生物质能源的发展研究

第35卷第5期2014年9月

DOI:10.13733/j.jcam.issn.2095-5553.2014.05.046

中国农机化学报

JournalofChineseAgriculturalMechanizationVol.35No.5Sep.2014

生物质能源的发展研究*

刘乐1，凌小燕2，李骅1,李旭辉1，高翔1

（1.南京农业大学工学院，南京市，210031；2.农业部南京农业机械化研究所，南京市，210014）

摘要：生物质能源因其可持续性、优化能源结构、安全、环保、清洁、减排、增收等优势，近年来在世界各国得到了飞速的发展与应用。本文在分析研究国内外生物质能源发展现状的基础上,阐述目前我国发展生物质能源所面对的主要问题并提出了相关建议。关键词：生物质能源；开发利用；问题；建议中图分类号：S216：TK6

文献标识码：A

文章编号：2095-5553(2014)05-0195-06

刘乐,凌小燕,李骅,李旭辉,高翔.生物质能源的发展研究[J].中国农机化学报,2014,35(5):195~199，204

LiuLe,LingXiaoyan,LiHua,LiXuhui,GaoXiang.Developmentresearchofbioenergy[J].JournalofChineseAgriculturalMechanization,2014,35(5):195~199，204

0引言

能源是现代人类生存和发展所依赖的重要资源。

源主要是借助于热化学、物理以及生物等一系列先进的技术手段，制造出高品位能源（有固、液、气三种状态）来代替化石燃料，也可生产出为人类生活提供便利的能源（交通燃料、电力、热能、燃气）等。生物质能源俨然成为国际公认的可缓解能源危机的选择。加速开发利用新能源和发展可再生能源，已成为我国调整能源结构、解决生态环境问题的国家战略，本文对国内外生物质能源的研究现状进行了文献研究与系统分析，并结合实际，对我国发展生物质能源提出了一些具体的建议。

对能源的需求与依赖，随着社会和经济的快速发展而增加。更多的国家由于想缓解因为温室气体排放导致的全球气候变暖所带来的负面影响及化石能源的不可再生性所导致的能源危机，同时减少能源的对外依赖、提高能源供应安全系数，越来越关注于可再生能源的开发及利用，生物质能源便是其中最重要的可再生能源之一。由联合国政府间的气候变化专门委员会及国际能源署的统计数据可知，生物质能源占据着全球可再生能源的77%，很明显，它的消费量是继石油、天然气、煤炭之后位居第4的世界能源。生物质能源预计到明年将会占世界一次能源消耗的40%，尽管目前仅为14%。

生物质能源是以生物质为载体将太阳能以化学能形式贮存的一种能量，它直接或间接地来源于植物的光合作用。有机物中除矿物燃料以外的所有来源于动植物的能源物质均属于生物质能，通常包括木材、森林废弃物、农业废弃物、水生植物、油料植物、城市和工业有机废弃物、动物粪便等等。单单是植物的生产量就已经相当于消耗矿物能的20倍

[1]

1国外生物质能源的发展研究

1）生物质热解。发达国家的科研人员在20世纪

[3~5]

70年代就已经利用生物质热解技术做了大量的研

究工作，在生物质气化联合循环发电、生物质发电方面已经具备了4～63MW的规模水平，以及发电效率最小可达到35%～40%。美国、德国、意大利及瑞典等国家已达到了生物质气化技术方面的领先水平。美国选用的生物质发电原料主要是城市固体废弃物、木材废弃物、其他废弃物等

[6]

，现有的生物质发电站已达

350多座，总装机的容量超过1×107kW。到目前为止，

生物质动力工业俨然成为美国的第二大可再生能源，仅次于水电。

，可见生物质

能的蕴藏量极大。生物质能源是唯一可以实现碳循环，并能以三种燃料形态（气、液、固）替代石油的可再生能源，这是其他可再生能源所没有的特性。

与传统的直接燃烧方式不同，现代利用生物质能

收稿日期：2014年6月17日

修回日期：2014年7月15日

2）生物柴油。新兴产业生物质柴油技术，近几

年来在欧美发达国家高速发展

[7]

