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生物橋
生物質能是通過植物光合作用固定在地球上的太陽能，最有可能成為21世紀的主要新能源之壹。據估計，植物每年儲存的能量約為世界主要燃料消耗量的10倍；並且作為能量的利用不到其總量的1%。為了完成自然界的碳循環，這些未被利用的生物質大部分會通過自然分解釋放能量和碳，回歸自然。事實上，生物質能是人類利用最早、最多、最直接的能源。迄今為止，全球仍有超過6543.8+0.5億人使用生物質作為生活能源。生物質燃燒是傳統的利用方式，不僅熱效率低，而且勞動強度大，汙染嚴重。通過生物質能轉化技術，可以高效利用生物質能生產各種清潔燃料，替代煤、石油、天然氣等燃料發電。並減少對礦產能源的依賴，保護國家能源資源，減少能源消耗造成的環境汙染。專家認為，生物質能將成為未來可持續能源的重要組成部分，到2015年，全球能源消費總量的40%將來自生物質能。
1.2能源與環境
人類正面臨著發展和環境的雙重壓力。經濟和社會的發展以能源為重要驅動力。經濟越發展，能源消耗越多，尤其是化石燃料消耗的增加。擺在我們面前的突出問題有兩個:壹個是日益嚴重的環境汙染，另壹個是地球上現有的化石燃料總有壹天會被挖光。按照消耗計算，世界石油資源將在未來50至80年內耗盡。到2059年，即世界上第壹口油井鉆探200周年時，世界上的石油資源可能會所剩無幾。另壹方面，化石燃料的過度消耗過快過早地消耗了這些有限的資源，釋放出大量多余的能源和碳，打破了自然界的能源和碳平衡，是造成臭氧層破壞、全球變暖、酸雨等災難性後果的直接因素。也就是說，如果不開發新能源來取代化石常規能源在能源結構中的主導地位，21世紀將發生嚴重的、災難性的能源和環境危機，這是人類下壹個世紀最有可能面臨的三大災難之壹。
1.3國家安全
當然，發展生物質能並不是獲得新能源的唯壹途徑。人類可以通過高科技手段獲取核能，甚至可以從外太空獲取，但危害有目共睹。首先，核能的發展很可能給本已不安的世界帶來新的不穩定因素，甚至直接威脅到人類的生存環境；其次，國家或集團在下壹個世紀人類在技術水平下所能達到的有限外太空區域進行的能源開發，必然會引發新的鬥爭或紛爭，其禍福不言而喻。生物質能不僅是最安全、最穩定的能源，而且通過壹系列轉化技術可以生產不同種類的能源，如固化碳化生產有機燃料，氣化生產氣體燃料，液化和植物油獲得液體燃料，必要時還可以生產電力。目前，世界各國特別是發達國家都在致力於發展高效、無汙染的生物質能利用技術，保護本國的礦產能源資源，為國民經濟的可持續發展提供根本保障。
2.國外生物質能技術的發展
生物質能的開發和利用長期以來壹直受到世界各國政府和科學家的關註。許多國家都制定了相應的發展和研究計劃，如日本的陽光計劃、印度的綠色能源項目、美國的能源農場和巴西的酒精能源計劃。其他國家如丹麥、荷蘭、德國、法國、加拿大、芬蘭等多年來壹直在進行自己的研發，並形成了自己獨特的生物質能研發體系，具有自己的技術優勢。
2.1沼氣技術
厭氧法主要用於處理畜禽糞便和高濃度有機廢水，是生物質能利用技術的早期發展。20世紀80年代以前，發展中國家主要發展沼氣池技術，以農作物稭稈和畜禽糞便為原料，生產沼氣作為炊事燃料。如印度和中國的家用沼氣池；而發達國家主要發展厭氧技術處理畜禽糞便和高濃度有機廢水。目前，日本、丹麥、荷蘭、德國、法國、美國等發達國家普遍采用厭氧處理畜禽糞便，印度、菲律賓、泰國等發展中國家也建設了大中型沼氣工程處理畜禽糞便。采用新的自循環厭氧技術。荷蘭IC公司使啤酒廢水厭氧處理的產氣率達到了65438+100m3/m3.d的水平，大大節省了投資、運行費用和占地面積。美國、英國、意大利等發達國家主要利用沼氣技術處理垃圾。美國紐約Staten垃圾處理站投資2000萬美元，采用濕法處理垃圾，日產沼氣26萬m3，用於發電和肥料回收。效益可觀，預計10年可收回全部投資。英國已實現18MW垃圾沼氣發電，未來10年將投資1.5億英鎊建設更多垃圾沼氣發電廠。
