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      竹類植物的生物質(zhì)能源利用研究進(jìn)展

      2010-08-21 02:53:16
      世界竹藤通訊 2010年5期
      關(guān)鍵詞:竹類竹炭生物質(zhì)能

      成 亮

      (南京林業(yè)大學(xué)竹類研究所 江蘇 南京 210037)

      竹類植物的生物質(zhì)能源利用研究進(jìn)展

      成 亮

      (南京林業(yè)大學(xué)竹類研究所 江蘇 南京 210037)

      討論了竹類作為生物質(zhì)能源植物進(jìn)行利用的可行性,對(duì)竹類植物的能源利用和研究現(xiàn)狀進(jìn)行了概述,并對(duì)能源竹的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

      生物能源;竹類植物;燃料;裂解

      生物質(zhì)能(Biomass energy),就是太陽(yáng)能以化學(xué)能形式貯存在生物質(zhì)中的能量形式,即以生物質(zhì)為載體的能量。所以從廣義上講,也是太陽(yáng)能的一種表現(xiàn)形式。生物能源多來(lái)自生物質(zhì)如薪柴、秸稈、禽畜糞便和城市垃圾,可通過(guò)現(xiàn)代技術(shù)將其轉(zhuǎn)化為固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)的燃料。在我國(guó),生物質(zhì)能是僅次于煤炭、石油和天然氣的第四位能源[1]。生物質(zhì)能直接或間接地來(lái)源于綠色植物的光合作用,取之不盡、用之不竭,是一種可再生能源,同時(shí)也是唯一一種可再生的碳源。目前,很多國(guó)家都在積極研究和開(kāi)發(fā)利用生物質(zhì)能。作為世界第二大能源消費(fèi)國(guó),我國(guó)能源面臨著總量不足、石油緊缺、人均占有量少、能效低、環(huán)境污染嚴(yán)重等諸多問(wèn)題,調(diào)整優(yōu)化能源結(jié)構(gòu),大力發(fā)展可再生資源勢(shì)在必行。

      1 竹類植物的能源利用可行性

      全世界竹子大約有70多屬1200多種,面積約2200萬(wàn)hm2,廣泛分布在亞洲、大洋洲、南美洲、非洲等地區(qū),中國(guó)及東南亞地區(qū)是竹子的中心分布區(qū)。我國(guó)是世界上最主要的竹產(chǎn)區(qū),有39屬500余種[2]。

      將竹類植物作為能源利用植物,有著以下優(yōu)勢(shì)。

      1.1 生長(zhǎng)迅速,生物量大

      竹子在生長(zhǎng)季節(jié),其日生長(zhǎng)量可達(dá)30~100cm,一般在2~3個(gè)月內(nèi)即可完成全高生長(zhǎng)[3],其高生長(zhǎng)速度是其他任何木本或者草本植物無(wú)法比擬的。一般竹種在造林后3~5年即可郁閉成林,具備穩(wěn)定的生物量生產(chǎn)能力。

      對(duì)我國(guó)各地毛竹林生物量的調(diào)查表明,毛竹林生物量往往大于針葉林,福建武夷山[4]、江蘇宜興[5]、浙江奉化[6]和貴州赤水[7]的毛竹林生物量分別達(dá)到110.69t/hm2,270.51t/hm2,216.09t/hm2,255.38t/hm2,幾乎都高于廣東鼎湖山馬尾松的64t/hm2、湖南會(huì)同杉木的154t/hm2和馬尾松的32.89t/hm2[8],經(jīng)營(yíng)較好的叢生竹林生物量也分別達(dá)到148.82t/hm2和156.41t/hm2[6],高于一般林分。

      1.2 種質(zhì)資源豐富

      中國(guó)國(guó)土面積寬廣,跨越了寒帶、溫帶、亞熱帶和熱帶等多個(gè)氣候帶,各地區(qū)間地理?xiàng)l件和地質(zhì)結(jié)構(gòu)差異性極大,而這也為各種不同的竹種提供了極具多樣性的生境條件可供選擇,使得我國(guó)成為亞洲竹類植物的分布中心,為竹類的能源利用選種提供了必要的條件和現(xiàn)實(shí)可行性。

      1.3 可持續(xù)性經(jīng)營(yíng)

