生物质能开发利用的概况及展望
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世界排放总量的 20% 。在没有切实可行办法控制矿 物燃料使用过程中 产 生 的 生 态 环 境 污 染 的 情 况 下 ，减 少使用量 ，开发利用 洁 净 可 替 代 能 源 是 唯 一 的 解 决 办 法。截止 2010 年年 底，我 国 可 开 发 为 能 源 的 生 物 质 资源已达 3 亿 t 多。通过先进、成熟和高效的转换技 术 ，将其生产成使 用 方 便 、无 污 染 的 气 体 燃 料 、固 体 燃 料和液体燃料 ，替 代 化 石 能 源 ，减 少 温 室 气 体 排 放 ，从 根本上解决农村普 遍 存 在 的“畜 牧 公 害”和“秸 秆 问 题”，是我国发展生物质能产业的长期目标（ 表 1 是我 国生物质能应用规模与发展目标） ［2，16 － 17］。这不但能 实现能源消费与环 境 保 护 的 双 赢 ，而 且 能 实 现 能 源 的 可持续发展，从而推进经济社会的可持续发展。
2） 有利于减少环境污染，保护生态环境，实现能 源的可持续发展 。 在 我 国 各 种 主 要 的 能 源 当 中 ，煤 炭
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2013 年 3 月
农机化研究
第3 期
占据着主导地位 ，同 时 ，煤 炭 的 大 量 使 用 也 给 当 地 、地 区和全球的环境造成了严重的污染［15］。目前，我国温 室气体（ GHG） 的排放已经超过了世界排放量要求的 13% ，仅次于美国居世界第二位。根据世界银行公布 的数据，预计到 2020 年我国的 GHG 排放有可能占到
1． 94 × 103 万 kW·h
利用情况 217 亿桶 2 万 m3 33 亿 t 3． 7 万 t 已开发约 22%
剩余可采年数 约 50 年 约 60 年 约 300 年 约 100 年
剩余约 78%
图 1 沼气发酵示意图 Fig． 1 The schematic diagram of biogas fermentation
我国生物质能资 源 相 当 丰 富 ，理 论 生 物 质 能 资 源 大约有 50 亿 t 标准煤，达到了我国目前总能耗的 4 倍 左右［4 － 5］。
由于我国能 源 依 然 面 临 着 总 量 不 足、石 油 紧 缺、 环 境 污 染 严 重、人 均 占 有 量 少 和 能 效 低 等 诸 多 问 题 ， 这些问题 将 长 期 制 约 我 国 经 济 的 发 展 和 社 会 进 步。 因此 ，大力开发利用 生 物 质 能 源 已 成 为 我 国 发 展 可 再 生能源的首要问 题 。 同 时 ，开 发 利 用 生 物 质 能 源 既 是 实行能源战略多元 化 ，解 决 我 国 能 源 短 缺 问 题 的 有 效 途径，又 是 拓 展 农 民 就 业 领 域，促 进 农 民 增 收 的 重 要 渠道［6 － 10］。
2 国内外生物质能开发利用研究进展
2． 1 沼气发酵技术 沼气发酵是 有 机 物 质 在 一 定 温 度、湿 度、酸 碱 度
和厌氧条件下，经过沼气菌群消化的过程［18］。沼气发 酵可生产沼气作为 能 源 ，又 可 处 理 有 机 废 物 以 保 护 环
境，经 沼 气 发 酵 后 的 沼 渣、沼 气 液 是 优 化 的 有 机 肥 料［19］。沼气发酵示意如图 1 所示［20］。
巴西是最早大规模使用乙醇作为替代燃料的国 家，到 2006 年以前，巴西是世界上年产燃料乙醇最多 的国家 ，也是世界上 唯 一 不 使 用 纯 汽 油 作 汽 车 燃 料 的 国家。目前，50% 的汽油已被生物质能源甘蔗乙醇替 代 。 美国及欧盟国家 也 在 大 力 发 展 燃 料 乙 醇 工 业 ，到 2006 年，美国燃料乙醇产量已经一跃成为世界最大的 燃料乙醇生产国 。 我 国 燃 料 乙 醇 虽 起 步 较 晚 ，但 是 发 展迅 速，已 成 继 美 国、巴 西 之 后 世 界 第 三 大 燃 料 乙 醇 生产国。截至 2005 年年底，我国在 9 个省的部分地区 基本实现了车用乙 醇 替 代 汽 油 ，年 产 生 物 乙 醇 燃 料 约 150 万 t［16］。截止 2009 年底，我国燃料乙醇产量已达 165 万 t。目前，国内中粮集团、河南天冠集团、安徽丰 原生化和山东泽生生物科技公司等在燃料乙醇生产 技术产业化方面发展较快［24 － 25］。另外，随着粮食燃料 乙醇的快速发展 ，原 料 问 题 成 为 了 产 业 快 速 发 展 的 瓶 颈。为此，美国、丹麦等西欧国家正大 力 开 发 纤 维 素 等非粮食燃料 乙 醇 技 术 以 改 变 企 业“与 人 争 粮 ”的 现 状。“根据我 国 的 国 情，未 来 燃 料 乙 醇 发 展 将 因 地 制 宜，重 点 发 展 纤 维 素、木 薯、红 薯、甜 高 粱 等 非 粮 原 料 乙醇”，中粮 集 团 科 学 研 究 院 生 化 研 究 中 心 武 国 庆 博 士说［26］。因此，大力开 发 以 甜 高 粱、薯 类 和 菊 芋 等 作 为生产燃料乙醇原料的非粮能源作物是当务之急。 2． 3 生物柴油
