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生物质能源:腐朽与神奇间摇身一变.

时间:2018-05-08 发布者:天勤能源 浏览次数:

             

主讲人:中国工程院院士、南京工业大学校长 欧阳平凯
  
    欧阳平凯,中国工程院院士,现任江苏省科协主席、南京工业大学校长,是我国生物化工工程研究和工程教育领域的先行者。长期从事生物工程研究,创建了我国第一个生物化工专业,先后主持多项国家973项目和国家自然科学基金重点项目,为我国生物技术、化工领域的发展做出了开创性的贡献。荣获过国家科技进步一等奖,国家技术发明二等奖,各种省部级奖项以及联合国科技创新奖等。
  
  核心提示
  
  生物质有高低之分,像大豆、玉米等都属于高品位生物质,而农作物秸秆、禽畜粪便、生活污水和工业有机废水、城市固体废物等则属于低品位生物质,简称低生物质。发展低生物质能,不仅能解决能源问题,同时还能解决水污染问题。生物质能取代化石能源,能让城市变得更漂亮、更环保、更适宜居住,呼吁全民共同参与到推动生物经济发展的大军中来。
  
  我今天报告的题目是《生物质能源的现状与展望》,这个内容不光是国内,也是国际上的现状和展望。但是重点我想还是结合中国以及江苏的实际情况,从科学普及的角度,讲一些生物能源的背景、现状以及可再生能源将来发展的前景。
  
  瑞典要建“无油国家”
  
  近一二百年的强度开采与消费使不可再生的化石资源渐趋枯竭。据国际能源机构统计,煤、石油、天然气可供开采的年限分别只有240年、40年和50年。另一方面,无节制地使用化石能源,给环境和生态造成了严重污染和破坏。寻找可再生的替代资源和能源已是大势所趋。
  
  现代的生物质产业,是指利用可再生的有机物质,如农作物、树木等植物及其残体、畜禽粪便等有机废弃物,通过工业加工转化,进行生物基产品、生物材料和生物能源生产的一种新兴产业。大自然每年产生1600多亿吨的生物质,是人类取之不尽的资源。在各种可再生资源中,生物质资源是最稳定、高效同时也最环保的一种资源。因为生物质的生产过程是一个环境净化的过程,可以吸收空气中的二氧化碳,吸收有机污染。所以,世界科学界都把生物质资源作为重要的替代资源。美国、日本、加拿大、欧盟都制定了各自的生物质产业发展计划,美国提出要摆脱对中东的依赖,瑞典提出要建无油国家。
  
  生物化工取代石油化工
  
  我国目前每年有14亿吨的农林生物质产量、25亿吨畜禽粪便及大量有机废弃物,另外还有1亿多公顷不宜耕农田可用以种植能源植物。国家提出至2020年我国农林生产的生物量要相当于15亿吨标准煤,相当于每年再生多个“大庆”,这是我国发展生物质产业永不匮缺的资源,也是解决环境治理,实现可持续发展的必由之路。
  
  我国生物质产业的基础应定位于生物质工业和生物质化工。如果说能源的生产还有其它途径,但未来的物质资源生产(液体燃料、有机材料和各类化学品)必然来源于生物化工制造。当前来说可以将燃料乙醇、生物乙烯、阳光柴油、生物塑料以及沼气发电和固化成型燃烧作为主导产品。生物质化工是近期极具市场竞争力的重要方向,美国科学院提出至2020年生物质化工对石油化工的取代率可以达到50%。
  
  当然,在发展生物质工业的同时,还要发展能源作物与化工作物在农林产业中的应用,农林部门每增加1000万公顷能源植物的种植与加工,就相当于增加4500万吨石油的年生产能力(一个大庆),这也是建设社会主义新农村的一个重要方向。
  
  江苏缺煤少油可开发生物质能源
  
  发展生物质产业非常适合江苏省情。江苏的煤、石油等化石能源很少,但水资源很丰富,阳光资源很充足,生产生物量非常有条件,发展生物质产业非常适合江苏省情。江苏的生物质产业在两个方向大有文章可做:一是粮、草并用开发生物质资源和能源,二是开发城镇污水做天然气。
  
  就像石油可以炼制出汽油、柴油、煤油等一样,生物质加工也可以通过生物炼制实现综合利用,拉长产业链。粮食、秸秆都要用。玉米能用,玉米芯和玉米秸秆也能用。既要生产酒精,用来做乙醇汽油和乙烯等化学品,还要生产乳酸、丁二酸、丁二烯,用来做塑料、做合成橡胶。用酒精做乙烯,做得好,完全可以替代石油。特别是非粮食化生产酒精这一块江苏应该做。我国有1亿吨玉米,光玉米芯就有六七千万吨,包括秸秆就有1亿多吨了。好好用起来,说一年相当于增产五六千万吨粮食是可能的。
  
