生物质能技术

综述
中国的生物质能资源主要包括 3 个方面，即农作物秸秆中可用于燃料部分，森林树木合理采伐可用作薪材部分，人畜粪便、有机废物和水生植物。1994 年上述 3 个部分可供使用的生物质能资源约 2.67 亿 t 标煤。
(1) 1994 年农作物秸秆产量为 5.83 亿 t，折合标煤 2.91 亿 t，其中 53% 作为燃料使用，约折合 1.54 亿 t 标煤。
(2)目前按各类林地及林种估计，年薪材合理采伐量约 1.60 亿 t，折 9100 万 t 标煤。薪炭林种提供的就是作燃料用的薪材，虽然薪炭林种在全国林地面积中只占 4.1%，却提供了薪材总量的 26.1%。另一个重要的薪材来源是用材林的剩余碎料。由于它是主要林种，占林地总面积的 53.4%，因而它能提供的薪材占总薪材量的 37.2%。
(3) 据统计中国每年人畜粪便约 3 亿 t，合 1.3 亿 t 标煤。1990 年在中国牧区把干粪作燃料使用的约为百万 t 标煤。另外，全国每年约有 255 万 t 干粪物质用于农村户用沼气池和大中型沼气站的原料，产生 13 亿 m3 沼气作民用燃料。
目前生物质能最主要利用方式是直接燃烧，作为农民生活和北方农村地区冬季供暖的燃料。旧式传统柴灶的燃烧热效率很低，在 8%～12% 左右。国家为了缓解农村地区用能的紧张状况，提高生物质能的利用效率，在全国范围内实施了庞大的推广省柴灶计划。至 1994 年，总农户的 70%，约 1.68 亿农户已用上了各种类型的省柴灶。省柴灶的热效率一般都超过 20%。
自 ” 七五 ” 以来，中国已广泛开展了生物质高品位的转换技术的研制和开发。主要包括：生物质气化、致密成型固化、液化以及用厌氧消化技术开发利用工农业有机废弃物，等等。通过这些技术的开发和使用，把低品位的生物质能转换为高品位的煤气、燃料油和生物煤，改善生物质能源的使用效率，实现以柴代气、油和煤。
生物质气化
生物质气化是使生物质在缺氧或断氧条件下，受热产生 CO，H2，CH4，CnHm 等可燃气体。
中国自 80 年代初就开展了生物质热裂解气化的研究与开发，主要集中在气化装置、发电、民用炊事和燃气锅炉等方面的研究。目前已有较大发展，从单一固定床气化炉发展到流化床、循环流化床、双循环流化床和氧化气化流化床等高新技术；由低热值气化装置发展到中热值气化装置；由户用燃气炉发展到工业烘干、集中供气和发电系统等工程应用，建立了各种类型的试验示范系统。” 八五 ” 期间，国家科委安排了 ” 生物质热解气化及热利用技术 ” 的科技攻关专题。到目前为止，已有多种较为成熟的中小型生物质气化炉小批量生产和投入市场，主要用于木材烘干、供暖和户用炊事。集中供气流化床干馏热解气化技术已处于中试示范阶段，每小时产气 80m3，煤气热值 8～9MJ/m3。一些技术先进，有良好前景的大型气化装置，如大型鲁奇型生物质压力气化装置、发生炉煤气甲烷化等正处于试验研究阶段。
“ 九五 ” 期间，将在目前已有的气化技术基础上，以开发新型的气化技术、技术商品化和产业化为目标，研究生物质气化系列装置和燃气多用途的应用技术，它将包括：
(1) 系列气化和集中供气系统的研究。
(2) 生物质热裂解工艺技术的研究和开发，包括流化床热裂解系统、固定床热裂解系统和工业性综合热裂解系统。
(3) 建立生物质气化发电示范工程和热气电联供系统示范工程。
虽然生物质气化技术已较成熟，有一些炉型有了批量的生产和使用，但从总体说，还没有形成规模的产业和市场。
一个年产 500 台规模的 ND600 型生物质气化机工厂的初始投资需 120 万元 (1994 年价)，单机的售价为 2.0 万元。扣除折旧和运行等费用，能获利税 25% 左右。按此估计，投资回收期约 5～6a。如扣除上交的增值税，则这类工厂只能得到微薄的利润，是一个弱质的行业。然而从市场看，由于技术和管理上的问题，目前月销售量只有 20 台左右，只及生产能力的 1 /2。因此，要进一步获得发展，还需要提高技术水平，扩大生产能力，从而降低成本，以吸引更多的用户。
再从用户的角度来分析生物质气化炉的经济性。以家用生物质气化炉 ND280 为例，每台售价 900～1100 元 (1994 年)。如与同类物料直接燃烧相比，它的燃料热效率(约 40%) 比传统柴灶的热效率 (约 12%～15%) 要高很多，每天可节省 3kg 柴草，如以 0.15 元 /kg 计算，则每年可节省 150 元；如果再考虑到使用气化炉方便、卫生以及节省劳力等因素，较富裕的农户在经济上是可接受的。当然，如果与燃煤相比较，由于煤价较高，因而农户在经济上对气化炉具有更大的承受能力。经济上能为用户接受将使生物质气化炉获得更大发展提供坚实的基础。
生物质炉的气化效率一般都可超过 70%，再考虑用户的燃气灶的效率，那么对生物质利用的热效率可达到 40%以上。而省柴灶直接燃烧的热效率也只有 20%～25%。因此每千克的生物质资源的能量可多利用 20%，多产出约 2847kJ 的能量。而为了气化需投入的能量仅仅是气化风机所消耗的能量，例如 ND600 气化炉，其输出功率为 173kW，而气化风机的电机功率仅为 0.5kW，气化炉的电能消耗很小，不足输出功率的百分之一。
