生物质能源基础及技术发展

3. 气体生物燃料

    气体生物燃料包括沼气、生物质气化、生物质制氢等技术，以及沼气净化后作为运输燃料GtL（Gas to Liquid Fuel）。

1)沼气与GtL

    沼气是指有机物质（如作物秸杆、杂草、人畜粪便、垃圾、污泥及城市生活污水和工业有机废水等）在厌氧条件下，通过种类繁多、数量巨大、功能不同的各类微生物的分解代谢，最终产生的以甲烷（CH4）为主要成分的气体，此外还有少量其它气体，如水蒸气、硫化氢、一氧化碳、氮气等。沼气发酵过程一般可分为三个阶段，即水解液化阶段、酸化阶段和产甲烷阶段。沼气发酵包括小型用户沼气池技术和大中型厌氧消化技术。

    瑞典在沼气开发与利用方面独具特色，利用动物加工副产品、动物粪便、食物废弃物生产沼气，还专门培育了用于产沼气的麦类植物，产气率达300升/公斤底物，沼气中含甲烷64%以上。瑞典由麦类植物生产沼气，麦类植物用于生产沼气，除沼气被用做运输燃料外，所产生的沼肥又被用于种植。瑞典Lund大学开发了“二步法”秸杆类生物质制沼气技术，并已进行中间试验；还开发了低温高产沼气技术，可于10°C条件下产气，产气率大于200L/Kg 底物。因瑞典没有天然气资源，就用沼气替代天然气。斯德哥尔摩市居民使用的煤气就是厌氧消化处理有机废弃物后得到的沼气。将沼气净化去除CO2等杂质后，甲烷纯度达到97-98%，再经压缩（Gas to Liquid， GtL）得到车用甲烷供甲烷汽车使用，还有1列斯德哥尔摩至海滨的火车使用沼气燃料。

   目前，全球有410万辆压缩天然气汽车，8300座加油（气）站。同时沼气正在悄悄取代天然气而成为运输燃料，到2005年底，瑞典全国有5000多辆沼气汽车，加油（气）站逐年成倍增加，已达70余座。2008年奥运会是我国发展GtL产业的良好机遇，把有机污染物转化成清洁燃料技术成熟、基础设施具备、市场需求巨大，可以使“绿色奥运”的口号变为现实。

2)生物质气化技术

    生物质气化技术已有一百多年的历史。1883年诞生了最早的气化反应器，它以木炭为原料，气化后的燃气驱动内燃机，推动早期的汽车和农业排灌机械产业的发展。欧美等发达国家自70年代以来相继开展了生物质气化技术的研究，达到了较高的水平。近期的研究主要集中于将生物质转换为高氢燃气、裂解油等高品质燃料，并结合燃气轮机，斯特林发动机、燃料电池等转换方式，转换为电能，为21世纪的电力供应作技术储备。

    我国对农林业废弃物等生物质资源的气化技术的深入研究是在七十年代末、八十年代初才广泛开展起来的。其中具有代表性技术有中科院广州能源所开发的上吸式生物质气化炉和循环流化床气化炉、中国农业机械化科学研究院研制的ND系列生物质气化炉、山东省能源研究所研制的XFL系列秸杆气化炉、大连环境科学院开发的木柴干馏工艺以及商业部红岩机械厂开发的稻壳气化发电技术等。目前已建立了500多座秸杆气化站，为农民提供燃气；160kW稻壳气化发电系统已进入产业化阶段，该气化发电系统产气量约为785Nm3/h。

    生物质气化过程简单、对设备要求不高，但是能量转化率低（所产生气体的能量一般为生物质所含能量的60-70%左右，最高为75%）、燃气热值低（仅为4-6MJ/Nm3）、焦油含量高且燃气被焦油和颗粒污染，亦缺乏有效的净化技术、不能灵活使用热值不同的多样化生物质原料，并且气化过程还需要能量。所以随着生物质（或成型）直燃技术的提高，国外主要采用生物质直接燃烧供热/发电或成型后燃烧供热/发电，如丹麦建了130家秸杆直燃发电厂，瑞典直接燃烧生物质发电量已接近国内总发电量的20%。国际上在生物质气化方面的发展趋势则是在气化得到合成气（syngas）的基础上，再经FT（Fischer-Tropsch）合成得到生物柴油或化工产品，仅利用FT合成过程的废气驱动燃气透平发电，而不是专门把气化气用于发电。

3)生物质制氢

    氢气是一种可再生、高热值的清洁能源，在燃烧时只产生水作为产物，而不产生氮氧化物、硫化物和颗粒等大气污染物或二氧化碳等温室气体。近年来随着氢气贮存技术（如氢化物合金）和燃料电池技术的迅速发展，氢气的制取和利用日益受到重视，被认为是一种最有潜力的替代能源。美国总统布什在2005年的新年演说中专门提到发展氢燃料汽车。目前，世界上几乎所有大的汽车制造商都研制推出了以氢为动力的汽车。

    通常的制氢方法如水电解法、水煤气转化法、甲烷裂解法都需大量的能耗，而生物法制氢相对成本低廉，克服了其他制氢方法高能耗的弊端，还能以污染物为原料进行生产，去除污染。世界各国都对生物制氢研究有较大的投入，日本通产省和科技厅于1995年开始了一个长达28年的生物产氢计划；美国能源部于1997年开始资助微生物产氢的研究工作；欧洲共同体委员会和国际能源组织也分别于1999和1996年提出了生物产氢的大规模研究计划。这些研究基本上都集中在利用光合细菌制取氢气，与光合细菌相比，厌氧发酵细菌将有机物转化为氢气、二氧化碳和有机酸，由于不需要光源和生长条件要求简单而使成本更低，但存在着产氢效率低、可控性差的缺点。国外对利用厌氧发酵细菌产氢主要集中在纯种产氢细菌的固定化技术、纯种产氢细菌及包埋剂的选择，可是由于制氢原料（如废弃物）本身的复杂性，使用纯种细菌无法实现工业化规模的生物制氢。另外需要考虑的是葡萄糖转化为氢的生物合成反应，目前1摩尔葡萄糖最多可产6摩尔氢气，但是如果按质量计算，160g葡萄糖仅产了12g氢，确实存在经济可行性问题。

    生物产氢的重要发展方向是以生物质为原料制取氢气。该项技术的应用将不仅局限于产生高浓度有机废水的食品加工、发酵等行业，而且还可以用城市污水处理厂的剩余污泥、生活垃圾等其他有机废弃物为原料生产氢气。欧洲开发了生物质直接气化制氢技术，过程简单、产氢速度快，显示出巨大潜力，成本显著低于生物质发电再电解制氢、乙醇制氢，欧洲正在积极开发这项技术。

    尽管氢被炒得很热，但是根据美国能源政策委员会2004年的年终报告，通过对氢的原料可供给性、CO2减排性、与现有基础设施的相容性、到2020年与汽油的竞争性等4项指标比较，认为氢还不具备竞争优势。美国科学院预测，氢需要再经过50年的全力研发才能显示出其优越性。

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