生物质资源利用技术研究进展

阮玉磊、刘伟、杨兴旭

淮北矿业绿色化工新材料研究院有限公司    安徽省230000

摘要：随着当前世界能源形势的不断复杂变化和我国国民经济的高速健康发展，人们逐渐发现生物质资源是石油、煤炭、天然气能源的最佳替代品。生物质资源在地球碳循环系统中作为一种可再生的能源资源，具有广泛的应用前景。然而，当前生物质资源的利用现状并不乐观，存在许多问题。本文首先概述生物质资源的定义、分类及概况，然后介绍生物质资源利用技术，重点探讨生物质资源利用中存在的问题，最后提出一些应对建议。

关键词：生物质资源；碳减排；环境保护；热解

0 引言

在粮食、能源短缺和“碳减排”要求的当前形势下，我国于2020年作出“碳达峰”和“碳中和”的阶段性控碳目标，对全球经济社会的发展具有深远影响[1]。控制碳排放最有效措施就是减碳，以此为目标，生物质资源利用就成为了人们必须关注的问题，同时也使得其迎来新机遇与新挑战。

1生物质资源概况

1.1 定义

生物质资源是利用光合作用生成的有机物质，它是碳在全球环境中的一个载体。生物质资源来源广泛，包括农林废弃物、畜禽粪污、工业废水、城市固体有机废弃物和生活污水等。生物质资源利用对缓解化石能源枯竭有重大作用，同时利用过程中产生的二氧化碳也能够被植物光合作用吸收，从而实现碳循环。因此，合理利用地球上的生物质资源，对于保护环境和促进可持续发展具有重要意义。

1.2 概况

我国是一个传统农作物生产国家，生物质资源种类丰富。2023年我国各类生物质资源总量如下表所示，其是我国可再生能源发电的重要组成部分[2]。

表1 2023年我国各类生物质资源总量

Table 1: Total amount of various biomass resources in China in 2023

2023年生物发电量	生活焚烧垃圾	农林生物质发电	沼气	总共
发电量（亿千瓦时）	1268	517	39	1824

废弃生物质既可以成为环境污染物，也可以是可再生资源，主要看人们对其利用情况。合理进行生物质资源化利用，不论是燃烧等形式的能量利用，还是对其进行物质转化的物质利用，对应对能源危机和环境保护都将大有作为。

2 生物质资源利用技术

目前，生物质资源的利用方式主要有热解、气化、发酵等技术，通过这些技术实现能源化高效利用，创造社会和经济双重效益，实现减碳这一目标。

2.1 热解技术

热解是对生物质的资源化利用具有重大意义的一种核心技术。其核心是在缺氧环境下对生物质进行热解处理，从而得到生物油、生物炭以及部分热解气等可再生资源[3]。然而，热解技术的商业化应用面临两大主要挑战，分别是热解产生的生物油存在稳定性问题和热解过程所得产物的经济价值相对较低，导致产品市场竞争力不足问题。

针对该问题，国内外学者一直致力于该方向的研究探索。尚贞晓[4]等人运用活性白土作为催化剂，在440℃的条件下对油泥进行了为期3小时的热解处理。经过这样的处理，热解油的回收率高达87.7%，成功实现了热解油的资源化再利用。Cheng[5]等通过控制常压蒸馏控制，利用生物油快速结焦制得名为“生物煤”的新型固体燃料。该研究显示，以该方法对不同生物质原料进行生物煤的制备，其与商用煤的热值数据相当。

除热解油外，其他生物质资源也同样被热解技术应用。如周荷雯[6]等通过深入探究不同废弃塑料热解技术数据之间的相互关系，增加数据透明度，清晰描述不同尺度的计算结果，从而使得研究结果可对比并具有广泛的参考价值，为后续废弃塑料热解产业相关发展提供理论参考。Zhang[7]等优化了热解条件，利用废弃生物质的热解气，直接通过化学蒸汽沉积法制备3D石墨烯。

2.2 气化技术

生物质气化利用氧气或含氧物在高温下将生物质转化为混合气体的一种工艺[8]。根据气化介质的不同，该技术可分为空气气化、氧气气化、水蒸气气化、氢气气化和热分解气化[9-11]。生物质气化对于处理农作物废弃物、减轻环境污染和提高人民生活水平具有积极作用。我国的生物质气化标准较少且为行业标准(表2) [12]。

表2国内生物质行业标准化数量

Table 2 Standardization quantity of the domestic biomass industry

标准类型	固体生物质	生物天然气	燃料乙醇/生物柴油	农林生物质综合利用	生物质供热发电	生物质气化
行业	86	76	20	7	15	4
国内	30	18	8	14	0	0

Sharma等[13]对气化剂（空气和水蒸气）的生物质气化反应进行的研究，结果表明：生物质燃气组成及占比随时间和温度变化较大。刘洋[14]等研究了稻秸秆气化过程中碱金属K的迁移释放特性，发现温度升高和气化当量比增加均使K元素气相释放比例增加，水溶态含量减少，且温度对K迁移释放的影响更显著。该研究为未来稻秸秆气化的商业化大规模推广提供了关键技术支撑。崔志恒[15]等分析了生物质气化与固体氧化物燃料电池耦合的冷热电联供系统性能，并提出构建了一种新系统。在该系统的设计工况下，可优化生物质流量、降低空气当量比、增加蒸汽生物质比，可提升系统经济和环境效益。

气化技术与热解技术相比，它的产品多种多样，加上其灵活性的规模特点，更便于该技术的推广，但因为我国关于生于枝资源的收-储-运体系为完善，缺乏完整的可操作的指标体系，气化技术仍需一段时间发展。

