1、引言
能源是人類生存和支撐人類發(fā)展的經(jīng)濟、社會活動所不可或缺的支柱。但是石油、煤炭等能源由于本身的有限性必定會枯竭。世界目前探明的可開采儲量表明，石油尚可開采40余年，煤炭可開采200多年，天然氣可開采40年。大量燃燒煤、石油和天然氣等化石燃料所排放的有害物質(zhì)使大氣環(huán)境受到嚴重污染。能源和環(huán)境的雙重壓力，使得人類不得不開始尋找一些相對比較清潔的可再生能源，毫無疑問生物質(zhì)能是目前比較理想的選擇之一。17世紀末大規(guī)模使用煤以前，人類的主要能源是生物質(zhì)能。目前，生物質(zhì)能的利用仍然占世界總能耗的14%，是僅次于石油、煤炭和天然氣，位居第4位的能源。在發(fā)展中國家則更加突出，生物質(zhì)能的利用達到總能耗的35%[l]。但生物質(zhì)能利用總量還不到生物質(zhì)所能產(chǎn)生的總能量的1%，由此可見，生物質(zhì)能的開發(fā)利用前景十分廣闊。生物質(zhì)能除了數(shù)量巨大，還有其他許多優(yōu)點：(1)含硫量較小，燃燒產(chǎn)物相對比較清潔；(2)提供廉價能源（在一定的條件下）；(3)將有機物轉(zhuǎn)化為燃料可減少環(huán)境公害（例如垃圾燃料）。據(jù)有關專家估計，生物質(zhì)能將成為未來可持續(xù)能源系統(tǒng)中的重要組成部分，到21世紀中葉，采用新技術生產(chǎn)的備種生物質(zhì)替代燃料將占全球總能耗的40%以上。
2、生物質(zhì)能的開發(fā)利用
目前，世界上的生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)換途徑包括物理轉(zhuǎn)換、化學轉(zhuǎn)換和生物轉(zhuǎn)換三種。生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)換的技術主要有：生物質(zhì)固化、生物質(zhì)氣化、生物質(zhì)液化、生物質(zhì)熱解、生物質(zhì)發(fā)酵和生物質(zhì)直接燃燒等技術。
2.1 生物質(zhì)固化
將稻殼、木屑、花生殼、甘蔗渣等生物質(zhì)原料粉碎到一定粒度或者不加粉碎，不加粘接劑，在
秸稈壓塊機、
秸稈顆粒機等生物質(zhì)成型機械設備高壓條件下，利用機械擠壓成一定的形狀，這就是生物質(zhì)固化。
現(xiàn)有的生物質(zhì)成型技術按成型物的形狀主要可分為三大類：圓柱塊狀成型、棒狀成型和顆粒狀成型技術。如果把一定粒度和干燥到一定程度的煤按一定的比例與生物質(zhì)混合，加入少量的固硫劑，壓制成型就成為生物質(zhì)型煤，這是當前生物質(zhì)固化最有市場價值的技術之一。
生物質(zhì)固體燃料具有型煤和木柴的許多特點，可以在許多場合替代煤和木柴作為燃料。目前，生物質(zhì)固體燃料技術的研究在國內(nèi)外已經(jīng)達到較高的水平。許多發(fā)達國家對生物質(zhì)成型技術進行了深入的研究，產(chǎn)生了一系列的生物質(zhì)固化技術。日本、德國、土耳其等國研究用糖漿作為粘結(jié)劑，用鋸末和造紙廠廢紙與原煤按比例混合生產(chǎn)型煤，成為許多場合的替代燃料。另外，美國、英國、匈牙利等國用生物質(zhì)水解產(chǎn)物作為粘結(jié)劑生產(chǎn)型煤。國內(nèi)陳貴烽、曲思建等人對生物質(zhì)工業(yè)型煤的技術特點及型煤技術中存在的問題進行了探討，另外，清華大學、浙江大學、哈爾濱理工大學、煤炭研究院北京煤化學研究所等單位對生物質(zhì)的固化利用途徑進行了深入的研究，取得了一系列的成果。
