第1章 概论
1.1 生物质能重要性及发展前景
1.1.1 生物质能重要性
近年来，我国能源生产和消费呈现不同的发展趋势[1，2]。2019年，我国原煤生产和消费比例持续下降，天然气与新能源生产和消费占比显著提升(图1.1，图1.2)，可再生能源发电稳居全球*位。图1.3显示了2015年和2020年我国各能源的发电情况，与2015年相比，截至2020年底，我国可再生能源发电装机总规模达到7.62亿kWh，其中生物质能发电占比2%[3-5]。从能源消费结构看(图1.2)，原煤处于主体地位，石油和天然气对外依存度高，通过文献[6]可知，目前我国清洁能源消费占比持续提升至24.30%[6]。据2020年《BP世界能源统计年鉴》，2019年中国一次能源消费总量居于世界*位；但在碳达峰、碳中和背景下，仍需大力提升以生物质能为*的可再生能源在能源结构中的占比。2018年国家能源局为推进区域清洁能源供热，减少县域、乡镇和农村的散煤消费，防治大气污染和治理雾霾，建设了一批生物质热电联产示范项目，达到了一定规模替代燃煤的能力；但在交通运输能源消耗上，化石燃料仍占全球能源消耗的95%以上，这不利于“双碳”目标的实现。
生物质是指通过光合作用而形成的各种有机体，包括所有动物、植物和微生物；狭义的生物质主要是指农林业生产过程中除粮食、果实以外的秸秆、树木等木质纤维素、农产品加工废弃物、畜牧业生产过程中的禽畜粪便、生活生产过程中的污水废水、固体垃圾和能源植物等[7]。生物质能是太阳能以化学能形式储存在生物质中的能量，即以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，是一种可再生能源，同时也是唯一一种可再生的碳源，可用于发电、供热、制气等各个领域，实现对传统化石能源一定程度的替代。由图1.3可以看出2015～2020年传统化石能源使用比例降低，清洁能源使用比例上升。在全球“零碳”战略引导下，生物质能源在全球的使用量持续增加，2010年至2021年，年均增长率为7%，现代生物质能源在全球已成为**大可再生能源。根据国际能源署(IEA)的研究，2030年全球36%的能源消费来自可再生能源，其中生物质能将占到60%。因此，推动生物质能高质量发展，将为碳减排与应对气候变化做出积极贡献。生物质能源化的利用，一方面满足了节能减排的需求，减少煤炭的使用；另一方面也对废弃物进行了无害化处理，这一作用是太阳能和风能所不可替代的。因此，生物质的能源化利用是未来处理剩余物和废弃物的必然选择，具有重要的实际意义。
图1.1 2011～2019年能源生产结构及占比
图1.2 2011～2019年能源消费结构及占比
图1.3 我国各能源的发电情况
1.1.2 生物质能发展前景
联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)于2018年10月发布的《全球升温1.5℃》(Global Warming of 1.5℃)报告中指出，为实现21世纪末全球温升不超过1.5℃的目标，有效的方案是推行生物能源联合碳捕集与封存(CCS)技术。生物质能源规模化利用具有双向清洁作用，以我国农业大省—河南为例，如果生物质资源不被利用而就地焚烧会导致大气中二氧化硫、二氧化氮、可吸入颗粒物(PM10)3项污染指数明显升高。2000万t的秸秆类生物质资源可替代标准煤约1000万t，减排二氧化碳2200万t。
