生物质利用 生物质能源的利用与研究进展

摘要:生物质能是可再生能源的重要组成部分，生物质能的开发利用对世界能源的发展具有重要意义。摘要:论述了生物质能的利用现状和转化技术，介绍了国内外生物质能开发利用的研究进展，分析了生物质能技术的发展趋势和面临的问题。

随着社会经济的快速发展，人类对能源的需求趋势也发生了变化。生物质能源具有资源丰富、可再生、低污染等优点，这使得其在人类生活和社会活动中的价值不断提高。据报道，生物质能已上升至仅次于煤炭、石油、天然气等化石能源的第四位，占全球一次能源消耗的14%。与传统的直接燃烧方式相比，现代生物质能更多的是通过热化学和生物化学的手段来利用，通过一系列先进的转化技术，产生固体、液体和气体等高级能源来替代化石燃料，为人类生产和生活提供电、交通燃料、热能和气体等终端能源产品。目前，生物质能作为一种可再生的低碳能源，具有巨大的发展潜力。现代生物质能利用技术的开发和研究对于替代或部分替代化石能源、保护生态环境、实现可再生资源的合理利用和人类社会的可持续发展具有重要意义。

1生物质能利用现状

1.1资源现状目前全球每年形成1800亿吨生物质，相当于3×1022J的能源，是全球实际能耗的10倍。在理想条件下，地球上的生物量潜力可以达到实际能耗的180 ~ 200倍。我国生物质资源主要来源于农林产业，可分为薪柴、秸秆、粪便、城市固体废弃物、海洋生物、污水和污油等。其中，薪柴秸秆因其热值高、产量高，占生物质资源利用率的94%，成为主要的可再生能源。在中国，秸秆年产量已超过7亿吨，但只有30%左右被用作造纸工业、建筑业和手工业的原料，其余被焚烧或丢弃。随意处置剩余秸秆不仅造成环境污染、能源浪费，还带来其他社会和经济损失1.2生物质能的主要利用途径在生物质能开发利用过程中，根据不同的生产工艺，可以形成不同类型的最终产品，提供电能、热能、运输能等能源。目前技术成熟、综合效益高的利用方式主要有厌氧发酵产沼气、燃料乙醇、生物质气化发电、秸秆固化成型等。此外，除了将生物质资源用于发电、供气和能源燃料生产外，秸秆等多功能生物质原料还可作为饲料、肥料、生物机械和工业原料进行综合开发利用。。因此，根据我国生物质能源的现状和技术水平，生物质资源的开发应主要利用农林生产中产生的有机废弃物。此外，世界各地，美国、巴西等国家也开展了能源植物的培育和种植，并对相应的能源产品的生产和开发进行了相关研究。

2生物质能利用技术及研究概况

生物质种类繁多，具有多样性和复杂性。因此，与化石燃料等其他能源相比，生物质能的利用技术更加复杂多样。随着技术发展和研究领域的不断扩大，生物质的利用不再局限于简单的燃烧手段，而是基于现代技术的进一步高效利用。目前，生物质能的系统利用技术相对成熟，转化利用手段主要分为直接燃烧技术、热化学转化和生化转化。目前，生物质能利用技术主要集中在通过不同转化途径的生物质固化、生物质气化和液化技术的研发上。

2.1固化成型技术固化成型技术是指利用无定形生物质为原料，在一定的温度和机械压力下，通过固化成型设备挤压成颗粒状、棒状和块状燃料，便于集中利用，从而改善生物质的原有性能，提高热效率。这种技术不仅可以用于城乡居民做饭，还可以用于农业生产燃料。经进一步除烟、炭化后，可制成清洁炭，达到高效、清洁、低CO2排放的效果。是一种简单可行的生物质能生产技术。随着生物质固化成型技术的发展，出现了很多成型工艺和成型机，但作为生产燃料，主要是常温成型和干料热成型。

生物质固化成型需要一定的预处理工艺，对原料的种类、粒径、含水率、成型温度都有一定的要求。经过固化成型后，为了进一步提高生物质成型燃料的使用价值，可以进行炭化，形成木炭。

生物质固化成型的工艺流程为:原料→预处理→干燥→成型→炭化→木炭。

自20世纪90年代以来，欧美、亚洲等国家开始在大量生活区应用生物质固化成型燃料。瑞典利用树皮、树枝、锯末和能源作物等森林废弃物生产固体型煤燃料的发展相当成熟，形成了从原料种植和收集到颗粒生产到配套应用和服务体系的完整产业链。日本改进了从国外引进的固化成型技术，研制了棒形燃料成型机及相关燃料设备，发展成为日本的压缩成型燃料工业体系。

