1.简答题生物质能的利用存在哪些问题

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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前景：前途无量。传统化石能源日渐枯竭，新的能源必须开发。核能，太阳能，风能，生物质能都是新的清洁能源，而在这几种清洁能源中生物质能的基元物质的量是最大的。

问题：沼气这种生物质能已经比较成熟；生物乙醇是生物质能非常大的一块儿，其还是有很大的问题要解决：1，淀粉发酵，粮食危机的影响造成粮食发酵酒精不太现实。2，通植物纤维素发酵，副产物的抑菌作用和菌类的转化效率都是要解决的问题。

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》

常见的生物质发电技术有直燃发电、沼气发电、甲醇发电、生物质燃气发电技术等。目前，国内研究较多的是生物质直燃发电和生物质气化发电技术，对生物质混燃发电技术的应用研究有限。基于我国小火电数量多而污染重的特点，以及农村生物质本身来源广且数量大的特殊国情，本文先从技术和政策角度对生物质混燃发电技术进行讨论，然后分析生物质混燃发电的经济效益、环保效益和社会效益，后者更为重要。

1.1生物质直燃发电现状

生物质发电主要是利用农业、林业废弃物为原料，也可以将城市垃圾作为原料，采取直接燃烧的发电方式。如英国ELY秸秆直燃电站是目前世界上较大的秸秆直燃电厂，装机容量为3.8万kW，年耗秸秆约20万t。古巴政府与联合国发展组织等机构合作，预计投资1亿美元兴建以甘蔗渣为原料的环保电厂。我国直燃发电方面在南方地区有一定的规模。两广省份共有小型发电机组300余台，总装机容量800MW。生物质直接燃烧发电技术已比较成熟，由于生物质能源需要在大规模利用下才具有明显的经济效益，因而要求生物质资源集中、数量巨大、具有生产经济性。

1.2生物质气化发电现状

生物质气化发电是指生物质经热化学转化在气化炉中气化生成可燃气体，经过净化后驱动内燃机或小型燃气轮机发电。小型气化发电采用气化-内燃机(或燃气轮机)发电工艺，大规模的气化-燃气轮机联合循环发电系统作为先进的生物质气化发电技术，能耗比常规系统低，总体效率高于40％，但关键技术仍未成熟，尚处在示范和研究阶段。在气化发电技术方面，广州能源研究所在江苏镇江市丹徒经济技术开发区进行了4MW级生物质气化燃气-蒸汽整体联合循环发电示范项目的设计研究，并取得了一定成果。

1.3生物质混燃发电现状

生物质混燃发电技术在挪威、瑞典、芬兰和美国已得到应用。早在2003年美国生物质发电装机容量约达970万kW，占可再生能源发电装机容量的10%，发电量约占全国总发电量的1%。其中生物质混燃发电在美国生物质发电中的比重较大，混烧生物质燃料的份额大多占到3%～12%，预计还有更多的发电厂将可能采用此项技术。英国Fiddlersferry电厂的4台500MW机组，直接混燃压制的废木颗粒燃料、橄榄核等生物质，混燃比例为锅炉总输入热量的20%，每天消耗生物质约1500t，可使SO2排量下降10%，CO2排放量每年减少100万t。在我国生物质混燃发电技术应用不多，与发达国家相比还相距较远。但是该项技术可以减少CO2的净排放量，符合低碳经济的发展要求、符合削减温室气体的需要，具有很大的发展潜力。

在我国农村，农户土地分散导致秸秆收集难度较大，收集运输成本限制着秸秆的收集半径，加上秸秆种类复杂，若建立纯燃烧秸秆的电厂，难以保证原料的经济供应。掺烧生物质不失为一种更现实的解决方案，即把部分生物质和煤混燃，减少一部分耗煤。与生物质直燃发电相比，生物质混燃发电具有投资小、建设周期短、对原料价格易于控制等优势。从技术上看，混烧比纯烧具有更多的优越性：可以用秸秆等生物质替代一部分煤来发电，不必新建单位投资大、发电效率低的纯“秸秆”电厂。何张陈将混燃案例与气化案例作了比较，发现气化案例的发电成本要比混燃案例高，而且对生物质价格变化更敏感。兴化中科估计的单位装机容量投资约为丰县鑫源投资的11.3倍，约为宝应协鑫的1.4倍。混燃还可以提高秸秆等生物质的利用效率、缓解腐蚀问题、减少污染、简化基础设施。

2生物质混燃发电技术解析

由于我国小火电厂数量多并且污染大，与其废弃关闭，不如因地制宜的对一些小型燃煤电厂设备略加改造，利用生物质能发电。典型的生物质能发电厂设备规模小，装机容量<30MW；但是利用生物质混燃发电既可发挥现有煤粉燃烧发电的高效率，实现生物质的大量高效利用，而且对现役小型火电厂改造无需大量资金投资，凸显出生物质混燃发电的优越性，特别是生物质气化混烧发电通用性较强，对原有电站的影响比直接混烧发电对原有电站的影响小些。生物质锅炉按燃烧方式有层燃炉、流化床锅炉、悬浮燃烧锅炉等方案可供选择，对现役火电厂实施混燃技术改造，锅炉本体结构不需大的变化（主要改造锅炉燃烧设备）。改造主要涉及在已有燃料系统中进行生物质掺混，有以下3方式。

（1）在给煤机上游与煤混合，再一起制粉后喷入炉膛燃烧。

（2）采用专门的破碎装置进行生物质的切割或粉碎，然后在燃烧器上游混入煤粉气流中，或通过专设的生物质燃烧器喷入炉膛燃烧。

（3）将生物质在生物质气化炉中气化，产生的燃气直接通到锅炉中与煤混合燃烧。本文主要以第2种和第3种为研究对象。

技术上，生物质和煤混燃关键是生物质燃料的选择和积灰问题。燃料的选择可以通过管理手段并辅以掺混设备加以解决。下面主要讨论积灰问题。

生物质和煤混燃的可行性，在一定程度上受积灰的影响很大。不同燃料的积灰特性与多种因素相关，如灰的含量、飞灰的粒径分布、灰的组成和灰的流动性。积灰是必须考虑的重要因素，因为积灰对锅炉运行、锅炉效率、换热器表面的腐蚀和灰的最终利用都有重要影响。与煤相比，生物质（如秸秆）和煤混燃时，两种原料之间的相互作用会改变积灰的组成、降低颗粒的收集效率和灰的沉降速率。生物质灰中碱性成分（特别是碱金属K）含量也比较高，且主要以活性成分存在，从火焰中易挥发出来凝结在受热面上形成结渣和积灰，实际商业应用中生物质掺混比*高为15%，当掺比较小时，一般不会发生受热面灰污问题。国际和国内的经验均表明，生物质混燃发电在技术上没有大的障碍，技术上是完全可行的。