生物能源的开发利用及生物能源的生产技术研究现状论文

生物能源的开发利用及生物能源的生产技术研究现状摘要：根据国内的研究材料，阐述当前生物能源的开发利用及生物能源的生产技术研究现状，并结合我国情况展望了未来生物能源的发展前景。随着全球人口和经济规模的不断增长，能源急剧应用所带来的碳排放飙升和温室效应为人们所认识和担忧。在这样的大背景下，低碳经济概念应运而生。而加快替代能源的研究也变得刻不容缓。各国开始关注生物能源的开发和研究来代替化石燃料，生物能源因其环境污染物释放量少、对环境无污染、经济可靠、可再生持续利用等特点，被称为“绿色”能源。已经成为当今国际上研发热点。20世纪70年代后，两次石油危机相继出现，给全球的经济造成巨大损失，能源问题成了全世界共同面临的难题。据专家预计，如果按照当前的水平来开采世界已探明的能源，煤炭资源可开采100a，天然气50—60a，石油在100a后将被耗尽。另外，化石燃料燃烧产生的CO2，会产生温室效应，产生其他的气体,如氮硫的氧化物等，严重影响环境，所引发的灾害性气候等问题造成的全球经济损失每年达数千亿美元。近年来生物能源的发展速度之快、影响之大远远超出了人们的想象。日前全球生物能源的总产量近800亿升，主要生产者是美国、巴西、欧盟及加拿大，占全球生物能源总量的90%以上。生物能源在美国可再生能源中所占的比例最大，从1998年的43%增加到2008年的53%。美国前总统布什在签署的一项能源发展计划中明确支持生物能源的生产，到2022年，生物能源的产量将达1360亿升。生物能源,是指利用生物可再生原料及太阳能生产的能源，包括生物质能、生物液体燃料及利用生物质生产的能源，如燃料酒精、生物柴油、生物质气化及液化燃料、生物制氢等。生物能源不含硫，其碳循环是动态的，能源植物通过光合作用固定二氧化碳和水，将太阳能以化学能形式储藏在植物中，是一种可再生的环保型新能源。因此，开发生物能源是解决能源危机和保护生态环境的有效途径。同时发展生物能源和种植油料作物可绿化荒山、滩涂、盐碱地。我国南方约有2千万hm荒山荒坡，北方有1亿hm盐碱地，利用荒山荒坡和盐碱地、荒滩、沙地种植能源植物既不占宝贵的耕地资源，又可提供大量的生产原料。根据国内的研究材料，阐述当前生物能源的开发利用及生物能源的生产技术研究现状，结合我国情况展望了未来生物能源的发展前景。我国开发与利用生物能源的重要性目前人类所普遍使用的能源是化石能源，主要是石油、煤炭等，这些化石能源有其致命的缺点：一是化石能源是不可再生能源，地球储量有限，快速的经济增长使得地球上可供使用的不可再生能源日趋枯竭：二是化石能源在其使用过程中产生大量的污染，造成的环境危机已经非常严重。由于能源与人类的生产、生活密切相关，能源革命对人类经济与社会的影响，对人类生产方式、生活方式和思维方式的影响也是目前其他任何技术革命所无法比拟的闭。因此，人类应及早寻求新的能源革命来摆脱以上两大危机。开发利用生物能源是调整能源结构、保障能源安全的重要措施；是保护环境、实现可持续发展的重要途径：是促进农村经济发展、建设社会主义新农村的重要举措。而我国经济发展面临的能源制约瓶颈，发展新能源被视为解决中国能源瓶颈的方法之一。早在《十一五规划的建议》中，就明确提出“加快发展风能、太阳能、生物能源等可再生能源”。按照近期出台的新能源振兴规划初稿，到2020年中国计划总投资超3万亿。生物能源的发展不仅关系到国家的能源战略、科技战略、“三农”问题和生态环境，也关系到地方经济长远发展和竞争力水平。