最广泛存在的能量源——生物质能是如何利用的

1 生物质能简介

植物

水 + 二氧化碳 ----->有机体 + 氧

太阳能

生物能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式，一种以生物质为载体的能量，它直接或间接地来源于植物的光合作用，在各种可再生能源中，生物质是独特的，它是贮存的太阳能，更是一种唯一可再生的碳源，可转化成常规的固态、液态和气态燃料。生物质所含能量的多少与下列诸因素有密切的关系：品种、生长周期、繁殖与种值方法、收获方法、抗病抗灾性能、日照的时间与强度、环境的温度与湿度、雨量、土壤条件等，在太阳能直接转换的各种过程中，光合作用是效率最低的，光合作用的转化率约为0.5％-5％，据估计温带地区植物光合作用的转化率按全年平均计算约为太阳全部辐射能的0.5％-2.5％，整个生物圈的平均转化率可达3％-5％。生物质能潜力很大，世界上约有250000种生物，在提供理想的环境与条件下，光合作用的最高效率可达8～15%，一般情况下平均效率为0.5%左右。

据估计地球上每年植物光合作用固定的碳达2x1011t，含能量达3x1021J，因此每年通过光合作用贮存在植物的枝、茎、叶中的太阳能，相当于全世界每年耗能量的10倍。生物质遍布世界各地，其蕴藏量极大，仅地球上的植物，每年生产量就像当于目前人类消耗矿物能的20倍，或相当于世界现有人口食物能量的160倍。虽然不同国家单位面积生物质的产量差异很大，但地球上每个国家都有某种形式的生物质，生物质能是热能的来源，为人类提供了基本燃料。

生物能具备下列优点:

* 提供低硫燃料；

* 提供廉价能源(於某些条件下)；

* 将有机物转化成燃料可减少环境公害(例如，垃圾燃料)；

* 与其他非传统性能源相比较，技术上的难题较少。

至於其缺点有:

*小规模利用；

*植物仅能将极少量的太阳能转化成有机物；

*单位土地面的有机物能量偏低；

*缺乏适合栽种植物的土地；

*有机物的水分偏多(50%～95%)。

生物能大致可以分为两类——传统的和现代的。现代生物能是指那些可以大规模用于代替常规能源亦即矿物类固体、液体和气体燃料的各种生物能。巴西、瑞典、美国的生物能计划便是这类生物能的例子。现代生物质包括：1、木质废弃物（工业性的）；2、甘蔗渣（工业性的）；2、城市废物；3、生物燃料（包括沼气和能源型作物）。传统生物能主要限于发展中国家、广义来说它包括所有小规模使用的生物能，但它们也并不总是置于市场之外。第三世界农村烧饭用的薪柴便是其中的典型例子。传统生物质包括：1、家庭使用的薪柴和木炭；2、稻草，也包括稻壳；3、其他的植物性废弃物；4、动物的粪便。

世界上生物质资源数量庞大，形式繁多，其中包括薪柴，农林作物，尤其是为了生产能源而种植的能源作物，农业和林业残剩物，食品加工和林产品加工的下脚料，城市固体废弃物，生活污水和水生植物等等（中国生物质资源主要是农业废弃物及农林产品加工业废弃物、薪柴、人畜粪便、城镇生活垃圾等四个方面），下面举一些例子说明：

薪柴:至今仍为许多发展中国家的重要能源，仍需依赖柴薪来满足大部分能量需求.不过由于日益增加薪柴的需求，将导致林地日减，需适当规划与植林方可解决这一问题。

农作物残渣:农作物残渣遗留於耕地上也有水土保持与土壤肥力固化的功能，因此，农作物残渣不可毫无限制地供作能源转换。

牲畜粪便:牲畜的粪便，经干燥可直接燃烧供应热能。若将粪便经过厌氧处理，会产生甲烷和可供肥料使用之淤渣。若用小型厌氧消化糟，仅需三至四头牲畜之的粪便即能满足发展中国家中小家庭每天能量的需要。

制糖作物:对具有广大未利用土地的国家而言，如将制糖作物转化成乙醇将可成为一种极富潜力的生物能。制糖作物最大的优点，在於可直接发酵变成乙醇。

水生植物:如一些水生藻类，主要包括海洋生的马尾藻、巨藻、海带等，淡水生的布袋草、浮萍、小球藻等。利用水生植物化成燃料也为增加能源供应方法之一。

光合成微生物：如硫细菌、非硫细菌等等。

城市垃圾:将城市垃圾直接燃烧可产生热能,或是经过热解体处理而制成燃料使用。

城市污水:一般城市污水约含有0.02～0.03%固体与99%以上的水分。下水道污泥有望成为厌氧消化槽的主要原料。

生物质不同的用途使生物质有不同的价值，因此如要统一确定生物质的经济性是十分困难，大规模商业化应用生物质会对其他市场，如食品市场和造纸市场产生重大影响。在评价生物质的经济性时，必须考虑生产生物质的成本和能源投资，所需的水和肥料以及开发利用生物质对土地利用和人口分布形式的总体影响等。生物质常常最适于分散应用，如在人口密度低的地区使用。典型的生物质能开发利用设备均比较小。生物质是到2020年唯一能极大地影响运输行业（不包括电车）燃料利用状况的可再生能源，然而，若大规模开发利用生物质资源，必须注意保护生物多样性，保护自然风景区和环境敏感区，同时还要注意控制废水和废气。

