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中国社会科学院工业经济研究所

生物质能利用技术与政策研究综述

2018年07月03日来源:《中国能源》2018年06期    作者:袁惊柱 朱彤

摘要:为了减少环境污染、降低碳排放,实现可持续与绿色的发展,各国已相继加快能源转型,推进经济转型发展。生物质能作为一种清洁可再生能源,对于促进能源系统的转型具有重要的现实意义。目前,世界上技术较为成熟、实现规模化开发利用的生物质能利用方式主要包括生物质发电、生物液体燃料、沼气和生物质成型燃料等。欧洲、美国等发达地区和国家已经基本具有发展成熟的技术体系,中国等发展中国家还有一些关键技术需要攻坚;在生物质能的政策方面,欧洲、美国、日本都具有系统化的政策体系,贯穿生物质能项目运行的不同阶段和生物质能产业链,中国等发展中国家的政策不成体系,只是在相关领域政策中被提及到。

关键词:生物质能技术;生物质能政策;能源转型

基金项目:中国社会科学院登峰战略优势学科(产业经济学)成果,中国社会科学院创新项目“能源领域重大问题研究”成果。

 

据估计,全球陆地地面以上总的生物质量约为1.8 Mt,海洋中约40亿t,土壤中约1.8 Mt。年净生产量陆地地面以上约为1150亿t,海洋为550亿t(日本能源学会,2006)。在美国,利用生物质资源的市场数量正在增加,主要的使用者包括:传统热能生物质使用;出口(主要给欧洲);生物质塑料和生物质产品;生物质燃料;生物质电力。在欧洲(特别是瑞典和其他北欧国家),用于热能的生物质使用量更高,68%的生物质使用用于居民热能,12%的生物质用于加热过程(Emily et al.2012)。在一些发展较落后的地区,传统的生物质利用仍然是能源供应的主要方式,如位于非洲东北部的埃塞俄比亚,生物质能源供给约为9900亿t,其中,木材生物质占了总供给的95%,动物粪便和作物残余分别占了3%2%Guta2012)。2016年,作为更低碳能源的典型代表,可再生能源(包括生物燃料)再一次成为增速最快的能源。以生物燃料为例,2005年到2015年间,世界生物燃料年增长率为14.1%2016年世界生物燃料产量为8230.6toe。在欧洲,生物质能已经占能源消费总量的10%,占可再生能源的2/3Fortum2016)。而在发展中国家,生物质能占了一次能源消费的35%,是可再生的有机石油替代品。总体看来,以农业作物及副产品(除了水生物)为原料的生物质能源,被称为第一代生物质能源或传统生物质能源,已在一些国家形成产业化生产;以木质纤维素为原料的生物质能源被称为第二代生物质能源,目前仍处于技术创新阶段,未形成产业化生产(张平等,2014Ruamsook and Thomchick2014)。在世界经济格局变化和能源转型发展的背景下,生物质能发展迎来了重要机遇期。

2017版《BP世界能源统计年鉴》报告。

 

1    生物质能利用的主要技术路径及其应用进展

世界上技术较为成熟、实现规模化开发利用的生物质能利用方式主要包括生物质发电、生物液体燃料、沼气和生物质成型燃料等。生物质能利用的转化技术主要包括:直接燃烧技术、致密成型技术、气化技术、裂解、植物油酯化技术、城市垃圾填埋气发电和供热、生物质发酵乙醇技术、炭化技术、沼气发电技术等(周艳茹等,2011)。按照生物质能产品划分,生物质能源技术研究主要集中在固体生物燃料(生物质成型燃料、生物质直接发电/供热)、气体生物燃料(沼气与车用甲烷、生物制氢)、液体生物燃料(燃料乙醇、生物柴油、BTL)以及替代石油基产品生物基乙烯及乙醇衍生物等。已经市场化的产品主要是生物质发电/供热、沼气和车用甲烷、燃料乙醇及乙醇下游产品、生物柴油及相关化工产品等。目前,欧盟国家已经形成了从原料收集、储藏、预处理到燃料生产、配送和应用的整个产业链的成熟技术体系和产业模式,发达国家的技术体系也日趋完善,欠发达国家仍需在关键领域进行技术攻坚。

