在闡述生物質(zhì)能源開發(fā)利用意義的基礎(chǔ)上，針對(duì)現(xiàn)有的生物質(zhì)能利用技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了綜合分析，主要介紹了生物質(zhì)燃燒技術(shù)、生物質(zhì)氣化技術(shù)和生物質(zhì)液化技術(shù)以及生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程，指出了在目前形勢(shì)下，大力發(fā)展生物質(zhì)能利用技術(shù)具有廣闊的前景。

　　生物質(zhì)能是地球上最普遍的一種潔凈而又可再生的能源，其原料資源量大而廣，可開發(fā)潛力巨大。目前，全球生態(tài)系統(tǒng)生物質(zhì)能年產(chǎn)量約為全球總能耗量的6~10倍。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球生物質(zhì)資源潛力達(dá)100億t干生物質(zhì)，僅森林、草原、耕地的生物質(zhì)產(chǎn)量就有50億t干生物質(zhì)，相當(dāng)于20億t標(biāo)準(zhǔn)煤。我國(guó)的生物質(zhì)能資源總量估計(jì)可達(dá)6.5億t標(biāo)煤以上。用現(xiàn)代技術(shù)開發(fā)利用包括生物質(zhì)能在內(nèi)的可再生能源資源，對(duì)于建立持續(xù)發(fā)展的能源系統(tǒng)，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的改善具有重大意義。

　　1生物質(zhì)能利用概述

　　目前各國(guó)極為重視生物質(zhì)能的研發(fā)和應(yīng)用。美國(guó)各種形式的生物質(zhì)能源占可再生能源的45%，占全國(guó)消耗能源的4%，裝機(jī)容量達(dá)7000MW，據(jù)預(yù)測(cè)，到2010年生物質(zhì)發(fā)電將達(dá)到13000MW裝機(jī)容量。歐盟生物質(zhì)能源約占總能源消耗的4%，15年后預(yù)計(jì)可達(dá)15%。丹麥主要利用秸稈發(fā)電，使可再生能源占全國(guó)能源消費(fèi)總量的24%。瑞典也非常重視生物質(zhì)能的開發(fā)利用技術(shù)，生物質(zhì)能的利用已占全國(guó)總能耗的16.1%，達(dá)到55億kWh。生物質(zhì)能的研究開發(fā)已成為世界熱門課題之一，得到各國(guó)政府和科學(xué)家的普遍關(guān)注。

　　圖1給出生物質(zhì)能綜合利用方案?？梢灶A(yù)計(jì)，未來(lái)二三十年內(nèi)生物質(zhì)能源最有可能成為21世紀(jì)主要的新能源之一。生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)換利用技術(shù)主要有兩種：熱化學(xué)技術(shù)和生物化學(xué)技術(shù)，此外，還有機(jī)械萃取方法。熱化學(xué)技術(shù)包括直接燃燒技術(shù)、熱解氣化技術(shù)和液化技術(shù)等，通過(guò)熱化學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化成優(yōu)質(zhì)的氣、液和固體燃料；生物化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)，通過(guò)微生物發(fā)酵和制氫轉(zhuǎn)換為液體或氣體燃料。

　　2生物質(zhì)熱化學(xué)技術(shù)

　　生物質(zhì)熱化學(xué)技術(shù)是將能量密度低的低品位能源轉(zhuǎn)變成高品位能源的最直接方式。其中氣化和液化技術(shù)是生物質(zhì)熱化學(xué)利用的主要形式。

　　2.1生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)

　　生物質(zhì)在空氣中燃燒是人類利用生物質(zhì)能歷史最悠久的、應(yīng)用范圍最廣的一種基本能量轉(zhuǎn)化利用方式，包括爐灶燃燒和鍋爐燃燒技術(shù)。傳統(tǒng)的爐灶轉(zhuǎn)化效率不到10%，即使是優(yōu)化的省柴灶也不過(guò)0%~25%。爐灶燃燒能量利用水平低，衛(wèi)生條件差，但是在我國(guó)經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的農(nóng)村特別是中西部地區(qū)仍是主要的生活用能方式。

