生物质能源研究进展与前景展望

河北农业科学,2011,15(3):117-121Journal of Hebei Agricultural Sciences编辑索相敏生物质能源研究进展与前景展望马春红,李运朝,刘旭2,及增发3,李晓煜!,何晓棣',崔四平',王立安2,贾银锁(1.河北省农林科学院遗传生理研究所,河北省植物转基因中心,河北石家庄05051;2.河北师范大学生命科学学院,河北石家庄050016;3.河北省农林科学院,河北石家庄050051)摘要:阐述了生物能源研究特点、农业资源利用现状及国内外生物能源研究进展,重点介绍了河北省植物转基因中心进行的利用农作物秸秆厌氧发酵制取氩气和生物质合成油的技术研究。生物质能源可以缓解能源压力问題。为此,对生物能源研究的意义进行了进一步阐述,并对未来生物质能源的研究作了探讨和展望。关键词:生物质;生物能源;研究进展中图分类号:S216文献标识码:A文章编号:1008-1631(2011)03011705Research Progress and Prospects on Biomass EnergyMA Chun-hong, LI Yun-chao, LIu Xu, JI Zeng-fa, LI Xiao-yu, HE Xiao-di, CUI Si-ping, WANG Li-anJIA Yin-suo1. Institute of Genetics and Physiology of Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Hebei Plant TransgenicCenter, Shijiazhuang 050051, China; 2. College of Life Science, Hebei Normal University, Shijiazhuang 050016China; 3. Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Shijiazhuang 050051, China)Abstract: The research characteristics of biomass energy, the status of utilization of agricultural reresearch progress development of biomass energy at home and abroad are describes. The preparation of hydrogen using cropsstraw via anaerobic fermentation and the research techniques of synthetic oil from biomass by Hebei Plant Transgene Centerand the biomass energy research in the future is discussed and Prospected Ce of biomass energy research isare introduced. The biomass energy can ease the pressure from energy. The significandexplained,Key words: Biomass; Bio-energy; Research progress十二五”时期我国将积极培育和发展战略性新材的木头、动物粪便等具有能源利用价值的废物、造纸兴产业,同时运用高新技术加快提升传统产业,加强信行业的富含纤维素的废水,其他生物燃料工艺所残留的息技术、新材料、新能源等高新技术成果转化和推广应生物废渣。(2)专门的能源作物。在一些并不适合传统用,促进传统产业升级。农作物生长的地方,种植速生林、柳枝稷、大象草等高能源是人类社会发展的最基本的条件。但是能源与产的能源作物,为生产生物燃料提供原料。利用这些农社会和经济的发展存在着矛盾。第2代生物燃料是用农林业废料,可以解决这些废料带来的环境问题,也可以林废弃物作为原料,具有不与人争粮食、不与人争耕地把这些废料增值成为能源产品,是很有意义的等特点,不存在第1代生物燃料引起的粮食安全问题。