【摘 要】 本文分析了生物質(zhì)能源的特點以及我國生物質(zhì)能源開發(fā)利用的現(xiàn)狀,提出要解決我國的物質(zhì)能源緊缺的問題,首選的策略是用生物質(zhì)能源作為替代能源。社會各方面要緊密配合,協(xié)調(diào)科研、企業(yè)、地方政府的力量,為生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)的形成和發(fā)展提供技術(shù)支撐。
【關(guān)鍵詞】 生物質(zhì)能源;開發(fā)利用;對策
生物質(zhì)能源指由植物的光合作用固定于地球上的太陽能,通過生物鏈轉(zhuǎn)化為地球生物物質(zhì)形態(tài),經(jīng)過加工為社會生活提供原料的能源。通過生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換技術(shù)可以高效地利用生物質(zhì)能源,生產(chǎn)各種清潔燃料,替代煤炭、石油和天然氣等燃料,從而減少對礦物能源的依賴,保護能源資源,減輕能源消費給環(huán)境造成的污染。生物質(zhì)能源將成為未來能源的重要組成部分,據(jù)估計,到2015年,全球總能耗將有40%來自生物質(zhì)能源。
我國是一個人口大國,又是一個經(jīng)濟迅速發(fā)展的國家,21世紀將面臨著經(jīng)濟增長和環(huán)境保護的雙重壓力。因此,改變能源生產(chǎn)和消費方式,開發(fā)利用生物質(zhì)能對建立可持續(xù)的能源系統(tǒng),對促進國民經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護具有重大意義。
一、生物質(zhì)能源的特點和分類
1、生物質(zhì)能源的特點
(1)污染小。生物質(zhì)能源在燃放過程中產(chǎn)生二氧化碳,排放的二氧化碳可被等量生長的植物光合作用吸收,實現(xiàn)二氧化碳零排放,這對減少大氣中的二氧化碳含量及降低“溫室效應(yīng)”極為有利。
(2)蘊含量巨大,可再生。只要有陽光存在,綠色植物的光合作用就不會停止,生物質(zhì)能源就不會枯竭。
(3)具有普遍性、易取性特點。生物質(zhì)能源存在于世界上各個國家和地區(qū),而且廉價、易取,生產(chǎn)過程十分簡單。
(4)可儲存和運輸。在可再生能源中,生物質(zhì)能源是唯一可以儲存與運輸?shù)哪茉矗瑸槠浼庸まD(zhuǎn)換與連續(xù)使用提供方便。
2、生物質(zhì)能源分類
(1)農(nóng)林廢棄物。農(nóng)林廢棄物包括農(nóng)業(yè)廢棄物和林業(yè)廢棄物。農(nóng)業(yè)廢棄物指的是農(nóng)作物收獲時農(nóng)田中產(chǎn)生的殘余物,可以利用的有谷物、根莖作物和甘蔗殘余物等。林業(yè)廢棄物指的是木材加工部門從原材料制造各種木質(zhì)一次制品時產(chǎn)生的廢物,以及木材利用部門以一次制品為原料形成建筑物等二次產(chǎn)品時產(chǎn)生的廢物。
(2)有機污水。有機污水指的是豐富有機物質(zhì)的排放廢水,其中包括工業(yè)污水、農(nóng)業(yè)污水以及生活污水等。由于清潔、高效、可再生等突出特點,氫氣作為能源日益受到人們的重視。利用工農(nóng)業(yè)有機廢水等廉價的復(fù)雜基質(zhì)來制取氫氣,能使廢物質(zhì)得到資源化處理,降低生產(chǎn)成本。
(3)禽畜糞便。禽畜糞便也是一種重要的生物質(zhì)能源。除在牧區(qū)有少量的直接燃燒外,禽畜糞便主要是作為沼氣的發(fā)酵原料。
(4)城市固體廢棄物。城鎮(zhèn)生活垃圾主要是由居民生活垃圾,商業(yè)、服務(wù)業(yè)垃圾和少量建筑垃圾等廢棄物所構(gòu)成的混合物,有以下特點:一是垃圾中有機物含量接近1/3甚至更高;二是食品類廢棄物是有機物的主要組成部分;三是易降解有機物含量高。目前中國城鎮(zhèn)垃圾熱值在4.18兆焦/千克(1000千卡/千克)左右。