在总体能源供应中，煤炭、石油和天然气等化石能源在大多数国家仍然占据主导地位，如大部分的亚洲国家、澳大利亚和南非。在发达国家特别是欧洲和北美国家，煤炭的消耗量逐年下降，取而代之的是天然气的大量使用。天然气的增加弥补了部分煤炭减少的压力。在过去的十年里，可再生能源的消耗比例在全球能源消耗中逐年上升。除了水电资源较丰富的国家(挪威、加拿大、新西兰和瑞士)外，在大多数国家，生物质能占可再生能源供应的一半以上。巴西和芬兰的生物质能供应量已占总体能源供应量的30%以上。截至2019年，可再生能源在总体能源供应量中占比*高的国家分别是挪威(48%)、巴西(46%)和瑞典(41%)。生物质能可分为固体生物质、生物质液体燃料、可再生废弃物(城市固体废弃物)和沼气/生物天然气，其中固体生物质是所有国家用于能源的主要生物质类型，使用率*高的国家往往拥有较高的国内森林面积，如加拿大、爱沙尼亚和芬兰。近些年来，可再生废弃物、生物质液体燃料和沼气/生物天然气也有了长足的发展，尤其是西欧国家建立了相当先进的管理发展理念，并且已实施高性能收集系统。生物质液体燃料主要用作运输燃料，在巴西和瑞典的使用量已经相当于石油使用量的15%以上。沼气过去主要直接用于热电联产，德国在沼气/生物天然气的使用方面*为先进；此外，丹麦*近在沼气/生物天然气方面采取了重大举措，沼气/生物天然气使用量达到总体天然气使用量的20%以上。近年来，瑞典、美国和巴西人均生物质液体燃料的消耗逐年上涨。
因此，从总体上来看，世界各国在发展生物质能源上不遗余力，尤其各国加大了对生物质液体燃料、可再生废弃物和沼气/生物天然气的生产开发投入，以替代传统的化石能源。生物质能利用将有效促进可再生能源与化石能源的融合，对打造多元化的清洁能源体系有着极其重要的意义，发展前景广阔。
1.2 生物质原料特点及来源
1.2.1 生物质原料特点
生物质原料的特点主要包括可再生性、清洁低碳、替代优势、原料丰富等。
(1)可再生性。生物质是从太阳能转化而来，是通过植物的光合作用将太阳能转化为化学能，储存在生物质内部的能量，与风能、太阳能等同属可再生能源，可实现能源的永续利用。长期以来，农林产品、禽畜产品在我国农牧生产中占据主导地位，而这些都是可持续利用生态产品，具有可持续发展的优势，并且生物多样性加上丰富的生产模式，使这些可再生生物质能源持续不断增长，提供稳定、环保、健康的能源来源。
(2)清洁低碳。生物质这种新能源中的有害物质含量很低，属于清洁能源。同时，生物质能源的转化过程是通过绿色植物的光合作用将二氧化碳和水合成生物质，生物质能源的使用过程又生成二氧化碳和水，形成二氧化碳的循环排放，能够有效减少人类二氧化碳的净排放量，降低温室效应。生物质能源的开发过程并不影响原有的生态效益和经济效益的发挥，而是通过采集生产剩余物实现高效率的能源转化。另外，生物质能源的发展还可以带动我国广大宜林荒山荒沙地种植能源林，既不占用耕地，又可以恢复植被；并且以灌木为主的能源林收割后还能自然萌生更新，是能源建设和生态建设的*佳结合。从一个国家或地区范围来看，生物质能源是林业管理和土地利用总系统中的重要部分，可以对林业和能源产业同时起到促进作用。因此，生物质能源的开发将成为农业、林业等方面可持续经营和管理的一项基本动力。
(3)替代优势。利用现代技术可以将生物质能源转化成可替代化石燃料的生物质成型燃料、生物质可燃气、生物质液体燃料等。在热转化方面，生物质能源可以直接燃烧或经过转换形成便于储存和运输的固体、气体和液体燃料，可运用于大部分使用石油、煤炭及天然气的工业锅炉和窑炉中，未来生物质资源则更多通过专业技术直接转化。生物质能源的现代化生产，可以解决很多国家面临的废弃物问题，以及人口增长带来的能源需求问题。同时，发展能源替代技术，将为发展中国家农村居民和工人提供更加稳定的收入，提高地区整体社会经济水平和生态环境质量。
(4)原料丰富。生物质资源丰富，分布广泛。世界自然基金会预计，全球生物质能源潜在可利用量达350EJ/a(约合82.2亿t标准油，相当于2009年全球能源消耗量的73%)。另外根据我国《可再生能源中长期发展规划》统计，目前，我国生物质资源可转换为能源的潜力约5亿t标准煤，今后随着造林面积的扩大和经济社会的发展，生物质资源转换为能源的潜力可达10亿t标准煤。在传统能源日渐枯竭的背景下，生物质能源是理想的替代能源，被誉为继煤炭、石油、天然气之外的“第四大能源”。