近年来，我国对生物质固化成型技术的研究和设备的开发不断深化，取得了一定的研究进展。吴、等人通过建立生物质固化成型的微接触几何模型，推导出压辊压力与生物质颗粒表面斜角的直接数学关系，建立了生物质固化成型的分子电化学微观机理，解释了固化成型燃料燃烧点低的原因。陈晓卿等人通过实验研究了生物质热压制品表面裂纹形成的影响因素。结果表明，裂纹的形成与力学、原材料微观结构和环境介质有关。)，而材料在挤压中屈服强度后的塑性流动过程产生的剪应力是裂纹形成的根本原因。侯振东等人以玉米秸秆为原料，研究了秸秆固化成型过程中成型压力、温度和含水率对成型块质量的影响，选择成型压力60 ~ 90 MPa，加热温度75 ~ 100℃，含水率8% ~ 12%，生产出性能优良、便于储存和运输的成型块。生物质固化成型技术应用广泛，但作为一种能量转换方式，目前仍存在一些难以解决的关键技术问题，如物料压缩时螺杆的使用寿命、成型燃料的密度、炭化技术等。

2.2生化加工利用技术随着一次能源的大量消耗和储量的不断减少，生化加工利用技术作为一种新型生物质能源燃料，已经成为一个热门的研究领域，受到了广泛的关注。微生物发酵生物质生产沼气、酒精等能源产品的研究逐渐深入。

2.2.1生物质厌氧发酵产沼气。生物质厌氧发酵是在厌氧条件下，以动物粪便、秸秆和有机废水为原料，通过厌氧菌的代谢产生CH4、CO2等混合可燃气体的过程。目前，生物质厌氧发酵技术已经比较成熟，初步实现商业化，并开始面临大规模应用的发展。沼气池技术主要发展于20世纪80年代之前。在中国农村，秸秆和牲畜粪便通常用于厌氧发酵，沼气用于家庭烹饪燃料。20世纪80年代后，大型沼气工程层出不穷，以沼气技术为纽带的畜禽、沼气、果蔬三位一体的生态园区模式成为生态农业的发展重点，产业化大大加强。

厌氧发酵可分为干厌氧发酵和湿厌氧发酵。与湿发酵相比，干发酵技术具有许多优点，如节省发酵用水、节省管理沼气池所需的工时，以及更高的罐容量产气率，这已成为秸秆生物质回收的主要方式。目前，厌氧发酵技术的研究主要集中在扩大规模和提高厌氧发酵产气量上。

生物质秸秆厌氧发酵过程中，由于木质素与纤维素、半纤维素混合，纤维素等易分解物质不易被微生物分解，减少了产气。因此，秸秆厌氧发酵预处理也是研究的重要内容。杨运安等人进行了用白腐真菌生物预处理秸秆生产甲烷的实验。结果表明，与传统的发酵时间为45 ~ 90天、转化率约为50%的秸秆厌氧发酵相比，常温下经白腐真菌预处理20天的秸秆甲烷产量相对稳定，转化率达到47.63%。经过30天的连续发酵，甲烷转化率达到58.78%，大大缩短了时间。孙辰等人采用6%的氢氧化钠对稻草进行化学预处理，并研究了其厌氧发酵过程中的厌氧消化效率、产气量和COD去除率。结果表明，经氢氧化钠预处理的秸秆厌氧消化效率和产气量较未经氢氧化钠预处理的秸秆显著提高，日最大产气量、总产气量和化学需氧量去除率分别提高了61.34%、55.23%和48.72%。目前，基于厌氧发酵的沼气生产机理、工艺优化和反应器制备的研究已经相当广泛，但与国外现有厌氧发酵技术水平存在较大差距，实施大规模实际应用的条件尚不成熟，主要包括系统运行和自动化水平低，厌氧发酵相关技术和设备不完善。

