摘要：生物質(zhì)能源是可再生能源的一個重要組成部分，開發(fā)利用生物質(zhì)能源對世界能源的發(fā)展具有重要意義。論述了生物質(zhì)能源的利用現(xiàn)狀和轉(zhuǎn)化利用技術(shù)，介紹了國內(nèi)外生物質(zhì)能源開發(fā)利用的研究進(jìn)展，并分析了生物質(zhì)能源技術(shù)的發(fā)展趨勢和面臨的問題。
隨著社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人類對能源的需求趨勢也隨之改變。生物質(zhì)能源因其具有資源豐富、可再生、低污染等優(yōu)點，使得其在人類生活和社會活動中的價值不斷提高。據(jù)報道，生物質(zhì)能已上升為僅次于化石能源煤、石油和天然氣之后的第4位能源，占世界一次能源消耗的14%[1]。與傳統(tǒng)的直接燃燒方式相比，現(xiàn)代生物質(zhì)能源的利用更多的是借助熱化學(xué)、生物化學(xué)等手段，通過一系列先進(jìn)的轉(zhuǎn)換技術(shù)，生產(chǎn)出固、液、氣等高品位能源來代替化石燃料，為人類生產(chǎn)、生活提供電力、交通燃料、熱能、燃?xì)獾冉K端能源產(chǎn)品[2]。目前，生物質(zhì)能作為一種可再生的低碳能源，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Αａ槍ΜF(xiàn)代生物質(zhì)能源利用技術(shù)的開發(fā)和研究，對替代或部分替代化石能源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)再生資源的合理利用及人類社會的可持續(xù)發(fā)展意義重大。
1.1資源現(xiàn)狀 目前，全球每年形成的生物質(zhì)達(dá)1800億t，相當(dāng)于3×1022J的能量，為全球?qū)嶋H能源消費(fèi)的10倍。在理想狀態(tài)下，地球上的生物質(zhì)潛力可達(dá)到實際能源消費(fèi)的180～200倍[3]。我國的生物質(zhì)資源，主要來自農(nóng)林產(chǎn)業(yè)，可分為薪柴、秸稈、糞便、城市生活垃圾、海洋生物及污水和污油等。其中，薪柴秸稈因其熱值高、產(chǎn)量大等優(yōu)點，占到生物質(zhì)資源利用的94%[4－5]，成為主要的可再生能源。在我國，秸稈的年產(chǎn)出量已超過7億t，但僅有30%左右作為造紙工業(yè)、建筑業(yè)及手工業(yè)的原料使用，其余均被焚燒或廢棄處理。剩余秸稈的隨意棄置不僅造成環(huán)境污染、能源浪費(fèi)，甚至帶來其他社會經(jīng)濟(jì)損失[6]。因此，根據(jù)我國現(xiàn)存的生物質(zhì)能源狀況及技術(shù)水平，生物質(zhì)資源的開發(fā)應(yīng)主要以利用農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)中所產(chǎn)出的有機(jī)廢棄物為主。此外，世界范圍內(nèi)，美國、巴西等多個國家還開展了有關(guān)能源植物的培育種植工作，為生產(chǎn)和開發(fā)相應(yīng)的能源產(chǎn)品進(jìn)行相關(guān)研究。
1.2生物質(zhì)能源的主要利用途徑 在生物質(zhì)能開發(fā)利用過程中，根據(jù)不同的生產(chǎn)工藝，可形成不同類型的終端產(chǎn)品(主要是多類型的能源燃料)，用于提供電能、熱能和交通能源等能量。目前，技術(shù)成熟且綜合效益較高的利用方式主要有厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣、燃料乙醇、生物質(zhì)氣化發(fā)電和秸稈固化成型等。此外，除進(jìn)行發(fā)電、供氣及生產(chǎn)能源燃料的生物質(zhì)資源化利用以外，具有多功能性的生物質(zhì)原料如秸稈，還可作為飼料、肥料、生物機(jī)制和工業(yè)原料等進(jìn)行綜合開發(fā)利用。
