生物质能利用技术的研究进展

能源研究与信息 第17卷 第4期 Energy Research and Information Vol. 17 No. 4 2001

收稿日期：2001－6－10 基金项目：上海市重点学科建设资助项目 作者简介：李伍刚（1974－），男，上海理工大学热能工程专业硕士研究生。 文章编号 1008－8857（2001）04－0210－07 生物质热解技术研究现状及其进展 李伍刚，李瑞阳，郁鸿凌，徐开义 （上海理工大学 上海 200093）　摘 要 生物质热解技术是把低能量密度生物质转化为高能量密度气、液、固产物的一种新型生物质能利用技术。其中液体产物具有便于运输、储存等优点，可替代燃料油用于发电、供暖系统以及可代替矿物油提炼某些重要的化学物质。介绍了国内外对这一技术的各种研究及其进展，并简要介绍了上海理工大学独立研制开发的生物质闪速液化实验装置。 关键词 生物质热解；　生物油 中图法分类号 TK6 文献标识码 A 1 引言 能源是人类生存与发展的前提和基础，从远古时代原始人钻木取火到近代以蒸汽机为代表的工业革命，人类文明的每一跨越和进步都与所用能源种类及其利用方式紧密相连。目前人类赖以生存和进行经济建设的一次能源主要是矿物能源（煤、石油、天然气、核能等）。矿物能源的使用隐藏着两个严重问题，其一：根据目前的全球能耗量和矿物能源已探明的储量，煤、石油、天然气、核燃料可使用年限分别为220、40、60和260年[1]，从长远来看人类必将面临能源危机。其二：矿物能源对环境有巨大破坏作用，矿物能源燃烧产生大量CO2、SOx、NOx等气体。CO2属温室效应气体，会造成全球变暖及臭氧层破坏。NOx、SOx等有害气体会直接对环境、设备和人体健康构成危害。故此，作为有重要长远意义和战略意义的技术储备，寻求清洁的可再生能源及其利用技术，已成为全球有识之士的共识，受到各国政府和研究机构的广泛关注。 生物质是一种清洁的可再生能源，生物质快速热解技术是生物质利用的重要途径，所谓热解就是利用热能打断大分子量有机物、碳氢化合物的分子键，使之转变为含碳原子数目较少的低分子量物质的过程。生物质热解是生物质在完全缺氧条件下，产生液体（生物油）、气体（可燃气）、固体（焦碳）三种产物的生物质热降解过程。 第4期 李伍刚等：生物质热解技术研究现状及其进展

