我國太陽能發(fā)展的現(xiàn)狀與展望

我國太陽能發(fā)展的現(xiàn)狀與展望

0生物質(zhì)用于世界能源系統(tǒng)由于傳統(tǒng)能源資源儲量有限，無法替代，世界能源資源競爭激烈，世界能源結(jié)構(gòu)將惡化為主導(dǎo)能力。如何合理開發(fā)包括生物質(zhì)能源在內(nèi)的、潔凈可再生的能源已成為21世紀(jì)人類面臨的新課題。生物質(zhì)是植物通過光合作用生成的有機(jī)物,包括植物、動物及微生物以及由這些生命體排泄和代謝的所有有機(jī)物質(zhì)。生物質(zhì)能是指直接或間接通過植物的光合作用,將太陽能以化學(xué)能的形式貯存在生物質(zhì)體內(nèi)的一種能量形式,能夠作為能源而被利用的生物質(zhì)能統(tǒng)稱為生物質(zhì)能。生物質(zhì)能通常包括木材及森林工業(yè)廢棄物、農(nóng)業(yè)廢棄物、水生植物、油料植物、城市和工業(yè)有機(jī)廢棄物及動物糞便等。生物質(zhì)能是在煤炭、石油和天然氣之后居于世界能源消費(fèi)總量第4位的能源,在整個能源系統(tǒng)中占有重要地位。生物質(zhì)能具有特點(diǎn):一是可再生,只要太陽輻射存在,綠色植物的光合作用就不會停止,生物質(zhì)能就永不枯竭。二是儲量豐富,據(jù)統(tǒng)計,地球上每年通過綠色植物光合作用所生成的生物質(zhì)能總量約2200億t,相當(dāng)于3×108kJ的能量,約為現(xiàn)在全球年耗能總量的10倍。我國每年生產(chǎn)的生物質(zhì)中農(nóng)作物秸稈約為7億t,薪柴1.58億t,糞便4.43億t,垃圾1.43億t,農(nóng)業(yè)加工殘余物0.86億t。目前,實(shí)際使用量為2.2億t,還有很大的開發(fā)潛力。三是可替代性,正在開發(fā)的可再生能源中,生物質(zhì)能源在化學(xué)分子構(gòu)成、能源利用形態(tài)上均與化石能源非常相似,它在不必對已有工業(yè)技術(shù)作任何改進(jìn)的前提下即可替代常規(guī)能源,對常規(guī)能源有最大的替代能力。四是低污染性,生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中排放的二氧化碳量等于生長過程中吸收的量?？梢?生物質(zhì)是一種二氧化碳零排放的可再生資源。同時,生物質(zhì)的揮發(fā)組分高,炭活性高,硫、氮和灰分含量少,在利用轉(zhuǎn)化過程中的硫化物、氮化物和粉塵排放很低或較少。因此,生物質(zhì)作為能源資源比石油、煤炭和天然氣等燃料在生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面具有很大的優(yōu)越性。綜上所述,開發(fā)生物質(zhì)能有助于減輕溫室效應(yīng)和維持生態(tài)良性循環(huán),是解決能源和環(huán)境問題的有效途徑之一,具有廣闊的前景。1國內(nèi)外生物利用1.1生物燃料的應(yīng)用1992年,世界環(huán)境與發(fā)展大會后,歐美國家開始大力發(fā)展生物質(zhì)能。歐盟規(guī)劃2010年可再生能源比例達(dá)12%,每年可替代2000萬t石油,其中成本較低的生物質(zhì)能約占80%。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、美國的能源農(nóng)場和巴西的酒精能源計劃,紛紛投入大量的人力和資金從事生物質(zhì)能的研究開發(fā)。以美國、瑞典和奧地利等國為例,生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高品位能源利用已具有相當(dāng)可觀的規(guī)模,分別占該國一次能源消耗量的4%,16%和10%。巴西是目前世界上唯一不供應(yīng)純汽油的國家,生物能源在國家能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比重很大。20世紀(jì)70年代中期起,巴西開始利用甘蔗生產(chǎn)燃料乙醇。1996-1997年度生產(chǎn)燃料乙醇137億L,有400萬輛汽車采用純乙醇,大大減少了進(jìn)口石油的外匯支出。經(jīng)過30a的努力,巴西已建成完整的燃料乙醇產(chǎn)業(yè)鏈。巴西從2008年1月1日起開始推行生物柴油計劃。政府從2009年7月1日起,將生物柴油在普通柴油中的比例從3%提高到4%,2010年達(dá)5%。美國在生物質(zhì)利用方面處于世界領(lǐng)先地位。據(jù)報道,美國有350多座生物質(zhì)發(fā)電站,生物質(zhì)能發(fā)電的總裝機(jī)容量已超過10000MW,單機(jī)容量達(dá)10~25MW;預(yù)測到2010年,生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)到13000MW。20世紀(jì)70年代研究開發(fā)的顆粒成型燃料在美國、加拿大和日本等國得到推廣應(yīng)用,并研究開發(fā)了專門使用顆粒成型燃料的爐灶,用于家庭或暖房取暖,在北美有50萬戶以上家庭使用這種專用取暖爐。