生物能源的主要技术路线

能源问题与一个国家的政治和经济生活密切相关。由常规化石能源（煤炭、石油与天然气等）资源不足所导致的能源危机直接影响到经济发展速度，从而引发了各国的能源安全问题。正是出于能源危机与生态环境恶化等问题迫使各国对能源结构进行战略性调整，大力发展可再生能源。生物能源（Bioenergy）作为最重要的可再生能源之一，主要是指从生物质中所获取的能源，也包括通过各种微生物转化和微生物采油等技术所获取的能源，其表现形式有热能、电能，以及各种生物燃料（Biofuel），如生物柴油（Bio-diesel）、生物乙醇（Bio-ethanol）、生物气体（Bio-gas）（又称沼气）、生物氢（Bio-hydrogen）等。近年来，各种生物能源的开发技术逐渐研究成功并应用到大规模生产中。

1  生物质液化燃料乙醇的开发

自1973年的世界石油危机以后，巴西、美国率先推行了“汽油醇计划”。目前，巴西是世界上惟一不供应纯汽油的国家。巴西自1975年以来一直坚持燃料乙醇的研究与开发，甘蔗种植面积不断扩大，加工工艺不断改进，生产规模不断扩大，特别是由于开发出高效发酵菌种，经济与社会效益大幅度提高，已使其具有与石油市场的竞争力。乙醇产量从1975年的55万吨提高到2002年的1  200万吨，全国汽车普遍采用乙醇或乙醇－汽油混合燃料，目前已取代石油25%以上。巴西官方和民间都声称目前燃料乙醇先进生产工艺已可供出口。

美国从1978年至今已通过数十项法案从能源、交通、税收、环保、农业等方面，对汽油醇予以支持｡一些盛产玉米的州也自行立法，要求在州内必须使用汽油醇。美国燃料酒精的年消费量约为500万吨，根据汽车发动机的类型将酒精加入汽油有两种比例，汽油发动机的加入量为5%～15%，专用发动机的酒精比例为85%～100%。据美国有关部门的调查，使用汽油醇作为燃料，可明显降低汽车废气的排放，一氧化碳排放量降低20％～30％，二氧化碳降低27％。除有利于环保外，汽油醇的推广也为美国带来了可观的综合效益。以1997年为例，全年美国汽车燃料共使用酒精512万吨，转化玉米1  500万吨，占美国当年玉米总产量的7％，为社会提供了19.52万个就业机会，并使联邦政府多收入36亿美元。美国国会还通过了一项法案，要求未来10年内大力发展酒精工业，将每年燃料酒精的使用量增加到1  000万吨。从20世纪80年代起，德国、荷兰、加拿大、瑞典等发达国家也开始了汽油醇的推广。到1995年前后，英、法、南非、古巴、泰国等越来越多的国家也纷纷加入到这个行列中。

2  生物质液化生物柴油的开发

生物质液化技术较为重要的方式之一是快速热解生产液体燃料技术，其主产品就是各种生物油。这种技术始于20世纪70年代末，迄今，为降低快速热解法的生产成本，各国已经对多种反应器和工艺进行了研究，特别是欧美等发达国家，在进行全面的理论研究的基础上，已建立了相应的实验装置。快速热解法生产的液体燃料可以替代许多锅炉、发动机及透平机所用的燃油，而且还可以从中萃取或衍生出一系列化学物质，如食品添加剂、树脂、药剂等。

发达国家在运用生物技术降低生物柴油的黏度、提高十六烷值、增加低碳脂肪酸含量，获得高品位燃油等方面进行了长期的探索。

在利用菜籽油替代柴油的研发方面，栽培高产油菜的英国及北欧国家进行，通过酯化降低其黏度，使之适合于柴油发动机。该技术可规模化应用，2002年欧盟国家已生产替代柴油百余万吨。美国目前年生产生物柴油100万吨，计划2020年达到1  200万吨。

生物质快速裂解液化技术方面，荷兰研究开发出旋转锥反应器，将生物质颗粒与惰性热载体一起加入旋转锥底部，当沿着锥壁螺旋上升时，发生快速热分解。这种技术能达到较高的油产量。与流化床快速热解相比，因不需要载气，整个系统效率提高。

欧洲很多国家还开发出适合湿生物质的热转化技术——Hydro  Thermal  Upgrading  (HTU)。将湿木片或生物质溶于水中，在一个高压容器中，经过15分钟(200℃，300bar)软化，成为糊状，然后进入另一反应器(330℃，200bar)液化5～15分钟。经脱羧作用，移去氧，产生30％CO2、50%生物油，仅含10％～15％的氧。通过这项技术可产生优质油(氧含量比裂解油低)，且生物质勿需干燥，直接使用。

