能源是人類生存和支撐人類發(fā)展的經(jīng)濟(jì)、社會活動所不可或缺的支柱。但是石油、煤炭等能源由于本身的有限性必定會枯竭。世界目前探明的可開采儲量表明，石油尚可開采40余年，煤炭可開采200多年，天然氣可開采40年。大量燃燒煤、石油和天然氣等化石燃料所排放的有害物質(zhì)使大氣環(huán)境受到嚴(yán)重污染。能源和環(huán)境的雙重壓力，使得人類不得不開始尋找一些相對比較清潔的可再生能源，毫無疑問生物質(zhì)能是目前比較理想的選擇之一。17世紀(jì)末大規(guī)模使用煤以前，人類的主要能源是生物質(zhì)能。目前，生物質(zhì)能的利用仍然占世界總能耗的14%，是僅次于石油、煤炭和天然氣，位居第4位的能源。在發(fā)展中國家則更加突出，生物質(zhì)能的利用達(dá)到總能耗的35%[l]。但生物質(zhì)能利用總量還不到生物質(zhì)所能產(chǎn)生的總能量的1%，由此可見，生物質(zhì)能的開發(fā)利用前景十分廣闊。生物質(zhì)能除了數(shù)量巨大，還有其他許多優(yōu)點：(1)含硫量較小，燃燒產(chǎn)物相對比較清潔；(2)提供廉價能源（在一定的條件下）；(3)將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為燃料可減少環(huán)境公害（例如垃圾燃料）。據(jù)有關(guān)專家估計，生物質(zhì)能將成為未來可持續(xù)能源系統(tǒng)中的重要組成部分，到21世紀(jì)中葉，采用新技術(shù)生產(chǎn)的備種生物質(zhì)替代燃料將占全球總能耗的40%以上。
2、生物質(zhì)能的開發(fā)利用
目前，世界上的生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)換途徑包括物理轉(zhuǎn)換、化學(xué)轉(zhuǎn)換和生物轉(zhuǎn)換三種。生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)換的技術(shù)主要有：生物質(zhì)固化、生物質(zhì)氣化、生物質(zhì)液化、生物質(zhì)熱解、生物質(zhì)發(fā)酵和生物質(zhì)直接燃燒等技術(shù)。
2.1 生物質(zhì)固化
將稻殼、木屑、花生殼、甘蔗渣等生物質(zhì)原料粉碎到一定粒度或者不加粉碎，不加粘接劑，在秸稈壓塊機(jī)、秸稈顆粒機(jī)等生物質(zhì)成型機(jī)械設(shè)備高壓條件下，利用機(jī)械擠壓成一定的形狀，這就是生物質(zhì)固化。
現(xiàn)有的生物質(zhì)成型技術(shù)按成型物的形狀主要可分為三大類：圓柱塊狀成型、棒狀成型和顆粒狀成型技術(shù)。如果把一定粒度和干燥到一定程度的煤按一定的比例與生物質(zhì)混合，加入少量的固硫劑，壓制成型就成為生物質(zhì)型煤，這是當(dāng)前生物質(zhì)固化最有市場價值的技術(shù)之一。生物質(zhì)固體燃料具有型煤和木柴的許多特點，可以在許多場合替代煤和木柴作為燃料。目前，生物質(zhì)固體燃料技術(shù)的研究在國內(nèi)外已經(jīng)達(dá)到較高的水平。許多發(fā)達(dá)國家對生物質(zhì)成型技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，產(chǎn)生了一系列的生物質(zhì)固化技術(shù)。日本、德國、土耳其等國研究用糖漿作為粘結(jié)劑，用鋸末和造紙廠廢紙與原煤按比例混合生產(chǎn)型煤，成為許多場合的替代燃料。另外，美國、英國、匈牙利等國用生物質(zhì)水解產(chǎn)物作為粘結(jié)劑生產(chǎn)型煤。國內(nèi)陳貴烽、曲思建等人對生物質(zhì)工業(yè)型煤的技術(shù)特點及型煤技術(shù)中存在的問題進(jìn)行了探討，另外，清華大學(xué)、浙江大學(xué)、哈爾濱理工大學(xué)、煤炭研究院北京煤化學(xué)研究所等單位對生物質(zhì)的固化利用途徑進(jìn)行了深入的研究，取得了一系列的成果。