　　鍋爐燃燒技術(shù)是更高效率的直接利用技術(shù)，以生物質(zhì)為燃料鍋爐主要也是用來(lái)大規(guī)模集中發(fā)電、供熱和采暖，在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的歐美國(guó)家和巴西應(yīng)用較多，例如奧地利Arbesthal集中供熱系統(tǒng)，美國(guó)賓夕法尼亞州Viking木材發(fā)電廠，都是世界上成功運(yùn)行的先例。15~715MW規(guī)模不等的流化床鍋爐已商業(yè)化運(yùn)行20a，美國(guó)就有100多座。瑞典、丹麥、德國(guó)等國(guó)家在流化床燃用生物質(zhì)燃料技術(shù)方面具有較高的水平。

　　生物質(zhì)能燃燒的凈生物能轉(zhuǎn)化效率為20%~40%，負(fù)荷達(dá)100MW以上或采用與煤共混燃燒技術(shù)時(shí)可以得到更高的轉(zhuǎn)化效率。大型燃煤電廠將生物質(zhì)與礦物燃料聯(lián)合燃燒已成為新的概念，如將木材及其廢棄物、農(nóng)業(yè)廢棄物和城市生活垃圾燃燒發(fā)電或直接供熱，目前燃燒功率可達(dá)到50MW。美國(guó)這方面比較領(lǐng)先，相關(guān)的發(fā)電裝機(jī)容量已達(dá)750萬(wàn)kW。我國(guó)也已經(jīng)開始混燃發(fā)電的相關(guān)嘗試，但是堿金屬結(jié)渣是生物質(zhì)鍋爐燃燒轉(zhuǎn)化技術(shù)中最棘手的難題，還有待于理論上的突破與解決。

　　生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電技術(shù)投資較高，大規(guī)模使用時(shí)效率也較高，但要求生物質(zhì)集中，達(dá)到一定的資源供給量，降低投資和運(yùn)行成本是其未來(lái)發(fā)展方向。由于生物質(zhì)結(jié)構(gòu)蓬松，堆積密度大，不容易儲(chǔ)存和運(yùn)輸。經(jīng)過(guò)機(jī)械加壓將粉碎后的生物質(zhì)擠壓成致密的條形或顆粒形的成型燃料的工藝稱為致密成型技術(shù)。經(jīng)過(guò)這樣的固化處理后，生物質(zhì)的品位提升，強(qiáng)度增加，儲(chǔ)運(yùn)更加便捷。固化技術(shù)的耗能是該技術(shù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。

　　目前我國(guó)在生物質(zhì)燃燒發(fā)電方面技術(shù)發(fā)展相對(duì)落后，大量薪材和作物秸稈長(zhǎng)期僅僅作為農(nóng)村生活用能資源使用，利用率極低，燃燒還產(chǎn)生煙塵、NOx和SO2等污染物。為了開發(fā)和利用生物質(zhì)能，龍基電力公司于2004年從丹麥引進(jìn)世界先進(jìn)的生物質(zhì)直燃發(fā)電技術(shù)。截至2007年底，我國(guó)共有10家生物發(fā)電廠陸續(xù)建成投產(chǎn)并網(wǎng)發(fā)電。

　　與走在生物質(zhì)能發(fā)電前列的國(guó)家相比，中國(guó)的生物質(zhì)發(fā)電扶持政策遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。投資成本巨大、產(chǎn)業(yè)門檻過(guò)高使生物質(zhì)能發(fā)電發(fā)展并不順利?？傮w來(lái)看，生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)在我國(guó)目前還處于起步階段，產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱，自身經(jīng)濟(jì)效益不高，與常規(guī)大型燃煤發(fā)電廠相比缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。國(guó)產(chǎn)生物質(zhì)發(fā)電鍋爐的制造尚處于試驗(yàn)示范階段，還沒有擺脫對(duì)國(guó)外技術(shù)或進(jìn)口設(shè)備的依賴，對(duì)生物質(zhì)直燃發(fā)電廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)也十分缺乏。