生物能的开发和利用具有巨大的潜力。下面的技术手段目前看来是最有前途：

直接燃烧生物质来产生热能、蒸汽或电能。

利用能源作物生产液体燃料。目前具有发展潜力的能源作物，包括：快速成长作物树木、糖与淀粉作物（供制造乙醇）、含有碳氧化的合作物、草本作物、水生植物。

生产木炭和炭

生物质（热解）气化后用于电力生产，如集成式生物质气化器和喷气式蒸汽燃气轮机（BIG/STIG）联合发电装置。

对农业废弃物、粪便、污水或城市固体废物等进行厌氧消化，以生产沼气和避免用错误的方法处置这些物质，以免引起环境危害。

而根据生物质能的作用和我国的现状，目前重点发展的项目如下：

（1）近期优先发展项目

生物质气化供气

生物质气化发电

大型沼气工程

生物质直接燃烧供热

（2）中长期化发展项目

生物质高度气化发电项目（BIG/CC）

生物质制氢等优质燃气

生物质热解液化制油

2 生物质能资源

一、 森林能源

森林能源是森林生长和林业生产过程提供的生物质能源，主要是薪材，也包括森林工业的一些残留物等。森林能源在我国农村能源中占有重要地位，1980年前后全国农村消费森林能源约1亿吨标煤，占农村能源总消费量的30％以上，而在丘陵、山区、林区，农村生活用能的50％以上靠森林能源。

薪材来源于树木生长过程中修剪的枝杈，木材加工的边角余料，以及专门提供薪材的薪炭林。1979年全国合理提供薪材量8885万吨，实际消耗量18100万吨，薪材过樵1倍以上；1995年合理可提供森林能源14322.9万吨，其中薪炭林可供薪材2000万吨以上，全国农村消耗21339万吨，供需缺口约7000万吨。

二、农作物秸秆

农作物秸秆是农业生产的副产品，也是我国农村的传统燃料。秸秆资源与农业主要是种植业生产关系十分密切。根据1995年的统计数据计算，我国农作物秸秆年产出量为6．04亿吨，其中造肥还田及其收集损失约占15％，剩余5．134亿吨。可获得的农作物秸秆5．134亿吨除了作为饲料、工业原料之外，其余大部分还可作为农户炊事、取暖燃料，目前全国农村作为能源的秸秆消费量约2.862亿吨，但大多处于低效利用方式即直接在柴灶上燃烧，其转换效率仅为10％一20％左右。随着农村经济的发展，农民收入的增加，地区差异正在逐步扩大，农村生活用能中商品能源的比例正以较快的速度增加。事实上，农民收入的增加与商品能源获得的难易程度都能成为他们转向使用商品能源的契机与动力。在较为接近商品能源产区的农村地区或富裕的农村地区，商品能源(如煤、液化石油气等)已成为其主要的炊事用能。以传统方式利用的秸秆首先成为被替代的对象，致使被弃于地头田间直接燃烧的秸秆量逐年增大，许多地区废弃秸秆量已占总秸秆量的60％以上，既危害环境，又浪费资源。因此，加快秸秆的优质化转换利用势在必行。

三、 禽畜粪便

禽畜粪便也是一种重要的生物质能源。除在牧区有少量的直接燃烧外，禽畜粪便主要是作为沼气的发酵原料。中国主要的禽畜是鸡、猪和牛，根据这些禽畜品种、体重、粪便排泄量等因素，可以估算出粪便资源量。根据计算，目前我国禽畜粪便资源总量约8.5亿吨，折合7840多万吨标煤，其中牛粪5.78亿吨，4890万吨标煤，猪粪2.59亿吨，2230万吨标煤，鸡粪0.14亿吨，717万吨标煤。

在粪便资源中，大中型养殖场的粪便是更便于集中开发、规模化利用的。我国目前大中型牛、猪、鸡场约6000多家，每天排出粪尿及冲洗污水80多万吨，全国每年粪便污水资源量1.6亿吨，折合1157.5万吨标煤。

四、 生活垃圾

随着城市规模的扩大和城市化进程的加速，中国城镇垃圾的产生量和堆积量逐年增加。1991和1995年，全国工业固体废物产生量分别为5.88亿吨和6.45亿吨，同期城镇生活垃圾量以每年10%左右的速度递增。1995年中国城市总数达640座，垃圾清运量10750万吨。