二、國外生物質(zhì)能源開發(fā)利用現(xiàn)狀
自從1981年8月在內(nèi)羅畢召開聯(lián)合國新能源和可再生能源會議以來,許多國家對能源、環(huán)境和生態(tài)問題越來越重視,特別是利用現(xiàn)代新能源技術(shù)和新材料來開發(fā)包括生物質(zhì)能在內(nèi)的新能源,備受各國關(guān)注。目前,生物質(zhì)能的技術(shù)研究和開發(fā)利用已成為世界重大熱門課題之一,許多國家都制定了相應(yīng)的開發(fā)研究計劃,如日本的陽光計劃、印度的綠色能源工程、巴西的酒精能源計劃等,其中生物質(zhì)能源的開發(fā)利用都占有相當大的比重[1]?,F(xiàn)在,國外有許多生物質(zhì)能利用技術(shù)與設(shè)備已達到了商業(yè)化應(yīng)用的程度,實現(xiàn)了規(guī)模化產(chǎn)業(yè)經(jīng)營。[2]
1、美國
美國生物質(zhì)能利用占能源消耗總量的4%左右[3]。用生物質(zhì)能發(fā)電總裝機容量已超過10000MW,單機容量達10~25MW。紐約的斯塔藤垃圾處理站投資20000萬美元,采用濕法處理垃圾,回收沼氣,用于發(fā)電,同時生產(chǎn)肥料;開發(fā)出利用纖維素廢料生產(chǎn)酒精技術(shù),建立了1MW的稻殼發(fā)電示范工程,年產(chǎn)酒精2500t。
美國通用STM公司研制出的STM4—120發(fā)動機被美國能源部評價為世界上最先進的斯特林發(fā)動機,可與沼氣技術(shù)或生物質(zhì)氣化技術(shù)相結(jié)合,構(gòu)成50kW左右的村級生物質(zhì)能發(fā)電系統(tǒng)。普林斯頓大學(xué)能源與環(huán)境中心,在研制以生物質(zhì)燃氣為燃料,發(fā)電功率為200kW的小型燃料電池/燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)。[4]
2、巴西
生物質(zhì)能在巴西能源利用量中約占25%左右,其中薪柴和甘蔗占生物質(zhì)能的50%~60%,其余是農(nóng)業(yè)廢棄物。巴西是乙醇燃料開發(fā)應(yīng)用最有特色的國家,實施了世界上規(guī)模最大的乙醇開發(fā)計劃(原料主要是甘蔗、木薯等),目前乙醇燃料已占該國汽車燃料消費量的50%以上。[5]
3、歐洲
歐洲是生物質(zhì)能開發(fā)利用非?;钴S的地區(qū),新技術(shù)不斷出現(xiàn),并且在較多的國家得以應(yīng)用。近十多年來,歐共體開展了將木料氣化合成甲醇的研制工作,先后已有數(shù)個示范廠,德國已廣泛應(yīng)用含1%~3%甲醇的混合汽油供汽車使用,在法國、捷克、瑞典、西班牙、前蘇聯(lián)等國,都在開發(fā)應(yīng)用甲醇和乙醇的液體燃料。在荷蘭、英國、比利時、希臘、葡萄牙等國,開展了用生物質(zhì)熱解法制取生物油的研究,生物油經(jīng)改性后可作液體燃料。歐洲有的國家還利用植物油作燃料的開發(fā)和研究。英國在研究應(yīng)用基因技術(shù)改良油菜品種,以期提高產(chǎn)量,并使菜籽中的脂肪酸碳鏈由18個碳原子縮短到8個左右,獲得優(yōu)質(zhì)菜籽燃油。瑞典在研究用適當配比菜籽油和甲醇的方法,獲得生物柴油。[6,7]
4、印度
印度年產(chǎn)薪柴0.284億噸左右,工業(yè)廢棄物和農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物(秸稈等)年產(chǎn)2.46億噸。在發(fā)展中國家,印度的生物質(zhì)能開發(fā)利用搞得比較好,以前沼氣應(yīng)用比較多,近期生物質(zhì)壓縮成型、氣化技術(shù)等進展顯著。
三、我國生物質(zhì)能源開發(fā)利用現(xiàn)狀