生物能源产业的兴起与发展必然会对农业产业化、农村工业化、城乡一体化具有明显的促进作用。所以开发和利用生物能源是非常重要的。目前生物能源开发利用方式1.生物乙醇(bioethano1)燃料乙醇是目前世界上生产和使用量最大的生物质能源，用玉米、小麦、木薯、甘蔗等作为发酵乙醇的工业原料，工艺装备技术成熟。乙醇作为燃料具有热值大、燃烧充分等优点，并能够与现行的内燃机有较好的相容性。无水乙醇和汽油以一 定比例混合可作为车用燃料，乙醇在混合物中的比例不超过25％时，可以利用原有的汽车发动机；而纯度为92．6％一93．8％的含水乙醇，能够直接作为车用燃料，但需使用专门设计的具有更高压缩比的发动机。目前的燃料乙醇要是指无水乙醇，在汽油中添加一定比例的乙醇，不仅提高汽油辛烷值、清洁引擎、使汽油燃烧更充分，而且减少25％一40％尾气有害物质的排放量。植物纤维素是地球上最丰富、最廉价的可再生资源，植物每年通过光合作用，能产生高达15．5*10¹ºt纤维素类物质，其中纤维素、半纤维素的总量为8．5×10¹ºt。研究开发纤维素的转化技术，对开发新能源，保护环境具有非常重要的现实意义。利用纤维素资源生产生物乙醇被认为是解决能源危机的最为理想的办法。纤维素通过酶法或者化学转化，可降解成葡萄糖、木糖等物质，进一步通过工业发酵，形成生物乙醇替代石油。但纤维素大分子的降解一直是生产环节中的难点。一旦纤维素的转化解决了技术经济成本的难题，人类利用生物能源替代化石能源理想就有望实现。我国开发生物燃料乙醇开始于2O世纪末。2001年国家投资50亿元在黑龙江、吉林、安徽河南省建立了4个定点大型陈化粮(玉米、小麦)乙醇生产企业，年生产能力130万t。2007年又在广西建立以木薯为原料的广西中粮生物质能有限责任公司，年设计产量2O万t，于2007年底建成投产。目前我国全封闭使用乙醇汽油的有黑龙江、吉林、辽宁、河南、安徽、广西6省区，此外还有江苏、山东、湖北、河北等省部分城市。我国已成为世界上继巴西、美国之后第三大生物燃料乙醇生产国和应用国。1.生物柴油(biodiese1)开发生物柴油替代石化柴油已成为新能源开发的重要途径之一。生物柴油可以由植物油脂通过酯交换反应来制备，可作为燃料直接应用于大多数的柴油引擎中，燃烧特性方面优于石化柴油，具有突出的环境友好性和可再生性，燃点高，生产、使用、贮运过程安全性好。全球生物柴油产量自2004年后迅猛发展，产量从2004年的21．96亿L猛增到2007年的98．4l亿L，年均增长量达25．48亿L。从地区分布来看，欧盟是生物柴油生产最为集中的地区。2005年欧盟生物柴油产量约占世界总量的85％，其中，德国、法国和意大利分别占世界总量的50％、14％和6％。此外，美国占8％，巴西和澳大利亚各占约2％，其他国家合计仅占3％。2.裂解产物(thermalcrackingpwduet)植物质资源向能源转换还有气化和热裂解方式等。植物质的气化技术包括甲烷的生产和高温气化技术，前者是有机质向碳化合物转化的主要形式。热裂解是在缺氧或限制性供氧情况下，对有机质进行高温分解，产生可利用的油和气，常规裂解仅能产生10％一20％的生物油，近年来发展出的快速热解技术能够产生原料重量的4O％一60％的生物油。由于产物组分复杂，仅能作为燃料利用。生物能源生产技术研究进展1．