日本生物質(zhì)資源分類和利用技術(shù)王鵬(煤炭科學(xué)研究總院北京煤化工研究分院,北京100013)摘要:簡(jiǎn)要介紹了日本的生物質(zhì)資源和分類、生物質(zhì)利用技術(shù)、生物質(zhì)應(yīng)用實(shí)例和生物質(zhì)綜合戰(zhàn)略關(guān)鍵詞:日本;生物質(zhì);資源分類中圖分類號(hào):TK019文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:C文章編號(hào):1006-6772(200602-0010-04生物質(zhì)是連接人與自然、人與人以及自然界產(chǎn)時(shí)的稻草、谷殼、米糠等,目前這些未利用生物各物質(zhì)間的重要物質(zhì)和能源基礎(chǔ)。生物質(zhì)既可以質(zhì)最為經(jīng)濟(jì)的處理方式是直接燒掉或用作飼料作為物質(zhì)資源,也可以作為能源,是繼煤炭、石這部分生物質(zhì)的利用需解決收集技術(shù)、收集系統(tǒng)油、天然氣等化石能源之后最重要的可應(yīng)用能源實(shí)用化等問題。之一。同時(shí),生物質(zhì)的綜合利用,對(duì)于防止全球變資源作物指不以生產(chǎn)食物或木材為目的,而暖、促進(jìn)循環(huán)型社會(huì)的建立、帶動(dòng)新興能源產(chǎn)業(yè)以得到物質(zhì)資源和能源為目的,利用修耕地或未的成長(zhǎng)發(fā)展具有極為重要的戰(zhàn)略意義。日本在生利用地等栽培的植物,具體指每年每公頃干重產(chǎn)物質(zhì)利用方面,有著先進(jìn)的技術(shù)和理念,《日本生量為10~20t(5~10t碳)的植物,這種植物將主要物質(zhì)綜合戰(zhàn)略》是日本在未來(lái)開發(fā)利用生物質(zhì)的為現(xiàn)有耕地上的二季作物、在未利用土地或可挪綜合政策和方向,是研究日本生物質(zhì)應(yīng)用方面可用他用土地上積極栽培的資源作物,例如甜高梁借鑒的最直接、最翔實(shí)的資料。等飼料作物和柳樹、白楊樹等,目前日本約有此1日本生物質(zhì)資源和分類類土地100萬(wàn)hm2。新作物是指經(jīng)品種改良和基因重組后生產(chǎn)率得到改善的資源作物,到2050日本學(xué)者按照生物質(zhì)的來(lái)源不同將生物質(zhì)年左右,新作物類生物質(zhì)的生產(chǎn)技術(shù)基本成熟,分為廢棄物類生物質(zhì)、未利用的生物質(zhì)、資源作其速生或生產(chǎn)、存儲(chǔ)等有價(jià)物質(zhì)機(jī)能的植物(植物和新作物4類。廢棄物類生物質(zhì)即人們?nèi)粘Ｉ锕S)將得以應(yīng)用,但必須確定它們對(duì)陸地、海活、工業(yè)活動(dòng)等排放的所有有機(jī)廢物,常產(chǎn)生于洋等生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期影響人口集中的都市生活區(qū)、工業(yè)區(qū),包括木材加工日本生物質(zhì)資源量大致組成如下:廢棄物類殘?jiān)⒔ㄔO(shè)用殘材、造紙殘?jiān)?、食品廢棄物、禽畜生物質(zhì)年產(chǎn)量按能源換算可達(dá)240億L原油排泄物、下水道污泥等,目前廢棄物類生物質(zhì)的(2000年日本國(guó)內(nèi)原油進(jìn)口約為2500億L),資逆向有償收集處理可使這種資源的利用易于實(shí)源量換算為2200萬(wàn)t碳(約是日本國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的塑現(xiàn)。