1995 年由国家计委、科委和经贸委共同制订的 ” 新能源和可再生能源发展纲要 ” 中明确提出了要加速生物质能利用技术的更新换代，发展高效的直接燃烧技术、致密固化成型、气化和液化技术，建立高效生物质能工厂化生产技术与装置的产业系统。到 2000 年生物质高品位利用量达到 250 万 t 标煤能力，到 2010 年达到 1070 万 t 标煤。应该说，生物质气化将是其中最有发展潜力的一种技术。
沼气
利用厌氧消化使工农业有机废弃物转化成沼气在中国已走上了稳步发展的道路。当前沼气工艺技术的应用和发展主要是在 3 个领域：农村户用沼气池、大中型沼气工程和生活污水净化池。
近年来，中国又发展了多种小型高效并能工厂化生产的户用沼气池。这种小型池容在 6m3 左右，保留了原水压池占地少、安全、卫生等优点，着重改进了池型和发酵工艺，增加了自动搅拌、手动出料器、导流板等技术，从而增加了原料有效滞留期和池内微生物浓度，使池温增加，新鲜发酵原料快而充分地和沼气微生物混合，大大提高了产气率，达到 0.3m3/(m3·d)以上。
中国在最近 10 多年已经建成了一批类似于南阳酒精厂、杭州浮山养殖场和上海星火养殖场的沼气工程。可以说, 中国在大中型沼气工程方面已掌握了几套工艺先进, 技术可靠和设备配套的工程技术, 建立了初具规模的产业体系, 具备了在全国大规模推广的条件。
随着中国经济发展，大量出现的中小城镇，它们没有集中的生活污水排除系统，因而发展了一种小型分散处理人类生活污水的有效装置，这就是从 80 年代后期迅速发展起来的生活污水池。净化池内化学耗氧量 COD 去除率为 87.7%，生物耗氧量 BOD 去除率 93.7%～98%，悬浮物去除率达 91.4%～98.4%，大肠菌值下降 2～4 个数量级，寄生虫卵减少 98%；排出水达到了污水排放要求和粪便无害化标准。到 1993 年，全国各地已建起了 2.5 万多个。
到 1994 年农村户用沼气池已发展和正常使用的有 543 万个，沼气工程 1580 多处，其中大中型沼气工程 580 多处，生活污水池 2.98 万多个。年生产沼气 13 亿 m3，相当年开发 95 万 tce，可替代煤炭 220 万 tce。
从长远来看，中国厌氧发酵处理各种废弃物的工艺技术尚处在发展阶段。据统计，中国轻工行业每年排放的高浓度有机废水达 60 亿 t，占全国工业废水排放总量的 22%，废水中含有有机物约 250 万 t。
随着经济发展，每年发展新建集镇几百个，兴建新式农民房 7 亿 m3。因此分散性的处理生活污水净化池也需要相应的发展，潜力很大。据测算，目前全国家禽年产粪便总量达 5.81 亿 t，粪水年排放总量达 60 亿 t。其中规模养殖场 (包括猪、牛、鸡) 的年粪便排放量为 6600 万 t(包括猪、牛、鸡)，如没有处理粪便的沼气工程，那么大量粪便的露天堆沤也将产生大量的甲烷，估算排放量约为 15000t CH4。如果用沼气工程处理这部分粪便，将避免这部分甲烷的释放，同时可获得替代矿物燃料的洁净和方便的能源。
沼气的热值为 23～25MJ/m3，相当于 0.857kg 标煤的煤。1kgce 的沼气燃烧约排放 0.409kg(碳)的 CO2，而相应的煤排放的 CO2 为 0.735kg(碳)，所以 1kgce 的沼气替代相应煤燃烧的 CO2 的减排量为 0.326kg(碳)。
在中国《新能源和可再生能源发展纲要》中提到，利用农村及城镇酒厂、糖厂和畜禽养殖场的有机废弃物，发展沼气，使之转化为高品位能源，开展综合利用，提高利用价值，同时加强大中型沼气工程的设计规范、标准和设备的成套供应，使全国沼气用户 (含集中供气)2000 年和 2010 年分别达到 755 万户和 1235 万户，沼气供应量达到 22.6 亿 m3 和 40 亿 m3，约相当于 180 万 t 和 314 万 t 标准煤的能量。
沼气技术典型案例
表 5.35 南阳酒精厂日产 4 万 m3 沼气工程
1. 工程规模：厌氧发酵罐 5000m3×2，其它全部配套设施
2. 发酵工艺：高温发酵，连续进出物料
3. 初始投资：960 万元(1985 年现价)
4. 工程实施指标：
沼气：日产 40000m3，产气率 4m3/(m3·d)
COD 去除率：84%，由 50000mg/ L 降到 8000mg/L
BOD 去除率：90.5%，由 25000mg/ L 降到 2300mg/L
pH 值：由 4.2 升至 7.0～7.5
悬浮物去除率：96.5%，由 20000mg/ L 降到 700mg/L
5. 效益：
供南阳市 20000 户居民生活用气，年获益 200 万元。年替代煤炭 2 万 t，南阳市减排 CO2、N2O、烟尘 2300t，减少燃煤废渣 6000t。
改善南阳市环境卫生。废液超过 80 万 t 作农田肥料，5 万亩受益，农民年经济受益 360 万元 (节约购化肥 160 万元，增产粮食 200 万元)。
工厂每年节约排污费 36 万元。