生物质能的开发利用

    生物质能是植物通过光合作用转化而来的能量，是目前继煤炭、石油、天然气之后的全球第四大能源，且是唯一可以储存、直接转化为车用燃料的可再生能源。生物质包括植物、动物及其排泄物、生活垃圾及有机废水几大类。

    生物质能的开发利用是替代化石能源、实现可持续发展的主要途径之一。生物质能的开发利用和当地资源禀赋及用能需求密切相关。

    根据美国能源部能源信息局（EIA）2010年的统计数据， 美国的可再生能源占一次能源8%， 其中53%是生物质能。2010年，美国采用生物质发电的总容量达到10.66GW，其中城市垃圾发电为3.65GW。根据美国能源部可再生能源实验室（NREL）有关报告预测，到2020年，生物质发电总量将达到22GW。美国车用燃料需求巨大，2007年布什总统提出“20 in 10”的计划，即在10年内减少20%的石油燃料，其中，5%通过节能，15%通过生物燃料替代。

    对于欧盟来说，2009年，在可再生能源中，生物质能占68.6％，占总能耗6％。2010年，欧盟交通能源消耗中生物燃料占4%，预测到2020年，交通能源消耗中生物燃料至少要占10％。由于欧洲的气候特征和对车用燃料没有美国需求大，生物质能的利用更加侧重热电联供，根据2003年的数据，生物质能利用中，电力为35Mtoe，供热为27Mtoe，车用燃料为18Mtoe。

    日本虽然生物质资源不丰富，但对生物质能开发利用也十分重视，2002年以内阁会议决议的形式公布了《日本生物质综合战略》，由内阁府、农林水产省、文部科学省、国土交通省、环境省共同制定，根据测算，日本所有的生物质资源作为能源转化，可替代15％石油，恰好日本用于化工生产的石油消耗比例也是15%，为此提出由“石化日本”向“生物质日本”转变的口号。

    从技术发展趋势来讲，巴西采用甘蔗制乙醇，美国采用玉米制乙醇，欧洲采用植物油籽制生物柴油。但用粮食类生物质制燃料，对世界粮食供应带来冲击，进而开始研究秸秆类生物质制燃料的技术途径，主要途径有两条：通过生物化学方法转化为乙醇；通过热化学方法转化为生物柴油，如生物质先气化，然后经过费托合成制柴油。目前这两条途径均存在成本过高的问题。生物质燃烧技术已普遍应用，比较成熟。由于生物质气化所得到的合成气，主要成分是CO和H2，具有广泛的用途：供热、发电、合成燃料、化工产品等，是研究的重点之一，目前遇到的主要瓶颈是合成气中焦油难以脱除。为拓展生物质资源，培育能源植物是一个重要发展方向，其中工程微藻是一个热点，但离产业化应用还有一段距离，如分离微藻需消耗大量的能量。

    因地制宜

    对于我国来说，地少人多，采用粮食类生物质的道路走不通。与一些发达国家不同，我国目前生物质资源的主要来源是农林剩余物及城市垃圾等，并具有特殊问题。

    一个问题是，农作物秸秆的田野焚烧问题。随着农村经济的发展和农民生活水平的提高，煤、液化气等商品能源在农村地区的应用越来越广泛，农作物秸秆已不再作为生活燃料，而是直接在农田里烧掉。根据2010年12月农业部科技教育司发布的《全国农作物秸秆资源调查与评价报告》，我国农作物秸秆可收集资源量为6.87亿吨，其中被废弃及焚烧的资源量为2.15亿吨，占31.3%。焚烧秸秆不仅浪费宝贵的能源，而且将使空气中烟尘、颗粒物和其他污染物的浓度急剧增加，危害人体健康。此外，焚烧秸秆将降低大气能见度，妨碍机场飞机的起降和高速公路上汽车的行驶。为解决焚烧秸秆问题，我国出台了生物质发电上网电价补贴政策，随之建设了一批锅炉燃烧秸秆的发电厂，由于这些发电厂需要一定的规模，而我国农民是个体经营，一个装机容量30MW的燃烧秸秆发电厂，需要大约20万农户来提供秸秆，秸秆收集的价格很难控制，造成目前燃烧秸秆发电厂全面亏损的局面。

    解决这一问题，需要从农村体制的根本问题着手，建立一套适合中国农村的商业模式。从技术角度讲，农作物秸秆资源分散，能量密度低，宜就地转化，采用小规模化利用，基于气化技术的分布式供能系统是未来高效利用秸秆资源的重要途径。从可持续发展的长远角度看，随着我国进一步开展社会主义新农村建设和城镇化建设，农村地区生活水平将不断提高，能源的需求将更加多样化，需求总量也将是巨大的，化石能源因受资源和环境因素的制约，难以支撑农村能源的未来需求，大力开发农村地区的风能和太阳能等可再生能源是必然趋势，但风能和太阳能不能储存，并且具有波动性，而秸秆等生物质能恰恰能弥补这一缺憾，也为日益增加的能源需求提供可再生能源资源的保障。所以，充分利用农村就地的各种可再生能源，开发多能互补、多元转化的新型能源系统是科技工作者一项重要的使命。