      竹類植物除了偶爾通過(guò)開(kāi)花結(jié)實(shí)進(jìn)行世代更新的情況外,更為普遍和常態(tài)化的繁殖方式是無(wú)性繁殖。即通過(guò)竹鞭(散生竹)或竹蔸(叢生竹)上分化出芽,萌發(fā)成筍,進(jìn)而生長(zhǎng)成為新竹。竹類植物的無(wú)性繁殖能力非常強(qiáng),經(jīng)過(guò)一次造林成功之后,即可通過(guò)無(wú)性繁殖方式,每年自行萌發(fā)新筍繁殖新竹。通過(guò)對(duì)竹林的經(jīng)營(yíng)管理、合理采筍、異齡擇伐,每年均可獲得穩(wěn)定的竹筍和竹材產(chǎn)出。

      竹子采伐周期短,產(chǎn)量高,而且采伐后對(duì)竹林結(jié)構(gòu)、景觀和其生態(tài)功能不會(huì)造成影響,能較好地維持竹林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定,是營(yíng)造能源林的理想樹(shù)種[9]。

      1.4 不占用耕地

      我國(guó)國(guó)土面積雖大,但人口眾多,耕地資源相對(duì)匱乏。而目前所利用的生物質(zhì)能源,其原料在相當(dāng)大程度上都是農(nóng)業(yè)作物,必須由耕地出產(chǎn),如用玉米生產(chǎn)燃料乙醇等。因此,生物質(zhì)能源的深入開(kāi)發(fā)利用必須擺脫單純依靠農(nóng)作物產(chǎn)出的現(xiàn)狀,否則,勢(shì)必會(huì)和我國(guó)的糧食安全大局發(fā)生沖突。

      竹類植物的種植經(jīng)營(yíng)則無(wú)需占用耕地。許多竹種在不宜耕種的高山、坡地,河谷、灘涂等區(qū)域都能夠生長(zhǎng)良好。在這些地域進(jìn)行能源用竹林的營(yíng)造,既可在不占用耕地資源的情況下獲取生物質(zhì)能源原料,也使當(dāng)?shù)厝罕娪辛诵碌脑鍪胀緩?,又在一定程度上改善了該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境,在獲取經(jīng)濟(jì)利益的同時(shí)也獲取了生態(tài)效益。

      2 竹類植物能源利用研究及應(yīng)用

      2.1 能源竹種的選擇

      表1 亞熱帶幾種林分類型生物量比較[13]

      竹類植物進(jìn)行能源利用,其利用的部位主要是竹材。竹材的化學(xué)成分類似于木材,但又區(qū)別于木材。竹莖主要由纖維素、半纖維素和木素組成,一般來(lái)講,整竹由50%~70%的全纖維素、30%的戊聚糖和20%~25%的木素組成[10]。杜瑛等以毛竹為材料測(cè)定其主要化學(xué)成分[11],結(jié)果表明毛竹中纖維素、半纖維素、木素的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)在70%左右,其中纖維素和半纖維素的含量為48%~55%,由于此兩者比木素更容易降解,因此毛竹是一種很好的進(jìn)一步轉(zhuǎn)化的原料。通過(guò)比較不同生長(zhǎng)期毛竹的成分發(fā)現(xiàn),1年生、2年生和多年生的毛竹化學(xué)組成變化不大,表明毛竹在短時(shí)期內(nèi)(1年)就可基本生長(zhǎng)成熟,作為可再生原料前景樂(lè)觀。

      作為能源植物,最重要的一點(diǎn)就是要有大的凈生物量的積累。陳先剛等[12]通過(guò)歸納整理國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)竹林生物量的研究結(jié)果,得出毛竹林平均生物量為159.86Mg/hm2(1Mg=106g),與亞熱帶幾種森林類型比較, 僅低于成熟的天然常綠闊葉林,而高于人工常綠闊葉林、杉木中幼林和馬尾松中幼林,并與亞熱帶落葉闊葉混交林、常綠闊葉中幼林和杉木成熟林接近(表1)。其它竹類的林分生物量,較高的還有綠竹(Dendrocalamopsis oldhami)、苦竹(Pleioblastus amarus)、慈竹(Neosinocalamus affinis)等。通過(guò)總結(jié)各竹種的生物量研究成果[12],得出包括剛竹(Phyllostachys viridis)、綠竹(Dendrocalamopsis oldhami)、慈竹(Neosinocalamus affinis)、茶稈竹(Pseudosasa amabilis)、苦竹(Pleioblastus amarus)、腫節(jié)少穗竹(Oligostachyum oedogonatum)等除毛竹外的21個(gè)常見(jiàn)竹種的竹林單位面積生物量平均值為95.36Mg/hm2。可見(jiàn)竹林的生物量產(chǎn)出與其它林種相比并無(wú)遜色。