未利用生物質(zhì)主要指伴隨農(nóng)業(yè)、林業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)料含碳量的2.2倍);未利用生物質(zhì)按能源換算生而不具備商品價(jià)值且未被利用的生物質(zhì)資源,為55億L原油,按物質(zhì)資源量換算為530萬(wàn)t如林業(yè)砍伐時(shí)的小樹杈、樹枝、葉等,又如農(nóng)業(yè)生碳咨泊作物米生物質(zhì)按能源換算為中國(guó)煤化工收稿日期:200601-24CNMHG基金項(xiàng)目:煤炭科學(xué)研究總院青年創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2004cN25)作者簡(jiǎn)介:王鵬979-,男,河北滄州人,工程師,主要從事煤氣化工藝和工程項(xiàng)目的開發(fā)及煤氣凈化技術(shù)的研究?！稘崈裘杭夹g(shù)》2006年第12卷第2期55億L原油,按資源換算為530萬(wàn)t碳。程非常重要。例如,樹木的剪枝和家禽的排泄物日本生物質(zhì)利用技術(shù)等,含水量較多,不能直接使用,否則燃燒時(shí)的效率會(huì)降低,若將其干燥后做成薪柴,或轉(zhuǎn)化為燃日本生物質(zhì)利用技術(shù)包括材料利用技術(shù)、能氣,就可以提高它的利用效率這種能源轉(zhuǎn)換的方源利用技術(shù)和生物質(zhì)的收集運(yùn)輸技術(shù)法大體上可以分為兩類,一是通過加熱來(lái)促進(jìn)化21材料利用技術(shù)學(xué)反應(yīng)的熱化學(xué)方法,二是依靠生物質(zhì)本身的活材料利用技術(shù)指將生物質(zhì)作為物質(zhì)(原料)性獲取能源的生物化學(xué)法。一般情況下,與將生資源利用的技術(shù),分兩類,一類是著眼于生物質(zhì)物質(zhì)作為物質(zhì)利用相比,生物質(zhì)的能源利用對(duì)其所含的營(yíng)養(yǎng)成分,將其作為飼料或者肥料等直接本身品質(zhì)的限制較少,技術(shù)開發(fā)也比較容易但是利用,包括傳統(tǒng)的谷物、牧草等農(nóng)業(yè)飼料喂養(yǎng)方通過粗略估計(jì)表明,單位重量的能源價(jià)格僅僅相法和正在研究、實(shí)驗(yàn)階段的各種廢棄物、未利用當(dāng)于單位重量材料價(jià)格的1/10。因此產(chǎn)品價(jià)格不生物質(zhì)類的飼料化技術(shù),如發(fā)酵烘干、殺菌干燥、能過高,應(yīng)盡量使用廢棄物等廉價(jià)的生物質(zhì)。添加抗菌霉劑等技術(shù);另一類是利用生物質(zhì)結(jié)構(gòu)通過加熱使生物質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化,使之成為中的成分,包括直接利用構(gòu)成成分中高分子的方易于使用的二次能源,此過程稱為生物質(zhì)能的熱法和將高分子分解成其構(gòu)成單位的低分子后進(jìn)化學(xué)轉(zhuǎn)換。通過熱化學(xué)轉(zhuǎn)換可以在各種條件下對(duì)行再合成新材料的方法。后者包括機(jī)械加工、高生物質(zhì)進(jìn)行加熱使之發(fā)生反應(yīng),從而獲得容易利分子合成分離、工業(yè)原料化和新材料合成技術(shù)。用的物質(zhì),如熱能、電力、燃?xì)?、液體燃料等二次機(jī)械加工的最新發(fā)展技術(shù)是以農(nóng)業(yè)殘留物和建能源。