  猪:粪便大王,51%养殖在中国
  
  粪便和秸秆是人人嫌弃的垃圾,但如果用来发电,不仅可以减排大量二氧化碳,其成本也低于风电和光电。
  
  说到环境污染,很多人第一反应是工业发展带来的污染。其实不然,最大的污染源是农业。农业污染包括种植业、养殖业和有机废弃物。“我们中国最多的一样东西是粪便,13亿人口排的粪便数量世界第一。”除此之外,现在养殖业排放的粪便也是世界第一。中国土地只有世界陆地面积的7%,实际居住面积只有世界陆地的3%不到,但是养了占世界总数51%的猪,还养了占世界总数40%多的鸡鸭,产生了大量粪便。
  
  这些生物质要用起来。中国发展生物质能源之路,第一不能看中粮食,第二不能看中耕地,必须利用低劣生物质,比如城市生活垃圾、农作物秸秆以及粪便等,积极稳妥地推广生物甲烷以及发电。中国生活垃圾数量很大,每年有1.55亿吨;一年粪便12亿吨,农作物秸秆7亿多吨。如果全部利用起来,至少相当于7亿吨标煤,减排二氧化碳20亿吨。
  
  美国向海藻要油,每天百万桶
  
  世界发达国家如欧盟、日本、美国对低品位生物质的处理和利用目前主要集中于生物燃气(生物燃气能有效地利用有机垃圾、人畜粪便、废弃农作物秸秆等低品位生物质原料,具备绿色、清洁、环保的特点)的开发和使用。欧盟开展了生物燃气计划;日本启动了Lotus计划;瑞典的生物燃气生产已从单纯的废物处理手段转向以供气、发电为主的能源产业,甚至开始种植专供制备生物燃气的能源作物。美国2007年推出的“微型曼哈顿计划”宗旨就是向海洋藻类要能源,目标是到2010年每天产出百万桶生物原油,实现藻类产油的工业化。此外,纽约的斯塔藤垃圾处理站采用湿法处理垃圾,回收沼气用于发电,同时生产肥料。
  
  我国若将禽畜粪便资源转化为生物燃气可折合超过7840万吨标煤。国内对生物燃气的开发利用起步于50年代,主要是用粪便和农作物秸秆制取沼气,而在大中型沼气工程中,更多的是将对工业废水的治理与沼气生产结合起来,虽然取得了一些成绩,但产业规模小、系统集成化低,无法适应大规模工业化的需要。2007年,内蒙古蒙牛集团建成了全球最大的畜禽类沼气发电厂,可日产沼气1.2万立方米,日发电3万千瓦时,每年可向国家电网提供1000万千瓦时的电力,还可生产有机肥约20万吨。
  
  高效菌种转化浦口区一年粪便
  
  相当于标煤16.8万吨
  
  粪便和秸秆资源非常分散,如何集中处理是个难题。分散处理就可以解决这个难题,这个模式就是在农田附近挖一个大坑,把秸秆、粪便等就地收集倒进去,专家把高效的菌种撒进去,然后在旁边再建一座竖井,使生成的甲烷通过管道集中输送。就地把秸秆、粪便处理掉,剩下的沼液沼渣还可以用来还田。这样种出来的葡萄比用一般化学肥料种出来的好吃得多。
  
  这一设想不是科学幻想。据介绍,目前瑞典等欧美国家都在建设低生物质使用网络,他们用管道来运输甲烷,比用汽车、拖拉机等运输成本要低,而且管道在地下,还不占用土地。使用低生物质处理网络后,牲畜粪便进入发酵池,病毒、病菌都死光了,蚊虫没有了,疾病传播源也就消失了。所以,发展低生物质不仅能推动生物化工的创新发展,还能改善环境,减少温室气体排放。
  
  南京工业大学跟美国麻省理工学院合作,开发出一种高效菌种,可以使生物甲烷转化率达到99%。这种资源化利用的模式,南京工业大学已经进行试点,若将我校已有的技术应用于南京市浦口全区(总人口为57万),将其作为一个示范点建设,总投资预算为1.83亿元,年创造经济效益约为1.81亿元。每年可处理浦口13个污水处理厂的3万吨淤泥和附近城市生活垃圾5.48万吨,年产出沼气1800万立方米,相当于标煤16.8万吨,一年减排二氧化碳20万吨、化学需氧量10万吨、氮磷1300吨。南工大准备向中央领导写建议,来推广这个模式。
  
  比风电、光电更可靠
  
  要解决环境压力,无疑必须走低碳经济之路,因此,可再生能源被提到了重要位置。可再生能源包括光电、风电、水能、生物质能。在可再生能源中,发展生物质能是最理想的。
  
  为什么这么说呢?现在很多地方在上马风力发电,认为只要有风就能发电,碳排放为零。但这一说法忽略了风力发电机制造过程中投入的人工和费用,实际上制造成本越高,意味着碳排放量就高。风电还有一个问题,就是有风才有电,没风就没电。譬如在我国的内蒙古,电本身很充分,风一刮,风电再传输到电网里,电网就吃不消,容易跳闸。而光伏电的成本也很高,每度基本要在6元左右。相对而言,生物质能是最优质的,因为它不像水电、风电、光电具有不确定性。
  