城镇生活垃圾主要是由居民生活垃圾，商业、服务业垃圾和少量建筑垃圾等废弃物所构成的混合物，成分比较复杂，其构成主要受居民生活水平、能源结构、城市建设、绿化面积以及季节变化的影响。中国大城市的垃圾构成已呈现向现代化城市过渡的趋势，有以下特点：一是垃圾中有机物含量接近1/3甚至更高；二是食品类废弃物是有机物的主要组成部分；三是易降解有机物含量高。目前中国城镇垃圾热值在4.18兆焦/千克（1000千卡/千克）左右。

3生物质能发展现状

一、沼气

90年代以来，我国沼气建设一直处于稳步发展的态势。到1998年底，全国户用沼气池发展到688万户，比上年增长7.8%，利用率达到91.7%。全国大中型沼气工程累计建成748处，城市污水净化沼气池累计49300处。以沼气及沼气发酵液在农业生产中的直接利用为主的沼气综合利用有了长足发展，达到339万户，其中北方“四位一体”能源生态模式21万户，南方“猪沼果” 能源生态模式81万户。

以沼气利用技术为核心的综合利用技术模式由于其明显的经济和社会效益而得到快速发展，这也成为中国生物质能利用的特色，如“四位一体”模式，“能源环境工程”等。所谓“四位一体”就是一种综合利用太阳能和生物质能发展农村经济的模式，其内容是在温室的一端建地下沼气池，池上建猪舍、厕所。在一个系统内既提供能源，又生产优质农产品。“能源环境工程”技术是在原大中型沼气工程基础上发展起来的多功能、多效益的综合工程技术，既能有效解决规模化养殖场的粪便污染问题，又有良好的能源、经济和社会效益。其特点是粪便经固液分离后液体部分进行厌氧发酵产生沼气，厌氧消化液和渣经处理后成为商品化的肥料和饲料。

二、薪炭林

1981年我国开始有计划的薪炭林建设，至1995年10年间，全国累计营造薪炭林494.8万公顷，其中“六五”完成205万公顷，“七五”186.3万公顷，“八五”103.5万公顷。根据这些年全国造林成效调查，薪炭林成林面积和单位面积年生物量测算，薪炭林年增加薪材量2000-2500万吨，对缓解农村能源短缺起到了重要作用。

三、生物质气化

生物质气化即通过化学方法将固体的生物质能转化为气体燃料。由于气体燃料高效、清洁、方便。因此生物质气化技术的研究和开发得到了国内外广泛重视，并取得了可喜的进展。在我国，将农林固体废弃物转化为可燃气的技术也已初见成效，应用于集中供气、供热、发电方面。中国林科院林产化学工业研究所，从八十年代开始研究开发了集中供热、供气的上吸式气化炉，并且先后在黑龙江、福建得到工业化应用，气化炉的最大生产能力达6.3×106kJ／h。建成了用枝桠材削片处理，气化制取民用煤气，供居民使用的气化系统。最近在江苏省又研究开发以稻草、麦草为原料，应用内循环流化床气化系统，产生接近中热值的煤气，供乡镇居民使用的集中供气系统，气体热值约8000kJ／Nm3,气化热效率达70％以上。山东省能源研究所研究开发了下吸式气化炉,主要用于秸秆等农业废弃物的气化,在农村居民集中居住地区得到较好的推广应用，并已形成产业化规模,到1998年底，已建成秸秆气化集中供气站164处，供气4572万立方米，用户7700户。广州能源所开发的以木屑和木粉为原料，应用外循环流化床气化技术，制取木煤气作为干燥热源和发电，并已完成发电能力为180KW的气化发电系统。另外大连环科院、辽宁能源所、北京农机院、浙江大学等单位也先后开展了生物质气化技术的研究开发工作。

四、 生物质固化及其它

具有一定粒度的生物质原料，在一定压力作用下(加热或不加热)，可以制成棒状、粒状、块状等各种成型燃料。原料经挤压成型后，密度可达1.1、1.4吨／立方米，能量密度与中质煤相当，燃烧特性明显改善，火力持久黑烟小，炉膛温度高，而且便于运输和贮存。

用于生物质成型的设备主要有螺旋挤压式、活塞冲压式和环模滚压式等几种主要类型。目前，国内生产的生物质成型机一般为螺旋挤压式，生产能力多在100-200千克／B寸之间，电机功率7．5一18千瓦，电加热功率2-4千瓦，生产的成型燃料为棒状，直径50-70毫米，单位产品电耗70一120千瓦时／吨。曲柄活塞冲压机通常不用电加热，成型物密度稍低，容易松散。

