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生物質(zhì)能

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生物質(zhì)能(Biomass energy)

目錄

什么是生物質(zhì)能[1]

  生物質(zhì)能是指植物葉綠素將太陽(yáng)能轉化為化學(xué)能儲存在生物質(zhì)內部的能量,通過(guò)熱化學(xué)轉換技術(shù)將固體生物質(zhì)轉換成可燃氣體、焦油等,通過(guò)生物化學(xué)轉換技術(shù)將生物質(zhì)在微生物的發(fā)酵作用下轉換成沼氣、酒精等,通過(guò)壓塊細密成型技術(shù)將生物質(zhì)壓縮成高密度固體燃料等。生物質(zhì)能源包括:能源林木、能源作物、水生植物、各種有機的廢棄物等,它們是通過(guò)植物的光合作用轉化而成的可再生資源。

  生物質(zhì)能由太陽(yáng)能轉換而來(lái),它蘊藏在植物、動(dòng)物和微生物等有機體中,是人類(lèi)賴(lài)以生存的物質(zhì)基礎。生物質(zhì)作為能源利用,在轉換系統的每一個(gè)環(huán)節都可為人類(lèi)造福,它具有全程良性循環(huán)的特征。生物質(zhì)能既可直接利用,也可以通過(guò)轉化成氫氣、乙醇、沼氣等含能物質(zhì)間接使用。

生物質(zhì)能的特點(diǎn)

  1、可再生性

  生物質(zhì)屬可再生資源,生物質(zhì)能由于通過(guò)植物的光合作用可以再生,與風(fēng)能、太陽(yáng)能等同屬可再生能源,資源豐富,可保證能源的永續利用;

  2、低污染性

  生物質(zhì)的硫含量、氮含量低、燃燒過(guò)程中生成的SOX、NOX較少;生物質(zhì)作為燃料時(shí),由于它在生長(cháng)時(shí)需要的二氧化碳相當于它排放的二氧化碳的量,因而對大氣的二氧化碳凈排放量近似于零,可有效地減輕溫室效應;

  3、廣泛分布性

  缺乏煤炭的地域,可充分利用生物質(zhì)能;

  4、生物質(zhì)燃料總量十分豐富

  生物質(zhì)能是世界第四大能源,僅次于煤炭、石油天然氣。根據生物學(xué)家估算,地球陸地每年生產(chǎn)1000~1250億噸生物質(zhì);海洋年生產(chǎn)500億噸生物質(zhì)。生物質(zhì)能源的年生產(chǎn)量遠遠超過(guò)全世界總能源需求量,相當于目前世界總能耗的10倍。我國可開(kāi)發(fā)為能源的生物質(zhì)資源到2010年可達3億噸。隨著(zhù)農林業(yè)的發(fā)展,特別是炭薪林的推廣,生物質(zhì)資源還將越來(lái)越多。

生物質(zhì)能的分類(lèi)

  依據來(lái)源的不同,可將適合于能源利用的生物質(zhì)分為林業(yè)資源、農業(yè)資源、生活污水和工業(yè)有機廢水、城市固體廢物及畜禽糞便等五大類(lèi)。

  1、林業(yè)資源

  林業(yè)生物質(zhì)資源是指森林生長(cháng)和林業(yè)生產(chǎn)過(guò)程提供的生物質(zhì)能源,包括薪炭林、在森林撫育和間伐作業(yè)中的零散木材、殘留的樹(shù)枝、樹(shù)葉和木屑等;木材采運和加工過(guò)程中的枝丫、鋸末、木屑、梢頭、板皮和截頭等;林業(yè)副產(chǎn)品的廢棄物,如果殼和果核等。根據2000年完成的第5次國家森林資源調查(1994~1998年),至1998年有森林土地2.63億公頃,森林面積1.59億公頃,其中,木材存量為124.9億立方米,森林存量超過(guò)112.7億立方米。