　　2.2生物質(zhì)氣化

　　生物質(zhì)氣化是開展較早且較為成熟的生物質(zhì)規(guī)?；眉夹g(shù)之一，不僅可以實(shí)現(xiàn)居民生活集中供氣、供熱，還能實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)馔钙降仍O(shè)備的發(fā)電，是高轉(zhuǎn)化效率的先進(jìn)工藝。生物質(zhì)氣化技術(shù)起源于18世紀(jì)末，經(jīng)歷了上吸式固定床氣化器、下吸式固定床氣化器、流化床氣化器等發(fā)展過(guò)程。在生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)方面，歐美等國(guó)處于領(lǐng)先水平。美國(guó)研制出生物質(zhì)整體氣化聯(lián)合循環(huán)技術(shù)(BIGCC)氣化效率保持在75%，輸出能量可達(dá)到4萬(wàn)MJ/h。采用該技術(shù)的30~60MW的發(fā)電廠的能量利用效率可以達(dá)到40%~50%。最近出現(xiàn)的IGCC和HATC作為先進(jìn)的生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)，己在世界上不同地區(qū)(如巴西、美國(guó)和歐洲聯(lián)盟)建成示范裝置，規(guī)模為0.5~3MW(HATC)、7~30MW(IGCC)，發(fā)電效率達(dá)35%~40%。德國(guó)、意大利、荷蘭等國(guó)家也在生物質(zhì)氣化技術(shù)方面開展了大量的研究工作，產(chǎn)品已進(jìn)入商業(yè)推廣階段。總體上看，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家研制的生物質(zhì)氣化裝置規(guī)模較大，自動(dòng)化程度高，工藝復(fù)雜；以發(fā)電和供熱為主，造價(jià)較高。

　　為滿足發(fā)展中國(guó)家農(nóng)村用能的需要，一些國(guó)家研究了小型生物質(zhì)氣化設(shè)備。如孟加拉國(guó)建成下吸式氣化裝置投入運(yùn)行，馬來(lái)西亞用固定床氣化發(fā)電。印度以稻殼和可可殼為原料，研制出3.7~100kW多種規(guī)格的上吸式氣化爐生物質(zhì)氣化發(fā)電裝置。

　　與發(fā)達(dá)國(guó)家生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)換利用技術(shù)相比，我國(guó)很多科研單位雖然在相關(guān)方面取得了較為顯著的成果，但是仍然有很大差距。中國(guó)農(nóng)機(jī)院開發(fā)了ND系列生物質(zhì)氣化爐和家用小型生物質(zhì)煤氣爐灶，中科院廣州能源研究所研制了上吸式氣化爐，山東省能源研究所研制出燃用農(nóng)作物秸稈(以玉米稈為主)的固定床氣化爐。浙江大學(xué)在固定床氣化爐的基礎(chǔ)上發(fā)展了中熱值氣化技術(shù)。中科院廣州能源研究所在三亞建成的大型1MW生物質(zhì)(木屑)氣化發(fā)電廠已投入使用，但開發(fā)的4MW生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)在穩(wěn)定運(yùn)行、焦油清除、氣體凈化等技術(shù)上還需要提高。

　　為解決生物質(zhì)氣化過(guò)程中氣化不完全產(chǎn)生的焦油、顆粒、堿金屬、含氮化合物等不同濃度的污染物，人們正研究采用催化劑來(lái)提高氣化率和消除氣化中的焦油。尋找低成本和高熱值的生物質(zhì)氣化技術(shù)是生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。

　　2.3生物質(zhì)液化技術(shù)

　　生物質(zhì)液化技術(shù)可以將生物質(zhì)廢棄物轉(zhuǎn)化為燃料油。生物燃油是替代燃料的主要來(lái)源，據(jù)預(yù)測(cè)，到2050年生物質(zhì)至少能提供38%的燃料。美國(guó)能源部計(jì)劃到2050年達(dá)到交通運(yùn)輸燃料的30%由生物燃油替代。生物質(zhì)液化技術(shù)分為直接液化與間接液化。直接液化技術(shù)主要指熱化學(xué)法生產(chǎn)生物油；間接液化是模仿煤基間接液化，通過(guò)費(fèi)托合成制取液體燃料的技術(shù)。

　　2.3.1直接液化技術(shù)