环模滚压成型方式生产的为颗粒燃料，直径5一12毫米，长度12-30毫米，也不用电加热。物料水分可放宽至22％，产量可达4吨／小时，产品电耗约为40千瓦时／吨，原料粒径要求小于 l毫米；该机型主要用于大型木材加工厂木屑加工或造纸厂秸秆碎屑的加工，粒状成型燃料主要用作锅炉燃料。

利用生物质炭化炉可以将成型生物质块进一步炭化，生产生物炭。由于在隔绝空气条件下，生物质被高温分解，生成燃气、焦油和炭，其中的燃气和焦油又从炭化炉释放出去，所以最后得到的生物炭燃烧效果显著改善，烟气中的污染物含量明显降低，是一种高品位的民用燃料。优质的生物炭还可以用于冶金工业。

辽宁省能源研究所、西北农业大学、中国林科院林产化工研究所、陕西武功轻工机械厂、江苏东海县粮食机械厂等10余家单位研究和开发生物质成型燃料技术和设备。

沈阳农业大学从国外引进一套流化床快速热解试验装置，研究开发液化油的技术，和利用发酵技术制取乙醇试验。另外，中国体科院林化所进行了生物质催化气化技术研究。华东理工大学还开展了生物质酸水解制取乙醇的试验研究，但尚未达到工业化生产。

进入21世纪以来，我国面临的能源安全和环境生态保护问题日趋严峻，可再生能源已经成为能源发展战略的重要组成部分以及能源转型的重要发展方向。根据可再生能源应用的不同领域，电力系统建设正在发生结构性转变，可再生能源发电已开始成为电源建设的主流。生物质发电技术是目前生物质能应用方式中最普遍、最有效的方法之一。

装机容量世界第一

生物质能是重要的可再生能源，开发利用生物质能，是能源生产和消费革命的重要内容，是改善环境质量、发展循环经济的重要任务。为推进生物质能分布式开发利用，扩大市场规模，完善产业体系，加快生物质能专业化多元化产业化发展步伐。截至2020年底，全国已经投产生物质发电项目有1353个。

在国家大力鼓励和支持发展可再生能源，以及生物质能发电投资热情高涨，各类生物质发电项目纷纷建设投产等推动下，我国生物质能发电技术产业呈现出全面加速的发展态势。2020年，生物质发电新增装机543万千瓦，累计装机达2952万千瓦。我国生物质发电装机容量已经是连续三年列世界第一。

生物质发电主要包括农林生物质发电、垃圾焚烧发电和沼气发电。2020在，在我国生物质发电结构中，垃圾焚烧发电累计装机容量占比最大，达到51.9%其次是农林生物质发电，累计装机容量占比为45.1%沼气发展累计装机容量占比仅为3.0%。

生物质能发电量稳定增长

近年来，我国生物质能发电量保持稳步增长态势。2020年，中国生物质年发电量达到1326亿千瓦时，同比增长19.35%。

从发电量结构来看，垃圾焚烧发电量最大，2020年中国垃圾焚烧发电量为778亿千瓦时，占比为58.6%农林生物质发电量为510亿千瓦时，占比为38.5%2020年沼气发电量为37.8亿千瓦时，占比为2.9%。

随着生物质发电快速发展，生物质发电在我国可再生能源发电中的比重呈逐年稳步上升态势。截至2020年底，我国生物质发电累计装机容量占可再生能源发电装机容量的3.2%总发电量占比上升至6.0%。生物质能发电的地位不断上升，反映生物质能发电正逐渐成为我国可再生能源利用中的新生力量。

垃圾焚烧发电量将持续增长

在我国生物质发电结构中，垃圾焚烧发电累计装机容量占比最大。国内生活垃圾清运量和无害化处理率保持持续增长，对于垃圾焚烧的需求也在日益增加。为满足垃圾焚烧消纳生活垃圾的需求，随着垃圾焚烧发电市场从东部地区向中西部地区和乡镇转移，垃圾焚烧发电量将持续增长。

农林生物质发电项目利用小时数从2018年开始逐年走低，主要原因是可再生能源补贴拖欠对农林生物质发电项目影响较大。根据统计，2019年农林生物质发电利用小时数超过5000h的项目未188个，总装机为526万千瓦。据此判断约50%的项目在承受电价补贴拖欠的压力下，仍坚持项目运营。2020年农林生物质发电新增装机容量也有所下降，为217万千瓦。

山东生物质发电全国领先

总体上来看，生物质发电整体呈现东强西弱的局面。东部和南部沿海地区发展较好。

2020年，全国生物质发电量排名前五位的省份是山东、广东、江苏、浙江和安徽，发电量分别为365.5万千瓦、282.4万千瓦、242.0万千瓦、240.1万千瓦和213.8万千瓦。