生物質(zhì)種類繁多，具有多樣性與復(fù)雜性，因此，生物質(zhì)能的利用技術(shù)相比于化石燃料等其他能源來說更為復(fù)雜多樣。隨著技術(shù)開發(fā)和研究領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，生物質(zhì)的利用不再局限于簡單的燃燒手段，而是基于現(xiàn)代技術(shù)的進(jìn)一步高效利用。如今，生物質(zhì)能的系統(tǒng)利用技術(shù)較為成熟，轉(zhuǎn)化利用手段主要分為直接燃燒技術(shù)、熱化學(xué)轉(zhuǎn)化和生物化學(xué)轉(zhuǎn)化。目前生物質(zhì)能源的利用技術(shù)主要集中在經(jīng)不同轉(zhuǎn)化途徑的生物質(zhì)固化、生物質(zhì)氣化和液化技術(shù)的研究開發(fā)上。
2.1固化成型技術(shù) 固化成型技術(shù)是指以無定形的生物質(zhì)(如木材屑末下腳料、植物莊稼秸稈、各種糠渣谷殼等)為原料，經(jīng)過一定的溫度和機(jī)械壓力作用下，利用固化成型設(shè)備擠壓制成顆粒型、棒型、塊型等燃料，便于集中利用，從而改善生物質(zhì)原有性能，提高熱效率。該類技術(shù)即可用于城鄉(xiāng)居民生活炊事用能，又可用于農(nóng)業(yè)產(chǎn)生燃料，進(jìn)一步脫煙碳化后可制成清潔炭，達(dá)到高效、清潔、CO2低排放的效果，是一種簡單可行的生物質(zhì)能源生產(chǎn)技術(shù)。生物質(zhì)固化成型技術(shù)發(fā)展至今，已經(jīng)開發(fā)了許多種成型工藝和成型機(jī)械，但作為生產(chǎn)燃料，主要是干燥物料的常溫成型與熱成型[7]。
生物質(zhì)固化成型需要進(jìn)行一定的預(yù)處理過程，并且在原料的種類、粒度、含水率及成型溫度都有一定要求。在固化成型后，為了進(jìn)一步提高生物質(zhì)成型燃料的使用價值，可進(jìn)行碳化，形成木炭。
生物質(zhì)固化成型的工藝流程為:原料→預(yù)處理(粉碎)→干燥→成型→碳化→木炭。
自20世紀(jì)90年代以來，歐美、亞洲等一些國家開始將生物質(zhì)固化成型燃料大量應(yīng)用在生活領(lǐng)域。瑞典利用林業(yè)廢棄物如樹皮、樹枝、木屑以及能源作物等生產(chǎn)固體成型燃料已經(jīng)發(fā)展的相當(dāng)成熟，形成了從原料種植、收集、到顆粒(或切片)生產(chǎn)再到配套應(yīng)用和服務(wù)體系一個完整的產(chǎn)業(yè)鏈條[8]。日本對從國外引進(jìn)的固化成型技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，研制出棒狀燃料成型機(jī)和相關(guān)的燃料設(shè)備，發(fā)展成日本壓縮成型燃料工業(yè)體系。
近年來，我國圍繞生物質(zhì)固化成型技術(shù)的研究和設(shè)備的開發(fā)不斷深入，取得了一定的研究進(jìn)展。吳云玉等通過建立生物質(zhì)固化成型的微觀接觸幾何模型推導(dǎo)獲取了壓輥壓力與生物質(zhì)顆粒表面斜角直接的數(shù)學(xué)關(guān)系，并建立了生物質(zhì)固化成型的分子電化學(xué)微觀機(jī)理，說明了固化成型燃料燃燒點低的原因[9]。陳曉青等通過試驗研究了生物質(zhì)熱壓成型制品表面裂紋形成的影響因素，結(jié)果表明，裂紋的形成與力學(xué)、原料的微觀組織及環(huán)境介質(zhì)(含水率或溫度等)均有關(guān)擠壓中材料屈服強(qiáng)度后的塑性流動過程產(chǎn)生的剪應(yīng)力是裂紋形成的根本原因[10]。侯振東等以玉米秸稈為原料，研究了秸稈固化成型工藝中成型壓力、溫度及含水率對成型塊品質(zhì)的影響，選取成型壓力為60～90MPa，加熱溫度為75～100℃，物料含水率在8%～12%的工藝條件，生產(chǎn)出性能優(yōu)良便于儲運(yùn)的成型塊[11]。生物質(zhì)固化成型技術(shù)應(yīng)用范圍廣，但作為能源轉(zhuǎn)化的途徑，目前仍有一些關(guān)鍵技術(shù)問題難以解決，如物料壓縮時螺桿的使用壽命、成型燃料的密度及碳化技術(shù)等。
