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    河南省生物质能源发展潜力及模式展望

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    当今化石能源短缺,我国原油进口对外依存度远超国际警戒线,环境污染不断加重,积极寻找并发展低碳清洁的可再生能源成为社会发展总趋势。作为可再生能源体系中第四大能源体的生物质能是可再生能源中唯一可直接转化为气体燃料、液体燃料、固体燃料及化学品的能源,同时可以提供热量和发电,其技术的突破对保障能源安全、减轻环境污染意义重大。河南省是农业大省,农林剩余物储量大,生物质资源丰富,发展生物质能有很大的潜力和优势。本文分析了河南省生物质能源现状、技术现状和政策现状,阐述了河南省生物质能发展的综合效益,凝练了河南省生物质能源清洁高效发展模式,可为中部地区及全国的生物质能源高效发展提供借鉴。

    一 河南省生物质能源概况

    (一)河南省生物质资源现状

    河南省是人口大省、农业大省,农业剩余物丰富,资源量全国第一,每年秸秆总量为8000多万吨,约占全国总量的10%,河南省农作物秸秆资源总蕴藏量为897亿吨,农作物秸秆分布不均匀,各地市农作物秸秆的能源密度也各不相同,其平均值为130吨/平方千米?!逗幽狭甘成诵那ㄉ韫婊诽岢龅?020年河南粮食产量将达到1300亿斤,全省秸秆总量将达到9446万吨。河南省林业废弃物资源量充足,初步测算,河南省每年林业“三剩物”(采伐剩余物、造材剩余物、木材加工剩余物)总量约为300万吨。全省能源林基地潜力巨大,荒山、荒坡、滩涂等宜林面积广阔,总量达到1084万亩。根据《河南省林业生态省发展规划》和河南省林业厅能源林建设规划,2020年规划建设能源林780万亩。全省生物质能资源合计约380万吨标准煤,可充分发挥河南省农作物秸秆资源丰富的优势。

    河南省农作物秸秆总体上分布不均(见图1),从地域分布上看,南阳、周口、驻马店的秸秆生物质能蕴藏潜力量较大,三地的总数占到全省的35.3%,其次是信阳、商丘、新乡、安阳和开封等地;济源、三门峡和鹤壁为分布最少的地区。

    图1 河南省生物质资源分布

    (二)河南省生物质能利用技术现状

    河南省生物质能利用技术及规模水平方面基本走在了全国的前列,河南省建立发展了一批在生物质能源研发方面具有较强实力的科研机构和高校,从事生物质能研发和产业推广的企业上百家,生物质能产品总产值超过100亿元,折合标煤达420多万吨。目前,生物质能利用技术及规模水平方面达到国内先进水平,其中燃料乙醇、沼气和秸秆成型燃料等技术和装备居国内领先地位,为河南生物质能源规?;煤筒捣⒄挂约昂幽仙拿鹘ㄉ杼峁┝酥匾募际踔С?。

    固体成型燃料技术:秸秆等松散的农林废弃物在一定的温度、湿度和压力条件下,挤压出具有一定形状、较大密度的成型燃料,一般分为颗粒状、块状和棒状三类。固体成型燃料具有成本低、燃烧性能好、能效高、便于储存和运输等优点,可用于冬季供热采暖,替代燃煤燃油燃气工业锅炉,采用固体成型燃料替代煤炭,能够减少污染,降低企业生产成本。近年来,以河南省生物质能源重点实验室为依托发展的生物质固体成型燃料的发展起到很好的推动作用,目前该实验室在生物质致密成型燃料技术方面,深入研究了生物质成型压缩过程中的机理,为降低能耗和提升效率寻找进一步的突破。