美國的顆粒成型燃料年產(chǎn)量達(dá)80萬t。美國在20世紀(jì)70年代末制定了“乙醇發(fā)展計劃”,開始大力推廣車用乙醇汽油。并加快木柴發(fā)電和燃料乙醇的啟用,利用農(nóng)作物及其廢物制造乙醇作為汽車燃料。計劃到2010年,生物質(zhì)可提供約5300萬t乙醇。生物質(zhì)能是加拿大僅次于水電的最重要可再生能源,它為加拿大提供了6%的初級能源。到2020年,加拿大可再生能源(不含水電),特別是生物質(zhì)能,將增長56%,達(dá)到9.83×1014kJ/a。加拿大用木質(zhì)原料生產(chǎn)的乙醇產(chǎn)量為17萬t。比利時每年用甘蔗為原料,制取乙醇量達(dá)3.2萬t以上。意大利已擁有9家生物柴油的生產(chǎn)廠。如今,國外的生物質(zhì)能技術(shù)和裝置多已達(dá)到商業(yè)化應(yīng)用程度,實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)業(yè)經(jīng)營。1.2生物質(zhì)資源能源豐富在我國,生物質(zhì)能源不僅能緩解能源緊張和減輕環(huán)境壓力,其特殊的意義還在有助于解決“三農(nóng)”問題。我國的生物質(zhì)能源十分豐富,農(nóng)林等有機(jī)廢棄物年產(chǎn)出實(shí)物量為20.29億t,具有廣闊的開發(fā)前景。生物質(zhì)能占農(nóng)村總能耗的近70%,占全國總能耗的近1/4。據(jù)預(yù)測,2050年我國生物質(zhì)能開發(fā)利用量將達(dá)到275Mt標(biāo)準(zhǔn)煤,占一次能源供應(yīng)量的8%。我國的生物質(zhì)能開發(fā)主要是沼氣、秸稈熱裂解制氣、秸稈固化成型、燃料乙醇和生物柴油等5大領(lǐng)域。其中,沼氣比較成熟已進(jìn)入大面積推廣階段;燃料酒精已加入汽油在10個省份推廣使用。2010年,我國生物質(zhì)固體成型燃料年利用量達(dá)到100萬t,到2020年可達(dá)到5000萬t;生物質(zhì)成型燃料已進(jìn)入工程化試驗(yàn)階段。預(yù)計,2010年我國生物柴油年生產(chǎn)量將達(dá)到100萬t,到2020年達(dá)到900萬t。2生物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用方法生物質(zhì)作為能源使用已有幾千年。至今,世界上仍有15億以上的人口以生物質(zhì)作為生活能源,但生物質(zhì)的利用不再是簡單地燃燒,而是基于現(xiàn)代技術(shù)的高效利用。生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化利用途徑主要包括燃燒、熱化學(xué)法、生物化學(xué)法和物理化學(xué)法等,可轉(zhuǎn)化為二次能源,即熱量或電力、固體燃料(木炭或成型燃料)、液體燃料(生物柴油、生物原油、甲醇、乙醇和植物油等)和氣體燃料(氫氣、生物質(zhì)燃?xì)夂驼託獾?。目前,在生物質(zhì)能源利用上主要集中在直接燃燒、生物質(zhì)氣化、生物質(zhì)液化和生物質(zhì)固化技術(shù)的研究開發(fā)。2.1生物質(zhì)供熱發(fā)電生物質(zhì)因具有低污染性特點(diǎn),特別適合燃燒轉(zhuǎn)化利用,是一種優(yōu)質(zhì)燃料。生物質(zhì)燃燒所產(chǎn)生的能源可應(yīng)用于炊事、室內(nèi)取暖、工業(yè)過程、區(qū)域供熱和發(fā)電及熱電聯(lián)產(chǎn)等領(lǐng)域。工業(yè)過程和區(qū)域供暖主要采用機(jī)械燃燒方式,適用于大規(guī)模生物質(zhì)利用,效率較高,配以汽輪機(jī)、蒸汽機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)或斯特林發(fā)動機(jī)等設(shè)備,可用于發(fā)電及熱電聯(lián)產(chǎn)。在國外,以高效直燃發(fā)電為代表的生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)已經(jīng)比較成熟。丹麥已建立了15家大型生物質(zhì)直燃發(fā)電廠,年消耗農(nóng)林廢棄物約150萬t,提供丹麥全國5%的電力供應(yīng)。目前,以生物質(zhì)為燃料的小型熱電聯(lián)產(chǎn)(裝機(jī)多為10~20MW)已成為瑞典和德國的重要發(fā)電與供熱方式。芬蘭從1970年就開始開發(fā)流化床鍋爐技術(shù),現(xiàn)在這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成熟,并成為生物質(zhì)燃燒供熱發(fā)電工藝的基本技術(shù)。美國的生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電占可再生能源發(fā)電量的70%。