木质生物能概况与前景展望

1能源分类及概况

1.1 能源分类

凡是能够间接或经过转换而获取某种形式能量载能体的自然资源统称为能源。在自然界里有一些自然资源本身就拥有某种形式的能量，其在一定条件下能够转换成人们所需要的能量形式，这种自然资源就是能源，如煤、石油、天然气、太阳能、风能、水能、地热能、核能等（一般称为一次能源）。但生产和生活过程中由于某种需要或便于运输和使用，常将一次能源经过一定加工转化，使之成为更符合使用要求的能量形式，如煤气、电力、焦炭、蒸汽、沼气、氢能等（一般称为二次能源）。而根据能源是否可以再生，又分为再生能源和非再生能源。能源分类见表 1～2。

1.2 能源概况

能源是经济和社会发展的重要物质基础，也是实现现代化及提高人民生活水平的重要保障。随着现代社会生产的不断发展，机械化、电气化、自动化程度的不断提高，对能源的需求量也越来越大。一般说来，一个国家的国民生产总值和它的能源消费量大致成正比。能源是主要动力来源，能源的消费量越大，产品的产量就越多，经济就越发展，整个社会就越富裕，人民的生活水平就越高。发达国家的人口总和约占世界人口的1/5，而能源消费量却占了世界能源总消费量的70％左右。1990 年以来，我国能源生产总量虽已位居世界前列，但由于人口重多，人均占有能源消费量只有发达国家的 5％～15％，而且在能源结构中还是以煤炭为主，致使环境污染问题严重，发达国家平均煤炭消费量只占能源总消费量的25％左右。近二三十年来，虽然我国能源开发利用发展很快，但无论是从生产到生活，还是从城市到农村，煤、油、电等能源仍然十分短缺。如何解决能源短缺问题，有两条出路可以选择：一是降低经济增长速度；二是加大能源开发力度、狠抓节约能源工作。近 10 余年来，我国国民生产总值（GDP）增长速度很快，但人均 GDP 仍然很低，如果过分降低经济增长速度，要在本世纪中叶达到中等发达国家水平的目标将难以实现。因此只有加大能源开发力度、提供足够的能源才能使我国经济得以持续发展。根据我国国情，最经济、最丰富的能源资源就是煤炭。因此，我国必须在增加煤炭生产的同时，狠抓节煤工作，提高其利用效率，加强环境治理与保护，决不能走发达国家先污染、后治理的老路。石油在我国能源构成比例中占20％，其是交通工具的主要动力能源，其中汽车是石油的最大用户。汽车发动机排放的气体是城市大气污染的主要来源。因此在狠抓节煤工作、提高其利用效率的同时，还必须狠抓节油工作，提高其燃烧效率，降低汽车尾气中的有害物排放量。根据世界能源发展新战略的规划，发达国家的人均能耗从1980年的 6.78t 标煤下降到 2020 年的 3.44t标煤，到2020 年能源总消费量将为 120 亿 t 标煤，只增加10％，而经济增长仍可达到 50％～100％。我国是低收入国家，但每万美元国民生产总值能耗为世界之首，为发达国家的 4～6 倍；产品能耗平均为发达国家的 2 倍，使用能源的设备效率要低10％～40％。因此，要使经济持续增长，在增加能源生产的同时，还必须提高能源利用率、节约能源及解决环境保护问题。

2木质生物质能源技术的发展

2.1生物质能源

生物质能是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而储存在生物质内部的能量。它的转换利用技术有热化学转化技术、生物化学转换技术、生物质压块成型技术及化学转换技术。目前我国生物质能源的发展还存在很多问题，主要表现在以下几个方面。

（1）各学科技术开发能力和产业发展不平衡；

（2）技术研发、设备制造能力有待提高；

（3）技术水平和生产能力与国外先进水平差距较大；

（4）生物质能源资源评价、技术标准、产品检测和认证等体系不完善；

（5）人才培养不能满足市场快速发展的要求；

（6）没有形成支撑产业发展的技术服务体系。工业大革命以后，煤、石油和天然气一直是人类能源的主角，然而对地球上现有矿物质能源的乐观估计也只能再用 100 年。根据世界能源权威机构 1999 年底的分析，世界已探明的主要矿物燃料储量和开采量不容乐观：石油剩余可采年限仅有 40 年，其年消耗量占世界能源总消耗量的40.5%；天然气剩余可采年限为61.9年，其年消耗量占世界能源总消耗量的 24.1%；煤炭剩余可采年限为 230 年，其年消耗量占世界能源总消耗量的 25.2%；铀剩余可采年限为 73 年，其年消耗量占世界能源总消耗量的7.6%。