熱化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)主要包括直接燃燒、氣化、材廢料等為原料,進(jìn)行高度發(fā)達(dá)的切割、粘結(jié)及快速熱分解(在400-600℃下將生物質(zhì)加熱幾秒組裝,這些已被實(shí)用化的實(shí)例有復(fù)合材料、紙模、或幾分之一秒后,迅速冷卻中止熱解過程,產(chǎn)物建材用填料、纖維素纖維、各種板材和再生纖維為像重油一樣的黑色液體燃料)炭化、水熱解氣等。高分子成分分離技術(shù)最典型的應(yīng)用實(shí)例是紙化(在350~700℃、16.5~35MPa條件下,使富含水漿制造。在眾多工業(yè)原料化的方法中,低分子技分的生物質(zhì)原料,如禽畜排泄物和下水道污泥,術(shù)的應(yīng)用最為廣泛,此技術(shù)主要應(yīng)用于以石油化在高壓高溫水中發(fā)生數(shù)10s至1min的熱化學(xué)反學(xué)產(chǎn)業(yè)為代表的高度塑料文明中的各種通用單應(yīng),產(chǎn)物為潔凈的燃?xì)?、直接液化(與水熱解氣體的制造,代表性技術(shù)是使用硫酸和鹽酸等無(wú)機(jī)化相似,但反應(yīng)條件更為平緩,產(chǎn)物為液體燃酸的加水分解工藝。另外,一些具有深遠(yuǎn)意義的料)燃料泥漿化(在270-~330℃條件下,在加壓的工業(yè)原料化新技術(shù)也不斷地見于媒體,包括利用水中將木粉加熱數(shù)10min使生物質(zhì)炭化的技術(shù),木材的酯、醚化而使之具有熱流動(dòng)性,即木材的炭化后的生物質(zhì)在水中呈懸浮“泥漿”狀態(tài),可作合成樹脂化,以及利用玻璃狀碳在機(jī)械性、化學(xué)液體燃料)、酯化(將油煎和油炸后的食用油等與性上強(qiáng)化多孔性的木材或木質(zhì)材料,從而獲得木甲醇反應(yīng),生產(chǎn)柴油汽車用燃料技術(shù))等。上述技質(zhì)陶瓷,其中所用的玻璃狀碳是木材與熱硬化性術(shù)在日本大部分處于基礎(chǔ)研究或中試階段,部分樹脂相復(fù)合炭化過程而產(chǎn)生的。新材料合成技術(shù)已進(jìn)入實(shí)用化階段,如直接燃燒和氣化、炭化技指從未被利用的生物質(zhì)中可以獲取如糖類、糠醛術(shù)。類、木質(zhì)素系列材料,或是纖維素系列高分子等生物化學(xué)轉(zhuǎn)換:利用生物活性使生物質(zhì)發(fā)生工業(yè)原料,再以其進(jìn)行新材料合成,以糖類為原化學(xué)變化,獲取二次能源的方法叫生物質(zhì)的生物料的新材料合成的實(shí)用化個(gè)例是人們所熟知的、化學(xué)轉(zhuǎn)換法,所利用的生物一般是微生物。因?yàn)檠杆俦簧唐坊纳锟山到獠牧?其代表為聚乙是生物反應(yīng),所以有反應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)的問題。另外烯乳酸,目前巳有設(shè)想但仍處于基礎(chǔ)研究階段的由于微生物可分解的基質(zhì)(微生物作用的對(duì)象原新材料合成技術(shù)還有很多。料)只有幾種,使原料受到了限制。但是,微生物22能源利用技術(shù)與V凵中國(guó)煤化工溫常壓的條件下進(jìn)利用生物質(zhì)生產(chǎn)的能源稱為生物質(zhì)能。生物行CNMHG合就會(huì)自然進(jìn)行,質(zhì)能利用過程中,將生物質(zhì)從產(chǎn)生形態(tài)(一次能所以生物化字怏同熱化字轉(zhuǎn)換一樣被廣泛應(yīng)源)轉(zhuǎn)化到易于利用的形態(tài)(二次能源)的轉(zhuǎn)化過用。最為人們所熟知的是沼氣(甲烷)發(fā)酵技術(shù),日本生物質(zhì)資源分類和利用技術(shù)在沒有空氣的條件下,微生物發(fā)生作用,將有機(jī)厭氧發(fā)酵如果調(diào)節(jié)發(fā)酵條件,就可產(chǎn)生H2而非物分解為CH4和CO2,這就是沼氣發(fā)酵,又稱厭CH4,同時(shí)產(chǎn)生醋酸和丙酸等有機(jī)酸及CO2,而有氧發(fā)酵,通過此技術(shù)可獲得燃料氣CH4。