從生物質(zhì)能的資源總體構(gòu)成來看,目前我國農(nóng)村中生物質(zhì)能約占全部生物質(zhì)能的70%以上,其他主要是城鎮(zhèn)生活垃圾、污水和林業(yè)廢棄物,而從先進國家目前的生物質(zhì)資源和利用來看,其主要構(gòu)成均都是以林業(yè)廢棄物和薪炭林為主。我國急需薪炭林技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)工藝水平的提高,面對上述情況,我國政府部門要求科研單位和有關(guān)組織抓緊生物質(zhì)能新技術(shù)的研究與應(yīng)用,制定了許多相關(guān)政策與規(guī)劃并付諸實施,在上下共同努力過程中,經(jīng)過20年左右的時間,我國生物質(zhì)能開發(fā)利用取得了長足的進步。
1、沼氣
20世紀90年代以來,我國沼氣建設(shè)一直處于穩(wěn)定發(fā)展的勢態(tài)。到2006年底,全國農(nóng)村戶用沼氣達到2260萬戶左右。到2010年,全國將有4000萬農(nóng)戶用沼氣,達到適宜農(nóng)戶的30%左右;全國規(guī)?;B(yǎng)殖場大中型沼氣工程總數(shù)達到4700處左右,達到適宜畜禽養(yǎng)殖場總數(shù)的39%左右;以沼氣及沼氣發(fā)酵液、沼渣在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的直接利用為主的沼氣綜合利用技術(shù)得到迅速應(yīng)用,已達到339萬戶,其中北方的“四位一體”能源生態(tài)模式21萬戶,南方的“豬—沼—果”能源生態(tài)模式81萬戶。
2、生物質(zhì)氣化
經(jīng)過十幾年的研究、試驗、示范,生物質(zhì)氣化技術(shù)已基本成熟,氣化設(shè)備已有系列產(chǎn)品,產(chǎn)氣量由200~1000m3/h,氣化效率達70%以上。到2010年,全國建成400個左右秸稈固化成型燃料應(yīng)用示范點,秸稈固化成型燃料年利用量達到100萬噸左右;建成1000處左右秸稈氣化集中供氣站,年產(chǎn)秸稈燃氣3.65億立方米。以前用固定床氣化爐,以稻殼為原料進行氣化發(fā)電,規(guī)模較小?,F(xiàn)在國內(nèi)已有數(shù)處用流化床氣化爐,可以用稻殼、鋸末乃至粉碎的秸稈為原料進行氣化發(fā)電,“九五”期間氣化發(fā)電站規(guī)模達1000kW,“十五”期間建造4000kW左右的氣化發(fā)電站,全國生物質(zhì)氣化發(fā)電站數(shù)量有望增至30個左右。
3、薪炭林
自1981年起,我國開始有計劃地建設(shè)薪炭林,目前已建成472萬多公頃,總面積達到540萬公頃,加上其他森林年合理生產(chǎn)薪材能源約一億噸標準煤,發(fā)展薪炭林對緩解當?shù)剞r(nóng)村能源緊張,保護森林資源、林草植被和生態(tài)環(huán)境,促進農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展起到了積極的作用。生物質(zhì)能利用技術(shù)又有新的發(fā)展。
4、生物質(zhì)壓縮成型及其他技術(shù)
我國已研制出螺旋擠壓式、活塞沖壓式和環(huán)模滾壓式等幾種生物質(zhì)壓縮成型設(shè)備,其中螺旋擠壓式壓縮成型機推廣應(yīng)用較多,有關(guān)單位對擠壓螺桿的耐磨性作了較深入的研究,延長了它的使用壽命。全國現(xiàn)有生物質(zhì)壓縮成型廠35個。生物質(zhì)經(jīng)壓縮成型后可直接用作燃料,也可經(jīng)炭化爐炭化,獲得生物炭,用于燒烤和冶金工業(yè);還可生產(chǎn)塊狀飼料。
5、生物柴油