2020年，全国生物质发电新增装机容量排名前五位的省份是广东、山东、江苏、浙江和安徽，分别为67.7万千瓦、64.6万千瓦、41.7万千瓦、38.9万千瓦和36.0万千瓦。

—— 更多数据请参考前瞻产业研究院《中国生物质能发电产业市场前瞻与投资战略规划分析报告》

面试热点相关背景

“一是高昂转化成本和低廉产品价值之间的矛盾，二是巨大市场需求和技术成熟度较低之间的矛盾，这两者是解决当前生物质转化利用技术发展的关键矛盾。”在日前召开的2019生物质能专委会学术年会上，中科院广州能源所所长马隆龙的这句话点出了当前生物质能面临的难题。在由暴发期进入瓶颈期的关键阶段，国内几乎所有与生物质能相关的顶尖专家齐聚济南，以学术年会的形式探讨“生物质能源将何去何从”的命题。专家们认为，在市场和政策加持下，生物质突破瓶颈还需在发力基础研究领域，并推动技术成熟以适应市场需求。

面试热点独家解析

生物质是通过光合作用产生的动植物、微生物及其产生的废弃物。利用生物质通过化学转化生成的生物柴油、生物乙醇、生物天然气等形态的能源便是生物质能源。专家们认为，生物质能源是全球继石油、煤炭、天然气之后第四大资源库，也是唯一可再生碳资源，是国际上替代化石能源的主要选项。

“前途是光明的，道路是曲折的。”在中国工程院院士、中国林科院林产化学工业研究所所长蒋剑春看来，以林业剩余物、木材废弃物、农业秸秆为代表的农林剩余物弃之为害，用之为宝，其转化为能源的潜力为4.6亿吨标准煤，但已利用量约为2200万吨标准煤，约占2018年中国能源消耗总量的0.47%。生物质“占比低”源于技术层面的挑战。

“由于生命的复杂性，生物质资源从微观和宏观层面具有天然的复杂性。”马隆龙的这句话也意味着，“组分多样和结构复杂使得生物质资源的利用技术挑战更高。”一般而言，生物质资源可通过热化学转化、生化转化、催化转化为燃气、沼气、乙醇、基础化学品等。但目前生物质资源多以肥料化、饲料化、燃料化为主(三者共73.4%)。因为生物质与石化原料化学组成差异较大，其含氧、含水较高，导致生物质转化技术对催化过程的催化剂、生化过程的微生物具有较高要求，大多数技术仍处于实验室研发及中试阶段，产业规模化程度较低。

蒋剑春和马隆龙的发言，指向一个观点：生物质利用技术总体处于集中攻关和实验示范阶段，即技术不成熟同时，技术集成度低，导致生物质不能大规模利用。而具有官方背景的国家发改委能源研究所可再生能源发展中心主任任东明则从政策、商业模式等层面解读生物质能面临的问题。他以农林生物质发电项目为例，这个项目存在着原材料供给保障难、相关财税补贴政策落地难等问题再以生物天然气项目为例，其存在着市场投资主体少，产业基础薄弱，商业模式不成熟等难题。

尽管面临着不少难题，但以“循环再生、清洁低碳”为卖点的生物质能源在“市场广阔，政策支持”的背景下，还是吸引着国内外众多科研力量。

我国是世界第一造纸大国，一度占全球28%份额，但我国造纸工业纤维资源对外依存度达到40%以上。缺口如何弥补?答案是农林剩余物利用。利用微生物或其产生的酶对制浆原料进行预处理后再与相应的机械处理相结合，这便是生物机械制浆技术。生物基材料与绿色造纸国家重点实验室主任陈嘉川带来的“基于造纸平台的农林废弃物纤维资源的绿色转化技术”在研制出专用生物酶制剂、生物反应器等核心技术之后，已经入产业化阶段山东省科学院能源所完成的“基于热解气化的生物质分质分级热化学转化技术”创造性发明了生物质复合式低焦油分级气化工艺和装置，克服了传统生物质气化技术存在的焦油含量高的行业难题。

技术层面的难题还需要加大研发去解决。中科院广州能源所所长马隆龙认为破解当前生物质难题的关键，是发展多元化利用，并推进技术创新。而这句话也成为与会专家们的共识。

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1、华西能源：拟投资公司的主营包括：提供生物质发电技术和核心设备；生物质发电项目的专业化运营、维护、培训和咨询。

2、金通灵：产品、技术服务于钢铁冶炼、火力发电、新型干法水泥、石油化工、污水处理、医药、食品发酵、MVR、纺织化纤、制药、船舶、太阳能光热发电、垃圾发电、生物质发电、余热余气利用、分布式能源、汽机拖动等基础工业、新能源领域。

3、首创股份：固废业务方面，子公司首创环境在国内共储备78个项目，项目类型涵盖垃圾焚烧发电、垃圾填埋、厌氧处理、垃圾清扫收集储运、危废综合处理、废旧电器拆解及生物质发电等，总投资额约人民币206亿元，总设计规模为年处理生活垃圾量约1722万吨及年拆解电子电器废弃物约320万件。