。从全球分布看，欧

盟产量占全球总产量的66.7%，居世界第1位，其中德

*基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金项目（KYZ201126）

第一作者：刘乐，女，1988年生，满族，吉林公主岭人，硕士研究生；研究方向为生物质能源与环境工程。E-mail:[email protected]通讯作者：李骅，男，1972年生，湖北麻城人，副教授；研究方向为农村可再生能源综合利用等。E-mail:[email protected]

196

中国农机化学报2014年

国约占全球总产量的1/2，是最主要的生物柴油生产国，此外美国、法国、意大利、巴西的产量也在日益增加

[8]

模迅速扩张起来。巴西是世界上采用甘蔗杆制乙醇技术的最大生产国和消费国，也是世界上燃料乙醇生产成本最低的国家。巴西自20世纪70年代末以来，就已开始实施采用甘蔗制备燃料乙醇技术的大规模生产，

。美国主要以大豆为原料，2001年美国的生物

柴油年产量为6×104t，2010年美国能源署要求其产量占整个能源市场的50％，提高到1.2×107t。而使用生物柴油最多的要属欧洲地区，其主要是以油菜籽做为原料，占世界总量的75%

[9]

1996~1997年度已经可生产燃料乙醇达1.37×1010L，并且有约400万辆汽车已采用纯乙醇，大大降低了石油

的进口

[15]

。欧盟2001年生产的生物，而巴西目前已完全达到用乙醇全面覆盖

柴油已达到1×106t以上，2005年已达到了6×106t，汽车燃料。其生产的燃料乙醇具有很强的市场竞争力，早已经步入商业化运行。而美国生产燃料乙醇主要是采用玉米为原料，2000年生产的玉米乙醇已达到汽油消耗量的1%。欧洲则采用大麦来生产燃料乙醇，能广泛的代替汽油使用

[16]

2010年则达到了8.3×106t。其中意大利拥有的生物柴

油生产厂家为9家；德国（欧盟最大的生物柴油生产国）拥有的生物柴油加油站多达300个；法国则拥有7家生物柴油加油站[10]。欧盟委员会还计划生物柴油的市场占有率在2020年达到12%。

，此技术已经比较成熟。

阿根廷、南非、澳大利亚、印度等国还开展了种植甜高粱、以其为原料生产燃料乙醇方面的调查研究，结果证明产糖量明显高于甘蔗和甜菜。

当前，世界上生产燃料乙醇的原料主要是玉米、甘蔗等，需要利用大面积土地扩大种植，与粮争地，这现象不符合国家的粮食安全存在，因此，不可能进行大规模生产，而且从生产燃料成本方面考虑，并不具有经济效益。另外，原料问题也会随着粮食燃料乙醇的发展，而成为产业快速发展的瓶颈。所以，美国等西欧国家正大力研发半纤维素、纤维素、木质素等非粮食燃料乙醇的生产技术开发路线和工业实践，以期望改变企业“与人争粮”的现状

[17]

3）沼气发酵。德国、瑞典和丹麦的规模化沼气

工程一般都以高浓度粪草混合为原料，采用中温发酵及高效率的工艺运行，已实现了装备专业化、设计标准化、运行自动化以及常年稳定运行，是生物燃气工程技术在当前世界上最发达的工程表现。德国还由于开发研制了小型沼气燃气发电技术，不仅使沼气的应用水平大大提高，还使沼气发电站的数量成倍增加，如在1999年才仅有850家沼气电站，而到2000年就已经超过2000家。瑞典PURAC公司对利用动物粪便、食物废弃物、动物加工副产品等为原料，生产出来的沼气进行净化压缩后，送到城市加油站来供给汽车使用

[11]

。因此，发展

。应用领域业也逐渐向用于并入天然气管网和现代生物燃料乙醇生产，如用工业微生物取代酵母，并开发利用非粮食原料，如秸秆等农林废弃植物纤维等，都将成为今后产业发展的必由之路。