2.2.2乙醇发酵。乙醇发酵使用糖等生物质。)，淀粉，木质纤维为原料，通过微生物发酵制造生物燃料乙醇。燃料乙醇根据添加乙醇的比例可分为替代燃料和燃料添加剂。其中，燃料酒精作为添加剂，可以增加氧气，抗爆，替代具有致癌作用的甲基叔丁基醚。目前，以糖和淀粉为原料制备燃料乙醇的成熟技术已在一些国家得到广泛应用。自20世纪70年代中期石油危机以来，一些国家，主要是美国和巴西，开始积极推动生物乙醇的发展计划，特别是21世纪以来，全球生物乙醇产量迅速扩大。全球可再生燃料联盟和F.O.Licht于2月14日联合发布了全球年度乙醇产量预测报告，指出2011年全球乙醇产量有望达到887亿l，满足全球每天更多替代原油的需求。据预测，2011年全球乙醇产量增长3%以上，高于2010年858亿升的产量数据。目前，全球乙醇产量已超过每年5.5亿桶。作为世界上最大的生物燃料乙醇生产国和使用国，美国占世界乙醇燃料产量的一半以上。

在加拿大，木材原料生产乙醇的产量为17万吨。比利时每年以甘蔗为原料，生产的乙醇量超过3.2万吨。但受玉米、小麦等经济作物价格影响，各国乙醇燃料产量增长缓慢。由于玉米乙醇的生产以粮食作物为原料，需要占用大量耕地，与国家粮食安全相矛盾，无法进行规模化生产，从燃料生产成本的角度看，没有经济意义。近年来，从粮食作物向非粮食作物的转变开始兴起，欧美等国家在以纤维素和木质素为原料的生产技术路线和工业实践上投入巨资。因此，开发利用秸秆等农林废弃物植物纤维为原料，用工业微生物代替酵母生产现代生物燃料乙醇将成为未来工业发展的必然途径。

根据当前国情的要求，我国燃料乙醇生产正逐步走向“非粮化”的发展道路，燃料乙醇产量呈几何级增长。目前，中国最大的燃料乙醇生产商中粮集团开始建设500吨/年的纤维素乙醇试验装置，纤维素转化率超过90%，半纤维素转化率超过95%，糖转化率超过85%等。，其关键技术指标处于行业领先地位，接近国际先进水平。国内研究者主要开展木质纤维素乙醇发酵的实验研究。鲁鹏等人提出了减少预处理发酵抑制剂和综合利用混合糖进行发酵两个要点，并采用改变预处理方法来提高发酵菌株对混合糖底物的利用能力和产乙酸能力，从而提高乙酸转化率。丁、等。采用硅橡胶膜渗透汽化分离和酵母细胞固定床耦合组成的连续发酵系统，实现了酵母菌固定化和产物乙醇的原位连续分离，提高了乙醇发酵密度，降低了产物的抑制作用。

2.3热化学转化技术热化学转化是生物质转化技术中能量利用的重要手段。通常以木质素、纤维素为原料，通过热解、炭化、气化等热加工技术，获得焦油、木炭、低热值可燃气体等优质能源产品。

2.3.1热解和气化。生物质热解气化技术主要利用秸秆、锯末等农林废弃物，在气化反应器中高温缺氧条件下进行热解气化反应，生成含有一氧化碳、氢气和低分子碳氢化合物的可燃气体。生物质热解气化技术一般采用空气体、氧气和水蒸气作为气化介质。气化炉是生物质热解气化的主要工作设备。

目前国内使用的生物质气化器有两种:流化床和下吸式固化床。根据不同的气化方法、气化介质和条件，可以获得不同热值的生物质气体，从而调节气体中一氧化碳、二氧化碳和H2的比例，可应用于供热、供气、发电、液体燃料合成和制氢等不同场合。我国生物质气化技术主要用于集中供气和中小型气化发电，部分用于工业锅炉供热。

国内外对生物质气化和热解机理的研究表明，生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，它们在生物质中紧密结合成一个有机整体。因此，其热解行为被认为是这三种主要组分热解的综合作用。Raveendran利用热重分析仪和填充床热解反应器研究了14种生物质原料和几种主要组分的热解特性。研究表明，在不同的温度范围内，生物质热解的主要分解物质是不同的。一般来说，当温度较低时，生物质中易分解的结构单元开始热解，一些复杂的化合物发生热解反应生成更简单的化合物。无机气体和烃类气体大部分被侧链上的含氧官能团和脂肪烃分解，半纤维素的分解占这一阶段，当温度达到300 ~ 500℃时，生物质中的大结构单元被热解，产生生物质焦油，纤维素成为主要热解对象。