將葡萄機(jī)酸液體有利于甲烷發(fā)酵,目前將氫發(fā)酵和甲烷糖、果糖、蔗糖等糖類分解為乙醇和CO2,此類反發(fā)酵組合起來(lái)進(jìn)行2次發(fā)酵的研究也正在積極應(yīng)稱為乙醇發(fā)酵,日本生產(chǎn)乙醇的技術(shù)已經(jīng)實(shí)用推進(jìn)中?；?但所得乙醇不是作為能源而是實(shí)驗(yàn)藥品,而圖1為日本各類生物質(zhì)應(yīng)用技術(shù)的實(shí)施階在巴西和美國(guó)已將乙醇用于汽車燃料。利用某種段規(guī)劃圖,圖中對(duì)廢棄物類生物質(zhì)、未利用生物微生物使糖質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)出的丙酮和丁醇可用做質(zhì)、資源作物和新作物4類生物質(zhì)的利用分成4燃料,這項(xiàng)技術(shù)在二戰(zhàn)中日本已經(jīng)應(yīng)用過,目前個(gè)階段,分別在2005年前后、2010年前后、2020技術(shù)上已處于實(shí)用化階段,但經(jīng)濟(jì)性還需提高。年前后和2050年前后進(jìn)入實(shí)用化階段。階段120年右)段2(010年右階度3200年左段4(2050年左右廢棄物類生物質(zhì)生物質(zhì)技術(shù)開發(fā)廢棄物類生物應(yīng)用基礎(chǔ)配備廢棄物類生物質(zhì)獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制廢棄物類生物質(zhì)利用技術(shù)技術(shù)開「技術(shù)水平匚實(shí)用化研究室基礎(chǔ)研究物質(zhì)利用切碎濃酸加水分解超臨界水氣化堆肥超熱水蒸氣生物質(zhì)以物質(zhì)和能源聚合乳酸等相分離生物工廠等逆向合成的方式被完全利用新材料合成等山林產(chǎn)物堆肥等單一/混合燃燒氣化能源利用擠壓超臨界水氣化沼氣發(fā)酵、乙醇發(fā)酵纖維素加水分解直接油化等光合作用生產(chǎn)H2生物柴油乙醇、燃料電池等白色腐朽菌等圖1日本生物質(zhì)應(yīng)用階段規(guī)劃23收集運(yùn)輸技術(shù)表1部分生物質(zhì)含水率、發(fā)熱量和密度數(shù)據(jù)廣闊而稀少的存在于自然界中是生物質(zhì)的一個(gè)重要特征,因此不論是作為原料利用還是作國(guó)土面積中的出現(xiàn)地的為能源利用,都需要進(jìn)行收集和運(yùn)輸。而且生物名稱含水率%M出現(xiàn)密度*出現(xiàn)密度lJ/kg干重t干重/km2at干重/km2a質(zhì)種類不同,其性狀也會(huì)有很大的不同,收集運(yùn)林地殘材20.5213.1輸?shù)募夹g(shù)及工藝流程也不同,影響因素主要是生木材廠殘材15-602052物質(zhì)的性狀和存在密度、含水率、發(fā)熱量。含水率建設(shè)剩殘材15-30205253.8越高,運(yùn)輸生物質(zhì)的同時(shí)需要運(yùn)送大量的水,使稻草稻糠20~40163328.7得收集、運(yùn)輸?shù)某杀驹黾?密度小,運(yùn)輸時(shí)就需要糞尿凈化糟污泥9.98129316較大的容器,收集、運(yùn)輸?shù)某杀疽矔?huì)增加;發(fā)熱量下水道污泥91591129高的生物質(zhì)可視為優(yōu)質(zhì)能源,其運(yùn)輸效率也較食品廢棄物981758327高家庭廚房垃圾90表1為部分生物質(zhì)的含水率、發(fā)熱量和出現(xiàn)廢食用油39.77密度數(shù)據(jù),圖2為部分生物質(zhì)與化石燃料的發(fā)熱中國(guó)煤化工申生物質(zhì)的資源密度某種生物質(zhì)的資源密度量對(duì)比。