奧地利成功推行建立燃燒木質(zhì)能源的區(qū)域供電計劃,目前已有八九十個容量為1000~2000kW的區(qū)域供熱站,年供熱10×109MJ。瑞典和丹麥正在實(shí)行利用生物質(zhì)進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)的計劃,使生物質(zhì)能在提供高品位電能的同時滿足供熱的要求。秸桿燃燒發(fā)電在中國正成為現(xiàn)實(shí),中國首臺秸稈混燃發(fā)電機(jī)組已于2005年底在華電國際棗莊市十里泉發(fā)電廠投運(yùn)。該機(jī)組每年可燃用10.5萬t秸稈,相當(dāng)于7.56萬t標(biāo)準(zhǔn)煤。另外,河南許昌、安徽合肥、吉林遼源、吉林德惠和北京延慶等地也在建設(shè)秸稈發(fā)電廠。由內(nèi)蒙古普拉特交通能源有限公司投資4.2億元建設(shè)的包頭垃圾環(huán)保發(fā)電廠,占地8.85hm2,按照日處理城市原始垃圾1200~1500t設(shè)計,建3條垃圾焚燒處理線(另備用1條處理線),3臺12MW凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組,并預(yù)留供熱能力,可實(shí)現(xiàn)年售電2.1億kW·h,預(yù)計2011年9月投入使用。生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電的技術(shù)問題主要是鍋爐的設(shè)計制造、生物質(zhì)原料的收集與運(yùn)輸和原料預(yù)處理設(shè)備研制。2.2熱化反應(yīng)tf生物質(zhì)氣化技術(shù)是一種熱化學(xué)處理技術(shù)。氣化是以氧氣(空氣、富氧或純氧)、水蒸氣或氫氣等作為氣化劑,在高溫條件下通過氣化爐將生物質(zhì)中可燃部分轉(zhuǎn)化為小分子可燃?xì)?主要為一氧化碳、氫氣和甲烷等)的熱化學(xué)反應(yīng)。在生物質(zhì)氣化過程中,所用的氣化劑不同,得到的氣體燃料也不同。典型的氣化工藝有干餾工藝、快速熱解工藝和氣化工藝。其中,前兩種工藝適用于木材或木屑的熱解,后一種工藝適用于農(nóng)作物(如玉米、棉花等)秸稈的氣化。氣化可將生物質(zhì)轉(zhuǎn)換為高品質(zhì)的氣態(tài)燃料,直接應(yīng)用于鍋爐燃料或發(fā)電,或作為合成氣進(jìn)行間接液化以生產(chǎn)甲醇、二甲醚等液體燃料、化工產(chǎn)品或提煉得到氫氣。2.2.1生物質(zhì)氣化1883年誕生的最早的氣化發(fā)生器是以木炭為原料,氣化后的燃?xì)怛?qū)動內(nèi)燃機(jī),推動早期的汽車或農(nóng)業(yè)排灌機(jī)械的發(fā)展。1938年,建成了世界上第1臺氣化爐—上吸式氣化爐。1942年,美國建成了第套石油催化裂化流化床反應(yīng)器。1973年的石油危機(jī)后,各國加強(qiáng)了對氣化技術(shù)及其設(shè)備的研發(fā),主要設(shè)備有固定床氣化器和流化床氣化器。1987年,在奧地利POLS紙漿廠建成具有工業(yè)規(guī)模的循環(huán)流化床氣化裝置。1996年,魯騎公司在德國柏林Rudersdorf公司建成當(dāng)時世界上最大規(guī)模的循環(huán)流化床氣化反應(yīng)器。瑞典已生產(chǎn)出2.5k~25MW的下吸式生物質(zhì)氣化爐,其科研機(jī)構(gòu)正致力于循環(huán)流化床和加壓氣化發(fā)電系統(tǒng)的研究。國外生物質(zhì)氣化裝置一般規(guī)模較大,自動化程度較高,工藝較復(fù)雜,以發(fā)電和供熱為主,如加拿大摩爾公司(MooreCanadaLtd)設(shè)計和發(fā)展的固定床濕式上行式氣化裝置、加拿大通用燃料氣化裝置有限公司(OmnifuelGasificationSystemLimitred)設(shè)計制造的流化床氣化裝置、美國標(biāo)準(zhǔn)固體燃料公司(StandardSolidFuelsInc)設(shè)計制造的炭化氣化木煤氣發(fā)生系統(tǒng)以及德國茵貝爾特能源公司(ImbertEnergietechnikGMBH)設(shè)計制造的下行式氣化爐-內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)等等,氣化效率可達(dá)60%~90%。近年來,美國在生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)方面有所突破,研制出了生物質(zhì)綜合氣化裝置-燃汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)成套設(shè)備,為大規(guī)模發(fā)電提供了樣板。我國在生物質(zhì)能方面最早研究的是汪家鼎關(guān)于流化床褐煤低溫干餾技術(shù),20世紀(jì)80年代以后生物質(zhì)氣化技術(shù)又得到了較快的發(fā)展,到2005年底,全國已建成秸稈氣化集中供氣站639處,供氣15000萬m3,用戶22000戶。