生物質(zhì)型煤雖然在燃燒性能和環(huán)保節(jié)能上具有明顯的優(yōu)良特性，但它的致命缺點是壓塊機械磨損嚴重，配套設施復雜，使得一次性投資和成本都很高，目前還沒有顯著的經(jīng)濟優(yōu)勢。技術和經(jīng)濟因素阻礙了他的商業(yè)化發(fā)展應用，使得生物質(zhì)固化技術目前還處于實驗室研究和工業(yè)試生產(chǎn)階段，還沒有形成規(guī)模產(chǎn)業(yè)。以后的研究將主要集中在降低成本和提高固硫率上。
2.2生物質(zhì)氣化
生物質(zhì)氣化是指柴草、枝條、秸桿、廢木料等農(nóng)林廢棄物在高溫條件下與氣化劑（空氣、氧氣及水蒸氣）反應得到可燃氣體的過程。
伴隨著氣化過程，燃料會出現(xiàn)氧化、還原、干餾和干燥四個階段，其中氧化和還原是關鍵技術。氧化的份額太高就接近于燃燒，氧化的份額太低，反應溫度就偏低，只冒油煙和水蒸氣，氣化過程變?yōu)樘炕^程，不能得到氣體燃料。合理控制水蒸氣在空氣中的比例，就可以使氣化反應放熱超過重整反應中的吸熱，使氣化溫度維持在預定的水平下，并能得到較高熱值的氣體燃料。
國內(nèi)外最常用的氣化方法主要有：固定床氣化爐、流化床氣化爐、攜帶床氣化爐。目前，生物質(zhì)氣化技術的商業(yè)應用已經(jīng)成熟，市場潛力巨大，氣化煤氣的主要用途有以下幾個方面：(1)供熱、供暖；
(2)供氣；(3)烘干；(4)發(fā)電；(5)熱源。
國外對生物質(zhì)氣化技術的研究已有160多年的歷史，20世紀30、40年代的石油短缺使氣化技術的研究達到較大的規(guī)模，而20世紀70年代初的石油危機把氣化技術推到新的發(fā)展水平。目前，國外的氣化技術己達到很高的水平，氣化爐工藝流程復雜，自動化程度很高，氣化煤氣主要用于發(fā)電和供熱。
20世紀80年代以來，國內(nèi)的生物質(zhì)氣化技術得到了較快的發(fā)展，研究主要集中在適用于農(nóng)村、林區(qū)和偏遠地區(qū)的固定床氣化技術，以農(nóng)業(yè)和林產(chǎn)工業(yè)廢棄物為原料，面向工業(yè)企業(yè)的流化床氣化技術及生物質(zhì)氣化集中供氣技術。
生物質(zhì)氣化技術使生物質(zhì)能的利用效率提高了一倍，降低了CO，的排放，緩解了能源和環(huán)境兩方面的壓力，為世界的可持續(xù)發(fā)展提供了途徑。但是生物質(zhì)氣化技術的真正推廣還存在許多障礙，還有許多問題有待解決。例如：(1)氣化煤氣中的焦油消除問題，凈化除焦已經(jīng)成為制約生物質(zhì)氣化技術的主要因素；(2)生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的氣化煤氣總體來說成本還比較高，許多技術還處于試驗和試運行狀態(tài)，即使是應用比較成熟的氣化集中供氣系統(tǒng)也存在著運行成本偏高，設備折舊偏快的問題。
2.3 生物質(zhì)熱解技術
熱解是指生物質(zhì)在隔絕空氣或供給少量空氣的情況下，加熱分解成氣體、液體、固體產(chǎn)品的過程。熱解產(chǎn)物中各成分的比例可通過控制反應參數(shù)，如溫度、加熱速率、過程中活性氣體、固體停留時間等來加以控制。根據(jù)溫度、加熱速率、固體停留時間及固體粉碎程度等條件可把熱解分成慢速熱解、快速熱解和瞬時熱解（表1）。