生物柴油是利用植物油脂或動物油脂等可再生資源制造出來、可替代石化柴油的清潔安全的新型燃料,具有可再生、燃燒污染物排放低、溫室氣體排放低等特點。由于生產(chǎn)成本略低于普通柴油,具有很強的市場競爭力。生物柴油實質(zhì)上就是脂肪酸低碳醇酯,其中主要是甲酯。脂肪鏈長在8~22的各種動植物油脂均可用于制備生物柴油。生物柴油作為可再生的生物質(zhì)液體燃料之一,它的開發(fā)應(yīng)用將對社會經(jīng)濟的發(fā)展產(chǎn)生巨大的影響。我國發(fā)展生物柴油已取得一定的成效,國家林業(yè)局已于2007年啟動了一個在云南、四川、湖南、安徽、河北、陜西等省區(qū)建設(shè)2億畝高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)能源林基地的計劃,并已與中石油、中糧集團達成一系列的協(xié)議,共同開發(fā)生物質(zhì)能源。力爭到2020年,這個項目能滿足600萬噸生物柴油生產(chǎn)和裝機容量1500多萬千瓦發(fā)電的原料需求。同時在生物柴油的制備方法的研究上也取得了一定的進展,海南正和生物能源公司、四川古杉油脂化工公司和福建卓越新能源發(fā)展公司都已開發(fā)出擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù),相繼建成了規(guī)模超過萬噸的生產(chǎn)廠。[8,9]
四、生物質(zhì)能源與我國可持續(xù)發(fā)展
1、能源有限與巨大需求的矛盾
隨著人口和經(jīng)濟的持續(xù)增長,我國能源消費量也在不斷增長,2001年,我國能源消費量達到13億噸標準煤。而我國石油的儲量僅占世界儲量的2%,2000年探明儲量為30億~40億噸,如果按2000年石油年開采量計算,到2020年我國石油資源已趨于枯竭。2000年原油產(chǎn)量1.62億噸,實際加工原油達2.1億噸,1/3的原油依靠進口來平衡市場需求矛盾,凈進口量已達到7500萬噸。預(yù)計到2020年,我國石油需求將達到3.6億噸,凈進口量將突破2億噸,這勢必將對我國能源供應(yīng)安全造成一定的負面影響,成為長期制約我國經(jīng)濟發(fā)展和社會進步的主要障礙之一。
2、生物質(zhì)能源可以作為替代能源
全國九屆人大四次會議通過的《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十個五年計劃綱要》提出,要“開發(fā)燃料乙醇等石油替代品,采取措施節(jié)約石油資源”。生物質(zhì)可生產(chǎn)液體燃料,保障國家石油安全。
如果能推廣“能源農(nóng)業(yè)—能源林業(yè)—能源工業(yè)一體化發(fā)展模式”來發(fā)展生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè),使2020年的生物質(zhì)資源總量達到15億噸標準煤,并將其中的50%的資源用于生產(chǎn)液體燃料,屆時可為我國石油市場提供2億噸液體燃料。
我國在電力供應(yīng)方面也存在較大的缺口,要實現(xiàn)2020年國民經(jīng)濟翻兩番的目標,保障可靠的電力供應(yīng)是必備條件。2001年,電力生產(chǎn)總量為13556億度,人均用電不到1000度/(人?年),而人均生活用電更低,只有110度/(人?年)左右。因此,因地制宜地利用當?shù)厣镔|(zhì)能資源(秸稈、薪柴、谷殼和木屑等),建立分散、獨立的離網(wǎng)或并網(wǎng)電站,擁有廣闊的市場前景。生物質(zhì)可廣泛地用來生產(chǎn)電力,保障國家電網(wǎng)電力供應(yīng)安全。如果將當前農(nóng)林廢棄物產(chǎn)量的40%作為電站燃料,可發(fā)電3000億度,占目前我國總耗電量的20%以上。
3、生物質(zhì)能源有利于環(huán)境保護