      能源竹種的選擇,既要考慮到竹種自身生物量預(yù)期產(chǎn)量的高低,還要考慮到竹種在引種地的適應(yīng)性問(wèn)題。因此,要使竹類能源利用技術(shù)得到推廣,必須選育出適應(yīng)不同地域的高產(chǎn)量能源竹種。目前國(guó)內(nèi)對(duì)不同竹種的生物量研究較多,而在能源竹良種選育方面,鮮有報(bào)道。

      2.2 竹材能源利用的方式

      2.2.1 竹類植物發(fā)電技術(shù)

      生物質(zhì)直燃發(fā)電技術(shù)誕生于20世紀(jì)80年代,其主要的燃料來(lái)自于各種農(nóng)作物秸稈及各種農(nóng)林廢棄物。由于其可再生性和環(huán)境污染小等特點(diǎn),在未來(lái)可持續(xù)能源系統(tǒng)中占有重要地位。

      目前,我國(guó)稻殼發(fā)電技術(shù)[16]是利用糧食加工過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄稻殼為原料,在煤氣發(fā)生爐中燃燒產(chǎn)生煤氣,然后將氣體用水過(guò)濾、凈化成純凈氣體,再把純凈氣體送入煤氣發(fā)電機(jī)中燃燒做功,以此為動(dòng)力帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電,通過(guò)控制屏輸出。其工藝流程如下:

      稻殼——煤氣發(fā)生爐高溫?zé)峤獬煽扇細(xì)怏w——凈化器凈化——燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)——發(fā)電機(jī)——控制屏——輸出

      但在實(shí)際運(yùn)行中,國(guó)內(nèi)企業(yè)運(yùn)用稻殼發(fā)電技術(shù)存在以下問(wèn)題[14]:

      (1)稻殼煤氣中的煤焦油問(wèn)題。目前煤焦油通過(guò)循環(huán)用水處理,清洗、過(guò)濾、沉淀收集后再摻入稻殼燃燒,這只是一種機(jī)械的處理方法,不能徹底解決煤焦油綜合利用問(wèn)題,需要定期清理發(fā)電機(jī)組。

      (2)燃燒后的炭化稻殼處理和再利用問(wèn)題。目前不完全燃燒的炭化稻殼主要用作鋼廠的保溫材料,但大面積推廣稻殼發(fā)電技術(shù)后,炭化稻殼用作保溫材料的市場(chǎng)有限;完全燃燒后的稻殼灰可用作白炭黑、活性炭、硅錳酸鉀、涂料和預(yù)制混凝土等行業(yè)的填充劑,但投資成本高,回收期長(zhǎng)。

      (3)發(fā)電穩(wěn)定性問(wèn)題。秈稻殼熱值高于粳稻殼,其使用效率高于粳稻殼。粳稻殼中焦質(zhì)含量大,在燃燒中易結(jié)塊,稻殼炭不易清出,同時(shí)產(chǎn)氣不均勻,影響內(nèi)燃機(jī)正常生產(chǎn)發(fā)電。

      竹子發(fā)電技術(shù)原理和稻殼發(fā)電技術(shù)基本類似[15,16],但竹材熱分解產(chǎn)物與稻殼不同,主要是可燃性揮發(fā)物、焦油和竹炭,經(jīng)過(guò)進(jìn)一步熱分解后,焦油最終可轉(zhuǎn)變?yōu)閾]發(fā)物和炭;有氧條件下可燃揮發(fā)物發(fā)生燃燒,竹炭(熱值為30000~33000kJ/kg,1kg竹炭的熱值相當(dāng)于10~11kg標(biāo)準(zhǔn)煤)則在表面氧化熾熱,發(fā)生無(wú)焰燃燒。與稻殼煤氣中的煤焦油相比較[16],竹焦油基本不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染,清理也更方便,其提煉物竹油還可用作藥材;竹材熱解后剩余的竹炭或竹灰具有較高的應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值,回收利用成本也相對(duì)較低。

      另外,如果能做到長(zhǎng)期用同一種竹子或同一比例的幾種竹子作為發(fā)電原料,其各化學(xué)組分含量的比例大致相同,則能夠保證內(nèi)燃機(jī)組的穩(wěn)定工況,從而保證整個(gè)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性。竹材不但熱值高、產(chǎn)量大,而且與其他農(nóng)作物秸稈相比,可以長(zhǎng)期儲(chǔ)存而沒(méi)有熱值的損失,具備電廠燃料所要求的耐儲(chǔ)存的特性。