    我国另一个问题是“垃圾围城”。我国的垃圾处理主要采用卫生填埋，以上海为例，2011年，上海生活垃圾清运量为704.16万吨，平均每天约19200吨，其中约10900吨垃圾采用卫生填埋，2900吨垃圾采用锅炉燃烧，1900吨采用生物处理，150吨回收利用，850吨餐厨垃圾进行专门处理，还有2500吨运到堆场临时堆放。由于用作垃圾填埋场的土地越来越少，锅炉燃烧垃圾实现减量化，同时进行发电，是目前比较可行的解决方案。但垃圾中有不少含氯成分的废弃物，特别是塑料类垃圾，在有氧环境下燃烧，极易产生毒性很强的二噁英，如果环保措施不力，会引起严重的环境污染，所以，民众对燃烧垃圾十分敏感，选址相当困难。随着城镇化不断发展，每天产生的城市垃圾将越来越多，如何清洁处理城市垃圾是民生关注的重大问题。此外，我国是一个资源和能源短缺的国家，如何实现城市垃圾资源化、能源化利用，在解决城市垃圾出路的同时，发展循环经济，也是实现经济发展方式转变的一个有效途径。

    从国外发达国家的经验来看，经过几十年的努力，对垃圾处理已经形成以控制垃圾源头为先、垃圾再循环居次、资源化处理垃圾随后的多层次垃圾管理模式。以日本和瑞典为例，都采用十分严格的垃圾分类，然后进行循环利用和转化利用，瑞典在上世纪90年代初约40%的垃圾采用填埋，现在只有4%左右无法利用的有害垃圾采用填埋。在转化利用技术方面，热化学转化是主要途径，燃烧仍然是主要方法。燃烧过程中除需要严格控制二噁英等有毒污染物向大气排放外，燃烧后还有15%左右原垃圾量的灰渣需作为危险品特殊处理。日本对各种垃圾清洁转化技术进行了研发和示范，为处理燃烧产生的有害灰渣问题，采用灰渣熔融技术，为进一步降低二噁英排放，开发气化与热解技术，并和灰渣熔融技术相结合。近几年来，具有超高温和灰渣熔融特征的等离子气化技术开始出现，通过等离子气化技术可以将垃圾完全转化为清洁的可燃气体和无害的玻璃渣。这些垃圾清洁处理新技术，目前还处于示范应用阶段，在处理规模、经济性和可靠性方面还有待完善。

    我国的城市垃圾目前没有分类，而且各地的生活习惯和经济发展水平不同，垃圾的成分也有较大的差异，加之我国人口众多，与一些发达国家相比，垃圾问题更加复杂。解决我国的城市垃圾问题，既要借鉴国外成功的经验，也要结合我国的国情，探索一条递进式和跨越式相结合的中国特色道路。

    在管理方面，要充分发挥我国社会主义制度的优越性，政府要出台强有力的管控政策和激励政策，从源头上减少垃圾的产生量，并积极鼓励发展循环经济和清洁生产，尤其是要探索出一套适合中国社会特点的垃圾分类模式。在技术方面，不应重复走国外的老路，而是要开展多学科的协同创新，从垃圾分类、循环利用和转化利用的各个系统环节出发，在全寿命周期评估的基础上，开发出一套处理成本低、环境影响小、资源化利用程度高的技术支撑体系，同时带动新兴产业的发展。

    总之，生物质能的开发利用，需根据当地的资源和用途，遵循因地制宜的原则。对于发达国家来说，开发利用生物质能，侧重点在于解决化石能源的替代问题。我国当前面临的问题，则是城市垃圾和农村秸秆的处理问题。所以，生物质能的开发利用，在我国更为迫切，也更具广阔的前景。

    学者小传

    罗永浩，上海交通大学能源研究院生物质能研究中心主任、机械与动力工程学院热能工程研究所副所长，教授，博士生导师。1982年获哈尔滨工业大学学士学位，1982年至1988年在上海发电设备成套设计研究所工作和学习并获得硕士学位，1997年获上海交通大学博士学位，1999年至2002年期间在德国斯图加特大学和美国能源部全球变化联合研究院进行短期访问研究。1988年进入上海交通大学工作至今，兼任上海新能源科技成果转化与产业促进中心总工程师，中国动力工程学会理事，上海市节能协会副理事长，上海市能源研究会理事。