在闡述生物質能源開發(fā)利用意義的基礎上，針對現(xiàn)有的生物質能利用技術的發(fā)展現(xiàn)狀進行了綜合分析，主要介紹了生物質燃燒技術、生物質氣化技術和生物質液化技術以及生物化學轉化過程，指出了在目前形勢下，大力發(fā)展生物質能利用技術具有廣闊的前景。

　　生物質能是地球上最普遍的一種潔凈而又可再生的能源，其原料資源量大而廣，可開發(fā)潛力巨大。目前，全球生態(tài)系統(tǒng)生物質能年產量約為全球總能耗量的6~10倍。據統(tǒng)計，全球生物質資源潛力達100億t干生物質，僅森林、草原、耕地的生物質產量就有50億t干生物質，相當于20億t標準煤。我國的生物質能資源總量估計可達6.5億t標煤以上。用現(xiàn)代技術開發(fā)利用包括生物質能在內的可再生能源資源，對于建立持續(xù)發(fā)展的能源系統(tǒng)，促進社會經濟的發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的改善具有重大意義。

　　1生物質能利用概述

　　目前各國極為重視生物質能的研發(fā)和應用。美國各種形式的生物質能源占可再生能源的45%，占全國消耗能源的4%，裝機容量達7000MW，據預測，到2010年生物質發(fā)電將達到13000MW裝機容量。歐盟生物質能源約占總能源消耗的4%，15年后預計可達15%。丹麥主要利用秸稈發(fā)電，使可再生能源占全國能源消費總量的24%。瑞典也非常重視生物質能的開發(fā)利用技術，生物質能的利用已占全國總能耗的16.1%，達到55億kWh。生物質能的研究開發(fā)已成為世界熱門課題之一，得到各國政府和科學家的普遍關注。

　　圖1給出生物質能綜合利用方案?？梢灶A計，未來二三十年內生物質能源最有可能成為21世紀主要的新能源之一。生物質能的轉換利用技術主要有兩種：熱化學技術和生物化學技術，此外，還有機械萃取方法。熱化學技術包括直接燃燒技術、熱解氣化技術和液化技術等，通過熱化學技術轉化成優(yōu)質的氣、液和固體燃料；生物化學轉換技術，通過微生物發(fā)酵和制氫轉換為液體或氣體燃料。

　　2生物質熱化學技術

　　生物質熱化學技術是將能量密度低的低品位能源轉變成高品位能源的最直接方式。其中氣化和液化技術是生物質熱化學利用的主要形式。

　　2.1生物質直接燃燒技術

　　生物質在空氣中燃燒是人類利用生物質能歷史最悠久的、應用范圍最廣的一種基本能量轉化利用方式，包括爐灶燃燒和鍋爐燃燒技術。傳統(tǒng)的爐灶轉化效率不到10%，即使是優(yōu)化的省柴灶也不過0%~25%。爐灶燃燒能量利用水平低，衛(wèi)生條件差，但是在我國經濟欠發(fā)達的農村特別是中西部地區(qū)仍是主要的生活用能方式。

　　鍋爐燃燒技術是更高效率的直接利用技術，以生物質為燃料鍋爐主要也是用來大規(guī)模集中發(fā)電、供熱和采暖，在經濟發(fā)達的歐美國家和巴西應用較多，例如奧地利Arbesthal集中供熱系統(tǒng)，美國賓夕法尼亞州Viking木材發(fā)電廠，都是世界上成功運行的先例。15~715MW規(guī)模不等的流化床鍋爐已商業(yè)化運行20a，美國就有100多座。瑞典、丹麥、德國等國家在流化床燃用生物質燃料技術方面具有較高的水平。

　　生物質能燃燒的凈生物能轉化效率為20%~40%，負荷達100MW以上或采用與煤共混燃燒技術時可以得到更高的轉化效率。大型燃煤電廠將生物質與礦物燃料聯(lián)合燃燒已成為新的概念，如將木材及其廢棄物、農業(yè)廢棄物和城市生活垃圾燃燒發(fā)電或直接供熱，目前燃燒功率可達到50MW。美國這方面比較領先，相關的發(fā)電裝機容量已達750萬kW。我國也已經開始混燃發(fā)電的相關嘗試，但是堿金屬結渣是生物質鍋爐燃燒轉化技術中最棘手的難題，還有待于理論上的突破與解決。