2.2生物化學(xué)加工利用技術(shù) 隨著一次能源的大量消耗及儲量的日趨減少，生物化學(xué)加工利用技術(shù)作為新型的生物質(zhì)能燃料成為熱門的研究領(lǐng)域，受到人們廣泛關(guān)注。生物質(zhì)在微生物的發(fā)酵作用下，生成的沼氣、酒精等能源產(chǎn)品的研究逐步深入。
2.2.1生物質(zhì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣。生物質(zhì)厭氧發(fā)酵是生物質(zhì)在厭氧條件下，以動物糞便、秸稈、有機(jī)廢水等為原料，通過厭氧細(xì)菌的代謝作用產(chǎn)生CH4和CO2等混合可燃?xì)怏w(沼氣)的過程。目前，生物質(zhì)厭氧發(fā)酵技術(shù)已經(jīng)比較成熟，初步實現(xiàn)了商業(yè)化，開始面向規(guī)?；瘧?yīng)用發(fā)展。沼氣池技術(shù)主要發(fā)展于20世紀(jì)80年代以前，我國農(nóng)村地區(qū)普遍以秸稈和畜禽糞便進(jìn)行厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生沼氣用于生活炊事燃料。80年代后大型的沼氣工程相繼出現(xiàn)，農(nóng)戶型以沼氣技術(shù)為紐帶的畜禽、沼氣、果蔬三位一體的生態(tài)園模式成為生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展重點，產(chǎn)業(yè)化力度大大加強(qiáng)。
厭氧發(fā)酵可分為干式厭氧發(fā)酵和濕式厭氧發(fā)酵。相比于濕發(fā)酵，干發(fā)酵技術(shù)具有節(jié)約發(fā)酵用水、節(jié)省管理沼氣池所需工時、池容產(chǎn)氣率較高等優(yōu)點[12]，成為秸稈類生物質(zhì)進(jìn)行資源化利用的主要途徑。目前對厭氧發(fā)酵技術(shù)的研究主要集中在規(guī)模的擴(kuò)大化及厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量的提高上。
在對生物質(zhì)秸稈進(jìn)行厭氧發(fā)酵過程中，由于其中含有木質(zhì)素與纖維素和半纖維素混雜交聯(lián)，使纖維素及其他易分解物質(zhì)難以被微生物分解，降低了產(chǎn)氣量，因此，秸稈厭氧發(fā)酵的預(yù)處理也是研究的一個重要內(nèi)容。楊玉楠等進(jìn)行了利用白腐菌對秸稈生物預(yù)處理后發(fā)酵產(chǎn)甲烷試驗[13]，結(jié)果表明，與發(fā)酵時間在45～90d，轉(zhuǎn)化率在50%左右的傳統(tǒng)秸稈厭氧發(fā)酵相比，經(jīng)過白腐菌室溫下20d預(yù)處理后的秸稈，發(fā)酵15d甲烷產(chǎn)量已相對穩(wěn)定，轉(zhuǎn)化率達(dá)到47.63%，繼續(xù)發(fā)酵至30d后，甲烷轉(zhuǎn)化率達(dá)到58.78%，大大縮短了發(fā)酵周期，提高了甲烷轉(zhuǎn)化率。孫辰等采用6%的NaOH對稻草秸稈進(jìn)行化學(xué)預(yù)處理，研究了其在厭氧發(fā)酵過程中厭氧消化效率、產(chǎn)氣量及COD的去除情況[14]。結(jié)果表明，與未經(jīng)NaOH預(yù)處理相比，經(jīng)過NaOH化學(xué)預(yù)處理后的稻草秸稈在厭氧消化效率和產(chǎn)氣量上有了顯著提高，最大日產(chǎn)氣量、總產(chǎn)氣量及COD去除率分別提高了61.34%、55.23%、48.72%。目前基于厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的機(jī)理研究，工藝優(yōu)化及反應(yīng)器制備的研究已相當(dāng)廣泛，但我國現(xiàn)有厭氧發(fā)酵技術(shù)水平與國外相比有較大差距，推行大規(guī)模實際應(yīng)用的條件還尚未成熟，主要存在包括系統(tǒng)運(yùn)行和自動化水平低，厭氧發(fā)酵相配套的技術(shù)和設(shè)備不健全等問題。