    生物质液体燃料技术:生物质通过热解、裂解、液化、水(醇)解、发酵等技术可以转化为液体燃料生物油,生物油经进一步的加氢脱氧提质可以制备生物柴油,可以替代由化石能源制取的汽柴油,是可再生能源开发利用的重要方向。近年来,河南省在生物质液体燃料发展上取得了可喜的成绩,以河南省生物质能源重点实验室为依托发展了生物质水解制备液体燃料技术,已形成示范技术,为河南省大力发展液体燃料技术提供了技术支撑。此外,南阳天冠30万吨燃料乙醇生产线,为我国化石能源的替代做出突出贡献,也可提供稳定的燃料乙醇的供应,从而有力地保障车用乙醇汽油试点工作。

    生物质气化技术:生物质气化技术包括生物沼气、生物质气化制气、生物质粗合成气重整、生物质合成气以及生物质合成气制备低碳醇醚等技术,其中郑州大学、河南农业大学等高校在生物质气化技术研发方面不断研究,取得了一定的突破,为河南省大力发展生物质气化技术打下了坚实的基础。

    (三)河南省生物质能源政策现状

    河南省政府一直将生物质能作为全省能源战略的一个重要组成部分,农村能源政策不仅可以改善农村环境,提高农民的生活质量,有效缓解能源供应压力,优化全省能源结构,也为生态文明建设打下了坚实的基础。2010年4月1日实施的修正后的《中华人民共和国可再生能源法》对保障性收购、资金支持等可再生能源发展中的热点问题作出了明确规定,有利于沼气和秸秆发电技术的大规模推广。在《中华人民共和国可再生能源法》的框架下,河南省发展和改革委员会等有关部门相继制定了《生物质能的中长期发展的总量目标》,并为贯彻2015年2月16日发布的《河南省2015年度蓝天工程实施方案》,改善大气环境质量,推进生物质能源的开发和利用,省财政厅通过各级财政部门在生物质能领域开展清洁发展委托贷款业务。生物质液体燃料和生物质发电等生物质能源产业可以提供一般不超过3年的贷款支持,但有些项目,如投资回收期长或公益性项目,贷款期限可适当延长到5年,且贷款利率下浮15%。将配额制政策引入生物质液体燃料和发电项目中,逐步实施政府管制下的市场机制,增加石油企业和电力企业中生物质能源的供应,为生物质能源的大规模利用创造条件。

    二 河南省生物质能源发展潜力分析

    河南省生物质资源丰富,生物质能源产业有很大的发展潜力,尤其是在企业增效、农民创收、节能减排、散煤替代、就业拉动、生态文明建设和环境?;し矫嬉庖逯卮?。本部分从案例出发,重点对生物质能源产业发展的生产效益潜力、燃料利用潜力和综合效率潜力进行剖析。

    (一)生产效益潜力

    以生物质固体成型燃料为例,生物质成型燃料生产企业,在企业创收、拉动附近农民就业、散煤替代和温室气体减排等方面意义重大。例如,河南汝州建立了年产量达5万吨生物质成型燃料的生产基地,每年为企业增加净收入达400多万元,年替代标煤2.5万吨,减少温室气体排放5.5万吨、二氧化硫排放500吨;同时,消耗的秸秆每年为当地农民增收1000多万元,解决劳动就业300多人。该基地促进了秸秆等生物质能源的规?;?,对促进生态文明建设、农业经济发展、建设美丽乡村具有重要的意义,社会、生态效益巨大(见图2)。

    图2 河南汝州生物质成型燃料生产基地

    (二)燃料利用潜力

    生物质制备液体燃料发展空间大,尤其是我国E10乙醇汽油到2020年全覆盖目标的提出,对乙醇等液体燃料的需求增大。发展非粮乙醇(如秸秆乙醇),一方面可有效解决秸秆露天焚烧带来的环境污染难题,另一方面可以有效缓解粮食乙醇与人争粮的困境。以河南天冠为例,河南天冠建成了国内首个15万吨秸秆乙醇示范区,建成了国内首个纤维素乙醇产业示范生产线,成功构建了纤维素乙醇原料保障体系,填补了我国纤维素乙醇产业化工艺与设备的研发空白,创建了基于纤维素乙醇的生物质能源与农业融合新模式,实现了秸秆发电、秸秆沼气、秸秆乙醇和秸秆还田的综合效益,极大地促进了“三化”的协调科学发展,也为我国的能源结构调整和新农村建设提供了一个优秀模式。目前,纤维素乙醇整体技术水平国际先进,经济成本基本与粮食乙醇持平,即将在全省推广,进而辐射全国。