我國自行研制的集中供氣和戶用氣化爐已形成了多個系列的爐型,如中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院研制的ND系列生物質(zhì)氣化爐;江蘇吳江縣生產(chǎn)的稻殼氣化爐,利用碾米廠的下腳料驅(qū)動發(fā)電機(jī)組,功率達(dá)到160kW,已達(dá)到使用階段;中科院廣州能源所對上吸式生物質(zhì)氣化爐的氣化原理和物料反應(yīng)性能做了大量試驗(yàn),并研制出GSQ型氣化爐;大連市環(huán)境科學(xué)設(shè)計研究院研制的LZ系列生物質(zhì)干餾熱解氣化裝置,建成了可供1000戶農(nóng)民生活用燃?xì)獾纳镔|(zhì)熱解加工廠;云南省研制的QL-50和60型戶用生物質(zhì)氣化爐已通過技術(shù)鑒定,并在農(nóng)村進(jìn)行試驗(yàn)示范;中國林業(yè)科學(xué)院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所研究開發(fā)了集中供熱、供氣的上吸式氣化爐,先后在黑龍江省和福建省得到工業(yè)化應(yīng)用,其氣化效率達(dá)70%以上;江蘇省研究開發(fā)的內(nèi)循環(huán)流化床氣化系統(tǒng)產(chǎn)生接近中熱值的煤氣,供鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民使用;山東省能源研究所研究開發(fā)的下吸式氣化爐在農(nóng)村居民集中居住地得到較好的推廣應(yīng)用,并已形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模。我國氣化爐主要集中在固定床生物質(zhì)氣化爐,而流化床生物質(zhì)氣化爐比固定床生物質(zhì)氣化爐具有更大的經(jīng)濟(jì)性,應(yīng)該成為我國今后生物質(zhì)氣化設(shè)備研究的主要方向。2.2.2沼肥、沼肥和沼肥沼氣是指有機(jī)物質(zhì)(如作物秸稈、雜草、人畜糞便、垃圾、污泥及城市生活污水和工業(yè)有機(jī)廢水等)在厭氧條件下,通過功能不同的各類微生物的分解代謝,最終產(chǎn)生以甲烷(CH4)為主要成分的氣體。此外,還有少量其它氣體,如水蒸氣、硫化氫、一氧化碳和氮?dú)獾?。沼氣發(fā)酵過程一般可分為3個階段:水解液化階段、酸化階段和產(chǎn)甲烷階段。沼氣發(fā)酵包括小型戶用沼氣池技術(shù)和大中型厭氧消化技術(shù)。瑞典在沼氣開發(fā)與利用方面獨(dú)具特色,利用動物加工副產(chǎn)品、動物糞便、食物廢棄物生產(chǎn)沼氣,還專門培育了用于生產(chǎn)沼氣的麥類植物,沼氣中含甲烷64%以上。瑞典由麥類植物生產(chǎn)沼氣,除沼氣被用做運(yùn)輸燃料外,所產(chǎn)生的沼肥又被用于種植。瑞典Lund大學(xué)開發(fā)了“二步法”秸稈類生物質(zhì)制沼氣技術(shù),并已進(jìn)行中間試驗(yàn),還開發(fā)了低溫高產(chǎn)沼氣技術(shù),可在10°C條件下產(chǎn)氣。瑞典還用沼氣替代天然氣。美國紐約州康奈爾大學(xué)(CornellUniversity)的植物學(xué)科學(xué)家發(fā)明了一種分離沼氣中有毒物質(zhì)硫化氫的新方辦法,去除硫化氫后的沼氣更加環(huán)保。我國有“世界沼氣之鄉(xiāng)”的美稱。2004-2009年,中央已經(jīng)投資了190億元,建了3050萬戶小沼氣和39500個沼氣工程,生產(chǎn)沼氣約122億m3/a,生產(chǎn)沼肥約3.85億t/a,形成了成熟的沼氣技術(shù)和科學(xué)的建設(shè)模式。填埋垃圾制取沼氣也是處理城市生活垃圾、有效利用生物質(zhì)能的主要方法。杭州天子嶺垃圾填埋場是我國第一座大型按衛(wèi)生填埋要求設(shè)計,并采用合理填埋規(guī)劃和工藝的城市生活垃圾無害化處理工程,1991年6月正式運(yùn)行。山東省科學(xué)院能源研究所以秸稈在發(fā)酵過程中的物料特性和微生物菌群對秸稈的作用原理為研究出發(fā)點(diǎn),開發(fā)了簡單、快速、高效的秸稈預(yù)處理技術(shù)和專門適用于秸稈的高效厭氧發(fā)酵反應(yīng)器,秸稈的消化率和產(chǎn)氣率得到很大提高,克服了秸稈沼氣發(fā)酵進(jìn)出料難的技術(shù)難題,實(shí)現(xiàn)了進(jìn)出料的機(jī)械化與自動化。沼氣可用于發(fā)電,目前成熟的國產(chǎn)沼氣發(fā)電機(jī)組的功率主要集中在24~600kW這個區(qū)段。從沼氣工程的產(chǎn)氣量來看,有不少沼氣工程適宜配建500kW以上的沼氣發(fā)電機(jī)組。推進(jìn)沼氣綜合利用,不僅要高質(zhì)利用沼氣,還要利用好沼渣沼液,形成綜合性的技術(shù)開發(fā),這將有助于種植業(yè)、加工業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、服務(wù)業(yè)和倉儲業(yè)的發(fā)展。