2.2.2乙醇發(fā)酵。乙醇發(fā)酵是以糖類(甘蔗、甜菜等)、淀粉(玉米、谷類等)、木質(zhì)纖維(秸稈、蔗渣等)等生物質(zhì)為原料，利用微生物發(fā)酵制成生物燃料乙醇。燃料乙醇可根據(jù)乙醇添加比例的高低分為替代燃料和燃料添加劑兩種類型。其中燃料酒精作添加劑可起到增氧和抗爆的作用，以替代有致癌作用的甲基叔丁醚[15]。目前利用糖類和淀粉為原料制備燃料乙醇的成熟技術(shù)工藝在一些國家已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，自20世紀(jì)70年代中期的石油危機(jī)以來，以美國和巴西為主的一些國家開始積極推行生物乙醇發(fā)展計劃，尤其是21世紀(jì)以來，全球生物乙醇產(chǎn)量迅速擴(kuò)張[16]。全球可再生燃料聯(lián)盟和F.O.Licht在2月14日聯(lián)合發(fā)布的全球年度乙醇產(chǎn)量預(yù)測報告中指出，2011年全球乙醇產(chǎn)量預(yù)計會達(dá)到887億L，在全球范圍內(nèi)每天滿足更多的替代原油的需求。根據(jù)預(yù)測顯示，2011年全球乙醇產(chǎn)量增幅超過3%，高于2010年858億升的產(chǎn)量數(shù)據(jù)。當(dāng)前全球乙醇產(chǎn)量已超過5.5億桶/年。美國作為世界上最大的生物燃料乙醇生產(chǎn)國和使用國，其燃料乙醇生產(chǎn)量占世界乙醇燃料總量的一半以上。
加拿大用木質(zhì)原料生產(chǎn)的乙醇產(chǎn)量為17萬t。比利時每年用甘蔗為原料，制取乙醇量達(dá)3.2萬t以上[17]。但受到生產(chǎn)乙醇所需的玉米、小麥等經(jīng)濟(jì)作物價格的影響，各國乙醇燃料產(chǎn)量增長較為緩慢。由于生產(chǎn)玉米乙醇是以糧食作物為原料，須占用大量耕地，這與國家的糧食安全存在矛盾，不可能進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，且從燃料生產(chǎn)成本的角度出發(fā)，并不具有經(jīng)濟(jì)意義。近年來，由糧食作物向非糧作物的生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)向開始興起，美國及歐洲等國家進(jìn)行大量投入開展以纖維素和木質(zhì)素等為原料的生產(chǎn)技術(shù)路線和工業(yè)實踐。因此，開發(fā)利用秸稈等農(nóng)林廢棄植物纖維作為原料，并以工業(yè)微生物取代酵母的現(xiàn)代生物燃料乙醇生產(chǎn)將成為今后產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然之路。
根據(jù)當(dāng)前國情要求，我國的燃料乙醇生產(chǎn)逐步走向“非糧化”的發(fā)展道路，燃料乙醇產(chǎn)量呈幾何級數(shù)增長。目前，國內(nèi)最大的燃料乙醇生產(chǎn)商中糧集團(tuán)啟動建設(shè)的年產(chǎn)500t的纖維素乙醇試驗裝置，纖維素轉(zhuǎn)化率超過了90%、半纖維素轉(zhuǎn)化率超過95%、糖轉(zhuǎn)化率超過85%等，其多項關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)在行業(yè)內(nèi)均處于領(lǐng)先地位，已接近國際先進(jìn)水平。國內(nèi)研究者主要是開展針對木質(zhì)纖維素乙醇發(fā)酵的試驗研究。路鵬等提出了減少預(yù)處理發(fā)酵抑制物和綜合利用混合糖類進(jìn)行發(fā)酵的兩大關(guān)鍵點，并采用改變預(yù)處理方法，提高發(fā)酵菌種對混合糖底物的利用能力和產(chǎn)乙酸能力，來提高乙酸的轉(zhuǎn)化率[18]。丁文武等采用硅橡膠膜滲透汽化分離與酵母細(xì)胞固定床耦合構(gòu)成的連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)，實現(xiàn)酵母細(xì)菌固定化與產(chǎn)物乙醇的原位連續(xù)分離，提高了乙醇發(fā)酵密度，減少了產(chǎn)物的抑制作用[19]。