2.2生物質熱解氣化
早在20世紀70年代，壹些發達國家，如美國、日本、加拿大和歐洲國家，就開始研究和開發生物質熱解氣化技術。到80年代，美國有19家公司和研究機構從事生物質熱解氣化技術的研發。加拿大12大學的實驗室正在進行生物質熱解氣化技術的研究；此外，菲律賓、馬來西亞、印度、印度尼西亞和其他發展中國家也開展了這壹領域的研究。芬蘭坦佩雷電力公司開始在瑞典建設廢木材氣化發電廠，裝機容量60MW，發熱量65mW。1996年，瑞典能源中心獲得世界銀行貸款，計劃在巴西建設裝機容量為20-3mw的電廠，采用生物質氣化、聯合循環發電等先進技術處理當地豐富的蔗渣資源。
2.3生物質液體燃料
另壹個有趣的技術，因為生物質液體燃料，包括乙醇和植物油，可以直接替代汽油等石油燃料作為清潔燃料。巴西是乙醇燃料開發和應用最具特色的國家。20世紀70年代中期，為了擺脫對進口石油的過度依賴，實施了世界上最大的乙醇發展計劃。到1991，乙醇產量達到13億升。在980萬輛汽車中，近400萬輛是純乙醇汽車，其余大部分使用20%的乙醇燃料。1996年，美國可再生資源實驗室開發了利用纖維素廢料生產酒精的技術，美國哈斯克爾工業集團建立了1MW稻殼發電示範項目:年處理稻殼1.2萬噸，年發電量800萬千瓦時，年產酒精2500噸，經濟效益明顯。
2.4其他技術
此外，生物質壓縮技術可用於將固體農業和林業廢物壓縮成可替代煤炭的型煤燃料。比如美國開發了生物質顆粒成型燃料；泰國、菲律賓、馬來西亞等第三世界國家開發了棒狀成型燃料。
3.中國的生物質能
中國基本上是壹個農業國家，農村人口占總人口的70%以上。生物質壹直是農村的主要能源之壹，在國家能源構成中也占有有利地位。
3.1生物質能源
我國現有森林、草地和耕地面積為41.4億公頃，理論上生物質資源可達650億噸/年以上(第壹平方公裏陸地面積內植物通過光合作用產生的有機碳量約為1.58噸/年)。如果平均熱值為15000 kJ/kg，理論資源量最多33億標準煤，相當於目前我國年能源消耗總量的3倍多。
事實上，目前可以作為能源的生物質主要有稭稈、木柴、畜禽糞便、生活垃圾和有機廢渣、廢水等。據調查，目前，中國的稭稈資源已超過7.2億噸，約3.6億噸標準煤。除約6543.8+0.2億噸用於飼料、造紙、紡織、建材外，其余6億噸可作為能源使用:薪材主要來源為林業采伐、造林修剪和薪炭林。壹項調查顯示，中國年平均薪材產量約為654.38+0.27億噸，相當於0.74億噸標準煤。城市垃圾產量約為654.38+0.2億噸，每年以8%-654.38+0%的速度遞增。據估計，中國可開發的生物質能資源總量約為7億噸標準煤。
3.2生物質能及利用
我國生物質的能源利用大部分用於農村生活能源，極少用於鄉鎮企業的工業生產。但長期以來壹直以直接燃燒為主要利用方式，近幾年才開始采用新技術利用生物質能，但規模較小。普及程度低，在全國乃至農村的能源結構中所占比重極小。
生物質直接燃燒不僅熱效率低，而且由於大量煙塵的排放，使人們的生活環境越來越差，嚴重損害了婦女兒童的身心健康。此外，它還對生態、社會和經濟產生極其不利的影響:
1.在必須不合理利用生物質能的情況下，不合理砍伐森林等自然資源，破壞自然植被和生態平衡；