按目前的消耗估算，本世纪下半叶，人类不但将面临严峻的能源危机，而且还将面临过度使用矿物质能源而造成的生态环境危机。与矿物质能源相比，生物质能源一直是人类赖以生存的重要能源，它是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第四位的能源，在整个能源系统中占有重要地位。生物质能源具有以下特点：①可再生性，且产量大；②可储藏性和可替代性；③资源丰富；④二氧化碳零排放，生物质能源燃料燃烧所释放出的二氧化碳大体上相当于其生长时通过光合作用所吸收的二氧化碳，所以应用生物质能源时二氧化碳的排放可认为是零。我国是最大的发展中国家，同时又是一个人口大国，能源短缺及利用水平低是阻碍国家经济和社会发展的瓶颈之一。我国石油资源相对不足，如果继续增加煤炭用量将加剧环境污染，21 世纪将面临经济增长和环境保护的双重压力。从能源长远发展战略高度来审视，寻求一条可持续发展的能源道路、大力利用新能源和可再生（新）能源以减少对环境污染，加快新能源对传统能源的新旧更替，已成为我国近期急需解决的重大问题。改变能源生产和消费方式，开发利用生物质能等可再生的清洁能源资源，对建立可持续的能源系统，促进国民经济发展和环境保护都具有重大意义。我国陆地林木生物质资源总量在 180 亿 t 以上，可用于生产生物质能源的主要是薪炭林、林业废弃物和平茬灌木等。林业生物质能资源在我国农村能源中占有重要地位，我国农村消耗的林业生物质能资源约占农村能源总消费量的 20%。在山区和林区，农民 50%以上的生活用能依靠林业资源。目前我国的生物质能源利用率很低，生物质能源综合利用效率仅为 16%，薪柴超伐量达 54%，秸秆直接燃烧用量占 60%。生物质能源的不合理消耗，加剧了农业生态平衡的失调。木材是生物能源的主体，是最古老的能源物质，与化石能源相比，其是一种可再生能源；与秸秆相比，其能量密度高，种类丰富，一次栽种多年受益，是实现大规模能源化的理想生物质资源。但长期以来我国对木质生物质能源的利用方式一直是以直接燃烧为主，只是近年来才开始采用新技术加以利用，但规模小，普及程度较低，在农村乃至国家的能源结构中只占有极小的比例。

2.2生物质能源应用技术

人类对木质生物质能源的利用已有悠久的历史，但多是以直接燃烧的方式来利用它的能量，直到 20 世纪，特别是近 20 年来，木质生物质能源的研究和应用才有了快速的发展。目前国内外已有的木质生物质能源利用技术主要有以下几方面。

（1）燃烧木质燃料：通过直接燃烧木质生物质而获得热能是目前木质生物质能源利用的最主要方式，木质燃料主要包括薪材和木质压缩成型燃料。木质压缩成型燃料是以木屑、树皮等林业剩余物为原料，在加压（49～196MPa）、加热条件下，压缩成棒状、颗粒状且质地坚实的成型物体，可作为工业锅炉、民用灶炉以及工厂和家庭取暖的燃料，也可以进一步加工成木炭和活性炭。

（2）气化：气化是指木质生物质在高温条件下，与气化剂（空气、氧气和水蒸气）反应后得到的小分子可燃气体的过程。目前使用最广泛的是以空气为气化剂，产生的气体主要作为燃料用于锅炉、民用炉灶发电等场合，也可以作为合成甲醇的化工原料。

（3）液化：液化是指采用化学方法将木质生物质转换成液体产品的过程。液化技术主要分间接液化和直接液化两种。间接液化就是把木质生物质气化成气体后，再进一步合成为液体产品；或者采用水解法，把木质生物质中的纤维素、半纤维素转化为多糖，然后通过生物技术将其发酵成乙醇。直接液化是把木质生物质放在高压设备中，添加适宜的催化剂，在一定的工艺条件下反应制成液化油，作为汽车用燃料或进一步分离加工成化工产品。