生物質(zhì)型煤雖然在燃燒性能和環(huán)保節(jié)能上具有明顯的優(yōu)良特性，但它的致命缺點是壓塊機(jī)械磨損嚴(yán)重，配套設(shè)施復(fù)雜，使得一次性投資和成本都很高，目前還沒有顯著的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素阻礙了他的商業(yè)化發(fā)展應(yīng)用，使得生物質(zhì)固化技術(shù)目前還處于實驗室研究和工業(yè)試生產(chǎn)階段，還沒有形成規(guī)模產(chǎn)業(yè)。以后的研究將主要集中在降低成本和提高固硫率上。
2.2生物質(zhì)氣化
生物質(zhì)氣化是指柴草、枝條、秸桿、廢木料等農(nóng)林廢棄物在高溫條件下與氣化劑（空氣、氧氣及水蒸氣）反應(yīng)得到可燃?xì)怏w的過程。
伴隨著氣化過程，燃料會出現(xiàn)氧化、還原、干餾和干燥四個階段，其中氧化和還原是關(guān)鍵技術(shù)。氧化的份額太高就接近于燃燒，氧化的份額太低，反應(yīng)溫度就偏低，只冒油煙和水蒸氣，氣化過程變?yōu)樘炕^程，不能得到氣體燃料。合理控制水蒸氣在空氣中的比例，就可以使氣化反應(yīng)放熱超過重整反應(yīng)中的吸熱，使氣化溫度維持在預(yù)定的水平下，并能得到較高熱值的氣體燃料。
國內(nèi)外最常用的氣化方法主要有：固定床氣化爐、流化床氣化爐、攜帶床氣化爐。目前，生物質(zhì)氣化技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用已經(jīng)成熟，市場潛力巨大，氣化煤氣的主要用途有以下幾個方面：(1)供熱、供暖；
(2)供氣；(3)烘干；(4)發(fā)電；(5)熱源。
國外對生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究已有160多年的歷史，20世紀(jì)30、40年代的石油短缺使氣化技術(shù)的研究達(dá)到較大的規(guī)模，而20世紀(jì)70年代初的石油危機(jī)把氣化技術(shù)推到新的發(fā)展水平。目前，國外的氣化技術(shù)己達(dá)到很高的水平，氣化爐工藝流程復(fù)雜，自動化程度很高，氣化煤氣主要用于發(fā)電和供熱。
20世紀(jì)80年代以來，國內(nèi)的生物質(zhì)氣化技術(shù)得到了較快的發(fā)展，研究主要集中在適用于農(nóng)村、林區(qū)和偏遠(yuǎn)地區(qū)的固定床氣化技術(shù)，以農(nóng)業(yè)和林產(chǎn)工業(yè)廢棄物為原料，面向工業(yè)企業(yè)的流化床氣化技術(shù)及生物質(zhì)氣化集中供氣技術(shù)。
生物質(zhì)氣化技術(shù)使生物質(zhì)能的利用效率提高了一倍，降低了CO，的排放，緩解了能源和環(huán)境兩方面的壓力，為世界的可持續(xù)發(fā)展提供了途徑。但是生物質(zhì)氣化技術(shù)的真正推廣還存在許多障礙，還有許多問題有待解決。例如：(1)氣化煤氣中的焦油消除問題，凈化除焦已經(jīng)成為制約生物質(zhì)氣化技術(shù)的主要因素；(2)生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的氣化煤氣總體來說成本還比較高，許多技術(shù)還處于試驗和試運行狀態(tài)，即使是應(yīng)用比較成熟的氣化集中供氣系統(tǒng)也存在著運行成本偏高，設(shè)備折舊偏快的問題。
2.3 生物質(zhì)熱解技術(shù)