生物柴油生产技术目前，生物柴油的制备可采用物理法和化学法，物理法包括直接混合法和微乳液法等，化学法包括高温热裂解法和酯交换法等。而用于工业化生产主要是应用酯交换法。以各种原料生产生物柴油的工艺方法很多，化学法间歇式油脂醇解工艺，连续式酯交换，CD一工艺(CIMBARIASKET／德国)，BIOX工艺(BIOX／加拿大)，Esterfip—H工艺(Axens公司／法国)等，通常以酸或碱为催化剂。目前世界各国也普遍使用碱或酸催化酯交换制取生物柴油的工艺，但存在着酸碱腐蚀设备、二次污染等问题，而酶促酯交换可以克服以上缺点J。酶促酯交换主要是利用脂肪酶作为催化剂，来实现油脂酯交换制取生物柴油的技术。以往生物酶法制造生物柴油采用的酶需从国外进口，且每公斤需要成本1万元。为了降低生产成本、提高国内生产生物柴油的技术水平，最近秦皇岛科技领先公司与北京化工大学合作共同开发固定化脂肪酶，采用生物酶法生产生物柴油，即通过生物作用将动植物油脂废气物转化为柴油。专家认为，这在我国能源结构转变和能效提升中有重要的作用。2．生物乙醇生产技术 目前生物乙醇的制备有2种，一种是直接由淀粉、蜜糖等物质通过各种转化，最后分离出乙醇；另一种是由木质纤维通过发酵作用生产乙醇口。通常，由淀粉制备生物乙醇需把液态淀粉先转化成葡萄糖，再采用酵母发酵法，把葡萄糖转化成乙醇。日本生物能公司在日本神户和京都等大学研究人员的帮助下，使用生物工程设计的酵母，可直接把淀粉发酵成乙醇。公司用此法获得约92％的理论乙醇产率，由此大大降低了生产成本。而纤维素原料生产燃料乙醇的实用性关键在于木糖发酵，因此找出发酵的优良菌种成了必须首先解决的问题。中国科学院化工冶金研究所生化工程国家重点实验室的刘健、陈洪章、李佐虎等筛选出树干毕赤酵母菌7124木糖发酵乙醇的优良菌种，并优化了利用纯木糖培养条件。崔凌飞等选用青霉菌研究纤维素酶二级和三级液体深层发酵条件，确定了种子液和发酵液的配方。通过海藻酸钠固定化树干毕赤酵母菌增殖细胞，使乙醇发酵浓度提高到20％，但该技术尚未进人生产阶段。DuPont公司一直在研究开发一种由谷物秸秆与叶制成的复合糖基质进行分解的新技术，有较高的生产率，该公司准备采取行动将纤维素乙醇推向市场。日本林业和林业产品研究所开发出一种采用超临界水高效生产糖化物的实验室工艺，该糖化物是生产生物乙醇的原料。将流量为60—65g·min的超临界水在310—320ºC、25MPa下，加人到含2g粉状杉木的反应器中。粉状杉木转化成葡萄糖的收率几乎达到了70％。3．生物制氢生产技术通常采用电解水法制氢，但是成本很高，不能进行广泛应用。任南琪等1990年开始开展生物制氢技术的研究，于1994年提出以采用厌氧活性污泥对糖蜜、淀粉和白脱糖发酵制取氢气，该项技术和理论成果已经在中试研究中得到了验证，且生产成本明显低于目前广泛采用的水电解法制氢成本。Nanologix公司辛辛那提实验室的微生物学家成功采用专有NNLX微生物学方法将各种营养物质转化为H2。其中使用一种柳枝稷的草与3％的葡萄汁废弃物混合，这与单独使用柳枝稷或葡萄汁废弃物相比，气体产量提高了3倍。其他生物质，如玉米、废水和废副产品也可以作为原料进行生产。日本东京理工大学的研究人员发明了一种由纤维素生产纯净氢气的新工艺，该新工艺不仅收率接近100％，且不产生CO或CO2，除纤维素外，该工艺可应用于其他类型的生物质(包括淀粉、葡萄糖及木屑)。我国有发展潜力的特色能源作物我国目前使用的燃料乙醇主要是以玉米、木薯、小麦为原料发酵生产。