2.2.3發(fā)電垃圾及低能源發(fā)電生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)是生物質(zhì)通過熱化學(xué)轉(zhuǎn)化為氣體燃料,將凈化后的氣體燃料直接送入鍋爐、內(nèi)燃發(fā)電機(jī)或燃?xì)鈾C(jī)的燃燒室中燃燒發(fā)電。農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)主要集中在發(fā)達(dá)國家,印度、巴西和東南亞等發(fā)展中國家也積極研發(fā),或者引進(jìn)技術(shù)建設(shè)相關(guān)發(fā)電項(xiàng)目。目前,歐洲和美國在利用生物質(zhì)氣化方面處于世界領(lǐng)先地位。美國建立的Battelle生物質(zhì)氣化發(fā)電示范工程代表生物質(zhì)能利用的世界先進(jìn)水平,可生產(chǎn)中熱值氣體。美國紐約的斯塔藤垃圾處理站投資2000萬$,采用濕法處理垃圾,回收沼氣,用于發(fā)電,同時生產(chǎn)肥料。印度Anna大學(xué)新能源和可再生能源中心最近開發(fā)研究用流化床氣化農(nóng)林剩余物和稻殼、木屑、甘蔗渣等,建立了一個中試規(guī)模的流化床系統(tǒng),氣體用于柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電。芬蘭是世界上利用林業(yè)廢料和造紙廢棄物等生物質(zhì)發(fā)電最成功的國家之一,其技術(shù)與設(shè)備為國際領(lǐng)先水平。芬蘭最大的能源公司—福斯特威勒公司是具有世界先進(jìn)水平的燃燒生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐的制造公司,該公司生產(chǎn)的發(fā)電設(shè)備主要利用木材加工業(yè)、造紙業(yè)的廢棄物為燃料,最大發(fā)電量為30萬kW,廢棄物的最高含水量可達(dá)60%,排煙溫度為140℃,熱電效率達(dá)88%。我國生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)研究始于20世紀(jì)60年代,具有代表性的是殼式氣化發(fā)電系統(tǒng)。其160kW和200kW生物質(zhì)發(fā)電設(shè)備已得到小規(guī)模應(yīng)用。生物質(zhì)氣化中對氣化氣體的凈化、廢水處理及產(chǎn)生大量焦油的合理處理都是生物質(zhì)氣化技術(shù)急需解決的瓶頸問題,因此將焦油裂解技術(shù)和工藝成為研究的重點(diǎn)。利用我國現(xiàn)有技術(shù),研究開發(fā)經(jīng)濟(jì)上可行、效率較高的生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)將成為生物質(zhì)高效利用的一個主要課題。在我國農(nóng)村都是以戶為生產(chǎn)單位,雖然我國生物質(zhì)資源豐富,但資源比較分散,在原料收集和轉(zhuǎn)化過程中的投入較高,使原料總成本居高不下,這給氣化技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用造成了障礙。為了就地取材,節(jié)約成本,還應(yīng)積極發(fā)展農(nóng)村戶用小型氣化設(shè)備的研制。2.3化學(xué)加工過程生物質(zhì)能是唯一能轉(zhuǎn)化為液體燃料的可再生能源。生物質(zhì)液化技術(shù)是把固體狀態(tài)的生物質(zhì)經(jīng)過一系列化學(xué)加工過程,使其轉(zhuǎn)化成液體燃料(主要是指汽油、柴油、液化石油氣等液體烴類產(chǎn)品,有時也包括甲醇和乙醇等醇類燃料)的清潔利用技術(shù)。根據(jù)化學(xué)加工過程技術(shù)路線的不同,液化可分為直接液化和間接液化。目前,生物質(zhì)液體燃料主要包括燃料乙醇、生物柴油和二甲醚等。2.3.1微生物與熱作原料的混紡技術(shù)燃料乙醇是目前世界上生產(chǎn)規(guī)模最大的生物能源。燃料乙醇技術(shù)是利用酵母等乙醇發(fā)酵微生物,在無氧的環(huán)境下通過特定酶系分解代謝可發(fā)酵糖生成乙醇。乙醇以一定的比例摻入汽油可作為汽車燃料,替代部分汽油,使排放的尾氣更清潔。按原料來源可分為糖質(zhì)原料、淀粉原料和纖維素原料。將糖或淀粉發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇是傳統(tǒng)的成熟工藝,利用纖維素原料生產(chǎn)乙醇是今后發(fā)酵法生產(chǎn)乙醇的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。目前,美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)進(jìn)行同時糖化和共發(fā)酵工藝(SSCF)的研究,把葡萄糖和木糖的發(fā)酵液放在一起用于發(fā)酵的微生物。