　　生物質直接燃燒發(fā)電技術投資較高，大規(guī)模使用時效率也較高，但要求生物質集中，達到一定的資源供給量，降低投資和運行成本是其未來發(fā)展方向。由于生物質結構蓬松，堆積密度大，不容易儲存和運輸。經過機械加壓將粉碎后的生物質擠壓成致密的條形或顆粒形的成型燃料的工藝稱為致密成型技術。經過這樣的固化處理后，生物質的品位提升，強度增加，儲運更加便捷。固化技術的耗能是該技術推廣應用的關鍵。

　　目前我國在生物質燃燒發(fā)電方面技術發(fā)展相對落后，大量薪材和作物秸稈長期僅僅作為農村生活用能資源使用，利用率極低，燃燒還產生煙塵、NOx和SO2等污染物。為了開發(fā)和利用生物質能，龍基電力公司于2004年從丹麥引進世界先進的生物質直燃發(fā)電技術。截至2007年底，我國共有10家生物發(fā)電廠陸續(xù)建成投產并網發(fā)電。

　　與走在生物質能發(fā)電前列的國家相比，中國的生物質發(fā)電扶持政策遠遠落后。投資成本巨大、產業(yè)門檻過高使生物質能發(fā)電發(fā)展并不順利?？傮w來看，生物質發(fā)電產業(yè)在我國目前還處于起步階段，產業(yè)基礎薄弱，自身經濟效益不高，與常規(guī)大型燃煤發(fā)電廠相比缺乏市場競爭力。國產生物質發(fā)電鍋爐的制造尚處于試驗示范階段，還沒有擺脫對國外技術或進口設備的依賴，對生物質直燃發(fā)電廠的運行經驗也十分缺乏。

　　2.2生物質氣化

　　生物質氣化是開展較早且較為成熟的生物質規(guī)?；眉夹g之一，不僅可以實現(xiàn)居民生活集中供氣、供熱，還能實現(xiàn)內燃機、燃氣透平等設備的發(fā)電，是高轉化效率的先進工藝。生物質氣化技術起源于18世紀末，經歷了上吸式固定床氣化器、下吸式固定床氣化器、流化床氣化器等發(fā)展過程。在生物質熱解氣化技術方面，歐美等國處于領先水平。美國研制出生物質整體氣化聯(lián)合循環(huán)技術(BIGCC)氣化效率保持在75%，輸出能量可達到4萬MJ/h。采用該技術的30~60MW的發(fā)電廠的能量利用效率可以達到40%~50%。最近出現(xiàn)的IGCC和HATC作為先進的生物質氣化發(fā)電技術，己在世界上不同地區(qū)(如巴西、美國和歐洲聯(lián)盟)建成示范裝置，規(guī)模為0.5~3MW(HATC)、7~30MW(IGCC)，發(fā)電效率達35%~40%。德國、意大利、荷蘭等國家也在生物質氣化技術方面開展了大量的研究工作，產品已進入商業(yè)推廣階段?？傮w上看，歐美發(fā)達國家研制的生物質氣化裝置規(guī)模較大，自動化程度高，工藝復雜；以發(fā)電和供熱為主，造價較高。

　　為滿足發(fā)展中國家農村用能的需要，一些國家研究了小型生物質氣化設備。如孟加拉國建成下吸式氣化裝置投入運行，馬來西亞用固定床氣化發(fā)電。印度以稻殼和可可殼為原料，研制出3.7~100kW多種規(guī)格的上吸式氣化爐生物質氣化發(fā)電裝置。

　　與發(fā)達國家生物質熱化學轉換利用技術相比，我國很多科研單位雖然在相關方面取得了較為顯著的成果，但是仍然有很大差距。中國農機院開發(fā)了ND系列生物質氣化爐和家用小型生物質煤氣爐灶，中科院廣州能源研究所研制了上吸式氣化爐，山東省能源研究所研制出燃用農作物秸稈(以玉米稈為主)的固定床氣化爐。浙江大學在固定床氣化爐的基礎上發(fā)展了中熱值氣化技術。中科院廣州能源研究所在三亞建成的大型1MW生物質(木屑)氣化發(fā)電廠已投入使用，但開發(fā)的4MW生物質氣化發(fā)電技術在穩(wěn)定運行、焦油清除、氣體凈化等技術上還需要提高。

