生物质能源转化的方式

生物质能源转换的方式主要有：生物质固化、生物质气化、生物质液化、生物质热解、生物质发酵和生物质直接燃烧等技术。

（一）生物质固化

生物质固化是将稻壳、木屑、花生壳、甘蔗渣等生物质原料粉碎到一定粒度，或者不加粉碎，不加黏合剂，在高压条件下，利用机械挤压成一定的形状。

生物质成型技术按成型物的形状主要可分为三大类：圆柱块状成型、棒状成型和颗粒状成型技术。如果把一定粒度和干燥到一定程度的煤按一定的比例与生物质混合，加入少量的固硫剂，压制成型就成为生物质型煤，这是当前生物质固化最有市场价值的技术之一。

生物质固体燃料具有型煤和木柴的许多特点，可以在许多场合替代煤和木柴作为燃料。目前，生物质固体燃料技术的研究在国内外已经达到较高的水平，许多发达国家对生物质成型技术进行了深入的研究，产生了一系列的生物质固化技术。日本、德国、土耳其等国研究用糖浆作为黏结剂，将锯末和造纸厂废纸与原煤按比例混合生产型煤，成为许多场合的替代燃料。另外，美国、英国、匈牙利等国用生物质水解产物作为黏结剂生产型煤。我国清华大学、浙江大学、哈尔滨理工大学、煤炭研究院北京煤化学研究所等对生物质固化利用的研究也取得了一系列的成果。

生物质型煤虽然在燃烧性能和环保节能上具有明显的优良特性，但其缺点是压块机械磨损严重，配套设施复杂，使得一次性投资和成本都很高，目前还没有显著的经济优势。技术和经济因素阻碍了它的商业化应用，还没有形成规模产业。以后的研究将主要集中在降低成本上。

（二）生物质气化

生物质气化是指柴草、枝条、秸秆、废木料等农林废弃物在高温条件下与气化剂（空气、氧气及水蒸气）反应得到可燃气体的过程。

伴随着气化过程，燃料会出现氧化、还原、干馏和干燥四个阶段，其中氧化和还原是关键技术。氧化的份额太高就接近于燃烧，氧化的份额太低，反应温度就偏低，只冒油烟和水蒸气，气化过程变为炭化过程，不能得到气体燃料。合理控制水蒸气在空气中的比例，就可以使气化反应放热超过重整反应中的吸热，使气化温度维持在预定的水平下，并能得到较高热值的气体燃料。

国内外最常用的气化方法主要有：固定床气化炉、流化床气化炉、携带床气化炉。目前，生物质气化技术的商业应用已经成熟，市场潜力巨大，气化煤气的主要用途有以下几种。

（1）供热、供暖。

（2）供气。

（3）烘干。

（4）发电。

（5）热源。

目前，国外的气化技术已达到很高的水平，气化炉工艺流程复杂，自动化程度很高，气化煤气主要用于发电和供热。

国内的生物质气化技术得到了较快的发展，研究主要集中在适用于农村、林区和偏远地区的固定床气化技术，以农业和林产工业废弃物为原料、面向工业企业的流化床气化技术及生物质气化集中供气技术。

生物质气化技术使生物质能的利用效率提高了1倍，降低了CO2的排放，缓解了能源和环境两方面的压力，为可持续发展提供了途径。但是生物质气化技术的真正推广还存在许多障碍，还有许多问题有待解决。例如：第一，气化煤气中的焦油消除问题，净化除焦已经成为制约生物质气化技术的主要因素；第二，生物质气化产生的气化煤气总体来说成本还比较高，许多技术还处于试验和试运行状态，即使是应用比较成熟的气化集中供气系统，也存在着运行成本偏高、设备折旧偏快的问题。

（三）生物质热解技术

热解是指生物质在隔绝空气或供给少量空气的情况下，加热分解成气体、液体、固体产品的过程。热解产物中各成分的比例可通过控制反应参数，如温度，加热速率，过程中活性气体、固体停留时间等来加以控制。根据温度、加热速率、固体停留时间及固体粉碎程度等条件，可把热解分成慢速热解、快速热解和瞬时热解。