熱解是指生物質(zhì)在隔絕空氣或供給少量空氣的情況下，加熱分解成氣體、液體、固體產(chǎn)品的過程。熱解產(chǎn)物中各成分的比例可通過控制反應(yīng)參數(shù)，如溫度、加熱速率、過程中活性氣體、固體停留時間等來加以控制。根據(jù)溫度、加熱速率、固體停留時間及固體粉碎程度等條件可把熱解分成慢速熱解、快速熱解和瞬時熱解（表1）。
常用的熱解設(shè)備主要有流化床、循環(huán)流化床、氣流床和自由落下床等。目前國內(nèi)外對這種熱解設(shè)備的研究主要集中在消除焦油上面。
利用生物質(zhì)熱解產(chǎn)生燃料不會增加空氣中CO，的含量，可利用各種農(nóng)林廢棄物為原料，減少環(huán)境污染。生物質(zhì)能源具有可再生性，能緩解能源緊張的矛盾，而且生物質(zhì)熱解產(chǎn)生的燃料與化石燃料相比相對比較清潔，熱解產(chǎn)物中S的含量遠(yuǎn)小于化石燃料。通過生物質(zhì)熱解還能得到像焦炭、生物質(zhì)油、合成氣、甲醇和氫氣等原料，可滿足多種工業(yè)需求。
2.4生物質(zhì)液化
生物質(zhì)液化是指通過化學(xué)方法將生物質(zhì)轉(zhuǎn)換成液體產(chǎn)品的過程。液化可分為催化液化和超臨界液化。催化液化過程中，溶劑和催化劑的選擇是影響產(chǎn)物產(chǎn)率和質(zhì)量的重要因素。目前除了水之外，常用的溶劑還有苯酚、高沸點的雜環(huán)烴和芳香烴混合物。目前主要的超臨界水液化生物質(zhì)的研究包括：超臨界水液化纖維生物質(zhì)、超臨界水和超臨界甲醇液化木質(zhì)素生物質(zhì)等技術(shù)。
生物質(zhì)的液化產(chǎn)物常稱為生物質(zhì)油。生物質(zhì)油與傳統(tǒng)燃料相比具有含水量高、含氧量高、性質(zhì)較不穩(wěn)定等特點，使得其蒸餾加工過程中對溫度和不揮發(fā)性很敏感，因此對生物質(zhì)油的改良十分必要。目前對生物質(zhì)油的改良主要有以下途徑：(1)加氫處理；(2)分子篩處理；(3)產(chǎn)品的精制等。
生物質(zhì)液化是生物質(zhì)能源利用的一條有效途徑。目前對生物質(zhì)液化的研究工作已有了一定的基礎(chǔ)，但是生物質(zhì)油的產(chǎn)量和質(zhì)量還處于它的幼年時期，仍需要更多的理論與實踐的探索。例如對溶劑及催化劑技術(shù)還要進(jìn)一步研究，以生產(chǎn)出高質(zhì)量的生物質(zhì)油。國外對生物質(zhì)液化的研究比較早，已面臨產(chǎn)業(yè)化、市場化，而我國由于技術(shù)積累比較薄弱，急需開展相關(guān)的研究。
2.5 生物質(zhì)的生物轉(zhuǎn)化技術(shù)——生物質(zhì)發(fā)酵技術(shù)
生物質(zhì)的生物轉(zhuǎn)化技術(shù)是指農(nóng)林廢棄物通過微生物的生物化學(xué)作用生成高品位氣體燃料或液體燃料的過程。目前主要的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化方式為厭氧發(fā)酵和乙醇發(fā)酵。
厭氧發(fā)酵是指有機(jī)物在厭氧細(xì)菌的作用下進(jìn)行代謝以產(chǎn)生以甲烷為主的可燃?xì)怏w（沼氣）的過程。目前厭氧發(fā)酵主要分生物質(zhì)發(fā)酵制沼氣技術(shù)及垃圾填埋技術(shù)。人類最早使用沼氣是在西歐。但中國的沼氣事業(yè)發(fā)展速度最快，數(shù)量最多，并己成為世界沼氣大國。而國外發(fā)展中國家和發(fā)達(dá)國家都在加大沼氣的利用來緩解城鄉(xiāng)的能源及環(huán)境問題。美國最近正在研究新的發(fā)酵技術(shù)和新的微生物系統(tǒng)以提高沼氣的品質(zhì)。尋找新的發(fā)酵菌類是目前沼氣技術(shù)的研究方向。
