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生物质利用技术进展

发布时间:2020-03-13 08:10内容来源:网络整理 点击:

张世鑫1,陈明光2,吴陈亮2,史磊1,李楠1,李建漳2,黄建萍2,吴献铭2,王庆文2,叶萌2

(1.中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司,北京 102209;2.华电(漳平)能源有限公司,福建 漳平 364400)

  摘要:生物质(Biomass)是一切能够利用绿色植物光合作用所形成的有机化合物,生物质固废是人类在利用生物质的过程中生产和消费产生的废弃物,它本质上仍然属于生物质。我国生物质固废的主要特点为量大、分布广、利用率低、开发潜力大以及环境治理迫切度高。随着不可再生能源的枯竭及环境污染逐渐严重,生物质能源的利用技术需要尽快发展。本文从能源化、饲料化、肥料化、材料化四个方面对生物质利用技术进行了总结,重点论述了生物质能源化利用技术,探讨了各类生物质利用技术目前的发展状况。

  生物质(Biomass)是指能够利用光合作用把CO2和H2O转化为葡萄糖从而实现光能的储存,自身又能将葡萄糖聚合为纤维素、半纤维素、木质素和淀粉等构成植物本身的基础物质的有机化合物,即一切能够利用绿色植物光合作用所形成的有机化合物,包括除化石燃料外的微生物及其排泄与代谢物和植物等。生物质固废是人类在利用生物质的过程中生产和消费产生的废弃物,其能量密度、可用性都有显著的降低。根据《农业生物质能产业发展规划(2007-2015年)》中“不与人争粮,不与粮争地”的基本原则,本文主要论述生物质固废的应用技术发展状况。

  1生物质利用技术概述

  1.1生物质固废主要来源

  废弃生物质材料主要来源如图1所示,主要可分三大类,农林业(农作物废弃物、畜禽粪便、林业加工废料等)、工业(酒糟、压榨副产品、药渣等)、城市固废(餐厨垃圾、市政园林垃圾、生活垃圾等)。

  《全国农作物秸秆资源调查与评价报告》数据显示,2009年,全国农作物秸秆理论资源量为8.20亿t(风干,含水率为15%),可收集资源量为6.87亿t[1]。2007年,我国畜禽粪便总量为12.47亿t,其中可开发用量大约在8.8亿t,畜禽粪便的主要来源是牛粪、猪粪和鸡粪,分别达到4.64亿t,3.39亿t和0.80亿t,预计到2020年,我国禽畜粪便排放量将达40亿t[2]

  林业生物质资源是区域内植物生物量的总和,即区域内森林自然产生长和林业生产过程可提供的生物质,在林业加工过程中,废弃物主要来源于森林采伐、原木造材和木材加工等,如木屑、锯末、刨花,每年约有1.1亿t[3]。工业生产过程中也会产生生物质固废,蔗渣每年近1亿t,稻壳每年4000万t,花生壳500万t。据统计,2015年我国的垃圾产量达到2.1亿t,全国的垃圾年产量仍以每年8%~10%的速度增长。246个大、中城市生活垃圾产生量1.86亿t,处置量1.81亿t,处置率达97.3%[4]

  我国生物质固废的主要特点为量大、分布广、利用率低、开发潜力大以及环境治理迫切度高。

  1.2生物质主要利用技术

  如图2所示,生物质利用技术主要有四个方向:能源化、饲料化、肥料化和材料化。生物质能源化利用技术包括:直接燃烧利用(发电或供热)、制成型燃料、制气态燃料(沼气、生物天然气等)、制液态燃料(生物乙醇、生物柴油等);生物质饲料化技术包括:青贮饲料、微贮饲料、氨化饲料、单细胞蛋白饲料等;广义上的有机肥品种主要有堆肥、沤肥、厩肥、沼气肥、绿肥、纯天然矿物质肥、饼肥、泥肥等,狭义上指的是使用有机生物质废物,如植物残体等,使用物理化学、生物或复合技术,经过加工,消除有害物质达到无害化标准而形成的,根据微生物的生长情况以及反应过程的需氧程度分为厌氧堆肥和好氧堆肥两种;生物质材料化利用技术主要有:做建筑材料(纤维板、刨花板、锯末板、稻壳板等)、做食品原料及药物中间体(低聚木糖、木糖醇、阿魏酸等)、做生物基高分子材料(将天然高分子改性制备生物质新材料、制备可降解生物基高分子材料等)、做环保餐具等。

  生物质能源化利用呈现以下发展趋势:多元化分布式应用;生物天然气、成型燃料;生物液体燃料形成燃料乙醇、混合醇、生物柴油等丰富的能源衍生替代产品,不断扩展航空燃料、化工基础原料等应用领域。

  1.2.1饲料化利用技术

  青贮是通过微生物厌氧发酵和化学作用,将切碎的新鲜玉米秸秆在密闭无氧条件下制成的一种饲料,其适口性好、消化率高和营养丰富,是保证常年均衡供应家畜饲料的有效措施。

  微贮是利用微生物发酵作用对农作物秸秆进行保存的一种贮存技术。微贮技术还能够提高农作物秸秆的营养价值。微贮技术在实施时通常使用秸秆、牧草、藤蔓等作为原料,添加有益微生物后,通过微生物的发酵作用最后得到具有酸香气味、适口性好的粗饲料。微贮饲料能够在适宜的保存条件下长时间保留原料原有的营养价值。

  氨化饲料是指将切碎的秸秆装入窖内或堆放城垛后通入氨气或喷洒氨水密封保存一段时间制成的饲料。氨化秸秆饲料只适宜饲喂反刍家畜(牛、羊等),而不适宜饲喂驴、马、骡子、猪等家畜。

  单细胞蛋白,也称作微生物蛋白,是以工业、农业废弃物及石油废料等为原料通过人工培养而获得的微生物菌体。单细胞蛋白与纯蛋白质不同,它是由脂肪、蛋白质、核酸非蛋白氮化合物、碳水化合物、维生素和无机化合物等组成的细胞质团。

  1.2.2肥料化利用技术

  有机肥是主要来源于动植物,施用于土壤中以提供植物营养为其主要功能的含碳物料,有机肥的生产主要是通过生物质,如动植物废弃物、植物残体加工而来,去除了其中的有毒有害物质,如重金属、病原体等。

  堆肥是利用广泛存在于自然界中的微生物,通过人为筛选组合使其能够将生物质中可降解的有机物转化为更加稳定的腐殖质的转化反应过程。根据微生物的生长情况以及反应过程的需氧程度,可分为厌氧堆肥与好氧堆肥两种。厌氧堆肥是在无氧条件下利用专性和兼性厌氧微生物对生物质进行作用,利用微生物产生的酶将废物中的有机物进行分解转化,获得的最终产物是CH4、CO2、热量和腐殖质。好氧堆肥是指在有氧条件下,专性和兼性微生物作用于废物,利用微生物产生的酶将有机物进行分解转化,获得的最终产物是CO2、H2O、热量和腐殖质。腐殖质是生物体在土壤中经微生物分解而形成的有机物质,颜色为黑褐色,主要组成元素为C、H、O、N、S、P等,含有植物生长发育所需要的一些元素,能改善土壤,增加肥力。

  1.2.3材料化利用技术

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