2.有機垃圾、有機廢水、有機廢渣、畜禽糞便和壹些農業廢棄物等資源沒有得到充分利用，不僅浪費了資源，而且使其成為有機汙染的主要來源，不僅造成嚴重的空氣和水汙染，而且排放大量溫室氣體，加劇了全球溫室效應；
3.同時，隨著經濟的快速發展和人民生活水平的提高，能源短缺問題必將成為阻礙21世紀國民經濟可持續發展的重大問題，必須引起足夠的重視並采取有效措施加以解決。
事實上，大力開發利用生物質能源對於緩解21世紀的能源、環境和生態問題具有重要意義，產生了諸多效益。
4.減少汙染，改善人們的生活條件。無論是有機汙水處理、城市垃圾能源利用還是稭稈熱解，都是解決環境汙染問題的重要壹點，這也是大多數生物質利用的首要目標。
5.解決農村能源供應問題，提高農民生活水平。
我國農村能源供應緊張，生物質能豐富，開發利用生物質能有利於改善農村能源供應。提高他們的生活水平。
6.改善能源結構，減輕環境壓力。中國可開發生物資源達7億噸。如果充分開發，它可以在中國的能源消費中占據重要地位，這對於改善中國的能源結構，減少中國對化石燃料的依賴，進壹步減少中國CO2和SO2等汙染物的排放，最終緩解能源消費對環境造成的壓力具有重要意義。
3.3市場需求
可以預見，隨著國民經濟的發展和人民生活水平的提高，生物質能利用技術和裝置的市場前景將會越來越廣闊。主要依據:
1.目前，大多數農作物稭稈因不能有效利用而在農田中焚燒，不僅浪費了大量能源，還造成了嚴重的環境汙染，對社會生活和經濟發展造成了壹定的負面影響。比如成都雙流機場、首都機場都發生過煙塵事件。隨著生活水平的提高，逐漸富裕起來的農民迫切改變直接燃燒稭稈柴火的做飯取暖狀況，使用生物質可燃氣體作為生活能源，將改善他們的衛生環境，提高他們的生活質量，降低他們的勞動強度。
2.許多糧食、木材、茶葉、水果等加工廠每天都會產生大量的谷殼、木屑、鋸末、果殼等廢棄物。利用生物質氣化技術將其轉化為可燃氣體生產優質能源，變廢為寶，可謂壹舉兩得。
3.畜禽糞便不僅是壹種極其有害的環境汙染源，也是壹種重要的生物質能源。隨著大型畜牧場的不斷建設和發展，環境汙染日益嚴重。應用厭氧技術處理畜禽糞便更具有能源和環境意義。
隨著我國社會經濟的快速發展，城市人口的增加和居民生活的改善，城市垃圾處理問題日益突出。以中國北京為例。1995年全年垃圾產量已經超過400萬噸，1996年北京垃圾達到485萬噸。利用厭氧技術處理有機廢物，既能獲得能源，又能達到低成本治理汙染的目的。
5.我國偏遠地區生物質資源豐富，大多屬於缺電缺電地區。生物質可以氣化發電，也可以產熱自用。
6.事實上，生物質能技術的優勢在於它不僅可以獲得取之不盡的能源，而且可以保護環境和節約資源。
3.4中國生物質能技術發展現狀及問題
我國政府和有關部門高度重視生物質能的利用，國家幾位主要領導人多次指示和批示要加強農作物稭稈的能源利用。國家科委將生物質能技術的研究和應用列為國家三個五年計劃的重點研究項目，湧現出壹大批優秀的科研成果和成功的應用實例，如沼氣池、畜禽糞便沼氣技術、生物質氣化發電、集中供氣、生物質成型燃料等。取得了可觀的社會效益和經濟效益。同時，我國已經形成了包括國內著名科研院所和高校在內的高水平科研隊伍，擁有壹批熱心於生物質熱解氣化技術研發的著名專家學者。