4、九洲集团：随着我国农业自动化的快速发展及秸秆回收配套设施及政策的逐步完善，生物质发电已进入稳定发展阶段。

5、华能国际：公司拥有可控发电装机容量105，991兆瓦，权益发电装机容量93，755兆瓦，天然气、水电、风电、太阳能和生物质发电等清洁能源装机占比达到了16.5%。

6、天沃科技：在EPC总包领域，公司积极开展热电联产、光伏发电、生物质发电、垃圾发电、输变电、风力发电、光热发电等领域的工艺设计和项目管理研究，积极推进玉门鑫能光热项目产业化。

7、粤水电：太阳能分布式光伏发电总装机容量200万千瓦，生物质发电装机容量40万千瓦。

8、宁波能源：合资公司主要从事垃圾发电、生物质发电等新能源发电项目的开发、投资及管理等。

拓展资料：生物质能是自然界中有生命的植物提供的能量，这些植物以生物质作为媒介储存太阳能，属再生能源。据计算，生物质储存的能量比世界能源消费总量大2倍。人类历史上最早使用的能源是生物质能。19世纪后半期以前，人类利用的能源以薪柴为主。较为有效地利用生物质能的方式有：

(1) 制取沼气。主要是利用城乡有机垃圾、秸秆、水、人畜粪便，通过厌氧消化产生可燃气体甲烷，供生活、生产之用。

(2) 利用生物质制取酒精。的世界能源结构中，生物质能所占比重微乎其微

在无氧或者缺氧的条件下，对固体废物中的有机物进行加热，使其发生不可逆的化学变化，主要是使高分子的化合物分解为低分子化合物的处理技术，称为热分解技术，简称热解。热解处理的主要产物包括气体部分(如氢气、甲烷、一氧化碳、二氧化碳等)、液体部分(如甲醇、丙酮、醋酸、焦油、溶剂油、水溶液等)和固体部分(主要是炭黑)。不同于仅有热能可以回收的焚烧处理，热解技术可产生便于贮存运输的燃气、燃油等。适合于热解技术应用的固体废物主要包括废塑料(含氯废物除外)、废橡胶、废轮胎、废油和油泥、有机污泥等。城市生活垃圾、农林废弃物(如纤维素类物质)的热解技术也在蓬勃发展之中 。

1. 生物质是植物光合作用直接或间接转化的产物。生物质能是指利用生物质生产的能源。目前，作为能源的生物质主要是农林废弃物、城市和工业有机废弃物以及动物粪便等。本文所指的生物质具体指农林废弃物，即农林作物收获和加工过程中所产生的废弃物质和垃圾，如秸秆(玉米秆、花生秆、棉花秆、高梁秆、豆类秆等)、糠皮、山茅草、灌木枝、枯树叶、藤蔓、木屑、皮壳、刨花、锯末等，以及食品加工业排出的残渣，如饼粕、酒糟、甜菜渣、废糖蜜、蔗渣、食品工业下脚料等。

我国每年产生的各种农林废弃物有15亿，其中农业废物资源分布广泛，仅农作物秸杆年产量就7亿吨，可作为能源用途的秸杆约3．5亿吨，折合标准煤1．8亿吨；薪炭林和林业及木材加工废物的资源量约折合3亿吨标准煤，相当于我国石化能源消耗量的1／10还要多。另外，一些油料作物还是制取液体燃料的优质原料，如麻疯树、油菜籽、蓖麻、漆树、黄连木和甜高粱等。预计到2020年，农林废弃物约合11．65亿吨标准煤，可开发量约合8．3亿吨标准煤。另外，目前全国还有5700~公顷宜林地和荒沙荒地，l亿公顷不适宜发展农业的边际土地资源，发展林木生物质能源潜力巨大。

虽然目前新开发的生物质资源的综合利用途径相当多，并且有些途径生物质资源利用率和经济效益都很高，但消耗量小，不能从根本上解决农林废弃物资源的处理和利用问题。生物质作为能源能够最大量地回收利用农林废弃物资源，其产物不但不存在销路问题，还能替代传统燃料，缓解日趋严重的能源危机，能够产生良好的社会经济效益和环境效益。

2生物质能转化机理和技术途径

生物质均由纤维素、半纤维素和木质素等高聚物组成，其基本液化反应分别如下：根据热重分析，纤维素在325 K时，开始降解，随着温度升高，降解加剧，到623～643 K时，降解为低分子碎片。其降解过程如下：

而半纤维素结构上带有支链，比纤维素更易降解，其降解机制与纤维素相似。木质素结构单元通过醚键和c—c键相联，结构比纤维素、半纤维素要复杂得多，木质素的热化学液化反应首先是烷基醚键的断裂反应。木质素大分子在高温、供氢溶剂存在下，通过自由基反应，首先断裂成低分子碎片，其基本反应如下：