生物柴油年 利用量 / Mt
2009
3． 24
0． 6
14 000Mm3
1． 65
0． 5
2015
13
2020
30
集中供气
20
3
1． 5
300 万户
50
44 000Mm3
10
2
1GW = 109 W = 106 kW； 1Mt = 106 t ； 1Mm3 = 106 m3 。
3） 有利于保证国家能源安全。传统的矿物质能 源是当今社 会 发 展 和 进 步 的 发 动 机，目 前 全 球 总 能 耗 的 75% 来自煤炭、石油、天然气等。但是，矿物能源是 有限的，据估 计，全 球 化 石 能 源 的 枯 竭 将 不 可 避 免，其 峰值将出现在 2020 － 2030 年，并在 21 世纪开采殆尽 （ 如表 2 所示） ［11］。2004 年，我国能源消费量为 19． 7 亿 t 标准煤。预计 2020 年能源消费量将达到 30 亿 t 标 准煤以上，到 2050 年可能要达到 50 亿 t 标准煤以上。 因此，开发利 用 生 物 质 能 已 成 为 解 决 我 国 能 源 问 题 的 战略选择。
表 2 世界能源拥有量及可利用状况 Table 2 Ownership and utilization of the world＇s energy
资源 石油 天然气 煤炭 核能（ 铂） 水利
拥有量（ 已确定蕴藏量） 1． 0 × 104 亿桶 1． 13 万亿 m3 1． 08 × 104 亿 t 3． 60 × 102 万 t
近年来，世界 经 济 发 展 加 快，全 球 能 源 需 求 迅 速 增长，能源、环境和气候变化问题日 益 突 出。大 力 开 发利 用 生 物 质 能 源 资 源，减 少 化 石 能 源 消 耗，保 护 生 态环 境，减 缓 全 球 气 候 变 暖，共 同 推 进 人 类 社 会 可 持 续发展，已逐渐被世人认可［3］。
zxkbj@ sohu． com。
21 世纪，随着人类社会经济的快速发展，石油、天 然气等矿物能源的消耗正在以比它们自然形成的速 度快大约 100 万倍的速度增长，人类也因此面临着油 价攀 升、能 源 安 全、气 候 不 稳 定 等 一 系 列 重 大 问 题。 目前 ，能源问题已从 一 个 纯 粹 的 经 济 和 生 产 问 题 演 变 成 了 一 个 涉 及 国 际 安 全、政 治、外 交 甚 至 军 事 的 广 义 问题［11］。生物 质 能 目 前 占 世 界 最 终 能 量 消 耗 大 约 14% ，比煤能（ 12% ） 所占的份额稍高些，也可与气能 （ 15% ） 和电能（ 14% ） 相媲美［12］。而开发利用生物质 能的战略意义在于 确 保 我 国 能 源 安 全 、维 持 国 民 经 济 增长，以及在军事、外交等方面所起的重要作用。
燃料乙醇主要是 以 糖 类 、淀 粉 和 纤 维 素 为 原 料 经 过发酵工艺而得到。由于其产量受到粮食资源的限 制 ，成本高 ，难以形 成 大 规 模 生 产 ，因 而 长 远 考 虑 必 须 寻找丰富且廉价的原料来源。由于纤维质原料非化研究
第3 期
丰富且成本较低 ，因 此 这 方 面 的 研 究 主 要 是 集 中 在 纤 维素方面［23］。
收稿日期： 2012 － 03 － 28 基金项目： 江西省重大科技专项（ CB201102009） 作者简介： 魏 伟（ 1987 － ） ，男 ，南昌人，硕士研究生，（ E － mail） wei-
wei281896318@ 163． com。 通讯作者： 张绪坤 （ 1963 － ） ，男，江西武宁人，教授，博 士，（ E － mail）
沼气已是成 熟 的 生 物 质 能 利 用 技 术，在 欧 洲 和 印 度等地已 建 设 了 大 量 的 沼 气 工 程 和 分 散 的 户 用 沼 气 池。其中，德国在 2002 年共生产了约 1 900 套沼气设 备，总功率约 250MW［2］。早在 20 世纪 20 年代我国就 已经开始了沼气的生产与应用。历经几十年的发展， 我国在沼气工程厌氧消化技术、厌氧发酵、工程建设等 方面已取得 了 巨 大 的 成 就，部 分 技 术 已 居 国 际 领 先 水 平。近年来，我 国 政 府 又 加 大 了 对 农 村 沼 气 建 设 的 力 度并投入了巨大的人力和财力以及出台了相关的政策 给予强有力的支持。目前，我国已经掌握了禽畜粪便、 工业有机废 水 等 有 机 废 弃 物 的 厌 氧 消 化 技 术，具 备 了 沼气大规模开发利用的技术、装备和施工能力［21］。截 至 2008 年年底，我国已有 3 049 万农户在使用沼气，全 国共建成各种类型沼气工程 3． 98 万处，总池容达到了 502 万 m3［22］； 截 止 2009 年 底，我 国 农 村 沼 气 利 用 量 140 亿 m3 。另外，由于沼气具有广泛的用途，可以代替 煤炭、薪柴、煤油、汽油等传统能源，因此沼气是一种值 得开发的新能源。 2． 2 燃料乙醇技术