乙醇發(fā)酵是指通過碳水化合物提取乙醇的過程。利用淀粉釀制乙醇，被認(rèn)為是一種重要的潛在替代能源，可以用作交通運輸行業(yè)所需要的液體燃料。目前在發(fā)酵生物的種類方面進(jìn)行著廣泛的研究。利用生物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)液體燃料乙醇的技術(shù)，主要分為糖和淀粉原料發(fā)酵生產(chǎn)乙醇及轉(zhuǎn)化纖維素生產(chǎn)乙醇。
纖維素發(fā)酵制取乙醇是制醇領(lǐng)域最令人矚目的技術(shù)，目前最主要的纖維素制乙醇方法有濃硫酸水解法、稀硫酸水解法、濃鹽酸水解法及酶水解法。稀硫酸水解法己達(dá)到工業(yè)化水平，酶水解法還處于大力研究中，而濃硫酸和濃鹽酸水解法已經(jīng)通過試驗研究。
2.6生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)
生物質(zhì)直接燃燒是生物質(zhì)能最早被利用的傳統(tǒng)方法，就是在不進(jìn)行化學(xué)轉(zhuǎn)化的情況下，將生物質(zhì)直接作為燃料燃燒轉(zhuǎn)換成能量的過程。燃燒過程所產(chǎn)生的能量主要用于發(fā)電或者供熱。生物質(zhì)直接作為燃料燃燒具有許多優(yōu)點：1)資源化，使生物質(zhì)真正成為能源，而不是產(chǎn)生能源產(chǎn)品替代物的原料；2)減量化，減少了生物質(zhì)利用后剩余物的量；3)無害化，直接燃燒生物質(zhì)不會造成環(huán)境問題，真正達(dá)到了能源利用的無害化。
據(jù)FAO(聯(lián)合國糧食農(nóng)業(yè)組織)統(tǒng)計，全世界有34個發(fā)展中國家的木質(zhì)燃料和木炭消耗量達(dá)到全國總能耗的70%以上，而且1999年全世界63%的木材收獲量用作木質(zhì)燃料，其中發(fā)達(dá)國家為30%，發(fā)展中國家是81%。我國農(nóng)村能源消耗的50%來源于生物質(zhì)能源，而其中主要是生物質(zhì)的直接燃燒，每年總量高達(dá)兩億多噸‘釘。由此可見，燃用生物質(zhì)燃料仍將是發(fā)展中國家的主要選擇。
生物質(zhì)直接燃燒主要分為生物質(zhì)作為農(nóng)用爐灶燃料直接燃燒和生物質(zhì)作為鍋爐燃料直接燃燒。
生物質(zhì)在農(nóng)用爐灶中燃燒的熱效率一般為10%～15%，在省柴爐灶中燃燒的熱效率為30%左右。生物質(zhì)作為鍋爐的燃料直接燃燒，其熱效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于作為農(nóng)用爐灶燃料，甚至能接近化石燃料的水平。所以利用生物質(zhì)作為鍋爐直接燃料能大大地提高生物質(zhì)能的利用效率。生物質(zhì)燃料鍋爐的種類很多，按燃用生物質(zhì)的品種不同可分為：木材爐、顆粒燃料爐、薪柴爐、秸稈爐；按燃燒方式又可分為流化床鍋爐、層燃爐等。
生物質(zhì)作為鍋爐燃料與化石燃料（煤）相比具有許多差別（見表5），主要有：(1)生物質(zhì)含氫量稍多，揮發(fā)分明顯較多；(2)生物質(zhì)含碳量少，含固定碳更少；(3)生物質(zhì)含氧量多；(4)生物質(zhì)密度較小；(5)生物質(zhì)含硫量低。劉建禹等人對生物質(zhì)燃料燃燒過程進(jìn)行了深入的研究，得出以下結(jié)論：(1)生物質(zhì)燃料密度小，結(jié)構(gòu)松散，揮發(fā)分含量高，揮發(fā)分在250~350℃溫度下大部分析出；(2)揮發(fā)分析出后，疏松的焦炭會隨著氣流進(jìn)入煙道，所以通風(fēng)不能過強；(3)揮發(fā)分燃盡后，受到灰燼包裹的焦炭較難燃盡。所以生物質(zhì)燃料鍋爐的設(shè)計要結(jié)合生物質(zhì)燃燒的特點。
