面做了許多工作，取得了明顯的進(jìn)步，但與發(fā)達(dá)國家相比差距甚遠(yuǎn)。
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