此时，纤维素的聚合度迅速降低，与低温碳化形成竞争过程。当纤维素聚合度降至200时，纤维素内部结构被破坏，同时存在解聚反应，产生一些气态小分子产物。而CO是由半纤维素产生的挥发性成分中不稳定的羰基断裂产生的，很大程度上CO的产生是由于挥发性成分的二次裂解。在此期间，木质素迅速热解，失重超过50%，主要产生片状焦炭。当温度继续升高到500 ~ 700℃时，木质素热解固体产物的产率降低，而液体产物的产率随着温度的升高而增加，并析出大量的甲醇、乙醛、低分子烃等挥发性组分。许多研究人员认为，生物质的热解行为可以视为纤维素、半纤维素和木质素独立热解的线性叠加。

自20世纪70年代以来，国外研究者，尤其是发达国家的研究者，在相关领域做了大量的研究工作。Gahly等人首次提出将气化技术应用于低能量密度的生物质燃料，生物质气化的研究开始逐渐活跃起来。亚历克西斯等人设计了一种木材气化生产合成天然气的工艺流程。研究表明，该工艺可将木材转化为管道质量的甲烷，热效率高达57.9%，热值低。此外，美国、瑞典、德国、意大利等国家已经准备在生物质气化技术领域处于领先水平。发达国家在生物质发电和生物质气化联合循环发电技术上已达到4 ~ 63 MW的规模，发电效率达到35% ~ 40%以上。美国有350多个生物质发电站，主要利用木材废料、城市固体废物和其他废物作为生物质发电的原料。生物质发电总装机容量超过1000万千瓦。目前，生物质能产业已成为美国仅次于水电的第二大可再生能源。

近年来，该领域的研究方向逐渐扩大，其中生物质焦油裂解、生物制氢、生物质合成气制备等技术成为研究热点之一，国内研究人员也进行了大量的实验研究。孙云娟等以锯末为原料，研究了不同产地白云石催化焦油裂解过程，分析了裂解温度、催化类型和反应停留时间对焦油转化效果和可燃气体热解的影响。结果表明，裂解温度越高，停留时间越长，焦油的裂解效果越好，不同催化剂的裂解效果明显不同。煅烧后白云石的比表面积是决定裂化效果的最重要因素。王铁军等人利用空生物质的燃气-蒸汽气化制备富氢气体，结合沼气重整富氢气体的工艺，调整合成气的化学当量比，用制备的沼气合成气一步合成二甲醚，二甲醚的最大产量为0.244kg/kg同时，国内一些研究机构和高校也开展了生物质气化合成液体燃料的研究工作，并取得了一定的成果。例如，山东科技大学成功开发了垃圾分段热解气化技术，使城市生活垃圾在还原气氛中反应，避免了二恶英的产生，很好地解决了二次污染问题。运行中产生的气体含有大量的甲烷、一氧化碳、氢气等可燃气体，可作为工业气体使用。。

2.3.2生物质液化中的石油生产。在利用生物质作为含能材料的过程中，由于固体生物质结构松散、能量密度低，直接燃烧方式不容易循环、储存和利用。通过热化学转化过程，生物质可以最大限度地转化为高能量密度的液体燃料，大大提高了附加值，便于储存和运输。不同的生物质原料产生不同的生物质液化产物。液体燃料产品主要包括生物油、生物柴油、乙醇和二甲醚，可以替代石油能源产品，成为汽车的替代燃料。

由固体生物质制备生物油有两种热化学转化方法:直接液化和间接液化。直接液化包括高压液化和快速热解液化，间接液化是先将生物质热解气化，然后将生成的气体炼制成燃料油。直接液化产品主要是生物原油，也含有一些气体和固体残渣。生物油与石油相比，在分子量、化学组成等理化性质上有很大差异，除碳和氢外，还含有35% ~ 48%的氧。在液化过程中，由于氧的活性性质，生成的生物原油往往含有酸、醛、酚等含氧化合物，这不仅增加了液化研究的难度，也决定了生物原油热值低、稳定性差、腐蚀性强的特点，因此必须进行精制，以达到降低氧含量、提高热值的目的。精制生物油可代替汽油和柴油用作燃料油。