车用燃气方向发展，替代了普遍的热电联产及沼气纯化提质压缩方向。即使是在印度和欧洲等地，也已建设了大量分散的户用沼气池和沼气工程，可见沼气作为生物质能利用的技术已经比较成熟。

2国内生物质能源的发展研究

1）生物质热解。近几年来，生物质热解技术领

4）生物质成型燃料。西欧、日本等国在20世纪30年代，就已经开始研究生物质固化成型技术。其对

原料的粒度、种类、成型温度、含水率都有一定的要求，并且需要进行适当的预处理过程。此外，可做成木炭，它能提高燃料的使用价值，其是生物质在固化成型后进行碳化形成的

[12]

域的研究正逐步向生物质燃气焦油裂解、生物质合成气制备及生物制氢等技术方向发展。对此，我国的研究学者也进行了大量的试验研究。浙江大学在热解油生产工艺油品特性表征以及生物质提质改性等方面进行了一系列深入的研究取得了丰硕的研究成果。沈阳农业大学从国外引进一套旋转锥快速热解实验装置，进行了液化油技术的研究开发

[18]

。20世纪末，美国已在25

个州兴建了树皮成型燃料加工厂，日产量为250～

300t，进行工厂化生产。在20世纪80年代，印度、菲

律宾、泰国、韩国等亚洲一些国家已分别建立和研制了不少生物质碳化及固化的专业生产厂及其相关的燃烧设备

[13]

。中科院广州能源

所设计并建立了一套适合热解液化的循环流化床装置，并进行了进行热解液化小试及中试。

辽宁省能源研究所在1999年采用原料废木及秸秆等，建成固定床生物质气化发电系统，该系统采用具有国际先进水平的即时监测仪表；在2000年又采用原料木屑或稻壳，建成流化床生物质气化发电系统，发电容量160kW，2001年底通过国家科技部组织的验收；以及建成FGAS固定床生物质气化供气系统，原

。加拿大、俄罗斯、芬兰和日本等国目前

的成型燃料技术研究发展很快，除建立了完善的研究试验及检测系统之外，引进的生产技术也相对成熟。

5）生物乙醇。以巴西和美国为主的一些国家从

石油危机（20世纪70年代中期）以来，就开始推行燃料乙醇技术

[14]

发展计划，但该计划在2001年才大规

第5期刘乐等:生物质能源的发展研究197

料采用玉米秸秆等，应用在大连、本溪、铁岭等地区，提供居民炊事及采暖用气，安全可靠，运行至今

[19]

来燃料乙醇将重点发展纤维素、红薯、甜高粱、木薯等非粮原料乙醇。我国在9个省的部分地区，截至

。

2）生物柴油。我国最近几年在生物柴油技术开

发和产业化方面也取得了迅速的发展。目前，我国已实现了以大豆油、米糠下脚料、菜籽油等为原料生产生物柴油的技术。中国农科院油料所研制开发了运用共沸蒸馏酯化—甲酯化方法的生物柴油转化技术。管式连续甲酯化生产装置（由卓越新能源公司研发）实现了油脂中脂肪酸的甲酯化和三甘酯的连续反应，达到了超过98%的废动植物油脂均可转化为生物柴油利用的技术。卓越新能源公司还建设了生物柴油生产基地，年产可达1.2×105t

[20]

2005年年底已实现了车用乙醇代替汽油，年产生物燃料乙醇约为1.5×106t[26]，而燃料乙醇产量截止2009年底，已达1.65×106t。目前，中粮集团（国内最大的燃

料乙醇生产商）启动建设的纤维素乙醇试验装置，年产量500t，糖转化率超过85%、半纤维素转化率超过

95%、纤维素转化率超过了90%等，其多项关键技术

指标已接近国际先进水平，在行业内处于领先地位。

3我国发展生物质能源所面对的主要问题及建议

3.1

对我国生物质资源进行科学评估

所有具有经济性与可获得性特点的生物质，都可以被选为生物质能源产业发展的原料。生物质资源包括生物质农林资源以及采用边际性土地种植的生物质资源。虽然我国约有1×108hm2的滩涂、荒漠、草山、草场、荒山、荒地、沙荒地、盐碱地、撂荒地、矿山、油田复垦地等边际性土地，但目前缺乏对这些土地利用的资源评估