以下介绍我国有发展潜力的特色能源作物。1．麻疯树(Jatrophacurcas)别名黄肿树，又名膏桐、小桐子等，为大戟科落叶灌木或小乔木，原产加勒比海地区，属热带、亚热带树种，我国引种有300多年的历史，分布于广东、广西、福建、四川、云南、贵州等地，常种植作绿篱。麻疯树生长快速，头年单株能产果3kg，以后逐年渐增。种仁含油量在43％～59％，即每ha可产油1600—2O00L。经改性后的麻疯树油可适用于各种柴油发动机。2．续随子(Euphorbialathyris)大戟科，别名千金子、小巴豆等，两年生草本，喜阳光，多生于向阳山坡，原产欧洲，我国栽培已久。种子含油率为43．3％，脂肪酸成分中油酸组分达到59．2％，亚油酸27．1％。续随子突出的利用价值是其种子中含有的三萜类物质与石油成分相似，被誉为石油植物。每ha每年可生产25～125桶石油。3．文冠果(Xanthocerassorbifolia)又名文官果、文冠花等，属无患子科，落叶乔木或灌木，寿命可达数百年，是我国特有的优良木本油料树种，也是治疗高血脂、高血压、血管硬化和慢性肝病的常用中药资源，又是珍贵的观赏植物，有着极大的开发价值。文冠果分布于陕西、山西、河北、内蒙古、宁夏、甘肃、河南等地。籽含油量为45％一50％，种仁含油量为70％。10 年生树每株产果5Okg以上。lha产油量在5—10t。1．光皮树(Cornuswilsoniana)是山茱萸科木属落叶灌木或乔木，分布广泛，是一种较理想的多用途油料树种，又是石灰岩山地造林的良好树种，在湖南、湖北、江西、贵州、四川、广东、广西等省常分布于海拔1O00m以下的疏林中。寿命较长，超过200年。全果含油率33％～36％，出油率25％～30％。每ha产鲜果4500～9000kg，折合产油630～1260kg。2．黄连木(Pistaciachinensis)漆树科，别名黄芽子树、凉茶树等，落叶乔木，高达25m，生于海拔140～3550m的山坡林中。主要分布在河北、河南、陕西、四川、贵州、云南、浙江、江苏、山东、安徽、福建、广东等地。株年产果50～75kg，果实含油量约35％，果实出油率20％～35％。3．三年桐(Verniciaford~O大戟科油桐属，又名油桐、光桐、桐籽树，落叶小乔木。我国贵州、湖南、湖北、江西等省有分布。是典型的亚热带树种。种子含油率54％～68％。4．甜高梁(Sorghmbicolor)又名糖高梁、芦粟等，因其上部高梁可作粮食，下部秸秆可作糖用，又被称为“高粱甘蔗”，属禾本科一年生草本植物。为C4作物中光合作用效率最高的作物之一，生长迅速，糖分积累快，生物学产量高，且具有抗病强、抗旱、耐涝、耐贫瘠、耐盐碱等优良特性。茎杆汁液锤度(含糖量)高，达到12％～22％。茎杆和籽粒均是生产生物乙醇的良好原料。高产品种每ha可产乙醇5～6t。发展前景我国生物能源原料十分丰富，已经到了大规模发展的起步阶段。目前，全国农村每年有7亿t秸秆，可转化成1亿t的酒精。我国南方地区有2000万hm²沼泽地。可以种植油料作物，发展生物柴油产业；有l亿hm²盐碱地，可以种植抗盐碱植物，加上畜禽粪便、森林加工剩余物等，我国现有可供开发用于生物能源的生物资源至少达到4．5亿t标准煤。此外，我国还有约1．33亿hm²宜农、宜林荒山荒地可用于发展能源农业和能源林业。在化石能源渐趋枯竭、能源消耗不断增加、保护环境、可持续发展和循环经济的发展趋势下，积极开发可再生的植物能源，因地制宜利用植物油替代燃料油，多能互补、综合利用，能促进能源消费结构从单一化向多元化转变。