與單純用葡萄糖發(fā)酵菌和單純利用五碳糖發(fā)酵菌相比,乙醇的產(chǎn)量分別提高30%~38%和10%~30%。NREL還建立了一套日處理生物質(zhì)1t規(guī)模的中試裝置,積極開發(fā)基于木質(zhì)纖維素類原料燃料乙醇生產(chǎn)技術(shù),并進(jìn)行綜合技術(shù)分析。美國馬斯科馬(Mascoma)公司開發(fā)的統(tǒng)合生物處理技術(shù)是利用纖維類生物質(zhì)為原料、低成本生產(chǎn)生物燃料的加工工藝。公司利用工程化微生物(包括令纖維素發(fā)酵)轉(zhuǎn)化的耐熱菌,而不是成本高昂的纖維素酶,一步實(shí)現(xiàn)纖維素至乙醇的轉(zhuǎn)化。美國愛荷華州立大學(xué)(IowaStateUniversity)的研究人員正在開發(fā)利用熱化學(xué)催化技術(shù),從植物生物質(zhì)中高效提取乙醇的綜合體系。英國英力士公司(INEOS)已經(jīng)掌握了將生活垃圾轉(zhuǎn)變?yōu)槿剂系募夹g(shù)工藝,并計劃到2011年底大規(guī)模采用這項(xiàng)工藝生產(chǎn)燃料。在生產(chǎn)過程中,加熱垃圾產(chǎn)生氣體,氣體和某些細(xì)菌反應(yīng)產(chǎn)生乙醇,乙醇經(jīng)過凈化變?yōu)槿剂?。酶在化學(xué)或生物化學(xué)中由于成本高,是纖維素或生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為乙醇的一大障礙。美國南達(dá)科達(dá)州立大學(xué)研究人員于2010年7月19日宣布,開發(fā)了使酶重復(fù)利用于生產(chǎn)纖維素乙醇過程的方法。結(jié)果表明,將酶使用5次取得成功,但活性從100%降低到40%,仍可保持酶原來活性的40%。由于木質(zhì)素、半纖維素對纖維素的保護(hù)作用以及纖維素自身的晶體結(jié)構(gòu),使得催化劑很難與纖維素接觸,直接影響其糖化水解以及發(fā)酵的過程。A.Wojcia和A.Pekarovicova報道了超聲波處理法對酶水解和發(fā)酵的影響。超聲波能碎解木質(zhì)素大分子,影響纖維的化學(xué)性能和物理結(jié)構(gòu)。Kitchaiya等研究了微波處理木質(zhì)纖維對酶水解的影響。在常壓下,240W的微波處理稻草或蔗渣浸入甘油中10min后,反應(yīng)溫度200℃時,還原糖濃度提高兩倍。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計,在2004-2006年兩年內(nèi),國內(nèi)以生物燃料乙醇或非糧生物液體燃料等名目提出的意向建設(shè)生產(chǎn)能力已超過千萬噸。中國成為繼巴西、美國之后的全球第三大生物燃料乙醇生產(chǎn)國和消費(fèi)國。我國現(xiàn)在已經(jīng)開始在交通燃料中使用燃料乙醇。以非糧原料生產(chǎn)燃料乙醇的技術(shù)已初步具備商業(yè)化發(fā)展條件。目前,中糧集團(tuán)在河北、廣西、內(nèi)蒙古等3地已有共計80萬t乙醇項(xiàng)目進(jìn)入前期準(zhǔn)備階段,這些項(xiàng)目將避免直接以玉米或小麥等糧食為原料,為我國非糧乙醇奠定良好的基礎(chǔ)。華東理工大學(xué)承擔(dān)的“纖維素廢棄物制取乙醇技術(shù)”課題已打通了纖維素原料酸水解制取乙醇的工藝路線,在國內(nèi)首次建成了由纖維素廢棄物年產(chǎn)酒精600t的示范工程,累計運(yùn)行超過1000h,通過生物和熱轉(zhuǎn)化方法有機(jī)的結(jié)合,開發(fā)了水解殘渣快速裂解液化、活性炭的制備以及纖維素酶水解等工藝技術(shù)。該系統(tǒng)將成為我國自主開發(fā)纖維素原料生產(chǎn)燃料乙醇技術(shù)的中試研究實(shí)驗(yàn)平臺,為工業(yè)示范放大提供技術(shù)基礎(chǔ)。農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院承擔(dān)的“甜高粱莖稈制取乙醇技術(shù)”課題,發(fā)展了甜高粱莖稈固體發(fā)酵工藝。甜高粱莖稈制取乙醇技術(shù)成果的推廣應(yīng)用,不僅形成具有中國特色的燃料乙醇發(fā)展模式,還開辟了具有戰(zhàn)略性的能源農(nóng)業(yè)和生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè),對我國實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。據(jù)記者初步統(tǒng)計,已涉足乙醇汽油業(yè)務(wù)的上市公司有豐原生化、S吉生化、華資實(shí)業(yè)、廣東甘化、敦煌種業(yè)、榮華實(shí)業(yè)和華冠科技等。我國發(fā)展燃料乙醇應(yīng)堅持“非糧“原則,纖維素生產(chǎn)乙醇在技術(shù)上已有相應(yīng)進(jìn)步,是未來生物質(zhì)能源技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化利用的發(fā)展方向。