2.3熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù) 熱化學(xué)轉(zhuǎn)化是生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)中的一類重要的能源利用手段。通常采用高溫分解、碳化、氣化等熱加工工藝，主要以木質(zhì)素(木材、稻殼)和纖維素(農(nóng)作物秸稈)為原料，獲得焦油、木炭、低熱值可燃?xì)獾雀咂肺荒茉串a(chǎn)品。
2.3.1熱解氣化。生物質(zhì)的熱解氣化技術(shù)主要利用秸稈、鋸沫等農(nóng)林廢棄物，在氣化反應(yīng)器中高溫缺氧條件下，發(fā)生熱解氣化反應(yīng)，生成含一氧化碳、氫氣和低分子烴類的可燃?xì)怏w。生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)一般以空氣、氧氣、水蒸汽等作為氣化介質(zhì)。氣化爐為生物質(zhì)熱解氣化的主要工作設(shè)備。
目前國內(nèi)應(yīng)用的生物質(zhì)氣化爐主要有流化床和下吸式固化床兩種類型?？筛鶕?jù)氣化方式、氣化介質(zhì)和條件的不同，獲得不同熱值的生物質(zhì)燃?xì)?，從而調(diào)整燃?xì)庵蠧O、CO2、H2的比例，應(yīng)用于供熱、供氣、發(fā)電、合成液體燃料及制氫等不同場合。我國的生物質(zhì)氣化技術(shù)主要是應(yīng)用于集中供氣以及中小型氣化發(fā)電領(lǐng)域，還有部分用于工業(yè)鍋爐供熱。
國內(nèi)外針對生物質(zhì)氣化熱解機(jī)理開展的研究中發(fā)現(xiàn)，由于生物質(zhì)主要是由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，它們在生物質(zhì)中緊密結(jié)合成一個有機(jī)整體，因此，其熱解行為被認(rèn)為是這三種主要組分熱解的綜合作用。Raveendran利用熱重分析儀和填充床熱解反應(yīng)器對14種生物質(zhì)原料及幾種主要成分的熱解特征進(jìn)行了研究，研究表明，生物質(zhì)的熱解在不同溫度區(qū)間下的主要分解物質(zhì)不同[20]。一般來說，在溫度較低時(＜300℃)，生物質(zhì)中易分解的結(jié)構(gòu)單元開始熱解，一些較為復(fù)雜的化合物(長鏈脂肪烴或帶側(cè)鏈的芳烴)發(fā)生裂解反應(yīng)，生產(chǎn)較簡單的化合物(甲醛和苯)[21]，大部分的無機(jī)氣體及烴類氣體由含氧官能團(tuán)及側(cè)鏈上的脂肪烴分解而成[22]，此階段半纖維素的分解占主導(dǎo)地位。當(dāng)溫度達(dá)到300～500℃時，生物質(zhì)中的較大結(jié)構(gòu)單元發(fā)生熱解，生物質(zhì)焦油產(chǎn)生，纖維素成為主要的熱解對象。
此時纖維素聚合度快速降低，并與低溫炭化反應(yīng)形成競爭過程。當(dāng)纖維素聚合度降到200時，致使纖維素內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破裂，解聚反應(yīng)同時存在，伴隨生成一些氣態(tài)小分子產(chǎn)物。而CO則通過半纖維素產(chǎn)生的揮發(fā)組分中的不穩(wěn)定的羰基斷裂生成，在很大程度上，CO的生成是源于揮發(fā)組分的二次裂解。這段時間里木質(zhì)素的熱解速度很快，失重達(dá)50%以上，主要生成片狀焦炭。當(dāng)溫度繼續(xù)升高到500～700℃時，木質(zhì)素?zé)峤夤腆w產(chǎn)物的產(chǎn)率下降，液體產(chǎn)物隨溫度升高產(chǎn)率提高，甲醇、乙醛和低分子碳?xì)浠衔锏瓤蓳]發(fā)組分大量析出。很多研究者認(rèn)為，生物質(zhì)熱解行為可以看作纖維素、半纖維素和木質(zhì)素獨(dú)立熱解的線性疊加[23]。