      2006年7月29日,《印度教徒報(bào)》報(bào)道[17],印度科學(xué)家研究出用竹子進(jìn)行發(fā)電的技術(shù)并投入了實(shí)際應(yīng)用,印度將在其東北部的米拉佐姆邦建立一家用竹子發(fā)電的發(fā)電廠,擬投資2850萬(wàn)盧比(約合63萬(wàn)美元)。作為可再生的植物資源,利用竹子發(fā)電,不僅成本較低,而且有利于保護(hù)環(huán)境。

      2006年,臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院研究出“竹炭生物質(zhì)能源發(fā)電”技術(shù)[18],2m3木竹材炭化過(guò)程中產(chǎn)生的氣體可產(chǎn)生最大5kW的電量。

      目前,我國(guó)內(nèi)地的生物直燃發(fā)電項(xiàng)目正在興起階段,但竹材作為一種理想的直燃發(fā)電燃料卻未得到應(yīng)有的重視,相關(guān)的科研及工藝設(shè)計(jì)工作有待進(jìn)一步開(kāi)展。

      2.2.2 竹材廢棄物作為工業(yè)鍋爐燃料

      我國(guó)在竹類資源的傳統(tǒng)制作和工業(yè)加工過(guò)程中,竹材質(zhì)量利用率[19]低于40%,有60%以上的竹材成為加工剩余物。這些余材被當(dāng)做廢料,或閑置堆放、或焚燒銷毀,未能得到有效的工業(yè)化利用。

      從竹材的元素分析來(lái)看[20],竹材的含氮量低于0.60%,含硫量低于0.05%,灰分含量低于1%,低位熱值大于14 MJ/kg(含水量小于24%時(shí))。而目前工業(yè)鍋爐燃用的潔凈煤質(zhì)燃料,如水煤漿,其典型的煤質(zhì)指標(biāo)為水分30%~35%,灰分6%,硫分0.5%,低位熱值19 MJ/kg;潔凈煤粉,其典型的煤質(zhì)指標(biāo)為硫含量0.5%,水分12%,灰分6%,低位熱值24 MJ/kg,與這些潔凈煤質(zhì)燃料相比,竹材的硫和灰分含量?jī)H僅為其1/5~1/3[21]??梢?jiàn),竹材廢料是一種非常潔凈的燃料,燃燒過(guò)程基本不產(chǎn)生SO2,基本無(wú)灰塵排放。

      在竹材的鍋爐燃燒利用方面,肖剛等[22]進(jìn)行了竹材流化床氣化試驗(yàn)研究。試驗(yàn)表明,在400~700℃、過(guò)量空氣系數(shù)0.2~0.8的試驗(yàn)工況范圍內(nèi),竹材流化床氣化產(chǎn)生的油碳混合物占原料熱量的百分比隨反應(yīng)溫度和過(guò)量空氣系數(shù)的增加而急劇下降;氣化效率隨反應(yīng)溫度的增加呈上升趨勢(shì),而隨過(guò)量空氣系數(shù)的增加先提高后下降;氣化氣產(chǎn)率與過(guò)量空氣系數(shù)呈線性正相關(guān),而與反應(yīng)溫度關(guān)系不大;當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)達(dá)到0.6以上、反應(yīng)溫度達(dá)到500℃以上時(shí),碳轉(zhuǎn)化率達(dá)到85%以上。從整體上看,竹材流化床氣化規(guī)律與木材相似,但竹材的氣化反應(yīng)活性稍高于木材。

      2.2.3 制取竹炭

      20世紀(jì)90年代以來(lái),日本興起“竹炭熱”,進(jìn)而波及我國(guó),引發(fā)了各地竹炭開(kāi)發(fā)大潮。竹炭不僅熱值高,可作為清潔燃料使用,而且可用作除臭、調(diào)濕、洗浴、凈水和電磁波屏蔽的材料,也可作為土壤改良劑[23]。

      對(duì)于竹炭的制取,劉志坤[19]采用機(jī)械式均勻加熱干餾釜,以控制釜內(nèi)料溫和不控制料溫方式對(duì)竹材加工剩余物進(jìn)行熱解,力求獲得化學(xué)成分較為單純的竹醋液,同時(shí)獲得均質(zhì)粉狀竹炭,試驗(yàn)表明: 控制溫度,均勻加熱干餾竹材加工剩余物可同時(shí)獲得數(shù)量可觀、化學(xué)成分較為單純的竹醋液;2種方法都可同時(shí)獲得約15%的粉狀竹炭及大量可燃?xì)怏w。