生物质高压液化是指生物质在溶剂存在下，于200 ~ 400℃，5 ~ 25 MPa，2分钟至数小时内液化。生物质高压液化是原料中纤维素、半纤维素和木质素的解聚和脱氧过程。在高压下，可以抑制纤维素和半纤维素的解聚，减少气体的产生。研究人员发现，使用不同的原料进行高压液化，生物油的组成和产量是不同的。一些研究结果表明，原料中木质素的含量对液化产率有一定的影响，但不同的研究者对木质素的影响有不同的结论。迪特里希液化云杉、桦木、甘蔗渣、麦草、松树皮、纤维素和木质素为原料。结果表明，随着原料中木质素含量的增加，液体收率增加。木质素液化的液体产率可达64%，而纤维素和松树皮液化的液体产率仅为20% ~ 30% 。Demirbas认为，木质素含量越高，液体产品的产率越低，焦比越高。

这可能与研究人员选择的不同溶剂和液化条件有关。除了原料类型、催化剂和溶剂、反应温度和时间外，反应压力和液化气氛也是高压液化过程的主要影响因素。中国研究人员也对高压液化做了一些研究。陆、等研究了纤维素在近临界水中的分解动力学以及不同温度下停留时间对产物分布的影响生物质快速热解液化是在传统热解基础上发展起来的技术。与传统的热解不同，它在适当的温度下使用超高的加热速率，使生物质中的大分子有机聚合物在短时间内快速断裂成断链小分子，产生的可冷凝气体可以快速冷却液化，从而最大限度地减少焦炭和气体的产生，最大限度地增加液体产物。。结果表明，在压力为25兆帕、预热水流量与浆体流量比为1∶1、浆体槽固含量为0.05%、初始纤维素含量为0.25%的实验条件下，纤维素水解的表观活化能为147千焦/分钟，表明纤维素可在近临界水中选择性分解。白鲁刚等人反应器是生物质快速热解液化技术的核心。目前国内外符合工业规范的生物质热解液化反应器主要有流化床、循环流化床、烧蚀、旋转锥、排水床和true 空移动床反应器等。目前，除了热化学转化制备生物油的研究外，生物柴油、乙醇等石油燃料的制备技术也比较成熟，通过调整工艺和制备条件进一步探索转化工艺。.美国太阳能研究所使用的涡流反应器中生物油的产率可达55%，而在加拿大ENSYN的上流式循环流化床反应器中，沙子被用作热载体，这减小了设备尺寸，缩短了气相停留时间，并将生物油产率提高到65%3发展趋势和问题。研究了煤和生物质的共液化过程，选择黄铁矿作为煤和生物质共液化的催化剂。

3.1发展趋势生物质能的开发利用已成为解决能源危机的重要发展方向。从资源利用的角度来看，农业和林业已经成为发展生物质能的基础。能源植物和作物的培育和优化已成为生物质能大规模发展的保障。当今，生物质能的开发利用技术日益多样化，目标是寻求更有效的途径获得清洁能源，实现资源的综合利用。未来几年，生物质在生物动力、生物燃料和生物制品领域的应用将大幅增加，市场价值预计将大幅增加。

3.2面临的问题在实际研究和应用中也面临着来自资源和技术的诸多问题。在我国，能源植物的培育和栽培尚未达到大规模应用的条件，受土地利用的限制，全面推广生产不可行。在技术手段上，生物质能的转化和利用仍然以传统的低效直接燃烧为主，在亚洲和非洲等发展中国家，这种传统的生物质能利用手段仍然占有很高的比例。此外，技术瓶颈已成为制约生物质能源发展的主要问题。以粮食作物为主的燃料乙醇和生物柴油行业的可持续性存在严重问题。同时，非粮生物质液体燃料产业化进展缓慢，生产核心技术尚未突破，产品质量不稳定，影响产业化发展。生物质发电虽然取得了重要进展，但受到过度投资和运营成本高的严重制约。近年来，我国主要集中在中小型生物质气化发电技术，但其他生物质发电技术，如直接燃烧和混合燃烧，研究较少，缺乏实际应用经验，技术类型低，整体研发能力差。因此，与国外的研究进展和成果相比，我国生物质能技术研究起步较晚，存在关键技术研发周期长等缺点。要加强对外交流与合作，借鉴国外先进技术和工艺，自主开发与技术引进相结合。

4结论

生物质能源资源丰富，如果得到充分利用，不仅可以减少环境污染，而且是未来解决能源危机的唯一途径。目前，世界各国越来越重视生物质能的研究，积极采取相应的经济支持和政策支持，加大对生物质能转化利用技术的投入。生物质能产品因其性能优势而具有广泛的应用空。随着气化、制油和制氢技术的不断突破，产生了更清洁、更廉价的能源，这对能源的有效利用和可持续发展具有重要意义。