[27]

。

3）沼气发酵。生物质厌氧发酵技术的商业化已

经初步实现，目前开始面向规模化应用方向发展。在

20世纪80年代以前，普遍是以畜禽粪便、秸秆为原料

进行厌氧发酵生产户用沼气

[21]

，用于生活炊事燃料。

大型的沼气工程在80年代后才相继出现，以沼气技术为纽带的农户型生态园模式（畜禽、沼气、果蔬三位一体的）成为生态农业的重点发展方向

[22]

。

近几年来，我国政府不仅加大了对农村沼气工程建设的力度，投入了巨大的财力和人力，而且还出台了相关的政策来给予农村沼气工程强有力的支持。我国目前已经掌握了沼气大规模开发利用的有机废弃物（禽畜粪便、工业有机废水等）的厌氧消化技术，还具备沼气大规模生产利用的装备和施工能力。我国截至2008年年底，已有3049万农户在使用沼气，农村沼气利用量截止2009年底达到1.4×1010m3。全国总池容达到了5.02×

。这些边际性土地虽不适合粮

食生产，但却适合种植具有高抗逆性的能源作物。

稳定可靠的生物质资源是生物质利用开发的首要条件，而为了发展可再生能源，资源评估是一项必不可少的工作。目前，我国对于可利用土地和相应资源，缺少系统全面的研究，可利用的生物质资源仍不明确，总体发展潜力仍不明朗，明显可看出生物质能的资源评估严重不足。并且还没有开展针对可规模化种植能源作物的细致的、专门的、深入的调查，因此未获得一致科学认同的结论。最后还缺乏细致的资源评价及规划，用以区分能源用途和其他用途，如农作物秸秆和林业废弃物等资源总量比较可靠的生物质。此外，不同部门在估算基础上的研究结论差距较大，也是导致生物质资源开发利用难的一个重要原因

[28]

106m3

[23]

，共建成各种类型沼气工程达3.98万处。而

CSTR（完全混合式厌氧反应器）、ABR（厌氧挡板反应

器）、UBF（厌氧复合反应器）、UASB（上流式厌氧污泥床）及USR（升流式固体床）等

[24]

常规和高效的厌

氧发酵工艺在我国均有应用及示范。另外，由于沼气可以代替薪柴、煤炭、汽油及煤油等传统能源，具有广泛的用途，因此沼气作为新能源是值得研究开发利用的。

。

目前最紧迫的任务就是对生物质资源开展调查摸底，对可作为能源开发利用的生物质资源，进行区域规划工作。将可开发量、资源拥有量、发展潜力、能量转换技术选择、资源分类与技术进步预见，以“我国可再生能源中长期发展规划”为原则指导，多元互补、综合利用、因地制宜、结合我国国情按阶段分地区的尽快制定方便可行的规划及实施计划。坚持“不与粮争地，不与人争粮”的原则在农林能源植物的摸底调研中，对可利用的土地作定量定性分析，并落实能源作物种植品种、品质及产量估算。

4）生物质成型燃料。我国生物质成型燃料技术虽然在20世纪80年代才刚刚起步，但是经过多年的开

发研究，已经取得了阶段性的显著成果。农产品加工剩余物、林业生物质资源、农作物秸秆等是我国生物质成型燃料的来源，其中农作物秸秆种类多、分布广、数量大，每年秸秆资源理论值（约为8.2×108t）约折合标准煤4.1×108t

[25]