自20世紀(jì)70年代以來，國外尤其是發(fā)達(dá)國家的科研人員在相關(guān)領(lǐng)域做了大量研究工作。Gahly等首次提出了將氣化技術(shù)應(yīng)用于能量密度較低的生物質(zhì)燃料上，生物質(zhì)氣化研究開始逐步活躍起來[24]。Alexis等設(shè)計了利用木材氣化生產(chǎn)合成天然氣的工藝流程，研究表明，該工藝可以通過甲烷化反應(yīng)將木材轉(zhuǎn)化為熱效率達(dá)57.9%低熱值基礎(chǔ)上的管道質(zhì)量甲烷[25]。此外，美國、瑞典、德國、意大利等國家在生物質(zhì)氣化技術(shù)領(lǐng)域已具有備了領(lǐng)先水平。發(fā)達(dá)國家在生物質(zhì)發(fā)電、生物質(zhì)氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)方面，達(dá)到了4～63MW規(guī)模水平，發(fā)電效率達(dá)到35%～40%以上[26]。美國現(xiàn)有生物質(zhì)發(fā)電站350多座，主要采用木材廢棄物、城市固體廢棄物和其他廢棄物作為生物質(zhì)發(fā)電所用原料。生物質(zhì)發(fā)電的總裝機(jī)容量超過1000萬kW。目前，生物質(zhì)動力工業(yè)已成為美國僅次于水電的第二大可再生能源。
近年來，該領(lǐng)域的研究方向正逐步拓寬，其中生物質(zhì)燃?xì)饨褂土呀狻⑸镏茪?、生物質(zhì)合成氣制備等技術(shù)成為研究重點之一，我國的研究者也開展了大量試驗研究。孫云娟等以木屑為原料，研究了不同產(chǎn)地白云石催化作用下的焦油裂解過程，分析了裂解溫度、催化類型和反應(yīng)停留時間等對焦油轉(zhuǎn)化效果和熱解可燃?xì)獾挠绊?sup>[27]。結(jié)果表明，裂解溫度越高，停留時間越長時焦油的裂解效果越好，且不同催化劑的裂解效果有明顯差異，白云石煅燒處理后的比表面積是決定裂解效果優(yōu)劣的最重要因素。王鐵軍等就采用空氣－水蒸汽氣化生物質(zhì)制備富氫燃?xì)猓Y(jié)合沼氣重整富氫燃?xì)獾墓に囘^程，調(diào)整合成氣化學(xué)當(dāng)量比，并以制備的生物氣合成氣一步合成二甲醚，且二甲醚的最大產(chǎn)量為0.244kg/kg(DME/生物質(zhì))[28]。
同時，國內(nèi)的一些研究機(jī)構(gòu)和高校等還開展了生物質(zhì)氣化合成液體燃料等技術(shù)方面的研究工作，并取得了一定成果。如山東科技大學(xué)成功研發(fā)了垃圾分級熱解氣化技術(shù)，讓城市生活垃圾在還原性氣氛下發(fā)生反應(yīng)，避免二噁英的生產(chǎn)，很好地解決了二次污染問題，運(yùn)行過程中所生成的氣體含有大量甲烷、一氧化碳和氫氣等可燃?xì)猓捎糜诠I(yè)燃?xì)狻?/p>
2.3.2生物質(zhì)液化制油。在生物質(zhì)作為含能物質(zhì)利用的過程中，由于固體生物質(zhì)結(jié)構(gòu)松散，能量密度低，直接燃燒的產(chǎn)能方式不易流通和儲存利用。而通過熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過程，可將生物質(zhì)最大限度的轉(zhuǎn)化為能量密度高的液體燃料，使附加值大大提高，便于存儲運(yùn)輸。不同的生物質(zhì)原料制備出的生物質(zhì)液化產(chǎn)品不同，制備的液體燃料產(chǎn)品主要有生物油、生物柴油、乙醇和二甲醚等，可以替代石油能源產(chǎn)品，成為車用替代燃料。
固體生物質(zhì)制取生物油的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化方法一般有直接液化和間接液化兩種。直接液化包括高壓液化和快速熱解液化，而間接液化則是先將生物質(zhì)熱解氣化，再將生成的氣體精制合成燃料油。直接液化產(chǎn)品主要是生物原油，還包含一些氣體和固體殘留物。由于生物油與石油相比在分子質(zhì)量和化學(xué)組分等理化性質(zhì)上有很大不同，除含有除碳、氫元素外，還含有35%～48%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氧元素。在液化過程中由于氧元素性質(zhì)活潑，生成的生物原油往往含有酸、醛、酚等含氧化合物，這不僅增加了液化研究的難度，而且決定了生物原油熱值低、穩(wěn)定性差及有腐蝕性的特點，因此必須對其進(jìn)行精制處理，以達(dá)到降低含氧量和提高熱值等目的[29]。經(jīng)過精制后的生物油可作為替代汽油、柴油等燃料用油使用。