2.3.2生物柴油的生產(chǎn)生物柴油是以各種油脂(包括植物油、動物油脂和廢餐飲油等)為原料,經(jīng)過轉(zhuǎn)酯化加工處理后生產(chǎn)出的一種液體燃料,生物柴油可作為柴油的替代品。目前,工業(yè)上生產(chǎn)生物柴油的方法主要是酯交換法,包括酸或堿催化法、生物酶催化法、工程微藻法和超臨界法等。近幾年來,國內(nèi)外較多研究采用脂肪酶催化酯交換反應(yīng)生產(chǎn)生物柴油,即用動植物油和低碳醇通過脂肪酶進(jìn)行轉(zhuǎn)酯化反應(yīng),制備相應(yīng)的脂肪酸酯。加拿大BIOX公司將DavidBookcock公司開發(fā)的技術(shù)(美國專利6642399和6712867)推向工業(yè)化。該工藝使轉(zhuǎn)化速度和效率提高,而且采用酸催化步驟使含游離脂肪高達(dá)30%的任意原料轉(zhuǎn)化為生物柴油。日本大阪市立工業(yè)研究所成功開發(fā)使用固定化脂酶連續(xù)生產(chǎn)生物柴油,分段添加甲醇進(jìn)行反應(yīng),反應(yīng)溫度為30℃,植物油轉(zhuǎn)化率達(dá)95%,得到的產(chǎn)品可直接用作生物柴油。芬蘭納斯特(Neste)石油公司投資1億歐元在芬蘭帕爾伏煉油廠建設(shè)加氫法生物柴油裝置,通過加氫裂化方法生產(chǎn)生物柴油。美國是世界上最早研究生物柴油的國家之一。目前,美國生物柴油主要以大豆為生產(chǎn)原料,同時也在積極探索其它途徑,如“工程微藻法”等生產(chǎn)生物柴油。2007年,美國啟動了微藻能源計劃,被稱為“微型曼哈頓計劃”。2008年10月,英國碳基金公司啟動了目前世界上最大的藻類生物燃料項(xiàng)目,投入2600萬英鎊用于發(fā)展相關(guān)技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施,該項(xiàng)目預(yù)計到2020年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。積極發(fā)展燃料乙醇和生物柴油一直是我國石油替代能源戰(zhàn)略中的重要內(nèi)容之一。我國系統(tǒng)的生物柴油研究始于中國科學(xué)院“八五”重點(diǎn)科研項(xiàng)目“燃料油植物的研究與應(yīng)用技術(shù)”,完成了對金沙江流域燃料油植物資源的調(diào)查及栽培技術(shù)研究,建立了30hm2小桐子栽培示范片。從20世紀(jì)90年代開始,長沙市新技術(shù)研究所與湖南省林業(yè)科學(xué)院對能源植物和生物柴油進(jìn)行了長達(dá)10a的合作,并完成了“植物油能源利用技術(shù)”研究。陜西省漢中春光生物能源開發(fā)公司的春光項(xiàng)目,由中國日用化學(xué)工業(yè)研究院設(shè)計完成,項(xiàng)目選用“預(yù)酯化酯交換制取脂肪酸甲酯”,由中科院自動化研究所為其提供生物柴油生產(chǎn)線自動控制工藝及其裝置。國風(fēng)塑業(yè)大股東國風(fēng)集團(tuán)正在建設(shè)60萬t/a生物柴油項(xiàng)目。清華大學(xué)完成了生物酶轉(zhuǎn)化可再生油脂原料制備生物柴油,該生物柴油的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)符合美國及德國生物柴油標(biāo)準(zhǔn),并符合我國0號優(yōu)等柴油標(biāo)準(zhǔn),這種環(huán)境友好的生物酶法生物柴油技術(shù)將有望實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。中石化開發(fā)了基于超臨界的生物柴油生產(chǎn)技術(shù),即將工業(yè)化。2009年,武漢理工大學(xué)成功開發(fā)出以菊芋為原料生產(chǎn)碳7-碳15烷烴類柴油的全新生物柴油加工路線,目前正尋求資金開展中試和示范生產(chǎn)系統(tǒng)建設(shè)。專家認(rèn)為,該原料路線符合我國制定的生物燃料發(fā)展原則,其產(chǎn)業(yè)化將為生物柴油行業(yè)帶來重大變革。生物柴油作為一種優(yōu)質(zhì)的液體燃料,是我國生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)的一個發(fā)展方向,但中國的生物柴油產(chǎn)業(yè)在初期沒打好基礎(chǔ),形成“南方麻風(fēng)樹、北方黃連木”的局面,在未來數(shù)年內(nèi),微藻有望代替麻風(fēng)樹和黃連木,成為生物柴油的主要原料。解決原料來源及其相配套的技術(shù)問題是生物柴油產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。2.3.3甲醇脫水技術(shù)和合成氣工程的結(jié)合二甲醚(DME)是一種最簡單的脂肪醚,又稱木醚、甲醚,是一種理想的清潔燃料。未來DME應(yīng)用的最大潛在市場是作為柴油代用燃料,也可以替代液化石油氣。