事情2-3其使用原料为:(1)农林业废料、秸秆、玉米秸、不成第2代生物燃料目前主要包括以下几个方向:通过发酵,比如纤维素乙醇技术,把农林业废料或者能源作收稿日期:2011-02-11物的纤维素、木质素通过发酵工艺得到乙醇;生物制氢基金项目:河北省科学技术研究与发展项目(10393912D);河北省财技术,将生物质通过发酵工艺得到氢气以及其他能源副政专项(2011050);河北省人才工程培养经费(冀人产品;类似的还有生物甲烷,也就是沼气。另一类重要社字[2010]353号);河北省人力资源与社会保障厅留的就是生物质合成油,通过化学方法将生物质转变成为学回国人员科技活动项目(20101501);科技部国际科技合作项目(2010DFA41230);科技部国际科技合作项目液体燃料(英文简称BTL)。(2006DFB02480);第四届中国-南非科技合作联委会项近年来,能源危机、保护环境和可持续发展问题受目(网科外字[2009]159号)到世界各国政府与科学家的高度重视。可再生的清洁能作者简介:马春红(1968-),女,浙江金华人,研究员,主要从事源以及能源中国煤化工能成为其中的生物防治与生物质能源研究。E-mlil: mchdonger@个新亮点什HCNMHG通讯作者:贾银锁(90-),男,河北新乐人,博士,研究员,博1国外生物能源研究进展士生导师,主要从事植物生理与生物质能源研究。 E-mail:jiay20os@163.com。德国制定了《未来投资计划》以促进可再生能源118河北农业科学2011年的开发,迄今投入研发经费达17.4亿欧元。2004年2007年受美国进口生物质能源影响,生物柴油产量将德国可再生能源发电量占总发电量的8%,年销售额达增长放缓,总产量为45亿L左右。2007~2017年生物100亿欧元。法国推出了生物能源发展计划,2007年之柴油产量将增加1倍,2010年所有柴油中的生物柴油添前将生物燃料的产量提高3倍,使之成为欧洲生物燃料加量已达2%。阿根廷计划2007~2017年间生物柴油产生产第一大国,计划建设4个生物能源工厂,年均生产量增加1倍,且主要用大豆生产生物柴油。马来西亚和能力达到20万t,生物燃料的总产量将从目前的45万t印度尼西亚等东南亚国家将继续发展以棕榈油为原料的上升到125万t,用于生产生物燃料的作物面积也将达生物柴油,其中马来西亚计划未来5a内在交通工具和到100万hm2。日本从2010年正式启动生物能源计划,工业用柴油中添加5%的生物柴油;印度尼西亚计划并与美国和欧盟共同开发可再生能源,建设500个示范2010年使生物质液体燃料使用量达到运输部门能源需区。预计将投资2600亿日元,与之有关的产品和技术求总量的10%。将成为日本新工业战略的重要组成部分。美国在20世1.3国外生物沼气研究进展纪90年代初就建立了发电量相当于6个核电站的植物沼气是有机物质在厌氧条件下经过多种细菌的发酵燃烧发电站;90年代后,利用生物质发电量特别是利作用而最终生成的1种以甲烷为主的混合气体。瑞典用城市垃圾燃烧发电量占到可再生能源发电量的70%PURAC公司对利用动物加工副产品、动物粪便和食物目前生物质发电装机容量已达1050×10kW。预计到废弃物等生产的沼气进行净化后,经压缩送到城市加油2015年装机容量将达1630×104kW。第三次国际可站供天然气汽车使用。目前,在瑞典的 Link ping地区再生能源大会上美国总统布什强调要加强可再生能源的有64辆公交车和520辆轿车以这种沼气作为燃料。德开发利用,以减少对进口石油的依赖;发展生物质液体国还开发了小型沼气燃气发电技术,大大提高了沼气的燃料,减少车用燃油;加强国际合作,促进清洁技术应用水平,沼气发电站数量成倍增加。如1999年德国发展仅有850家沼气电站,到2000年就达到2000家以1.1国外燃料乙醇研究进展自20世纪70年代中期石油危机以来,以美国和巴1.4国外生物质合成油研究进展西为主的一些国家开始推行燃料乙醇发展计划,但该计生物质合成油是第2代生物能源。不同于目前已应划的大规模迅速扩张期始于2001年。1975年全球燃料用的生物柴油和粮食乙醇等第1代生物燃料技术,它是乙醇产量为46亿L,2000年增加到181亿L,2007年利用农林废弃物等生物质为原料来制备液体燃料的新为340亿L,2008年为670亿L。2001~2008年,全球代生物能源技术。