    纤维素乙醇技术的突破及其产业化运行,弥补了利用非粮原料制取液体燃料的空白,可以有效替代化石能源,且生态、环保、节能、减排等综合效应显著。

    (三)综合效益潜力

    每年如果把河南省的2000万吨秸秆等农业废弃物用作生物质能源,可为当地农民增收40亿元,覆盖农民1000多万人,人均增收约400元,可满足5万~10万人就业,对农业大省经济发展方式的转变起到积极的作用。生物质的能源规?;?,具有双向清洁作用,以秸秆为例,如果不被利用就难免被就地焚烧,随意焚烧时会释放大量的二氧化碳,导致大气中二氧化硫、二氧化氮、可吸入颗粒物3项污染指数明显升高,还会引起非常明显的雾霾现象,危害人体健康,影响航空、高速等的正常运营,2000万吨的秸秆可替代标准煤约1000万吨,减排二氧化碳2600万吨,减排二氧化硫20万吨。这些农业废弃物转化为生物质能源,一方面大大缓解了农作物秸秆等生物质随意焚烧带来的空气污染,另一方面替代了化石能源,起到节能减排的作用。农业废物资源的能源化利用促进其规?;?,对促进农业经济、低碳经济的发展具有重要的意义(见表1)。

    表1 河南省生物质能源发展综合效益分析

    三 河南省生物质能源清洁高效发展模式

    (一)“秸-收-储-运”全产业链模式

    农业废弃物是木质纤维素类生物质最重要的组成部分,河南省农业废弃物资源量丰富,是一笔巨大的可再生资源,把大量的农业废弃物转化为液体燃料及高值化学品是生物质能转化的核心技术,也是河南能源革命和生态文明建设的关键因素。生物质能源产业的发展与农村经济和亿万农民密切相连,该产业发展潜力大,为实现精准脱贫、保障河南省尤其是农村经济社会持续发展的任务提供了有效途径。

    农村废弃物的典型特征是分布广而散,能源密度低,收获季节性强,故收集困难,且运输和储存成本高,难以实现大规模的推广应用,且由于生物质种类不同、液体燃料转化技术及利用方式不同,有必要建立一套完善的秸秆类农业废弃物从原料的生产到收集-运输,再到转化利用的全链条技术,实现秸秆的清洁高效利用。

    图3 秸秆综合化利用整体路线

    建立“种子-幼苗-果实-秸秆-收集-储存-运输-转化-利用”的全生命周期分析和综合利用系统,其整体工艺如图3所示。在此环节,建立以秸秆经纪人为主体的秸秆收储运模式,秸秆经纪人将分散在农户地里的秸秆收集加工后再运往生物质能源利用企业。预处理后的农业废弃物在生物质能源利用企业经水解、醇解、热解、酶解、发酵、气化再间接液化等技术制备液体燃料,粗合成的液体燃料经萃取、蒸馏、分离提纯制备生物油、生物柴油、醇类燃料、乙酰丙酸等液体燃料,其中乙酰丙酸可进一步经过酯化反应和加氢反应制备乙酰丙酸酯类燃料及高值化学品戊内酯等,用作交通燃料及供热发电。

    (二)“秸-气-醇”能源化模式

    国家发改委、国家能源局、财政部等15个部委于2017年9月联合印发了《关于扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油的实施方案》,该实施方案指出,到2020年全国范围将推广使用车用乙醇汽油,基本实现全覆盖。推广E10乙醇汽油有助于减缓对石油资源的依赖,促进农业发展,在二氧化碳减排、降霾及大气污染治理中发挥重要作用。