　　為解決生物質氣化過程中氣化不完全產生的焦油、顆粒、堿金屬、含氮化合物等不同濃度的污染物，人們正研究采用催化劑來提高氣化率和消除氣化中的焦油。尋找低成本和高熱值的生物質氣化技術是生物質熱解氣化技術發(fā)展的一個重要方向。

　　2.3生物質液化技術

　　生物質液化技術可以將生物質廢棄物轉化為燃料油。生物燃油是替代燃料的主要來源，據預測，到2050年生物質至少能提供38%的燃料。美國能源部計劃到2050年達到交通運輸燃料的30%由生物燃油替代。生物質液化技術分為直接液化與間接液化。直接液化技術主要指熱化學法生產生物油；間接液化是模仿煤基間接液化，通過費托合成制取液體燃料的技術。

　　2.3.1直接液化技術

　　直接液化技術分為兩種：一種是高壓液化技術，包括催化液化和超臨界液化。歐美等國正積極開展這方面的研究工作，包括超臨界水液化纖維生物質、超臨界水和超臨界甲醇液化木質素生物質等技術。我國還沒有見到相關的研究成果。另一種液化技術是在常壓下進行的生物質快速(閃速)熱裂解技術。

　　目前許多國家都先后開展了這方面的研究工作，開發(fā)了很多不同的熱裂解工藝，快速熱裂解的反應器主要分為如下幾類：(1)機械接觸式反應器。典型的有英國Aston大學的燒蝕熱裂解反應器、美國國家可再生能源實驗室(NREL)提出的渦流反應器及荷蘭Twente大學設計的旋轉錐反應器等；(2)間接式反應器。如美國Washington大學的熱輻射反應器；(3)混合式反應器。如加拿大Waterloo大學的流化床熱裂解系統(tǒng)、加拿大Ensyn提出的循環(huán)流化床反應器和美國喬治亞理工學院(GIT)開發(fā)的攜帶床反應器等。相比于前兩種類型，國外已開發(fā)并且試圖規(guī)?；纳镔|熱裂解液化反應裝置側重于第三類，尤其是應用流化床技術的生物質熱裂解反應器。

　　Ensyn公司最早建立了商業(yè)規(guī)模的快速熱裂解裝置，當前最大生產能力可達到75t/d生物質的消耗量。加拿大達茂科技公司利用鼓泡流化床生物質反應器于1997年成立了可日產半噸生物油的示范廠。2006年在加拿大安大略省西洛恩鎮(zhèn)建成日耗100t生物質的快速熱裂解裝置。BTG公司基于荷蘭Twente大學的旋轉錐反應器技術，2005年在馬來西亞建成一座50t/d的生物油廠。

　　由于傳統(tǒng)的熱解技術不適合濕生物質的熱轉化，歐洲很多國家己開始研究新的熱解技術Hydro Thermal Upgrading(HTU)。該技術將濕木片或生物質溶于水中，經高壓軟化并液化后進行經脫羧基作用，移去氧，從而產生生物油。荷蘭Shell公司試驗表明：通過催化，可獲得高質量的汽油和粗汽油。

　　近幾年來，我國陸續(xù)開展生物質熱解液化的研究。沈陽農業(yè)大學最早從荷蘭BTG引進一套50kg/h旋轉錐閃速熱裂解裝置并進行了相關的試驗研究。浙江大學建立了流化床快速熱裂解試驗中試裝置、。中國科學院廣州能源所發(fā)明了自熱式循環(huán)流化床生物質熱解油化裝置(專利號ZL01242632.6)，并進行熱解液化熱態(tài)小試及中試。中國科技大學則提出低成本無污染的生物質液化工藝及裝置(專利號ZL01134142.4)。山東理工大學開發(fā)出離心分離陶瓷球加熱下降管熱裂解液化工業(yè)示范裝置，達到200kg/h加工能力；東北林業(yè)大學開發(fā)了高速旋轉錐液化裝置；上海理工大學建立了小型旋轉錐熱解裝置。目前這些工作尚處于起步階段。