生物質(zhì)能屬于清潔能源,有助于國家的環(huán)境建設(shè)和二氧化碳減排。我國礦物能源消費的SO2排放量已居世界第l位,CO2排放量僅次于美國居第2位。我國由礦物燃料消費所每年排放的二氧化碳總量可達22.7億噸,相當于6.2億噸碳排量,是全球GHG總排量的11.8%左右。1998年,二氧化硫排放量達0.209億噸,其中約85%是燃煤排放的。酸雨面積已超過國土面積的1/3。SO2和酸雨造成的經(jīng)濟損失約占GDP的2%。生物質(zhì)的有害物質(zhì)(硫和灰分等)含量僅為中質(zhì)煙煤的1/10左右。同時,生物質(zhì)生產(chǎn)和能源利用過程所排放的二氧化碳可納入自然界碳循環(huán),實現(xiàn)二氧化碳零排放,是減排CO2的最重要的途徑。
4、農(nóng)村可持續(xù)發(fā)展的迫切需要
生物質(zhì)一直是我國農(nóng)村的主要能源之一,大多以直接燃燒為主,不僅熱效率低下,而且大量的煙塵和余灰的排放使人們的居住和生活環(huán)境日益惡化,嚴重損害了身心健康。根據(jù)2001年的統(tǒng)計,我國2000年的秸稈總產(chǎn)量為7億噸,其中水稻、玉米、小麥、油菜和棉花五大類作物的秸稈產(chǎn)量近6億噸;我國木材伐區(qū)剩余物和木材加工業(yè)剩余物的總量也很大,約為3700×104m3。以新技術(shù)轉(zhuǎn)化生物質(zhì)的能源利用方式,可大幅度提高農(nóng)村能源利用效率。采用生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)可使熱效率提高到35%~40%,節(jié)約資源,改善農(nóng)民的居住環(huán)境,提高生活水平。
生物質(zhì)的能源利用可根本解決我國農(nóng)村普遍存在的而又始終無法根治的“秸稈問題”,將農(nóng)林廢棄物轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)能源,形成產(chǎn)業(yè)化利用,可大量消納秸稈廢棄物,達到消除秸稈危害的目的。不僅能夠大大加快村鎮(zhèn)居民實現(xiàn)能源現(xiàn)代化進程,滿足農(nóng)民富裕后對優(yōu)質(zhì)能源的迫切需求,同時也可在鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)等生產(chǎn)領(lǐng)域中得到應(yīng)用。
由于中國地廣人多,常規(guī)能源不可能完全滿足廣大農(nóng)村日益增長的需求,而且由于國際上正在制定各種有關(guān)環(huán)境問題的公約,限制二氧化碳等溫室氣體排放,我國必須立足于農(nóng)村現(xiàn)有的生物質(zhì)資源,研究新型轉(zhuǎn)換技術(shù),開發(fā)新型裝備,適應(yīng)農(nóng)村可持續(xù)發(fā)展的迫切需要。
五、我國生物質(zhì)能源的發(fā)展對策
我國具有豐富的生物質(zhì)能資源,在開發(fā)利用方面也取得了可喜的成績。但是,從總體來看,無論是科研水平、開發(fā)利用層次、轉(zhuǎn)換設(shè)備規(guī)模,還是產(chǎn)業(yè)發(fā)展、市場營銷等方面,與先進國家相比還有很大的差距。
存在的主要問題是:對發(fā)展生物質(zhì)能源的戰(zhàn)略意義認識不足;生物質(zhì)能源尚沒有納入國家能源建設(shè)計劃;開發(fā)資金沒有正常的撥款渠道,投入太少;缺乏完整的激勵政策,也很少有相應(yīng)的法規(guī);生產(chǎn)規(guī)模小,成本高,缺少產(chǎn)品質(zhì)量標準及質(zhì)量監(jiān)督體系,商品化程度低,產(chǎn)業(yè)化薄弱;管理混亂,政出多門等。
我國的經(jīng)濟在快速發(fā)展,人們對優(yōu)質(zhì)燃料需求日益迫切,鑒于常規(guī)能源資源的有限性和環(huán)境壓力的增加,要加速開發(fā)新能源和可再生能源,尤其是要加速生物質(zhì)能現(xiàn)代化利用的步伐,提高其轉(zhuǎn)換效率,降低生產(chǎn)成本,開發(fā)新技術(shù)、新工藝;成熟的技術(shù)要實現(xiàn)大規(guī)模、現(xiàn)代化生產(chǎn),形成比較完善的生產(chǎn)體系和服務(wù)體系;增大生物質(zhì)新能源在能源結(jié)構(gòu)中所占比例。