常用的熱解設備主要有流化床、循環(huán)流化床、氣流床和自由落下床等。目前國內(nèi)外對這種熱解設備的研究主要集中在消除焦油上面。
利用生物質(zhì)熱解產(chǎn)生燃料不會增加空氣中CO，的含量，可利用各種農(nóng)林廢棄物為原料，減少環(huán)境污染。生物質(zhì)能源具有可再生性，能緩解能源緊張的矛盾，而且生物質(zhì)熱解產(chǎn)生的燃料與化石燃料相比相對比較清潔，熱解產(chǎn)物中S的含量遠小于化石燃料。通過生物質(zhì)熱解還能得到像焦炭、生物質(zhì)油、合成氣、甲醇和氫氣等原料，可滿足多種工業(yè)需求。
2.4生物質(zhì)液化
生物質(zhì)液化是指通過化學方法將生物質(zhì)轉(zhuǎn)換成液體產(chǎn)品的過程。液化可分為催化液化和超臨界液化。催化液化過程中，溶劑和催化劑的選擇是影響產(chǎn)物產(chǎn)率和質(zhì)量的重要因素。目前除了水之外，常用的溶劑還有苯酚、高沸點的雜環(huán)烴和芳香烴混合物。目前主要的超臨界水液化生物質(zhì)的研究包括：超臨界水液化纖維生物質(zhì)、超臨界水和超臨界甲醇液化木質(zhì)素生物質(zhì)等技術。
生物質(zhì)的液化產(chǎn)物常稱為生物質(zhì)油。生物質(zhì)油與傳統(tǒng)燃料相比具有含水量高、含氧量高、性質(zhì)較不穩(wěn)定等特點，使得其蒸餾加工過程中對溫度和不揮發(fā)性很敏感，因此對生物質(zhì)油的改良十分必要。目前對生物質(zhì)油的改良主要有以下途徑：(1)加氫處理；(2)分子篩處理；(3)產(chǎn)品的精制等。
生物質(zhì)液化是生物質(zhì)能源利用的一條有效途徑。目前對生物質(zhì)液化的研究工作已有了一定的基礎，但是生物質(zhì)油的產(chǎn)量和質(zhì)量還處于它的幼年時期，仍需要更多的理論與實踐的探索。例如對溶劑及催化劑技術還要進一步研究，以生產(chǎn)出高質(zhì)量的生物質(zhì)油。國外對生物質(zhì)液化的研究比較早，已面臨產(chǎn)業(yè)化、市場化，而我國由于技術積累比較薄弱，急需開展相關的研究。
2.5 生物質(zhì)的生物轉(zhuǎn)化技術——生物質(zhì)發(fā)酵技術
生物質(zhì)的生物轉(zhuǎn)化技術是指農(nóng)林廢棄物通過微生物的生物化學作用生成高品位氣體燃料或液體燃料的過程。目前主要的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化方式為厭氧發(fā)酵和乙醇發(fā)酵。
厭氧發(fā)酵是指有機物在厭氧細菌的作用下進行代謝以產(chǎn)生以甲烷為主的可燃氣體（沼氣）的過程。目前厭氧發(fā)酵主要分生物質(zhì)發(fā)酵制沼氣技術及垃圾填埋技術。人類最早使用沼氣是在西歐。但中國的沼氣事業(yè)發(fā)展速度最快，數(shù)量最多，并己成為世界沼氣大國。而國外發(fā)展中國家和發(fā)達國家都在加大沼氣的利用來緩解城鄉(xiāng)的能源及環(huán)境問題。美國最近正在研究新的發(fā)酵技術和新的微生物系統(tǒng)以提高沼氣的品質(zhì)。尋找新的發(fā)酵菌類是目前沼氣技術的研究方向。