我国生物质资源具有分散性特征，而不是集中产生的格局，所以要充分考虑原料收集的难度。并且我国土地管理方式是家庭承包形式，收集以人力为主，与国外的机械化集中生产相比存在较大的差距，从而导致原料收集困难。没有充足的生物质原料，生物质成型燃料技术就不能快速发展。
目前，我国以秸秆原料为代表的生物质资源的收集主要有三种方式：**种是农民分散送厂，虽然这种方式一次性投资较少，但是运输成本高，供料不稳定；第二种是在农村建立原料收购点，虽然这种方式运输成本降了下来，供料也相对稳定，但是一次性投资较高；第三种是加工企业直接收集，这种方式运输成本低，供料稳定性*好，但是一次性投资也是*高的，并且干燥成本以及对交通条件的要求都比较高。
以上三种收集原料的方式虽然可以适用不同规模的生物质原料加工厂，但是在实际操作过程中，都要考虑投资资金、利润收益、当地民情、政策扶持、技术工艺管理等多方面因素，并且实际运行过程并不如理论分析那么理想，存在着多种多样的问题。因此，生物质原料的收集是制约成型燃料技术发展的瓶颈，不过生物质原料的收集技术发展也将经历一个由不成熟走向成熟的过程，根据产业生命周期理论，生物质原料收集技术的发展过程可分为形成期、成长期和成熟期。
总的来说，生活中所用能源系统在发挥其基本的经济功能和生态功能的同时，仍有大量的剩余物产出，成为目前相对经济和容易获取的原料资源。并且，随着生物质能源产业的发展，原料收集技术也会越来越成熟，为未来生物质原料来源提供有力保障。
1.2.2 生物质原料来源
生物质原料来源可分为林业废弃物、农业废弃物、城市垃圾、畜禽粪便、污水废水及能源植物六大类，其中前五种生物质为被动型生物质，是在人类生产生活中被动产生的；第六种能源植物为主动型生物质，是人类为解决能源问题主动种植和生产的。林业废弃物包括森林采伐及木材加工剩余物(在2016年约为7760万t，折合标准煤4423万t)及薪柴(在2016年约为4813万t，折合标准煤2743万t)。林业废弃物每年共计1.26亿t，折合标准煤7166万t；*选用作工业原料，然后才是发电或供热利用。农业废弃物包括各种农作物秸秆以及农业加工剩余物，每年共计有8亿t，折合标准煤4亿t。污水废水包括生活污水和工业有机废水，生活污水主要由城镇居民生活、商业和服务业的各种排水组成，如冷却水、洗浴排水、盥洗排水、洗衣排水、厨房排水、粪便污水等；工业有机废水主要是酒精、酿酒、制糖、食品、制药、造纸及屠宰等行业生产过程中排出的废水等，其中都富含有机物。能源植物包括所有作为能源用途而种植或养殖的碳薪林、油料植物、能源草和藻类等生物质资源，这类主动型生物质能源正处于研究开发阶段，包括育种、种(养)殖、收集和转化等各个环节，还没有大规模生产应用。一般来讲，在生物质液体燃料转化过程中，生物质原料主要包括农业废弃物(以农作物秸秆为主)和林业废弃物，下面对生物质原料来源进行详细介绍。
1. 农业废弃物
以农作物秸秆为例，它是农业生产的副产物，含有大量的矿质元素、纤维素、木质素及蛋白质等可被利用的成分，是一种可供开发利用的可再生生物质资源，具有来源广、产量大、污染小、种类多、分布广、热值(又称为发热量)高等显著优势，曾是我国农村主要的牲畜饲料和生活燃料。我国农作物秸秆资源丰富，2022年中国农作物秸秆的总量约有7.37亿t，约占世界秸秆总量的19%，位居世界**。粮食作物秸秆是我国主要的秸秆类型，稻草、玉米秸和麦秸是产量*高、分布*广的三大作物秸秆，约占秸秆资源总量的2/3。油菜和棉花是秸秆规模化利用的主要经济作物。然而，由于农村的农作物秸秆综合利用率低(约为33%)，严重制约了我国农业的可持续发展，因此农作物秸秆的资源化、商品化可以有效缓解农村能源、饲料、肥料、工业原料和基料的供应压力，有利于改善农村的生活条
展开