      2.2.4 生物燃料技術(shù)

      生物燃料是指通過(guò)生物資源生產(chǎn)的燃料乙醇和生物柴油[15]。生物柴油是植物油與醇類(通常是甲醇)進(jìn)行酯化反應(yīng)得到的,生物乙醇是從植物中獲取的糖經(jīng)過(guò)發(fā)酵得到的,多以淀粉類植物為原料。

      研究者們正致力于將非糧食類或廢棄生物質(zhì)如秸稈等轉(zhuǎn)化為乙醇,以幫助解決原料供應(yīng)問(wèn)題。以木質(zhì)纖維素為原料生產(chǎn)生物乙醇是技術(shù)開(kāi)發(fā)的焦點(diǎn),而竹材則是優(yōu)異的開(kāi)發(fā)對(duì)象。

      邵千鈞等[24]研究了竹子在超臨界甲醇中的熱解工藝參數(shù)與技術(shù)條件,并運(yùn)用氣質(zhì)聯(lián)用儀(GC-MS)分析了生物油產(chǎn)物的組分與含量。結(jié)果表明,270~280℃為竹子在超臨界甲醇中熱解的適宜溫度,其液化率達(dá)34.3%。催化劑K2CO3對(duì)竹子熱解具有促進(jìn)作用,在同等條件下液化率達(dá)46.3%。通過(guò)GC-MS分析,熱解產(chǎn)物中主要含C10以下的醇類、酯類、酮類和醚類,適合作為點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的燃料。

      目前世界各國(guó)都在研究利用木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的技術(shù),但是目前還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模利用纖維質(zhì)原料生產(chǎn)燃料乙醇。其主要障礙是酶解成本過(guò)高、缺乏經(jīng)濟(jì)可行的發(fā)酵技術(shù)。因此,需要解決技術(shù)路線的優(yōu)化組合問(wèn)題、降低生產(chǎn)成本以及綜合利用乙醇廢糟等問(wèn)題。

      3 前景展望

      伴隨著化石能源的逐漸消耗殆盡,對(duì)能源的需求應(yīng)從不可再生的化石能源轉(zhuǎn)移到可再生能源上來(lái)。而生物質(zhì)能源是這其中非常重要的一個(gè)部分。將竹類作為能源植物加以利用,除了其生物量高、生長(zhǎng)迅速等客觀優(yōu)勢(shì)以外,還能減少森林砍伐、不占用耕地、增加碳匯,起到良好的生態(tài)和社會(huì)效益。

      竹類的能源利用,目前還處于在實(shí)驗(yàn)室研究階段,且研究方向主要是竹材纖維的裂解及產(chǎn)物的利用。如果竹材纖維裂解制取乙醇、脂類等有機(jī)物質(zhì)的工藝能夠最終實(shí)現(xiàn)低成本產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,其對(duì)人類社會(huì)的能源乃至食物來(lái)源的貢獻(xiàn)不可估量。

      另外,工藝相對(duì)簡(jiǎn)單的竹材直燃發(fā)電技術(shù)及工業(yè)鍋爐燃燒技術(shù)在我國(guó)并沒(méi)有得到應(yīng)有的重視。無(wú)論從經(jīng)濟(jì)效益還是從生態(tài)效益上來(lái)看,將竹材及其材質(zhì)廢料進(jìn)行直燃利用,其效果都遠(yuǎn)好于各種農(nóng)作物秸稈。因此,竹材的直燃利用技術(shù)有待于大力的提倡和發(fā)展。

      總體而言,竹類植物的生物質(zhì)能源利用將是一項(xiàng)非常有潛力的新能源技術(shù),有著廣闊的發(fā)展前景。

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      Research Progress of the Utilization of Bamboo Biomass Energy

      Cheng Liang
      (Bamboo Research Institute, Nanjing Forestry University Nanjing 210037, Jiangsu)

      This paper discussed the feasibility of using bamboo as a biomass energy plant, made an overview of the status of the bamboo-based energy utilization and research, and fi nally prospected the future development of energy bamboo.

      biomass energy, bamboo, fuel, cracking

      成亮 (1985-),男,南京林業(yè)大學(xué)竹類研究所,碩士在讀。研究方向?yàn)橹耦愊到y(tǒng)發(fā)育和竹類能源利用。

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