目前的生物質(zhì)燃料鍋爐主要是流化床鍋爐。因為流化床能很好地適應(yīng)生物質(zhì)燃料揮發(fā)分析出迅速、固定碳難以燃盡的特點，并能克服固定床燃燒效
率低下的弊病，還具有燃料適應(yīng)性好、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大、操作簡單的優(yōu)點。
瑞典、丹麥、德國等發(fā)達(dá)國家在流化床燃用生物質(zhì)燃料技術(shù)方面具有較高的水平。國內(nèi)以生物質(zhì)為燃料的流化床鍋爐的應(yīng)用也正在起步。哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、華中理工大學(xué)、浙江大學(xué)等機(jī)構(gòu)也對流化床用生物質(zhì)燃料技術(shù)進(jìn)行了一系列的研究。當(dāng)然流化床鍋爐燃用生物質(zhì)燃料也存在一些缺點：1)鍋爐體形大，成本高；2)生物質(zhì)燃料的燃用需要經(jīng)過一系列的預(yù)處理(例如生物質(zhì)原料的烘干、粉碎等);3）飛灰含碳量高于爐灰的含碳量，并且隨著生物質(zhì)揮發(fā)分的大量析出，焦炭的燃盡較為困難；4)生物質(zhì)燃料蓄熱能力小，必須采用床料來保證爐內(nèi)溫度水平，造成爐膛磨損嚴(yán)重，也影響了灰渣的綜合利用。
鏈條爐屬層狀燃燒，生物質(zhì)燃料通過給料斗送到爐排上形成的料層疏密不均，從而形成布風(fēng)不均勻，影響了生物質(zhì)的燃盡。所以國內(nèi)外對生物質(zhì)層燃爐的報道比較少。丹麥改造Benson型鍋爐來燃用生物質(zhì)燃料，取得了一定的效果。國內(nèi)也有一些鍋爐廠設(shè)計生產(chǎn)了燃用生物質(zhì)燃料的層燃爐，但熱效率偏低，出力不足，鍋爐本體大，所以很難推廣。
最近國內(nèi)研制出采用室燃與層燃相結(jié)合，燃用酒糟的鍋爐。該鍋爐物料從爐膛前上方噴入爐內(nèi)，下落過程中酒糟逐漸被加熱，大量揮發(fā)分開始析出，并在爐膛空間燃燒，，同時物料顆粒在下落過程中也開始燃燒，較難燃盡的固定碳落在爐排上繼續(xù)燃燒。燃燒速度快，燃燒效率高，負(fù)荷調(diào)節(jié)靈活方便。目前這項技術(shù)已經(jīng)推廣應(yīng)用，五糧液酒廠已安裝了32臺蒸發(fā)量為4 t/h的燃酒糟鍋爐，日處理酒糟2000t，每年節(jié)省燃料費用達(dá)3000萬元，節(jié)能效果明顯，并且極大地減輕了環(huán)境污染。由于酒糟與棕櫚渣、椰子殼、稻殼等生物質(zhì)燃料具有相近的燃燒特性，這種技術(shù)有望得到大面積的推廣。
3、結(jié)論
以上對生物質(zhì)能利用的常用方法進(jìn)行了簡單的介紹，從上面的介紹可知：固化、氣化、液化、熱解過程需要能量的投入，而且像熱解、液化過程需要投入的能量還比較大。固化、氣化、液化、熱解和發(fā)酵方式設(shè)備的成本比較高，而且這些方法并不能完全將生物質(zhì)中的有用成分轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。生物質(zhì)直接作為鍋爐燃料燃燒，生物質(zhì)能的利用效率很高，產(chǎn)生的能量可供發(fā)電、供熱來滿足各種需求，處理過程實現(xiàn)了減量化、資源化、無害化。所以如果能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟(jì)、安全、高效地直接燃燒生物質(zhì)燃料，毫無疑問將解決未來的能源問題，實現(xiàn)人類社會的可持續(xù)發(fā)展。
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