秸秆能源化利用技术现状与趋势

专家简介：孟海波，现任农业部规划设计研究院农村能源与环保研究所副所长、研究员，博士学位，研究生导师。主持完成国家、省部级课题30余项，获得国家专利14项、省部级科技成果5项，制定农业行业标准16项，发表论文45篇、专著3部。研究成果“秸秆成型燃料高效清洁生产与燃烧关键技术装备”获得2013年度国家科技进步二等奖；“秸秆固体成型燃料产业化关键技术与保障体系研究”获得2012年中国机械工业科技二等奖；“农作物秸秆能源化利用资源调查与评价研究”，获得2010年国家能源局优秀成果奖二等奖。2005年获得国家科技进步二等奖。

作物秸秆是农业生产的另一半产品，实际上是被弃置的资源，秸秆能源化利用是延长种植、养殖等产业链，带动加工、制造等产业升级，提供能源产品服务的战略性新兴产业之一，与新型城镇化、生态环保、能源结构优化息息相关。目前，我国作物秸秆能源化利用技术主要有高效燃烧、成型燃料、生物气化、热解气化、发电和纤维素乙醇等，都得到了不同程度的发展和应用。本文作简要介绍如下：

一、秸秆高效燃烧技术

秸秆高效燃烧技术是指以秸秆、薪柴等为燃料，以节约能源和提高热效率为核心，用于家庭炊事及供暖的省柴灶、生物质炉和节能炕等技术。其中，省柴灶是对改良柴灶进一步改进的结果，其热效率多数达到22%～30%，主要由灶体、炉门、炉箅、燃烧室、进风道、拦火圈、回烟道和烟囱等构成；生物质炉具则一般以秸秆成型燃料为原料，根据用途的不同，可分为炊事炉、采暖炉和炊事采暖两用炉；节能炕是旧式火炕的改良，综合热效率大于60%，根据其与地面接触的形式，可分为落地炕和架空炕两种。

现阶段，我国农村生活用能结构虽然发生了一定的变化，但薪柴、秸秆等生物质能仍占消费总能量的50%以上，是农村生活中的主要能源。我国农村中这种能源消费结构在相当长的时期内不会发生大的变化，因此，在农村特别是偏远山区，生物质炉灶仍然是农民炊事、取暖的主要生活用能设备。随着农村的城镇化和农民生活水平的提高，广大农民对燃煤和生物质能燃烧提出了更高的要求。因此，在巩固省柴节煤成果的基础上，需要组织定型炉灶的生产，实现居民灶具的商品化，完善省柴节煤炉灶的产业体系和服务体系。

二、秸秆成型燃料技术

秸秆成型燃料技术是指将具有均匀粒度的农作物秸秆原料进行适当干燥，在一定压力作用下，制成颗粒状、块状或棒状等各种成型燃料的过程。

根据主要工艺特征的差别，可以从广义上将秸秆固体成型工艺划分为湿压成型、热压成型和碳化成型等三种主要形式。其中，热压成型法是目前普遍采用的秸秆固体成型方法，其工艺过程一般为：原料粉碎-干燥混合-挤压成型-冷却包装等环节，采用的成型机主要有螺旋挤压式成型机、活塞式成型机和模辊挤压式颗粒成型机等几种。

秸秆成型燃料技术生产工艺、设备简单，易于操作，成本较低，加工生产的成型燃料热效率高，燃烧性能好，便于贮运（可长时间存贮和长途运输），易于实现产业化生产和大规模使用，可满足农村居民炊事、取暖用能需求，可为城镇社区区域供热提供清洁燃料，还可用于蔬菜、瓜果温室大棚和园林花卉暖房保温取暖用能。具备条件的地区秸秆成型燃料还可供生物质发电。近年来，在中央和地方各级政府的支持下，秸秆成型燃料技术通过小规模的试点示范，初步探索出推广应用的宝贵经验，秸秆成型燃料技术得到了快速发展，技术水平逐渐提高并趋于成熟。但是，在目前阶段该产业的发展仍受到政策、技术、市场、信息和服务等诸多因素的制约，涉及到政府管理部门、金融机构、科研单位、生产企业和服务体系等各个环节，缺一不可。

据估算，中国农村地区居民每年炊事热水用能约1.3亿吨标准煤，北方地区采暖每年用能约0.7亿吨标准煤 ，能源需求量巨大。随着中央政府和地方各级政府部门的积极引导和大力推动，秸秆成型燃料将成为农村能源的生力军，成为农村沼气的必要补充，甚至渗入到城市用能和商业发电领域中，部分替代煤炭，成为商品能源。

三、秸秆生物气化技术

秸秆生物气化技术又称秸秆沼气技术，是指利用微生物的厌氧消化作用将秸秆转化成沼气和沼渣（固体有机肥料）的处理技术。根据厌氧消化器的容积大小，可以分为户用秸秆沼气、联户秸秆小型沼气工程和大型秸秆沼气技术等三种。

目前，我国农村沼气生产遇到原料供给紧缺问题。随着分散养殖的减少和规模化养殖的发展，出现了原料“点源”供应与能源“面”需求不适的矛盾（即：集中养殖区与农户布局的关系，无养殖区农户的沼气原料来源问题等）。而秸秆分布在我国广大农村，呈“面”分布，来源广泛，数量巨大，适用性更广，可就地获得、就地建站，可以与“点源”供应的畜禽粪便互补。目前我国有3.4亿吨秸秆未能有效利用，因此秸秆生物气化（沼气）有着充足的原料来源。可见沼气发酵原料多样性，或使用多种原料的混合料是今后发展趋势。