生物質(zhì)高壓液化是指在有溶劑存在，反應(yīng)溫度為200～400℃、反應(yīng)壓力為5～25MPa、反應(yīng)時間為2min至數(shù)小時的條件下液化生物質(zhì)[30]。生物質(zhì)高壓液化主要是對原料中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素進(jìn)行解聚和脫氧的過程。高壓條件下可以抑制纖維素和半纖維素解聚，減少氣體生成。研究者們發(fā)現(xiàn)，采用不同原料作為高壓液化對象時，所獲得的生物油的組成和產(chǎn)率不同。一些研究結(jié)果表明，原料中木質(zhì)素的含量對液化產(chǎn)率具有一定影響，但不同的研究者對木質(zhì)素的作用效果結(jié)論不一。Dietrich以云杉木、白樺木、甘蔗渣、麥稈、松樹皮、纖維素、木質(zhì)素為原料進(jìn)行液化，結(jié)果表明，隨著原料中木質(zhì)素含量增加，液收率上升。以木質(zhì)素為原料進(jìn)行液化所得液收率可達(dá)64%，而以纖維素和松樹皮為原料液化所得的收液率只有20%～30%[31]。而Demirbas則認(rèn)為木質(zhì)素含量越高，液體產(chǎn)物的產(chǎn)率越低，而焦炭率越高。
這可能與研究者所選用的溶劑和液化條件不同有關(guān)。除原料種類外，催化劑與溶劑、反應(yīng)溫度與時間、反應(yīng)壓力和液化氣氛等都成為高壓液化過程中主要的影響因素。我國研究者也在高壓液化方面做了一些研究[32]。呂秀陽等對纖維素在近臨界水中的分解動力學(xué)以及不同溫度下停留時間對產(chǎn)物分布的影響進(jìn)行了研究[33]。研究結(jié)果表明，在壓力25MPa，預(yù)熱水的流量與漿料的流量比為1∶1，漿料槽中的固含量為0.05%(mass)，纖維素初含量為0.25%(mass)的試驗條件下，纖維素水解的表觀活化能為147kJ/min，說明纖維素在近臨界水中可進(jìn)行選擇性分解。白魯剛等[34]研究了煤與生物質(zhì)的共液化過程，選用硫鐵化物作為催化劑進(jìn)行煤與生物質(zhì)加氫共液化[34]。
生物質(zhì)的快速熱解液化是在傳統(tǒng)裂解基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種技術(shù)，與傳統(tǒng)裂解不同，它采用超高的加熱速率在適當(dāng)溫度下，使生物質(zhì)中的大分子有機(jī)聚合物在很短時間內(nèi)迅速斷裂為斷鏈小分子，將生成的可冷凝氣體快速冷卻液化，從而使焦炭和產(chǎn)氣量降到最低，最大限度的獲得液體產(chǎn)品。
反應(yīng)器是生物質(zhì)快速熱解液化技術(shù)的核心，目前國內(nèi)外達(dá)到工業(yè)規(guī)范的生物質(zhì)熱解液化反應(yīng)器主要有流化床、循環(huán)流化床、燒蝕、旋轉(zhuǎn)錐、引流床和真空移動床反應(yīng)器等[35]。美國太陽能研究所(SERI)使用的渦旋反應(yīng)器(vortex reactor)生物油產(chǎn)率可達(dá)55%，加拿大ENSYN的循環(huán)流化床反應(yīng)器(up-flow circulating-fluidized bed reactor)利用砂子作熱載體，減小了設(shè)備尺寸，縮短了氣相停留時間，使得生物油產(chǎn)率提高到65%[36]。
目前，除對利用熱化學(xué)轉(zhuǎn)化制備生物油的研究外，生物柴油、乙醇等其他油品燃料的制備工藝技術(shù)也均較為成熟，并通過調(diào)整工藝及制備條件來對轉(zhuǎn)化過程開展進(jìn)一步的探索研究。