  江苏的生物质能源之路
  
  建议将该项目纳入江苏省绿色能源发展计划,制定《低品位生物质能源发展规划纲要》,形成争取政策支持和经费补贴,特别是设立“低品位生物质综合利用基金”,用于支持该项目推广过程中的建设和试运行。
  
  依托国家生化工程技术研究中心和江苏省工业生物技术创新中心,建立和完善该项技术的科研与应用平台。增设“低品位生物质综合利用实验室”和“生产性试验基地”,开展人员的技术培训和新技术的研发;建立咨询服务体系,利用网络、现场服务等形式进行技术咨询;建立成果推广转化部门,吸引企业参与该项成果的产业化。
  
  建议采用重点示范、分散建设、逐步推广的方式,在全省大力发展低品位生物质的资源化综合利用技术。具体建议为:在南京浦口区着力建设低品位生物质综合利用示范点,以十年为期,将该技术辐射至全省60个具备推广利用该技术条件的县(市、区),实现对全省低品位生物质资源的有效利用,形成社会循环可持续发展模式。在推广顺序上,建议在苏中、苏南、苏北循序进行。原因是苏中的农业、养殖业和城市化程度均比较高,相比之下苏南农业不发达、苏北城市化较低。(根据欧阳平凯院士在江苏省科协主办的系列高端报告会上的演讲整理,未经本人审阅。)
  
  新能源发展现状和趋势
  
  部分可再生能源利用技术已经取得了长足的发展,并在世界各地形成了一定的规模。目前,生物质能、太阳能、风能以及水力发电、地热能等的利用技术已经得到了应用。
  
  国际能源署(IEA)对2000~2030年国际电力的需求进行了研究,研究表明,来自可再生能源的发电总量年平均增长速度将最快。IEA的研究认为,在未来30年内非水利的可再生能源发电将比其他任何燃料的发电都要增长得快,年增长速度近6%。在2000~2030年间其总发电量将增加5倍,到2030年,它将提供世界总电力的4.4%,其中生物质能将占其中的80%。
  
  目前可再生能源在一次能源中的比例总体上偏低,一方面是与不同国家的重视程度与政策有关,另一方面与可再生能源技术的成本偏高有关,尤其是技术含量较高的太阳能、生物质能、风能等。据IEA的预测研究,在未来30年可再生能源发电的成本将大幅度下降,从而增加它的竞争力。可再生能源利用的成本与多种因素有关,因而成本预测的结果具有一定的不确定性。但这些预测结果表明了可再生能源利用技术成本将呈不断下降的趋势。
  
  我国政府高度重视可再生能源的研究与开发。国家经贸委制定了新能源和可再生能源产业发展的“十五”规划,并制定颁布了《中华人民共和国可再生能源法》,重点发展太阳能光热利用、风力发电、生物质能高效利用和地热能的利用。近年来在国家的大力扶持下,我国在风力发电、海洋能潮汐发电以及太阳能利用等领域已经取得了很大的进展。
  
  未来几种新能源
  
  波能:即海洋波浪能。这是一种取之不尽,用之不竭的无污染可再生能源。据推测,地球上海洋波浪蕴藏的电能高达9×104TW。近年来,在各国的新能源开发计划中,波能的利用已占有一席之地。尽管波能发电成本较高,需要进一步完善,但目前的进展已表明了这种新能源潜在的商业价值。
  
  可燃冰:这是一种甲烷与水结合在一起的固体化合物,它的外型与冰相似,故称“可燃冰”。可燃冰在低温高压下呈稳定状态,冰融化所释放的可燃气体相当于原来固体化合物体积的100倍。据测算,可燃冰的蕴藏量比地球上的煤、石油和天然气的总和还多。
  
  煤层气:煤在形成过程中由于温度及压力增加,在产生变质作用的同时也释放出可燃性气体。从泥炭到褐煤,每吨煤产生68m3气;从泥炭到肥煤,每吨煤产生130m3气;从泥炭到无烟煤每吨煤产生400m3气。科学家估计,地球上煤层气可达2000Tm3。
  
  微生物:世界上有不少国家盛产甘蔗、甜菜、木薯等,利用微生物发酵,可制成酒精,酒精具有燃烧完全、效率高、无污染等特点,用其稀释汽油可得到“乙醇汽油”,而且制作酒精的原料丰富,成本低廉。
  
  第四代核能源:当今,世界科学家已研制出利用正反物质的核聚变,来制造出无任何污染的新型核能源。正反物质的原子在相遇的瞬间,灰飞烟灭,此时,会产生高当量的冲击波以及光辐射能。这种强大的光辐射能可转化为热能,如果能够控制正反物质的核反应强度,来作为人类的新型能源,那将是人类能源史上的一场伟大的能源革命。


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