常用的热解设备主要有流化床、循环流化床、气流床和自由落下床等。目前国内外对这种热解设备的研究主要集中在消除焦油上。利用生物质热解产生燃料不会增加空气中CO2的含量，可利用各种农林废弃物为原料，减少环境污染。生物质能源具有可再生性，能缓解能源紧张的矛盾，而且生物质热解产生的燃料比化石燃料更为清洁，热解产物中硫的含量远小于化石燃料。通过生物质热解还能得到像焦炭、生物质油、合成气、甲醇和氢气等原料，可满足多种工业需求。

（四）生物质液化技术

生物质液化是指通过化学方法将生物质转换成液体产品的过程。液化可分为催化液化和超临界液化。催化液化过程中，溶剂和催化剂的选择是影响产物产率和质量的重要因素。目前除了水之外，常用的溶剂还有苯酚、高沸点的杂环烃和芳香烃混合物。主要的超临界水液化生物质的研究，包括超临界水液化纤维生物质、超临界水和超临界甲醇液化木质素生物质等技术。

生物质的液化产物常被称为生物质油。生物质油与传统燃料相比，具有含水量高、含氧量高、性质较不稳定等特点，使得其蒸馏加工过程中对温度和不挥发性很敏感，因此，对生物质油的改良十分必要。目前对生物质油的改良主要有以下途径。

（1）加氢处理。

（2）分子筛处理。

（3）产品的精制等。

生物质液化是生物质能源利用的一条有效途径。目前对生物质液化的研究工作已有了一定的基础，但是生物质油的产量和质量还处于它的成长时期，仍需要更多的理论与实践的探索。例如对溶剂及催化剂技术还要进一步研究，以生产出高质量的生物质油。国外对生物质液化的研究比较早，技术相对成熟，而我国由于技术积累比较薄弱，急需开展相关的研究。

（五）生物质的生物转化技术——生物质发酵

生物质的生物转化技术，是指农林废弃物经过微生物的生物化学作用生成高品位气体燃料或液体燃料的过程。目前主要的生物质转化方式为厌氧发酵和乙醇发酵。厌氧发酵是指有机物在厌氧细菌的作用下进行代谢，产生以甲烷为主的可燃气体（沼气）的过程。厌氧发酵主要应用于生物质发酵制沼气及垃圾填埋。人类最早使用沼气是在西欧，但中国的沼气事业发展速度最快、数量最多，并已成为世界沼气大国。发展中国家和发达国家都在通过加大沼气的利用来缓解城乡的能源及环境问题，美国一直在研究新的发酵技术和新的微生物系统，以提高沼气的品质。寻找新的发酵菌类是沼气技术研究的一个重要方向。(www.xing528.com)

乙醇发酵是指通过碳水化合物提取乙醇的过程。利用淀粉酿制的乙醇，被认为是一种重要的替代能源，可以用作交通运输行业所需要的液体燃料。目前在发酵生物的种类方面进行广泛的研究。利用生物质发酵生产液体燃料乙醇的技术，主要分为糖和淀粉原料发酵生产乙醇及转化纤维素生产乙醇。

纤维素发酵制取乙醇是制醇领域令人瞩目的技术，目前最主要的纤维素制乙醇方法有浓硫酸水解法、稀硫酸水解法、浓盐酸水解法及酶水解法。稀硫酸水解法已达到工业化水平，酶水解法还处于大力研究中，而浓硫酸和浓盐酸水解法已经通过试验研究。

生物质发酵产氢是利用微生物制氢，所用原料为生物质、有机废水等。我国学者提出了将光合细菌与发酵细菌联合处理高浓度有机废水持续产氢的最佳代谢模式，处理效率远比甲烷发酵高，处理成本低并可回收清洁能源氢，具有广泛的应用开发价值。

（六）生物质直接燃烧

生物质直接燃烧是生物质能最早被利用的传统方法，就是在不进行化学转化的情况下，将生物质直接作为燃料燃烧转换成能量的过程。燃烧过程所产生的能量主要用于发电或者供热。生物质直接作为燃料燃烧具有许多优点：