二甲醚的工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)主要有甲醇脫水工藝和合成氣直接合成工藝。目前,工業(yè)上主要是甲醇脫水技術(shù)生產(chǎn)二甲醚。合成氣一步合成二甲醚的工業(yè)化,仍在開發(fā)之中。新奧集團(tuán)股份有限公司年產(chǎn)60萬t甲醇/40萬t二甲醚項(xiàng)目在內(nèi)蒙古鄂爾多斯市建成投產(chǎn),裝置運(yùn)行平穩(wěn),生產(chǎn)負(fù)荷達(dá)70%以上。該項(xiàng)目采用水煤漿加壓氣化技術(shù)、耐硫變換及低溫甲醇洗凈化技術(shù)、低壓甲醇合成技術(shù)和新奧節(jié)能型二甲醇合成技術(shù),以國內(nèi)設(shè)備為主,建成國內(nèi)最大的單系列煤基二甲醚裝置。2009年,山西華園高科技開發(fā)中心和美國和聲事業(yè)有限公司共同投資的山西華園90萬t煤層氣經(jīng)甲醇制二甲醚項(xiàng)目在山西壽陽縣開工建設(shè),該項(xiàng)目總投資53億元,是目前亞洲最大的煤層氣開發(fā)項(xiàng)目。華東理工大學(xué)、浙江大學(xué)、中國科學(xué)院山西煤化所和廣州能源研究所等單位開展了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室研究,利用可再生的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為清潔的燃料二甲醚。2.3.4物質(zhì)氣化和生物柴油等為原料的燃料國外從20世紀(jì)80年代開始研究生物質(zhì)氣化合成甲醇燃料。20世紀(jì)90年代,生物質(zhì)氣化合成甲醇系統(tǒng)的研究得到了廣泛的發(fā)展,如美國的HynolProcess項(xiàng)目、NREL的生物質(zhì)甲醇項(xiàng)目、瑞典的BAL-FuelsProject和Bio-Meet-Project以及日本MHI的生物質(zhì)氣化合成甲醇系統(tǒng)等。日本筑波大學(xué)材料科學(xué)院的研究人員開發(fā)出一種新型催化劑,可有效地將生物質(zhì)低溫氣化,用所得到的無焦油氣體作為合成氣來生產(chǎn)甲醇、二甲醚或液體燃料。美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室建成了合成甲醇小型示范裝置,研究生物質(zhì)氣化間接合成液體燃料的機(jī)理和可行性。我國朱靈峰等對玉米秸稈燃?xì)膺M(jìn)行合成氣優(yōu)化實(shí)驗(yàn),在5MPa壓力下,采用等溫積分反應(yīng)器和國產(chǎn)C301生銅基催化劑,對合成氣進(jìn)行催化合成甲醇。目前,人們對生物質(zhì)間接液化制備發(fā)動機(jī)燃料試驗(yàn)及工藝的研究還不多,但由于其清潔環(huán)保的特點(diǎn),已經(jīng)引起人們的重視。燃料乙醇和生物柴油等能源產(chǎn)品都要依托能源作物的大面積種植,這會造成能源作物與糧食作物爭地、爭政策和爭資源的局面。如何保持能源作物與糧食作物的平衡,既保證國家糧食安全,又促進(jìn)能源農(nóng)業(yè)發(fā)展是一個難點(diǎn)。我國政府提出發(fā)展生物質(zhì)燃料要按照“不與人爭糧,不與糧爭地”的原則進(jìn)行。木本油料植物為原料生產(chǎn)生物柴油將是今后生物能源發(fā)展的方向。我國可以充分利用11608萬hm2邊際性土地來種植甜高粱、木薯、甘薯和旱生灌木等能源植物,以非糧食作物為原料生產(chǎn)燃料乙醇等,具有極大的能源開發(fā)潛力。生物質(zhì)液體燃料需要大力發(fā)展,其進(jìn)程與規(guī)模涉及到資源的獲得、技術(shù)的進(jìn)步和成本的下降一系列重大問題。應(yīng)大力支持用纖維素、半纖維素做原料的燃料乙醇技術(shù)發(fā)展。生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為液體燃料時還需要消耗等量甚至更多的化石能源,所以除了通過改進(jìn)原有工藝減少能耗外,還應(yīng)積極探索新的工藝路線。低能耗轉(zhuǎn)化技術(shù)將成為新的研究熱點(diǎn)。2.4生物質(zhì)致密成型工藝生物質(zhì)固化技術(shù)是將生物質(zhì)中的木質(zhì)素在加熱條件下軟化或液化使其具有相當(dāng)?shù)恼持鴱?qiáng)度,然后通過機(jī)械的方式給生物質(zhì)施加適當(dāng)?shù)膲毫?將分散的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為具有一定形狀和密度的燃料。制成的商品性燃料,體積小、能量密度相對高,便于運(yùn)輸、銷售及燃用。生物質(zhì)直接燃燒和固化成型技術(shù)的研究開發(fā),主要著重于專用燃燒設(shè)備的設(shè)計和成型物的應(yīng)用。國外生物質(zhì)壓縮成型燃料的開發(fā)工作始于20世紀(jì)40年代。1948年,日本申報了利用木屑為原料生產(chǎn)棒狀成型燃料的第1個專