生物质能源的生产与利用

生物质能源的利用方法及发展趋势

2013级博士研究生 王波

指导老师；陈新德

生物质能源是蕴藏在生物质中的能量,是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内部的能量。生物质能源具有燃烧容易、污染少、灰分较低等优点,是可再生的清洁能源。目前所使用的化石能源导致环境污染日益严重,是造成臭氧层破坏、全球气候变暖、酸雨等灾难性后果的直接因素,而且地球上现存的化石燃料按消费量推算,在今后50～80年将最终消耗殆尽。根据生物学家估算,地球上每年生长的生物能总量约1400～1800 亿吨(干重),相当于目前世界总能耗的10倍。我国的生物质能源也极为丰富,现在每年农村中的秸秆量约6.5亿吨,到2010年将达7.26亿吨,相当于5亿吨标准煤。因此,利用生物质能源取代化石能源是解决能源问题的良好途径,发展林业生物质能源,凸显国家战略,是我国生物质能源发展的战略重点和优势。 生物质能源的开发利用早已引起世界各国政府和科学家的关注。有许多国家都制定了相应的开发研究计划,包括日本的阳光计划、巴西的酒精能源计划、印度的绿色能源工程、美国的生物质产业发展路线图等发展计划。生物质能源可以通过热化学转换技术、物理化学转换技术和生物转换技术制取沼气、燃料乙醇、生物柴油、发电等。我国政府高度重视生物质能源的开发与利用。早在1992年国务院批准的《中国环境发展十大对策》中就明确提出,要“因地制宜地开发利用和推广太阳能、风能、地热能、生物质能等新能源”。

目前有的生物质能源产业化技术主要包括以下几个方面。

一、沼气利用技术、沼气利用技术指将畜禽粪便、高浓度有机废水、生活垃圾等通过厌氧发酵生成以甲烷为主的沼气的技术，同时生成沼液、沼渣可作为有机肥施用于农田。沼气是热值较高的洁净可燃气，可用作生活和工业燃料或发电，是很好的无公害能源，沼气工程建设可带来环境效益。目前沼气技术在利用中存在有异味、二次污染等难题，另外，我国多数对沼液、沼渣工业化生产有机肥的研究停留在田间施用方法、施用效果上，缺少工程处理及转化为附加值更高的有机肥的方法；在温度较低的北方地区，沼气系统陷入启动难、维护难、微生物选育难的境地，所以该技术虽然已是产业化技术，但在使用率和技术推广工作上仍存在一定的障碍。

生物质能的开发与利用

随着全球环保意识的不断提高和对传统化石能源的限制，生物质能作为一种新型可再生能源已经越来越受到人们的关注。生物质能是指由植物、动物和微生物等生物体生长和死亡过程中产生的所有有机物质。这些有机物质可以被转化为能源，如热能、电能、生物柴油、生物甲醇等，具有广阔的应用前景。本文将从生物质能的来源、开发利用及其未来发展方向等方面进行详细阐述。

一、生物质能的来源

生物质能的来源多种多样，常见的有以下几种：

1.木材和木质废弃物

木材是指树干、树枝、树皮等植物部分，它们可以作为薪柴燃烧供暖或者用来生产木屑、木片等生物质燃料。木质废弃物是指来自木制品生产或者家庭装修等产生的废弃物，如废木板、废纸、锯末等。

2.农作物和农业废弃物

农作物包括粮食作物、油料作物、棉花、甘蔗等，它们可以通过农业林业废弃物资源化利用技术生产生物能源。农业废弃物指农业生产过程中产生的废弃物，如秸秆、麦草、豆腐渣等。

3.城市垃圾和工业废弃物

城市垃圾中的有些有机物质可以用来生产沼气，进而发电。工业废弃物是指工业生产过程中产生的废弃物，如工业锅炉烟气、化工废水、冶金废渣等，它们可以用来生产生物燃料。 以上来源不仅存在于国内，也广泛存在于国际间。例如，在欧洲和美国，木材及其产品、农作物和农业废弃物、城市垃圾和工业废弃物等都被作为生物能源的主要来源，实现了全面利用，分享了高效清洁能源带来的经济和环保效益。

二、生物质能的开发利用

生物质能作为一种可再生能源，具有广泛的开发利用前景。其开发利用主要包括生物质燃料、生物质液体燃料、生物质气体燃料和生物质电能几个方面。

1.生物质燃料

生物质燃料是指利用生物质材料进行能量转化的燃料，主要包括木柴、木炭、木屑、木粉、木片等，广泛应用于家庭取暖、工业加热、热电联产等方面。例如中国西南部的某地，传统的冬季取暖方式是采用薪柴烧火，为了改善燃烧的条件和环境卫生，当地政府推广了生物质燃料，并加大了生物质炉具的推广力度，有效地降低了对非可再生能源的依赖度，实现了可持续发展。