该技术路线以农林废弃物为原料,首燃料乙醇产量年均增长率达17%。美国和巴西是燃料先将生物质气化、净化,然后通过改进的费托合成工艺乙醇最主要的生产国,其产量占全球总产量的90%以生产高品质的合成油。加拿大规划到2010年汽油中添加5%的燃料乙醇生物质合成油的基本成分是不同烃类物质的混合预计今后5a对主要原料玉米和小麦的需求量将迅速增物,本质上和原油很相似,但不含芳香烃、硫、金属杂长。全球燃料乙醇的生产原料中,谷物及淀粉类占质,经过简单处理就可以符合欧五燃油排放标准,净化33%,蔗糖及甜菜占60%,合成酒精占7%。美国、加成本远远低于传统燃料的净化成本,是目前最有前途的拿大等国家的燃料乙醇生产主要以玉米作为原料,巴西清洁燃料。则利用甘蔗生产。欧盟和加拿大也利用质量较差的小麦成油的关键技术在于生物质气化以及费托合成。生生产,但比重很小6,9。物质气化已经在生物质气化发电等领域有了实际应用;L.2国外生物柴油研究进展费托合成在国际上已经有将近80a的工业化经验。虽然全球生物柴油研究从1991年开始发展,较大规模二者仍然有技术进步空间,但是用于生物质合成油的关的扩张则始于20世纪末。1991年全球生物柴油产量为键技术已成熟,可以认为生物质合成油在国际上已经具9100t,2000年增加到73万t,2007年增加到备了进行产业化生产的初步技术条件。1060万t,2008年增加到7020万t;1991~2008年年合成油的燃烧性能也非常突出,有相关研究表明均增长率为693%。从全球分布看,欧盟产量居世界第与传统工艺得到的柴油相比,使用合成油的柴油发动1位,占全球总产量的67%,其中德国是生物柴油最机,尾气中的CO2减排量接近90%,酸性物质减排量主要的生产国,约占全球总产量的12,美国、意大利、为27%~42%,是目前最优良的替代燃料,被视为绿色法国和巴西产量也在迅速增加。上述国家生物柴油的生燃料。产主要以油菜籽为原料,印度尼西亚、马来西亚和泰国V凵中国煤化工国际上CNMHG国家拥有该技术的等则利用棕榈油。随着全球农产品价格上涨,中国和印小试装置,共中以開非时仪不最刀进。最早进行生物度等一些国家开始发展林业生物柴油。欧盟生物柴油生质合成油工业化尝试的是德国。德国在2002年就开始产主要以菜籽油为原料,2006年产量为40亿L;了生物质合成油的工业化示范。2010年,法国与德国第3期马春红等:生物质能源研究进展与前景展望119·签署了在法国利用森林残余物建设年产量为2.3万t的为了不与食用油和工业用油争原料而开发了以麻疯树果生物质合成油厂,预计2014年投产,规模与德国实和黄连木籽等作原料来制取生物柴油的技术,初步具2008年建成的示范厂规模相当。该项目使用德国科林备了商业化发展的条件。麻疯树籽粒含油率达50%以公司的纯氧高压生物质气化技术,结合壳牌石油公司用上,可直接用于生产生物柴油。目前西南地区的麻疯树于天然气液化的费托合成技术。由于使用了专有的高温种植面积为6700hm2,计划2010年发展到高压气流床生物质气化技术,该工艺的气化部分造价昂67万hm2贵,在推广方面遇到了很多问题,特别是在发展中国家2.2国内燃料乙醇研究进展并不适宜推广利用生物质水解发酵制乙醇的原料可分为3大类1.5国外植物纤维素发酵制氢研究进展1含糖类(如甘蔗、甜菜)、含纤维素类(如农作物秸生物制氢是可持续地从自然界中获取氢气的重要途秆、纤维能源植物、木材及其加工剩余物)和含淀粉类径之一。现代生物制氢的研究始于20世纪70年代的能(如玉米、小麦、甘薯、木薯、马铃薯等)。源危机,90年代因为对温室效应的进一步认识,生物我国生物质能源产业刚刚起步,但势头很好。在河制氢作为可持续发展的工业技术再次引起人们重视。南、安徽和吉林3省,4套年产量为30万t的燃料乙醇1999年南非金山大学分子细胞生物系Gray教授开展的的生产装置已建成投产,乙醇汽油销售开始封闭运行;新一代植物纤维素发酵制氢技术,对传统的技术进行了我国自行培育的、具有高抗逆性、可在全国种植的甜高改进:2。而国际上以农林废弃物(主要成分是纤维粲品种(可产燃料乙醇6U/hm2,生产效率比甘蔗高素、半纤维素)进行制氢研究的只有南非金山大学等少30%,比玉米高3倍)已在新疆和内蒙古等地种植,并数单位,通过他们多年的潜心研究,实验室条件下植物取得了可喜进展。与此同时,乙醇汽油试点推广工作已纤维素发酵制氢技术已经成熟。