，是主要来源之一我国将加

大力度开发生物质成型燃料，实现合理高效地利用预计2015年我国生物质成型燃料利用量达2×107t，2010年，生物质成型燃料能作为一种普遍使用的优质燃料。

3.2加大投入，建立强有力的技术支撑

我国生物质能源发展存在生物质能科研机构分

5）生物乙醇。根据我国的国情及因地制宜，未

198

中国农机化学报2014年

散，缺乏吸引人才的相应举措，技术研发能力低，专业人才匮乏以及缺少强大的技术研发队伍等问题，另外，生物质能源领域具有自主知识产权的核心技术明显不多，这主要是由于技术研发经费投入不足，缺少激励科技创新进步的措施，大多数企业目前过于依赖于国外引进的现成技术，然而又非常难于消化吸收。

在能源植物方面，急需引种、普查、改良能源植物资源，并建立相关的能源植物试验示范基地；采用纤维素制造燃料乙醇技术，工艺过程复杂，存在反应时间长、成本高、反应副产物多、对发酵有抑制作用、浓酸水解所需酸浓度高、稀酸水解对设备要求高、酶水解缺乏合适的纤维素酶

[29]

制宜，合理适度的大面积种植生物质原料，不能违背自然规律，严禁遍地开花、一哄而上，要注重保护著名的自然风光、重要的天然景区、稀缺的植物种类、生态敏感区等。充分考虑物种多样性、生态平衡及树种多样化，做到不破坏湿地、不破坏森林、不破坏生态环境、不与民争粮、不与农争地、合理利用、持续发展。因此发展生物质能源一定要考虑环境的承受能力[35]。

3.4加强政策调研，出台鼓励生物质能源发展配套生物质能源产业具有生态效益、社会效益、环境

政策与措施

效益及经济效益，其中经济效益相对而言较差。借鉴国外的发展经验可以看出，不论是发展中国家还是发达国家，发展生物质能源都离不开政府的支持，它是发展生物质能源市场的原动力，例如提出投融资、补贴、市场开拓、税收

[36]

等问题，因此尚未达到商业化水

平；在生物柴油生产技术方面，脂肪酶对短链脂肪醇转化率一般为40%～60%，较低，而甲醇和乙醇容易使酶失活，且对酶有一定的毒性，副产物甘油和水难以回收，这些问题亟待解决。甘油和短链脂肪醇的存在均影响着酶的稳定性及反应活性，使固化酶的使用寿命大大降低。同时，生物柴油产品在耐低温抗氧化使用方面性能较差，利用本身和其高副产物附加值开发精细化学品技术比较落后，导致市场接受能力弱，产品经济性不高

[30]

等一系列的优惠政策。

我国政府虽然目前已经基本建立了相关的法律法规及政策来支持生物质能源发展，但是相关的法律法规政策只是框架性的，缺少明确鲜明具体的实施细则，相关法律关注的主要是宏观方面的问题，对生物质能源开发利用的规定只是表明了国家支持和鼓励发展生物质能源的决心，因而原则性较强，可操作性差，缺乏针对性的法律责任条款

[37]

；

在沼气生产方面，存在着沼气持续运行能力差、生产技术水平不高、沼气利用效益差、沼气商品化程度低[31]等现象；在固体成型压块燃料方面，运行稳定性差、成型机模具磨损严重、能耗高、配套炉具不完善、使用寿命较短等问题时常出现

[32]

。因此没有形成

稳定发展生物质能的长效机制，而由于经济激励措施力度不足，也相应的影响了投资者的积极性。法律法规的缺失使得在现实操作中很难有好的执行力，难以达到预期的发展目标。

生物质能源开发战略应以我国立法的形式制定，首先要明确指出生物质能源在减少温室气体排放、解决农业农村、对保障能源安全等方面极为重要的战略意义；此外如何落实能源的发展战略，建立多部门管理机构，如何加大技术研发力度，开发生物质能源相关的新产品，如何做到自主研发与国外先进技术融合，以及如何结合国家的宏观经济规划，来制定每年的发展计划并监督其实施等方面也应被考虑在内；最后明确财税政策用来发展生物质能源，使其具有市场竞争力，加强国家支持力度，在不威胁环境安全的情况下开发我国安全、高产的生态能源基地。完善生物质能源法律法规，让其为生物质能源的发展提供有力的后盾与保障

[38]