　　直接液化技術(shù)分為兩種：一種是高壓液化技術(shù)，包括催化液化和超臨界液化。歐美等國(guó)正積極開展這方面的研究工作，包括超臨界水液化纖維生物質(zhì)、超臨界水和超臨界甲醇液化木質(zhì)素生物質(zhì)等技術(shù)。我國(guó)還沒有見到相關(guān)的研究成果。另一種液化技術(shù)是在常壓下進(jìn)行的生物質(zhì)快速(閃速)熱裂解技術(shù)。

　　目前許多國(guó)家都先后開展了這方面的研究工作，開發(fā)了很多不同的熱裂解工藝，快速熱裂解的反應(yīng)器主要分為如下幾類：(1)機(jī)械接觸式反應(yīng)器。典型的有英國(guó)Aston大學(xué)的燒蝕熱裂解反應(yīng)器、美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)提出的渦流反應(yīng)器及荷蘭Twente大學(xué)設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器等；(2)間接式反應(yīng)器。如美國(guó)Washington大學(xué)的熱輻射反應(yīng)器；(3)混合式反應(yīng)器。如加拿大Waterloo大學(xué)的流化床熱裂解系統(tǒng)、加拿大Ensyn提出的循環(huán)流化床反應(yīng)器和美國(guó)喬治亞理工學(xué)院(GIT)開發(fā)的攜帶床反應(yīng)器等。相比于前兩種類型，國(guó)外已開發(fā)并且試圖規(guī)模化的生物質(zhì)熱裂解液化反應(yīng)裝置側(cè)重于第三類，尤其是應(yīng)用流化床技術(shù)的生物質(zhì)熱裂解反應(yīng)器。

　　Ensyn公司最早建立了商業(yè)規(guī)模的快速熱裂解裝置，當(dāng)前最大生產(chǎn)能力可達(dá)到75t/d生物質(zhì)的消耗量。加拿大達(dá)茂科技公司利用鼓泡流化床生物質(zhì)反應(yīng)器于1997年成立了可日產(chǎn)半噸生物油的示范廠。2006年在加拿大安大略省西洛恩鎮(zhèn)建成日耗100t生物質(zhì)的快速熱裂解裝置。BTG公司基于荷蘭Twente大學(xué)的旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器技術(shù)，2005年在馬來(lái)西亞建成一座50t/d的生物油廠。

　　由于傳統(tǒng)的熱解技術(shù)不適合濕生物質(zhì)的熱轉(zhuǎn)化，歐洲很多國(guó)家己開始研究新的熱解技術(shù)Hydro Thermal Upgrading(HTU)。該技術(shù)將濕木片或生物質(zhì)溶于水中，經(jīng)高壓軟化并液化后進(jìn)行經(jīng)脫羧基作用，移去氧，從而產(chǎn)生生物油。荷蘭Shell公司試驗(yàn)表明：通過(guò)催化，可獲得高質(zhì)量的汽油和粗汽油。

　　近幾年來(lái)，我國(guó)陸續(xù)開展生物質(zhì)熱解液化的研究。沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)最早從荷蘭BTG引進(jìn)一套50kg/h旋轉(zhuǎn)錐閃速熱裂解裝置并進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)研究。浙江大學(xué)建立了流化床快速熱裂解試驗(yàn)中試裝置、。中國(guó)科學(xué)院廣州能源所發(fā)明了自熱式循環(huán)流化床生物質(zhì)熱解油化裝置(專利號(hào)ZL01242632.6)，并進(jìn)行熱解液化熱態(tài)小試及中試。中國(guó)科技大學(xué)則提出低成本無(wú)污染的生物質(zhì)液化工藝及裝置(專利號(hào)ZL01134142.4)。山東理工大學(xué)開發(fā)出離心分離陶瓷球加熱下降管熱裂解液化工業(yè)示范裝置，達(dá)到200kg/h加工能力；東北林業(yè)大學(xué)開發(fā)了高速旋轉(zhuǎn)錐液化裝置；上海理工大學(xué)建立了小型旋轉(zhuǎn)錐熱解裝置。目前這些工作尚處于起步階段。

　　2.3.2間接液化技術(shù)