（4）热解：木质生物质在隔绝或少量供给氧气的条件下，加热分解的过程称为热解。热解过程所得产物主要有气体、液体和固体，其比例根据不同的工艺条件而不同。

3我国木质生物质能源的发展及应用

（1）薪炭林：薪炭林是以生产木材燃料（薪材）为主要目的的树种，在我国有悠久的经营利用历史。我国从1981年开始实施薪炭林工程，截至到 2000 年，已营造551.3万 m2，生物质获得量达 2000 万 t/a，相当于 1143.2万t 标准煤。长期以来，我国的广大农村一直以木质燃料作为廉价燃料，营造薪炭林已成为解决我国农村能源问题的有效途径。

（2）木质压缩成型燃料：我国木质压缩成型燃料研发工作起步较晚，但现在已达工业化生产规模。1990 年中国林科院林化所与东海粮食机械厂合作，完成了国家“七五”攻关项目———木质棒状成型机的研发工作，并建立了 1000t 级的棒状成型燃料生产线，而且还出口到马来西亚、埃塞俄比亚、印度尼西亚等国家。1998 年林化所又与江苏正昌粮机集团公司合作，研发了内压滚筒式颗粒成型机，其生产能力为 250～300kg/h，生产的颗粒成型燃料特别适用于家庭或暖房取暖使用。南京市平亚取暖器材有限公司从美国引进了适用于家庭使用的取暖炉技术，通过消化吸收，现已形成了工业化生产。此外，还从美国引进了一套生产能力为1.5t/h的颗粒成型燃料生产线，1999年开始正式生产，目前运行情况良好。

（3）气化发电：经过十几年的研究、试验、示范，生物质气化技术已基本成熟。木质生物质气化主要分为两种工艺类型，一是中国林科院林化所研究开发的以林业生产剩余物为原料的上吸式气化炉，其气化效率达 70%以上，最大生产能力达 6.3×106kJ/h（消耗木片量为300kg/h），产生的水煤气用于集中供热和居民家庭使用；二是循环流化床气化炉，其气化效率达 75%，最大输出功率约 2900MW，该系统主要是处理木材加工的废弃物（如木粉等）为工厂内燃机发电提供燃料。

（4）林业生物乙醇：生物乙醇是近年最受关注的石油替代燃料之一。目前粮食淀粉的生物乙醇已基本实现规模化生产，但成本较高。纤维素生物质作为生产燃料乙醇的原料丰富而廉价，利用木质纤维制取燃料乙醇是解决原料来源和降低成本的主要途径。“八五”期间，我国开始利用纤维素废弃物制取乙醇燃料技术的探索和研究，主要研究纤维素废弃物的稀酸水解及其发酵技术，并在“九五”期间进入中间试验阶段；“十五”期间又开展了用木屑为原料稀盐酸水解制备酒精、水解木质素制备高吸收能活性炭的研究。南京林业大学从 20 世纪 80 年代中期开始对植物纤维生物转化制取乙醇的基础理论和应用开发进行了系统研究。随后，我国开展了生物质原料的高压蒸汽爆破预处理技术、纤维素酶制备技术、大规模酶降解技术、戊糖己糖同步发酵技术、微生物细胞固定技术、在线杂菌防治技术以及副产品木质素的深加工利用技术等项研究工作，目前这些技术仍处于研发阶段。

（5）热解：我国从 20 世纪 50～60 年代就开始进行木材热解技术的研究工作。中国林科院林化所在北京光华木材厂建立了一套生产能力为 500kg/h 的木屑热解工业化生产装置，在安徽芜湖木材厂建立了年处理能力达万吨以上的木材固定床热解系统。黑龙江铁力木材干馏厂曾从前苏联引进了一套年处理木材10 万 t的大型木材热解设备。但以木材为原料来制取化工产品的生产成本高，难以与石化产品竞争，因此研究工作转向以热解产品的深加工开发，如活性炭、木醋液等应用研究领域。国内在快速热解制取液化油的研究开发方面尚未见报道。总之，我国在生物质能源转换技术的研究开发方面做了许多工作，取得了明显进步，但与发达国家相比仍然差距甚远。

4前景与展望

我国生物质能源消耗的比例一直比较大 （约15%），特别是在农村（约 30%以上），而生物质利用技术水平较低，开发新型能源的成本较高，因此限制了该项技术设备的推广应用。未来我国木质生物质利用技术主要应在能源树种开发、木质生物质气化、液化和直接燃烧技术上实现突破。2005－2020 年为我国木质生物质能源技术的开发和发展阶段，部分技术已进入到商业应用阶段。2020－2050 年，随着生物质能源技术的成熟和生物质能源体系的完善，木质生物质也将成为主要的能源进入到商业化示范和全面推广阶段。因此，木质生物质能源技术大有可为，值得我们深入探索研究。