乙醇發(fā)酵是指通過碳水化合物提取乙醇的過程。利用淀粉釀制乙醇，被認為是一種重要的潛在替代能源，可以用作交通運輸行業(yè)所需要的液體燃料。目前在發(fā)酵生物的種類方面進行著廣泛的研究。利用生物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)液體燃料乙醇的技術，主要分為糖和淀粉原料發(fā)酵生產(chǎn)乙醇及轉(zhuǎn)化纖維素生產(chǎn)乙醇。
纖維素發(fā)酵制取乙醇是制醇領域最令人矚目的技術，目前最主要的纖維素制乙醇方法有濃硫酸水解法、稀硫酸水解法、濃鹽酸水解法及酶水解法。稀硫酸水解法己達到工業(yè)化水平，酶水解法還處于大力研究中，而濃硫酸和濃鹽酸水解法已經(jīng)通過試驗研究。
2.6生物質(zhì)直接燃燒技術
生物質(zhì)直接燃燒是生物質(zhì)能最早被利用的傳統(tǒng)方法，就是在不進行化學轉(zhuǎn)化的情況下，將生物質(zhì)直接作為燃料燃燒轉(zhuǎn)換成能量的過程。燃燒過程所產(chǎn)生的能量主要用于發(fā)電或者供熱。生物質(zhì)直接作為燃料燃燒具有許多優(yōu)點：1)資源化，使生物質(zhì)真正成為能源，而不是產(chǎn)生能源產(chǎn)品替代物的原料；2)減量化，減少了生物質(zhì)利用后剩余物的量；3)無害化，直接燃燒生物質(zhì)不會造成環(huán)境問題，真正達到了能源利用的無害化。
據(jù)FAO(聯(lián)合國糧食農(nóng)業(yè)組織)統(tǒng)計，全世界有34個發(fā)展中國家的木質(zhì)燃料和木炭消耗量達到全國總能耗的70%以上，而且1999年全世界63%的木材收獲量用作木質(zhì)燃料，其中發(fā)達國家為30%，發(fā)展中國家是81%。我國農(nóng)村能源消耗的50%來源于生物質(zhì)能源，而其中主要是生物質(zhì)的直接燃燒，每年總量高達兩億多噸‘釘。由此可見，燃用生物質(zhì)燃料仍將是發(fā)展中國家的主要選擇。
生物質(zhì)直接燃燒主要分為生物質(zhì)作為農(nóng)用爐灶燃料直接燃燒和生物質(zhì)作為鍋爐燃料直接燃燒。
生物質(zhì)在農(nóng)用爐灶中燃燒的熱效率一般為10%～15%，在省柴爐灶中燃燒的熱效率為30%左右。生物質(zhì)作為鍋爐的燃料直接燃燒，其熱效率遠遠高于作為農(nóng)用爐灶燃料，甚至能接近化石燃料的水平。所以利用生物質(zhì)作為鍋爐直接燃料能大大地提高生物質(zhì)能的利用效率。生物質(zhì)燃料鍋爐的種類很多，按燃用生物質(zhì)的品種不同可分為：木材爐、顆粒燃料爐、薪柴爐、秸稈爐；按燃燒方式又可分為流化床鍋爐、層燃爐等。
生物質(zhì)作為鍋爐燃料與化石燃料（煤）相比具有許多差別（見表5），主要有：(1)生物質(zhì)含氫量稍多，揮發(fā)分明顯較多；(2)生物質(zhì)含碳量少，含固定碳更少；(3)生物質(zhì)含氧量多；(4)生物質(zhì)密度較��；(5)生物質(zhì)含硫量低。
劉建禹等人對生物質(zhì)燃料燃燒過程進行了深入的研究，得出以下結(jié)論：(1)生物質(zhì)燃料密度小，結(jié)構(gòu)松散，揮發(fā)分含量高，揮發(fā)分在250~350℃溫度下大部分析出；(2)揮發(fā)分析出后，疏松的焦炭會隨著氣流進入煙道，所以通風不能過強；(3)揮發(fā)分燃盡后，受到灰燼包裹的焦炭較難燃盡。所以生物質(zhì)燃料鍋爐的設計要結(jié)合生物質(zhì)燃燒的特點。