1.1   固体燃料技术

在固体生物燃料方面,我国开发了常温生物质成型技术。2010年,我国农业部颁布实施了生物质成型燃料行业标准,成为我国首个固体燃料技术标准(邢献军等,2015)。固体燃料技术主要包括生物质成型燃料技术和生物炭技术,其中,生物质成型燃料技术主要包括生物质颗粒、生物质块及成型设备的制造技术。影响生物质固化成型的因素主要有原料种类、颗粒物形状、含水率、温度等,他们是决定生物质成型燃料技术发展的主要影响因素。生物炭是指生物质在完全或部分缺氧的情况下经高温裂解而产生的一类高度芳香化难熔性富碳物质,主要包括灰分、固定碳和挥发分3种成分。按照炭化方式,生物质炭化技术一般分为水解炭化、热解炭化和闪蒸炭化技术等(吕豪豪等,2015)。目前,欧洲国家在生物质固体燃料方面发展最快,因而总体上在固体燃料技术上的发展最成熟。日本的致密成型技术已领先世界。我国还需在生物质固体成型燃料关键技术上进行攻坚,才能实现规模化发展。

1.2   液体燃料技术

在液体生物燃料方面,存在着生物柴油和燃料乙醇两种技术,其中,生物柴油有常规碱(酸)催化技术、高压醇解技术、酶催化技术、超临界(或亚临界)技术。而燃料乙醇主要包括木薯乙醇、甜高粱乙醇和纤维素乙醇。总体而言,淀粉(包括糖)、木质纤维素和油脂是3类主要适合用于制备液体燃料的生物质资源,其中,淀粉和糖主要使用发酵法制备燃料乙醇,油脂主要通过热裂解、酯交换或催化加氢等制备生物质基柴油或汽油,木质纤维素主要通过发酵、气体—费托合成、液化—精炼、平台化合物中间体的选择性合成来制备液体燃料(张家仁等,2013)。在美国,更倾向于研究生物质乙醇生产的第一代原材料和第二代原材料(分别是淀粉生物质和木头纤维生物质),在目前的技术水平下,美国以及全球的乙醇规模生产大都是来自于前者。纤维素原材料,如农业和林业残余、四季不断的草场、木质的植物和固定废物都具有优势,因为他们没有必要直接与食品、饲料和纤维生产竞争,且与玉米和其他商品性作物相比,需要更少的投入(如水、营养和土地)。但目前因为技术的不成熟,生产成本仍较高,还不适合大规模的产业化生产。目前,欧洲各国、美国及我国在以粮食为原料的液体燃料技术上,都已基本发展成熟。而在以纤维素为原料的液体燃料技术上,美国、欧洲已取得了很大进展,我国也取得了一定成绩,但仍与美国和欧洲有一定距离。目前,我国北部18个省可种生产乙醇的甜高粱,而纤维素乙醇技术面临三大技术瓶颈:高效的秸秆类植物生物质预处理技术;纤维素降解为葡萄糖的酶成本高;缺乏高转化率利用戊糖、己糖产乙醇的微生物菌种。在生物柴油方面,目前主要以草本油为原料的技术已发展成熟,正在转向以木本油为原料的燃料发展技术。