3  生物质气化与生物发电技术

注重大型生物质气化循环发电系统包括原料预处理、循环流化床气化、催化裂解净化、燃气轮机发电、蒸汽轮机发电等设备的研发，使之适合于大规模处理农林废物。美国在利用生物质能发电方面处于世界领先地位，以美国的Battelle  (  63  MW)和夏威夷(6MW)  等项目作为生物质气化发电示范工程，代表了生物质能利用的世界先进水平；美国北达科塔大学能源和环境研究中心(EERC)成功地以森林废弃物、劈柴、锯末和农业副产品作为燃料，利用生物能发电，其所采用的技术是柴油发电机低成本气化技术，到2004年秋EERC已完成100  小时生物气化燃烧劈柴连续运行，其运行过程是把劈柴转化成小型燃气发电机可燃烧的气体。该技术可自动运行，为发电机提供清洁和高质量的燃气。所产生的气体已成功地运行一台100马力的发动机，并进行污染检测。其他发达国家，如英国(8MW)、瑞典(加压生物质气化发电4MW)、芬兰(6MW)以及欧盟建设三个7～12MW生物质气化发电IGCC示范项目，其中一个是加压气化，两个是常压气化。奥地利成功地推行了建立燃烧木材剩余物的区域供电站的计划，生物质能在总能耗中的比例由原来的3％增到目前的25％，已拥有装机容量为1～2MW的区域供热站90座。瑞典和丹麦正在实施利用生物质进行热电联产的计划，使生物质能在转换为高品位电能的同时满足供热的需求，以大大提高其转换效率。但由于焦油处理技术与燃气轮机改造技术难度大，这些问题限制了其应用推广。西班牙UPC大学用松木和不同的劣质煤混合，在流化床反应器中，以空气和水蒸汽做气化介质，采用不同的混合比，进行混合气化研究，得出影响联合气化的关键因素有：温度、加热速率、混合比、停留时间、气化介质等。坦桑尼亚东北部的坦噶省建成了世界首家剑麻渣发电厂，该发电厂的设计发电能力为30  MW。

由于生物质气化过程中产生的焦油，是阻止生物质气化技术大型化应用的关键，使得能耗低、效率高的焦油裂解技术和工艺成为研究的重点。目前主要有三种方法：①具有内部裂解气预烧的下吸式气化炉；②BTG利用一项新技术，将逆流操作反应器(reverse  flow  reactor)用于燃气净化；③两段气体净化系统。

IGCC和HATC作为先进的生物质气化发电技术，目前已在世界的不同地区(如巴西、美国和欧盟)建成示范装置，规模为0.5～3MW  (HATC)、7～30MW(IGCC)，发电效率达35％～40%，能耗比常规系统低。

4  生物质燃烧技术

生物质燃烧方面，主要集中于提高燃烧效率。着力改进锅炉设计，提高单一生物质燃料或与煤混合燃烧锅炉的热效率，以降低乡村、小镇生物质发电和供热的成本。奥地利最大的电力供应商VERBUND对以下四种方式进行了研究：  ①生物质在一个独立系统中燃烧，产生的热用于现有电厂的锅炉；②生物质在组装于燃煤锅炉炉膛中的炉排上燃烧；③用专用粉碎机粉碎生物质，在燃煤锅炉中与粉煤一起燃烧；④生物质在气化炉中气化，燃气作为锅炉燃料。

5  生物制氢

生物制氢是近年来才提出的一种生物能源，仅局限于少数发达国家，其中以美国为最，已进入中试阶段，加拿大、欧盟等发达国家紧随其后。

目前在生物制氢研发方面，大多集中于利用微生物发酵技术来产氢。在异养细菌制氢方面，日本曾利用各种生活垃圾作为产氢原料，借助一种梭菌(Clostridium  sp.)于37℃发酵生产氢(49  mL/kg)，运用细胞(酶)固定化技术可连续产氢20天以上；也有以丁酸梭菌(Cl.  burtyricum)为生产菌，葡萄糖为供氢体，连续产氢量可达(1.8～3.2)L/(L·d)。美国和日本研究人员构建“工程光合细菌”达到较高的产氢率，有些进入实际氢能生产水平，建立“光合细菌工厂”，每天可生产10吨液态氢，用于飞机燃料，试飞取得成功。在光合细菌中还包括蓝细菌，如柱状鱼腥藻、聚球藻等都具有产氢能力，其量可达20mL/(h·g)；有的产氢量可达30mL/  (  h·L)。在德国建立了产氢“藻类农场”。

随着可再生能源技术的进一步成熟，在世界各国的鼓励政策支持下，预计今后可再生能源将会得到更快、更大、更好的发展。今后发展较快的可再生能源除水能外，主要是生物质能、风能和太阳能。生物质能仍是可再生能源中(非水电)最重要的能源之一，主要利用方式是发电、供热和制取液体燃料。

参考文献：

[1]  朱锡锋.  生物质液化制备合成气的研究.  可再生资源,  2003,  103(1):  11-14.

[2]  姚向君,  田宜水.  生物质能资源清洁转化利用技术.  北京:  化学工业出版社,  2004.

[3]  吴创之,  郑舜鹏,  阴秀丽等.  中国的生物质气化发电技术.

[4]  苗真勇,  厉    伟,  顾永琴.  生物质快速热解技术研究进展.节能与环保,  2005,  (2):  13-15.

[5]  李建政,  任南琪.  生物制氢技术的研究与发展.  能源工程,  2001,  (2):  18-20. (责任编辑：泉水)

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