  2、農業(yè)資源

  農業(yè)生物質(zhì)能資源是指農業(yè)作物(包括能源作物);農業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的廢棄物,如農作物收獲時(shí)殘留在農田內的農作物秸稈(玉米秸、高粱秸、麥秸、稻草、豆秸和棉稈等);農業(yè)加工業(yè)的廢棄物,如農業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中剩余的稻殼等。根據1995年的統計數據計算,我國農作物秸稈年產(chǎn)出量為6.04億噸,其中造肥還田及其收集損失約占15%,剩余5.134億噸??色@得的農作物秸稈5.134億噸除了作為飼料、工業(yè)原料之外,其余大部分還可作為農戶(hù)炊事、取暖燃料,目前全國農村作為能源的秸稈消費量約2.862億噸,但大多處于低效利用方式即直接在柴灶上燃燒,其轉換效率僅為10%一20%左右。

  3、生活污水和工業(yè)有機廢水

  生活污水主要由城鎮居民生活、商業(yè)服務(wù)業(yè)的各種排水組成,如冷卻水、洗浴排水、盥洗排水、洗衣排水、廚房排水、糞便污水等。工業(yè)有機廢水主要是酒精、釀酒、制糖、食品、制藥、造紙及屠宰等行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中排出的廢水等,其中都富含有機物。2002年,我國工業(yè)和城鎮生活廢水排放總量為439.5億噸,其中工業(yè)廢水排放量207.2億噸;城鎮生活污水排放量232.3億噸。廢水中COD排放總量1366.9萬(wàn)噸,其中,工業(yè)廢水中COD排放量584.0萬(wàn)噸,城鎮生活污水中COD排放量782.9萬(wàn)噸。

  4、城市固體廢物

  城市固體廢物主要是由城鎮居民生活垃圾,商業(yè)、服務(wù)業(yè)垃圾和少量建筑業(yè)垃圾等固體廢物構成。其組成成分比較復雜,受當地居民的平均生活水平、能源消費結構、城鎮建設、自然條件、傳統習慣以及季節變化等因素影響。中國大城市的垃圾構成已呈現向現代化城市過(guò)渡的趨勢,有以下特點(diǎn):

  一是垃圾中有機物含量接近1/3甚至更高;

  二是食品類(lèi)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。目前中國城鎮垃圾熱值在4.18兆焦/千克(1000千卡/千克)左右。

  隨著(zhù)城市規模的擴大和城市化進(jìn)程的加速,中國城鎮垃圾的產(chǎn)生量和堆積量逐年增加。1991和1995年,全國工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量分別為5.88億噸和6.45億噸,同期城鎮生活垃圾量以每年10%左右的速度遞增。1995年中國城市總數達640座,垃圾清運量10750萬(wàn)噸。

生物質(zhì)能的優(yōu)勢[2]

  1.生物能源是唯一能大規模替代石油的能源

  隨著(zhù)石油價(jià)格的攀升趨勢,以及石油資源的有限,尋找一種可以替代石油能源的新能源已經(jīng)迫在眉睫。生物能是唯一可以替代石油能源的無(wú)污染能源,而水能、風(fēng)能、太陽(yáng)能、核能及其他新能源只適用于發(fā)電和供熱。

  2.生物能源產(chǎn)品的多樣性?xún)?yōu)勢

  生物能源產(chǎn)品有液態(tài)的生物乙醇和柴油、固態(tài)的原型和成型燃料、氣態(tài)的沼氣等多種能源產(chǎn)品。生物能源既可以替代石油、煤炭和天然氣,也可以用于供熱和發(fā)電。

  3.生物能源的“可循環(huán)性”和“環(huán)保性”

  生物能源是在農林和城鄉有機廢棄物的無(wú)害化和資源化過(guò)程中生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品,生物燃料的全部生命物質(zhì)均能進(jìn)入地球的生物學(xué)循環(huán),即使是釋放的二氧化碳也會(huì )重新被植物吸收而參與地球的循環(huán),做到無(wú)污染、零排放。物質(zhì)上的環(huán)保性、永續性,資源上的可循環(huán)性是現代新能源發(fā)展中所迫切需要的,而且生物能源的生產(chǎn)模式也是極其現代化的。

  4.生物能源有利于創(chuàng )造就業(yè)機會(huì )和建立內需市場(chǎng)