    生物燃料乙醇生产的三大类原料为以薯类和谷类为主的淀粉质原料,以甘蔗、甜高粱为主的糖质原料和以秸秆、籽壳为主的纤维类原料。在可持续发展和“不与人争粮,不与粮争地”的原则下,E10乙醇汽油战略的提出为秸秆类非粮原料生产燃料乙醇的大规模生产迎来了契机,同时也提出了挑战。

    木质纤维素类生物质能利用目前仍存在以下技术瓶颈:①缺乏对生物质能转化技术的机理机制过程清晰的认识;②缺失生物质组分清洁高效分离技术;③生物质能源利用离工程化利用还有很大差距,处于起步阶段。所以,以木质纤维素为原料的生物质液体燃料开发还有很多技术难题需要攻克,也是全球研发的难点和热点问题(见图4)。

    图4 生物质醇类燃料能源化利用路线

    因此,需建立以纤维素类生物质为原料的高效热解气化制备高值燃气,生物质燃气间接液化合成低碳混合醇,混合醇与汽柴油复配的关键技术与整体工艺产业链。建立生物质气化燃料的高效成型预处理技术及装备,生物质成型燃料高效热解气化、燃气高效净化脱除焦油技术及设备,生物质合成气催化重整工艺体系及合成气的成分的有效调整及控制技术,低碳混合醇高效制备清洁分离系统及汽柴油复配技术。建立一定规模的纤维素类生物质醇类燃料示范工程,实现农林废弃物的能源化利用。

    (三)“秸-油-化学品”资源化模式

    “秸秆-生物油-化学品”资源化利用不仅有利于缓解环境污染现状,有效替代化石能源,更是循环经济、农村能源革命及生态文明建设要求下的必然产物。

    以生物质资源为原料定向液化制备生物汽油、生物柴油和生物航油等清洁液体燃料并联产高附加值化学品。建立以生物质资源为基础到生物液体燃料再到高值化学品的关键技术和整体工艺装备产业链,涉及生物质原料的清洁预处理技术及装备,生物质液体燃料高效催化转化技术及装备,液体燃料低能耗分离系统,高值化学品的催化合成关键技术及设备,高效催化剂的制备等技术(见图5)。

    图5 生物质高值化学品资源化利用路线

    建立以生物质资源为基础定向液化制备生物液体燃料(生物汽油、生物柴油、生物航油)并联产高附加值化学品的关键技术和整体工艺产业链,可逐渐替代对化石能源的需求,减轻对环境的压力。

    (四)“秸-热电联共”产业化模式

    随着散煤的替代和低碳能源政策的落实,生物质热电联供技术将成为主要的利用形式之一,有很大的发展前景。生物质发电技术是国际上生物质能源产业发展最快也是最成熟的技术之一,更是最有可能实现产业化的生物质利用形式。在生物质发电方面,与国外技术相比,国内缺乏先进燃烧技术优化设计软件,集成控制系统特别是智能化操作系统及相关的过程感知、评判、预警、调控等应用配件主要依赖进口,发电效率存在较大差距,混燃发电由于缺乏政策和监测技术而发展极其迟缓(见图6)。

    图6 生物质热电产业化利用路线

    因此,需要建立以生物质成型燃料为原料高效燃烧后的蒸气进行热电联供产业化生产体系,并建立一定规模的生物质成型燃料智能化供热系统,生物质成型燃料混燃发电系统及在混燃发电系统中的生物质燃烧量计量检测和监控技术。实现生物质能源的清洁供暖和高效供电,加快农林废弃物的可持续利用步伐。

    (五)“畜禽粪污-沼气工程”综合化模式

    河南省是全国的畜牧业大省,畜禽粪污一直是河南农村面临的比较头疼的难题,处理不当不但污染环境,还影响了乡村容貌。迫于建设美丽乡村的内在要求和“三农问题”的解决,迫切需要建立“畜禽粪污-沼气工程”综合化利用生态模式。