　　間接液化技術(shù)是先通過(guò)氣化得到以CO、CH4和H2為主的生物質(zhì)合成氣，然后將合成氣經(jīng)過(guò)催化重整調(diào)配碳?xì)浔龋倮么呋に嚭铣杉状?、二甲醚和烷烴(柴油)等的過(guò)程。間接液化得到的是與傳統(tǒng)化石燃燒類似的碳?xì)淙剂?，能夠直接用作?dòng)力和交通燃料，具有較高的性能。但是間接液化工藝復(fù)雜，最后一步的催化合成對(duì)合成氣比例、潔凈程度要求非常高，目前生物質(zhì)合成氣制備技術(shù)還不成熟。

　　生物質(zhì)間接液化的第一步是制取合成氣，這種以生產(chǎn)合成氣為目標(biāo)的氣化過(guò)程稱為生物質(zhì)定向氣化，其目的是使木質(zhì)纖維素盡可能多地轉(zhuǎn)化為富含H2、CO和CO2的混合氣體，以減輕后續(xù)重整變換的難度，不以合成氣熱值為追求目標(biāo)。以下措施有助于實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)的定向氣化：提高氣化反應(yīng)溫度；采用純氧和水蒸氣復(fù)合作為氣化劑；延長(zhǎng)反應(yīng)物在氣化爐內(nèi)的滯留時(shí)間；提高氣化反應(yīng)的運(yùn)行壓力。高效、清潔的生物質(zhì)定向氣化技術(shù)是生物質(zhì)利用中重要的上游技術(shù)，生物質(zhì)定向氣化的關(guān)鍵技術(shù)在于選擇性的提高，高活性和高選擇性催化劑及反應(yīng)器的開發(fā)等。

　　3生物化學(xué)技術(shù)

　　生物化學(xué)轉(zhuǎn)化包括生物發(fā)酵(產(chǎn)生乙醇)和厭氧性消化(產(chǎn)生沼氣)以及生物制氫技術(shù)。

　　3.1生物發(fā)酵

　　通過(guò)發(fā)酵方法制取生物乙醇，有兩種途徑：一是糧食類，以玉米等淀粉類和甘蔗汁、砂糖等糖蜜類物質(zhì)為主要原料；另一類則是以農(nóng)業(yè)廢棄物(秸稈、玉米芯、大豆渣、甘蔗渣等)、工業(yè)廢棄物(紙漿纖維渣、鋸末等)、城市廢棄物(廢紙、包裝紙等)及林業(yè)廢棄物等纖維素含量較高的物質(zhì)為發(fā)酵原料。采用淀粉和纖維素類原料生產(chǎn)乙醇，可分為三個(gè)階段：大分子生物質(zhì)分解成葡萄糖、木糖等單糖分子，單糖分子經(jīng)糖酵解形成二分子丙酮，然后無(wú)氧條件下丙酮酸被還原成二分子乙醇，并釋放CO2；糖類作物不經(jīng)過(guò)第一階段，進(jìn)入糖酵解與乙醇還原過(guò)程。纖維素作物中的纖維素成分分解成六碳糖，半纖維素則分解成五碳糖。

　　工業(yè)上利用糧食如含糖或淀粉的甘蔗、玉米和甘薯等原料發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的技術(shù)已趨成熟并規(guī)模化應(yīng)用。但利用雜草、秸稈等含大量纖維素的植物發(fā)酵生產(chǎn)乙醇技術(shù)正在開發(fā)中。使用纖維素原料制取乙醇，工藝復(fù)雜，成本較高，利用六碳糖生產(chǎn)乙醇技術(shù)非常成熟，但是五碳糖發(fā)酵生產(chǎn)乙醇技術(shù)相對(duì)落后。找到適用于木質(zhì)素的高效酶技術(shù)和應(yīng)用嗜熱厭氧微生物和重組菌種直接生物轉(zhuǎn)化為乙醇是該領(lǐng)域的兩個(gè)重要方向。