新加坡南洋理工大学从迅速发展到黑、辽、冀、鲁等9个省,乙醇汽油的消费事利用污泥厌氧产氢以及活性碳填充流化床生物反应器量已占全国汽油消费量的20%。的研究。近年来,世界人口数量急剧膨胀,粮食总体上面临2国内生物能源研究进展短缺状况,用粮食生产乙醇的发展规模将受到限制。而直接利用生物转化植物纤维素,特别是秸秆纤维素合成生物质能的转化技术包括直接氧化、压缩成型、热乙醇的工艺,因具有原料来源广,不与人争粮、不与粮化学转换和生物转化技术。当前国内外生物质开发利用争地的特点,现已引起人们的高度关注,被认为是解决的主要方式为生物质液体燃料(燃料乙醇、生物柴目前燃料乙醇原料成本高、原料有限的根本出路。油)、生物沼气、生物质发电和生物质成型燃料。我国23国内生物沼气研究进展的农作物秸秆主要分布在河北、内蒙古、辽宁、吉林、中国沼气产业始于1980年,其开发利用技术在国黑龙江、江苏、河南、山东、湖北、湖南、江西、安际上处于领先地位。特别是农村目前仍在推广使用的水徽、四川、云南等粮食主产区,单位国土面积秸秆资源式沼气池被称为“中国式沼气池”。20世纪90年代量高的省份依次为山东、河南、江苏、安徽、河北、上以来我国沼气建设一直处于稳步发展的态势,到海、吉林、湖北等省。200年,全国主要农作物产量约2005年底,全国沼气利用量已达到80×103m3,户用沼为5.3亿t,按草谷比计算秸秆产量约68亿t,除用于气池发展到1807万户,大中型沼气工程累计建成肥料、饲料、基料以及造纸等工业原料外,约有3556处,城市污水净化沼气池累计49300处。形成了3.4亿t农作物秸秆可作为能源使用,折合1.7亿t标准以沼气为纽带的生态家园富民工程,种植业(饲煤。预计到2015年我国主要农作物秸秆产量将达到料)一养殖业(粪便)一沼气池(沼液、沼渣)一种9亿t左右,其中约一半可作为农业生物质能的原植业(饲料、农产品)一养殖业循环发展的农业循环料"。中国可再生能源利用总量目前已经居于世界经济基本模式2,]。首位1。2.4国内生物发电研究进展2.I国内生物柴油研究进展截至2008年底,中国国能生物质发电集团10个发我国在“八五”期间开始生物燃油资源与转换技电量为30×10·W和7个发电量为12×100W的生物质术的研究开发,采用传统技术用粮食和油料作物生产醇电站正在运营,其中单县电站装机容量为30×10°W,类和油类产品,这只限于食品与轻工产业;制取燃料作年发电量为2.2亿kW·h,可替代8.7万t标煤,减少为交通能源产业建设则开始于“九五”期间。我国开CO2排放量V凵中国煤化工600万元,同展能源林业作物的研发项目现已取得一定成果,南方已时可获得10CNMHG燃发电技术和设建有产业化生产案例,如利用菜籽油、棉籽油、乌柏备已经实现了全部自主化。生物质规模化直燃发电厂在油、木油、茶油等原料小规模生产生物柴油。近年来,我国是可行的,但仍需要对生物质发电系统的可靠性、稳定性以及系统的优化性等方面进行进一步完善提高,120河北农业科学2011年同时应着重解决建设运营成本高和原料收集成本高等问降低生产成本,提高产氢速率,为产业化制氢提供了理题。另外利用作物秸秆直燃式发电可能带来的最大弊端论依据,使生物制氢技术实现了国有化。利用甜高粱等是对作物秸秆有机物的大量耗费,不能很好地实现有机农作物秸秆厌氧发酵制取氢气,利用优选法对装置中的物的循环利用,会造成土壤有机物不足、地力下降等各个部件、每道工艺流程展开优化研究,包括生物反应问题器的最佳尺寸、管道系统最优通量、口径大小以及适用2007年,河北省首个垃圾发电项目—石家庄灵材料质量等等,使得制氢装置获得更高的生产率和安全达垃圾发电站已投人生产运营,并取得了较好的社会经性,同时也为进一步开发更大规模的制氢装置提供了依济效益。以国能威县生物发电有限公司为例,自据。试验结果表明,植物纤维素发酵产氢试验的最适温2007年4月15日秸秆燃烧发电站建成投产以来,已累度为37℃,最适pH值为6.0,反应的最大产氢量为计向社会提供绿色清洁电力5.1亿kW·h,累计消耗农28%。如果将农林废弃物利用厌氧发酵制取氢气,不仅林剩余物63万,减少CO2排放32万t,为农村提供就可提高能源利用效率,还可减少CO2排放。由于植物纤业岗位1300个,累计为农民增收3.3亿元。2009年,维素(农林废弃物)来源十分广泛,而且可以再生,该公司完成发电量2.06亿kW·h,实现主营业务收入因此是解决能源危机的一条很好途径。