1.3   气体燃料技术

现有的生物质气体燃料技术主要包括生物发酵法、高温热解法、等离子体热解法、熔融金属气化法、超临界水气化法等,装置主要有固定床、流化床和气流床,分单床和双床两种(王雨生等,2015;李季等,2016)。其中,无气化剂的气化反应称为热解气化,有气化剂的气化可分为氧气气化、水蒸气气化、空气气化和复合气气化(汤颖等,2017)。生物质气化技术还可以运用到集中供气、热电联产、合成天然气、合成液体燃料和制氢方面(王忠华,2016;李季等,2016)。制约生物质气化发展的主要问题包括焦油含量、二次污染、产气热值和经济效益等(李季等,2016)。影响生物质气化产物的因素主要包括生物质的物料特性(水分、灰分、颗粒大小、料层结构)、反应器的类型、生物质的预处理(干燥法、粉碎法、酸洗法、碱洗法、有机溶剂法、蒸汽爆破法、生物处理法、氨爆法、二氧化碳爆破法、高温液态水法等)、气化剂的类型(空气、氧气、水蒸气、氢气、复合气)、生物质的进料速率、反应器内的压力和温度等(汤颖等,2017)。生物质气体燃料技术还包括液化制取合成气技术,主要分为生物质直接液化成合成气和生物质快速裂解成生物油再气化成合成气(衣冠林等,2016)。生物质热化学气化制取合成天然气的流程包括生物质预处理、气化、净化与调整、甲烷化和气体提纯,其中,甲烷化是关键技术,主要涉及到甲烷化反应器和催化剂两方面。用于合成气甲烷化的反应器主要有固定床和流化床两类,经常使用到的甲烷化催化剂是负载与氧化物载体上的过渡金属(董明等,2017)。在发酵技术中,生物气生产涉及到需要为活的微生物给定一个特定的环境来发挥最优的功能,因此,会经常区分嗜常温和嗜高温生产、湿浆生产和干燥生产。其中,湿法技术是指原材料的干物质含量小于8%的液态有机物处理方法,干法技术是指原材料的干物质含量在20%~40%的固体生物质处理方法(罗志刚,2016)。目前的气体燃料技术主要以沼气技术为主,各国的技术基本已经发展成熟,我国也已开始运行一些大型沼气生产项目。最新的研究进展是藻类生物质气化制取甲烷,目前各国都陆续开展了技术研发,如我国研究蓝藻发酵生产甲烷,日本研究海藻发酵生产甲烷,西班牙研究藻类裂解制取甲烷等(孙书晶等,2017)。

1.4   电力生产技术

目前电力生产的3种主要的生物质使用技术是:直接燃烧、共燃和气化。直接燃烧是把生物质作为电厂火炉中的唯一燃料。这些工厂的平均产业效率为25%。由于这些工厂主要依靠原材料,他们常常只有很小的生产量。第二种技术,共燃,是在已存在的电厂炉子中用生物质代替部分煤,替代比例通常是5%30%之间。在比例合适的时候,共同燃烧工厂的效率水平可以与全煤燃烧匹敌,通常这个比例是35%左右。第三种技术,气化,即对生物质加热直到它生成可燃气体。这种生物质气可以被净化,可以在联合循环电力生成系统中使用,有效率可以达到60%。在这三种技术之中,共燃预期是短期内在满足能源需求增长方面最有经济潜力的技术。而随着技术成本下降,气化会成为未来更有潜力的技术。另外,一个生物质电力的普遍应用是电热联产工厂,既提供热能,又提供电力(Emily et al.2012)。目前这三种生产技术都已经基本发展成熟,各国都根据各自资源禀赋情况建设了一些生物质秸秆直接燃烧发电、生物质与煤共燃发电和沼气发电项目。2007年,美国生物质能发电总装机容量已经超过10 GW,已有350多座生物质发电站(卢旭东等,2009)。

1.5   其他技术

其他技术主要包括生物质能原材料的预处理技术、生物质能设备制造技术等。其中,预处理技术主要包括汽爆法、臭氧分解法、溶剂法、氧化脱木质素法、碱处理、稀酸处理法等,取得共识的较佳预处理方法是稀酸法(李十中,2006)。在秸秆生物质的利用之中,预处理方法是促进生物质秸秆高效利用的技术之一,目前主要有物理法、化学法、物理化学联用法和微生物生物法。其中,物理法主要是指机械粉碎、高能辐射处理和微波处理技术等;化学法是指酸、碱、离子液体、有机溶剂、臭氧和湿氧化处理等;物理化学联用法主要包括二氧化硫、氨、二氧化碳联用汽爆法及高温热解法;微生物生物法则是利用褐腐菌、白腐菌和软腐菌等微生物来提高纤维素和半纤维素的酶解糖化率(王克勤等,2015)。欧美国家在生物质能设备制造方面已经实现了市场化,生物质成型设备和生物质锅炉技术已发展成熟,很多设备都出口到其他国家,如瑞典的生物质锅炉。总体看来,欧洲在生物质能原材料的预处理技术和设备制造技术上要领先于其他国家,我国在这些方面仍是短板,还需进行技术攻坚。