第一，资源化，使生物质真正成为能源，而不是产生能源产品替代物的原料；

第二，减量化，减少生物质利用后剩余物的量；

第三，无害化，直接燃烧生物质不会造成环境问题，真正达到了能源利用的无害化。

生物质直接燃烧主要分为生物质作为农用炉灶燃料直接燃烧和生物质作为锅炉燃料直接燃烧。

生物质在农用炉灶中燃烧的热效率一般为10%～15%，在省柴炉灶中燃烧的热效率为30%左右。生物质作为锅炉的燃料直接燃烧，其热效率远远高于作为农用炉灶燃料，甚至能接近化石燃料的水平。生物质作为锅炉燃料，与化石燃料（煤）相比具有许多优点，主要有：

（1）生物质含氢量稍多，挥发分明显较多。

（2）生物质含碳量少，含固定碳更少。

（3）生物质含氧量多。

（4）生物质密度较小。

（5）生物质含硫量低。

根据某项对生物质燃料燃烧过程的研究，得出以下结论：

（1）生物质燃料密度、结构松散，挥发分含量高，挥发分在250～350℃温度下大部分析出；

（2）挥发分析出后，疏松的焦炭会随着气流进入烟道，所以通风不能过强；

（3）挥发分燃尽后，受到灰烬包裹的焦炭较难燃尽。

所以，生物质燃料锅炉的设计要结合生物质燃烧的特点。目前的生物质燃料锅炉主要是流化床锅炉，因为流化床能很好地适应生物质燃料挥发分析出迅速、固定碳难以燃尽的特点，并能克服固定床燃烧效率低下的弊病，还具有燃料适应性好、负荷调节范围大、操作简单的优点。

瑞典、丹麦、德国等发达国家在流化床燃用生物质燃料技术方面具有较高的水平。我国以生物质为燃料的流化床锅炉的应用正在起步，哈尔滨工业大学、清华大学、华中理工大学、浙江大学等对流化床燃用生物质燃料技术进行了一系列的研究。当然，流化床锅炉燃用生物质燃料也存在一些缺点：

第一，锅炉体形大，成本高；

第二，生物质燃料的燃用需要经过一系列的预处理（例如生物质原料的烘干、粉碎等）；

第三，飞灰含碳量高于炉灰的含碳量，并且随着生物质挥发分的大量析出，焦炭的燃尽较为困难；

第四，生物质燃料蓄热能力小，必须采用床料来保证炉内温度水平，造成炉膛磨损严重，也影响了灰渣的综合利用。

国内研制出采用室燃与层燃相结合、燃用酒糟的锅炉，该锅炉物料从炉膛前上方喷入炉内，下落过程中酒糟逐渐被加热，大量挥发分开始析出，并在炉膛空间燃烧，同时物料颗粒在下落过程中也开始燃烧，较难燃尽的固定碳落在炉排上继续燃烧，燃烧速度快、效率高，负荷调节灵活方便。这项技术已经推广应用，五粮液酒厂已安装了多台燃酒糟锅炉，每年节省大量燃料，节能效果明显，并且极大地减轻了环境污染。由于酒糟与棕榈渣、椰子壳、稻壳等生物质燃料具有相近的燃烧特性，这种技术有望得到大面积的推广。

以上是生物质能利用的常用方法简介，从上面的介绍可知：固化、气化、液化、热解过程需要能量的投入，而且热解、液化过程需要投入的能量还比较大。固化、气化、液化、热解和发酵方式的设备成本比较高，而且这些方法并不能完全将生物质中的有用成分转化为产品。

生物质直接作为锅炉燃料燃烧，生物质能的利用效率很高，产生的能量可供发电、供热来满足各种需求，处理过程实现了减量化、资源化、无害化，且能置投入少。所以，如果能够实现经济、安全、高效地直接燃烧生物质燃料，将是解决未来的能源问题的重要途径，有利于人类社会的可持续发展。