　　目前，在生物化學(xué)法生產(chǎn)乙醇技術(shù)方面比較好的國(guó)家和地區(qū)是巴西、美國(guó)和歐盟。美國(guó)和巴西分別用玉米和甘蔗大量生產(chǎn)乙醇。1975年以來(lái)，巴西為擺脫對(duì)石油的依賴，開展了世界最大規(guī)模的燃料乙醇開發(fā)計(jì)劃，目前巴西是世界上最大的燃料乙醇生產(chǎn)國(guó)、出口國(guó)和消費(fèi)國(guó)，年生產(chǎn)能力達(dá)1500萬(wàn)，t70%使用乙醇汽油燃料汽車，是世界上唯一在全國(guó)不供應(yīng)純汽油的國(guó)家。美國(guó)是燃料乙醇的主要生產(chǎn)國(guó)之一，早在20世紀(jì)30年代就開展了燃料乙醇的研究及應(yīng)用。2005年美國(guó)乙醇產(chǎn)量達(dá)1200萬(wàn)，t2006年美國(guó)新增產(chǎn)能540萬(wàn)t。

　　為節(jié)約糧食，許多國(guó)家開展了非糧作物如甜高粱及木薯制乙醇工藝的研究與開發(fā)，如我國(guó)863計(jì)劃中/甜高粱制取乙醇的實(shí)施。從原料供給及社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益來(lái)看，用含纖維素較高的農(nóng)林廢棄物生產(chǎn)乙醇是比較理想的工藝路線。

　　纖維素類生物質(zhì)制乙醇是把木質(zhì)纖維素水解制取葡萄糖，然后將葡萄糖發(fā)酵生成燃料乙醇的技術(shù)。但是纖維素水解只有在催化劑存在的情況下才能有效進(jìn)行。常用的催化劑是無(wú)機(jī)酸和纖維素酶，由此分別形成了酸水解工藝和酶水解工藝。我國(guó)在這方面開展了許多研究工作，如華東理工大學(xué)開展了以稀鹽酸和氯化亞鐵為催化劑的水解工藝及水解產(chǎn)物葡萄糖與木糖同時(shí)發(fā)酵的研究，轉(zhuǎn)化率在70%以上。

　　中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所開展了纖維素生物酶分解固態(tài)發(fā)酵糖化乙醇的研究。以美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)為代表的研究者，通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)得到了能發(fā)酵五碳糖的酵母菌種，開發(fā)了同時(shí)糖化發(fā)酵工藝，并建成了具有一定規(guī)模的中試工廠，但由于關(guān)鍵技術(shù)未有突破，生產(chǎn)成本一直居高不下。綜上所述，纖維素類水解發(fā)酵是目前制取乙醇的難點(diǎn)，這一技術(shù)的突破將使生物質(zhì)的生化轉(zhuǎn)換效率大幅度提高，從而大大提高該技術(shù)的工業(yè)化步伐。

　　3.2厭氧性消化

　　厭氧性消化產(chǎn)生CH4(體積分?jǐn)?shù)55%~65%)和CO2(體積分?jǐn)?shù)30%~40%)氣體混合物。商業(yè)運(yùn)行的厭氧消化器容量達(dá)2000m3，產(chǎn)生的沼氣直接用于炊事、供暖以及作為燃料供內(nèi)燃機(jī)發(fā)電。

　　沼氣發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)在污水處理、堆肥制造、人畜糞便、農(nóng)作物秸稈和食品廢物處理等方面得到廣泛應(yīng)用，反應(yīng)器類型以厭氧式結(jié)構(gòu)為主。目前沼氣發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)已將產(chǎn)氣與發(fā)電相結(jié)合。2005年歐盟范圍內(nèi)建成使用的沼氣化垃圾處理廠約有百余家，處理有機(jī)垃圾量達(dá)350萬(wàn)t。

　　目前，使用再生能源(風(fēng)能和太陽(yáng)能)政策較好的國(guó)家，如德國(guó)和瑞士，更是傾向發(fā)展沼氣化處理垃圾技術(shù)。西班牙也在大力推廣該項(xiàng)技術(shù)，巴塞羅那新建了三座沼氣化垃圾處理工廠。在法國(guó)，10余個(gè)新建項(xiàng)目正在計(jì)劃之中。此外日本的朝日、麒麟等幾個(gè)大啤酒廠都已配套建成了200kW的燃料電池發(fā)電機(jī)組；京都市將食物廢渣集中發(fā)酵，并從所產(chǎn)沼氣中提取氫氣供燃料電池發(fā)電；還有公司成功利用下水污泥生產(chǎn)沼氣或提取氫氣。