2    主要国家促进生物质能发展的政策演变

近年来,经济增长与环境污染的关系成为了社会各界关注的热点问题。而能源生产和消费正是这一问题的核心因素。为了减少环境污染、降低碳排放,实现可持续、绿色的发展,各国已相继加快能源转型,推进经济转型发展。而生物质能发展的相关政策,正是在这一大背景下不断出台。总体而言,生物质能相关的政策大多是位于新能源和可再生能源发展的框架下提出的。由于各个国家发展的水平和阶段不同,因此对生物质能发展的需求和定位亦不同。一般说来,发达国家生物质能政策的提出是为了实现可持续、绿色低碳的发展;而欠发达国家生物质能政策的提出或是为了促进能源转型,或是为了保障能源供给安全,或是因为化石能源匮乏的原因。

2.1   欧盟

2008年欧盟通过的《可再生能源指令》提出了可再生能源“20-20-20”的战略目标,即:到2020年温室气体排放量比1990年减少20%;可再生能源占总能源消费的比重提高到20%;能源利用效率提高20%。同时,通过《战略能源技术计划》,提出发展生物技术,促进低碳经济发展。2010年,《欧盟2020能源战略》出台。2011年,《欧盟2050能源路线图》出台。这些文件提出,到2020年生物燃料在交通燃料中的比例必须达到10%。总体看来,欧盟生物质能发展的政策环境发生的变化趋势是,在新能源和可再生能源发展规划下,生物质能得到了发展的机会。由于生物质能具有碳中性、易储存、稳定性强等优点,对于欧盟为了实现可持续和低碳的发展具有重大的意义。因此,在欧盟的政策框架下,为了实现具有强制执行力的目标(如“20-20-20”和FIT),各成员国结合各国资源禀赋,相继出台了各种促进生物质能产业发展的政策和法规,在材料来源、投资生产、技术、设备和产品等方面给予支持。随着生物质能产业的发展,生物质能产品对传统化石能源产品进行了部分替代,生物质能产业的发展已经具有一定的市场竞争力,各国已开始在一些领域陆续停止了政策补贴。

2.2   美国

美国于2003年出台了《生物质技术路线图》,计划2020年使生物质能源和生物质基产品较2000年增加20倍,达到能源总消费量的25%2050年达到50%),每年减少碳排放量1亿t。此后,美国又相继提出了《先进能源计划》(2006年)、《纤维素乙醇研究路线图》(2006年)、《美国生物能源与生物基产品路线图》(2007年)、《20072017年生物质发展规划》(2007年)、《国家生物燃料行动计划》(2008年)、《生物质多年项目计划》(2009年)等,进一步明确了生物质资源的开发利用的战略趋向和发展目标(王红彦等,2016)。美国是一个能源生产大国,在页岩气资源被探明且被开采的情况下,在生物质能利用上的政策完全取决于执政政府的意向。

2.3   日本

日本从2002年开始将生物质利用放入国家战略中,出台了《日本生物质战略》政策,规定从2004年开始建设生物质镇。2005年《京都议定书成就计划》出台。2006年对《日本生物质战略》进行了修订。2009年《促进生物质利用的基本方案》出台。2010年,出台了《基本能源计划》,规定到2020年,一次能源供给中可再生能源的比例要达到10%,生物燃料要占到全国汽油消费总量的3%。同年,《能源供给结构复杂方法方案》和《促进生物质利用国家计划》出台,前者要求石油炼化厂要生产一定的生物质燃料,2017年要达到50kl油当量;后者设定了2020年的发展目标,并为生物质利用技术的发展制定了基本政策。2011年,东日本大地震和福岛核工厂事故的发生给生物质能发展提供了机遇。2012年,《生物质产业化战略》出台,详细规定了实现生物质产业化的特定转换技术和生物质能资源,并为实现生物质产业化设定了原则和政策。另外,日本在生物质能产业发展的相应阶段,都会出台有针对性的法律法规来保障生物质能项目顺利运行。