　　2.3.2間接液化技術

　　間接液化技術是先通過氣化得到以CO、CH4和H2為主的生物質合成氣，然后將合成氣經過催化重整調配碳氫比，再利用催化工藝合成甲醇、二甲醚和烷烴(柴油)等的過程。間接液化得到的是與傳統(tǒng)化石燃燒類似的碳氫燃料，能夠直接用作動力和交通燃料，具有較高的性能。但是間接液化工藝復雜，最后一步的催化合成對合成氣比例、潔凈程度要求非常高，目前生物質合成氣制備技術還不成熟。

　　生物質間接液化的第一步是制取合成氣，這種以生產合成氣為目標的氣化過程稱為生物質定向氣化，其目的是使木質纖維素盡可能多地轉化為富含H2、CO和CO2的混合氣體，以減輕后續(xù)重整變換的難度，不以合成氣熱值為追求目標。以下措施有助于實現(xiàn)生物質的定向氣化：提高氣化反應溫度；采用純氧和水蒸氣復合作為氣化劑；延長反應物在氣化爐內的滯留時間；提高氣化反應的運行壓力。高效、清潔的生物質定向氣化技術是生物質利用中重要的上游技術，生物質定向氣化的關鍵技術在于選擇性的提高，高活性和高選擇性催化劑及反應器的開發(fā)等。

　　3生物化學技術

　　生物化學轉化包括生物發(fā)酵(產生乙醇)和厭氧性消化(產生沼氣)以及生物制氫技術。

　　3.1生物發(fā)酵

　　通過發(fā)酵方法制取生物乙醇，有兩種途徑：一是糧食類，以玉米等淀粉類和甘蔗汁、砂糖等糖蜜類物質為主要原料；另一類則是以農業(yè)廢棄物(秸稈、玉米芯、大豆渣、甘蔗渣等)、工業(yè)廢棄物(紙漿纖維渣、鋸末等)、城市廢棄物(廢紙、包裝紙等)及林業(yè)廢棄物等纖維素含量較高的物質為發(fā)酵原料。采用淀粉和纖維素類原料生產乙醇，可分為三個階段：大分子生物質分解成葡萄糖、木糖等單糖分子，單糖分子經糖酵解形成二分子丙酮，然后無氧條件下丙酮酸被還原成二分子乙醇，并釋放CO2；糖類作物不經過第一階段，進入糖酵解與乙醇還原過程。纖維素作物中的纖維素成分分解成六碳糖，半纖維素則分解成五碳糖。

　　工業(yè)上利用糧食如含糖或淀粉的甘蔗、玉米和甘薯等原料發(fā)酵生產乙醇的技術已趨成熟并規(guī)模化應用。但利用雜草、秸稈等含大量纖維素的植物發(fā)酵生產乙醇技術正在開發(fā)中。使用纖維素原料制取乙醇，工藝復雜，成本較高，利用六碳糖生產乙醇技術非常成熟，但是五碳糖發(fā)酵生產乙醇技術相對落后。找到適用于木質素的高效酶技術和應用嗜熱厭氧微生物和重組菌種直接生物轉化為乙醇是該領域的兩個重要方向。

　　目前，在生物化學法生產乙醇技術方面比較好的國家和地區(qū)是巴西、美國和歐盟。美國和巴西分別用玉米和甘蔗大量生產乙醇。1975年以來，巴西為擺脫對石油的依賴，開展了世界最大規(guī)模的燃料乙醇開發(fā)計劃，目前巴西是世界上最大的燃料乙醇生產國、出口國和消費國，年生產能力達1500萬，t70%使用乙醇汽油燃料汽車，是世界上唯一在全國不供應純汽油的國家。美國是燃料乙醇的主要生產國之一，早在20世紀30年代就開展了燃料乙醇的研究及應用。2005年美國乙醇產量達1200萬，t2006年美國新增產能540萬t。

　　為節(jié)約糧食，許多國家開展了非糧作物如甜高粱及木薯制乙醇工藝的研究與開發(fā)，如我國863計劃中/甜高粱制取乙醇的實施。從原料供給及社會經濟環(huán)境效益來看，用含纖維素較高的農林廢棄物生產乙醇是比較理想的工藝路線。