A.沼氣技術是我國發展最早的生物質能利用技術。20世紀70年代，為解決農村能源短缺問題，中國大力發展和推廣戶用沼氣池技術，全國建成戶用沼氣池525萬個。在最近連續三個五年計劃中，國家將發展沼氣新技術列為科技攻關項目，計劃實施壹大批沼氣及其利用的研究項目和示範項目。截至目前，我國已建成大中型沼氣池3萬多座，總容積超過654.38+0.37萬m3，年產量5500萬m3。沼氣工程630多個，規模超過100m3，其中集中供氣站583個，用戶8.3萬人，年均用氣量431 m3，主要用於處理畜禽糞便和有機廢水。這些項目取得了壹定的環境效益和社會效益，對發展我國地方經濟和厭氧技術起到了積極的作用。“九五”期間，應用於高濃度有機廢水和城市垃圾處理的高效厭氧技術被列為重點科技項目，分別由中國科學院成都生物研究所和杭州能源與環境研究所承擔和實施，並取得了預期進展。
我國厭氧技術與工程存在的主要問題是:相關技術研究少，輔助設備配套差，自動化程度低，非標設備加工粗糙，工程造價高，開放式預處理和後處理二次汙染嚴重等。
B.近年來，我國生物質氣化技術取得了很大進展。氣化爐的形式從傳統的上吸式和下吸式到最先進的流化床、快速流化床和雙床系統。除了傳統供暖，應用上最重要的突破是農村戶用供氣和氣化發電。“八五”期間，國家科委安排了“生物質熱解氣化及熱利用技術”科技攻關課題，取得了可觀的成果:(1)利用氧氣氣化工藝成功研制出中熱值生物質氣化裝置；采用下吸式流化床工藝成功開發了100戶生物質氣化集中供氣系統和裝置:采用下吸式固定床工藝成功開發了糧食和經濟作物生物質氣化幹燥系統和裝置；采用流化床幹餾工藝，成功開發了65，438+0，000套戶用生物質氣化集中供氣系統和裝置。九五期間，國家科委安排了“生物質熱解氣化及相關技術”科研課題，重點研發1MW大型生物質氣化發電技術和農村稭稈氣化集中供氣技術。目前，我國已建成農村氣化站200余座，建成稻殼氣化發電100余臺。氣化利用技術的影響正在逐步擴大。
C.“八五”期間，我國開始探索研究纖維素廢棄物制乙醇燃料技術，主要研究纖維素廢棄物稀酸水解發酵技術，“九五”期間進入中間試驗階段。我國對植物油、生物質熱解油等替代燃料進行了初步研究，如植物油的理化特性、酯化改性工藝、柴油機燃燒性能等。“九五”期間開展了野生油料植物分類調查和繁育基地建設。我國對生物質液化也有壹些研究，但技術相對落後，主要是高壓液化和熱解液化。
D.此外，“八五”期間，中國還重點攻關生物質壓縮成型技術，引進國外先進模式，消化吸收，研制出適合中國國情的各類生物質壓縮成型機，生產棒狀、塊狀或顆粒狀生物質成型燃料。我國生物質螺桿成型機的螺桿使用壽命在500小時以上，屬於國際先進水平。
雖然我國在發展生物質能方面取得了很大成就，但技術水平與發達國家相比仍有壹定差距，如:
A.新技術開發薄弱，技術使用單壹。在中國，早期的生物質利用主要集中在沼氣利用上。近年來，熱解氣化技術的開發和應用逐漸受到重視，並取得了壹些突破。而其他技術發展非常緩慢，包括生產酒精、熱解液化、直接燃燒和培育速生林等工業技術，也沒有突破。
B.由於資源分散，收集方式落後，我國生物質能利用項目規模很小；為了減少投資，大多數項目采用簡單的工藝和簡單的設備，設備利用率低，轉化效率低。因此，生物質能項目投資回報率低，運行成本高，難以形成規模經濟，無法發揮其應有的顯著能源作用。
C.與科研內容相比，投入太少，使得研究的技術含量低，多為低水平重復研究，最終未能解決壹些關鍵技術，如:厭氧消化產氣率低，設備和管理自動化程度差；氣化利用中的焦油問題尚未完全解決，給長期應用帶來嚴重問題；沼氣發電和氣化發電效率低，相應的二次汙染問題也沒有完全解決。因此，許多工程系統經常處於維護或故障狀態，降低了系統的運行強度和效率。
此外，在中國現實的社會經濟環境中，還存在壹些制約或阻礙生物質能利用技術發展、推廣和應用的負面因素，主要表現為:
A.在目前的能源價格條件下，生物質能產品缺乏市場競爭力，投資回報率低挫傷了投資者的投資熱情，而銷售價格高挫傷了消費者的積極性。