2.4   中国

我国生物质能产业发展的政策主要有法律法规类、发展规划类、财税政策类和补贴政策类四种。法律法规类的生物质能产业政策很少,除了在相关的产业或经济领域中被提到外,还没有形成专门针对生物质能产业发展的法律法规,如2005年发布的《中华人民共和国可再生能源法》和2008年发布的《中华人民共和国循环经济促进法》。在发展规划类政策方面,生物质能产业主要是在可再生能源产业发展规划中被提到。第一个专门针对生物质能产业的发展规划是农业部在2007年编制的《农业生物质能产业发展规划(20072015年)》。直到2012年,专门的生物质能发展规划(《生物质能发展“十二五”规划》)才出台。2016年,又相继出台了《生物质能发展“十三五”规划》。在财税政策类方面,我国主要是通过增值税优惠、企业所得税减免、财税扶持、投资抵免等方式进行政策支持,如《国家税务总局关于生物柴油征收消费税问题的批复》、《中华人民共和国企业所得税法实施条例》等。在补贴政策类方面,我国主要是采用发展专项资金、对生物质能产品进行补贴、对生物质原料进行补贴的方法。如《可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法》、《可再生能源发展专项资金管理暂行办法》、《关于完善农林生物质发电价格政策的通知》等。

总体来说,生物质能产业发展的政策环境呈现出如下特征:法律法规类没有专门针对生物质能发展的政策,生物质能发展只是在可再生能源的发展政策框架下被提到,且没有详细的条文规定;虽然已经具有专门的生物质能发展规划类文件,但没有强制实行的效果,没有具体实施的细则,难以达到规划目标;生物质能财税政策由于缺少强制执行的发展目标,往往效果不佳;生物质能补贴政策只是针对生物质能产品和原料进行补贴,没有针对生物质能企业和生物质能设备制造企业进行补贴(袁惊柱,2017)。

3    总结性评论

随着各国工业化水平的不断提高,各国的能源结构都发生了一些变化。发达国家工业化水平最高,已经进入了再工业化阶段,能源生产和消费都向清洁低碳能源倾斜,生物质能作为一种碳中性、清洁的可再生能源,在一次能源结构中已经具有了较高的比例,已经实现了产业化发展,在市场中与传统化石能源相比已具有市场竞争力;对于发展中国家,基本都处于工业化进程的中后期,面对经济增长和环境污染的双重挑战,生物质能产业大多是在新能源和可再生能源框架下获得一定的发展机会,只是在一些领域上实现了初步产业化,仍然不具有市场竞争力;对于欠发展的国家,基本是处于工业化进程的初期,能源结构中生物质能的比例很大,但大多是传统的使用方式,生物质能利用效率低。

总体而言,作为世界能源消费总量第4的能源,生物质能由于其在碳减排和清洁能源方面具有的特点,成为各国在能源转型发展中的一个有利选择,但也存在一些争议(Hough and Ares2016)。在生物质能利用技术方面,欧洲、美国等发达国家和地区已经基本具有发展成熟的技术体系,中国等发展中国家还有一些关键技术需要攻坚;在生物质能的政策方面,欧洲、美国、日本都具有系统化的政策体系,贯穿于生物质项目运行的不同阶段和生物质能产业链,中国等发展中国家的政策不成体系,一些只是在相关领域政策中被提及到;在生物质能发展的现状和问题上,各国根据资源禀赋和发展目标的重点不同,运用的领域也存在差异,发达国家已经实现了产业化,与传统化石能源相比已经具有市场竞争力,中国等发展中国家只是在一些领域初步实现了产业化,但仍需要依靠政策扶持才能实现长久的发展,与传统化石能源相比,经济成本仍不具优势。

 

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