　　我國(guó)的沼氣應(yīng)用歷史很長(zhǎng)，在農(nóng)村、農(nóng)場(chǎng)和鄉(xiāng)村工廠的應(yīng)用效果都很好。2005年全國(guó)戶用沼氣池總產(chǎn)氣量70.6億m3，生活污水凈化沼氣池總池容636.91萬(wàn)m3，大中型沼氣工程總池容172.4萬(wàn)m3，年產(chǎn)氣量3.4億m3。杭州、天津、山東濟(jì)陽(yáng)、濰坊、北京、廣州、馬鞍山等已利用垃圾填埋場(chǎng)進(jìn)行沼氣發(fā)電。與熱化學(xué)過(guò)程相比，生物化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)其轉(zhuǎn)化反應(yīng)活化能低，在一個(gè)容器內(nèi)可以進(jìn)行多步反應(yīng)，產(chǎn)率高，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)專一，可利用含水量高的生物質(zhì)原料。但是該類技術(shù)反應(yīng)速度慢，操作復(fù)雜，催化劑再生成本較高。

　　據(jù)估計(jì)，生物質(zhì)生物化學(xué)轉(zhuǎn)化的運(yùn)行成本是熱化學(xué)轉(zhuǎn)化的3倍。另外，目前采用的沼氣發(fā)酵技術(shù)耗水量大，也大大增加了投資成本和運(yùn)行管理費(fèi)用。發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的殘?jiān)^多，容易成為惡臭來(lái)源。對(duì)固體狀有機(jī)質(zhì)沼氣發(fā)酵工藝、技術(shù)、設(shè)施開發(fā)的研究還不多。厭氧消化技術(shù)中的微生物代謝能量學(xué)、生物膜動(dòng)力學(xué)、懸浮污泥系統(tǒng)與生物膜系統(tǒng)反應(yīng)器內(nèi)的非均相動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)的基礎(chǔ)研究均有待加強(qiáng)。

　　3.3生物制氫技術(shù)

　　廣義上講，生物制氫是指所有利用生物產(chǎn)生氫氣的方法，包括微生物產(chǎn)氫和生物質(zhì)氣化熱解產(chǎn)氫等。狹義上講，生物制氫僅指微生物產(chǎn)氫，包括光合細(xì)菌(或藻類)產(chǎn)氫和厭氧細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)氫等。

　　目前一般采用的方法有光合生物產(chǎn)氫、發(fā)酵細(xì)菌產(chǎn)氫、光合生物與發(fā)酵細(xì)菌的混合培養(yǎng)產(chǎn)氫。作為生物制氫技術(shù)中研究最早的制氫途徑，藻類(藍(lán)細(xì)菌)能直接利用水和太陽(yáng)光進(jìn)行產(chǎn)氫，被認(rèn)為是最具有前途的制氫途徑，也是目前生物制氫中研究最多的技術(shù)。目前，美國(guó)、日本、歐盟、中國(guó)等在藻類分子生物學(xué)、耐氧藻類開發(fā)、促進(jìn)劑等技術(shù)領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展，并開發(fā)了各式生物反應(yīng)器，完成了藻類制氫從實(shí)驗(yàn)室逐步走向?qū)嵱玫霓D(zhuǎn)化。但藻類產(chǎn)氫不穩(wěn)定且易被其副產(chǎn)品氧氣所抑制。與藻類相似，藍(lán)細(xì)菌在產(chǎn)氫的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生氧氣，而氧是固氮酶的抑制劑。通過(guò)基因工程改變?cè)孱惖幕驈亩岣咴孱惸脱跄芰κ悄壳暗闹饕芯績(jī)?nèi)容。

　　厭氧細(xì)菌產(chǎn)氫也被認(rèn)為是較為理想的產(chǎn)氫途徑，引起了國(guó)內(nèi)外氫能科技工作者的重視，我國(guó)在厭氧產(chǎn)氫細(xì)菌選育、產(chǎn)氫機(jī)理和工程技術(shù)等方面取得了令人矚目的研究進(jìn)展。但厭氧細(xì)菌在發(fā)酵制氫過(guò)程中存在產(chǎn)氫量和原料利用率低的問(wèn)題，制約了厭氧細(xì)菌產(chǎn)氫技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用與發(fā)展。