。

制约生物质能源行业的规模化生产，从表面上看是经济问题导致的，如成本过高等，但是，实际上是由于对技术的发展需求更高所引起的。因此，迫切需要获得新的突破，尤其是应用基础理论、过程、装备和关键技术方面的研究，为高效高值利用生物质资源提供强大的技术支持。

3.3

产业

以环境友好为重要评价指标，发展生物质能源生物质产业的一大特征是可持续性，即其生产的

最终产品可以实现循环利用，具有环保作用。但是生产生物质产品过程中，本身就存在着污染风险。如管酒精厂、淀粉厂等每年的排污量很大，但国内目前使酒精等废液达标排放的技术尚没有完全成熟

[33]

。通

过调查可以看出，资源消耗偏高、污染治理不彻底等情况仍然发生在我国一些生物质生产企业中，且现象十分严重，发展生物质产业的初衷绝不是以牺牲环境来换取自身经济利益的

[34]

。

4总结与展望

生物质能源是可再生绿色能源，在整个能源系统

。

以科学发展观为指导，有序的发展我国生物质产业，需加快生物环境保护能力，大幅提高处理生物质加工过程中产生的废水、废渣、废气的能力。要因地

中具有举足轻重的地位。我国生物质能的资源非常丰富，如果能充分利用，即可减少环境污染，又能缓解能源危机。目前，世界各国越来越关注于生物质能源

第5期刘乐等:生物质能源的发展研究

可再生能源,2006,(2):78~81.

199

方面的开发利用，积极采取相应的政策扶持和经济支持，加大在生物质能转化利用技术方向的投入。欧美等发达国家在生物质能源的利用方向上有较深的研究基础，形成了一定的产业规模。而我国生物质能源研究近年来也取得了飞速的发展，在沼气技术、燃料乙醇、气化等方面取得了关键性技术的突破，得到了广泛的应用。未来一段时期，应进行国家层面的生物质资源评估，对生物质能源企业加强环境考核，研究关键技术，建立法律法规和加强国家支持力度等有效手段，解决处理好生物质能源发展所面临的各种问题，为我国的能源战略与环境保护贡献力量。

参

考

文

献

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Analysisandresearchonanewtypeof2-RPC/2-SPCparallelrobotmechanism

YangMingxing,GuoZonghe

(ShandongUniversityofTechnology,Zibo,255049,China)

Abstract:Firstlyanewkindof3T1Rfourdegreesoffreedom2-RPC/2-SPCparallelrobotwasusedastheresearchobject.Basedonthereversekine-maticsobtainedbythecharacteristicsofinstitutions,theexplicitexpressionoftheJacobianmatrixwasdeduced.Secondlybyusingthecalculationvectormethod,thevelocityandaccelerationoftheparallelrobotbranchedchainwereanalyzed,andthedynamicrelationofplatformmotionandfourdriverswasestablishedbasedontheprincipleofvirtualwork.FinallythenumericalcalculationoftheresearchresultswasconductedbyusingtheMatlabsoftware,andthekinematicsandkineticscurveweredrew.Itprovidesanimportanttheoreticalbasisfortheapplicationresearchandoptimizationdesignoftherobot.

Keywords:parallelrobot;Jacobianmatrix;principleofvirtualwork;optimaldesign

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Developmentresearchofbioenergy

LiuLe1，LingXiaoyan2，LiHua1，LiXuhui1，GaoXiang1

(1.NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing,210031,China；

2.NanjingResearchInstituteforAgriculturalMechanization,MinistryofAgriculture,Nanjing,210014,China)

Abstract:Withitssustainability,optimizeenergystructure,safety,environmentalprotection,clean,emissionreduction,incomeandotheradvantages,bioener-gyhasbeenrapidlydevelopedandappliedallovertheworldinrecentyears.Basedontheanalysisofresearchthedevelopmentstatusofbioenergyathomeandabroad,themainproblemsfacingthedevelopmentofbioenergywasexpoundedandsomerelatedsuggestionsatpresentwasputforward.Keywords:bioenergy;exploitationandutilization;problems;suggestions