  巴西的經(jīng)驗表明,在石化行業(yè)創(chuàng )造1個(gè)就業(yè)崗位,可以在乙醇行業(yè)創(chuàng )造152個(gè)就業(yè)崗位;石化行業(yè)產(chǎn)生1個(gè)就業(yè)崗位的投資是22萬(wàn)美元,燃料行業(yè)僅為1.1萬(wàn)美元。聯(lián)合國環(huán)境計劃署發(fā)布的“綠色職業(yè)”報告中指出,“到2030年可再生能源產(chǎn)業(yè)將創(chuàng )造2040萬(wàn)個(gè)就業(yè)機會(huì ),其中生物燃料將貢獻1200萬(wàn)個(gè)”。

  5.生物燃料具有對原油價(jià)格的“抑制性”

  生物能源的使用,使原油生產(chǎn)國大量增加,它通過(guò)自主生產(chǎn)燃料,可以抑制進(jìn)口石油價(jià)格,并減少進(jìn)口石油費用,使更多的資金能用于改善人民生活和經(jīng)濟的持續發(fā)展,從根本上解決能源危機糧食危機。

生物質(zhì)能的主要利用技術(shù)[3]

  (1)化學(xué)轉換技術(shù)

  生物質(zhì)化學(xué)轉換技術(shù)包括直接燃燒、液化、氣化、熱解等方法,其中最常用的是直接燃燒。但直接燃燒煙塵大,熱效率低,能源浪費大。除農村外,一般在城鎮不提倡直接燃燒的方法。同時(shí),應禁止農村在田間焚燒秸稈。

  生物質(zhì)熱解技術(shù)是生物質(zhì)受高溫加熱后,其分子破裂而產(chǎn)生可燃氣體(一般為一氧化碳CO、氫氣H:和甲烷CH。等混合氣體)、液體(焦油)及固體(木炭)的熱加工過(guò)程。目前在湖北省已使用或正在興建的秸稈集中供氣即屬于炭氣聯(lián)產(chǎn)熱解技術(shù)。

  采用直接熱解液化方法可將生物質(zhì)轉變?yōu)樯锶加?。據估計,生物燃油?a href="/wiki/%E8%83%BD%E6%BA%90%E5%88%A9%E7%94%A8%E6%95%88%E7%8E%87" title="能源利用效率">能源利用效率約為直接燃燒物質(zhì)的4倍,且辛烷值較高,若將生物燃油作為汽油添加劑,其經(jīng)濟效益更加顯著(zhù)。

  生物質(zhì)氣化是將固體或液體燃料轉化為氣體燃料的熱化學(xué)過(guò)程。生物質(zhì)與煤相比,揮發(fā)分含量高,灰分含量少,固定碳含量少但活性比煤高許多。因此,生物質(zhì)通過(guò)氣化之后加以利用,比煤氣化后再利用的效果要好。

  (2)生物質(zhì)物理轉換技術(shù)

  生物質(zhì)熱解技術(shù)主要指生物質(zhì)壓制成型技術(shù)。將農林剩余物進(jìn)行粉碎烘干分級處理,在一定的溫度和壓力下在成型機中形成較高密度的固體物料。

  (3)生物化學(xué)轉換技術(shù)

  該技術(shù)主要是利用生物質(zhì)厭氧發(fā)酵生成沼氣和在微生物作用下生成酒精等能源產(chǎn)品。主要包括厭氧發(fā)酵制取沼氣、微生物制取酒精、生物制氫、生物柴油等。

生物質(zhì)能的開(kāi)發(fā)前景[4]

  生物質(zhì)能是僅次于煤炭、石油和天然氣而居于世界資源總量第四位的資源。據估計,到本世紀中葉,采用新技術(shù)生產(chǎn)的各種生物質(zhì)替代燃料將占全球總能耗的40%以上。根據生物學(xué)家估算,地球上每年的生物質(zhì)能總量約達1400~1800億噸,相當于目前世界總能耗的10倍。