通过以上过程，形成小分子碎片，这些碎片进一步通过侧链C—O键、C—C键及芳环C—O键断裂形成低分子量化合物。以上是生物质降解为低分子的基本断裂反应。

快速热解是一个加热速率极快，而滞留时间极短且快速冷却的过程，是一个瞬间完成的过程。上述过程对生物质的降解仍然适用，然而时间极短，可近似等温过程。从反应物与生成物来看有如下过程：

Larfldt J等进行大量研究后，根据反应动力学提出4种热解模式：

模式2、3中炭的馏分通过计算预测，模式 l、4中有竞争反应，因而炭产量有变化。生产过程中，即使用最佳工艺参数，也不能生成单一产物，但通过调整参数可使反应尽可能向所需产物方向发展。如模式1中温度在500℃左右时，极高的加热速率、很短的滞留时间和快速冷却，能提高其K2值，主要产物为焦油，故模式1更适合快速热解。

目前生物质能的转化技术主要有3种：(1)生物质经生物化学处理转化为富含能量的燃料。如将生物质(农作物秸秆、粪便、有机废水等)发酵制得沼气，糖和淀粉原料发酵制酒精。我国在这方面的技术比较成熟，但在大规模处理生物质中将会受到生物质种类和生物技术的限制。(2)生物质经化学处理转化为高价值的化工产品。如利用生物质中的半纤维素在酸性介质下加热获得糠醛，利用稻壳生产白炭黑等。(3)生物质经热化学处理，即生物质在隔绝或少量氧气的条件下，热解反应获得可燃气体、固体木炭和液体生物油3类产品，又称生物质热裂解(生物质热解)。一般地说，生物质热解分低温慢速热解(<400℃)，产物以木炭为主；高温闪速热解(700～1000℃)，产物以可燃气体为主；中温快速热解(400～650℃)，产物以生物油为主。快速热解技术，即生物质瞬间热解制取液体燃料油，是20世纪70年代末国外研究人员研究开发的。其收率高达70％以上，并有文献报道液体生物油的产率最高可达85％，是一种很有开发前景的生物质应用技术。

液体产物收率相对较高的快速热解技术，最大的优点在于其产物生物油易存贮、运输，为工农业大宗消耗品，不存在产品规模和消费的地域限制问题。生物油不但可以简单替代传统燃料，而且还可以从中提取出许多较高附加值的化学品。通过分散热解、集中发电的方式，热解生物油通过内燃机、燃气涡轮机、蒸汽涡轮机完成发电，这些系统可产生热和能，能够达到更高的系统效率，一般为35％～45％，从而解决了发电要求的规模效益，并大大降低了农林废弃物的运输和贮存费用高、占用场地大的问题。

3国内外生物质快速热解技术的研究现状

该技术始于20世纪70年代末，迄今为止，为降低快速热解法的生产成本(按等热值粗略折算，2 t生物原油可折合1 t石化燃料，则目前生产l石油当量吨的生物原油的成本远比生产1 t石化燃料的成本要高)，各国已经对多种反应器和工艺进行了研究，特别是欧、美等发达国家，在进行全面的理论研究的基础上，已建立了相应的实验装置。快速热解法生产的液体燃料可以替代许多锅炉、发动机及透平机所用的燃油，而且还可以从中萃取或衍生出一系列化学物质，如食品添加剂、树脂、药剂等。正因为这些优势，快速热解技术越来越受到关注，工艺发展有了长足的进步。

在美国，采用循环流化床反应器和输送床反应器生产食品添加剂已投入商业运营，生产能力达l～2 t／h。欧洲各国多采用鼓泡流化床反应器，现在西班牙、英国分别建成了200 kg／h的试验厂，意大利建成了500 kg／h的示范装置。为了方便热解液化方面的学术交流和技术合作，欧洲在1995年专门成立了一个PyNE组织(Pyrolysis Net． work for Europe)，拥有18个成员国；2001年成立了GasNet(Europe Biomass Gasification Network)，现已拥有20个成员国以及8家工业单位成员。这些组织成立以来，在快速热解液化技术的开发以及生物油的利用方面做了大量富有成效的工作。

我国关于生物质快速热解研究较为薄弱，但近几年也有不少科研院所在这方面开展了工作。沈阳农业大学开展了国家科委“八五”重点攻关项目“生物质热裂解液化技术”的研究工作，他们在生物质热裂解过程的实验和理论分析方面做了很有成效的工作。浙江大学、中科院化工冶金研究所和广州能源所、河北省环境科学院等单位近年来也进行了生物质流化床或循环流化床液化实验。山东工程学院开发了等离子体快速加热生物质液化技术，利用实验室设备液化玉米秸粉，制出了生物油，并进行了成分分析。