可以看出,和現(xiàn)有能量資源相比,生物質(zhì)CNMHG作為能源使用時(shí),運(yùn)輸效率過低,必須考慮現(xiàn)場(chǎng)生物質(zhì)運(yùn)輸技術(shù)的研究包括生物質(zhì)收集范利用或提高運(yùn)輸收集方式。圍的確定、生物質(zhì)性狀(含水率、密度)的改變、不《潔凈煤技術(shù)》2006年第12卷第2期倍駝木質(zhì)生物質(zhì)含水率稻草,稻糠含水率畜禽排泄物含泥含水率食品廢棄物含水率廚房垃圾含水率圖2部分生物質(zhì)與化石燃料的發(fā)熱量對(duì)比同運(yùn)輸工具的運(yùn)輸成本比較等。研究發(fā)現(xiàn),日本位,特別是在農(nóng)村仍是主要的能源之一(農(nóng)村能國(guó)內(nèi)運(yùn)輸鐵路和內(nèi)海航運(yùn)比商用汽車運(yùn)輸要經(jīng)耗的80%是生物質(zhì)能),同時(shí)由于生物質(zhì)能具有濟(jì)和環(huán)保,一般商用汽車運(yùn)輸能源消耗是鐵路運(yùn)分散性和獨(dú)立性,可以提高中國(guó)能源系統(tǒng)的安全輸?shù)?倍,同時(shí)運(yùn)輸產(chǎn)生CO2量前者是后者的8性和靈活性。然而生物質(zhì)能由于其分散性和能量倍;而生物質(zhì)的國(guó)際運(yùn)輸則側(cè)重于研究運(yùn)輸生物密度較低,其規(guī)模利用和高效利用都較困難,借質(zhì)的形式,即是在生物質(zhì)的原始狀態(tài)下運(yùn)輸,還鑒國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家生物質(zhì)利用方面的先進(jìn)技術(shù)和是進(jìn)行燃料轉(zhuǎn)換后再運(yùn)輸。研究成果,對(duì)加快中國(guó)生物質(zhì)資源的綜合研究和3結(jié)語(yǔ)利用具有極為重要的推動(dòng)作用。參考文獻(xiàn):生物質(zhì)資源是一種潛在的能源資源,是人類未來(lái)能源和化學(xué)原料的重要來(lái)源。生物質(zhì)能的開1]小宮山宏,迫田章義,松村幸彥日本生物質(zhì)綜合戰(zhàn)略M]發(fā)利用在中國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占有舉足輕重的地位李大寅,蔣偉忠譯北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,2005在中國(guó)生產(chǎn)的一次能源中占15%左右,居第2[2]吳創(chuàng)之,馬隆龍.生物質(zhì)能現(xiàn)代化利用技術(shù)M北京:化學(xué)工業(yè)出版社,200Study on Japan Biomass Comprehensive StratagemWANG Pe(Beiing Research Institute of Coal Chemistry, China Coal Research Institute, Beying, 100013, China)Abstract: This paper briefly introduced the classification, utilization example and comprehensive stratagem ofKeywords: Japan; Biomass; Comprehensive Stratagem中國(guó)煤化工CNMHG日本生物質(zhì)資源分類和利用技術(shù)13