3.1發(fā)展趨勢 生物質(zhì)能源的開發(fā)和利用已經(jīng)成為當(dāng)前解決能源危機(jī)問題的一個重要發(fā)展方向。從資源利用的角度來看，農(nóng)林業(yè)成為發(fā)展生物質(zhì)能源的基礎(chǔ)。能源植物、能源作物的培養(yǎng)及優(yōu)化成為滿足生物質(zhì)能源規(guī)?；l(fā)展的保障。如今，生物質(zhì)能源的開發(fā)利用技術(shù)日趨多樣化，目標(biāo)在于尋求更多的有效途徑來獲取清潔能源，實現(xiàn)資源的綜合利用。在今后幾年，生物質(zhì)在生物發(fā)電、生物燃料和生物產(chǎn)品部門應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒋蠓鲩L，預(yù)期市場價值會顯著提升。
3.2面臨的問題 在實際的研究和應(yīng)用中也面臨著來自資源與技術(shù)的諸多問題。在我國，發(fā)展能源植物的種植和培育還未達(dá)到規(guī)?；瘧?yīng)用的條件，受到用地限制，全面推廣生產(chǎn)并不可行。在利用技術(shù)手段方面，目前生物質(zhì)能源的轉(zhuǎn)化利用仍以傳統(tǒng)低效的直接燃燒方式為主，且在亞洲、非洲等發(fā)展中國家，這種傳統(tǒng)的生物質(zhì)能利用手段還占據(jù)了相當(dāng)高的比例。另外，技術(shù)瓶頸成為限制生物質(zhì)能源發(fā)展的主要問題。以糧食作物原料為主的燃料乙醇和生物柴油產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)性存在嚴(yán)重問題。同時，非糧生物質(zhì)液體燃料產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展緩慢，生產(chǎn)核心技術(shù)仍未突破，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，影響產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。生物質(zhì)發(fā)電雖然取得了重要進(jìn)展，但受到投資過大、運(yùn)行成本過高的嚴(yán)重制約。近年來，我國主要是針對中小型生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)進(jìn)行研究，但對如直燃和混燒等其他生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)研究較少，缺乏實際應(yīng)用經(jīng)驗，技術(shù)種類低，整體研究開發(fā)能力較差。因此，與國外的研究進(jìn)展和成果相比，我國的生物質(zhì)能技術(shù)研究起步較晚，存在關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)周期過長等劣勢，必須要加強(qiáng)對外交流合作，借鑒國外的先進(jìn)技術(shù)與工藝，將自主開發(fā)與技術(shù)引進(jìn)相結(jié)合。
生物質(zhì)能資源豐富，若能充分利用，不僅能夠減少環(huán)境污染，而且還是解決未來面臨能源危機(jī)的必由之路。目前，世界各國越來越重視對生物質(zhì)能源的研究，積極采取相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)支持和政策扶持的辦法加大對生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化利用技術(shù)的投入。生物質(zhì)能源產(chǎn)品因其性能優(yōu)勢，使得技術(shù)開發(fā)有著廣闊的應(yīng)用空間。隨著氣化、制油、制氫等研究在技術(shù)上的不斷突破，產(chǎn)出更為清潔價廉的能源，這對于能源的有效利用和可持續(xù)發(fā)展都具有重要意義。
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