秸秆生物气化（沼气）技术在生物质转化效率（TS利用率）、生物气品位（清洁的高热值燃气）、污染物零排放（副产物是沼气和沼渣，无沼液排放）等方面都具有明显优势，是环境友好的清洁生产过程，也是秸秆经济利用的有效途径之一。“秸秆生物气化（沼气）”技术的产业化瓶颈是经济和技术都可行的工业级设施、装备，目前已有突破性进展。随着工程技术和装备的不断进步，运行管理模式的完善，可以达到秸秆沼气工业化生产、物业化管理、规模化供气，有着广泛的市场应用价值和需求。

四、秸秆热解气化技术

秸秆热解气化技术是使作物秸秆在控制氧含量条件下，通过高温热解气化将固体生物质转化成为主要含CO（一氧化碳）、H2（氢气）、CH4（甲烷）、CnHm（碳氢化合物）等可燃气体，用于工业发电、热电联产、液体燃料合成、居民集中供气、工业燃气锅炉、工业干燥和采暖供热等方面。按照不同工艺路线以及燃料燃烧形式等不同，目前国内应用较多的有固定床气化炉、流化床气化炉和干馏等三种。

生物质热解气化技术已有半个多世纪的发展历史，在发展过程中取得了长足的进步，在我国已建设了730多处集中供气站、供热和50多处气化发电站，运行实践表明：技术成熟、适合中国农村分散独立供能需求，能够满足新农村建设需要。

生物质作为一种储量丰富的可再生能源，利用气化技术转化为清洁能源，其SO2（二氧化硫）排放量只相当于煤的1/10，NOX（氮氧化物）排放量仅为煤的1/5左右，燃烧过程中实现了CO2的零排放，减少了空气污染，保护了环境，同时也为农林废弃物的规模化利用提供了途径，实现了资源的节约化利用。德国斯达特可特大学的能源经济及能源合理利用研究所对生物质原料转换成高品位燃料的不同技术路线（气化、制木炭、裂解油、植物油、酒精、沼气）做了系统的分析比较，最后得出结论无论是环境效益方面还是社会效益方面，生物质热解气化技术都将是最有发展前途的中远期项目之一。生物质气化具有广阔的发展前景，未来生物质能源将在可再生能源中占有重要地位。

我国农村拥有丰富的作物秸秆资源，秸秆的收集和运输，增加了直接就业的机会，而秸秆等生物质原料收购能增加农民的收入，实现变废为宝，做到源于农民还给农民。当今能源紧缺、价格不断攀升，严峻的能源供需矛盾，迫使我们必须大力开发新能源，秸秆气化燃气作为生活燃气或工业燃料，可节约大量的石油、煤炭等商品能源，减轻对优质商品能源的需求压力，有着良好的市场前景。

五、纤维素乙醇技术

纤维素乙醇技术又称作“第二代生物能源”，是指以纤维素为原料生产燃料乙醇的技术，其转化过程主要包括原料处理、糖化水解、发酵和蒸馏四个工序。由于每道工序可选择的技术很多，一个完整的生产转化流程可有多种的工序技术组合，很难概括，具体的技术选择要考虑本地区的经济基础、技术条件、能源价格、原料价格、辅助原料价格等因素。

目前，国外纤维素乙醇产业化的研究已经步入一个关键时期，我国在这方面也有良好的基础。为了使纤维素乙醇尽早地实现产业化，除了以上几项关键技术进一步解决好外，还应当借鉴石油化工的经验，坚持走生物精炼和乙醇联产的模式，尽可能地提升和拓展底物的各组分的经济价值，也许是促使纤维素乙醇产业化的重要途径。

尽管木质纤维素原料本身非常廉价，但是将其转化成乙醇的工艺过程非常复杂，还需消耗大量的能源。这主要是由木质纤维素自身的结构特性决定的，而得到的目标产物是经济附加值并不很高的乙醇，致使在目前的条件下单位乙醇的经济效益并不具备较强的市场优势。而生物精炼和乙醇联产模式就打破了原来由生物质生产单一产品的观念，实现原料充分利用和产品价值最大化，就是所谓的“吃干榨净”，利用木质纤维素的三大类组分也可以衍生出多种产品。例如：目前，大多的木糖醇厂主要是利用玉米芯中的半纤维素生产木糖醇，结果剩下大量的木糖渣（主要是纤维素和木质素），如果进行联产模式，将剩下的纤维素与木质素进行组分分离，分别生产纤维乙醇和优质燃料或木素磺酸盐，就有可能进一步提升产品的综合效益。

六、秸秆发电技术

秸秆发电技术是农作物秸秆燃烧或转化为可燃气体后燃烧发电的技术。目前，秸秆发电的主要技术路线有秸秆直燃发电、秸秆混燃发电和秸秆气化发电等三种。其中，秸秆直燃发电是指全部采用秸秆原料，在专用秸秆蒸汽锅炉中燃烧，产生蒸汽，驱动蒸汽轮机，带动发电机发电的过程；秸秆混燃发电是指农作物秸秆与煤、石油和天然气等化石燃料，在同一锅炉内混合燃烧产生蒸汽，驱动蒸汽轮机，带动发电机发电的技术；秸秆气化发电是指秸秆气化后生成可燃气体，经净化后燃烧，驱动内燃机或燃气轮机，带动发电机发电的技术。

由于受到秸秆原料供应半径以及农村劳动力成本增加等约束，秸秆发电受到制约，目前，单纯秸秆发电的企业效益较差。随着新型城镇化和农村经济的发展，在秸秆资源富集的地区发展秸秆热电联产提供清洁热力、电力，将成为秸秆发电的未来发展趋势。

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