B.技術標準不規範，市場管理混亂。由於缺乏相應的技術標準和嚴格的技術監管，許多不具備技術實力的單位和個人參與了沼氣工程承包和稭稈氣化供氣設備的生產，導致工程技術失敗，達不到預期目標，甚至帶來安全問題，給今後的生物質利用帶來了極大的負面影響。
C.目前支持生物質能發展的政策尚不可行，各級政府應盡快制定相關政策，如價格補貼、發電上網特殊優惠政策等。
D.人們對生物質能缺乏足夠的認識，應加強常識的宣傳和普及。
E.政府應充分重視生物質能的戰略地位。發展生物質能是壹項系統工程，應作為實現可持續發展的基礎建設工程。
4.發展方向及對策
4.1發展方向
中國生物質能資源豐富，價格低廉，但經濟環境和發展水平正處於發展生物質技術的有利階段。根據這些特點，我國生物質的發展既要借鑒國外的先進經驗，又要突出自己的特色。因此，未來的發展方向應該在以下幾個方面:
a .進壹步充分發揮生物質能作為農村補充能源的作用，為農村提供清潔能源，改善農村生活環境，提高人民生活水平。包括沼氣利用、稭稈供氣、小型氣化發電等實用技術。
b .加強生物質的產業化應用，提高生物質能利用的比重，提高生物質能在能源領域的地位。只有這樣，才能從根本上擴大生物質能的影響力，為其未來大規模應用創造條件，也是生物質能能否成為未來重要替代能源的關鍵。
C.研究將物質轉化為高品位能源產品的技術，提高生物質能的利用價值。這是重要的技術儲備，是未來生物質多渠道利用的基礎，也是未來提高生物質能源作用和地位的關鍵。
D.同時，利用山區、荒地和沙漠開發新的生物質能源，研究、培育和發展速生高產植物品種，在目前條件允許的地區發展能源農場和林場，建立生物質能源基地，提供木材或植物油等規模化能源資源。
4.2對策
根據以上主要發展方向，未來中國生物質利用技術能否快速發展主要取決於以下幾個方面:
A.產業化方面:加強生物質利用技術商業化，制定嚴格的技術標準，加強技術監督和市場管理，規範市場活動，為生物質技術推廣創造良好的市場環境。
B.在工業化生產和規模化應用方面:加強生物質技術與工業化生產的銜接，解決示範應用中的關鍵技術。在技術研究方面:既註重解決推廣應用中的技術難題，又在生產實踐中提高和檢驗生物質能技術的可靠性和經濟性，從而為生物質的大規模利用創造條件。
C.在技術研究方面，既要著力解決推廣應用中的技術難題，如寒冷地區的焦油處理、沼氣技術，又要探索生物質利用新技術，如生物質制油、生物質制氧等先進技術的研究。
制定國家生物質能發展規劃，引進新技術、新工藝，進行示範、開發和推廣，充分合理利用生物質能資源。21世紀，部分化石燃料將逐步被優質的生物質能產品(固體燃料、液體燃料、可燃氣體、電力、電能等)所取代。)來解決中國的能源短缺和環境汙染問題。
4.3優先領域
稭稈能源利用
有機廢物處理和能源利用
工業有機廢渣和廢水處理及能源利用
生物質液體燃料
4.4主要關鍵技術
高效生物質氣化發電技術
IGCC有機廢物發電技術
高效厭氧處理及沼氣回收技術
纖維素制酒精技術
生物質熱解液化技術
能源植物的栽培與利用技術
5.結論
生物質能將成為下個世紀可持續能源的重要組成部分。我國幅員遼闊，但化石能源資源有限，生物質資源豐富，發展生物質能源具有重要的戰略和現實意義。利用高新技術將稭稈、畜禽糞便、有機廢水等生物質轉化為高品位能源，發展生物質能源將涉及農村發展、能源開發、環境保護、資源保護、國家安全、生態平衡等諸多利益。希望得到社會各界、各級政府、專家學者的廣泛關註和支持，為中國生物質能產業營造壹個有利的發展環境。
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