摘要：生物质能源是可再生能源的组成部分。生物质能源的开发利用为能源和生态问题的解决提供了一条新的思路。为此,对近年来国内外生物质能源利用技术的实际应用前景和最近的研究进展进行了综述。

关键词：生物质能源；利用技术；应用前景；研究进展

随着社会经济的飞速发展，人类对能源的需求趋势也随之改变。生物质能源因其具有资源丰富、可再生、低污染等优点，使得其在人类生活和社会活动中的价值不断提高。据报道，生物质能已上升为仅次于化石能源煤、石油和天然气之后的第4位能源，占世界一次能源消耗的14%。与传统的直接燃烧方式相比，现代生物质能源的利用更多的是借助热化学、生物化学等手段，通过一系列先进的转换技术，生产出固、液、气等高品位能源来代替化石燃料，为人类生产、生活提供电力、交通燃料、热能、燃气等终端能源产品。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。针对现代生物质能源利用技术的开发和研究，对替代或部分替代化石能源，保护生态环境，实现再生资源的合理利用及人类社会的可持续发展意义重大。

1 生物质与生物质能源

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以及农林废弃物和城市固体有机垃圾等。生物质的硫含量、氮含量低，燃烧过程生成的SO2、NOX较少，由于其 CO2的排放量与其生长时吸收的量相当，可有效减轻温室效应和环境污染。生物质能是以生物质为载体的能量，它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用。地球上的植物每年通过光合作用合成大约1400～1 800Gt的干生物质，其中蕴含的能量可达目前全球每年总能耗的10倍，在世界能耗中生物质能约占14%，在不发达地区占60%以上。全世界约20亿人90%以上的生活能源是生物质能。我国生物质能资源量每年4.87亿t油当量，其中有约3.7亿t可用于发电和供热，占总量的 76%。目前全球生物质能消费量仅次于煤、石油、天然气，居第四位。

生物质能具有许多优点：①生物质能资源分布十分广泛，远比石油丰富，且可不断再生；②从生物质能资源中提取或转化得到的能源载体更具有市场竞争力；③开发生物质能源资源，可以促进经济发展，提高就业机会；具有经济与社会双重效益；④在贫瘠或被侵蚀的土地上种植能源作物或植被，可以改良土壤、 改善生态环境、提高土地的利用程度；⑤城市内燃机车辆使用从生物质资源提取或生产出的甲醇、液态氢，利于环境保护。生物质能的开发和应用越来越受重视，其资源丰富、应用广泛且可持续利用，可转化为常规的固态、液态和气态的燃料或其他化学品。

2 生物质应用前景

我国能源资源总量较为丰富，但人均占有量低，人均煤炭、石油和天然气储量分别仅为世界平均水平的56.3%、7.7% 和7.1%。近年来，随着我国经济社会的快速发展，能源需求持续增长，供求矛盾日益突出。2005 年我国一次能源生产总量为20.6亿t标准煤，能源消费总量达到22.3亿t标准煤；石油净进口量1.4亿t，对外依存度超过40%。有关专家测算，如果充分利用我国目前的农业生物质能资源，可新增5亿t左右标准煤，约占全国一次能源生产总量的24%。积极发展农业生物质能产业，对缓解化石能源供应紧张局面、优化能源结构、保障国家能源安全、建立稳定的能源供应体系具有重大意义。因此，我国生物质能的开发已被列入国家能源发展战略规划中。

我国在“中国21世纪议程——中国21世纪人口、环境与发展”中明确指出：中国要实现经济快速发展，就必须把开发利用新能源和可再生资源放到国家能源发展战略的优先地位，加强对生物质能的开发利用，尽快利用以生物质生产清洁液体燃料的技术。若能推广“能源农业、能源林业、能源工业”一体化发展模式来发展生物质能产业，使2020年的生物质资源总量达到15亿吨标准煤，并将其中 50%的资源用于生产液体燃料，届时可为我国石油市场提供2亿t液体燃料。生物质能在我国可持续发展战略中具有重要地位，主要表现在以下几个方面：①.以新技术转化生物质的能源利用方式，可大幅度提高农村能源利用效率。②.因地制宜地利用当地生物质能资源（秸秆、薪柴、谷壳和木屑等），建立分散、的离网电站或并网电站，可以弥补我国电力供应的缺口（我国每年人均用电不到 1000KW•h，只用韩国的 1/5 左右，而人均生活用电更低，只有 110 KW•h左右，拥有广阔的市场前景。③.生物质的能源利用可根本解决我国农村普遍存在的而又始终无法根治的“秸秆问题”，避免作物秸秆成为废弃物被遗弃在田间地头，甚至就地焚烧，并影响高速公路、航空交通和人民生活。