  世界全部生物質(zhì)存量約為1.9萬(wàn)億噸,如果陸地與海洋合計平均最低更替率為11年,那么每年全球新產(chǎn)生的生物質(zhì)約為1700億噸,折算成標準煤850億噸或油當量600億噸,約相當于2007年全球一次能源供應總量的5倍。地球上每年生物體產(chǎn)生的生物質(zhì)總量約在1700億噸,目前為人類(lèi)所利用的只有約60億噸,僅占總量的3.5%。其中37億噸作為人類(lèi)的食物,20億噸的木材用作材料和資源,37億噸被用于滿(mǎn)足人類(lèi)其他需要。

  纖維素、半纖維素和淀粉是生物質(zhì)中最主要的成分,它們約占生物質(zhì)的65%至1J85%,也是地球上儲量最大的物質(zhì)。生物質(zhì)能資源大致可分為傳統生物質(zhì)能和現代生物質(zhì)能兩種。傳統生物質(zhì)能的利用主要限于發(fā)展中國家,廣義上包括所有小規模使用的生物質(zhì)能?,F代生物質(zhì)能是可以大規模用于替代常規資源的各種生物質(zhì)能,包括林產(chǎn)品廢棄物、甘蔗渣、城市廢棄物、生物燃料(包括沼氣和資源型作物)等。總體而言,生物質(zhì)能可以分為森林資源、農作物秸稈、禽畜糞便和生活垃圾四種。

  生物質(zhì)能有著(zhù)與其他可再生資源相類(lèi)似的優(yōu)點(diǎn),開(kāi)發(fā)利用前景巨大。首先,可再生性。生物質(zhì)能是廣義太陽(yáng)能資源的一種,是光合作用的產(chǎn)物,具有永久的可再生性,取之不盡用之不竭。其次,清潔性。生物質(zhì)的硫含量、氮含量低,作燃料時(shí)所排放的二氧化碳的量幾乎全被生物質(zhì)本身進(jìn)行了光合作用,因而對大氣的溫室氣體凈排放量近似于零,可有效地減輕溫室效應。第三,儲量豐富,分布廣泛。只要有光合作用的地方,就存有生物質(zhì)能,且儲量豐富,如前文所述,生物質(zhì)能是世界第四大資源,僅次于煤炭、石油和天然氣。第四,生物質(zhì)能方便易取,價(jià)格低廉,運輸使用便利。

  18世紀之前,生物質(zhì)能一直是人類(lèi)最主要的能量來(lái)源,但當時(shí)對生物質(zhì)能的利用比較原始,現代意義上的開(kāi)發(fā)與利用生物質(zhì)能至今還處于初級階段,生物質(zhì)能在發(fā)達國家中資源結構中的比重相對較小,發(fā)展中國家生物質(zhì)能在整個(gè)資源結構中的比重則可高達40%甚至以上。地球每年經(jīng)光合作用產(chǎn)生的生物質(zhì)有1730億噸,自然界每年儲存的生物質(zhì)能相當于世界主要燃料的10倍,而現在全世界資源的利用量還不到其總量的1%,目前生物質(zhì)資源占全球資源利用量的11%,但是部分來(lái)自不可持續的采伐。

  據預計,至2020年全世界生物質(zhì)資源的商業(yè)化利用將達到1億噸油當量,并形成千萬(wàn)噸級規模的生物液體燃料的生產(chǎn)能力??沙掷m的生物質(zhì)能潛力巨大,如得到合理開(kāi)發(fā)與利用,可滿(mǎn)足當前全球資源需求量的65%以上??梢?jiàn)生物質(zhì)能作為一種可再生資源的可開(kāi)發(fā)前景和潛力之巨大。專(zhuān)家普遍預測,生物質(zhì)能將成為21世紀主要的新資源之一。

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參考文獻

  1. 張淑謙,童忠良編.化工與新能源材料及應用.化學(xué)工業(yè)出版社,2010.09.
  2. 孫飛,趙文鍇著(zhù).中國經(jīng)濟大趨勢 2 生死轉型.中國經(jīng)濟出版社,2011.06.
  3. 張衍林主編.農村能源實(shí)用新技術(shù).湖北科學(xué)技術(shù)出版社,2011.03.
  4. 關(guān)樂(lè )原著(zhù).中國資源安全戰略思考.人民日報出版社,2010.12.
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