生物质能源的生产过程

生物质能源是一种可再生能源，指的是利用植物、动物和微生物等生物质材料作为原料，通过化学或生物反应转化为可用能源的过程。生物质能源的生产过程分为四个主要步骤：原料采集、预处理、转化和利用。

一、原料采集

生物质能源的原料采集主要包括农作物秸秆、木材废料、农畜禽粪便和沼气池沼液等。这些原料可以通过农田、林地、畜禽养殖场和沼气工厂等地采集得到。采集原料应遵循可持续发展原则，选择可再生及清洁资源，避免破坏生态环境。

二、预处理

预处理是生物质能源生产过程的重要环节，旨在提高原料的可转化性和能源产率。常见的预处理方法包括物理力学处理、化学处理和生物处理。物理力学处理包括研磨、切碎和压榨等，以增加原料的比表面积和利用率；化学处理包括酸碱处理、脱硫和脱氮等，以去除原料中的杂质和有害物质；生物处理主要是利用微生物进行降解和转化。

三、转化

生物质能源的转化主要分为热化学转化和生物化学转化两种方式。

1. 热化学转化 热化学转化是指利用高温和压力条件下，将生物质原料转化为气体、液体或固体燃料。常见的热化学转化方式有气化、燃烧和裂解等。

- 气化：将生物质原料在高温和缺氧条件下转化为合成气（一氧化碳和氢气），可用于发电、制造液体燃料等。

- 燃烧：将生物质原料以固体形式直接燃烧释放热能，用于供热或发电。

- 裂解：将生物质原料在高温和缺氧条件下裂解为液体燃料，如生物柴油和生物乙醇。

2. 生物化学转化

生物化学转化是指利用微生物和酶等生物催化剂，通过发酵、发酵和微生物降解等过程，将生物质原料转化为生物燃料或化学品。常见的生物化学转化方式有生物乙醇发酵、生物柴油生产和生物气体发酵等。

- 生物乙醇发酵：利用酿酒酵母将植物纤维素等转化为乙醇，可用作燃料或化学原料。

- 生物柴油生产：利用微生物或酶将油脂转化为生物柴油，可替代传统石油柴油。

- 生物气体发酵：利用厌氧菌将有机废弃物转化为沼气，可用于发电、供热和燃料等。

生物质能源的开发和应用

【摘 要】生物质能源将会成为未来能源的主要组成部分，其中沼气发电、生物燃油、生物质能发电、城市固体垃圾发电是目前应该抓紧实施的项目。

【关键词】生物质能源；开发；应用

提到能源，人们通常会想到煤炭、石油、天然气，抑或是风能、水能和核能。人类所面临的能源危机日益严峻，同时由于石油价格的不断攀升和环境污染的日益严重，使得过分依赖石油作为主要能源的我国面临着越来越大的能源压力。此时，一种人们司空见惯却并未过多留意的能源——生物质能源，正悄然兴起。生物质能源是植物通过光合作用而固定于地球上的太阳能，通过生物质能转换技术可以高效地利用生物质能源，生产各种清洁燃料替代矿物燃料，以减少人类对矿物能源的依赖，保护国家能源资源，减轻能源消费对环境造成的污染。目前，世界各国，尤其是发达国家，都在致力于开发高效、无污染的生物质能利用技术。专家预测，生物质能源将成为未来能源的重要组成部分，到2015年，全球总能耗将有40%来自生物质能源。

1 我国生物能源发展的必要性

能源是工业化社会经济发展过程中的 “ 血液 ”，没有充足的能源供应，社会经济是难以整体持续发展的。按目前的水平开采世界已探明的能源，煤炭资源尚可开采100年，石油30～40年，天然气50～60年。生态危机是当今社会已经面临的巨大挑战。石化能源燃料燃烧时所产生的有害物质，严重污染了环境，导致温室效应、全球气候变暖、生物物种多样性降低、荒漠化等诸多生态问题，严重影响着全球的资源安全和经济持续发展，威胁着人类的生存。近些年来，我国能源工业的发展相对滞后于国民经济总体发展的步伐，我国在21世纪，能源工业面临着十分严峻的挑战。与有限的化石能源相比，生物能源具有可再生和取之不尽的优势。我国能源生物都种植在荒岭、丘地等地带，能够大量利用农村的荒地、盐碱地、沼泽地，就地大量解决农村劳动力就业，提高农民收入。在能源紧缺状况越来越严重的情况下，发展生物能源对缓解能源危机，促进经济健康迅速发展尤为重要。