　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)在厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫技術(shù)上取得了一定的成果，通過(guò)選育得到了高轉(zhuǎn)化細(xì)菌，建立了非固定化連續(xù)流混合菌發(fā)酵方法，已完成500~1000m3/d的中試試驗(yàn)，目前正建立600m3/d的工業(yè)化試驗(yàn)裝置，成本低于水電解法制氫成本。

　　光合細(xì)菌對(duì)光的轉(zhuǎn)化效率高，但它只對(duì)特定波長(zhǎng)的光線有吸收作用，而提供充分的波長(zhǎng)合適的光能又會(huì)消耗大量的能源，光源的維護(hù)與管理變得復(fù)雜，使產(chǎn)業(yè)化制氫難度變大。國(guó)內(nèi)的河南農(nóng)業(yè)大學(xué)對(duì)光合產(chǎn)氫進(jìn)行了較系統(tǒng)的深入研究，并取得了一些重要進(jìn)展。

　　雖然在發(fā)酵法制取氫氣的研究上已經(jīng)取得了很大的成績(jī)，但是這種技術(shù)至今沒有被廣泛地利用。另外，對(duì)于生物制氫，氫氣的純化與儲(chǔ)存是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。生物法制氫產(chǎn)物中氫氣體積分?jǐn)?shù)通常為60%~90%，氣體中可能混有CO2、O2和水蒸氣等。有人嘗試使反應(yīng)氣體通過(guò)鈀-銀膜，以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)與分離的耦合。

　　目前，生物制氫需要解決的問(wèn)題及研究重點(diǎn)主要可概括為以下幾個(gè)方面：(1)氫氣形成的生物化學(xué)機(jī)制研究。(2)高產(chǎn)菌株的選育。(3)光的轉(zhuǎn)化效率及轉(zhuǎn)化機(jī)制方面的研究。(4)原料利用種類的研究。(5)制氫反應(yīng)器內(nèi)傳輸機(jī)理與特性及產(chǎn)氫動(dòng)力學(xué)方面的研究。(6)氫氣與其他混合氣分離工藝的研究。(7)副產(chǎn)物利用方面的研究。(8)反應(yīng)器最優(yōu)設(shè)計(jì)與控制等。

　　4結(jié)語(yǔ)

　　開發(fā)生物質(zhì)能已經(jīng)成為世界各國(guó)的共識(shí)。開發(fā)生物質(zhì)能源將涉及農(nóng)村發(fā)展、能源開發(fā)、環(huán)境保護(hù)、資源保護(hù)、國(guó)家安全和生態(tài)平衡等諸多利益，具有重要的戰(zhàn)略意義和現(xiàn)實(shí)意義。目前我國(guó)生物能源與生物化工產(chǎn)業(yè)處于起步階段。我國(guó)生物質(zhì)的發(fā)展既要學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，又要強(qiáng)調(diào)自己的特色，因地制宜，積極開展多種生物質(zhì)能利用技術(shù)。從資源潛力、生產(chǎn)成本以及可能發(fā)揮的作用分析，包括生物燃油產(chǎn)業(yè)化在內(nèi)的生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)化開發(fā)技術(shù)將成為中國(guó)能源可持續(xù)發(fā)展的新動(dòng)力。

　　從環(huán)保、能源安全和資源潛力綜合考慮，在中國(guó)推進(jìn)包括以沼氣、秸稈、林產(chǎn)業(yè)剩余物、海洋生物、工業(yè)廢棄物為原料的生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)化的前景將十分廣闊。2006年1月1日，5可再生能源法6在我國(guó)正式實(shí)施。2007年12月，5能源法6征求意見稿對(duì)外發(fā)布，其中直接把支持生物質(zhì)能源等新能源的發(fā)展寫進(jìn)了法案中，這也預(yù)示著國(guó)家將會(huì)在政策、補(bǔ)貼、研究等方面對(duì)生物質(zhì)能源的開發(fā)和利用優(yōu)先支持。在國(guó)家政策的扶持下，中國(guó)生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)的布局將會(huì)得到改善、產(chǎn)業(yè)鏈將逐步完善。

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