生物質(zhì)的能源利用可帶來一系列生態(tài)、社會和經(jīng)濟效益。目前,薪柴消費量超過合理采伐量15%,導(dǎo)致大面積森林植被破壞,水土流失加劇和生態(tài)平衡失調(diào)。工業(yè)、城鎮(zhèn)和農(nóng)村的有機垃圾產(chǎn)生量和堆積量均在逐年增加,年增長率在10%左右,成為農(nóng)村和城鎮(zhèn)現(xiàn)代化建設(shè)的重要障礙之一。生物質(zhì)能利用不僅可消納各種有機廢棄物,消除其對環(huán)境的負面影響,推動農(nóng)村和城鎮(zhèn)的現(xiàn)代化建設(shè);而且,由于能源農(nóng)業(yè)和能源林業(yè)的大規(guī)模發(fā)展,將有效地綠化荒山荒地,減輕土壤侵蝕和水土流失,治理沙漠,保護生物多樣性,促進生態(tài)的良性循環(huán)。同時,現(xiàn)代生物質(zhì)能一體化系統(tǒng)的建設(shè)將促進現(xiàn)代種植業(yè)的發(fā)展,成為農(nóng)村新的經(jīng)濟增長點,增加農(nóng)村就業(yè)機會,改善生活環(huán)境,提高農(nóng)村居民收入,振興農(nóng)村經(jīng)濟。
總而言之,生物質(zhì)能源的國家戰(zhàn)略功能體現(xiàn)于多方面、多層次,包括能源安全、生態(tài)環(huán)境、農(nóng)村經(jīng)濟、社會生活等。生物質(zhì)能源具有如此重要的戰(zhàn)略地位,我國政府有關(guān)決策部門有必要緊密地配合,協(xié)調(diào)科研單位、企業(yè)、地方政府等各方面力量,加大對生物質(zhì)能源發(fā)展的支持力度,為未來生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)的形成和發(fā)展提供技術(shù)支撐。
【參考文獻】
[1] 岳建芝.中國與IEA國家生物質(zhì)能利用比較研究[D].河南農(nóng)業(yè)大學(xué),2001.
[2] 余珂,胡兆吉,劉秀英.國內(nèi)外生物質(zhì)能利用技術(shù)研究進展[J].江西化工,2006,(04):30-33.
[3] 張正敏,李京京,李俊峰.美國可再生能源政策[J].中國能源,1999,(06):9-13.
[4] 農(nóng)業(yè)部赴美考察組.美國生物質(zhì)等可再生能源發(fā)電考察報告[J].能源政策研究通訊,1995,2:11-15.
[5] 汪瑞清,方美蘭,楊國正,顏衛(wèi)衛(wèi),肖波.中巴發(fā)展生物質(zhì)能源的比較研究[J].世界農(nóng)業(yè),2007,(01):19-22.
[6] 楊世琦,王道龍,楊正禮.國外能源作物研究進展與焦點問題[J].中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報,2009,1:13-18.
[7] 于潔.國際生物能源發(fā)展的情報學(xué)研究[D].中國科學(xué)院研究生院(上海生命科學(xué)研究院),2007.
[8] 朱建良,張冠杰.國內(nèi)外生物柴油研究生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].化學(xué)時刊,2004,18(1):23-27.
[9] 于鳳文,計建炳.生物柴油的現(xiàn)狀和發(fā)展方向[J].能源環(huán)境保護,2003,17(6):16-21.
【作者簡介】
孔繼君(1978-)女,云南昆明人,碩士,研究實習(xí)員,從事木本油料作物研究.
郎南軍(1958-)男,四川涪陵人,研究員,主要從事森林生態(tài)及植物資源方面的研究.
(課題組成員:孔繼君,郎南軍,和麗萍,陳鵬,鄭科,郭永清,彭明俊,袁瑞玲,向振勇).