周　芳ｔ胡明辅　周国平　ｆ１　昆明理工大学化学工程学院　云南昆明　６５０２２４　２　广州立白集ｔｔｌ有限公司　广东广州　５１０３７０）　摘要介绍生物质能的开发利用技术及其进展情况，指出生物质能的开发利用具有广阔的发展前景。　关键词　生物质能　可再生能源　燃料乙醇　能源植物　中图分类号：ＴＫ６　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—９Ｏ６４（２ＯＯ７）Ｏ４一ＯＯ４９一Ｏ４　能源危机是当今世界面临的巨大挑战。根据国际能源机构　的统计。若按目前的水平开采世界已探明的能源，人类使用的　主要能源——石油、天然气和煤炭供人类开采的年限分别只有　４０ａ、５０ａ和２４０ａｍ。而且这３种常规能源的使用所带来的环境　问题日益严重，表现为大气污染、臭氧层破坏和温室效应加剧、　自然灾害频繁发生，发展下去将使自然界失去供养人类生存的　能力。在巨大的能源和环境压力下，世界各国开始将目光聚焦　到洁净的可再生能源的开发上。生物质能是唯一可再生的碳　源。生物质生长过程中吸收大量的ＣＯ，气体．燃烧过程排放的　ＣＯ：气体与吸收的相当，几乎没有ＳＯ　气体排放，因此被作为　ＣＯ：中性燃料　］。用生物质能可改善和保护生态环境，所以生物　质能是人类可持续发展道路上的理想能源。　ｌ生物质的资源状况　生物质是指通过光合作用而形成的各种有机体。包括所有　的动植物和微生物。生物质能是太阳能以化学能形式储存在生　物质中的能量。　据生物学家估算，地球上每年生长的生物能总量约１４００　１８００亿ｔ（干重），相当于目前世界总能耗的１０倍。我国的生物　质资源极为丰富，据统计，现在每年的秸秆量约６．５亿ｔ，到　２０１０年将达到７．２６亿ｔ，相当于４￣５亿ｔｅｅ的能量。柴薪和林业　废弃物数量也很大，林业废弃物（不包括薪炭林）。每年约达　３７００ｍ３，相当于２０００万ｔｅｅ　Ｅ　。如果考虑日益增多的城市垃圾和　生活污水、禽畜粪便等其它生物质资源，我国每年的生物质资　源达６亿ｔｅｅ以上，扣除一部分做饲料和其它原料．可开发为能　源的生物质资源达３亿多ｔｅｅ。而随着农业和林业的发展，特别　是随着速生薪炭林的开发推广．我国的生物质资源将越来越　多，有非常大的开发和利用潜力。　２生物质能的开发利用　２．１转化利用技术及其国内外发展现状　生物质能转化利用途径主要包括燃烧法、热化学法、生化　法、化学法和物理化学法等。可转化为二次能源，分别为热量或　电力　固体燃料（木炭或成型燃料）、液体燃料（生物柴油、生物　原油、甲醇、乙醇和植物油等）和气体燃料（氢气、生物质燃气和　沼气等）。　２．１．１燃烧法　将生物质作为燃料在高温下直接燃烧，是最简单的热化学　转化工艺。直接燃烧生物质的热效率较低，仅为１０％～３０％。　生物质燃烧发电在发达国家已受到广泛重视。其主要工艺　有２类：生物质锅炉直接燃烧发电以及生物质一煤混合燃烧发　电。目前生物质燃烧发电已占发达国家可再生能源发电量的　７０％［４］。在美国，生物质发电装机容量已达１０．５ＧＷ。７０％为生物　质一煤混合燃烧工艺，单机容量１０　３０ＭＷ，发电成本３￣６美分／　（ｋＷ・ｈ），预计到２０１５年装机容量将达１６．３ＧＷ　ＥＳｉ。奥地利成　功地推行建立燃烧木质能源的区域供电计划，目前已有八九十　个容量为１０００－２０００　ｋＷ的区域供热站，年供热１０ｘｌ０　ＭｊＩ４１。　法国、瑞典、丹麦、芬兰和奥地利是利用生物质能供热最多　的国家，利用中央供热系统通过专用的网络为终端用户提供热　水或热量…。　中国传统生物质能开发利用已是商业化技术．可开发资源　量约７００Ｍｔｃｅ，利用省柴炕灶后，效率有了很大提高。目前，中　国现代生物质能中用于直接燃烧的高效燃烧锅炉有２００多台，　效率均可达８０％１６１　２．１．２　热化学法　将生物质转换成更有价值或更方便的产品，其基本热化学　过程是高温分解，包括气化、热解和直接液化。　在气化、热解反应的工艺和设备研究方面，流化床技术是　科学家们关注的热点之一。印度Ａｎｎａ大学新能源和可再生能　源中心开发研究用流化床气化农林剩余物和稻壳、木屑、甘蔗　渣等，建立了一个中试规模的流化床系统，气体用于柴油发电　机发电。美国Ｈａｗａｉｉ大学建立了日处理生物质量为１００ｔ的工　业化压力气化系统。Ｖｅｒｍｏｎｔ大学建立了气化工业装置，其生　产能力达到２（ＲＲ／ｄ．发电能力为５０ＭＷ　。　作者简介：周芳（１９８２￣），女，在读硕士研究生，研究方向为新能源技术与工程。　２ｏｏ７．Ｎｏ．４