    该模式属于分散收集+集中处理,摒弃传统的一家一户小单位沼气的原料不稳、技术粗放的做法,建立了适宜规模的沼气工程点,回收最佳经济半径内的畜禽粪污进行集中无害化处理及有机肥的生产,再将产出的沼气集中供应给农户,实行沼气利用,沼渣沼液还田(见图7)。此模式不仅解决了畜禽粪污的污染问题,又给农民提供了便宜清洁的能源,还为农田提供有机肥料,可谓一举多得。该模式将粉碎的畜禽粪污集中收集起来,在第三方沼气工厂统一进行无害化处理及再加工,构成了完整的畜禽粪污收储运和再资源化利用的技术服务体系。

    图7 生物质沼气工程综合化利用路线

    四 2019年河南省生物质能源行业发展形势展望

    (一)燃料乙醇商业化

    《关于扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油的实施方案》要求到2020年全国范围内基本实现E10乙醇汽油全覆盖,2025年力争实现纤维素乙醇规?;?,形成较为完善的市场化运行机制,使得燃料乙醇的行业需求和市场潜力增大。河南天冠集团的年产30万吨燃料乙醇生产线是国内最大级别的燃料乙醇示范工程,也是河南省工业结构调整的标志性成果,为河南省的能源替代战略做出突出贡献,还可作为河南省生物质能源利用的示范样板工程在全省进行推广,为燃料乙醇向商业化迈进保驾护航。燃料乙醇的市场需求必将推动河南省生物质能源技术的变革,未来燃料乙醇将走向商业化。

    (二)微藻柴油规?;?/p>

    随着环境污染的加重和对生物质能源研究的深入,微藻柴油作为新型的能源燃料具有巨大的发展潜力,且随着石油价格的提升,该产业有着广阔的发展前景。与农作物相比,微藻能源燃料生产过程占地少,产油量是传统生物燃料的10~100倍,其生产和降解过程可以实现二氧化碳的零排放,在环保方面意义重大。产油微藻的高效筛选和培育及油脂的高度纯化技术的攻克,可实现微藻柴油技术的规?;?。但是,河南省微藻柴油技术起步较晚,目前仍处于实验室研究开发阶段,在未来河南省生物质能源发展中,微藻能源将成为生物柴油燃料的重要组成部分。

    (三)生物航煤领跑化

    随着生物航空燃料在商业客机上试验成功,为生物质向高品位航空燃料的转化指明了方向,也标志着我国在生物航空液体燃料的研发和产业化应用方面取得了重大突破。生物航煤的原料很丰富,如餐饮废油、微藻油、动物脂肪、棕榈油和麻风子油等植物性油脂。与石化基航空煤油相比,生物航煤在全生命周期中碳减排可减少50%以上。作为动植物油脂等废物资源丰富的河南省应加大生物航煤的研发和技术推广力度,继续保持国际领先地位,占领国际制高点,同时需降低纤维素类制取生物航油成本,建立示范装置,促进产业化推广应用。

    (四)生物燃气产业化

    生物质燃气作为一种绿色低碳能源,具有弥补天然气缺口的优势,还具有处理有机废弃物、生产清洁能源、?;せ肪车募际跤攀?,是实施乡村振兴战略、实现农村能源革命、建设生态文明的重要和必不可少的战略抓手。目前,生物质燃气技术和产业化是生物质能源领域发展最好、最成熟的方向。发展生物质燃气的基础在农村,而河南农村秸秆基数大,集中发展生物沼气工程及净化提纯技术,开放高效发酵菌种和酶产品,提高设备运行的可靠性为河南省农村秸秆发展的总趋势。中小型的生物沼气普遍存在效率低等问题,未来河南生物燃气工程大型化转型势在必行。