2.3 发酵技术

发酵技术是利用微生物发酵的方法将生物质能转变成燃料物质或化工原料的技术，根据微生物的种类可分为有氧发酵和无氧发酵。

黄开明[16]等利用复合微生物对玉米秸秆进行预处理。在28℃、190 r/min下预处理15天，提高了纤维素和半纤维素含量，降低了木质素含量，产气率提高了27.4%。陶姣[17]等利用不同生物质原料对制备5-羟甲基糠醛的催化，根据催化效果，发现葡萄糖转化为HMF常用的催化剂为路易斯酸，果糖则更注重非均相催化剂设计。多糖需水解为单糖再转化，重点是单糖转化。

2.4 其他技术

随着环境压力增加，人们开发了更多生物质资源利用技术。生物质压缩成型技术可将生物废弃物压缩成各种成型燃料，方便了人们使用。生物柴油是以植物油脂、动物油脂、餐饮油等为原料，通过酯交换工艺制成的燃料，可供内燃机使用。生物质制氢包括微生物转换技术制氢包括光解微生物产氢和厌氧发酵菌有机物产氢。

3 生物质资源利用发展建议

目前关于生物质资源的利用的目的仍只是集中在生态环境的治理上，但不可否认的是它终将会成为主要能源的替代途径之一，它的经济效益也将与其社会效益持平。但这条道路并非一蹴而就的，相比较最终目标的实现难度上，目前阶段需要国家的政策扶持和财力支撑。同时，为了加快我国生物质资源利用技术的发展，应积极引入国外先进技术，在消化吸收的基础上加强我国自身相关科研投入，实现创新发展。全力做好生物质资源利用的宣传工作，既有利于全民对现阶段能源危机认识，也有利于后期生物质资源的收集整理工作的开展。最后就是加强生物质资源利用的产业链建设以及其产品的多元化开发。相信这些措施必能推动生物质资源利用的产业化进程，实现我国《“十四五”可再生能源发展规划》的目标。

4 结语

生物质资源的利用是与农业生产、工业建设、社会服务、生态环境保护、能源可持续发展以及人民的幸福生活息息相关。随着近年来全球环境的变化加剧，对生物质资源进行高效资源化利用是发展趋势之一。但其最终目标并非是某个公司，机构和国家就能实现的，是需要各国政府多方面，多部门共同配合，在实现相关政策，法规和标准制定的前提下，朝着一个共同目标共同努力。我国在此方面已出台一系列政治措施，为实现地球环境治理及缓解全球能源尽自己的一份力。

参考文献：

[1].张舒,尹力.论“双碳”助力构建人类命运共同体[J].中国市场, 2023(32):8790.DOI:10.13939/j.cnki.zgsc.2023.32.087.

[2].苏伟. 生物质发电产业待再发力[N].中国电力报,2023-05-18(003).DOI:10.28061/n.cnki.ncdlb.2023.000581.

[3].李玉奇,李磊,朱艳等.热解温度对米糠与麦麸生物炭理化性质及硒等温吸附的影响[J].黑龙江农业科学,2018,(11):32-37.

[4].尚贞晓,赵庚,马艳飞.含油污泥催化热解及残渣资源化利用实验研究[J].石油与天然气化工,2021,50(06):115-119+125.

[5].Cheng, Bin-Hai, et al. "Bio-coal: A renewable and massively producible fuel from lignocellulosic biomass [J]." Science advances 6.1 (2020): eaay0748.

[6].周荷雯,姚敦雪,杨晴.废弃塑料热解技术碳足迹研究进展[J/OL].材料导报:1-16[2024-02-26].

[7].Zhang S, Jiang, SF, Huang BC. et al. Sustainable production of value-added carbon nanomaterials from biomass pyrolysis. [J]. Nat Sustain 3, 753–760 (2020).

[8].吴创之, 刘华财, 阴秀丽. 生物质气化技术发展分析[J].燃料化学学报, 2013,41(07):798-804.

[9].NING S, JIA S, YING H, et al．Hydrogen-rich syngas produced by catalytic steam gasification of corncob char [J]. Biomass and Bioenergy, 2018, 117:131-136.

[10].UMEKI K, NAMIOKA T, YOSHIKAWA K. Analysis of an updraft biomass gasifier with high temperature steam using a numerical model [J]. Applied Energy, 2015, 90(1):38-45.

[11].UMEKI K, YAMAMOTO K, NAMIOKA T, et al. High temperature steam-only gasification of woody biomass [J]．Applied Energy, 2010, 87(3):791-798.

[12].李学琴,刘鹏,吴幼青等.生物质气化技术的发展现状及展望[J].林产化学与工业,2022,42(05):113-121.

[13].SHARMA S, SHETH P N. Air-steam biomass gasification: Experiments modeling and simulation[J].Energy Conversion Management, 2016, 110(15):307-318.

[14].刘洋,黄亚继,李海洋等.稻秸秆气化过程中碱金属K的迁移释放特性[J].热科学与技术,2023,22(06):578-582.DOI:10.13738/j.issn.1671-8097.020283.

[15].崔志恒,王江江,霍硕杰,姚文岐.(2023).生物质气化耦合固体氧化物燃料电池的冷热电联供系统的性能分析[J].中国电机工程学报(23),9192-9204.doi:10.13334/j.0258-8013.pcsee.222667.

[16].黄开明,赵立欣,冯晶等.复合微生物预处理玉米秸秆提高其厌氧消化产甲烷性能[J].农业工程学报,2018,34(16):184-189.

[17].陶姣,潘云川,熊健等.不同生物质原料催化制备5-羟甲基糠醛的研究进展[J/OL].能源环境保护:1-8[2024-02-26].