第２４卷第６期　２００６年１２月　江　西　科　学　ＪＩＡＮＧＸＩ　ＳＣＩＥＮＣＥＶｏ１．２４　Ｎｏ．６　Ｄｅｃ．２００６　文章编号：１００１—３６７９（２００６）０６—０５２９—０６　生物质能转化利用技术及其研究进展　高荫榆，雷占兰，郭　磊，谢何融，陈才水　（南昌大学食品科学教育部重点实验室，江西南昌３３００４７）　摘要：对生物质能的使用价值，国内外利用状况及生物质能转化利用的方式进行介绍。目前的生物质转化方　法有直接燃烧法、生物化学法（发酵和厌氧性消化），热化学转化法（气化、热解、液化和超临界萃取）、固体成　型和生物柴油制取。我国生物质￣ｆｆ＇ｌ用的重点将是生物质发电、沼气和生物质液体燃料等。　关键词：生物质能；利用状况；转化技术　中图分类号：Ｘ３８２．１　文献标识码：Ａ　Ｔｈｅ　Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ａｎｄ　Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｂｉｏｍａｓｓ　Ｅｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　Ｉｔｓ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ＧＡＯ　Ｙｉｎ—ｙｕ，ＬＥ！Ｚｈａｎ—ｌａｎ，ＧＵＯ　Ｌｅｉ，ＸＩＥ　Ｈｅ—ｍｎｇ，ＣＨＥＮ　Ｃａｉ—ｓｈｕｉ　（Ｔｈｅ　Ｋｅｙ　Ｌ曲０阳ｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｆｏｏｄ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｎａｎｅｈａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｎｇｘｉ　Ｎａｎｃｈａｎｇ　３３００４７　ＰＲＣ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｃｏｎｃｅｐｔ　ｏｆ　ｂｉｏｅｎｅｒｇｙ，ｓｔａｔｕｓ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｓ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏ—　ｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｓｔｕｄｙ，ｔｈｅ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｂｉｏｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｕｌｄ　ｂｅ　ｃｌａｓｓｉｆｉｅｄ　ａｓ　ｄｉｒｅｃｔ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ，ｂｉ—　ｏｃｈｅｍｉｃａｌ　ｃｏｎｖｅｍｉｏｎ（ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｎａｅｒｏｂｉｃ　ｄｉｇｅｓｔｉｏｎ），ｔｈｅｒｍｏｃｈｅｍｉｃａｌ　ｃｏｎｖｅｍｉｏｎ（ｇａｓｉｆｉｃａ—　ｔｉｏｎ，ｐｙｒｏｌｙｓｉｓ，ｌｉｑｕｅｆａｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ　ｆｌｕｉｄ　ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ）’，ｂｆｉｑｕｅｔｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｂｉｏｄｉｅｓｅｌ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｉｎ　Ｃｈｉｎａ，ｔｈｅ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｆｏｃｕｓ　ｏｆ　ｂｉｏｍａｓｓ　ｅｎｅｒｇｙ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ｂｉｏｍａｓｓ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，ｂｉｏｇａｓ　ａｎｄ　ｌｉｑｕｉｄ　ｆｕｅｌ　ｅｔｃ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｂｉｏｅｎｅｒｇｙ，Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｓｔａｔｕｓ，Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｏ　前百　地球上蕴藏的可开发利用的煤和石化能源将　分别在２００年、４Ｏ年内耗竭，天然气也只能用６Ｏ　年左右…。与此同时，由于石化能源的过度开发　利用带来环境污染和全球气候变暖的问题也日益　突出。因此，寻找和开发新型可再生能源迫在眉　睫。　生物质能（ｂｉｏｍａｓｓ　ｅｎｅｒｇｙ或ｂｉｏｅｎｅｒｇｙ）是人　类使用的最古老的能源，是随着石化能源危机及　回归生态平衡而被人类重新认识的。生物质（ｂｊ－　ｏｍａｓｓ）主要是指可再生或循环的有机物质，包括　农作物、树木、垃圾、工农业废弃物和其它植物及　其残体（ｒｅｓｉｄｕｅｓ）等　Ｉ３　Ｊ。生物质能一般是绿色植　物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而储存在生　物质内部的能量，其来源于ＣＯ：，燃烧后产生　ＣＯ：，因此可以认为ＣＯ　的排放是零，甚至有所减　少（燃烧后草木灰中含有大量的Ｋ　ＣＯ　）。故生　物质与矿物燃料相比更为洁净，具有可再生Ｉ生、环　境友好性，是解决能源和环境问题的有效途径之　一０　目前世界拥有生物质资源约１８．４１×１０“ｔ，　收稿日期：２００６—１０—２３；修订日期：２００６—１Ｏ一３１　作者简介：高荫榆（１９４０一），女，教授，博士生导师，主要研究方向：食物资源开发利用。

生物质能的资源利用与技术进展

在当今全球能源需求不断增长，传统能源逐渐枯竭，环境问题日益严峻的背景下，生物质能作为一种可再生、清洁的能源，受到了广泛的关注和研究。生物质能来源于有机物，包括植物、动物及其排泄物、垃圾和有机废水等。它的资源丰富，分布广泛，具有巨大的开发利用潜力。

生物质能的资源利用形式多种多样。其中，生物质发电是较为常见的一种方式。通过直接燃烧生物质或者利用生物质气化技术产生可燃气体，驱动涡轮机发电。这种方式不仅能够有效地利用生物质资源，还能减少对传统化石燃料的依赖，降低温室气体排放。例如，在一些农业发达的地区，利用农作物秸秆进行发电，既解决了秸秆处理的难题，又为当地提供了电力。

生物液体燃料也是生物质能利用的重要领域。生物乙醇和生物柴油是目前应用较为广泛的两种生物液体燃料。生物乙醇通常由富含糖分的农作物，如甘蔗、玉米等发酵制成。而生物柴油则可以通过植物油或动物脂肪的酯交换反应获得。这些生物液体燃料可以与传统的汽油、柴油混合使用，或者直接作为替代燃料，应用于交通运输领域。随着技术的不断进步，生物液体燃料的性能和成本逐渐优化，其市场份额也在不断扩大。

此外，生物质还可以用于生产生物沼气。通过厌氧发酵，将有机废弃物如畜禽粪便、餐厨垃圾等转化为甲烷为主的生物沼气。生物沼气不仅可以用于发电和供热，还可以作为居民生活用气。在一些农村地区，沼气池的建设和应用，为解决农村能源问题和改善环境卫生发挥了重要作用。

在生物质能的技术进展方面，也取得了一系列显著的成果。生物质气化技术不断完善，提高了气化效率和气体品质，降低了污染物排放。新型的催化气化技术和高温等离子体气化技术的研发，为生物质能的高效转化开辟了新的途径。

生物质热解技术也得到了快速发展。通过控制热解条件，可以获得不同品质的生物油、生物炭和可燃性气体。生物油经过进一步精炼，可以作为燃料或化工原料使用；生物炭具有良好的吸附性能和土壤改良作用；可燃性气体则可用于发电或供热。