    (五)生物发电市场化

    西方国家都在大力发展秸秆等生物质发电技术,对于生物质资源丰富的河南省来说,发展生物质发电产业前景广阔,同时可以弥补风力发电和光伏发电不稳定等缺点,形成多能互补协同发展的态势。发展生物质发电,实施散煤替代,可显著减少碳氧化物、氮氧化物、硫氧化物的排放,减轻环境污染。因此,未来河南省生物质发电占可再生能源的结构将会不断上升,生物质发电装机容量占可再生能源发电装机容量比重也会增大,分布式热电联产将成为主要方向。目前,常规的生物质发电形式有三种,分别为直接燃烧发电、气化发电、混燃发电,未来混燃发电将是生物质发电技术的主流方向,随着生物质混燃发电中生物质燃烧量计量检测和监控技术的攻克,生物质发电技术将步入市场化的轨道。

    五 河南省生物质能源行业发展建议

    (一)制定生物质能源发展战略规划,推动能源优化升级

    为了生物质能源稳步有序发展,建议制定详细的生物质能源发展战略规划和具体的指标要求,促进生物质能源产业的有序发展。对生物质资源分布进行详细评估和调研,确定生物质能源在可再生能源乃至整个能源体系中的地位和作用。确定生物质能源技术利用专项课题,促进生物质能源利用技术的攻克,为社会各方提供能源产业发展的“路线图”。

    (二)加大生物质能产业创新研发力度,突破技术瓶颈

    加强生物质能源技术的原始创新、集成创新和技术创新,建立以生物质资源为基础的定向液化制备清洁液体燃料并联产高附加值化学品的关键技术和整体工艺开发。建立生物质成型燃料定向气化制备高值燃气,高值燃料间接液化合成低碳混合醇及低碳混合醇与成品油复配关键技术与整体工艺开发。建立生物质成型燃料高效燃烧热电联产技术,实现生物质能的清洁供暖和高效供电,突破生物质能气、液、固、电转化效率及分离等技术瓶颈,推进生物质秸秆清洁能源利用示范县“集中布局-整县推进”模式的建立,加快生物质能分布式利用及产业向着集约化综合高效方向发展,把技术创新作为提升产业综合竞争力的重要手段,积极提升河南生物质能源产业的整体技术水平。

    (三)建立分布式能源低碳网络系统,提升综合利用水平

    发展生物质能源要重视整体利用和分散利用相结合,因地制宜,多途径多角度提升生物质能源的综合利用程度。河南生物质能源的发展离不开当地的具体条件,而河南省人口多,各地区的自然资源、社会经济发展水平差异大,生物质能源发展需结合各地区生物质资源的区域特征,因地制宜,构建可持续发展的分布式低碳能源网络系统,倡导多能互补协同发展。

    (四)构建生物质能行业准入标准,建立产品质量体系

    对从事生物质能源利用的企业在生物质制备燃料及化学品的生产和销售环节制定详细的标准,促进生物质能源利用企业提高生产效率,提升企业的发展空间?;С稚镏誓茉蠢闷笠挡⒐褐刈?,提升经营规模,提高能效。建立生物质能源燃料及化学品的检验中心,对生物质资源制备的多形态燃料及化学品进行合理分析与检测,给出质量检验报告,促进生物质能源利用企业的良性发展。

    (五)推动生物质产业市场化,加大人才培养力度

    充分发挥具有生物质能研发优势和产业推广的科研院所、高校及企业在技术领域的互促互进作用,不断推动生物质能技术的推广和研发成果的产业化、市场化。高度重视对生物质能源产业的相关人才的培养,并建立专门的团队和平台。鼓励生物质能源企业培训与高校教育相结合,以科研院所与企业合作的形式培养生物质能源专业人才,在高校设立与生物质能源产业发展相关的专业,培养生物质能源方面专业人才。对于生物质能源领域的研究人员、掌握技术或工艺流程的工人及企业有经验的管理人员,应给予高度重视,重点培养,使之成为满足河南省生物质能源产业发展的重要人才。

    标签: 发展模式 河南省 生物质能源

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