　　纖維素類生物質制乙醇是把木質纖維素水解制取葡萄糖，然后將葡萄糖發(fā)酵生成燃料乙醇的技術。但是纖維素水解只有在催化劑存在的情況下才能有效進行。常用的催化劑是無機酸和纖維素酶，由此分別形成了酸水解工藝和酶水解工藝。我國在這方面開展了許多研究工作，如華東理工大學開展了以稀鹽酸和氯化亞鐵為催化劑的水解工藝及水解產物葡萄糖與木糖同時發(fā)酵的研究，轉化率在70%以上。

　　中國科學院過程工程研究所開展了纖維素生物酶分解固態(tài)發(fā)酵糖化乙醇的研究。以美國國家可再生能源實驗室(NREL)為代表的研究者，通過轉基因技術得到了能發(fā)酵五碳糖的酵母菌種，開發(fā)了同時糖化發(fā)酵工藝，并建成了具有一定規(guī)模的中試工廠，但由于關鍵技術未有突破，生產成本一直居高不下。綜上所述，纖維素類水解發(fā)酵是目前制取乙醇的難點，這一技術的突破將使生物質的生化轉換效率大幅度提高，從而大大提高該技術的工業(yè)化步伐。

　　3.2厭氧性消化

　　厭氧性消化產生CH4(體積分數55%~65%)和CO2(體積分數30%~40%)氣體混合物。商業(yè)運行的厭氧消化器容量達2000m3，產生的沼氣直接用于炊事、供暖以及作為燃料供內燃機發(fā)電。

　　沼氣發(fā)酵生產技術在污水處理、堆肥制造、人畜糞便、農作物秸稈和食品廢物處理等方面得到廣泛應用，反應器類型以厭氧式結構為主。目前沼氣發(fā)酵生產技術已將產氣與發(fā)電相結合。2005年歐盟范圍內建成使用的沼氣化垃圾處理廠約有百余家，處理有機垃圾量達350萬t。

　　目前，使用再生能源(風能和太陽能)政策較好的國家，如德國和瑞士，更是傾向發(fā)展沼氣化處理垃圾技術。西班牙也在大力推廣該項技術，巴塞羅那新建了三座沼氣化垃圾處理工廠。在法國，10余個新建項目正在計劃之中。此外日本的朝日、麒麟等幾個大啤酒廠都已配套建成了200kW的燃料電池發(fā)電機組；京都市將食物廢渣集中發(fā)酵，并從所產沼氣中提取氫氣供燃料電池發(fā)電；還有公司成功利用下水污泥生產沼氣或提取氫氣。

　　我國的沼氣應用歷史很長，在農村、農場和鄉(xiāng)村工廠的應用效果都很好。2005年全國戶用沼氣池總產氣量70.6億m3，生活污水凈化沼氣池總池容636.91萬m3，大中型沼氣工程總池容172.4萬m3，年產氣量3.4億m3。杭州、天津、山東濟陽、濰坊、北京、廣州、馬鞍山等已利用垃圾填埋場進行沼氣發(fā)電。與熱化學過程相比，生物化學轉化技術其轉化反應活化能低，在一個容器內可以進行多步反應，產率高，反應器結構專一，可利用含水量高的生物質原料。但是該類技術反應速度慢，操作復雜，催化劑再生成本較高。

　　據估計，生物質生物化學轉化的運行成本是熱化學轉化的3倍。另外，目前采用的沼氣發(fā)酵技術耗水量大，也大大增加了投資成本和運行管理費用。發(fā)酵過程中產生的殘渣較多，容易成為惡臭來源。對固體狀有機質沼氣發(fā)酵工藝、技術、設施開發(fā)的研究還不多。厭氧消化技術中的微生物代謝能量學、生物膜動力學、懸浮污泥系統(tǒng)與生物膜系統(tǒng)反應器內的非均相動力學、熱力學、傳熱傳質學的基礎研究均有待加強。

　　3.3生物制氫技術

　　廣義上講，生物制氫是指所有利用生物產生氫氣的方法，包括微生物產氫和生物質氣化熱解產氫等。狹義上講，生物制氫僅指微生物產氫，包括光合細菌(或藻類)產氫和厭氧細菌發(fā)酵產氫等。

