生物质能发电利用及生物质制液体燃料前景

张亮

摘要: 生物质能源是清洁、可再生能源，具有能源丰富、可再生潜力大的低碳能源，当前生物质能发电技术已得到长足的发展，生物质制备液体燃料正列入了绿色低碳先进技术示范工程技术目录，推广应用价值凸显。

关键词：生物质；发电利用；液体燃料

一、绿色低碳政策背景

2023年8月15日是全国首个生态日，生态主题为“绿水青山就是金山银山”。国家发展改革委党组成员、副主任赵辰昕在生态文明重要成果发布会上发布了碳达峰碳中和重大宣示三周年取得的重要成果。三年来，全国已构建完成碳达峰碳中和“1+N”政策体系，能源绿色低碳转型稳步推进，累计完成煤电机组节能降碳改造、灵活性改造、供热改造超过5.2亿千瓦；可再生能源装机突破13亿千瓦。以太阳能电池、锂电池、电动载人汽车为代表的“新三样”成为外贸增长新动能，今年上半年“新三样”产品合计出口增长61.6%，拉动出口整体增长1.8个百分点。

同月，国家发展改革委等10部门制定了《绿色低碳先进技术示范工程实施方案》，为加快绿色低碳先进适用技术示范应用，在落实碳达峰碳中和目标任务过程中锻造新的产业竞争优势，布局一批技术水平领先、减排效果突出、减污降碳协同、示范效应明显的项目，加快占领全球绿色低碳技术和产业高地，为实现碳达峰碳中和目标提供有力支撑，为经济社会高质量发展提供绿色动能。其中交通领域积极鼓励先进生物液体燃料、生物天然气、可再生合成燃料以及可持续航空燃料、低碳船用燃料研发生产供应等，为生物质能源利用提出新的发展方向。

二、生物质能现有利用技术

2.1生物质燃料特性

生物质具有低能量密度和有限的发电效率，通常需要在转化为燃料之前进行预处理。使用经过验证的技术，如粒状、棒状或块状是致密成型，蓬松或柔性秸秆压制，可以减少存储空间，增加燃料的能量密度，并提高燃烧质量和性能。煤和生物质的主要成分见表1，煤的挥发性分析表明，煤比生物质温度高得多，生物质更易着火。

图1 生物质颗粒燃料外观图

表1 煤炭和生物质固体燃料的主要成分

生物质颗粒燃料挥发分含量高、固定碳含量少的组分结构决定了其具有独特的点火和燃尽特性。生物质燃烧主要包括干燥和预热、热解释放挥发性可燃气体及挥发分燃烧、固定碳燃烧3个阶段。通常，温度达到220℃左右便开始释放挥发分，燃烧过程中最高温度可达到1000℃以上。

生物质颗粒燃料的点火温度在300℃左右，且燃烧迅速，燃尽温度一般不会超过500℃。Roberto等对杏仁壳、稻草、木片等5种颗粒样品的TG和DTG曲线进行分析也得到：200~400℃温度范围内均有一个最大失重峰，挥发分在此阶段基本全部析出。此外，生物质燃烧点火时间与挥发分含量呈线性关系，随挥发分含量升高而缩短；与含水率基本呈指数关系，随含水率升高而延长。

生物质直燃锅炉，其燃烧效率有很大的影响生物质的直接燃烧发电，燃烧效率主要是通过锅炉燃烧装置来提高，热效率正在提高，目前使用生物质锅炉较多，主要是循环流化床和层燃炉。层燃锅炉是结构简单，操作简单，易于控制燃烧温度，成本低优点。层燃锅炉炉排上燃料设置，底部空气进入与燃料接触燃烧。生物质挥发性成分的快速析出需要足够的空气供应，以确保锅炉的热效率，并确保热量充分放出。循环流化床锅炉是通过生物质物料在炉膛内循环流态化燃烧的方式，物料燃烧充分、热效率高，存在高温和低温下会导致积灰堵灰问题和热表面腐蚀的问题，可增加循环床料量，特别是惰性床料量，以消除灰分烧结。

2.2生物质气化发电技术

生物质气化是一种热化学反应，通常在高温下发生在氢气、一氧化碳、甲烷和其他气体上，并在氧气、水蒸气或二氧化碳其他影响下，生物燃烧不产生污染物和有毒气体，类似于生物燃烧，气化气也可以直接或混燃使用。因此，气化发电技术可分为直接和气化耦合发电。

1）气化直接燃烧发电。在合适的热力学条件下，气化床可以分解成气化气，固体杂质可以通过旋风分离器去除，并可用于除尘、水洗、吸附方法。从送入锅炉或喷入内燃机去除焦炭、焦油和其他有毒物质。它可以控制沼气的大小，可以使用大型内燃机，燃气轮机可以大规模使用或联合循环使用。

2）气化耦合煤混烧发电。该技术使用气化气可燃性强于燃煤，气化气喷入锅炉有助于稳燃和燃尽。该技术还可用于煤粉锅炉的改造，生物质气化和燃烧系统的安装是必要的，但对热力系统没有实质性的影响，只影响烟气侧配风和输送设计。此外，新建的生物质气化避免了工厂的生物质处理及输送，灰渣效率明显低于生物质掺烧，不影响煤灰经济效益。