总之，加强生物能源开发利用的研究，实施我国可持续发展的能源战略，已成为实现经济、社会、环境的协调发展和建设环境友好的和谐社会的重要课题。参考文献:[1]王平，马祥庆,生物能源的开发利用及生产技术研究进展,亚热带农业研究，1673-0925(2007)04-0313-04[2]邱桂红，生物能源的开发与利用策略，现代农业科技，1007—5739(2010)09—0265一O1[3]谢铭、李肖，能源作物与生物能源的开发利用，生物学教学，2010(35)60-61[4]李军、吴平治、李美茹、吴国江，能源植物的研究进展及其发展趋势，自然杂志，2007（29）21-25[5]王莉衡，能源植物的研究与开发利用，化学与生物工程，2010（27）4-6“广西甘蔗、木薯可制成生物能源，其发展前景十分广阔。”近日，中国工程院杜祥琬、欧阳平凯、石元春三位院士在广西做“生物产业与广西发展”专题学术调研，为广西生物产业发展献计献策。他们认为，“石油”也可以“种”出来，广西有丰富的甘蔗、木薯等资源，现在又十分重视发展生物产业，广西有希望成为中国第一个不依赖石油的省区。  如今，一种人们司空见惯却并未过多留意的能源——生物能源正悄然兴起。生物能源被很多人比喻为“绿色石油”，因为和真正的石油相比，生物能源更加廉价和环保。中国工程院副院长杜祥琬院士介绍说，其实生物能源是植物通过光合作用而固定于地球上的太阳能，通过生物质能源转换技术可以高效利用生物质能源，生产各种清洁燃料替代矿物燃料，以减少人类对矿物能源的依赖，减轻能源消费对环境造成的污染。生物质能源的作用很多，可以转化形成燃料、可以转化成生物乙醇代替柴油、可以蒸汽化成天然气，还可以直接燃烧供热等。 石元春院士分析认为，甘蔗和木薯都是很好的低成本生物能源，但广西发展生物产业最好主打木薯，甘蔗可以作为调剂。因为广西是我国的产糖大省，目前糖业是广西的一个支柱产业，去年，国际糖价上涨的一个很大原因就是因为巴西等产糖大国利用甘蔗发展生物产业，致使产糖量下降。所以，他建议广西在保证糖产量的同时，主要还是利用木薯来发展生物产业，而甘蔗则作为调剂。 院士们认为，用木薯和甘蔗制取燃料，是解决我国能源安全的一条重要途径，具有广阔的市场前景，尤其是用木薯制取燃料乙醇成本低廉更为理想。加工1吨燃料乙醇，用玉米需要3.3吨，按照现行最低价每吨900元计，需要2970元；用甘蔗需要17吨，每吨160元，需要2.720元；而用木薯需要7吨，每吨350元，仅为2450元。据有关部门测试，如果在汽油里加入10％的燃料乙醇，则可以在不变动汽车任何装置的情况下，减少尾气的二硫化碳排放量30％左右。这在家庭用车日趋新潮的今天，市场前景十分广阔。除此以外，用木薯制取燃料乙醇还有巨大的社会效益。据测算，建设年产10万吨的木薯制取燃料乙醇项目，每年需加工消耗70多万吨鲜木薯或28万吨干木薯片，年销售收入5亿多元，利税8000多万元，可为农民直接创收2.5亿元，带动12万户农民增产增收；同时，还可为社会提供数百个就业岗位，形成年运输量80万吨以上。此外，用木薯制取燃料乙醇，有利于环境保护。  据了解，广西是我国木薯种植最适宜的省份之一，目前，其木薯种植面积和产量都占全国的60％以上，且广西的木薯种植还有相当大的潜力，目前尚未开发的荒山荒地约有800万亩，其中约有200万亩低坡荒地适宜种植木薯。