　　目前一般采用的方法有光合生物產氫、發(fā)酵細菌產氫、光合生物與發(fā)酵細菌的混合培養(yǎng)產氫。作為生物制氫技術中研究最早的制氫途徑，藻類(藍細菌)能直接利用水和太陽光進行產氫，被認為是最具有前途的制氫途徑，也是目前生物制氫中研究最多的技術。目前，美國、日本、歐盟、中國等在藻類分子生物學、耐氧藻類開發(fā)、促進劑等技術領域取得了突破性進展，并開發(fā)了各式生物反應器，完成了藻類制氫從實驗室逐步走向實用的轉化。但藻類產氫不穩(wěn)定且易被其副產品氧氣所抑制。與藻類相似，藍細菌在產氫的同時也會產生氧氣，而氧是固氮酶的抑制劑。通過基因工程改變藻類的基因從而提高藻類耐氧能力是目前的主要研究內容。

　　厭氧細菌產氫也被認為是較為理想的產氫途徑，引起了國內外氫能科技工作者的重視，我國在厭氧產氫細菌選育、產氫機理和工程技術等方面取得了令人矚目的研究進展。但厭氧細菌在發(fā)酵制氫過程中存在產氫量和原料利用率低的問題，制約了厭氧細菌產氫技術的進一步應用與發(fā)展。

　　哈爾濱工業(yè)大學在厭氧發(fā)酵產氫技術上取得了一定的成果，通過選育得到了高轉化細菌，建立了非固定化連續(xù)流混合菌發(fā)酵方法，已完成500~1000m3/d的中試試驗，目前正建立600m3/d的工業(yè)化試驗裝置，成本低于水電解法制氫成本。

　　光合細菌對光的轉化效率高，但它只對特定波長的光線有吸收作用，而提供充分的波長合適的光能又會消耗大量的能源，光源的維護與管理變得復雜，使產業(yè)化制氫難度變大。國內的河南農業(yè)大學對光合產氫進行了較系統(tǒng)的深入研究，并取得了一些重要進展。

　　雖然在發(fā)酵法制取氫氣的研究上已經取得了很大的成績，但是這種技術至今沒有被廣泛地利用。另外，對于生物制氫，氫氣的純化與儲存是一個關鍵問題。生物法制氫產物中氫氣體積分數通常為60%~90%，氣體中可能混有CO2、O2和水蒸氣等。有人嘗試使反應氣體通過鈀-銀膜，以實現(xiàn)反應與分離的耦合。

　　目前，生物制氫需要解決的問題及研究重點主要可概括為以下幾個方面：(1)氫氣形成的生物化學機制研究。(2)高產菌株的選育。(3)光的轉化效率及轉化機制方面的研究。(4)原料利用種類的研究。(5)制氫反應器內傳輸機理與特性及產氫動力學方面的研究。(6)氫氣與其他混合氣分離工藝的研究。(7)副產物利用方面的研究。(8)反應器最優(yōu)設計與控制等。

　　4結語

　　開發(fā)生物質能已經成為世界各國的共識。開發(fā)生物質能源將涉及農村發(fā)展、能源開發(fā)、環(huán)境保護、資源保護、國家安全和生態(tài)平衡等諸多利益，具有重要的戰(zhàn)略意義和現(xiàn)實意義。目前我國生物能源與生物化工產業(yè)處于起步階段。我國生物質的發(fā)展既要學習國外先進經驗，又要強調自己的特色，因地制宜，積極開展多種生物質能利用技術。從資源潛力、生產成本以及可能發(fā)揮的作用分析，包括生物燃油產業(yè)化在內的生物質能產業(yè)化開發(fā)技術將成為中國能源可持續(xù)發(fā)展的新動力。

　　從環(huán)保、能源安全和資源潛力綜合考慮，在中國推進包括以沼氣、秸稈、林產業(yè)剩余物、海洋生物、工業(yè)廢棄物為原料的生物質能產業(yè)化的前景將十分廣闊。2006年1月1日，5可再生能源法6在我國正式實施。2007年12月，5能源法6征求意見稿對外發(fā)布，其中直接把支持生物質能源等新能源的發(fā)展寫進了法案中，這也預示著國家將會在政策、補貼、研究等方面對生物質能源的開發(fā)和利用優(yōu)先支持。在國家政策的扶持下，中國生物質能源產業(yè)的布局將會得到改善、產業(yè)鏈將逐步完善。

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