2.3 燃煤耦合生物质混烧发电技术

在燃煤耦合技术中，生物质燃料和煤在锅炉中按比例混合，以节约煤炭。目前技术解决方案: 将不同的煤与生物质预处理混合，将生物质混合成一定比例预混，结合磨煤机研磨，将原有煤粉燃烧器管道喷入。输煤系统将原来的生物质研磨后单独将其送入，在燃煤系统中与原来的煤粉混合一起集中应用。

三、生物质制备液体燃料技术

国际能源署和国际粮农组织的综合研究表明，生物液体燃料能在一定程度上减少温室气体排放。以生物燃料乙醇为例，自2008年以来，根据可再生燃料标准（RFS）要求使用的乙醇和其他生物燃料已使美国交通运输温室气体排放量减少了9.8亿吨；仅在2021年生物燃料乙醇的使用就减少了5450万吨的温室气体排放量，生物液体燃料具有良好降碳属性，将成为交通领域减排的重要手段。

生物液体燃料最接近石油，特别是生物液体燃料热值高，更适合远距离、重型交通工具需求。E10乙醇汽油单位体积热值仅略低于汽油，生物柴油热值略低于柴油，生物航煤热值更是高于化石航煤，均远高于液氨、锂电池、氢气等新能源形式，混合性能方面，汽油中添加燃料乙醇可降低汽油中的芳烃，保留汽油辛烷值，并提高发动机扭力输出、热力效率和燃烧效率；在柴油中添加生物柴油循环能量效率几乎不变，且性能指标更优；生物航煤燃烧性能更好，烟点更高。

生物液体燃料生产技术包括：

1）燃料乙醇生产技术，目前包括一代技术（以粮食为原料）、1.5代技术（以非粮农作物为原料）、二代技术（以各类纤维素为原料）。一代技术成熟，已经实现了大规模产业化，但以粮食为原料，存在影响国家粮食安全的问题。1.5代技术也已经实现了产业化应用，但仍需在生产效率、资源综合利用效率、“三废”治理方面继续推动技术进步，帮助降低生产成本，提升产业竞争力。国内外二代技术存在较多技术瓶颈，如原料来源不稳定，预处理工艺复杂、收率低，酶解成本高等问题，造成产业化困难。

2）生物柴油生产技术，以废弃油脂、地沟油为主要原料的技术原理是将油脂中的脂肪酸、脂肪酸甘油酯分别进行酯化、酯交换反应，转化为脂肪酸甲酯，目前有碱催化、酸催化、酸-碱两步法、生物酶法等工艺路线，其中酸-碱两步法在我国应用比较广泛。

3）生物航煤生产技术，目前以纤维素等为原料的技术路线，可以破解原料制约问题，基于费托合成反应的生物航煤生产技术路线可以借鉴煤炭间接液化技术，但气化工艺流程长、能耗高、设备投资大、操作稳定性有待提升、产品收率较低等问题无法避免。

图2 1980年~2015年我国能源消费中原油消费占比（折算原煤）

四、生物质制备液体燃料市场前景

液体生物燃料是未来能源体系中不可或缺的一部分，欧美已提前布局并加快发展，国内通过十部门联合发文，鼓励绿色低碳技术应用，但仍然需要有针对性地从原料保障、技术攻关和配套政策方面入手，提高产业经济竞争力，助力产业加速发展。

一是建立原料供应渠道，保证原料供应。对于秸秆、木屑等农林业废弃物原料，探索建立农林工跨行业联盟，协调农林业废弃物的可持续供应。对于餐饮废油及其他废弃油脂，进一步完善全链条管理体系，加强从收集到运输、生产、使用全过程的闭环监管。

二是加快核心技术攻关。在加快纤维素原料、餐饮废油高效转换及副产物高值化利用工程化技术开发，包括高效纤维素酶技术、非贵金属催化剂技术等；提高工艺对原料的适应性，提升装置的兼容性与智能化，更好地适应未来能源发展需求。

三是推动形成规模化生物液体燃料市场。生物航煤作为先进生物燃料的代表，可进一步完善生产企业增值税退税政策，完善碳排放权管理，鼓励使用添加生物液体燃料，并分阶段明确生物液体燃料的添加要求，推动形成规模化的生物液体燃料市场。

五、结论

1. 生物质能可以储存再生的，取代化石燃料，减少二氧化碳排放，是一种可再生能源，具有工业化和大规模利用的前景。发展生物量生产是建立稳定、经济、清洁、安全的能源供应体系、克服经济和社会制约的重要途径。

2. 开发生物质发电作为煤炭的替代品，可以大大减少二氧化碳，二氧化硫和其他温室气体的排放，从而带来巨大的环境效益。

3. 生物质液态燃料是解决能源短缺和环境问题的最可行的途径，按照国家节能减排政策，合理开发物质液态燃料，优化能源结构，确保能源供应稳定，实现可再生能源替代。

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