生物质的能源利用可带来一系列生态、社会和经济效益。生物质能利用不仅可消纳各种有机废弃物，消除其对环境放入负面影响，推动农村和城镇的现代化建设；而且，由于能源农业和能源林业的大规模发展，将有效地绿化荒山野岭，减轻土壤侵蚀和水土流失，治理沙漠，保护生物多样性，促进生态的良性循环。同时，现代生物质能一体化系统的建设将促进现代种植业的发展，成为农村新的经济增长点，增加农民就业机会，改善生活环境，提高农村居民收入，振兴农村经济。

3 生物质能源技术进展

3.1生物质成型燃料工艺研究进展

根据不同的工艺特征，原料压缩成型工艺分类不同：在是否添加粘结剂上可分为加粘结剂和不加粘结剂的成型工艺；在原料加温方式上可分为常温成型、热压成型和炭化成型；在原料是否预处理上分为干压成型与湿压成型。就目前而言， 使用比较广泛的压缩成型工艺为炭化成型、冷压(湿压)成型和热压成型。

近年来，我国围绕生物质固化成型技术的研究和设备的开发不断深入，取得了一定的研究进展。吴云玉等通过建立生物质固化成型的微观接触几何模型推导获取了压辊压力与生物质颗粒表面斜角直接的数学关系，并建立了生物质固化成型的分子电化学微观机理，说明了固化成型燃料燃烧点低的原因。陈晓青等通过试验研究了生物质热压成型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、原料的微观组织及环境介质(含水率或温度等)均有关挤压中材料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。侯振东等以玉米秸秆为原料，研究了秸秆固化成型工艺中成型压力、温度及含水率对成型块品质的影响，选取成型压力为60～90 MPa，加热温度为75～100℃，物料含水率在 8%～12%的工艺条件，生产出性能优良便于储运的成型块。生物质固化成型技术应用范围广，但作为能源转化的途径，目前仍有一些关键技术问题难以解决，如物料压缩时螺杆的使用寿命、成型燃料的密度及碳化技术等。

3.2 生物质厌氧发酵产沼气

生物质厌氧发酵是生物质在厌氧条件下，以动物粪便、秸秆、有机废水等为原料，通过厌氧细菌的代谢作用产生CH4和CO2等混合可燃气体(沼气)的过程。

厌氧发酵可分为干式厌氧发酵和湿式厌氧发酵。相比于湿发酵，干发酵技术具有节约发酵用水、节省管理沼气池所需工时、池容产气率较高等优点，成为秸秆类生物质进行资源化利用的主要途径。目前对厌氧发酵技术的研究主要集中在规模的扩大化及厌氧发酵产气量的提高上。在对生物质秸秆进行厌氧发酵过程中，由于其中含有木质素与纤维素和半纤维素混杂交联，使纤维素及其他易分解物质难以被微生物分解，降低了产气量，因此，秸秆厌氧发酵的预处理也是研究的一个重要内容。杨玉楠等进行了利用白腐菌对秸秆生物预处理后发酵产甲烷试验，结果表明，与发酵时间在45～90d，转化率在 50% 左右的传统秸秆厌氧发酵相比，经过白腐菌室温下20d预处理后的秸秆，发酵15d甲烷产量已相对稳定， 转化率达到47.63%，继续发酵至30d后，甲烷转化率达到58.78%。大大缩短了发酵周期，提高了甲烷转化率。孙辰等采用 6%的NaOH对稻草秸秆进行化学预处理，研究了其在厌氧发酵过程中厌氧消化效率、产气量及COD 的去除情况。结果表明，与未经 NaOH 预处理相比，经过 NaOH 化学预处理后的稻草秸秆在厌氧消化效率和产气量上有了显著提高，最大日产气量、总产气量及 COD 去除率分别提高了61.34%、55.23%、4872%。

3.3 乙醇发酵

乙醇发酵是以糖类(甘蔗、甜菜等)、淀粉(玉米、谷类等)、木质纤维(秸秆、 蔗渣等)等生物质为原料，利用微生物发酵制成生物燃料乙醇。燃料乙醇可根据乙醇添加比例的高低分为替代燃料和燃料添加剂两种类型。