目前的生物質(zhì)燃料鍋爐主要是流化床鍋爐。因為流化床能很好地適應生物質(zhì)燃料揮發(fā)分析出迅速、固定碳難以燃盡的特點，并能克服固定床燃燒效
率低下的弊病，還具有燃料適應性好、負荷調(diào)節(jié)范圍大、操作簡單的優(yōu)點。
瑞典、丹麥、德國等發(fā)達國家在流化床燃用生物質(zhì)燃料技術方面具有較高的水平。國內(nèi)以生物質(zhì)為燃料的流化床鍋爐的應用也正在起步。哈爾濱工業(yè)大學、清華大學、華中理工大學、浙江大學等機構(gòu)也對流化床用生物質(zhì)燃料技術進行了一系列的研究。當然流化床鍋爐燃用生物質(zhì)燃料也存在一些缺點：1)鍋爐體形大，成本高；2)生物質(zhì)燃料的燃用需要經(jīng)過一系列的預處理(例如生物質(zhì)原料的烘干、粉碎等);3）飛灰含碳量高于爐灰的含碳量，并且隨著生物質(zhì)揮發(fā)分的大量析出，焦炭的燃盡較為困難；4)生物質(zhì)燃料蓄熱能力小，必須采用床料來保證爐內(nèi)溫度水平，造成爐膛磨損嚴重，也影響了灰渣的綜合利用。
鏈條爐屬層狀燃燒，生物質(zhì)燃料通過給料斗送到爐排上形成的料層疏密不均，從而形成布風不均勻，影響了生物質(zhì)的燃盡。所以國內(nèi)外對生物質(zhì)層燃爐的報道比較少。丹麥改造Benson型鍋爐來燃用生物質(zhì)燃料，取得了一定的效果。國內(nèi)也有一些鍋爐廠設計生產(chǎn)了燃用生物質(zhì)燃料的層燃爐，但熱效率偏低，出力不足，鍋爐本體大，所以很難推廣。
最近國內(nèi)研制出采用室燃與層燃相結(jié)合，燃用酒糟的鍋爐。該鍋爐物料從爐膛前上方噴入爐內(nèi)，下落過程中酒糟逐漸被加熱，大量揮發(fā)分開始析出，并在爐膛空間燃燒，，同時物料顆粒在下落過程中也開始燃燒，較難燃盡的固定碳落在爐排上繼續(xù)燃燒。燃燒速度快，燃燒效率高，負荷調(diào)節(jié)靈活方便。目前這項技術已經(jīng)推廣應用，五糧液酒廠已安裝了32臺蒸發(fā)量為4 t/h的燃酒糟鍋爐，日處理酒糟2000t，每年節(jié)省燃料費用達3000萬元，節(jié)能效果明顯，并且極大地減輕了環(huán)境污染。由于酒糟與棕櫚渣、椰子殼、稻殼等生物質(zhì)燃料具有相近的燃燒特性，這種技術有望得到大面積的推廣。
3、結(jié)論
以上對生物質(zhì)能利用的常用方法進行了簡單的介紹，從上面的介紹可知：固化、氣化、液化、熱解過程需要能量的投入，而且像熱解、液化過程需要投入的能量還比較大。固化、氣化、液化、熱解和發(fā)酵方式設備的成本比較高，而且這些方法并不能完全將生物質(zhì)中的有用成分轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。生物質(zhì)直接作為鍋爐燃料燃燒，生物質(zhì)能的利用效率很高，產(chǎn)生的能量可供發(fā)電、供熱來滿足各種需求，處理過程實現(xiàn)了減量化、資源化、無害化。所以如果能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟、安全、高效地直接燃燒生物質(zhì)燃料，毫無疑問將解決未來的能源問題，實現(xiàn)人類社會的可持續(xù)發(fā)展。
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顆粒機、
木屑顆粒機、秸稈顆粒機等生物質(zhì)固體燃料成型機械設備。