国外的生物质能工作者偏重于不同类型的快速热解反应器的开发，以期提高生物油的产率。因为反应器能极大地影响化学反应体系的热量、动量、质量传递过程，设计合理的反应器可改善物料和温度在反应体系中的分布，从而提高化学反应的速度和进行程度。从实践中看，国外研制的某些反应器具有非常高的生物油产率。国内工作者着眼于通过控制温度、使用催化剂、寻找适宜的物料来探索提高生物油产量和质量的途径。

在生物质快速热解生产液体燃料的工艺中，反应器都是其核心部分，反应器的类型及加热方式的选择在很大程度上决定了产物的最终分布。因此，反应器类型和加热方式的选择是各种技术路线的关键环节。作为一种只有30多年发展历史的新工艺，在技术、产品和应用方面还存在许多不足，至今未实现大规模工业化应用。目前，亟待解决的问题有：(1)鼓励开发、改进工艺和设备；(2)工业放大；(3)降低成本；(4)改善生物油使用性能；(5)开发有价值的生物油副产品；(6)处理输送和使用过程的环境卫生与安全。

4生物质自混合下行循环流化床快速热解技术

山东科技大学化工学院清洁能源研究中心提出生物质自混合下行循环流化床快速热解技术，正处于实验研究阶段，并有一套处理量为200～300 kg／h的示范装置在建设中。

农林废弃物被锤片式粉碎机粉碎成合适的生物质颗粒，经烟气提升管干燥和提升，生物质颗粒被旋分器气固分离进入上部料仓。经螺旋进料器在专有热解反应器顶端，与通过蝶阀控制下落的高温循环热载体迅速实现自混合、升温、热解。在反应器立管下部油气与半焦和热载体快速分离。热解油气经冷凝器获得液体产品和煤气。半焦和循环热载体通过热空气输送的返料阀进入烧焦提升管燃烧加热，加热后的热载体经旋分器

与烟气分离后进入专有热解反应器顶部，实现热载体循环供热，烟气预热空气后被引到烟气提升管底部，提升和干燥生物质颗粒。

生物质自混合下行循环流化床快速热解工艺流程见图l。

其技术优点：

(1)专有热解反应器为静态混合结构，无机械运动部件，可解决机械设备存在的高温时焦渣磨损设备、设备的运动部件容易出现故障以及难以工业化放大的难题。

(2)专有热解反应器利用重力、无需载气即可实现生物质颗粒和高温循环热载体的快速混合、快速升温和热解，提高液体收率和系统热效率。

(3)利用烟气余热干燥生物质颗粒，降低了生物油的水含量，提高了系统热效率。

(4)反应器立管下部油气与半焦和热载体通过专有快速分离装置，减少了高温热解油气的二次反应，提高了液体收率。

生物质自混合下行循环流化床快速热解新技术是根据我国农村农林废弃物集散难度较大的国情，利用先进技术研制开发的一种热效率高、投资低、操作方便的快速热解工艺。

该热解工艺为彻底实现农林作物资源的最大化利用、实现农业循环经济、提高农民收入、改善农村产业结构、改善农村缺能现状，解决剩余秸秆就地焚烧或随意堆弃造成大气污染、土壤矿化势加剧、火灾和交通事故等大量的社会经济和生态问题提供了技术支撑和指导方向，对农业和农村发展以及化石能源危机的缓解，都有重要的现实意义。

一级能源即天然能源，指在自然界现成存在的能源，如煤炭、石油、天然气、水能等。二级能源指由一级能源加工转换而成的能源产品，如电力、煤气、蒸汽及各种石油制品等。

一级能源又分为可再生能源（水能、风能及生物质能）和非再生能源（煤炭、石油、天然气、核能等），其中煤炭、石油和天然气三种能源是一级能源的核心，它们成为全球能源的基础；

除此以外，太阳能、风能、地热能、海洋能、生物能等可再生能源也被包括在一次能源的范围内；二次能源则是指由一次能源直接或间接转换成其他种类和形式的能量资源，例如：电力、煤气、汽油、柴油、焦炭、洁净煤、激光和沼气等能源都属于二次能源。

扩展资料：

能源性质：

有燃料型能源（煤炭、石油、天然气、泥炭、木材）和非燃料型能源（水能、风能、地热能、海洋能）。人类利用自己体力以外的能源是从用火开始的，最早的燃料是木材，以后用各种化石燃料，如煤炭、石油、天然气、泥炭等。

现正研究利用太阳能、地热能、风能、潮汐能等新能源。当前化石燃料消耗量很大，而且地球上这些燃料的储量有限。未来铀和钍将提供世界所需的大部分能量。一旦控制核聚变的技术问题得到解决，人类实际上将获得无尽的能源。