根据当前国情要求，我国的燃料乙醇生产逐步走向“非粮化”的发展道路， 燃料乙醇产量呈几何级数增长。目前，国内最大的燃料乙醇生产商中粮集团启动建设的年产500t的纤维素乙醇试验装置，纤维素转化率超过了90%、半纤维素转化率超过 95%、糖转化率超过 85%等，其多项关键技术指标在行业内均处于领先地位，已接近国际先进水平。国内研究者主要是开展针对木质纤维素乙醇发酵的试验研究。路鹏等提出了减少预处理发酵抑制物和综合利用混合糖类进行发酵的两大关键点，并采用改变预处理方法，提高发酵菌种对混合糖底物的利用能力和产乙酸能力，来提高乙酸的转化率。丁文武等采用硅橡胶膜渗透汽化分离与酵母细胞固定床耦合构成的连续发酵系统，实现酵母细菌固定化与产物乙醇的原位连续分离，提高了乙醇发酵密度，减少了产物的抑制作用。

3.4 热解气化

生物质的热解气化技术主要利用秸秆、锯沫等农林废弃物，在气化反应器中高温缺氧条件下，发生热解气化反应，生成含一氧化碳、氢气和低分子烃类的可燃气体。

近年来，该领域的研究方向正逐步拓宽，其中生物质燃气焦油裂解、生物制氢、生物质合成气制备等技术成为研究重点之一，我国的研究者也开展了大量试验研究。孙云娟等以木屑为原料，研究了不同产地白云石催化作用下的焦油裂解过程，分析了裂解温度、催化类型和反应停留时间等对焦油转化效果和热解可燃气的影响。结果表明，裂解温度越高，停留时间越长时焦油的裂解效果越好， 且不同催化剂的裂解效果有明显差异，白云石煅烧处理后的比表面积是决定裂解效果优劣的最重要因素。王铁军等就采用空气－水蒸汽气化生物质制备富氢燃气，结合沼气重整富氢燃气的工艺过程，调整合成气化学当量比，并以制备的生物气合成气一步合成二甲醚，且二甲醚的最大产量为0.244 kg/kg(DME/生物质)。同时，国内的一些研究机构和高校等还开展了生物质气化合成液体燃料等技术方面的研究工作，并取得了一定成果。如山东科技大学成功研发了垃圾分级热解气化技术，让城市生活垃圾在还原性气氛下发生反应，避免二噁英的生产，很好地解决了二次污染问题，运行过程中所生成的气体含有大量甲烷、一氧化碳和氢气等可燃气，可用于工业燃气。

结语

生物质能资源丰富，若能充分利用，不仅能够减少环境污染，而且还是解决未来面临能源危机的必由之路。目前，世界各国越来越重视对生物质能源的研究， 积极采取相应的经济支持和扶持的办法加大对生物质能转化利用技术的投入。生物质能源产品因其性能优势，使得技术开发有着广阔的应用空间。随着气化、制油、制氢等研究在技术上的不断突破，产出更为清洁价廉的能源，这对于能源的有效利用和可持续发展都具有重要意义。

参考文献

[1] 　 赵邵松，刘 禹，张 苏.木质生物质能源技术的发展创新[J] .林木机械与木工设备,2012,40(4)：10－14.

[2] 　 李 平，蔡 鸣，陈正明. 生物质固体成型燃料技术研究进展及应用效益分析[J].安徽农业科学, 2012,40(14):8284－8286,8306

[3] 　 冯丽敏. 生物质能产业化前景分析 [J].农业科技与装备, 2010(2):8－11.

[4] 　 马 君，马兴元，刘 琪. 生物质能源的利用与研究进展[J] .安徽农业科学, 2012,40(4):2202－2206 .

[5] 　 田水泉，张立科，杨风岭. 生物质能源化学转化技术与应用研究进展[J].安徽农业科学，2011，39(3):15－18，1650.

[6] 　 马春红，李运朝，李晓. 生物质能源研究进展与前景展望[J]. 河北农业科学, 2011,15(3): 117-121.

[7] 　 李 琳，郑 骥. 我国生物质能行业发展现状及建议[J] .中国环保产业. 2010,13(5) : 24-31.下载本文