达1.1亿元2。2.5国内藻类生物能源研究进展3结语微藻的细胞中含有独特的初级或次级代谢产物,化学成分复杂,光合作用过程中太阳能转化效率可达到石元春院士认为,生物质产业直面我国“三农”、3.5%,因而作为能源原料的潜力十分巨大。从微藻中能源和环境3大主题,是世界发展之大势和新兴的朝阳得到的脂肪酸可转化成脂肪酸甲酯,即生物柴油。产业,在宏观和战略上是可行的。秸秆是一种资源,可河北新奥集团利用微藻的光合作用,让微藻在生长中吸7亿t左右,在大力发展清洁能源的形势下,以秸秆为藻中提炼生物柴油以及其他高附加值产品。还运用含原料的现代能源产业迎来了新契机。7亿t秸秆折合成氮、磷较高的工业废水回收技术和工业废热利用技术,标煤约为35亿t,相当于7个神东煤田,若全部利用提高养殖效率,降低养殖成本,实现微藻生物能源的产以减少CO2排放量达85亿t。目前,我国秸秆用途业化主要为还田、饲料、工业原料以及薪柴和露地焚烧,属2.6国内生物质合成油研究进展于传统产业提升,而以秸秆为原料的现代能源是个新兴200年5月,河北省农林科学院遗传生理研究所与产业。国能生物质发电集团自2009年以来通过收购秸南非金山大学合作开展的“中国南非生物质合成油研秆巳支付给农民10亿元。究”项目,通过了以两院院土、著名生物质能专家石元中国可再生能源利用总量目前已经居于世界首位,春教授为主任的专家委员会论证,该项目已被纳入中国同时,低碳经济、绿色就业以及高能效技术投资正在成一南非两国政府间合作项目。目前,河北省农林科学院为中国未来经济增长和能源安全的保障。中国可再生能遗传生理研究所利用南非新一代费托合成技术,结合国源资源非常丰富,开发利用的潜力很大,其中生物质能内的生物质气化和气体净化技术,正在建立实验室条件的开发潜力更大。生物质能一直是人类赖以生存的重要下的小试装置能源,在整个能源系统中占有重要地位。生物质能极有2.7国内植物纤维素发酵制氢研究进展可能成为未来可持续能源系统的重要组成部分,到下世生物制氢的方法有光解水制氢技术、暗发酵制氢技纪中叶,采用新技术生产的各种生物质替代燃料将占全术、光发酵制氢技术、光发酵和暗发酵耦合制氢技术,球总能耗的40%以上。发酵法生物制氢技术。而比较成熟的技术是利用发酵技术进行生物制氢。早在1990年,哈尔滨工业大学任南考文献琪教授就带领其科研小组开展了有机废水发酵法生物制[1]石元春.发展生物质产业[门].中国农业科技导报,2006,8(1);1-5氢技术的研究,以厌氧活性污泥为产氢菌种的发酵法生[2]李景明,薛梅.中国生物质能利用现状与发展前景物制氢技术,理论上取得了重大突破,处于国际领先水[冂].农业科技管理,2010,29(2):1-4,1l平,并在世界上首次完成生物制氢中试研究。该技术结[3]袁振宏,吴创之,马隆龙·生物质能利用原理与技术合生物学、新能源开发和环境保护多个学科领域,利用1凵中国煤化工生物技术生产氢气1-3[4]郝素琴CNMHG综合利用概况[河北省农林科学院遗传生理研究所与南非金山大学中国环境管埋干部学院学报,2007,17(1):65-67合作,引进南非金山大学的发酵法生物制氢技术,利用植物纤维素发酵制取氢气。通过整个反应系统的优化,[S]李秀峰,张杜,徐晓刚.我国农村秸秆能源消费现状第3期马春红等:生物质能源研究进展与前景展望121与发展趋势[J].农业展望,2008,(9):26-29[18]崔小年,张敏.生物能源与粮食安全研究综述[门[6]中国国际科技合作网.可再生能源与新能源国际科技合江西农业学报,2010,22(2):157-158作计划一国际趋势[EB/OL].(2007-12-5)[2010-[19]胡伟,王明丽,辛永波.农作物秸秆综合利用的新进12-20].http://www.cistc.gov.cn/xinnengyuan.展[门].农机市场,2009,(2):38-40.[7]中华人民共和国发展和改革委员会国家能源局.可再生[20]李碧芳.发展生物质能源对能源安全和粮食安全的影响能源-美国的“未来能源之路”[EB/OL].(2008[J].生态经济,2010,(3):41-42.3-14),[2010-12-20].htp:// 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